KR100207722B1 - 위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법은, 최소 제곱 오차 방법을 이용하여 캘리브레이션용 함수를 구하는 단계를 포함한다. 상기 최소 제곱 오차 방법을 이용하기 위하여, 먼저 상기 제어 대상의 이동 영역 내에서 기준점 및 각 측정 지점을 설정한다. 다음에 상기 기준점 및 각 측정 지점에 대한 위치 데이터를 저장한다. 다음에 상기 각 측정 지점에 대한 위치 데이터에서 상기 기준점에 대한 위치 데이터를 감산하여, 상기 제어 대상이 상기 각 측정 지점에서 상기 기준점으로 이동될 거리의 데이터를 구한다. 다음에 상기 이동될 거리의 데이터에 대하여 각 제곱 오차의 합이 최소화될 수 있는 캘리브레이션용 함수를 구한다. 그리고 상기 위치 제어 데이터가 상기 캘리브레이션용 함수에 부합되도록 상기 제어기의 알고리듬을 조정한다.

Description

위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법
본 발명은 위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.
위치 제어 시스템은 그 종류 및 응용 분야가 매우 다양하지만, 다음과 같은 기본적인 구성 요소들을 포함한다. 즉, 제어 대상을 이동시키는 구동기; 상기 제어 대상의 위치 데이터를 발생시키는 센서; 및 상기 센서로부터의 위치 데이터를 처리하여 상기 구동부에 입력되는 위치 제어 데이터를 발생시키는 제어기;를 포함한다. 이와 같은 구성 요소들을 포함하는 위치 제어 시스템의 캘리브레이션이란, 상기 위치 제어 데이터가 상기 제어 대상의 실제 이동 거리에 부합되도록, 상기 제어기의 알고리듬을 조정하는 과정을 의미한다. 상기 위치 제어 데이터가 상기 제어 대상의 실제 이동 거리에 부합되지 않는 일차적 원인은, 상기 센서로부터의 위치 신호가 상기 제어 대상의 실제 위치와 부합되지 않는 데에 있다. 따라서, 상기 센서로부터의 위치 신호에 대한 상기 위치 제어 데이터의 최적 함수 즉, 캘리브레이션용 함수를 구하여, 상기 제어기의 알고리듬이 캘리브레이션용 함수에 부합되게 조정하는 과정이 중요하다.
종래의 위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법은, 사용자로부터 직접 측정된 실제 이동 편차를 반영하여 상기 캘리브레이션용 함수를 설정하도록 되어 있다. 예를 들어, 종래의 로봇 용접 시스템의 캘리브레이션 방법을 살펴 본다. 도 1에는 일반적인 로봇 용접 시스템이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 로봇 용접 시스템은, 상기 위치 센서로서의 레이저 비젼 센서(10), 용접 토치(11), 신호 처리기(12), 주 제어기(13), 로봇(14), 용접 제어기(15) 및 와이어 피더(16)를 갖추고 있다. 용접 토치(11)에 부착된 레이저 비젼 센서(10)에는, CCD(Charge Coupled Device) 카메라(101) 및 반도체 레이저(102)가 마련된다. 반도체 레이저(102)는 용접 지점에 레이저 빛을 조사하고, CCD 카메라(101)는 용접 지점으로부터 반사되는 빛의 밝기에 따른 위치 데이터를 발생시킨다. CCD 카메라(101)로부터의 위치 데이터는 신호 처리기(12)를 통하여 주 제어기(13)에 입력된다. 주 제어기(13)는 사용자로부터의 명령 신호, 상기 신호 처리기(12)로부터의 위치 데이터 및 내장된 알고리듬에 따라 용접 제어를 수행한다. 로봇(14)은 주 제어기(13)로부터의 위치 제어 데이터에 따라 레이저 비젼 센서(10)가 부착된 용접 토치(11)를 이동시킨다. 용접 제어기(15)는 주 제어기(13)로부터의 제어 신호에 따라 와이어 피더(16)를 제어한다. 그리고 와이어 피더(16)는 용접 토치(11)에 용접용 와이어(161)를 공급한다.
