KR100240466B1 - Calibration method for robot tool - Google Patents
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Abstract
본 발명은 로보트를 이용한 자동생산시스템에 관한 것으로서, 특히 오프라인 프로그래밍기술에 관한 것으로서 생산현장에 로보트를 설치하기 위해 로보트에 부착된 각종의 도구(Tool)를 캘리브레이션할 때, 로보트를 직접 교시하지 않고 외부 센서를 사용하여 캘리브레이션하는 방법을 제공하여 캘리브레이션에 소요되는 시간과 노력을 감소시키도록 하는 것을 목적으로 한다.The present invention relates to an automatic production system using a robot, and more particularly to an offline programming technology, when calibrating various tools attached to the robot to install the robot on the production site, the external robot is not taught directly. It is an object of the present invention to provide a method of calibrating using a sensor to reduce the time and effort required for calibration.
본 발명은 로보트의 툴 캘리브레이션에 있어서, 기준좌표계에 대한 로보트 선단좌표계의 변환행렬을 구하는 변환행렬 산출단계와; 로보트 팔을 임의의 3개의 위치에 두고 기준좌표계로부터 상기 3개 위치의 툴 좌표계원점(TCP)의 위치벡터를 구하는 위치벡터 산출단계와; 상기의 임의의 3점간 거리를 외부센서를 이용하여 구하는 3점간거리 산출단계와; 상기의 위치벡터 산출단계와 3점간거리 산출단계를 이용하여 연립방정식을 세우는 방정식 수립단계와; 상기 방정식 수립단계로부터 수립된 연립방정식을 풀어 로보트 선단좌표계에 대한 툴 좌표계원점(TCP)의 좌표를 산출하는 툴정수산출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로보트 툴 캘리브레이션 방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a tool matrix calibration method comprising: a transformation matrix calculating step of obtaining a transformation matrix of a robot leading coordinate system with respect to a reference coordinate system; A position vector calculation step of obtaining a position vector of the tool coordinate system origin (TCP) of the three positions from the reference coordinate system with the robot arms at three arbitrary positions; Calculating a distance between the three points by using an external sensor; An equation establishing step of establishing a system of equations using the position vector calculating step and the three-point distance calculating step; And a tool constant calculation step of calculating a coordinate of a tool coordinate system origin (TCP) with respect to the robot tip coordinate system by solving a system of equations established from the equation establishment step.
Description
본 발명은 로보트를 이용한 자동생산시스템에 관한 것으로서, 특히 오프라인 프로그래밍기술에 관한 것이다.The present invention relates to an automated production system using a robot, and more particularly to an offline programming technology.
본 발명은 생산현장에 로보트를 설치하기위해 로보트에 부착된 각종의 도구 (Tool)를 캘리브레이션(Calibration)할 때, 로보트를 직접 교시하지 않고 외부센서를 사용하여 캘리브레이션하는 방법을 제공하여 캘리브레이션에 소요되는 시간과 노력을 감소시키도록 하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a method for calibrating using an external sensor without teaching the robot directly when calibrating various tools attached to the robot to install the robot on a production site. The goal is to reduce time and effort.
최근 21세기 주요기술의 하나로 가상생산기술이 주목받고 있다. 이 가상생산 기술은 일련의 제조설비들을 직접 제작하기 전에 컴퓨터를 이용하여 모델링하고, 시뮬레이션하여 성능을 점검함으로서, 생산준비기간의 단축, 제조비의 절감, 설비의 신뢰성 향상 등을 이룰 수 있도록 지원하는 기술이다.Recently, virtual production technology has attracted attention as one of the major technologies of the 21st century. This virtual production technology uses a computer to model, simulate and check the performance of a set of manufacturing equipment before making it by hand, thereby reducing production preparation time, reducing manufacturing costs, and improving the reliability of equipment. to be.
이 가상생산기술의 최종목표는 로보트 등 생산설비를 구동할 프로그램을 작성하는 것이며, 이러한 기술을 오프라인 프로그래밍(Off-line Programming)기술이라 한다. 그러나, 이러한 오프라인으로 시뮬레이션을 통하여 작성된 이러한 프로그램은 현장에서 바로 사용될 수는 없다.The final goal of this virtual production technology is to write a program that will drive production facilities such as robots, and this technology is called off-line programming technology. However, these programs created through simulations offline cannot be used directly in the field.
