KR0151061B1 - 로보트의 절대위치 정확도 측정방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇 켈리브레이션에 있어서 절대공간에서의 로봇 절대위치 정확도 측정방법 및 시스템에 관하여 개시한 것으로서, 본 발명의 특징에 의하면, 절대공간 내의 절대위치 측정대상 로봇의 선단에 마련되는 제1표적 및 제2포적과, 상기 제1표적에 레이저 빔을 조사하기 위한 레이저 헤드와, 상기 레이저 헤드와 상기 제1표적 사이에 위치하도록 마련되는 레이저 인터페로메터와, 어느 하나가 위치가변수단에 의해 위치 조정이 가능하도록 마련되는 동시에 상기 제2표적으로부터의 상대적 위치가 약 90도를 이루도록 마련되는 제1티오돌라이트 장비와 제2티오돌라이트 장비를 포함하여 이루어지며, 상기 인터페로메타로 측정한 로봇의 직선변위와 상기 제1 및 제2티오돌라이트 장비로 측정한 변위의 절대좌표계 내에서의 방향과 추가로 측정되는 로봇 이동의 직선도를 종합하여 절대공간 내에서의 로봇의 절대위치 좌표계를 산출할 수 있도록 하여, 로봇 켈리브레이션에 있어서 로봇의 절대위치 정확도를 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

로봇의 절대위치 정확도 측정방법 및 시스템

제1도 및 제2도는 본 발명의 기술과 관련된 종래 기술을 설명하기 위해 나타내 보인 도면으로서,

제1도는 삼각측량에 의한 거리 측정 방법을 나타낸 개략도.

제2도는 레이저 인터페로메타에 의한 거리 측정 방법을 나타낸 개략도.

제3도는 본 발명에 의한 로봇의 절대위치 정확도 측정 시스템을 나타내보인 개략적 구성도.

제4도는 본 발명에 의한 로봇의 절대위치 정확도 측정 시스템을 나타내 보인 개략적 구성도.

제5도는 제3도 및 제4도에 도시된 본 발명 시스템에 있어서 인터페로메타 장비가 설치된 부분의 확대도.

제6도는 제2표적의 실시예를 나타내 보인 개략도.

제7도 및 제8도는 티오돌라이트 장비를 사용하여 임의의 고정좌표계의 X축과 Y축을 결정하는 방법을 설명하기 위한 개략도.

제9도는 허용오차의 개념을 설명하기 위한 개략도.

제10도는 레이저 빔의 방향 산출 방법을 설명하기 위한 개략도.

제11도는 절대위치 산출 방법을 설명하기 위한 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 로봇 아암 11 : 제1표적(반사경)

12 : 제2표적 20 : 인터페로메타

21 : 레이저 헤드 31,32 : 티오돌라이트

120 : 기둥부재 121 : 금속구

본 발명은 로봇 캘리브레이션을 위한 절대위치 측정방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 특히 로봇의 절대위치를 2차원 평면 상에서 측정하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 산업용 로봇의 절대위치한 로봇의 작업영역 내에서 임의의 고정좌표계를 중심으로 결정되는 위치정보를 말하는 것이다. 따라서, 로봇의 절대위치는 임의의 고정좌표계를 중심으로 생각하면 그 상대위치이기는 하지만, 본 발명에서 다루고자 하는 로봇의 절대위치란 로봇의 고유좌표계(로보트 몸체에 고정되어 있음)와는 구분되는 로봇의 절대공간(켈리브레이션 작업공간) 내의 좌표계 상에서의 위치를 의미하는 것으로 로봇의 위치가 변하여도 작업물이나 목표지점의 좌표는 변하지 않는다.