도 1과 같은 로봇 용접 시스템에 있어서 종래의 캘리브레이션하 방법은, 소정의 기준점과 레이저 비젼 센서(10) 사이의 거리, 및 상기 기준점과 용접 토치(11) 사이의 거리를 사용자가 직접 측정하여 입력하도록 되어 있다. 즉, 로봇 제어기(13)에 내장된 캘리브레이션용 함수의 상수들은 입력된 두 거리의 비율에 따라 조정된다. 그리고 상기 위치 제어 데이터가 상기 캘리브레이션용 함수에 부합되도록 상기 제어기의 알고리듬을 조정한다.
상기와 같은 종래의 위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법은, 사용자가 실제 이동 편차를 직접 측정하여 입력하도록 되어 있으므로, 사용자의 직접 측정에 따른 번거러움 및 부정확성의 문제점들을 안고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 목적은, 위치 센서로부터의 측정 데이터로써만 수행될 수 있는 위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 일반적인 로봇 용접 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 시스템에 대한 본 발명의 캘리브레이션 방법의 흐름도이다.
도 3은 도 2의 단계 (b)를 수행하는 상태의 개략적 사시도이다.
도 4는 도 3의 이동 상태에 대한 좌표계를 나타낸 도면이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10...레이저 비젼 센서,11...용접 토치,
12...신호 처리기,13...주 제어기,
14...로봇,15...용접 제어기,
16...와이어 피더,101...CCD 카메라,
102...반도체 레이저,161...용접용 와이어,
Pr...기준점,CL...레이저 비젼 센서의 현재 위치,
XL...레이저 비젼 센서의 X축 진행 방향,
ZL...레이저 비젼 센서의 Z축 진행 방향,
CT...용접 토치의 현재 위치,XT...용접 토치의 X축 진행 방향,
ZT...용접 토치의 Z축 진행 방향,dL...용접 토치와 기준점 사이의 거리.
상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법은, 최소 제곱 오차 방법을 이용하여 캘리브레이션용 함수를 구하는 단계를 포함한다. 상기 최소 제곱 오차 방법을 이용하기 위하여, 먼저 상기 제어 대상의 이동 영역 내에서 기준점 및 각 측정 지점을 설정한다(단계 a). 다음에 상기 기준점 및 각 측정 지점에 대한 위치 데이터를 저장한다(단계 b). 다음에 상기 각 측정 지점에 대한 위치 데이터에서 상기 기준점에 대한 위치 데이터를 감산하여, 상기 제어 대상이 상기 각 측정 지점에서 상기 기준점으로 이동될 거리의 데이터를 구한다(단계 c). 다음에 상기 이동될 거리의 데이터에 대하여 각 제곱 오차의 합이 최소화될 수 있는 캘리브레이션용 함수를 구한다(단계 d). 그리고 상기 위치 제어 데이터가 상기 캘리브레이션용 함수에 부합되도록 상기 제어기의 알고리듬을 조정한다(단계 e).
바람직하게는, 상기 단계 (b)는, 상기 제어기로써 상기 구동기를 제어하여, 상기 제어 대상을 상기 기준점에 위치시키는 단계; 상기 기준점에 대한 위치 데이터를 저장하는 단계; 및 상기 제어 대상을 상기 기준점으로부터 점차 멀어지게 하면서 상기 각 측정 지점에 대한 위치 데이터를 저장하는 단계;에 의하여 수행된다. 또한, 상기 단계 (d)에서 구해진 캘리브레이션용 함수는, 상기 제어기에 저장되어 다음 캘리브레이션의 수행시 그 상수들이 조정된다. 여기서 상기 모든 단계들은, 상기 제어기에 캘리브레이션용 프로그램으로서 저장되어, 다음 캘리브레이션의 수행시 사용된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2에는 도 1의 로봇 용접 시스템에 대한 본 발명의 캘리브레이션 방법이 도시되어 있다. 이를 상술하면 다음과 같다. 먼저 용접 토치(11)의 이동 영역 내에서 기준점 및 각 측정 지점을 설정한다(단계 a). 다음에 주 제어기(13)로써 로봇(14)을 제어하여 용접 토치(11)를 이동시키면서, 상기 기준점 및 각 측정 지점에 대한 위치 데이터를 저장한다(단계 b).