장비의 설계에서는 현장을 CAD 데이터를 기준으로 모델링 하게되나, 실제 제작되어 설치된 설비는 설계된 데이터와는 다른 것이 일반이기 때문이다.In the design of the equipment, the site is modeled based on the CAD data, but the actual fabricated and installed equipment is generally different from the designed data.
따라서 캘리브레이션 기술을 이용하여, 오프라인으로 작성된 프로그램과 실제 현장과의 차이를 보정한 후에 사용하여야 한다.Therefore, it is necessary to use the calibration technology after correcting the difference between the offline program and the actual site.
로보트응용시스템에 있어서의 캘리브레이션은 로보트팔에 부착된 공구(용접건 등), 로보트와 주변 장치들의 상대위치를 파악하는 것이 주요 목적이 되는 데, 이러한 기술은 로보트를 제작한 제작사 또는 시뮬레이션프로그램을 제공하는 제공사등에서 기본적으로 제공하고 있으며 툴 캘리브레이션 방법은 다음과 같다.In robot application system, the main purpose of calibration is to know the relative position of tools (welding gun, etc.) attached to robot arm, robot and peripheral devices. This technology provides the manufacturer or simulation program that manufactured the robot. It is basically provided by the provider, and the tool calibration method is as follows.
제1도는 로보트의 팔(1)선단에 공구인 용접건(2)이 장착된 상태를 도시한 것으로서, 툴 캘리브레이션에서 구해야 하는 것은 툴(Tool)정수라고 하는 로보트 선단좌표계에 대한 공구(Tool)끝의 위치(Tx, Ty, Tz)와 방향성분(Orientation : α, β,
한편, 이 값은 툴 좌표계의 원점(TCP : Tool Center Point)(3)이라고도 하며, 로보트를 사용하는 사용자에 의해 직접 측정되어 입력되거나, 자동정수설정 (Auto-Calibration)기능을 이용하여 입력하여야 한다.On the other hand, this value is also called the origin of the tool coordinate system (TCP: Tool Center Point) (3), and it can be directly measured and input by the user who uses the robot or it can be input by using the auto-calibration function. .
이때, 툴 정수를 자동으로 측정하는 방법으로서, 각 로보트제작사(NACHI, ABB, FANUC 등)에서는 자동정수설정 기능이라 하여 다음과 같은 방법을 제공하고 있다.At this time, as a method of automatically measuring the tool constant, each robot manufacturer (NACHI, ABB, FANUC, etc.) provides the following method as an automatic constant setting function.
먼저 로보트의 작업공간내에 기준이 될 수 있는 뾰족한 폴을 설치하고, 로보트를 움직여 측정되어야할 점(TCP)이 폴의 선단에 정확히 일치될 수 있도록 3회 이상을 교시(Teaching)한다.First, install a pointed pole that can be used as a reference in the robot's workspace.Teach the robot more than three times so that the point to be measured (TCP) exactly matches the tip of the pole.
이때 각 점에서 로보트의 방향성분은 반드시 달라야 하며 제2도에 도시한바와 같이 최소한 3자세 이상으로 전술한 교시를 반복하여야 한다.At this point, the direction component of the robot must be different at each point, and the above teaching should be repeated at least three postures as shown in FIG.
이러한 방법으로 교시된 프로그램으로 자동정수설정기능을 수행하면 변수가 계산되어 기억되어지게 된다.When the automatic constant setting function is executed by the program taught in this way, the variable is calculated and stored.
이 방법은 외부의 센서 등을 이용치 않고 간단한 장비로 가능하기 때문에 널리 사용되고 있지만, 캘리브레이션의 정도를 보장하기 위해 교시중 교시자의 집중이 요구되고, 로보트를 직접교시 하여야 하므로 시간(숙련자를 기준으로 30~40분)이 많이 소요되는 등의 문제점이 있다.This method is widely used because it is possible to use simple equipment without using external sensors.However, in order to guarantee the degree of calibration, it is necessary to focus the instructor and to teach the robot directly. ~ 40 minutes) takes a lot of problems, such as.
