KR100214678B1 - 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 산업용 로봇의 로봇베이스에 측정용 로봇을 장착하여 산업용 로봇을 측정용 로봇의 작업 영역으로 이동시켜 산업용 로봇의 엔드 에펙터와 측정용 로봇의 암선단을 고정 결합함으로써 측정용 로봇에 설치된 절대위치검출기가 그 형상에 상응하는 측정 데이터를 출력하고, 이 값이 로봇제어기에 입력되어 측정용 로봇의 암 선단의 위치 및 자세를 결정하는 정 기구학 해를 계산하고 이를 이용하여 산업용 로봇의 역 기구학 해를 계산함과 아울러 보정을 수행하는 것에 의하여 산업용 로봇의 기준 자세를 교정하는 것이므로 시행 착오를 줄이고 신속하고 정확한 기준 자세 교정이 이루어지게 되도록 한 것이다.

Description

산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 그 방법
제1도는 종래 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 그 방법을 설명하기 위한 측면도.
제2도는 종래 기준 자세 교정 방법을 설명하기 위한 사시도.
제3도 내지 제7도는 본 발명에 의한 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 그 방법의 일 실시예를 도시하는 것으로,
제3도는 본 발명에 의한 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 그 방법을 설명하기 위한 사시도.
제4도는 본 발명에서 채용하고 있는 측정용 로봇부의 작동 상태를 보인 부분 사시도.
제5도는 본 발명에 의한 기준 자세 교정 과정에서의 산업용 로봇과 측정용 로봇부의 관계를 보인 사시도.
제6도는 본 발명에 의한 기준 자세 교정 순서도.
제7도는 본 발명에 의한 산업용 로봇의 링크 파라메타 보정 순서도.
제8도는 본 발명에 의한 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 그 방법의 다른 실시예를 설명하기 위한 측정용 로봇의 사시도.
제9도는 본 발명에 의한 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 그 방법의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 측정용 로봇의 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
R : 산업용 로봇 B : 산업용 로봇 베이스
A1, A2, A3 : 암 J1, J2, J3, J4 : 관절
E : 엔드 에펙터 CR : 측정용 로봇
b, b', b : 측정용 로봇 베이스
a1, a2, a1', a2', a3' : 암 j1, j2, j3, j4, j1', j2', j3', j4' : 관절
3 : 클램프 S : 샤프트
본 발명은 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 기준 자세 교정 과정에서 시행 착오와 노력 및 작업시간을 요구하지 않아 매우 비능률적이며, 로봇의 정밀도를 높일 수 있도록 한 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 산업용 로봇은 구동원에 의해 구동된 관절 및 암부의 위치 정보를 검출하는 위치검출기로서 절대위치검출기(absolute encorder)의 채택이 보편화되어 가고 있는 실정이다.
이러한 절대위치검출기가 장착된 로봇은 조립생산 직후 및 사용중 작업자의 필요에 따라 로봇의 기준이 되는 자세를 교정하여야 하고, 조립된 상태의 각각의 암 파라메터를 실제의 값으로 보정(calibration)하는 기구학적 보정을 해주어야만 정밀한 작업을 수행할 수 있다.
따라서 이러한 요구에 부응하는 로봇 장치의 개발이 절실하다고 하겠다.
일반적인 산업용 로봇은 제1도에 도시한 바와 같이 로봇 베이스(B)와, 이 베이스(B)에 대하여 제1관절(J1)에 의하여 연결된 제1암(A1)과, 이 제1암(A1)에 대하여 제2관절(J2)로 연결된 제2암(A2) 및 이 제2암(A2)에 대하여 제3관절(J3)로 연결되는 제3암(A3)으로 구성된다.
상기 이러한 산업용 로봇의 기준 자세를 교정하기 위하여 상기 제3암(A3)의 선단에 x-y면(11)과, y-z면(12) 및, x-z면(13)을 가지는 캘리브레이션(calibration) 치구(10)를 부착하고, 상기 로봇 베이스(B)의 일측에는 상기 x-y면(11)과 y-z면(12) 및 x-z면(13)에 대응하는 다수개의 다이얼 게이지(31,32,33)를 설치한다.
상기 다이얼 게이지(31,32,33)들은 로봇 베이스(B)에 부착되는 로봇 베이스 교정판(40)에 고정 설치되는 다이얼 게이지 장착판(50)의 x-y면(51), y-z면(52) 및 x-z면(53)에 각각 설치되는 것이다.
