KR100758978B1 - The Calibration Method of Traverse Axes of a Robot System - Google Patents

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KR100758978B1 KR1020030041843A KR20030041843A KR100758978B1 KR 100758978 B1 KR100758978 B1 KR 100758978B1 KR 1020030041843 A KR1020030041843 A KR 1020030041843A KR 20030041843 A KR20030041843 A KR 20030041843A KR 100758978 B1 KR100758978 B1 KR 100758978B1
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Abstract

본 발명은 로봇 툴 끝의 점과 외부에 존재하는 공간 상의 고정된 기준점을 일치시키는 간단한 조작을 수행하여 주행축의 방향을 캘리브레이션 함으로써 주행축을 따라 동작하는 로봇 툴 끝의 보간 동작에서 궤적의 정밀도를 향상시킬 수 있도록 하는 로봇 시스템의 주행축 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.The present invention improves the accuracy of the trajectory in the interpolation of the robot tool tip operating along the travel axis by calibrating the direction of the travel axis by performing a simple operation of matching the point of the tip of the robot tool with a fixed reference point in the external space. The present invention relates to a driving axis calibration method of a robot system.

본 발명에 따른 로봇 시스템의 주행축 캘리브레이션 방법은, 로봇과, 상기 로봇을 운송하는 주행축과, 상기 로봇 및 주행축을 제어하는 제어기가 구비된 로봇 시스템에 있어서, 상기 로봇의 툴 플랜지 선단에 부착된 툴 끝과 외부의 캘리브레이션 기준 좌표계에 고정된 캘리브레이션 기준점을 일치시킨 후 상기 로봇의 베이스 좌표계 원점과 툴 끝의 위치 데이터를 저장하는 단계와, 상기 로봇의 작업범위 내에서 주행축을 이동하고, 상기 로봇의 툴 끝과 외부의 캘리브레이션 기준 좌표계에 고정된 캘리브레이션 기준점을 일치시키는 작업을 설정된 측정회수 만큼 반복하는 단계와, 상기 설정된 측정회수를 초과하면, 상기 로봇의 베이스 좌표계 원점과 툴 끝의 위치 데이터를 읽어와 상기 주행축 및 로봇의 이동위치를 계산하는 단계와, 상기 계산된 주행축 및 로봇의 이동위치 관계를 이용하여 상기 주행축의 방향을 캘리브레이션 하는 단계를 포함한다.A traveling shaft calibration method of a robot system according to the present invention includes a robot, a traveling shaft for transporting the robot, and a robot system including a controller for controlling the robot and the traveling shaft, wherein the robot is attached to a tool flange tip of the robot. Matching a fixed calibration reference point to a tool tip and an external calibration reference coordinate system, and storing position data of the base coordinate system origin of the robot and the tool tip, moving the travel axis within the working range of the robot, and Repeating the operation of matching the tool tip and the fixed calibration reference point to the external calibration reference coordinate system by the set number of measurement times, and when the set number of times of measurement is exceeded, the base coordinate system origin of the robot and the position data of the tool tip are read out. Calculating a moving position of the traveling shaft and the robot; Using the mobile-axis and the positional relation between the robot and a step of calibrating the travel axis direction.

로봇 시스템, 캘리브레이션, 주행축, 좌표변환, 툴Robot system, calibration, travel axis, coordinate transformation, tool

Description

로봇 시스템의 주행축 캘리브레이션 방법{The Calibration Method of Traverse Axes of a Robot System}The Calibration Method of Traverse Axes of a Robot System

도 1은 본 발명에 따른 로봇 시스템의 구성을 도시한 도면.1 is a view showing the configuration of a robot system according to the present invention.

도 2는 도 1의 로봇 시스템에서 주행축 캘리브레이션을 위한 구성을 도시한 도면.FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration for calibrating a driving shaft in the robot system of FIG. 1. FIG.

도 3은 도 1의 로봇 시스템에서 적용하는 좌표계의 관계를 도시한 도면.3 is a diagram illustrating a relationship between coordinate systems applied in the robot system of FIG. 1.