통상 로봇의 절대 위치 정확도(Absolute Positional Accuracy)를 향상시키기 위해서는 캘리브레이션(Calibration)을 행하여야 하는데, 이러한 과정에 있어서 실제 로봇의 절대공간 내에서의 위치를 측정할 필요가 있다. 효과적인 켈리브레이션을 통하면 로봇의 절대정확도를 로봇의 반복 정밀도 수준으로 끌어 올릴 수 있는데, 이와 같은 과정에서 필요로 하는 데이터는 로봇의 X, Y, Z 위치로 이루어지는 3차원 데이터이기는 하나, Z축에 관한 데이터는 보통 지면이나 작업대위에서부터의 거리이기 때문에 간단한 계측장비를 사용하여 용이하게 측정할 수가 있다. 문제는 X방향과 Y방향에 대한 정밀 데이터인데, 이 데이터는 전용장비가 없이는 고정도(0.1 마이크론 이상)의 측정이 용이하지 않다.

먼저, 본 발명에 대한 상세한 설명을 하기 이전에 제1도 및 제2도를 참조하여 본 발명의 기술과 관련된 종래 기술을 살펴보기로 한다.

제1도 및 제2도는 본 발명의 기술과 관련된 종래 기술을 설명하기 위해 나타내 보인 도면으로서, 제1도는 삼각측량에 의한 거리 측정방법을 나타낸 개략도이고, 제2도는 레이저 인터페로메타에 의한 거리 측정 방법을 나타낸 개략도이다.

제1도에 도시된 삼각측량법은 공간상의 한점(C)을 두 지점(A)(B)에서 관측하여 삼각형을 형성한 후, 각 점(A)(B)(C)가 이루는 각도를 각각 θa,θb,θc라 하고, 각 점(A)(B)(C) 사이의 거리를 c, a, b라 할 때, 사인(Sine)법칙을 이용하여 상대적인 거리를 측정하는 방법으로 토목공사에 있어서 없어서는 안되는 기본적인 측정기술이다.

그리고, 제2도에 도시된 레이저 인터페로메터리(Laser Interferometry)는 레이저 광원(1)과 이동 미러(2) 및 고정 미러(3) 사이에 빔 스프리터(4)를 설치하고 반사되는 광을 포토디렉터(5)에서 수광할 수 있도록 구성함으로써, 빛의 간섭현상을 이용하여 미세한 거리의 측정을 가능하게 하는 기술로서 강한 레이저를 이용하면 0.001마이크론의 거리 변화도 측정이 가능하다.

그러나, 상술한 종래의 측정기술 중 제1도에 나타내 보인 삼각측량법의 경우 티오돌라이트(Theodolite)라는 장비를 사용하는데, 이 티오돌라이트는 거리를 측정하는 장비가 아니다. 따라서, 제1도에서와 같이 관측점과 측정 대상물의 상대적인 각도를 측정하고 단위거리 또는 기준거리(Length Standard)를 사용해야 실제 위치나 거리를 알 수 있다. 이 경우 길이의 척도를 상기 티오돌라이트 장비로 관찰하여 기준으로 삼아야 하지만, 이렇게 하면 로봇을 캘리브레이션하기 위한 정밀도(적어도 1마이크론)를 얻기 위해서는 턱없이 부족한 정확도의 기준거리가 나오는 문제점이 있다.

또한, 제2도에 나타내 보인 레이저 인터페로메터에 의한 상대적인 변위측정은 매우 높은 정밀도(반복정밀도 0.001 마이크론, 절대 정확도 0.05 마이크론 이상)의 측정이 가능하나, 장비에 따라서는 매우 제한된 양의 2차원적 측정만이 가능하며, 통상적으로 측정장치 1대당 1차원적인 측정, 즉 한방향의 측정만이 가능하다.

따라서, 상술한 바와 같은 이유로 인하여 고정밀도 장비인 인터페로메타와 티오돌라이트를 사용할 경우에 로봇 캘리브레이션에 적합한 2차원적인 측정 즉, 평면상의 측정이 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제1의 목적은 2대의 티오돌라이트와 1대의 인터페로메타 장비를 이용하여 절대공간 내에서 고정밀도의 로봇 절대위치를 측정하는 로봇 절대위치 측정 시스템을 제공하는 것이다.

