KR100213918B1 - The measuring method of robot kinematic parameter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산업용 로봇의 각 관절의 기구학적 파라메터들을 로봇이 완전히 조립된 상태에서 편리하게 측정할 수 있는 로봇의 기구학적 파라메터의 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring the kinematic parameters of the robot that can conveniently measure the kinematic parameters of each joint of the industrial robot in a fully assembled state.
본 발명은 비전 카메라와 지그 좌표계를 나타내기 위한 지그를 장착하여 로봇의 기구학적 파라메터를 측정하는 방법으로, 상기 비전 카메라를 이용하여 상기 지그의 위치를 측정하는 단계와, 상기 비전 카메라에서 측정한 상기 지그의 위치로부터 상기 비전 카메라의 비전 좌표계와 로봇의 로봇 좌표계의 변환관계를 구하는 단계와, 상기 로봇의 기구학적 파라메터를 구하기 위하여 상기 로봇을 구성하는 각 회전 관절의 위치와 회전축방향을 측정 및 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention is a method for measuring the kinematic parameters of the robot by mounting a jig for displaying a vision camera and a jig coordinate system, the step of measuring the position of the jig using the vision camera, the measured by the vision camera Obtaining a transformation relationship between the vision coordinate system of the vision camera and the robot coordinate system of the robot from the position of the jig, and measuring and calculating the position and rotation axis direction of each rotation joint constituting the robot to obtain the kinematic parameters of the robot; Characterized in that it comprises a step.
본 발명에 따르면 로봇의 완전 조립 상태에서 이를 각 축별로 회전시키면서 비접촉 방법으로 로봇의 3 차원 위치들을 측정하고 이 결과를 이용하여 D-H (Denavit-Hartenberg)파라메터를 구하므로 로봇의 D-H 파라메터를 로봇을 완전 조립 후 측정할 수 있으므로 측정 편리성과 로봇 생산성에 효과가 있다.According to the present invention, by measuring the three-dimensional position of the robot by a non-contact method while rotating it in each axis in the fully assembled state of the robot and using this result to obtain the DH (Denavit-Hartenberg) parameters, the robot's DH parameters are fully Since it can be measured after assembly, it is effective for measurement convenience and robot productivity.
Description
본 발명은 로봇의 기구학적 파라메터의 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산업용 로봇의 각 관절의 기구학적 파라메터들을 로봇이 완전히 조립된 상태에서 편리하게 측정할 수 있는 로봇의 기구학적 파라메터의 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring kinematic parameters of a robot, and more particularly, a method for measuring kinematic parameters of a robot that can conveniently measure kinematic parameters of each joint of an industrial robot in a fully assembled state. It is about.
산업용 로봇은 기존의 단순 반복작업에서 보다 정밀하고 복잡한 작업에 점차 많이 응용되고 있으며 또한 오프라인 프로그램과 같은 로봇 티칭 기능과 함께 적용되므로서 산업 생산성을 매우 높일 수 있다. 이렇듯 로봇이 점차 고기능화됨에 따라 로봇의 절대 정밀도는 로봇의 필수요건이 되었다.Industrial robots are increasingly being applied to more precise and complex tasks in the existing simple repetitive tasks, and can be applied with robot teaching functions such as offline programs, which can greatly increase industrial productivity. As robots become more highly functional, the absolute precision of robots has become an essential requirement for robots.
이러한 로봇의 절대 정밀도를 높이기 위해서는 각 관절의 D-H 파라메터(Denavit-Hartenberg parameter)를 정확히 알아야 한다.In order to increase the absolute precision of these robots, it is necessary to know the D-H parameter (Denavit-Hartenberg parameter) of each joint accurately.
일반적으로 이 파라메터의 정확한 값을 측정하는 방법은 3 차원 측정기를 이용하는 방법이 있으나 이 방법은 조립 중에 실시해야 하므로 정확한 측정 자체가 어렵고 번거로운 작업이었다.In general, there is a method of measuring the exact value of this parameter using a three-dimensional measuring instrument, but this method has to be carried out during assembly, so accurate measurement itself is difficult and cumbersome.
