KR100416225B1 - 정밀 기기의 기구교정 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간단한 구조의 3점 지지 구조물을 기구 교정하고자 하는 기기의 첨단부에 설치하여 기구 교정을 수행함으로써, 설치가 간편하고 측정 작업이 간단하며 작업시간을 대폭 줄일 수 있고, 별도의 정밀 측정장비가 불필요하기 때문에 비용를 절감할 수 있으며, 정밀 기기의 전체 작업 영역에 대하여 기구교정을 수행할 수 있기 때문에 교정 결과에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있는 정밀 기기의 기구교정 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것으로, 다자유도 로봇의 첨단부에 회전 가능하게 힌지 연결되는 3점 지지 구조물과, 상기 지지 구조물의 지지점이 모두 닿도록 지지되는 수평면 상의 정반을 포함하여 구성된다.

Description

정밀 기기의 기구교정 방법 및 그 장치 { A calibration device and the method for precision device }

본 발명은 정밀 기기의 기구교정 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정밀 기기의 첨단부에 삼점 지지 구조물을 설치하여 기구교정을 행함으로써, 별도의 측정장비가 불필요하여 비용을 절감감할 수 있고 측정작업이 간단하고 교정 결과에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있는 정밀 기기의 기구교정 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로 삼차원 측정기나 공작 기계 및 로봇 등은 그 성능을 평가할 때 이송 정밀도가 가장 중요한 항목으로 작용한다. 이러한 이송 정밀도는 각 구동부의 변위오차, 각 구조물의 가공오차 및 조립오차, 열변형 및 내외력에 의한 구조물의 변형, 내부 진동원 또는 외부 진동원에 의한 오차 등에 의하여 영향을 받게 된다.

이러한 오차 중 구동부의 변위오차의 경우는 제어를 통하여 줄일 수 있고, 열변형 및 내외력에 의한 구조물의 변형에 의해 발생되는 오차는 각 구조물의 운동위치에 센서를 설치하여 어느 정도 예측할 수 있다. 그리고 구조물의 가공 오차 및 조립 오차를 측정하는 보편적인 방법으로 기구교정을 통하여 증명, 이를 보상하는 방법이 있다.

현재 정밀 기기의 기구 교정에 사용되는 장비로는 DBB(Double Ball-Bar) 시스템이 많이 사용되는 추세이고, 이외에 기타 기구 교정을 할 수 있는 외부 정밀한측정장비가 사용되고 있다.

이와 같이, 현재 정밀 기기의 기구 교정을 위해서는 별도의 정밀한 측정장비를 필요로 하는 데, 이 측정장비는 고가이기 때문에 비용이 증대되고, 측정장비의 설치가 복잡하고 측정작업이 매우 복잡하며, 그에 따른 작업 시간이 많이 걸리는 문제점이 발생된다.

또한, 상기한 측정 장비를 사용할 경우 측정 장비의 측정 범위 내에서만 기구교정이 이루어지기 때문에 교정 결과가 전체 작업 영역에 걸쳐 이루어지지 못하므로 교정 결과에 대한 신뢰도가 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 간단한 구조의 3점 지지 구조물을 기구 교정하고자 하는 기기의 첨단부에 설치하여 기구 교정을 수행함으로써, 설치가 간편하고 측정 작업이 간단하며 작업시간을 대폭 줄일 수 있는 정밀 기기의 기구교정 방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.

다른 목적은 간단한 구조의 3점 지지 구조물을 기기에 직접 설치하여 사용함으로써, 별도의 측정장비가 불필요하기 때문에 비용를 절감할 수 있는 정밀 기기의 기구교정 방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.

또 다른 목적은 정밀 기기의 전체 작업 영역에 대하여 기구교정을 수행할 수 있기 때문에 교정 결과에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있는 정밀 기기의 기구교정방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기구교정 장치가 설치된 6 자유도 병렬형 로봇의 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 기구교정 장치의 사시도이고,

도 3은 본 발명에 따른 기구교정 장치의 사용 상태도이고,

도 4는 본 발명에 따른 기구교정 장치의 기구 교정방법을 나타낸 순서도이고,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기구교정 장치가 설치된 5축 직렬형 로봇의 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

