Development of robot calibration method based on 3D laser scanning system for Off-Line Programming

오프라인 프로그래밍을 위한 3차원 레이저 스캐닝 시스템 기반의 로봇 캘리브레이션 방법 개발

Abstract

Off-line programming and robot calibration through simulation are essential when setting up a robot in a robot automation production line. In this study, we developed a new robot calibration method to match the CAD data of the production line with the measurement data on the site using 3D scanner. The proposed method calibrates the robot using 3D point cloud data through Iterative Closest Point algorithm. Registration is performed in three steps. First, vertices connected by three planes are extracted from CAD data as feature points for registration. Three planes are reconstructed from the scan point data located around the extracted feature points to generate corresponding feature points. Finally, the transformation matrix is calculated by minimizing the distance between the feature points extracted through the ICP algorithm. As a result of applying the software to the automobile welding robot installation, the proposed method can calibrate the required accuracy to within 1.5mm and effectively shorten the set-up time, which took 5 hours per robot unit, to within 40 minutes. By using the developed system, it is possible to shorten the OLP working time of the car body assembly line, shorten the precision teaching time of the robot, improve the quality of the produced product and minimize the defect rate.

로봇을 적용한 자동화 생산 라인에서 로봇 셋업 시 시뮬레이션을 통한 Off-Line Programming(OLP)과 로봇 캘리브레이션은 작업 시간을 단축하고 양산 전부터 생산 품질을 관리하기 위해 필수적이다. 본 연구에서는 상용 3D 스캐너를 사용하여 생산 라인의 CAD 데이터와 현장의 3차원 측정 스캔 데이터를 정합하는 로봇 캘리브레이션 방법을 개발하였다. 제안한 방법은 Iterative Closest Point(ICP) 알고리즘을 통해 두 개의 3차원 점군 데이터를 정합하여 로봇을 교정한다. 정합은 3단계로 수행한다. 먼저 CAD 데이터로부터 3개의 평면으로 연결된 꼭짓점을 특징점으로 추출한다. 추출한 특징점 주변에 위치한 스캔 점군데이터로부터 평면을 재구성하여 대응하는 특징점을 생성한다. 마지막으로 ICP 알고리즘을 통해 추출한 특징점들 간의 거리를 최소화하여 위치 변환 행렬을 계산한다. 자동차 차체 조립라인의 스팟용접 로봇 설치에 제안한 방법을 적용한 결과 스팟용접에서 일반적으로 요구하는 정밀도 1.5mm 수준으로 로봇의 위치 및 자세를 캘리브레이션 할 수 있었으며, 기존에 레이저 트래커를 사용하면 로봇 한 대당 5시간 이상 소요되던 셋업 시간은 40분 이내로 단축할 수 있었다. 개발한 시스템을 사용하면 차체 스팟 용접에 필요한 정밀도를 유지하면서 자동차 차체 조립 라인의 OLP 작업시간을 단축하여, 로봇 정밀 티칭 시간을 단축하여, 생산제품의 품질 향상 및 불량률을 최소화할 수 있다.

Fig. 1. 3D Scanner and point cloud data (a)Commercial scanner (b)Pointcloud of a worksite

Fig. 2. Point cloud comparison between scan data set and its 3D CAD model

Fig. 3. Pseudocode of ICP Algorithm

Fig. 4. Feature point selection

Table 1. Precision comparison before and after calibration (d1: Maximum distance(mm) between scan data and cad before calibration, μ1: Average of d1, d2: Maximum distance(mm) between scan data and cad after calibration, μ2: Average of d2, σ2: standard deviation of d2)

Table 2. Measurement of setup time(t1: setup time per each robot(min))