따라서, 로봇을 양산하는 경우라면 생산성을 크게 저하시키는 문제가 발생한다.Therefore, in the case of mass-producing a robot, the problem which greatly reduces productivity arises.
따라서, 본 발명의 목적은 산업용 로봇의 각 관절의 기구학적 파라메터들을 로봇이 완전히 조립된 상태에서 편리하게 측정할 수 있는 측정방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a measuring method that can conveniently measure the kinematic parameters of each joint of the industrial robot in a fully assembled state.
즉, 로봇을 완전 조립 상태에서 각 축별로 회전시키며 이때 비 접촉방법으로 로봇의 3차원 위치들을 측정하고 이 결과를 이용하여 D-H 파라메터(Denavit- Hartenberg parameter)를 계산에 의해 구하고자 함에 있다.In other words, the robot is rotated by each axis in a fully assembled state, and the three-dimensional positions of the robot are measured by a non-contact method and the D-H parameter (Denavit-Hartenberg parameter) is calculated by using the result.
도 1은 본 발명에 따른 로봇의 기구학적 파라메터 측정 장치를 나타내며,1 shows a kinematic parameter measuring apparatus of the robot according to the present invention,
도 2는 6 관절 로봇의 각 관절별 측정의 실시예를 나타내며,Figure 2 shows an embodiment of the measurement for each joint of the six-joint robot,
도 3은 로봇 경로상의 3 점을 이용한 회전중심을 계산하기 위한 도형이고,3 is a figure for calculating the center of rotation using three points on the robot path,
도 4는 본 발명에 따른 6 관절 로봇의 각 관절별 좌표계 설정을 나타내고,Figure 4 shows the coordinate system setting for each joint of the six-joint robot according to the present invention,
도 5는 본 발명에 따른 로봇의 기구학적 파라메터의 측정 방법을 나타낸 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a method of measuring kinematic parameters of a robot according to the present invention.
*도면의 주요부분의 부호의 설명** Explanation of symbols in main part of drawing *
11, 12 : 비전 카메라 13 : 지그11, 12: vision camera 13: jig
14 : 표식무늬 20 : 로봇14: Mark 20: robot
21 : 가반중량21: Payload
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비전 카메라와 지그 좌표계를 나타내기 위한 지그를 장착하여 로봇의 기구학적 파라메터를 측정하는 방법은, 상기 비전 카메라를 이용하여 상기 지그의 위치를 측정하는 단계와, 상기 비전 카메라에서 측정한 상기 지그의 위치로부터 상기 비전 카메라의 비전 좌표계와 로봇의 로봇 좌표계의 변환관계를 구하는 단계와, 상기 로봇의 기구학적 파라메터를 구하기 위하여 상기 로봇을 구성하는 각 회전 관절의 위치와 회전축방향을 측정 및 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method for measuring the kinematic parameters of the robot by mounting a vision camera and a jig for indicating a jig coordinate system of the present invention for achieving the above object, the step of measuring the position of the jig using the vision camera, and Obtaining a transformation relationship between the vision coordinate system of the vision camera and the robot coordinate system of the robot from the position of the jig measured by the vision camera, and the position and rotation axis of each rotation joint constituting the robot to obtain the kinematic parameters of the robot Measuring and calculating directions.
본 발명의 로봇의 기구학적 파라메터를 측정하는 방법에서, 상기 지그 상에 부착된 각각의 표식무늬는 지그 좌표계의 축방향으로 정확한 위치에 부착되는 것을 특징으로 한다.In the method for measuring the kinematic parameters of the robot of the present invention, each marker pattern attached to the jig is characterized in that attached to the correct position in the axial direction of the jig coordinate system.
본 발명의 로봇의 기구학적 파라메터를 측정하는 방법에서, 상기 로봇의 6 측 끝단에 상기 비전 카메라가 인식할 수 있는 표식무늬를 부착한 가반중량을 부착하는 것을 특징으로 한다.In the method for measuring the kinematic parameters of the robot of the present invention, it is characterized in that the carrying weight attached with a marker pattern that can be recognized by the vision camera to the six side end of the robot.