8 : 지지판 12 : 힌지부

14 : 상부 링크 16 : 하부 링크

18 : 구동기 20 : 3 점 지지 구조물

24 : 정반 26 : 측정판

30 : 연결부 32 : 지지 돌기

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 정밀 기기의 기구교정 장치는 다자유도 로봇의 첨단부에 회전 가능하게 힌지 연결되는 3점 지지 구조물과, 상기 지지 구조물의 지지점이 모두 닿도록 지지되는 수평면 상의 정반을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 기구교정 장치에 의한 기구 교정방법은 다 자유도 병렬형 로봇의 첨단부에 3 점 지지 구조물을 회전 가능하게 설치한 후 정반 위에 3 개의 지지 돌기가 모두 닿도록 배치시키는 제1단계와, 상기 로봇의 구동기를 임의대로 구동시켜 그 위치 및 힌지부의 회전 정도를 달리하여 매회 각 구동부의 변위를 기록하는 제2단계와, 상기 제2단계에서, 계산된 구동기의 각 구동부의 변위를 사용하여 순기구학 해석을 통하여 첨단부의 위치 및 방향을 계산하는 제3단계와, 상기 제3단계에서, 순기구학 해석을 통하여 계산된 값을 이용하여 목적함수g(k)를 계산하는 제4단계와, 상기 제4단계에서, 계산된 목적함수g(k)가 제로(O)로 수렴할 때까지 기구오차들을 수정해 나가는 제5단계와, 상기 제5단계에서, 목적함수를 계산한 후 값이 주어진 오차범위를 판단한 후 만족하는 것으로 판단되면 연산을 종료하고, 만족하지 못하는 것으로 판단되면, 오차요소를 수정하도록 방향성을 계산하는 제6단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기구 교정장치가 설치된 6 자유도 병렬형 로봇의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 기구 교정장치의 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 6 자유도 병렬형 로봇은 도 1에 도시된 바와 같이, 상측에 고정되는 지지판(8)의 둘레방향으로 임의의 간격을 두고 형성되는 힌지부(12)에 회전 가능하게 힌지 연결되는 6개의 상부 링크(14)와, 상기 상부 링크(14)의 하부에 위치되는 하부 링크(16)와, 상기 상부 링크(14)와 하부 링크(16) 사이에 연결되어 각 링크의 길이를 가변시키는 6개의 구동기(18)와, 상기 하부 링크(16)의 첨단부에 형성되는 힌지부(20)에 각각 회전 가능하게 연결되는 기구 교정장치로 구성된다.

상기 기구 교정장치는 로봇의 하부 링크(16) 하단인 첨단부에 연결되는 3점 지지 구조물(20)과, 상기 지지 구조물(20)의 지지점이 모두 닿도록 지지되는 수평면 상의 정반(24)으로 구성된다.

여기에서, 3점 지지 구조물(20)은 도 2에 도시된 바와 같이, 일정 두께를 갖는 원판 형태로 형성되는 측정판(26)과, 상기 측정판(26)의 상측면에 형성되어 로봇의 첨단부에 연결되는 연결부(30)와, 상기 측정판(26)의 하측면에 임의의 간격을 두고 동일 평면상에 놓일 수 있도록 돌출되어 정반(24) 위에 지지되는 3 개의 지지돌기(32a,32b,32c)로 구성된다.

여기에서, 연결부(30)는 6 자유도 병렬형 로봇에 장착될 경우에는 6개의 하부 링크의 하단이 연결될 수 있도록 측정판(26)의 둘레방향으로 임의의 간격을 두고 형성되는 힌지부로 이루어진다.

상기 지지돌기(32a,32b,32c)는 정반(24) 위에 접촉될 때 그 정밀도를 높일 수 있도록 반구 형태로 형성됨이 바람직하다.

이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 정밀 기기의 기구 교정장치에 대한 교정방법을 다음에서 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 기구 교정방법을 나타낸 순서도이다.

기구 교정을 원하는 정밀 기기 즉, 본 일 실시예에서 설명한 6 자유도 병렬형 로봇의 하부 링크(16) 첨단부에 삼점 지지 구조물(20)을 회전 가능하게 설치한 후 정반(24) 위에 3개의 지지돌기(32a,32b,32c)가 모두 닿도록 배치한다.