따라서 전술한 방법 이외에 보다 간단한 방법으로 툴 좌표계원점(TCP)을 구할 수 있는 방법의 개발이 요구된다.Therefore, the development of a method for obtaining the tool coordinate system origin (TCP) by a simpler method in addition to the above-described method is required.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 요구에 따른 것으로서, 로보트로 어떤 특정한 위치를 교시하지 않고, 로보트를 작업 공간내 임의의 3점에 위치시키고 외부센서를 이용하여 TCP 사이의 거리만을 측정함으로서 툴 캘리브레이션이 가능하도록 하는 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.The present invention is in accordance with the conventional requirements as described above, tool calibration by positioning the robot at any three points in the work space and measuring only the distance between TCP using an external sensor, without teaching any particular position with the robot. It is a technical problem to provide a method for enabling this.
제1도는 종래의 로보트팔에 설치된 공구와 좌표계를 도시한 그래프.1 is a graph showing a tool and a coordinate system installed in a conventional robot arm.
제2도는 종래의 로보트의 툴 캘리브레이션의 과정을 설명하는 도면2 is a diagram illustrating a process of tool calibration of a conventional robot.
제3도는 본 발명에 따른 툴 캘리브레이션 방법을 설명하기위한 도면.3 is a diagram for explaining a tool calibration method according to the present invention.
제4도는 본 발명에 따른 툴 캘리브레이션 방법의 순차를 보여주는 순차도면4 is a sequential diagram showing a sequence of a tool calibration method according to the present invention
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 로보트 팔 2 : 공구(용접건)1: Robot Arm 2: Tool (Welding Gun)
3 : 툴 좌표계의 원점(TCP)3: Origin of the tool coordinate system (TCP)
본 발명은 전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 방법으로, 로보트의 툴 캘리브레이션에 있어서, 기준좌표계에 대한 로보트 선단좌표계의 변환행렬을 구하는 변환행렬 산출단계와; 로보트 팔을 임의의 3개의 위치에 두고 기준좌표계로부터 상기 3개 위치의 툴 좌표계원점(TCP)의 위치벡터를 구하는 위치벡터 산출단계와; 상기의 임의의 3점간 거리를 외부센서를 이용하여 구하는 3점간거리 산출단계와; 상기의 위치벡터 산출단계와 3점간거리 산출단계를 이용하여 연립방정식을 세우는 방정식 수립단계와; 상기 방정식 수립단계로부터 수립된 연립방정식을 풀어 로보트 선단좌표계에 대한 툴 좌표계원점(TCP)의 좌표를 산출하는 툴정수산출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로보트 툴 캘리브레이션 방법을 제공한다.The present invention provides a method for solving the above-described technical problems, comprising: a transformation matrix calculating step of obtaining a transformation matrix of a robot leading coordinate system with respect to a reference coordinate system in a tool calibration of a robot; A position vector calculation step of obtaining a position vector of the tool coordinate system origin (TCP) of the three positions from the reference coordinate system with the robot arms at three arbitrary positions; Calculating a distance between the three points by using an external sensor; An equation establishing step of establishing a system of equations using the position vector calculating step and the three-point distance calculating step; And a tool constant calculation step of calculating a coordinate of a tool coordinate system origin (TCP) with respect to the robot tip coordinate system by solving a system of equations established from the equation establishment step.
이 때 바람직하기로는 상기의 로보트 툴 캘리브레이션 방법의 툴좌표 산출단계는 뉴튼-랩슨법을 사용하는 툴좌표 산출단계인 것으로 한다.At this time, preferably, the tool coordinate calculation step of the robot tool calibration method is a tool coordinate calculation step using the Newton-Rapson method.
이하 본 발명에 따른 로보트 툴 캘리브레이션 방법을 도면을 참조하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a robot tool calibration method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
본 발명은 외부센서를 이용하여 툴좌표에 대한 3개의 비선형 연립방정식을 유도하고 이를 수치해석적인 방법으로 풀어내는 방법을 사용하여 로보트 선단좌표계에 대한 툴 좌표계원점(TCP)의 좌표를 구하는 것이다.The present invention derives the coordinates of the tool coordinate system origin (TCP) for the robot tip coordinate system using a method of deriving three nonlinear simultaneous equations for tool coordinates using an external sensor and solving them numerically.
전술한 바와 같이 툴 캘리브레이션이란 기본적으로 로보트 선단좌표계에 대한 툴 좌표계의 원점(TCP)의 좌표(Tx, Ty, Tz)를 구하는 것이다.As described above, tool calibration basically calculates the coordinates (Tx, Ty, Tz) of the origin (TCP) of the tool coordinate system with respect to the robot tip coordinate system.