상기 다이얼 게이지(31,32,33)들은 로봇 베이스 교정판(40)과 다이얼 게이지 장착판(50)에 의하여 미리 설정된 위치, 즉 알고 있는 좌표상에 설치되는 것이다.
또한 도면에서는 상기 x-y면(51)에 장착되는 다이얼 게이지(31)는 2개 설치하고, y-z면(52)에 설치되는 다이얼 게이지(32)는 1개 설치하며, x-z면(53)에 설치되는 다이얼 게이지(33)은 3개 설치하고 있으나 반드시 이로서 국한되는 것은 아니다.
여기서 상기 다이얼 게이지(31,32,33)들은 같은 면 상에 설치되는 것들의 선단 돌출 높이를 동일하게 셋팅하여 설치한다.
즉, x-y면(51)에 설치되는 다이얼 게이지(31)들은 z좌표를 동일하게 하고, y-z면(52)에 설치되는 다이얼 게이지(32)들은 x좌표를 동일하게 하며, x-z면(53)에 설치되는 다이얼 게이지(33)는 y좌표를 동일하게 설정하는 것이다.
이와 같은 종래의 산업용 로봇에서 기준 자체 및 위치를 교정함에 있어서는 로봇을 작동시켜 제3함(A3)에 설치된 캘리브레이션 치구(10)를 로봇 베이스 교정판(40) 근처로 이동시킨 다음, 최초 다이얼 게이지 장팍판(50)의 y-z면(52)에 설치된 다이얼 게이지(33)들을 이용하여 캘리브레이션 치구(10)의 y-z면(12)을 다이얼 게이지 장착판(50)의 y-z면(52)에 평행하게 위치시킨다. 다시 말하면 y-z면(12)의 x좌표를 다이얼 게이지(33)들의 미리 설정된 x좌표와 동일하게 일치시키는 것이다.
다음, 캘리브레이션 치구(10)이 y-z면(12)을 다이얼 게이지 장착판(50)의 y-z면(52)에 평행하게 유지하면서 다이얼 게이지(31,31)들을 이용하여 캘리브레이션 치구(10)의 x-y면(11)을 다이얼 게이지 장착판(50)의 x-y면(51)에 평행하게 위치시킨다. 다시 말하면 x-y면(11)의 z좌표를 다이얼 게이지(31)의 미리 설정된 z좌표와 동일하게 일치시키는 것이다.
다시, 캘리브레이션 치구(10)의 x-z면(13)을 다이얼 게이지 장착판(50)의 x-z면(53)의 x-z면(53)에 평행하게 위치시킨다. 다시 말하면 x-z면(13)의 y좌표를 다이얼 게이지(33)의 미리 설정된 y좌표와 동일하게 일치시키는 것이다.
이와 같이 3단계를 통하여 3차원 공간에서 미리 설정된 위치와 방향으로 로봇을 위치시킬 수 있게 되는 것이다. 이때 위치된 로봇의 형상에 상응하는 로봇 관절 변수(Joint Variable)은 미리 계산되어 있어 그 값으로 위치검출기(도시되지 않음)의 위치값을 재조정한다.
그러나 이러한 종래의 기준 자세 및 위치 교정 방법에서는 미리 정해진 위치와 자세로 로봇의 암들을 움직이면서 그 위치와 자세에 상응하는 미리 계산된 관절 변수를 이용하여 위치검출기의 재조정을 수행하는 것이므로 그 과정에서 많은 시행 착오와 노력 및 작업시간을 요구하게 되는 등 매우 비능률적으로 되며, 로봇의 정밀도를 저하시키는 결과를 초래하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 기준 자세 교정 과정에서 시행 착오와 노력 및 작업시간을 요구하지 않아 매우 비능률적이며, 로봇의 정밀도를 높일 수 있도록 한 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 그 방법을 제공하려는 것이다.