이러한 상태에서, 구동기(18)를 임의대로 구동시켜 그 위치 및 힌지부의 회전 정도를 달리하여, 매회 각 구동기(18)의 변위를 기록하면서 오차요소의 초기값을 설정한다. (S10)

즉, 상기 각 구동기(18)에는 제어를 위한 변위 센서가 부착되는 바, 구동기(18)를 구동시킬 때 각 구동기(18)에 부착된 변위 센서의 값들을 알아내면 구동기(18)의 변위를 알 수 있다.

이때, 삼점 지지 구조물의 지지돌기(32)가 정반(24) 위에 매측정시 마다 동일 평면상에 놓여진 상태를 유지하기 때문에 도 4에 도시된 바와 같이 X축 방향과 Y축 방향의 회전 변위는 모든 측정점들에 대해 같은 값을 가지게 된다.

그리고, 상기에서 구해진 각 구동부(18)의 변위를 사용하여 순기구학 해석을 통하여 하부 링크 끝단의 위치 및 방향을 추정한다. (S20)

즉, 로봇을 구성하고 있는 각 부분의 가공오차 및 설치오차 등의 기구교정을통하여 증명해야 하는 기구오차를 k로 두면, 각 구동부 변위및 기구오차 k에 의한 로봇 첨단부의 위치 및 방향 벡터 q는 다음과 같은 식으로 나타낸다.

q=f( λ,k)

그리고, 첨단부의 벡터와 같이 나타낼 수 있다. 여기에서,는 X 방향 회전변위이며,는 Y 방향 회전변위이며,는 Z 방향 회전변위를 나타낸다.

기구오차를 추정하기 위해서, 우선 각 기구오차가 없다고 가정하고, 각 측정점에 대해서 로봇 첨단부의 위치 및 방향을 계산한다. 즉, 상기의 식 q=f(,k)에 기구오차 k를 [0.0.......0.0]^T와 같이 두고 각 구동부 변위를 대입하여 첨단부의 위치 및 방향을 계산한다.

이와 같이 순기구학 해석을 통하여 첨단부의 위치 및 방향이 구해지면 아래의 식과 같이 목적함수g(k)를 계산한다. (S30)

여기에서, m은 측정점의 수를 나타내며,및,,은 각각 j번째와 (j-1)번째 측정에서의 순기구학 해석을 통하여 계산한 X 방향 및 Y 방향의 회전변위를 나타낸다. 이 식과 같이 각각의 측정점 간의 두방향 회전변위의 차이의 합을 목적함수로 한다.

이론상으로 기구오차가 존재하지 않는다면 이 목적함수는 제로(O)가 된다.하지만 기계 시스템에서는 가공오차 및 조립오차가 반드시 존재하기 때문에 이러한 기구오차들인 k를 정확하게 추정하지 않는다면 이 목적함수가 제로(O)로 수렴할 수 없다. 즉, 추정된 목적함수들이 정확할 때, 그때의 구동부 변위와 함께 상기의 식 q=f(,k) 과 같은 순기구학을 수행하여 정확한 첨단부의 위치 및 방향을 예측할 수 있다. 그러나 실제로 첨단부의 X 방향 및 Y 방향의 값들은 삼점 지지 구조물로 인하여 모두 같은 값들을 가지게 되므로 이 목적함수가 제로(O)로 수렴할 때까지 기구오차들을 수정해 나가야 된다. (S40)

이와 같이, 목적함수를 계산한 후 주어진 값이 주어진 오차범위를 만족하는 판단한 후 만족하는 것으로 판단되면 연산을 종료하고, 만족하지 못하는 것으로 판단되면, 그 방향성을 계산한다.(S50)

여기에서, 방향성은 각 오차요소가 목적함수에 미치는 영향에 대한 벡터 값이며, 일종의 모든 오차요소들에 대한 각 오차요소의 가중치라고 볼 수 있다.