따라서, 이들을 변수로 하는 서로 독립인 3개의 연립 방정식을 세울 수 있으면, 이를 풀어서 변수들을 구할 수 있다.Thus, if we can build three independent systems of equations with these variables as variables, we can solve them for variables.
변환행렬 산출단계, 즉 기준좌표계에 대한 로보트 선단좌표계의 변환행렬을 구하기 위하여서 사용자는 먼저, 로보트 제어기의 툴(Tool)정수를 0으로 입력한다.In order to calculate the transformation matrix, that is, the transformation matrix of the robot leading coordinate system with respect to the reference coordinate system, the user first inputs a tool constant of the robot controller as 0.
그리고, 로보트를 임의의 위치에 두고 제어기로부터 현재의 위치를 읽으면, 툴의 길이가 0이므로, 로보트 선단좌표계(6축 끝)의 기본(Base)좌표계로부터의 위치(X, Y, Z) 및 회전량(RPY angle)이 구해진다. 이 값으로부터 로보트 선단좌표계의 기본좌표계에 대한 전달행렬(Transformation)bTt를 구할 수 있다.If the robot is positioned at any position and the current position is read from the controller, the length of the tool is 0. Therefore, the position (X, Y, Z) and times from the base coordinate system of the robot tip coordinate system (6 axis end) RPY angle is obtained. From this value, we can find the transformation b T t for the basic coordinate system of the robot tip coordinate system.
위치 벡터 산출단계 즉, 기준좌표계로부터 임의의 3개 위치의 툴 좌표계원점 (TCP)의 위치벡터를 구하는 단계는 전술한 단계로부터 얻은 전달행렬을 이용하며 다음과 같다.The step of calculating the position vector, that is, the position vector of the tool coordinate system origin (TCP) at any three positions from the reference coordinate system, is performed using the transfer matrix obtained from the above-described steps.
식 변수 Tx, Ty, Tz를 미지수로 두면, TCP의 로보트 기준 좌표계로 부터의 위치 벡터는 다음의 식(2)와 같이 구해진다.If the expression variables Tx, Ty, and Tz are unknown, the position vector from the robot reference coordinate system of TCP is obtained as in the following equation (2).
그림 3에서와 같이 로보트를 공간내 특정 위치가 아닌 임의의 3위치에 두고, 식(2)을 이용하여 상기의 임의의 3점의 로보트 기본좌표계로 부터의 위치 벡터를 구하면 식(3)과 같다.As shown in Fig. 3, when the robot is placed at any 3 positions instead of a specific position in the space, and the position vector from the robot basic coordinate system of any 3 points is obtained using Equation (2), it is as Equation (3). .
같은 방법으로In the same way
3점간거리 산출단계는 외부에 센서를 설치하여 상기의 임의의 3점간 거리를 측정하는 단계로서, 외부에 센서를 별도로 설치하고, 센서에서 상기 임의의 세점을 목표점으로 하여 좌표를 구하면 간단한 연산으로 세 점(TCP)간의 거리(L1, L2, L3)를 실측할 수 있다.The three-point distance calculating step is a step of measuring the distance between any three points by installing a sensor on the outside. The distance (L 1 , L 2 , L 3 ) between the points (TCP) can be measured.
방정식 수립단계는 전술한 과정에 의해 위치벡터 산출단계와 3점간거리 산출단계로부터의 산출결과를 이용하여 이루어지며 이를 식으로표시하면 다음과 같다.The equation establishment step is performed using the calculation results from the position vector calculation step and the three-point distance calculation step by the above-described process.
센서좌표계에서 구해진 3점 사이의 거리(L1, L2, L3)는 식(3)의 각 TCP 사이의 거리와 같다. 이로부터 식(4)가 유도된다.The distance (L 1 , L 2 , L 3 ) between the three points obtained from the sensor coordinate system is equal to the distance between each TCP in equation (3). Equation (4) is derived from this.
식(4)는 풀어서 다시 쓰면 다음의 식(5)과 같다.Equation (4) is solved and rewritten as Equation (5) below.