도 4는 본 발명에 따른 로봇 시스템의 주행축 캘리브레이션 방법을 도시한 흐름도.Figure 4 is a flow chart illustrating a traveling shaft calibration method of the robot system according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1 : 로봇 2 : 로봇 제어기1: Robot 2: Robot Controller

3 : 교시조작기 4 : 주행축3: teaching manipulator 4: driving shaft

5 : 툴 6 : 캘리브레이션 기준점5 Tool 6: Calibration Reference Point

7 : 베이스 좌표계 원점 8 : 툴 플랜지7: Base coordinate system origin 8: Tool flange

본 발명은 로봇 시스템(Robot Sytem)의 주행 궤도축(이하, 주행축이라 한다.) 캘리브레이션(Calibration) 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산업용 로봇의 좌표변환 방식을 사용하여 주행축을 포함하는 로봇 시스템의 위치 결정 정확도를 높일 수 있도록 한 로봇 시스템의 주행축 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a driving track axis (hereinafter, referred to as a driving axis) calibration method of a robot system, and more particularly, a robot system including a driving axis using a coordinate transformation method of an industrial robot. It relates to a method of calibrating a travel shaft of a robot system to increase the positioning accuracy of the robot.

일반적으로 로봇 시스템에 있어서 로봇을 제어하여 작업물을 반송하거나 조립하는 공정을 포함한 작업을 하는 경우에, 핸드(Hand)를 장착한 로봇 또는 이들 로봇 간의 협조 동작을 수행하도록 작업 공정을 설계하는 경우가 있다.In general, when a robot system includes a process of controlling a robot to convey or assemble a workpiece, a robot equipped with a hand or a work process is designed to perform a cooperative operation between the robots. have.

그러나, 종래의 로봇 시스템은 로봇이 이동할 수 없는 고정 상태에서 사용됨으로 로봇의 작업범위 및 작업물의 운송범위가 한정되는 문제점이 있다.However, the conventional robot system has a problem in that the working range of the robot and the transport range of the work are limited because the robot is used in a fixed state where the robot cannot move.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 종래 산업 현장에서는 주행축을 포함한 로봇 시스템을 구성하여 로봇의 캘리브레이션을 수행하나, 종래의 캘리브레이션에 관한 기술은 로봇 자체의 캘리브레이션에 한정되고 주행축에 있어서는 고려하지 않고 있다.In order to solve such a problem, in the conventional industrial site, a robot system including a driving shaft is configured to perform calibration of the robot. However, the conventional calibration technology is limited to the calibration of the robot itself and is not considered in the driving shaft.

따라서, 산업 현장에서 주행축을 포함한 로봇 시스템을 설치하는 경우, 주행축은 로봇 외부의 축으로 분리되어 보간 동작을 하지 않거나 사용자가 주행축의 방향을 로봇의 좌표계에 맞추어 정확히 설치해야 함으로 주행축을 이동하는 로봇의 툴 끝의 보간 동작은 정확도가 떨어지는 단점이 있다.Therefore, when installing a robot system including a travel shaft in an industrial site, the travel shaft is separated by a shaft outside the robot so as not to interpolate or the user must install the direction of the travel shaft correctly according to the coordinate system of the robot. Interpolation of the tool tip has the disadvantage of inaccuracy.

