KR100741563B1 - 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 비전 센서의 측정위치를 로봇 좌표계나 포지셔너 좌표계로 변환하여 용접선의 위치를 검출하고, 교시된 스텝의 시작위치 뿐만 아니라 자세를 보정하는 방법을 제시하여 로봇의 트래킹 중에도 자세보정을 자동적으로 실행함으로써 작업 효율을 높이고 용접의 균일한 품질을 확보하여 품질을 향상시킬 수 있도록 하는 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법은, 로봇의 툴 끝단(TCP)의 진행방향 영역을 레이저 비전 센서로 용접선의 위치를 주기적으로 검출하는 로봇 시스템에서 로봇의 추종(Tracking) 시작자세 및 종료자세를 교시하여 용접선을 추종하는 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법에 있어서, 상기 로봇의 툴 끝단에 진행방향으로 앞쪽에 설치된 상기 레이저 비전 센서의 검출위치를 로봇 제어기가 실시간으로 수신하고 상기 로봇의 기준 좌표계로 변환하는 캘리브레이션 수단에 의해 용접선의 방향을 계산하여 시작 자세를 검출하는 단계와; 상기 용접선 방향의 시작위치(Ps)로부터 종료위치(Pt)까지 상기 로봇의 교시된 스텝위치로 이동하면서 상기 로봇을 검출된 시작 자세로 교정하는 단계와; 상기 로봇이 작업위치로 이동하면 상기 로봇의 툴 끝단이 용접선의 시작위치(Ps)로부터 종료위치(Pt)까지 추종하는 과정에서 용접선의 추종 위치를 얻어내기 위해 내부 메모리에 저장된 샘플 데이터를 읽어오는 단계와; 상기 내부 메모리로부터 읽은 샘플 데이터를 이용하여 상기 로봇의 샘플링 위치 및 자세를 보간하여 상기 로봇의 기준 좌표계 상의 이동 위치 및 자세를 재계산하는 단계와; 상기 재계산된 로봇의 이동 위치 및 자세를 로봇의 각 축이 이동할 자세로 환산하는 단계를 포함한다.

로봇, 용접선 자세 추종, 트래킹, 아크 용접, 샘플 데이터, 내부 메모리

Description

로봇의 용접선 자세 추종 제어방법{The Control Method of a Robot Tracking Orientations for a Arc-welding Seam}

도 1은 본 발명에 따른 로봇 시스템에서 용접선 추종에 필요한 각 좌표계의 관계를 도시한 도면.

도 2는 도 1의 로봇 시스템에 적용되는 용접선 기준 좌표계를 도시한 도면.

도 3은 도 1의 로봇 시스템에서 적용한 주기적인 용접선 검출의 예시도.

도 4는 도 1의 로봇 시스템이 적용되어 자세를 추적하는 경우와 적용되지 않아 자세를 추적하지 못하는 경우의 비교도.

도 5는 도 1의 로봇 시스템에서 적용된 피치각(pitch angle)을 추적하는 예시도.

도 6은 도 1의 로봇 시스템에서 용접선 기준 좌표계와 용접선 진행 접선 방향의 관계도.

도 7은 도 1의 로봇 시스템에서 시작 자세를 검출하는 방법의 예시도.

도 8은 본 발명에 따른 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법에 대한 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 로봇 툴 2 : 레이저 비전 센서

3 : 교시경로 4 : 실제 용접선

5 : 로봇 제어기

본 발명은 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접선을 검출하는 레이저 비전 센서를 이용하여 용접선의 위치를 샘플링 시간마다 저장하고, 저장된 위치와 교시된 자세를 이용하여 이동할 로봇 자세를 재계산함으로써 용접선의 방향이 변경되더라도 용접선의 방향을 추종할 수 있도록 하는 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 로봇 시스템에 있어서 로봇을 제어하여 작업물에 대한 아크 용접 등을 수행하는 경우, 레이저 비전 센서를 로봇 시스템에 장착하여 용접선을 추종함으로써 로봇이 정확한 용접 처리를 수행할 수 있도록 제어한다.