식(5)의 벡터성분값들을 식(3)의 값들로 대치하면 툴 정수(Tx, Ty, Tz)를 변후로 하는 3개의 비선형방정식이 된다. 이들은 삼각형의 세변길이로 서로 독립적이기 때문에 풀 수 있다. 즉, 식 (5)의 해가 곧 툴정수이다.Substituting the vector component values of Eq. (5) into the values of Eq. (3) results in three nonlinear equations with the tool constants (Tx, Ty, Tz) inverted. They are solved because they are independent of each other by the length of the triangle. In other words, the solution of equation (5) is a tool constant.
다음의 단계는 전술한 식5의 연립방정식을 풀어서 답을 구하는 툴정수산출단계로서, 식(5)은 비선형 연립 방정식을 풀기 위해 수치해석(Numerical Analy-sis)적인 방법을 사용한다.The next step is to calculate the tool constants by solving the system of equations (5). Equation (5) uses a numerical method to solve the nonlinear system of equations.
수치해석적 방법에는 여러가지 종류가 있으나, 본 발명에서는 다음과 같은 뉴튼-랩슨법(Newton-Raphson Method)을 이용하여 해를 구하였다.There are many types of numerical methods, but in the present invention, the solution was obtained using the following Newton-Raphson method.
상기 식(5)을 아래 식(6)과 같은 시스템으로 가정한다.Equation (5) is assumed to be a system such as Equation (6) below.
이 식을 풀기 위해 각 변수 χ1,χ2, …, χn에 대하여 식(6)의 각 함수를 편미분 하여 식(7)을 구한다.To solve this equation, the variables χ 1 , χ 2 ,. Find the equation (7) by partial derivative of each function of equation (6) with respect to, χ n .
다음 행렬
다음 백터
방정식(Simultaneous Linear Equation)을 다음과 같이 정의한다.The equation (Simultaneous Linear Equation) is defined as
변수
여기서 식(10)의 해
식(11)을 비선형 방정식 (6)의 해로 하고, 아니면 식(11)의
전술한 과정을 거쳐, 위 방법의 검증을 위하여 프로그램을 개발하고 반복실시하였다. 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 이미 알고 있는 툴을 부착하고 캘리브레이션한 결과, 실제 툴변수와 거의 0.3mm 이내 오차로 정확한 캘리브레이션이 가능하였다. 또한 개발된 알고리즘은 기존방식에 적용도 가능함이 시뮬레이션으로 입증되었다. (기존 방법은 L1, L2, L3가 0인 경우임)Through the above process, the program was developed and repeated for the verification of the above method. Using simulation software to attach and calibrate a known tool, accurate calibration was possible with an error of less than 0.3 mm from the actual tool parameters. In addition, the algorithm proved to be applicable to the existing method by simulation. (The old method is where L 1 , L 2 , and L 3 are 0.)
표는 전술한 실험의 결과를 도시한 그래프이다.The table is a graph showing the results of the above experiment.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명 따른 로보트 툴 캘리브레이션의 제공으로 기존 방법의 단점인 단순 반복적인 교시작업이 필요 없게 되었으며, 소요시간도 로보트 1대당 30분 내지 40분에서 5내지 10분으로 단축가능하게 되었다.The provision of the robot tool calibration according to the present invention as described above eliminates the need for simple repetitive teaching, which is a disadvantage of the existing method, and the time required to be shortened from 30 to 40 minutes to 5 to 10 minutes per robot. It became.
이러한 결과 오프라인 프로그래밍기술의 현장적응성을 높여 원가의 절감과 함께 생산시간의 절감을 가져오게 되었다.As a result, the field adaptability of off-line programming technology is increased, resulting in cost reduction and production time.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR101826577B1 (en) | 2012-12-12 | 2018-02-07 | 큐렉소 주식회사 | The tool calibration method using robot's wrist axes movements |
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1997
- 1997-04-23 KR KR1019970015158A patent/KR100240466B1/en not_active IP Right Cessation
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| KR101826577B1 (en) | 2012-12-12 | 2018-02-07 | 큐렉소 주식회사 | The tool calibration method using robot's wrist axes movements |
| CN109916351A (en) * | 2017-12-13 | 2019-06-21 | 北京柏惠维康科技有限公司 | A kind of method and apparatus obtaining robot TCP coordinate |
| CN109916351B (en) * | 2017-12-13 | 2020-09-08 | 北京柏惠维康科技有限公司 | Method and device for acquiring TCP (Transmission control protocol) coordinates of robot |
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