Ein neues Verfahren zur automatischen Kalibrierung zwischen Manipulator und 2D Laserscanner ohne Kalibriertarget unter Berücksichtigung von Messfehlern

Abstract

Damit mobile oder feststehende Manipulatoren die Messdaten von Laserscannern nutzen können, um die Bewegung des Manipulators zu planen, müssen die Systeme mit einer extrinsischen Kalibrierung in einen geometrischen Kontext zueinander gesetzt werden.

Da die Systeme im industriellen Umfeld oder im Einsatz vor Ort Einflüssen wie Vibrationen oder Stößen ausgesetzt sind, können die beiden Teilsysteme zueinander verschoben und rotiert werden. Dies verändert die kinematische Struktur des Gesamtsystems und kann zu einer eingeschränkten Funktion oder Kollisionen führen. Um die Einsatzfähigkeit wiederherzustellen, muss die kinematische Struktur mit einer extrinsischen Kalibrierung neu parametriert werden. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und Benutzerfreundlichkeit sollten die Systeme ihre Aufgaben weitestgehend autonom oder teilautonom verrichten. Die Fähigkeit einer automatischen Kalibrierung ohne zusätzlich anzubringende Sensorik oder mitzuführende Kalibriertargets ist erforderlich, um dauerhaft zuverlässig und robust mit der Umgebung interagieren und die geforderte Funktion ausführen zu können.

Bisherige Verfahren zur extrinsischen Kalibrierung zwischen 2D Laserscanner und Manipulator verwenden komplexe und große Kalibriertargets oder eine mitzuführende Kamera. Die automatische Kalibrierung anhand des Manipulators selbst ist bisher nicht möglich. Dieses Problem wird in dieser Arbeit für Manipulatoren mit zylinderförmigen Gliedern oder Werkzeugen erstmals gelöst und untersucht.

Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz basiert darauf die kinematische Kette des Manipulators entlang einer Achse zu verlängern und den Schnittpunkt mit der Messebene des Laserscanners zu bestimmen. Mehrere Messposen führen schließlich dazu, dass die Transformationskette zwischen Manipulator und Laserscanner mit einer Kleinste-Quadrate Optimierung geschlossen werden kann und sich die gesuchte Transformation zwischen Manipulator-Basis und Laserscanner ergibt. Dieses Vorgehen ermöglicht es kleine, mitführbare, zylinderförmige Kalibriertargets, zylinderförmige Werkzeuge oder den Manipulator selbst zur Kalibrierung zu verwenden. Der Ansatz wird außerdem dahingehend erweitert, dass die Messfehler berücksichtigt werden können. So wird die Genauigkeit der Kalibrierung verbessert.

Zur Bewertung des Ansatzes wird dieser in simulierten und realen Experimenten untersucht. Die gewonnenen Kalibrierparameter werden mit einem externen, hoch präzisen optischen Referenzsystem evaluiert. Im Vergleich mit einem aktuellen Verfahren konnten der translatorische und rotatorische Fehler der Kalibrierparameter zwischen 44% und 92% verringert werden.