본 발명의 로봇의 기구학적 파라메터를 측정하는 방법에서, 상기 측정은 상기 로봇의 각 축 별로 수행하며, 어느 한 축에 대해 측정하고 있는 동안 다른 축은 정지하게 하여 상기 가반중량이 회전하는 축을 중심으로 원운동을 하게 하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.In the method for measuring the kinematic parameters of the robot of the present invention, the measurement is performed for each axis of the robot, while the other axis is stopped while measuring with respect to one axis, and the circle is rotated about the axis in which the payload rotates. Characterized in that to exercise.
본 발명의 로봇의 기구학적 파라메터를 측정하는 방법에서, 상기 측정에서 상기 원운동 궤적상의 3 점을 상기 비전 카메라로 측정한 후 상기 3 점으로부터 회전의 중심 위치와 회전축의 방향 벡터를 구하는 것을 특징으로 한다.In the method for measuring the kinematic parameters of the robot of the present invention, after measuring the three points on the circular motion trajectory with the vision camera in the measurement, the center position of the rotation and the direction vector of the rotation axis from the three points is characterized in that do.
본 발명의 로봇의 기구학적 파라메터를 측정하는 방법에서, 상기 로봇의 기구학적 파라메터는 D-H 파라메터(Denavit-Hartenberg parameter)인 것을 특징으로 한다.In the method for measuring the kinematic parameters of the robot of the present invention, the kinematic parameters of the robot is characterized in that the D-H parameter (Denavit-Hartenberg parameter).
이하, 상기한 본 발명의 목적들, 특징들, 그리고 장점들을 첨부된 도면에 나타낸 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the objects, features, and advantages of the present invention described above will be described in more detail with reference to the preferred embodiments of the present invention shown in the accompanying drawings.
후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 용어들로서 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.The terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may vary according to the intention or custom of a person skilled in the art, and the definitions should be made based on the contents throughout the specification.
도 1은 본 발명에 따른 로봇의 기구학적 파라메터 측정을 위한 장치를 나타낸다.1 shows an apparatus for measuring kinematic parameters of a robot according to the invention.
도시된 바와 같이, 본 장치는 로봇의 위치를 측정하기 위해 두 대의 CCD 카메라(Charge Coupled Device Camera; 11, 12)를 이용하는 스테레오 비전 시스템이다. 이 스테레오 비전 시스템은 공간상에서의 좌표를 3 차원으로 측정할 수 있다.As shown, the device is a stereo vision system that uses two CCD (Charge Coupled Device Cameras) 11 and 12 to measure the position of the robot. This stereo vision system can measure coordinates in space in three dimensions.
이때, 측정된 값은 비전좌표계로서 표현되므로 로봇 좌표계로의 변환이 필요하다.At this time, since the measured value is expressed as a vision coordinate system, a conversion to a robot coordinate system is required.
비전 시스템에서 측정한 로봇의 좌표값을 로봇좌표계로 변환시키기 위해서 비전 카메라(11, 12)가 인식할 수 있는 표식무늬(14)가 부착된 지그(13)를 사용한다.In order to convert the coordinate values of the robot measured by the vision system into the robot coordinate system, the
도 1에 도시된 바와 같이 지그(13)에는 표식무늬(14)가 부착되어 있고 이 지그(13)는 로봇이 설치되는 자리에 설치한다.As shown in FIG. 1, the
도 5는 본 발명에 따른 비전 카메라와 지그 좌표계를 나타내기 위한 지그를 장착하여 로봇의 기구학적 파라메터를 측정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a method of measuring kinematic parameters of a robot by mounting a jig for displaying a vision camera and a jig coordinate system according to the present invention.
