KR0155882B1

KR0155882B1 - 로봇의 위치센서 캘리브레이션 방법 및 장치

Info

Publication number: KR0155882B1
Application number: KR1019950029852A
Authority: KR
Inventors: 최정연
Original assignee: 김광호; 삼성전자주식회사
Priority date: 1995-09-13
Filing date: 1995-09-13
Publication date: 1998-12-15
Also published as: KR970014945A

Abstract

본 발명은 로봇(Robot)의 위치센서 캘리브레이션(Calibration) 방법 및 장치에 관한 것으로서, 별도의 측량기기, 측량 공간 및 시간이 요구되는 종래의 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것이다.

본 발명은, 소정의 동력을 발생시키는 동력발생수단 ; 상기 동력에 의거하여 회전 운동을 수행하는 회전수단 ; 절대 정확도의 기준 매체로 작용하는 디지탈 엔코더 ; 상기 회전수단 및 대상 위치센서를 기구적으로 결합하는 결합수단 ; 상기 위치센서로부터의 아날로그 신호를 디지탈 신호로 전환하는 신호전환수단 ; 그리고 상기 디지탈 엔코더로부터 출력되는 펄스 신호의 수와 상기 디지탈 신호의 값의 차이, 및 상기 펄스 신호의 수에 따른 상기 회전수단의 회전 각도를 계산한 후, 상기 위치센서의 절대 정확도를 파악하는 처리수단 ; 을 갖춘 것을 그 특징으로 하여, 별도의 측량기기를 이용하지 않고 소요 공간 및 시간을 단축시킬 뿐만 아니라 해상도, 절대 정확도, 및 반복 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Description

로봇의 위치센서 캘리브레이션 방법 및 장치

제1도는 종래의 위치센서 캘리브레이션 방법을 설명하기 위한 개략적 발췌도이다.

제2도는 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션 방법 및 장치를 설명하기 위한 개략도이다.

제3도는 제2도의 스테핑 모터, 회전부, 디지탈 엔코더 및 레졸바가 별도의 지그(Jig)에 결합된 상태를 나타낸 측단면도이다.

제4도는 제3도의 레졸바가 지그에 결합된 상태를 나타낸 정면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

R : 레졸바(Resolver) 4 : 디지탈 엔코더(Digital Encoder)

5 : 회전부 6 : 스테핑 모터(Stepping motor)

7 : PC(Personal Computer) 8 : CPU(Central Processing Unit)

9 : 레졸바 디코더(Resolver Decoder) 10 : 계수/계산부

11 : 진수 변환부 12 : 스테핑 모터의 축

13 : 소형 플라이휠(Flywheel) 14 : 고무 밴드

S : 공통 회전축 Rr : 레졸바 회전부

Rf : 레졸바 고정부 15 : 100 g 플라이휠

16 : 지지대 17 : 완충기(Flexible coupling)

18 : 디지탈 엔코더측의 축 19 : 육각키(Hexagon key)

20 : 레졸바 케이스(Resolver Case).

본 발명은 로봇(Robot)의 위치센서 캘리브레이션(Calibration) 방법 및 장치에 관한 것이다.

로봇의 캘리브레이션은, 로봇의 절대 정확도(Absolute accuracy) 및 반복 정밀도를 향상시키기 위하여 수행되며, 일반적으로 오차의 원인 및 난이도에 따라 제3단계로 분류되어 수행된다. 로봇의 위치센서 캘리브레이션은 제1단계 캘리브레이션에 속하며, 다른 캘리브레이션들의 기본이 된다. 즉, 기구학적, 비기구학적, 그리고 환경적 요인들을 고려하는 다른 캘리브레이션들은, 로봇의 모든 위치센서들이 높은 절대 정확도 및 반복 정밀도를 가진다는 가정하에 실시된다. 따라서 위치센서 캘리브레이션의 효과가 크지 않으면, 다른 캘리브레이션들의 실시는 오히려 로봇의 절대 정확도 및 반복 정밀도를 저하시킬 수 있다. 로봇의 위치센서는, 로봇의 위치 제어에 필요한 기본적인 정보 예를 들어, 구동부(Actuator)의 변위에 대한 정보를 제어기에 제공하는 역할을 수행한다. 이러한 위치센서는 대부분 로봇의 각 관절부에 장착되어 있으며, 대표적인 위치센서로는 레졸바(Resolver)를 들 수 있다.