도 3은 도 2의 단계 (b)를 수행하는 상태의 개략적 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 비젼 센서(10)가 부착된 용접 토치(11)는 설정된 기준점 Pr에 대하여 소정의 방향으로 전진하거나 후진하게 된다. 도 4에는 도 3의 이동 상태에 대한 좌표계를 나타낸 도면이다. 도 4에서, 부호 Pr은 설정된 기준점, CL은 레이저 비젼 센서(10)의 CCD 카메라(101)의 현재 위치, XL은 레이저 비젼 센서(10)의 X축 진행 방향, ZL은 레이저 비젼 센서(10)의 Z축 진행 방향, CT는 용접 토치(11)의 용접용 와이어(161) 단부의 현재 위치, XT는 용접 토치(11)의 X축 진행 방향, ZT는 용접 토치(11)의 Z축 진행 방향, 그리고 dL은 용접 토치(11)와 기준점 Pr 사이의 거리를 나타낸다. 이와 같은 상태에서, 먼저 주 제어기(13)로써 로봇(14)을 제어하여, 용접 토치(11)의 용접용 와이어(161) 단부가 기준점 Pr에 닿게 한다. 그리고 이때의 기준점 Pr에 대한 위치 데이터 (x0, y0, z0)를 저장한다. 다음에 용접 토치(11)를 기준점 Pr로부터 점차 멀어지게 하면서 상기 각 측정 지점에 대한 위치 데이터를 저장한다.
다음에 로봇 제어기(13)는 저장된 각 측정 지점에 대한 위치 데이터에서 상기 기준점 Pr에 대한 위치 데이터 (x0, y0, z0)를 감산하여, 상기 용접 토치(11)가 상기 각 측정 지점에서 상기 기준점 Pr로 이동될 거리의 데이터 (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3), ..., (xn, yn, zn), ...을 구한다(단계 c). 이를 수식화하면, (각 측정 지점에서 기준점 Pr로 이동될 거리의 데이터) = (각 측정 지점에 대한 위치 데이터) - (기준점 Pr에 대한 위치 데이터)이 된다.
다음에 상기 이동될 거리의 데이터 (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3), ..., (xn, yn, zn), ...가 반영될 수 있는 캘리브레이션용 함수를 구한다(단계 d). 상기 단계 d를 수행하기 위하여 2차 최소 제곱 오차 방법(2nd order Least Square Error method)을 사용한다. 즉, 상기 이동될 거리의 데이터 (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3), ..., (xn, yn, zn), ...에 대하여 각 제곱 오차의 합이 최소화될 수 있는 캘리브레이션용 함수를 구한다. 아래의 수학식 1은 2차 최소 제곱 오차 방법을 사용하여 구해진 캘리브레이션용 함수의 예이다.
[수학식 1]
dXn= a11Wyn 2+ a21Wzn 2+ a31Wyn1Wzn+ a41Wyn+ a51Wzn+ a6
dYn= b11Wyn 2+ b21Wzn 2+ b31Wyn1Wzn+ b41Wyn+ b51Wzn+ b6
여기서, dXn은 n번째 입력 데이터 (xn, yn, zn)에 대한 X축 이동 거리, dYn은 n번째 입력 데이터 (xn, yn, zn)에 대한 Y축 이동 거리, a1,...,a6,b1,...,b6은 각 캘리브레이션용 함수의 상수들이다.
최종적으로, 상기 로봇(14)에 입력될 위치 제어 데이터가 상기 캘리브레이션용 함수에 부합되도록 주 제어기(13)의 알고리듬을 조정한다(단계 e). 한편, 이와 같이 설정된 캘리브레이션용 함수를 프로그램화하여 저장해두면, 해당되는 시스템에 대하여 자동 캘리브레이션이 가능하다. 즉, 사용자가 저장된 캘리브레이션용 프로그램을 주 제어기(13)에서 실행시키면, 주 제어기(13)는 로봇(14)을 제어하여 입력된 위치 데이터를 처리하고(단계 a, b, c), 설정된 캘리브레이션용 함수의 상수를 조정한 후(단계 d), 조정된 캘리브레이션용 함수에 부합되도록 위치 제어 알고리듬을 조정한다(단계 e).
이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법에 의하면, 위치 센서로부터의 측정 데이터로써만 수행될 수 있으므로, 그 자동화가 가능하여, 사용자의 직접 측정에 따른 번거러움 및 부정확성의 문제점들을 개선할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 당업자의 수준에서 그 변형 및 개량이 가능하다.