그리고, 본 발명의 제2의 목적은 2대의 티오돌라이트와 1대의 인터페로메타 장비를 이용하여 절대공간 내에서 고정밀도의 로봇 절대위치를 측정하는 로봇 절대위치 측정방법을 제공하는 것이다.

상기한 제1의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 로봇 켈리브레이션을 위한 절대공간에서의 로봇 절대위치 측정 시스템은,

절대공간 내의 절대위치 측정대상 로봇의 선단에 마련되는 제호1표적 및 제2표적과, 상기 제1표적에 레이저 빔을 조사하기 위한 레이저 헤드와, 상기 레이저 헤드와 상기 제1표적 사이에 위치하도록 마련되는 레이저 인터페로메터와, 어느 하나가 위치가변수단에 의해 위치조정이 가능하도록 마련되는 동시에 상기 제2표적으로부터의 상대적 위치가 약90도를 이루도록 마련되는 제1티오돌라이트 장비와 제2티오돌라이트 장비를 포함하여 이루어지며,

상기 인터페로메타로 측정한 로봇의 직선변위와 상기 제1 및 제2티오돌라이트 장비로 측정한 변위의 절대좌표계 내에서의 방향과 추가로 측정되는 로봇 이동의 직선도를 종합하여 절대공간 내에서의 로봇의 절대위치 좌표계를 산출할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기한 제2의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 로봇 켈리브레이션을 위한 절대공간에서의 로봇 절대위치 측정방법은,

절대공간에서의 절대위치 정확도 측정 대상 로봇의 선단을 원점으로 하여 임의의 고정좌표계 X축과 Y축을 정하는 제1단계;

1대의 레이저 인터페로메터와, 제1 및 제2의 티오돌라이트 장비를 상기 로봇에 근접시키는 동시에 상기 제1 및 제2티오돌라이트 장비를 각각 상대적 위치가 약90도를 이루도록 위치시키는 제2단계;

상기 로봇의 선단에 상기 레이저 인터페로메터의 표적인 제1표적과 상기 제1 및 제2티오돌라이트 장비의 표적인 제2표적을 설치하는 제3단계;

상기 제1 및 제2티오돌라이트 장비 중 어느 하나를 XY테이블에 고정시켜 상기 임의의 고정좌표계의 Y축과 동일선상에 위치하도록 상기 제2표적과의 관계를 조정하는 제4단계;

레이저빔이 상기 인터페로메타와 상기 제1표적에 항상 일적선상으로 조사될 수 있도록 레이저 헤드를 조정하여 설치하는 제5단계;

상기 제1표적의 위치를 이동시켜 직선도 에러가 0이 되는 2개의 지점을 찾은 후, 상기 제1 및 제2 티오돌라이트 장비로 상기 제1표적과의 각도를 측정하여 절대고정축에 대한 레이저빔의 방향을 계산하여 결정하는 제6단계;

로봇을 이동시키면서 상기 레이저 인터페로메타로 각 측정위치의 절대기준점으로부터의 상대적인 변위를 측정하는 동시에 직선도를 측정하는 제7단계;