이렇게 그 방향성이 계산되면 오차요소를 수정해서 가면서 반복적인 연산이 이루어지고 오차요소가 실제 시스템이 가지고 있는 값에 근접하게 되면서 이 값이 주어진 오차범위 안에 들어오게 되면 연산을 종료한다. (S60)(S70)

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기구 교정장치가 5축 직렬형 로봇에 설치된 상태를 나타낸 사시도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 5축 직렬형 로봇은 일측에 고정되는 고정판(50)과, 상기 고정판(50)에 회전 가능하게 힌지 연결되는 제1링크로드(52)와, 이 제1링크로드(52)와 직각방향으로 회전될 수 있도록 구동부(60)로 연결되는제2링크로드(54)와, 이 제2링크로드(54)와 직각방향으로 회전될 수 있도록 구동부(60)로 연결되는 제3링크로드(56)와, 이 제3링크로드(56)와 직각방향으로 회전될 수 있도록 구동부(60)로 연결되는 제4링크로드(58)와, 상기 제4링크로드(58)와 직각방향으로 회전될 수 있도록 구동부(60)로 연결되는 첨단부(66)로 이루어지고, 상기 첨단부(66)에는 3점 지지구조물(20)과 정반(24)으로 이루어지는 기구교정 장치가 연결된다.

여기에서, 상기 기구교정 장치는 상기에서 설명한 병렬 기구형 로봇에 설치되는 기구 교정장치와 동일하게 형성된다.

그리고, 상기 기구 교정장치의 기구 교정방법 역시 상기에서 설명한 기구 교정방법과 동일한 방법으로 수행된다.

따라서, 상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 따른 정밀 기기의 기구교정 방법 및 그 장치는 3점 지지 구조물을 기구 교정하고자 하는 기기의 첨단부에 설치한 후 세 개의 지지돌기가 정반의 수평면에 접촉되도록 하여 두 방향 회전변위를 고정시켜 추정한 기구오차 및 구동부의 변위를 바탕으로 순기구학으로 계산된 각 측정점에서의 두 방향 회전변위를 서로 비교, 그 차이의 합이 정해진 오차범위 내에 들도록 하여 기구교정을 수행함으로써, 기구 교정을 수행함으로써, 그 구조가 단순화할 수 있고 측정 작업이 간단하며 작업시간을 대폭 줄일 수 있는 이점이 있다.

또한, 정밀기기의 첨단부에 간단한 구조의 3점 지지 구조물을 직접 설치하여 사용함으로써, 별도의 측정장비가 불필요하기 때문에 비용를 절감할 수 있는 이점이 있다.

또한, 정밀 기기의 전체 작업 영역에 대하여 기구교정을 수행할 수 있기 때문에 교정 결과에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

1. 다자유도 로봇의 첨단부에 회전 가능하게 힌지 연결되는 3점 지지 구조물과, 상기 지지 구조물의 지지점이 모두 닿도록 지지되는 수평면 상의 정반을 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀기기의 기구교정 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 3점 지지 구조물은 일정 두께를 갖는 원판 형태의 측정판과, 상기 측정판의 상측면에 형성되어 로봇의 첨단부에 연결되는 연결부와, 상기 측정판의 하측면에 임의의 간격을 두고 동일 평면상에 놓일 수 있도록 돌출되어 정반 위에 지지되는 3 개의 지지돌기로 구성되는 것을 특징으로 하는 정밀기기의 기구교정 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 지지 돌기는 상기 측정판의 하측면에 일체로 형성되는 3 개의 반구 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 정밀 기기의 기구교정 장치.
4. 다 자유도 병렬형 로봇의 첨단부에 3 점 지지 구조물을 회전 가능하게 설치한 후 정반 위에 3 개의 지지 돌기가 모두 닿도록 배치시키는 제1단계와;

   상기 로봇의 구동기를 임의대로 구동시켜 그 위치 및 힌지부의 회전 정도를 달리하여 매회 각 구동부의 변위를 기록하는 제2단계와;

   상기 제2단계에서, 계산된 구동기의 각 구동부의 변위를 사용하여 순기구학 해석을 통하여 첨단부의 위치 및 방향을 계산하는 제3단계와;

   상기 제3단계에서, 순기구학 해석을 통하여 계산된 값을 이용하여 목적함수g(k)를 계산하는 제4단계와;

   상기 제4단계에서, 계산된 목적함수g(k)가 제로(O)로 수렴할 때까지 기구오차들을 수정해 나가는 제5단계와;

   상기 제5단계에서, 목적함수를 계산한 후 값이 주어진 오차범위를 판단한 후 만족하는 것으로 판단되면 연산을 종료하고, 만족하지 못하는 것으로 판단되면, 오차요소를 수정하도록 방향성을 계산하는 제6단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 정밀 기기의 기구교정 방법.
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