이에, 본 발명의 목적은 로봇 툴 끝의 점과 외부에 존재하는 공간 상의 고정된 기준점을 일치시키는 간단한 조작을 수행하여 주행축의 방향을 캘리브레이션 함 으로써 주행축을 따라 동작하는 로봇 툴 끝의 보간 동작에서 궤적의 정밀도를 향상시킬 수 있도록 하는 로봇 시스템의 주행축 캘리브레이션 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to track the trajectory in the interpolation operation of the robot tool tip operating along the travel axis by calibrating the direction of the travel axis by performing a simple operation of matching the point of the tip of the robot tool with a fixed reference point on the space existing outside. The present invention provides a method of calibrating a traveling shaft of a robot system that can improve the accuracy of the robot.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 로봇 시스템의 주행축 캘리브레이션 방법은, 로봇과, 상기 로봇을 운송하는 주행축과, 상기 로봇 및 주행축을 제어하는 제어기가 구비된 로봇 시스템에 있어서, 상기 로봇의 툴 플랜지 선단에 부착된 툴 끝과 외부의 캘리브레이션 기준 좌표계에 고정된 캘리브레이션 기준점을 일치시킨 후 상기 로봇의 베이스 좌표계 원점과 툴 끝의 위치 데이터를 저장하는 단계와, 상기 로봇의 작업범위 내에서 주행축을 이동하고, 상기 로봇의 툴 끝과 외부의 캘리브레이션 기준 좌표계에 고정된 캘리브레이션 기준점을 일치시키는 작업을 설정된 측정회수 만큼 반복하는 단계와, 상기 설정된 측정회수를 초과하면, 상기 로봇의 베이스 좌표계 원점과 툴 끝의 위치 데이터를 읽어와 상기 주행축 및 로봇의 이동위치를 계산하는 단계와, 상기 계산된 주행축 및 로봇의 이동위치 관계를 이용하여 상기 주행축의 방향을 캘리브레이션 하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a traveling shaft calibration method of a robot system according to the present invention includes a robot, a traveling shaft for transporting the robot, and a robot system including a controller for controlling the robot and the traveling shaft, Matching the tool tip attached to the tool flange tip of the robot with a fixed calibration reference point to an external calibration reference coordinate system and storing position data of the base coordinate system origin of the robot and the tool tip, and within the working range of the robot Repeating the movement of the moving axis and matching the calibration reference point fixed to the tool tip of the robot and the external calibration reference coordinate system by a predetermined number of measurement times; and when the set number of measurement times is exceeded, the base coordinate system origin of the robot and Read position data of tool tip and move position And calculating a direction of the travel shaft by using the calculated travel position relationship between the travel shaft and the robot.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 로봇 시스템의 구성을 도시한 도면이다.1 is a view showing the configuration of a robot system according to the present invention.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 로봇 시스템은 크게 위치 정확도가 높은 로봇(1)과, 로봇(1) 및 주행축(4)을 제어하는 로봇 제어기(2)와, 사용자가 명령을 입력하는 교시조작기(3)로 이루어진다. 이때, 상기 로봇(1)의 툴 플랜지(8)에는 정확한 치수를 알고 있고 그 끝이 뾰족한 툴(5)이 설치된다. Referring to FIG. 1, the robot system according to the present invention includes a robot 1 having a large position accuracy, a robot controller 2 for controlling the robot 1 and a travel shaft 4, and a user command. It consists of a teaching operator 3 to input. At this time, the tool flange 8 of the robot 1 is provided with a tool 5 having a precise dimension and having a sharp tip.                     

그리고, 상기 로봇(1)의 주행축(4) 외부의 캘리브레이션 기준 좌표계{C}의 공간 상 임의의 위치에는 고정된 캘리브레이션 기준점(6)이 마련된다.A fixed calibration reference point 6 is provided at an arbitrary position in the space of the calibration reference coordinate system C outside of the travel axis 4 of the robot 1.

상기와 같은 구성으로 이루어진 로봇 시스템의 주행축 캘리브레이션 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.The driving shaft calibration method of the robot system having the above configuration will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2는 도 1의 로봇 시스템에서 주행축 캘리브레이션을 위한 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 로봇 시스템에서 적용하는 좌표계의 관계를 도시한 도면이다. 또한, 도 4는 본 발명에 따른 로봇 시스템의 주행축 캘리브레이션 방법을 도시한 흐름도이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration for calibrating a traveling shaft in the robot system of FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between coordinate systems applied to the robot system of FIG. 1. 4 is a flowchart illustrating a driving shaft calibration method of the robot system according to the present invention.

이들 도면을 참조하여 설명하면, 먼저, 로봇 제어기(2)는 로봇(1)의 베이스 좌표계{R}에서 주행축(4)의 설치 방향을 알기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 로봇(1)의 툴 플랜지(8)의 선단에 부착된 툴(5) 끝과, 외부의 캘리브레이션 기준 좌표계{C}에 고정된 캘리브레이션 기준점(6)을 일치시킨다(S402).Referring to these drawings, first of all, the robot controller 2 is used to determine the installation direction of the travel shaft 4 in the base coordinate system R of the robot 1 as shown in FIG. 2. The tip of the tool 5 attached to the tip of the tool flange 8 coincides with the calibration reference point 6 fixed to the external calibration reference coordinate system {C} (S402).

다음, 로봇(1)의 베이스 좌표계{R} 원점(7)으로부터 툴(5) 끝까지의 위치는 순기구학을 이용하여 구하고, 그 구해진 위치 값은 내부 기억장치에 저장한다(S404)(S406).Next, the position from the base coordinate system {R} origin 7 of the robot 1 to the end of the tool 5 is obtained using forward kinematics, and the obtained position value is stored in the internal memory (S404) (S406).