이러한 종래의 로봇 시스템에서 레이저 비전 센서를 이용하여 용접선을 추종하는 방식은, 상기 레이저 비전 센서가 용접선의 위치를 검출하고 검출한 위치를 센서측의 하드웨어에 구비된 메모리에 저장하였다가 로봇의 툴 끝단(Tool Center Point; 이하, TCP라 한다.)이 측정위치에 도달하면 로봇의 보정량을 센서가 계산하여 로봇에게 전송하고, 이를 로봇 제어기가 반영하여 툴 끝단(TCP)의 위치를 추적하는 방식을 사용한다.

그러나, 상술한 바와 같이 종래의 레이저 비전 센서를 이용하여 용접선을 추종하는 방식은 위치에 국한한 응용이 대부분이고, 자세를 보정하는 경우에도 작업 구간에서 단일한 자세를 유지하는 방법에 대한 것이 일반적이다. 따라서, 아크 용접을 수행할 작업물의 설치 위치와 자세가 교시된 위치와 다를 경우에는 이를 해결 할 수 있는 방법이 마련되어 있지 않은 문제점이 있다.

이에, 본 발명의 목적은 레이저 비전 센서의 측정위치를 로봇 좌표계나 포지셔너 좌표계로 변환하여 용접선의 위치를 검출하고, 교시된 스텝의 시작위치 뿐만 아니라 자세를 보정하는 방법을 제시하여 로봇의 트래킹 중에도 자세보정을 자동적으로 실행함으로써 작업 효율을 높이고 용접의 균일한 품질을 확보하여 품질을 향상시킬 수 있도록 하는 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법을 제공하는데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법은, 로봇의 툴 끝단(TCP)의 진행방향 영역을 레이저 비전 센서로 용접선의 위치를 주기적으로 검출하는 로봇 시스템에서 로봇의 추종(Tracking) 시작자세 및 종료자세를 교시하여 용접선을 추종하는 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법에 있어서, 상기 로봇의 툴 끝단에 진행방향으로 앞쪽에 설치된 상기 레이저 비전 센서의 검출위치를 로봇 제어기가 실시간으로 수신하고 상기 로봇의 기준 좌표계로 변환하는 캘리브레이션 수단에 의해 용접선의 방향을 계산하여 시작 자세를 검출하는 단계와; 상기 용접선 방향의 시작위치(Ps)로부터 종료위치(Pt)까지 상기 로봇의 교시된 스텝위치로 이동하면서 상기 로봇을 검출된 시작 자세로 교정하는 단계와; 상기 로봇이 작업위치로 이동하면 상기 로봇의 툴 끝단이 용접선의 시작위치(Ps)로부터 종료위치(Pt)까지 추종하는 과정에서 용접선의 추종 위치를 얻어내기 위해 내부 메모리에 저장된 샘플 데이터를 읽어오는 단계와; 상기 내부 메모리로부터 읽은 샘플 데이터를 이용하여 상기 로봇의 샘플링 위치 및 자세를 보간하여 상기 로봇의 기준 좌표계 상의 이동 위치 및 자세를 재계산하는 단계와; 상기 재계산된 로봇의 이동 위치 및 자세를 로봇의 각 축이 이동할 자세로 환산하는 단계를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 로봇 시스템에서 용접선 추종에 필요한 각 좌표계의 관계를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 로봇 시스템은 로봇과 용접선의 위치 및 자세 추종(Tracking)을 제어하는 로봇 제어기(도시되지 않음)와, 상기 로봇에 설치되는 그 끝이 뾰족한 툴(1)과, 상기 로봇 툴(1)에 장착되어 로봇의 툴(1) 선단의 진행 방향인 용접선의 위치를 주기적으로 검출하는 레이저 비전 센서(2)가 구비된다.