도시된 바와 같이, 상기 비전 카메라를 이용하여 상기 지그의 위치를 측정하는 단계(S51)와, 상기 비전 카메라에서 측정한 상기 지그의 위치로부터 상기 비전 카메라의 비전 좌표계와 로봇의 로봇 좌표계의 변환관계를 구하는 단계(S52)와, 상기 로봇의 기구학적 파라메터를 구하기 위하여 상기 로봇을 구성하는 각 회전 관절의 위치와 회전축방향을 측정 및 계산하는 단계(S53)를 포함하는 것을 특징으로 한다.As shown, the step of measuring the position of the jig using the vision camera (S51), and the conversion relationship between the vision coordinate system of the vision camera and the robot coordinate system of the robot from the position of the jig measured by the vision camera Obtaining (S52) and measuring and calculating the position and rotation axis direction of each rotating joint constituting the robot to obtain the kinematic parameters of the robot (S53).
이하, 본 발명에 따른 로봇의 기구학적 파라메터를 측정하는 방법을 도 5를 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method of measuring kinematic parameters of a robot according to the present invention will be described with reference to FIG. 5.
먼저, 비전 카메라(11, 12)를 이용하여 지그(13)의 위치를 측정한다(단계 : S51).First, the position of the
지그(13)의 위치를 측정한 후 비전 카메라(11, 12)에서 측정한 지그의 위치로부터 비전 좌표계와 로봇 좌표계의 변환관계를 구한다(단계 : S52). 이때, 지그(13)상에 부착된 표식무늬들(14)은 각각 지그 좌표계의 축방향으로 정확한 위치에 부착되어 있다. 따라서, 비전 좌표계에서 표식무늬(14)를 측정한 결과로부터 다음과 같은 변환행렬을 구한다.After measuring the position of the
이때,는 정상 벡터 값At this time, Is the normal vector value
는 미끄러짐 벡터 Slip vector
는 접근 벡터 Approach vector
는 위치 벡터를 나타내고, Represents a position vector,
변환행렬T를 구하는 과정은 K.S Fu, R.C.Conzales, C.SG.Lee 등이 발간한 Robotics control, Sensing, Vision Intelligence라는 책에 상세히 기술되어 있으며, 이는 메카트로닉스를 전공한 사람에게는 일반적인 기술이므로 설명을 생략한다.The process of obtaining the transformation matrix T is described in detail in the book, Robotics Control, Sensing, Vision Intelligence, published by KS Fu, RCConzales, C.SG.Lee, etc., which is a general technique for those who majored in mechatronics. do.
한편, 지그(13)는 로봇이 설치되는 자리에 설치되기 때문에 이 변환 관계는 곧 로봇좌표와 비전 좌표계 사이의 변환행렬이 된다.On the other hand, since the
이와 같이, 비전 좌표계와 로봇 좌표계의 변환 행렬을 구한 후, 로봇의 D-H 파라메터를 구하기 위하여 먼저 로봇을 구성하는 각 회전 관절의 위치와 회전축방향을 측정 및 계산한다(단계 : S53). 이때, 로봇(20)의 6 번째 축 끝단에 비전 카메라(11, 12)가 인식할 수 있는 표식무늬를 부착한 가반중량(21)을 부착한다.As described above, after obtaining the transformation matrix between the vision coordinate system and the robot coordinate system, in order to obtain the D-H parameter of the robot, the position and the rotation axis direction of each rotation joint constituting the robot are first measured and calculated (step S53). At this time, the carrying
로봇을 구성하는 각 회전 관절의 위치와 회전축방향의 측정 및 계산과정을 좀더 상세히 살펴보면 다음과 같다.The process of measuring and calculating the position and rotation axis of each rotating joint constituting the robot will be described in more detail as follows.
먼저, 측정은 각 축 별로 진행되고, 도 2와 같이 어느 한 축에 대해 측정하고 있을 때 다른 축은 정지하고 있으므로 가반중량은 회전하는 축을 중심으로 원운동을 한다.First, the measurement is carried out for each axis, and when measuring for one axis, as shown in Figure 2, the other axis is stopped, so the payload is circular motion around the rotating axis.