그 후, 상기 주행축(4)의 위치를 이동하고, 측정회수 i를 1 증가시킨다(S408)(S410).Thereafter, the position of the traveling shaft 4 is moved, and the number of times of measurement i is increased by one (S408) (S410).

상기 측정회수 i가 측정하고자 하는 회수 ｎ을 초과하였는지 판단하여, 초과하지 않았으면 즉, 교시할 점이 남았으면 상기 단계 S402로 이동하여 로봇(1)의 툴(5) 끝을 다시 외부의 캘리브레이션 기준점(6)과 일치시킨 후 측정하고자 하는 회수 n을 초과할 때까지 반복하여 데이터를 얻는다(S412).It is determined whether the number of times of measurement i has exceeded the number n to be measured, and if not, that is, if there is a point to be taught, the process moves to step S402 and the end of the tool 5 of the robot 1 is returned to an external calibration reference point ( After matching with 6), the data is repeatedly obtained until the number n to be measured is exceeded (S412).

한편, 상기 판단결과 측정회수 i가 측정하고자 하는 회수 n을 초과하였으면, 상기 내부 기억장치에 저장해 놓은 ｎ개의 로봇(1)의 베이스 좌표계{R} 원점(7)과 툴(5) 끝의 위치 데이터를 읽는다(S414).On the other hand, if the measurement number i exceeds the number n to be measured, the position data of the base coordinate system {R} origin 7 and the tip of the tool 5 of the n robots 1 stored in the internal memory device are stored. Read (S414).

상기 로봇(1)의 베이스 좌표계{R} 원점(7)에서 툴(5) 끝의 위치가 도 3에 도시된 바와 같이 {XR, YR, ZR}이면, 툴(5) 끝에서 로봇(1)의 베이스 좌표계{R} 원점(7)까지의 위치는 {-XR, -YR, -ZR}이 된다.If the position of the tip of the tool 5 in the base coordinate system {R} origin 7 of the robot 1 is {X R , Y R , Z R } as shown in FIG. 3, the robot at the end of the tool 5 The position to the base coordinate system {R} origin 7 of (1) becomes {-X R , -Y R , -Z R }.

이를 토대로 다음 수학식들을 이용하여 외부의 캘리브레이션 기준점(6)에서 로봇(1)의 베이스 좌표계{R} 원점(7)까지의 위치를 계산하고, 로봇(1)의 베이스 좌표계{R} 원점(7)이 외부의 캘리브레이션 기준점(6)을 기준으로 직선을 이루도록 하는 파라미터를 구한다.Based on this, the position from the external calibration reference point 6 to the base coordinate system {R} origin 7 of the robot 1 is calculated using the following equations, and the base coordinate system {R} origin 7 of the robot 1 is calculated. ) Is obtained by obtaining a parameter that forms a straight line with respect to the external calibration reference point (6).

상기 주행축(4)이 베이스 좌표계{R} 원점(7)에서부터 이동한 거리가 T인 경우, 이를 {-XR, -YR, -ZR, T}라고 표시한다면 도 2에서 보는 바와 같이 주행축(4)을 이동시키며 공간 상의 캘리브레이션 기준점(6)과 로봇(1)을 일치시킨 n개의 점은 다음과 같다.If the travel axis 4 is a distance traveled from the base coordinate system {R} origin 7 is T, as shown in Figure 2 if it is represented by {-X R , -Y R , -Z R , T} The n points in which the calibration reference point 6 in the space coincides with the robot 1 while moving the traveling axis 4 are as follows.

Figure 112003022918245-pat00001
Figure 112003022918245-pat00001

상기 주행축(4) 이동거리에 따른 {-XR, -YR, -ZR}은 선형적인 관계에 있음으 로 다음 식들을 이용하여

Figure 112003022918245-pat00002
의 값을 구하면 주행축(4)의 방향이 결정된다. 상기 측정회수 n이 2보다 큰 경우에는 사용자가 교시조작기(3)를 이용하여 교시하는 오차를 포함한 다음의 [수학식 1]로 표시된다.Since {-X R , -Y R , -Z R } according to the travel distance of the traveling shaft 4 is in a linear relationship,
Figure 112003022918245-pat00002
The direction of the travel shaft 4 is determined by obtaining the value of. When the number of times of measurement n is greater than 2, the following equation (1) including an error that the user teaches using the teaching operator 3 is represented.