이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 산업용 로봇베이스에 측정용 로봇을 설치하고, 상기 측정용 로봇의 선단에 클램프를 설치하며, 상기 산업용 로봇의 엔드 에펙터에 샤프트를 설치하여 상기 샤프트를 상기 클램프에 고정시킨 상태에서 측정용 로봇에 설치된 절대위치검출기가 출력하는 형상에 상응하는 측정 데이터를 이용하여 산업용 로봇의 기준 자세를 교정하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 산업용 로봇의 로봇베이스에 측정용 로봇을 장착하여 산업용 로봇을 측정용 로봇의 작업 영역으로 이동시켜 산업용 로봇의 엔드 에펙터와 측정용 로봇의 암 선단을 고정 결합하고 측정용 로봇에 설치된 절대위치검출기에 의하여 그 형상에 상응하는 측정 데이터를 출력하는 단계와, 상기 측정 데이터 값을 로봇제어기에 입력하여 측정용 로봇 암 선단의 위치 및 자세를 결정하는 정 기구학 해를 계산하는 단계와, 이 정기구학 해를 이용하여 산업용 로봇의 역 기구학 해를 계산하는 단계와, 이 역 기구학 해에 의하여 산업용 로봇의 기준 자세를 보정하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 산업용 로봇의 기준 자세 교정 방법이 제공된다.
이하, 본 발명에 의한 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 그 방법을 첨부도면에 도시한 실시예에 따라서 상세히 설명한다.
제3도는 본 발명에 의한 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 그 방법을 설명하기 위한 사시도로서, R은 산업용 로봇이고, CR은 측정용 로봇이다.
상기 산업용 로봇(R)은 제3도에 도시한 바와 같이 로봇베이스(B)와 이 로봇베이스(B)에 z축을 중심으로 회전가능하게 지지되는 제1관절(J1)과, 이 제1관절(J1)에 대하여 제2관절(J2)에 의하여 y축을 중심으로 회전가능하게 연결되는 제1암(A1)과, 이 제1암(A1)의 선단부에 제3관절(J3)에 의하여 y축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 제2암(A2)과, 제2암(A2)의 선단에 x축을 중심으로 회전가능하게 연결되는 제3암(A3)과, 이 제3암(A3)의 선단에 제4관절(J4)에 의하여 y축을 중심으로 회전가능하게 연결되는 엔드 에펙터(E)로 구성된다.
상기 산업용 로봇(R)은 로봇 제어기(C)에 의하여 제어되는 것이다.
상기 산업용 로봇(R)의 로봇베이스(B)의 외주면에 설치되는 측정용 로봇(CR)은 제3도 및 제4도에 도시한 바와 같이 측정용 로봇 베이스(b)와, 이 측정용 로봇 베이스(b)에 x축을 중심으로 회전가능하게 지지되는 제1관절(j1)과, 이 제1관절(j1)에 대하여 제2관절(j2)에 의하여 y축을 중심으로 회전가능하게 연결되는 제1암(a1)과, 이 제1암(a1)의 선단에 제2관절(j2)에 의하여 y축을 중심으로 회전가능하게 연결됨과 아울러 x축을 중심으로 회전가능하게 지지되는 제2암(a2)과, 이 제2암(a2)의 선단에 제3관절(j3)에 의하여 y축을 중심으로 회전가능하게 연결됨과 아울러 제3관절(j3)에 대하여 x축을 중심으로 회전가능하게 지지되는 클램프(3)로 구성된다.
상기 산업용 로봇(R)의 각 관절에는 구동원 및 절대위치검출기가 각각 장착되어 있고, 측정용 로봇(CR)의 각 관절에는 구동원은 설치되지 않고 위치검출기만 설치되어 있다.
상기 측정용 로봇 베이스(b)는 베이스 플레이트(bp)를 산업용 로봇(R)의 로봇 베이스(B)에 위치결정핀(1)과 고정나사(2)로 고정하는 것이다.
또 상기 클램프(3)는 중공관체로 구성되는 클램프 본체(3a)와 이 클램프 본체(3a)의 외주벽에 나사결합되는 셋스크류(3b)로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치에 의하여 산업용 로봇의 기준 자세를 교정함에 있어서는 산업용 로봇(R)을 가동시켜 측정용 로봇(CR)의 작업영역내의 임의의 위치로 이동시킨 상태에서 제5도에 도시한 바와 같이 산업용 로봇(R)의 엔드 에펙터(E)의 선단에 위치 및 자세 결정용 샤프트(S)를 결합하고, 이 위치 및 자세 결정용 샤프트(4)를 상기 측정용 로봇(CR)의 클램프(3)의 본체(3a)에 삽입하고 셋스크류(3b)를 체결하는 것에 의하여 서로 고정연결되도록 한다.