특히, 상기 레이저 비전 센서(2)는 도 1에 도시된 바와 같이 로봇 툴(1) 스텝의 진행방향 앞쪽으로 설치됨으로 로봇이 이동하면 로봇 툴(1) 끝단(TCP) 보다 용접선의 위치를 선행하여 검출한다.

상기 로봇 제어기는 레이저 비전 센서(2)의 검출 위치를 로봇의 베이스 좌표계로 변환하는 방법을 제공하고, 상기 레이저 비전 센서(2)에서 검출된 위치를 로봇이 수신할 수 있도록 하는 프로토콜을 구비하며, 그 내부에 수신한 위치를 저장 하기 위한 내부 버퍼가 구비된다.

도 1에 도시된 작업 좌표계{W}는 로봇 좌표계 기준으로 보간하는 경우에는 로봇 베이스 좌표계이고, 포지셔너와 같은 외부 동기축을 사용하는 경우에는 포지셔너 좌표계가 이에 해당한다.

도 2는 도 1의 로봇 시스템에 적용되는 용접선 기준 좌표계{R}를 도시한 도면으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 로봇의 자세 보간을 수행하기 위해 용접선의 방향을 용접선 기준 방향이라고 하면 용접선 기준 방향을 X방향, 그리고 로봇 베이스 좌표계의 Z방향을 Z방향으로 정하는 용접선 기준 좌표계{R}를 정할 수 있다. 이러한 용접선 기준 좌표계{R}는 별도로 지정하는 좌표계가 아닌 시작위치(Ps)와 종료위치(Pt)가 있으면 자동적으로 결정된다.

상기 용접선 기준 좌표계{R}에서 X방향 회전을 롤(Roll), Y방향 회전을 피치(Pitch), Z방향 회전을 요(Yaw)라고 정한다. 본 발명의 로봇 시스템에서는 용접선의 추적 위치 만으로 자세를 보정하는 방법으로 상기 롤(Roll) 각은 고려하지 않는다.

도 3은 도 1의 로봇 시스템에서 적용한 주기적인 용접선 검출의 예시도로서, 도 3을 참조하여 설명하면, 상기 레이저 비전 센서(2)는 작업물의 용접선 위치(Pi)를 일정한 시간 주기(dt)로 검출하고, 이를 상기 로봇 제어기의 내부 버퍼에 저장하여 두었다가 로봇 툴(1)의 위치(Pc)를 반영할 때 위치 보간을 수행한다.

도 4는 도 1의 로봇 시스템이 적용되어 자세를 추적하는 경우와 적용되지 않아 자세를 추적하지 못하는 경우의 비교도로서, 도 3의 주기적인 용접선 검출시 Z 방향 회전각(Yaw Angle)을 추적하는 경우의 예시도이다.

도 4의 (a)는 작업물의 용접선 추종이 없는 경우를 나타낸 도면으로, 시작위치(Ps)와 종료위치(Pt)를 교시하면 로봇이 직선궤적을 계획하여 이동한다. 이때는 실제의 용접선을 추종할 수 없음을 보여준다.

도 4의 (b)는 작업물의 용접선 위치만을 보간하는 경우를 나타낸 도면으로, 이 경우는 로봇의 자세가 실제 용접선에 따라 변화하지 않음으로 실제 용접선을 검출할 수 없는 경우가 생긴다. 이 때문에 위치만을 추적하는 로봇 시스템을 사용하면 교시 위치를 부분적으로 나눌 수밖에 없어 작업의 효율에 악영향이 있다.

이에 비해, 도 4의 (c)는 작업물의 용접선 위치 뿐만 아니라 자세를 추종하는 경우를 나타낸 도면으로, 이 경우는 로봇의 자세가 실제 용접선에 따라 변화함으로 요(Yaw)각의 보상에 따라 레이저의 띠가 검출할 수 있는 범위를 확보할 수 있다.

