RGB-D 카메라를 이용한 로봇 매니퓰레이터 기구학 캘리브레이션 = Kinematic Calibration of Robot Manipulator using RGB-D Camera
저자
발행사항
충주 : 한국교통대학교 일반대학원, 2021
학위논문사항
학위논문(석사)-- 한국교통대학교 일반대학원 : 기계공학과 로봇공학 전공 2021. 2
발행연도
2021
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
충청북도
형태사항
ix, 61 p. ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 황면중
UCI식별코드
I804:43010-200000368386
소장기관
최근 자동화 공정에 사용되는 산업용 로봇 매니퓰레이터는 단순한 작업부터 복잡한 작업까지 다양하게 수행을 한다. 로봇 매니퓰레이터의 절대 위치 정확도(Absolute positioning accuracy)는 작업의 완성도를 결정하는데 중요한 요소다. 하지만, 로봇 매니퓰레이터를 제작하면서 발생하는 가공 오차, 조립오차와 구동으로 인한 진동 발생 및 노화 등으로 설계에 사용한 공칭 파라미터(Nominal parameter)와 실제 로봇에서의 파라미터 간 차이가 발생하여 로봇 엔드이펙터(End effector)의 예상 위치와 실제 위치 간 오차가 발생한다. 외부 측정 장치로 로봇의 위치 및 자세를 측정하여 공칭 파라미터와 실제 파라미터 간 발생하는 오차를 찾고 보정하는 작업을 로봇 매니퓰레이터 기구학 캘리브레이션(Kinematic Calibration)이라 한다.
본 논문에서 비교적 저렴하면서 현장에서 바로 설치가 가능하며, 사용하기 쉬운 RGB-D 카메라로 로봇의 거리 오차를 측정하여 로봇 매니퓰레이터 기구학 캘리브레이션 방법을 제안한다. 로봇 엔드이펙터에 부착한 RGB-D 카메라로 서로 다른 두 위치에서 체커보드 코너 점의 3차원 위치를 측정하여 RGB-D 카메라가 움직인 회전 및 위치 변환 행렬을 구한다. 변환 행렬로 RGB-D 카메라가 움직인 거리와 로봇이 움직인 거리를 비교하여 거리 오차를 측정한다. 본 논문에서 제안하는 로봇 매니퓰레이터 기구학 캘리브레이션 방법을 검증하기 위해 시뮬레이션과 6축 수직 다관절 로봇에 적용하여 실험을 진행하였다.
시뮬레이션에서 공칭 파라미터에 임의의 오차 파라미터를 합하여 구하고자 한 실제 로봇 파라미터로 나타냈다. 실제 로봇 파라미터로 계산한 거리 데이터를 측정 거리 데이터로 사용하였으며, 측정 거리 데이터에 오차를 부여하여 실제 환경과 같이 유사하게 구현하였다. 측정 거리 데이터의 ±1% 이내 오차를 부여 시, 기구학 캘리브레이션 전과 후를 비교하였을 때 로봇의 절대 거리 오차 최댓값과 절대 거리 평균값이 줄어들어 로봇의 정확도가 향상됨을 확인할 수 있다.
본 논문에서 제안하는 기구학 캘리브레이션 방법을 검증하기 위해 6축 수직 다관절 로봇에 적용하였고, 로봇의 영점 각도자세에서 모든 축에 -1도, 5도, -10도만큼 오프셋으로 설정하여 실험을 진행하였다. 측정 장치의 오차보다 로봇의 오차가 큰 경우 본 논문에서 제안하는 기구학 캘리브레이션 방법으로 적용하였을 때, 거리 오차의 절대 최댓값과 평균값이 약 80% 이상 줄어드는 결과를 볼 수 있다.
Recently, industrial robot manipulators perform a variety of from simple to complicated tasks in a manufacturing process. The absolute positioning accuracy of robot manipulator is an important factor to complete a robotic task with high accuracy. However, inevitable error between estimated position and actual position of the robot end effector results from the kinematic parameter errors. These errors between the nominal kinematic parameters and actual kinematic parameters are generated due to tolerance of the robot parts in design, manufacturing, and assembly. The process to find and correct errors in parameters occurring between nominal and actual parameters by measuring the robot manipulator’s position and posture with an external measurement is called robot manipulator kinematic calibration. This thesis proposes the robot manipulator kinematic calibration method based on distance error model using a relatively inexpensive and easy-to-use RGB-D(Depth) camera. The RGB-D camera attached to the robot end effector measures checker board’s corner 3-D position in two different positions. The homogeneous transformation matrix having rotation and translation matrix between two different RGB-D camera position are calculated from the acquired position data from RGB-D camera. The distance error is measured by comparing the distance moved by the RGB-D camera from the derived homogeneous transformation matrix, with the distance moved by the robot manipulator. Simulation and experiment have been conducted to verify the proposed robot manipulator kinematic calibration method with 6-DOF robot manipulator. In simulation, actual robot kinematic parameter is defined by adding an arbitrary error kinematic parameter to nominal kinematic parameter. The measurement error to impose sensing error is added to measured distance data that is calculated with actual robot kinematic parameter for more real simulation. When a measurement error within ±1% of the measured distance data is given, it can be shown that the robot’s accuracy is improved by decreasing the absolute maximum distance error and absolute mean distance error via calibration process. In Experiment, the robot manipulator’ zero position was set to have -1°, 5° and -10° offset on all joint angle, and experiments were conducted. If robot manipulator' error is greater than measurement error, calibration result shows that absolute maximum distance error and absolute mean distance error are decreased more than about 80% with proposed robot manipulator calibration method in this thesis.
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