이때, 측정용 로봇(CR)의 각 관절(j1,j2,j3)와 암(a1,a2) 및 클램프(3)에 설치된 절대위치검출기는 그 형상에 상응하는 측정 데이터를 출력하고, 이 값이 로봇제어기(C)에 입력되어 측정용 로봇(CR)의 암 선단의 위치 및 자세를 결정하는 정기구학 해(Forward Kinematics Solution)를 계산한다.
여기서 결정된 암 선단의 위치(Position)값 [xp, yp, zp]를 이용하여 산업용 로봇(R)의 관절의 위치를 구하는 역 기구학 해(Inverse Kinematics Solution)를 계산하여 여기서 구한 관절변수(Joint Variable)를 이용하여 산업용 로봇(R)의 각축의 절대위치검출기의 위치값을 재조정(Reset)시킨다.
또한 산업용 로봇(R)의 링크 파라메타(Link Parameter)의 보정(Calibration)을 위하여 산업용 로봇(R)과 측정용 로봇(CR)를 결합시켜 3차원 공간상의 임의의 위치에 위치시켜 위치 [Pi]set의 측정값을 측정용 로봇(CR)의 각 축 위치검출기로부터 측정하고, 이 값이 로봇제어기(C)에 입력되어 측정용 로봇(CR)의 암 선단의 위치 및 자세를 결정하는 정 기구학 해를 계산한다.
여기서 결정된 측정용 로봇(CR)의 암 선단의 위치값 [xπ,yπ,zπ]set를 이용하여 링크 파라메타 [Δθ,Δα,Δa,Δd]를 로봇제어기(C)에서 계산하여 링크 파라메타 [θ,α,a,d]값을 보정시킨다.
이하에서 정 기구학 해 및 역 기구학 해를 구하는 과정을 설명한다.
먼저, 각 관절에 대한 동차 변환 행렬i-1Ai를 구한다. 여기서i-1Ai는 i번째 관절의 위치를 i-1번째 관절에 대하여 표시한 것이다.
다음에는 변환 행렬iTj를 구한다. 여기서iTj는 j번째 관절의 위치를 i번째 관절에 대하여 표시한 것이다.
이를 사용하여 주어진 위치 P(target point)에 대하여 기하학적 방법이나 수치적 방법을 통해 역 기구학 해를 구하면 주어진 점 P를 공간성에서 θ의 함수로 정의할 수 있어서 각 관절의 위치 θ를 구할 수 있다.
이를 사용하여 각 관절을 θ만큼 움직이면 산업용 로봇(R)은 주어진 위치 P로 움직이게 되는 것이다.
이를 작업이 끝날 때까지 순환하여 수행하면 산업용 로봇(R)은 작업 위치로 계속 움직이게 된다.
이와 같은 순서를 수식으로 표현하면,
로 되고, 식 (1)로부터i-1Ai로 연결된 링크 전체의 전달식iTj은,
iTj=[n 0 a P] ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(2)
(여기서, n, 0, a는 툴 오리엔테이션, P는 툴의 위치)
로 되며, 식 (2)로부터
θ1∼θi‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(3)
이 계산된다. 여기서 θi는 각 관절의 회전각이다.
여기서 식 (1)에서 식 (2)로의 계산을 정 기구학이라고 하며, 식 (2)에서 (3)으로의 계산을 역 기구학이라고 하며, 이러한 정 기구학에 의하여 계산된 해를 정 기구학 해라고 하고, 역 기구학에 의하여 계산된 해를 역 기구학 해라고 하는 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 산업용 로봇의 로봇베이스에 측정용 로봇을 장착하여 산업용 로봇을 측정용 로봇의 작업 영역으로 이동시켜 산업용 로봇의 엔드 에펙터와 측정용 로봇의 암 선단을 고정 결합함으로써 측정용 로봇에 설치된 절대위치검출기가 그 형상에 상응하는 측정 데이터를 출력하고, 이 값이 로봇 제어기(C)에 입력되어 측정용 로봇(CR)의 암 선단의 위치 및 자세를 결정하는 정 기구학 해(Forward Kinematics Solution)를 계산하고 이를 이용하여 산업용 로봇의 역 기구학 해를 계산함과 아울러 보정을 수행하는 것에 의하여 산업용 로봇의 기준 자세를 교정하는 것이므로 시행 착오를 줄이고 신속하고 정확한 기준 자세 교정이 이루어지게 되는 것이다.
