Park, Jong-Hyuck;Kim, Sung-Gaun;Rauf, Abdul;Ryu, Je-Ha
제어로봇시스템학회:학술대회논문집
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제어로봇시스템학회 2003년도 ICCAS
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pp.2737-2742
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2003
Kinematic calibration enhances absolute accuracy by compensating for the fabrication tolerances and installation errors. Effectiveness of calibration procedures depends greatly on the measurements performed. While the Cartesian postures are measured completely, all of the geometric parameters can be identified to their true values. With partial pose measurements, however, few geometric parameters may not be identifiable and effectiveness of the calibration results may vary significantly within the workspace. QR decomposition of the identification Jacobian matrix can reveal the non-identifiable parameters. Selecting postures for measurement is also an important issue for efficient calibration procedure. Typically, the condition number of the identification Jacobian is minimized to find optimum postures. This paper investigates identifiable parameters and optimum postures for four different calibration procedures - measuring postures completely with inverse kinematic residuals, measuring postures completely with forward kinematics residuals, measuring only the three position components, and restraining the mobility of the end-effector using a constraint link. The study is performed for a six degree-of-freedom fully parallel HexaSlide type paralle manipulator, HSM. Results verify that all parameters are identifiable with complete posture measurements. For the case of position measurements, one and for the case of constraint link, three parameters were found non-identifiable. Optimal postures showed the same trend of orienting themselves on the boundaries of the search space.
In the flat panel display and semiconductor industries, the visual alignment system is considered as a core technology which determines the productivity of a manufacturing line. It consists of the vision system to extract the centroids of alignment marks and the stage control system to compensate the alignment error. In this paper, we develop a Kalman filter algorithm to estimate the alignment mark postures and propose a coarse-fine alignment control method which utilizes both original fine images and reduced coarse ones in the visual feedback. The error compensation trajectory for the distributed joint servos of the alignment stage is generated in terms of the inverse kinematic solution for the misalignment in task space. In constructing the estimation algorithm, the equation of motion for the alignment marks is given by using the forward kinematics of alignment stage. Secondly, the measurements for the alignment mark centroids are obtained from the reduced images by applying the geometric template matching. As a result, the proposed Kalman filter based coarse-fine alignment control method enables a considerable reduction of alignment time.
A fine stage is developed for the 3-DOF error compensation of a linear axis in order to improve the positioning accuracy. This stage is designed as a planar parallel mechanism, and the joints are based on a flexure hinge to achieve ultra-precise positioning. Also, the effect of Abbe's offsets between the measuring and driving coordinate systems is minimized to ensure an exact error compensation. The mode shapes of the designed stage are analyzed to verify the desired 3-DOF motions, and the workspace and displacement of a piezoelectric actuator (PZT) for compensation are analyzed using forward and inverse kinematics. The 3-DOF error of a linear axis is measured and compensated by using the developed fine stage. A marked improvement is observed compared to the results obtained without error compensation. The peak-to-valley (PV) values of the positional and rotational errors are reduced by 92.6% and 91.3%, respectively.
Kinematic calibration enhances absolute accuracy by compensating for the fabrication tolerances and installation errors. Effectiveness of calibration procedures depends greatly on the measurements performed. This paper investigates identifiable parameters and optimum postures for four different calibration procedures - measuring postures completely with inverse kinematic residuals, measuring postures completely with forward kinematics residuals, measuring only the three position components, and restraining the mobility of the end-effector using a constraint link. The study is performed for a six degree-of-freedom fully parallel HexaSlide type parallel manipulator, HSM. Results verify that all parameters are identifiable with complete posture measurements. For the case of position measurements, one and for the case of constraint link, three parameters were found non-identifiable. Selecting postures for measurement is also an important issue for efficient calibration procedure. Typically, the condition number of the identification Jacobian is minimized to find optimum postures. Optimal postures showed the same trend of orienting themselves on the boundaries of the search space.
This paper analyzes the motion of a horseback riding robot which has two actuators and three joints. It is impossible to control the saddle to get to any position and orientation using the two motors because the robot has less degrees of freedom than the number of joints. Therefore it is required to know the possible location and orientation along with the velocity characteristics of each pose prior to motion planning. For this purpose, this paper analyzes the characteristics of the robot motion. The authors derive the forward and inverse kinematics of the robot motion and developed the trajectory editor for motion planning. Also, Jacobian of the robot is analyzed. It reveals that one of the actuator has little influence to the speed of the saddle motion while the other affects the speed of the saddle motion dominantly. The approach of the paper can be applied for the analysis of characteristics of a robot which has less number of actuators than that of joints.