한 직선상의 측정이 끝나면 상기 제5 내지 제7단계를 반복하여 절대위치좌표계 내의 위치데이타로 절대공간에서의 절대위치 정확도를 산출하는 제8단계; 를 순차 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 따른 절대공간에서의 로봇 절대위치 정확도 측정 시스템 및 그 방법에 있어서, 특히 상기 제1표적은 반사경이고, 상기 제2표적은 원기둥형부재의 끝단에 금속구가 구비되어 이루어진 것이 바람직하다. 그리고, 상기 위치가변수단은 XY테이블인 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 절대공간 내에서 로봇의 절대위치 측정시스템의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 로봇 선단의 위치를 절대공간 내에서 측정하는 것이 목적이므로, 본 발명을 실시하기 위해서 우선 제3도 및 제4도에 예시한 바와 같은 시스템을 구성한다. 특, 절대공간 내의 절대위치 측정대상 로봇(10)의 선단에 제1표적(11)과 제2표적(12)을 구비하고; 상기 제1표적(11)에 레이저 빔을 조사하기 위한 레이저 헤드(21)와, 상기 레이저 헤드(21)와 상기 제1표적(11) 사이에 위치하도록 마련되는 인터페로메터(20)를 상기 로봇(10)에 근접하게 위치시킴과 동시에, 상기 제2표적(12)으로부터의 상대적 위치가 약 90도를 이루도록 제1티오돌라이트 장비(31)와 제2티오돌라이트 장비(32)를 상기 로봇(10)에 근접하게 위치시킨다. 여기서, 상기 제1 및 제2티오돌라이트 장비(31)(32)중 어느 하나는 XY테이블에 의해 위치조정이 가능하도록 마련한다. 상기 제2표적(12)은 로봇의 선단에 아주 작지만 식별이 쉬운 표적물을 장착하는데, 구형의 반사성이 강한 물체가 적당하며, 예를 들어 볼베어링의 금속구(Steel Ball)를 사용하면 좋다. 첨부 도면 중, 제6도는 상기 제2표적(12)의 실시예를 도시한 것으로서, 길이 150mm 원기둥부재(120)에 직경 3mm 볼베어링의 금속구(121)를 가공하여 부착한 것이다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 시스템에서 본 발명에 따른 절대공간 내에서의 로봇 절대위치 측정방법은 다음과 같은 단계를 거쳐서 이루어지게 되는데, 먼저 본 발명에 따른 측정방법을 행하기 전에 상기한 본 발명의 시스템을 구성함에 있어서, 티오돌라이트 장비로는 소키사사(Sokkisha)의 SET4C 디지탈 티오돌라이트(5)와 Leica(1)를 사용하였으며, 인터페로메타 장비로는 Renishaw Laser 인터페로메타 시스템을 사용하여 로봇 켈리브레이션을 행하였다.

이하, 본 발명에 따른 절대공간 내에서의 로봇 절대위치 측정방법은 다음과 같다.

1. 임의의 위치 또는 원하는 위치에 고정좌표계를 설정한다. 즉, 로봇의 베이스가 고정되어 있고, 높은 반복정밀도를 가지고 있다면 한점을 좌표계의 원점으로 선택하는 것은 로봇의 선단을 이용한다. 이 위치(원점)를 로봇에 기억시키고, 또 한점을 같은 요령으로 적당한 위치에 선택한다. 이 점도 기억시키고 이점을 잇는 가상의 선을 절대 고정좌표계의 Y축이라고 한다. X축은 Y축을 90도 회전시켜서 얻는다.

2. 제1티오돌라이트(31)와 제2티오돌라이트(32)를 상대적 위치는 e1과 e2가 90도를 이루도록 조정하는 동시에, 로봇와의 거리를 조준경의 최단촛점 거리에 이르도록 조정한다.

3. 로봇 선단에 마련된 제2표적(12)을 이용하여 상기 제1티오돌라이트(31)와 로봇의 선단이 이루는 각도를 측정한다. 즉, 상기 제1티오돌라이트 장비(31)를 사용하여 제7도에서와 같이 조준경의 최단 초점거리에서 십자모양 조준간(310)의 중심에 제2표적인 금속구의 중심을 맞추도록 티오돌라이트 장비의 위도와 경도를 조정한다.

4. 계산해내야 할 각도의 가짓수를 최소로 줄이기 위해 티오돌라이트 장비 중 어느 하나(이하 A1 장비)를 초기 관측방향이 절대 Y축과 동일한 선상에 놓이도록 위치를 조정한다. 다음에, 상기 A1 장비(31)를 XY테이블(311) 위에 고정시키고 제8도에서와 같이 로봇이 0o 위치에 있을때와 0y 위치에 있을 때 표적의 중심이 상기 A1장비(31)의 조준간의 중심에 항상 위치하도록 XY테이블을 조정한다.