일반적인 위치센서 캘리브레이션은, 별도의 측량기기 예를 들어 건축용 디오돌라이트(Theodolite) 또는 레이저 측량기기 등을 이용하여, 각 위치센서를 통하여 나타나는 로봇 축의 회전각도와 상기 측량기기에 의한 회전각도를 비교 및 보정하는 방식을 택한다. 제1도는 종래의 위치센서 캘리브레이션 방법을 설명하기 위한 개략적 발췌도이다. 도시된 바와 같이 종래에는, 건축용 디오돌라이트와 같은 측량기기(1)에 의한 로봇 축의 회전각도와 위치센서(도시되지 않음)를 통하여 나타나는 로봇축(2)의 회전각도를 비교 및 보정하는 방식을 택한다. 제2도에 도시된 로봇 축(2)은 스카라(SCARA)형 로봇의 한 축을 나타내고 있다. 이러한 로봇 축 상에 장착된 위치센서의 캘리브레이션을 수행하기 위해서는 적당한 표적(3) 예를 들어, 거울과 같은 발광원을 로봇 축(2)과 연결하여 장착해야 한다. 장착 위치는 로봇 축(2)이 이동하여도 측량기기(1)에 항상 관측될 수 있는 위치이어야 한다. 제1도에서 측량기기(1)로 측정된 조준각(Elevation) λ 및 방위각(Azimuth) β의 합은 상기 표적(3)의 회전각 θ₁과 같다. 그러나 회전각 θ₁과 실제 로봇 축(2)의 회전각과는 상당한 오차가 있으므로, 상기 오차를 보정하기 위하여 로봇 축(2)을 기준으로 상기 표적(3)의 상대적 위치를 파악하고 계산하는 과정이 필요하다. 제2도의 로봇 축(2) 및 표적(3) 상의 각 부호들은 상기 상대적 위치를 파악하는 데에 적용되는 변위 좌표들을 나타내고 있다. 이와 같이 구해진 로봇 축의 회전각도와 위치센서(도시되지 않음)를 통하여 나타나는 로봇 축(2)의 회전각도를 비교 및 보정함으로써, 로봇의 위치센서 캘리브레이션이 수행된다. 이와 같은 종래의 위치센서 캘리브레이션 방법은, D. E. Whitney, C. A. Lozinsky, 그리고 J. M. Rourke가 1986년 3월 'Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control' 지 제108권 제1면에서 제8면에 걸쳐 발표한 논문 'Industrial Robot Forward Calibration Method and Results'에 상술되어 있다.

상기와 같은 종래의 위치센서 캘리브레이션 방법은 다음과 같은 문제점을 갖는다.

첫째, 로봇 축 상의 표적의 변위를 파악하기 위하여 별도의 측량기기가 필요하다.

둘째, 로봇 축을 기준으로 표적의 상대적 위치를 파악하고 계산하는 과정이 난해하다.

세째, 변위 측량을 위한 넓은 공간이 필요하다.

네째, 변위 측량에 소요되는 시간이 길다.

다섯째, 로봇 축의 미세한 회전 상태를 감지할 수 없다. 디오돌라이트를 사용하는 경우, 최대 해상도는 1 내지 5 초 정도이다.