도 5는 도 1의 로봇 시스템에서 적용된 피치각(Pitch Angle)을 추적하는 예시도로서, 도 5에 도시된 바와 같이 로봇의 피치(pitch) 각도를 보상하면 작업물의 높낮이가 도 5와 같이 변경되는 경우라도 작업물에 대한 로봇 툴(1)의 각도를 일정하게 유지한다. 이때, 자세가 변하도록 로봇을 교시한 경우에는 용접선 기준 좌표계{R}에 대한 자세 보간을 하고, 작업물에 대해 자세를 보정하여 자세 추적이 가능하다.

도 6은 도 1의 로봇 시스템에서 용접선 기준 좌표계{R}와 용접선 진행 접선 방향의 관계도로서, 자세 보간에 대한 개념을 보여주는 개념도이다.

상기 로봇의 기준궤적 생성 방식은 교시위치를 지정하는 방법을 사용하므로 시작위치(Ps)와 종료위치(Pt)를 로봇 제어기에 주면 교시 경로(3)는 직선으로 인식된다. 이때, 추적해야 할 실제 용접선(4)은 곡선이라고 해도 로봇에 곡선부분을 부분적으로 나눠 여러개의 직선 궤적을 교시하는 것 보다 시작위치(Ps)와 목표위치(Pt) 만을 교시하는 것이 단순한 방법이다.

따라서, 본 발명에서는 시작위치(Ps)와 종료위치(Pt) 단지 두 점만 용접선 기준 좌표계{R} 기준으로 자세를 교시하면 용접선을 추적하는 과정에서 피치각(Pitch Angle)과 요각(Yaw Angle)을 보상한다.

상기 로봇 툴(1)의 자세가 용접선을 추적하면서 작업물에 대해 피치각(Pitch Angle)과 요각(Yaw Angle)을 보상하기 위해서는 지령위치(Pc)에서의 접선(

)의 방향을 알면 용접선 기준 좌표계{R}의 X방향(Xref)과 접선방향(

)을 도 6의 (b)와 같이 피치각(

)과 요각(

)으로 분해할 수 있다. 이때, 접선의 방향은 샘플링된 위치에서 얻을 수 있는데, 단순하게는 지령위치(Pc) 기준으로 이전 검출위치 P(n)에서 다음 검출위치 P(n+1)까지의 검출위치의 방향 벡터이다.

상기 작업 좌표계{W}의 접선 벡터(

)를 단위 벡터로 표시하면 [수학식 1]과 같이 표시된다. 상기 레이저 비전 센서(2)의 검출 위치의 잡음(noise)을 제거하기 위해서 지령 위치(Pc) 인근의 용접선 검출위치를 읽어 선형식에 대한 최소 자승법(Least-Squares Method)을 사용하여 방향 벡터를 구하고, [수학식 1]을 대신할 수도 있다.

로봇의 작업 좌표계{W}에서 본 용접선 기준좌표계{R}까지의 자세변환 행렬을

라고 표시한다면 용접선 기준 좌표계{R}를 기준으로 본 접선의 방향(

)은 [수학식 2]와 같이 표시되고 그 벡터를

로 정의한다.

접선의 방향벡터

를 이용하면 용접선 기준방향 대비하여, 지령위치에서 피치각(

)와 요각(

) 벗어난 정도를 알 수 있고, 이를 계획된 자세에 방영한다. 지령위치(Pc)에서 작업좌표계{W} 기준으로 계획된 자세를

라고 하고 용접선 기준 좌표계로 환산한 자세를

라고 하면, 피치각(

)과 요각(

)을 반영한 작업 좌표계로 반영된 자세는 트래킹 자세(

) [수학식 3]과 같이 구할 수 있다.

도 7은 도 1의 로봇 시스템에서 시작 자세를 검출하는 방법의 예시도이고, 도 8은 본 발명에 따른 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법에 대한 흐름도이다.

도 8을 참조하여 설명하면, 상기 레이저 비전 센서(2)는 용접선의 위치를 검 출하여 실시간으로 로봇 제어기(5)에 검출된 용접선의 위치를 전송하고(SPR), 레이저 비전 센서(2)로부터 전송된 센서(2) 기준의 센서 좌표계{C}를 작업 좌표계{W}로 변환하기 위해 작업 좌표계{W}를 로봇 베이스 좌표계{B}로 변환한다(TR1).