5. 레이저 헤드는 인터페로메타와 로봇 선단에 부착된 제1표적인 반사경(11)과 일직선 상에서 레이저빔이 연속적으로 통과하도록 조정하고, 이때 반사경(11)은 항상 레이저빔과 접속되어 있도록 한다. 또한, 제4도에 도시된 바와 같이 미리 계획된 선 위의 측정위치들 즉, 절대공간(Z)을 제9도에 예시한 바와 같이 장비의 허용오차(+/-2mm)내에서 레이저빔이 통과할 수 있도록 로봇 측정선 위의 첫 측정 위치에서 마지막 위치로 반복하여 이동하며 레이저빔이 반사경과 계속 접촉상태에 있을 때까지 레이저 헤드의 위치를 조정한다. 여기서, 제9도는 장비의 허용오차에 대한 개념을 예시한 것으로서 Renishaw 기종의 장비를 사용한 경우이다.

6. 헤드 위치의 조정이 끝났으면 인터페로메타 장비(20)를 사용하여 레이저빔의 방향을 결정한다. 제1표적인 반사경(11)의 위치를 이동하여 직선도 에러(PC에 수치로 실시간 상에서 표시됨)가 제로(0)가 된 지점 2곳을 찾아내서 제1티오돌라이트 및 제2티오돌라이트 장비(31,32)로 제2표적(12)과의 각도를 측정하여 절대고정축에 대한 레이저빔의 방향을 계산한다.

7. 방향이 결정되었으면 로봇을 이동하면서 인터페로메타(20)로 각 측정위치의 절대기준점으로부터의 상대적인 변위를 측정하고 동시에 제9도에 도시된 직선도(e)를 측정한다. 한 선상의 측정이 모두 끝나면 레이저헤드를 다음 측정 선상으로 옮기고 상기한 5항 및 6항의 방법을 반복하여 행한다. 모든 데이터가 측정되었으면 절대위치 좌표계 내의 위치데이타로 산출한다.

여기서, 제10도 및 제11도는 레이저 빔의 방향산출 및 절대위치의 산출 방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 도면으로서, 이를 참조하여 로봇 절대위치 산출방법에 대해서 설명하면 다음과 같다.

먼저, 절대 기준 좌표계 상의 레이저빔의 기울기를 다음식에 의해 구한다.

여기서, ε가 원하는 기울기이며, θx나 θy의 값을 구하면 알 수 있다.

상기 식(1)에서 θx를 구하기 위해서는 θy의 값을 알아야 하는데, 제8도에서 사인(Sine)법칙을 적용하면 하기 식(2)와 같이 정리할 수 있다.

상기 식(2)를 정리하면 하기 식(3)과 같다.

여기서, A = SINθ1 * SINθ3 * SINθ5, B = SINθ2 * SINθ4 * SINθ6 이다.

상기 식(1)을 상기 식(3)에 대입하면 하기 식(4)와 같이 정리된다.

상기 식(4)를 θy에 관하여 정리하면, 다음 식(5)와 같이 정리할 수 있다.

여기서, a = 180 - θ4 - θ5 이다.

마지막으로, θy에 관하여 정리하면 다음 식(6)과 같이 정리할 수 있다.

따라서, 상기 ε는 다음 식(7)에 의해 구할 수 있다.

그리고, 실제 위치를 산출하기 위해서는 다음과 같은 관계식(10),(11)을 사용하면 된다.

여기서, d는 B장비 측정한 변위, e는 직선도, ε는 레이저빔의 기울기를 나타낸다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 다른 로봇 켈리브레이션을 위한 절대공간에서의 로봇 절대위치 측정방법 및 시스템은 기존의 표준거리를 요구하는 티오돌라이트 장비 2대만을 사용하는 방법에 있어서, 고정도를 가지는 레이저 인터페로메타 장비를 도입함으로써 로봇 켈리브레이션에 있어서 로봇의 절대위치 정확도를 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.