제8도는 본 발명에 의한 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 그 방법의 다른 실시예를 설명하기 위한 측정용 로봇의 사시도로서, 본 실시예에서는 측정용 로봇(CR)을 직각 좌표형 로봇 형태로 구성한 것이다.
즉 본 실시예에서는 제8도에 도시한 바와 같이 로봇베이스(B)의 일측에 고정되는 측정용 로봇베이스(b')와, 이 측정용 로봇 베이스(b')에 x축 방향으로 길게 설치되는 x축 가이드(Gx)와, 이 x축 가이드(Gx)에 x축 방향으로 이동가능하며 y축 방향으로 길게 설치되는 y축 가이드(Gy)와, 이 y축 가이드(Gy)에 y축 방향으로 이동가능하며 z축 방향으로 길게 설치되는 z축 가이드(Gz)와, 이 z축 가이드(Gz)에 z축 방향으로 이동가능하며 y축 방향으로 길게 설치되는 핸드부(H)와, 이 핸드부(H)의 선단에 y축을 중심으로 회전가능하게 설치되는 엔드 에펙터(E)와, 이 엔드 에펙터(E)에 x축을 중심으로 회전가능하게 설치되는 클램프(3)로 구성되는 것으로, 상술한 실시예와는 그 측정용 로봇의 형식만 상이할 뿐 기준 자세 교정 과정은 상술한 실시예와 마찬가지로 이루어지는 것이다.
제9도는 본 발명에 의한 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치 및 방법의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 측정용 로봇의 사시도로서, 본 실시예에서는 측정용 로봇(CR)을 수평 다관절 로봇 형태로 구성한 것이다.
즉 본 실시예에서는 제9도에 도시한 바와 같이 로봇베이스(B)에 z축 방향으로 길게 설치된 측정용 로봇 베이스(b)와, 이 베이스(b)에 z축방향으로 이동 가능하게 지지되는 제1암(a1')과, 이 제1암(a1')에 대하여 제1관절(j1')에 의하여 회전가능하게 지지되는 제2암(a2')과, 이 제2암(a2')에 대하여 제2관절(j2')에 의하여 회전가능하게 지지되는 제3암(a3')과, 이 제3암(a3')에 대하여 제3관절(j3')에 의하여 회전가능하게 지지되며 수직으로 설치되는 핸드(H')와, 이 핸드(H')의 상단에 제4관절(j4')에 의하여 x축을 중심으로 회전가능하게 지지되는 클램프(3)로 구성되는 것으로, 상술한 실시예와는 그 측정용 로봇의 형식만 상이할 뿐 기준 자세 교정 과정은 상술한 실시예와 마찬가지로 이루어지는 것이다.
제8도 및 제9도의 각 실시예에서 상술한 제3도의 실시예에서와 동일한 부분에 대하여는 동일 부호를 부여하고 구체적인 설명은 생략한다.

Claims (4)

  1. 산업용 로봇베이스에 측정용 로봇을 설치하고, 상기 측정용 로봇의 선단에 클램프를 설치하며, 상기 산업용 로봇의 엔드 에펙터에 샤프트를 설치하여 상기 샤프트를 상기 클램프에 고정시킨 상태에서 측정용 로봇에 설치된 절대위치검출기가 출력하는 형상에 상응하는 측정 데이터를 이용하여 산업용 로봇의 기준 자세를 교정하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 측정용 로봇은 다관절 로봇 형식으로 구성됨을 특징으로 하는 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 측정용 로봇은 직교좌표형 로봇 형식으로 구성됨을 특징으로 하는 산업용 로봇의 기준 자세 교정 장치.
  4. 산업용 로봇의 로봇베이스에 측정용 로봇을 장착하여 산업용 로봇을 측정용 로봇의 작업 영역으로 이동시켜 산업용 로봇의 엔드 에펙터와 측정용 로봇의 암선단을 고정 결합하고 측정용 로봇에 설치된 절대위치검출기에 의하여 그 형상에 상응하는 측정 데이터를 출력하는 단계와, 상기 측정 데이터 값을 로봇제어기에 입력하여 측정용 로봇 암 선단의 위치 및 자세를 결정하는 정 기구학 해를 계산하는 단계와, 이 정기구학 해를 이용하여 산업용 로봇의 역 기구학 해를 계산하는 단계와, 이 역 기구학 해에 의하여 산업용 로봇의 기준 자세를 보정하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 산업용 로봇의 기준 자세 교정 방법.
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