다음, 포지셔너 동기 작업인 경우에는 포지셔너 좌표계로 변환하여 내부 메모리(MEM)에 순차적으로 저장한다(TR2)(TR3)(TR4). 특히, 상기 내부 메모리(MEM)는 메모리 영역의 한계로 인해 일정한 크기의 순환 버퍼를 운용할 수 있다.

상기 로봇은 시작 자세 검출을 위하여 도 7에 도시된 바와 같이, 접근위치(S1)에서 시작위치(Ps)로부터 종료위치(Pt) 방향으로 옵셋 거리만큼 옮겨진 검색시작 위치(S2)로 이동한 후, 교시된 용접선의 반대 방향으로 검색종료 위치(S4)까지 용접선을 검출하고 내부 메모리(MEM)에 순차적으로 기록한다(SOS)(SO1).

그 후, 용접선의 시작위치(Ps)가 검출되면 용접선의 시작 방향의 결정은 용접선 자세 추적 방식과 동일하게 상기 [수학식 2] 및 [수학식 3]을 적용하여 시작자세 및 목표자세를 재계산하는 단계를 수행한다(SO2).

다만, 상기 [수학식 1] 대신에 용접선 검출 위치를 검출 종료위치(Pe)에서 용접선의 방향이 결정되도록 검출 종료이전위치(Pe')를 이용한다. 특히, 상기 검출 종료이전위치(Pe')의 선택은 측정 노이즈를 감쇄하기 위해 선형식에 대한 최소 자승법을 이용하여 [수학식 4]와 같이 구할 수도 있다.

다음, 상기 재계산된 시작자세 및 목표자세를 이용하여 자세에 대한 경로를 계획한다(SO3).

상기 자세에 대한 경로 계획이 완료되면, 용접선의 시작위치(Ps)로 이동하며 용접선의 위치를 내부 메모리(MEM)에 저장한다(STS)(ST1).

그리고, 지령위치(Pc)가 시작위치(Ps)를 통과하면 내부 메모리(MEM)에서 지령위치(Pc) 전·후의 용접선의 위치를 검색하고(ST2), 용접선의 전·후 위치를 이용하여 피치각(Pitch Angle) 및 요각(Yaw Angle)을 생성한다(ST3).

상기 생성된 각도를 [수학식 3]의 방법을 이용하여 지령위치(Pi)에서 계획한 자세를 추적자세로 변환하고(ST4), 종료위치가 검출되었거나 계획된 스텝위치까지 도달하였는지 확인하고 반복하여 진행한다(ST5).

따라서, 본 발명에 따른 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법은, 레이저 비전 센서(2)를 통해 용접 작업물의 작업 시작위치(Ps)에서 용접선 위치를 검지하고, 교시된 스텝의 시작위치 뿐만 아니라 자세를 보정하는 방법을 제시하여 로봇의 트래킹 중에도 자세보정을 자동적으로 실행함으로써 작업 효율을 높이고 용접의 균일한 품질을 확보하여 품질을 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법에 대한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명의 상세한 설명에서는 작업물을 추적하는 용도를 아크 용접에 국한하여 설명하였으나 로봇의 작업 위치를 측정하여 자세를 보상하는 다른 응용에도 본 발명의 범위가 적용될 수 있다고 할 것이다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 용접 작업물이 놓인 자세를 판별하므로써 작업물 설치 작업에 들어가는 지그 장치를 단순화시킬 수 있는 잇점이 있다.

둘째, 자세 보간으로 레이저 비전 센서의 검색범위를 벗어나지 않도록 함으로써 로봇의 용접선에 대한 교시를 간단하게 수행할 수 있는 장점이 있다.

셋째, 시작위치에서 목표위치까지 로봇의 자세를 작업물을 기준으로 추적하여 수행하므로써 작업물의 품질이 향상되는 효과가 있다.