여섯째, 측량기기, 소요 공간 및 시간으로 인하여 로봇 제조공정에 포함되지 못한다. 일반적으로 로봇의 정확도에 문제가 발생되는 경우에만 특정 축에 대하여 실시된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안해서 창안된 것으로서, 별도의 측량기기를 이용하지 않고 소요 공간 및 시간을 단축시킬 뿐만 아니라 해상도, 절대 정확도, 및 반복 정밀도를 향상시킬 수 있는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 방법 및 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다. 또한 본 발명의 다른 목적은, 절대 정확도가 상대적으로 낮은 위치센서들의 활용도를 높일 뿐만 아니라 불량 위치센서들을 사전에 검출하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 로봇의 위치센서 캘리브레이션 방법은, 소정의 회전축을 동작시키는 단계 ; 상기 회전축의 동작에 따라서, 대상 위치센서로부터 아날로그 신호를 발생시킴과 동시에, 소정의 디지탈 엔코더를 이용하여 연속되는 펄스 신호를 발생시키는 단계 ; 상기 아날로그 신호를 디지탈 신호로 전환시키는 단계 ; 상기 펄스 신호의 수와 상기 디지탈 신호의 값의 차이, 및 상기 펄스 신호의 수에 따른 상기 회전축의 회전 각도를 계산하는 단계 ; 그리고 상기 차이값 및 회전 각도로써 상기 위치센서의 절대 정확도를 파악한 후 보정하는 단계 ; 를 포함한 것을 그 특징으로 한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치는, 소정의 동력을 발생시키는 동력발생수단 ; 상기 동력에 의거하여 회전 운동을 수행하는 회전수단 ; 절대 정확도의 기준 매체로 작용하는 디지탈 엔코더 ; 상기 회전수단 및 대상 위치센서를 기구적으로 결합하는 결합수단 ; 상기 위치센서로부터의 아날로그 신호를 디지탈 신호로 전환하는 신호전환수단 ; 그리고 상기 디지탈 엔코더로부터 출력되는 펄스 신호의 수와 상기 디지탈 신호의 값의 차이, 및 상기 펄스 신호의 수에 따른 상기 회전수단의 회전각도를 계산한 후, 상기 위치센서의 절대 정확도를 파악하는 처리수단; 을 갖춘 것을 그 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

제2도는 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션 방법 및 장치를 설명하기 위한 개략도이다. 도시된 스테핑 모터(Stepping Motor, 6), 회전부(5), 디지탈 엔코더(4) 및 대상 위치센서인 레졸바(Resolver, R)는 별도의 지그(Jig, 도시되지 않음)로써 기구적으로 결합되어 있다. PC(Personal Computer, 7) 내의 CPU(Central Processing Unit, 8)는, 스테핑 모터(6), 디지탈 엔코더(4), 레졸바(Resolver, R), 레졸바 디코더(Resolver Decoder, 9), 진수 변화부(11), 및 계수/계산부(10)의 동작을 전체적으로 제어한다. 본 실시예에서는 레졸바 디코더(9)로서 아날로그 디바이스(Analog Device)사의 AD2S80 소자를, 계수/계산부(10)로서 HCTL-1000 소자가 사용된 HCTL-1000 카드를, 그리고 진수 변환부(11)로서 48 채널의 상용 디지탈 입출력카드(Digital I/O card)를 적용하였다.

다음은 제2도를 중심으로 본 발명에 따른 캘리브레이션 방법을 설명하기로 한다. 스테핑 모터(6)가 동작되면 회전부(5)가 회전함에 따라, 레졸바(R)에서 아날로그 신호가 발생됨과 동시에, 디지탈 엔코더(4)에서 펄스(pulse) 신호가 발생된다. 상기 아날로그 신호는 레졸바 디코더(9)에 의하여 16 비트 디지탈 신호로 변환된 후, 디지탈 입출력카드(11)를 통하여 정수의 형태로 변환된다. 본 실시예의 경우, 회전축(5)의 1 회전에 상응한 정수가 65,536 이므로, 적용되는 정수의 범위는 회전부(5)의 1 회전 당 0 부터 65,536 이 된다. 따라서 정수 1 당 0.0055°의 해상도(Resolution)를 갖는다. 한편 상기 펄스 신호는 PC(7) 내의 계수/계산부(10)에서 계수되고, 회전부(5)의 회전 각도가 계산된다. 본 실시예에 적용된 디지탈 엔코더(4)는, 1 회전 당 81,000 개의 펄스를 발생시킨다. 즉, 81,000 pulses/rev 의 출력 사양을 갖는다. 따라서 회전각은 한 펄스 당 0.0011°( 0.0011 deg/pulse ) 이다. PC(7) 내의 CPU(8)는, 상기 펄스 신호의 수와 상기 디지탈 신호의 값의 차이, 및 상기 펄스 신호의 수에 따른 상기 회전부(5)의 회전 각도를 계산한 후, 상기 레졸바(R)의 절대 정확도를 파악한다. 이에 따라 상기 레졸바(R)가 실제 로봇에 적용되는 경우, 파악된 절대 정확도에 의거하여 보정된 값을 취함으로써 레졸바(R)의 절대 정확도 및 반복 정밀도를 향상시킬 수 있다.