이때, 원운동 궤적상의 3 점(A, B, C)을 비전 카메라(11, 12)로 측정한다.At this time, three points A, B, and C on the circular motion trajectory are measured by the
원운동 궤적상의 3 점을 비전 카메라(11, 12)로 측정한 후, 이 3 점(A, B, C)으로부터 도 3과 같이 회전의 중심 위치와 회전축의 방향 벡터는 다음과 같은 수학식들을 이용하여 구할 수 있다.After measuring three points on the circular motion trajectory with the
[수학식 2][Equation 2]
[수학식 3][Equation 3]
[수학식 4][Equation 4]
[수학식 5][Equation 5]
[수학식 6][Equation 6]
이때, 수학식 5와 수학식 6을 연립 방정식을 이용하여 원점 D의 위치을 결정할 수 있다.At this time, the position of the origin D can be determined using equations 5 and 6 in a system of equations.
이와 같은 방법을 모든 축에 적용하여 각 축의 회전 중심과 회전축 방향을 구한다. 한편, 나머지 축에 대한 회전 중심과 회전축 방향의 연산은 전술한 방법과 동일한 절차로 얻을 수 있으므로 본 명세서에서 연산에 관한 기술을 생략한다.Apply this method to all axes to find the center of rotation and direction of rotation of each axis. On the other hand, the calculation of the rotation center and the rotation axis direction for the remaining axis can be obtained by the same procedure as described above, so the description of the calculation is omitted herein.
전술한 수학식들을 이용하여 도 4에 도시된 6 관절형 로봇의 각 관절에 대한 회전 원점과 방향 축은 각각 다음과 같이 표현될 수 있다.Using the above equations, the rotation origin and direction axis for each joint of the six articulated robot shown in FIG. 4 may be expressed as follows.
회전원점 p1(x1, y1, z1), Rotation origin p1 (x 1 , y 1 , z 1 ),
회전원점 p2(x2, y2, z2), Rotation origin p2 (x 2 , y 2 , z 2 ),
회전원점 p3(x3, y3, z3), Rotation origin p3 (x 3 , y 3 , z 3 ),
회전원점 p4(x4, y4, z4), Rotation origin p4 (x 4 , y 4 , z 4 ),
회전원점 p5(x5, y5, z5), Rotation origin p5 (x 5 , y 5 , z 5 ),
회전원점 p6(x6, y6, z6), Rotation origin p6 (x 6 , y 6 , z 6 ),
이와 같은 결과를 이용하면 일반적으로 사용되는 Denavit-Hartenberg(D-H) 좌표계 설정방법에 의하여 그림 4와 같이 로봇 좌표계를 설정할 수 있고 이에 대한 각 축의 D-H 파라메터를 계산할 수 있다. 이때 D-H 좌표계설정 및 D-H 파라메터의 정의는 K.S Fu, R.C.Conzales, C.SG.Lee 등이 발간한 Robotics control, Sensing, Vision Intelligence라는 책에 상세히 정의돼 있으며, 이는 메카트로닉스를 전공한 사람에게는 일반적인 기술이므로 설명을 생략한다.Using these results, the robot coordinate system can be set up as shown in Figure 4 by the commonly used Denavit-Hartenberg (D-H) coordinate system setting method, and the D-H parameter of each axis can be calculated. At this time, DH coordinate system setting and DH parameter definition are defined in detail in books such as Robotics control, Sensing, Vision Intelligence published by KS Fu, RCConzales, C.SG.Lee, etc. Omit the description.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면 로봇의 완전 조립 상태에서 이를 각 축별로 회전시키면서 비 접촉 방법으로 로봇의 3 차원 위치들을 측정하고 이 결과를 이용하여 D-H 파라메터(Denavit-Hartenberg parameter)를 계산에 의하여 구하므로 로봇의 D-H 파라메터를 로봇을 완전 조립 후 측정할 수 있으므로 측정 편리성과 로봇 생산성에 효과가 있다.As described above, according to the present invention, by measuring the three-dimensional positions of the robot in a non-contact manner while rotating it in each axis in the fully assembled state of the robot, by using the result, the DH parameter (Denavit-Hartenberg parameter) is calculated by calculation. Since the robot's DH parameter can be measured after the robot is fully assembled, it is effective for measurement convenience and robot productivity.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, those skilled in the art will appreciate that the present invention may be modified without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be appreciated that modifications or variations may be made. Therefore, changes in the future embodiments of the present invention will not be able to escape the technology of the present invention.
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