Claims (10)

1. 절대공간 내의 절대위치 측정대상 로봇의 선단에 마련되는 제1표적과 제2표적과, 상기 제1표적에 레이저 빔을 조사하기 위한 레이저 헤드와, 상기 레이저 헤드와 상기 제1표적 사이에 위치하도록 마련되는 레이저 인터페로메터와, 상기 제2표적으로부터의 상대적 위치가 약90도를 이루도록 마련되는 제1티오돌라이트 장비와 제2티오돌라이트장비를 포함하고, 상기 제1 및 제2티오돌라이트 장비 중 어느 하나는 위치가변수단에 의해 위치 조정이 가능하도록 마련되어, 상기 인터페로메타로 측정한 로봇의 직선변위와 상기 제1 및 제2티오돌라이트 장비로 측정한 변위의 절대좌표계 내에서의 방향과 추가로 측정되는 로봇 이동의 직선도를 종합하여 절대공간 내에서의 로봇의 절대위치 좌표계를 산출할 수 있도록 된 절대공간에서의 로봇 절대위치 정확도 측정 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1표적은 반사경인 것을 특징으로 하는 절대공간에서의 로봇 절대위치 정확도 측정 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 제2표적은 원기둥부재(120)에 금속구(121)를 부착하여 형성된 것을 특징으로 하는 절대공간에서의 로봇 절대위치 정확도 측정 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 원기둥형부재는 길이가 150mm이고, 상기 금속구는 직경이 3mm인 점을 특징으로 하는 절대공간에서의 로봇 절대위치 정확도 측정 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 위치가변수단은 XY테이블인 것을 특징으로 하는 절대공간에서의 로봇 절대위치 정확도 측정 시스템.
6. 절대공간에서의 절대위치 정확도 측정 대상 로봇의 선단을 원점으로 하여 임의의 고정좌표계 X축과 Y축을 정하는 제1단계; 1대의 레이전 인터페로메터와, 제1 및 제2의 2대의 티오돌라이트 장비를 상기 로봇에 근접시키는 동시에 상기 제1 및 제2티오돌라이트 장비를 각각 상대적 위치가 약 90도를 이루도록 위치시키는 제2단계; 상기 로봇의 선단에 상기 레이저 인터페로메터의 표적인 제1표적과 상기 제1 및 제2티오돌라이트 장비의 표적인 제2표적을 설치하는 제3단계; 상기 제1 및 제2티오돌라이트 장비 중 어느 하나를 위치가변수단에 고정시켜 상기 임의의 고정좌표계의 Y축과 동일선상에 위치하도록 상기 제2표적과의 관계를 조정하는 제4단계; 레이저빔이 상기 인터페로메타와 상기 제1표적에 항상 일직선상으로 조사될 수 있도록 레이저 헤드를 조정하여 설치하는 제5단계; 상기 제1표적의 위치를 이동시켜 직선도 에러가 0이 되는 2개의 지점을 찾은 후, 상기 제1 및 제2 티오돌라이트 장비로 상기 제1표적과의 각도를 측정하여 절대고정축에 대한 레이저빔의 방향을 계산하여 결정하는 제6단계; 로봇을 이동시키면서 상기 레이저 인터페로메타로 각 측정위치의 절대기준점으로부터의 상대적인 변위를 측정하는 동시에 직선도를 측정하는 제7단계; 한 직선상의 측정이 끝나면 상기 제5 내지 제7단계를 반복하여 절대위치좌표계 내의 위치데이타로 절대공간에서의 절대위치 정확도를 산출하는 단계; 를 순차 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 절대공간에서의 로봇 절대위치 정확도 측정방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1표적은 반사경인 것을 특징으로 하는 절대공간에서의 로봇 절대위치 정확도 측정방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 제2표적은 원기둥형부재(120)에 금속구(121)를 부착하여 형성된 것을 특징으로 하는 절대공간에서의 로봇 절대위치 정확도 측정방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 원기동형부재는 길이가 150mm이고, 상기 금속구는 직경이3mm인 점을 특징으로 하는 절대공간에서의 로봇 절대위치 정확도 측정방법.
10. 제6항에 있어서, 상기 위치가변수단은 XY테이블인 것을 특징으로 하는 절대공간에서의 로봇 절대위치 정확도 측정방법.