제3도는 제2도의 스테핑 모터, 회전부, 디지탈 엔코더 및 레졸바가 별도의 지그(Jig)에 결합된 상태를 나타낸 측단면도이다. 제3도에 도시된 치수의 단위는 mm(millimeter)이다. 스테핑 모터(6)의 축(12)은 소형 플라이휠(Flywheel, 13)에 결합되고, 소형 플라이휠(13)은 고무 밴드(14)를 통하여 진동 흡수용 100 g(gram) 플라이휠(15)과 연결되어 있다. 공통 회전축(S)은 지지대(16), 100g 플라이휠(15), 레졸바(R)의 회전부(Rr), 및 완충기(Flexible coupling, 17)의 일측과 결합되어 있다. 상기 완충기(17) 일측의 대향측은 디지탈 엔코더(4)측의 축(18)과 결합되어, 공통 회전축(S) 상의 상. 하 또는 전. 후 방향의 힘이 디지탈 엔코더(4)측의 축(18)에 가해지지 않게 하는 작용을 한다. 레졸바(R)의 상. 하 고종부(Rf)는, 3개의 육각키(Hexagon key, 19)로써 레졸바 케이스(Resolver Case, 20)에 각각 결합된다. 결합시 레졸바 케이스(20)와 레졸바 고정부(Rf) 사이의 접촉면이 10 ㎛ 정도의 간격을 가지므로, 육각키(19)에 최소한의 힘을 적용하여 결합하는 것이 바람직하다. 레졸바 케이스(20)는 지지대(16)에 고정된다. 레졸바(R)의 회전부(Rr)는 공통 회전축(S)과 5 ㎛ 정도의 간격을 유지하며 결합된다. 한편 레졸바 고정부(Rf)와 레졸부 회전부(Rr) 사이에는 1 ㎜ 정도의 간격이 유지된다.

다음은 제3도의 동작 과정을 살펴보기로 한다. PC(제2도의 7)에 의하여 스테핑 모터(6)가 일정한 스텝으로 구동되면, 발생된 회전력은 고무 밴드(14)에 의하여 100 g 플라이휠(15)에 전달됨으로써 공통 회전축(S)이 일정한 스텝으로 회전하게 된다. 이에 따라 공통 회전축(S)과 결합된 레졸바 회전부(Rr)는 일정한 스텝으로 회전하게 되며, 레졸바 고정부(Rf)에서 아날로그 신호가 발생된다. 이와 동시에 레졸바(R)의 대향측에서 공통 회전축(S)과 연결된 디지탈 엔코더(4)는, 연속되는 펄스 신호를 발생시키게 된다. 결국 디지탈 엔코더(4)와 레졸바(R)는 공통 회전축(S)에 직접 결합되어 있으므로, 기어 백래시(Gear backlash)와 같은 오차를 방지할 수 있다.

제4도는 제3도의 레졸바가 지그에 결합된 상태를 나타낸 정면도이다. 도시된 바와 같이 레졸바 케이스의 외경을 50 ㎜, 레졸바 케이스와 레졸바 고정부(Rf) 사이의 간격을 10 ㎛, 레졸바 고정부(Rf)와 레졸바 회전부(Rr) 사이의 간격을 1 ㎜, 그리고 레졸바 회전부(Rr)와 공통 회전축(S) 사이의 간격을 5 ㎛ 정도로 설계하는 것이 바람직하다.

본 발명의 효과를 확인하기 위하여, 제2도, 제3도, 및 제4도에 의거하여 레졸바(R) 캘리브레이션 장치를 제작한 후, 5개의 유크론(Eucron)사 레졸바(R)를 대상으로 실험을 수행하였다. 그 결과, 평균 0.05°의 절대 정확도를 평균 0.01°의 절대 정확도로 향상시킬수 있었다.

이상 설명된 바와 같이 본 발명에 의한 로봇의 위치센서 캘리브레이션 방법 및 장치에 의하면, 별도의 측량기기를 이용하지 않고 소요 공간 및 시간을 단축시킬 뿐만 아니라 해상도, 절대 정확도, 및 반복 정밀도를 향상시킬 수 있다. 아울러 절대 정확도가 상대적으로 낮은 위치센서들의 활용도를 높일 뿐만 아니라 불량 위치센서들을 사전에 검출할 수 있다.