Claims (9)

  1. 제어 대상을 이동시키는 구동기; 상기 제어 대상의 위치 데이터를 발생시키는 센서; 및 상기 센서로부터의 위치 데이터를 처리하여 상기 구동부에 입력되는 위치 제어 데이터를 발생시키는 제어기;를 갖춘 위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법에 있어서,
    (a) 상기 제어 대상의 이동 영역 내에서 기준점 및 각 측정 지점을 설정하는 단계;
    (b) 상기 기준점 및 각 측정 지점에 대한 위치 데이터를 저장하는 단계;
    (c) 상기 각 측정 지점에 대한 위치 데이터에서 상기 기준점에 대한 위치 데이터를 감산하여, 상기 제어 대상이 상기 각 측정 지점에서 상기 기준점으로 이동될 거리의 데이터를 구하는 단계;
    (d) 상기 이동될 거리의 데이터에 대하여 각 제곱 오차의 합이 최소화될 수 있는 캘리브레이션용 함수를 구하는 단계; 및
    (e) 상기 위치 제어 데이터가 상기 캘리브레이션용 함수에 부합되도록 상기 제어기의 알고리듬을 조정하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 하는 위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (b)는,
    상기 제어기로써 상기 구동기를 제어하여, 상기 제어 대상을 상기 기준점에 위치시키는 단계;
    상기 기준점에 대한 위치 데이터를 저장하는 단계; 및
    상기 제어 대상을 상기 기준점으로부터 점차 멀어지게 하면서 상기 각 측정 지점에 대한 위치 데이터를 저장하는 단계;에 의하여 수행되는 것을 그 특징으로 하는 위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 (d)에서 구해진 캘리브레이션용 함수는,
    상기 제어기에 저장되어, 다음 캘리브레이션의 수행시 그 상수들이 조정되는 것을 그 특징으로 하는 위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 모든 단계들은,
    상기 제어기에 캘리브레이션용 프로그램으로서 저장되어, 다음 캘리브레이션의 수행시 사용되는 것을 그 특징으로 하는 위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법.
  5. 위치 센서가 부착된 용접 토치; 상기 위치 센서로부터의 위치 신호를 처리하는 신호 처리기; 사용자로부터의 명령 신호, 상기 신호 처리기로부터의 위치 신호 및 내장된 알고리듬에 따라 용접 제어를 수행하는 제어기; 및 상기 제어기로부터의 위치 제어 신호에 따라 상기 용접 토치를 움직이는 로봇;을 갖춘 로봇 용접 시스템의 캘리브레이션 방법에 있어서,
    (a) 상기 용접 토치의 이동 영역 내에서 기준점 및 각 측정 지점을 설정하는 단계;
    (b) 상기 기준점 및 각 측정 지점에 대한 위치 데이터를 저장하는 단계;
    (c) 상기 각 측정 지점에 대한 위치 데이터에서 상기 기준점에 대한 위치 데이터를 감산하여, 상기 용접 토치가 상기 각 측정 지점에서 상기 기준점으로 이동될 거리의 데이터를 구하는 단계;
    (d) 상기 이동될 거리의 데이터에 대하여 각 제곱 오차의 합이 최소화될 수 있는 캘리브레이션용 함수를 구하는 단계; 및
    (e) 상기 위치 제어 데이터가 상기 캘리브레이션용 함수에 부합되도록 상기 제어기의 알고리듬을 조정하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 하는 로봇 용접 시스템의 캘리브레이션 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 위치 센서에는,
    반도체 레이저 및 CCD 카메라가 마련된 것을 그 특징으로 하는 로봇 용접 시스템의 캘리브레이션 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 단계 (b)는,
    상기 제어기로써 상기 로봇을 제어하여, 상기 용접 토치의 용접용 와이어 단부가 상기 기준점에 닿게 하는 단계;
    상기 기준점에 대한 위치 데이터를 저장하는 단계; 및
    상기 용접 토치를 상기 기준점으로부터 점차 멀어지게 하면서 상기 각 측정 지점에 대한 위치 데이터를 저장하는 단계;에 의하여 수행되는 것을 그 특징으로 하는 로봇 용접 시스템의 캘리브레이션 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 단계 (d)에서 구해진 캘리브레이션용 함수는,
    상기 제어기에 저장되어, 다음 캘리브레이션의 수행시 그 상수들이 조정되는 것을 그 특징으로 하는 로봇 용접 시스템의 캘리브레이션 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 모든 단계들은,
    상기 제어기에 캘리브레이션용 프로그램으로서 저장되어, 다음 캘리브레이션의 수행시 사용되는 것을 그 특징으로 하는 위치 제어 시스템의 캘리브레이션 방법.
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