넷째, 자세 보간을 작업물 기준으로 수행함으로써 포지셔너 동기 동작 중에도 자세의 보간이 가능한 잇점이 있다.

Claims (4)

1. 로봇의 툴 끝단(TCP)의 진행방향 영역을 레이저 비전 센서로 용접선의 위치를 주기적으로 검출하는 로봇 시스템에서 로봇의 추종(Tracking) 시작자세 및 종료자세를 교시하여 용접선을 추종하는 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법에 있어서,

   상기 로봇의 툴 끝단에 진행방향으로 앞쪽에 설치된 상기 레이저 비전 센서의 검출위치를 로봇 제어기가 실시간으로 수신하고 상기 로봇의 기준 좌표계로 변환하는 캘리브레이션 수단에 의해 용접선의 방향을 계산하여 시작 자세를 검출하되, 상기 검출된 시작자세가 교시된 자세와 차이가 있어도 용접선의 시작자세를 재설정하는 단계;

   상기 용접선 방향의 시작위치(Ps)로부터 종료위치(Pt)까지 상기 로봇의 교시된 스텝위치로 이동하면서 상기 로봇을 검출된 시작 자세로 교정하는 단계;

   상기 로봇이 작업위치로 이동하면 상기 로봇의 툴 끝단이 용접선의 시작위치(Ps)로부터 종료위치(Pt)까지 추종하는 과정에서 용접선의 추종 위치를 얻어내기 위해 내부 메모리에 저장된 샘플 데이터를 읽어오는 단계;

   상기 내부 메모리로부터 읽은 샘플 데이터를 이용하여 상기 로봇의 샘플링 위치 및 자세를 보간하여 상기 로봇의 기준 좌표계 상의 이동 위치 및 자세를 재계산하는 단계; 및

   상기 재계산된 로봇의 이동 위치 및 자세를 로봇의 각 축이 이동할 자세로 환산하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법.
2. 삭제
3. 로봇의 툴 끝단(TCP)의 진행방향 영역을 레이저 비전 센서로 용접선의 위치를 주기적으로 검출하는 로봇 시스템에서 외부에 상기 로봇과 동기를 수행하는 포지셔너를 포함하고 로봇이 포지셔너 상의 작업물에 대하여 추종(Tracking) 시작자세 및 종료자세를 교시하여 용접선을 추종하는 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법에 있어서,

   상기 로봇의 툴 끝단에 진행방향으로 앞쪽에 설치된 상기 레이저 비전 센서의 검출위치를 로봇 제어기가 실시간으로 수신하고 상기 로봇의 포지셔너 기준 좌표계로 변환하는 캘리브레이션 수단에 의해 용접선의 방향을 계산하여 시작 자세를 검출하는 단계;

   상기 용접선 방향의 시작위치(Ps)로부터 종료위치(Pt)까지 상기 로봇의 교시된 스텝위치로 이동하면서 상기 로봇을 검출된 시작 자세로 교정하는 단계;

   상기 로봇이 작업위치로 이동하면 상기 로봇의 툴 끝단이 용접선의 시작위치(Ps)로부터 종료위치(Pt)까지 추종하는 과정에서 용접선의 추종 위치를 얻어내기 위해 내부 메모리에 저장된 샘플 데이터를 읽어오는 단계;

   상기 내부 메모리로부터 읽은 샘플 데이터를 이용하여 상기 로봇의 샘플링 위치 및 자세를 보간하여 상기 로봇의 포지셔너 기준 좌표계 상의 이동 위치 및 자세를 재계산하는 단계; 및

   상기 재계산된 로봇의 이동 위치 및 자세를 로봇의 각 축이 이동할 자세로 환산하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 로봇의 용접선 자세 추종 제어방법.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 로봇 제어기가 용접선의 방향을 계산하여 시작자세를 검출하는 단계에서,

   상기 검출된 시작자세가 교시된 자세와 차이가 있어도 시작자세를 재설정함을 특징으로 하는 로봇의 용접선 자세 추종 제어 방법.

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