Claims

소정의 회전축을 동작시키는 단계 ; 상기 회전축의 동작에 따라서, 대상 위치센서로부터 아날로그 신호를 발생시킴과 동시에, 소정의 디지탈 엔코더를 이용하여 연속되는 펄스 신호를 발생시키는 단계 ; 상기 아날로그 신호를 디지탈 신호로 전화시키는 단계 ; 상기 펄스 신호의 수와 상기 디지탈 신호의 값의 차이, 및 상기 펄스 신호의 수에 따른 회전축의 회전 각도를 계산하는 단계 ; 그리고 상기 차이값 및 각도로써 상기 위치센서의 절대 정확도를 파악한 후 보정하는 단계 ; 를 포함한 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 방법.
제1항에 있어서, 상기 회전축은, 그 일부가 상기 위치센서의 회전부와, 다른 일부가 상기 디지탈 엔코더와 결합되는 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 방법.
제1항에 있어서, 상기 회전축은, 소정 스테핑 모터의 축과 기구적으로 연결되는 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 방법.
제3항에 있어서, 상기 스테핑 모터는, PC(Personal Computer)에 의하여 제어되는 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 방법.
제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 디지탈 신호는, 상기 PC에 입력되는 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 방법.
제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 펄스 신호의 수와 상기 디지탈 신호의 값의 차이, 및 상기 회전 각도를 계산하는 단계는, 상기 PC에 의하여 수행되는 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 방법.
소정의 동력을 발생시키는 동력발생수단 ; 상기 동력에 의거하여 회전 운동을 수행하는 회전수단 ; 절대 정확도의 기준 매체로 작용하는 디지탈 엔코더 ; 상기 회전수단 및 대상 위치센서를 기구적으로 결합하는 결합수단 ; 상기 위치센서로부터의 아날로그 신호를 디지탈 신호로 전환하는 신호전환수단 ; 그리고 상기 디지탈 엔코더로부터 출력되는 펄스 신호의 수와 상기 디지탈 신호의 값의 차이, 및 상기 펄스 신호의 수에 따른 상기 회전수단의 회전각도를 계산한 후, 상기 위치센서의 절대 정확도를 파악하는 처리수단 ; 을 갖춘 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치.
제7항에 있어서, 상기 회전수단은, 상기 디지탈 엔코더와 상기 위치센서의 회전부에 공통으로 결합된 회전축, 상기 회전축과 결합된 제1플라이휠(Flywheel), 상기 동력발생수단의 축과 결합된 제2플라이휠, 그리고 상기 제1플라이휠과 제2플라이휠을 연결하는 밴드를 갖춘 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치.
제8항에 있어서, 상기 밴드는, 고무 밴드인 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치.
제7항에 있어서, 상기 위치센서는, 레졸바(Resolver)인 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치.
제7항에 있어서, 상기 동력발생수단은, 스테핑 모터(Stepping motor)인 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치.
제7항에 있어서, 상기 동력발생수단은, 상기 처리수단에 의하여 제어되는 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치.
제7항에 있어서, 상기 처리수단은, PC(Personal Computer)인 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치.
제7항에 있어서, 상기 디지탈 엔코더는, 상기 처리수단에 의하여 제어되는 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치.
제7항에 있어서, 상기 처리수단은, 상기 디지탈 신호를 정수의 형태로 변환시키는 진수 변환부를 포함한 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치.
제15항에 있어서, 상기 진수 변환부는, 48 채널의 상용 디지탈 입출력카드(Digital I/O card)각 작용된 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치.
제8항에 있어서, 상기 처리수단은, 상기 펄스 신호의 수를 계수하고 상기 회전축의 회전 각도를 계산하는 계수/계산부를 포함한 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치.
제8항에 있어서, 상기 결합수단은, 상기 회전축을 지지하는 지지대와 상기 위치센서의 고정부를 지지하는 센서 케이스를 갖춘 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치.
제8항에 있어서, 상기 회전축은, 상기 디지탈 엔코더와 상기 제1플라이휠 사이에 소정의 완충기(Flexible coupling)를 갖춘 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치.
제10항에 있어서, 상기 신호전환수단은, 레졸바 디코더 소자인 것을 그 특징으로 하는 로봇의 위치센서 캘리브레이션 장치.