This paper presents a new design of the precision stage for the reticle in lithography process and a low hunting control method for the stage. The stage has three axes for X, Y, ${\theta}_z$ those actuated by three voice coil motors individually. The designed reticle stage system has three gap sensors and voice coil motors, and supported by four air bearings and the forward/inverse kinematics of the stage were solved to get an accurate reference position. When a stage is in regulating control mode, there always exist small fluctuations(stage hunting) in the stage movement. Because the low stage hunting characteristic is very important in recent lithography and nano-level applications, a special regulating controller for ultra low hunting is proposed in this paper. Also this research proposed the 2-step transmission system for preventing the noise infection from environmental devices. The experimental results showed the proposed regulating control system reduced hunting noise as 35nm(rms) when a conventional PID generates 77nm(rms) in the same mechanical system. Besides the reticle stage has 100nm linear accuracy and $1{\mu}rad$ rotation accuracy at the control frequency of 8kHz.
This paper describes the design, simulation, development, and experiment of a six degree-of-freedom micropositioning parallel manipulator. A movable stage was supported with six links, each of which extends with a dc-servo micropositioning actuator. In case of parallel manipulator, while the solution of the inverse kinematics is easily found by the vectors of the links which are composed of the joint coordinates in base and platform, but forward kinematic is not easily solved because of the nonlinearity and complexity of the parallel manipulator's kinematic output equation with the multi-solutions. The movable range of the prototype was ${\pm}25mm$ in the x- and y-directions and ${\pm}12.5mm$ in the z-direction. The minimum incremental motion of the prototype was $1{\mu}m$ in the x- and y-directions and $0.5{\mu}m$ in the z-direction. The repeatability of the prototype was ${\pm}2{\mu}m$ in the x- and y-directions and ${\pm}1{\mu}m$ in the z-direction. The motion performance was also evaluated by not only the computer simulation of CAD model but also the experiment using a capacitive sensor system.
For last couple of decades, uses of TFI-LCDs have been expanded to many FPD(Flat Panel Display) applications including mobile displays, desktop monitors and TVs. Furthermore, there has been growing demand for increasingly larger LCD TVs. In order to meet this demand as well as to improve productivity, LCD manufactures have continued to install larger-generation display fabrication facilities which are capable of producing more panels and larger displays per mother glass(substrate). As the size of mother glass becomes larger, a robot required to handle the glass becomes bigger accordingly, and its end effectors(arms) are extended to match the glass size. With this configuration, a considerable static deflection occurs at the end of the robot arms. In order to stack maximum number of mother glasses on a given footprint, the static deflection should be compensated. This paper presents a novel static deflection compensation algorithm. This algorithm requires neither measurement instrument nor additional vertical axis on the robot. It is realized by robot controller software. The forward and inverse kinematics considering compensation always guarantees a unique solution, so the proposed algorithm can be applied to an arbitrary robot position. The algorithm reduced static deflection by 40% in stationary robot state experiment. It also improved vertical path accuracy up to 60% when the arm was running at its maximum speed. This algorithm has been commercialized and successfully applied to a seventh-generation LCD glass-handling robot.
A new 6 degrees-of-freedom micro stage, based on parallel mechanisms and actuated by using piezoelectric elements, has been developed for the application of micro positioning such as semiconductor manufacturing devices, high precision optical measurement systems, and high accurate machining. The micro stage structure consists of a base platform and an upper platform(stage). The base platform can effectively generates planar motion with yaw motion, while the stage can do vertical motion with roll and pitch motions with respect to the base platform. This separated structure has an advantage of less interference among actuators. The forward and inverse kinematics of the micro stage are discussed. Also, through linearization of kinematic equations about an operating point on the assumption that the configuration of the micro stage remains essentially constant throughout a workspace is performed. To maximize the workspace of the stage relative to fixed frame, an optimal design procedure of geometric parameter is shown. Hardware description and a prototype are presented. The prototype is about 150mm in height and its base platform is approximately 94mm in diameter. The workspace of the prototype is obtained by computer simulation. Kinematic calibration procedure of the micro stage and its results are presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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