Figure 112003022918245-pat00003
Figure 112003022918245-pat00003

상기의 [수학식 1]의 오차 성분

Figure 112003022918245-pat00004
,
Figure 112003022918245-pat00005
,
Figure 112003022918245-pat00006
을 최소화하는 방법을 최소 자승 방법(Least-Square Method)을 이용하기 위해 다음 [수학식 2]와 같은 목적함수를 이용한다. 다음의 목적함수를 최소화하는 파라미터
Figure 112003022918245-pat00007
를 구한다(S416).Error component of Equation 1 above
Figure 112003022918245-pat00004
,
Figure 112003022918245-pat00005
,
Figure 112003022918245-pat00006
In order to use the least-square method, the objective function as shown in [Equation 2] is used. Parameters to minimize the following objective function
Figure 112003022918245-pat00007
Obtain (S416).

Figure 112003022918245-pat00008
Figure 112003022918245-pat00008

이로써 [수학식 2]를 최소화하는 파라미터

Figure 112003022918245-pat00009
를 구하여 주행축 방향에 해당하는 파라미터 만을 이용하여 주행축의 방향벡터(
Figure 112003022918245-pat00010
)를 다음 [수학식 3]을 이용하여 구한다(S418).This minimizes Equation 2
Figure 112003022918245-pat00009
To obtain the direction vector of the travel shaft using only the parameters corresponding to the travel shaft direction.
Figure 112003022918245-pat00010
) Is calculated using the following [Equation 3] (S418).

Figure 112003022918245-pat00011
Figure 112003022918245-pat00011

상기 [수학식 3]에서 얻어진 방향벡터(

Figure 112003022918245-pat00012
)를 이용하여 주행축(4)의 베이스 좌표계{R} 원점(7)으로부터 로봇(1)의 툴(5) 끝의 위치를 구하는 것이 가능해진다.The direction vector obtained from [Equation 3] (
Figure 112003022918245-pat00012
It is possible to determine the position of the tip of the tool 5 of the robot 1 from the base coordinate system {R} origin 7 of the travel shaft 4 by using "

따라서, 본 발명에 따른 로봇 시스템의 주행축 캘리브레이션 방법은 로봇 툴 끝의 점과 외부에 존재하는 공간 상의 고정된 기준점을 일치시키는 간단한 조작을 수행하여 주행축의 방향을 캘리브레이션 함으로써 주행축을 따라 동작하는 로봇 툴 끝의 보간 동작에서 궤적의 정밀도를 향상시킬 수 있다.Therefore, the driving axis calibration method of the robot system according to the present invention performs a simple operation of matching the point of the end of the robot tool and the fixed reference point in the space existing outside to calibrate the direction of the driving axis to operate the robot tool along the driving axis It is possible to improve the accuracy of the trajectory in the end interpolation operation.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 로봇 시스템의 주행축 캘리브레이션 방법에 대한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.What has been described above is just one embodiment of the traveling shaft calibration method of the robot system according to the present invention, anyone skilled in the art to which the present invention belongs to the scope of the various changes can be carried out There is a technical spirit.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇 시스템의 주행축 캘리브레이션 방법은 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the traveling shaft calibration method of the robot system according to the present invention has the following effects.

첫째, 주행축을 포함한 로봇 시스템에 있어 로봇 툴 끝의 점과 외부에 존재하는 공간상의 고정된 기준점을 일치하는 간단한 조작을 수행하여 주행축의 방향을 캘리브레이션 함으로써 별도의 측정기구가 필요 없는 간편한 캘리브레이션이 가능하도록 하는 잇점이 있다.First, in the robot system including the travel shaft, the calibration of the direction of the travel shaft is performed by performing a simple operation that matches the point of the end of the robot tool and the fixed reference point in the space outside, so that a simple calibration without the need of a separate measuring device is possible. There is an advantage.

둘째, 주행축의 방향을 로봇의 제어기가 자동으로 로봇의 베이스 좌표계 기준으로 계산하는 방법을 제공함으로써 로봇 시스템의 설치시간을 단축하고, 로봇의 베이스 좌표계 기준으로 계산된 주행축 방향의 계산 결과를 이용함으로써 주행축을 이동하는 보간 동작에서 궤적의 정밀도를 향상시키는 효과가 있다.Second, by providing a method for the robot's controller to automatically calculate the direction of the travel axis based on the robot's base coordinate system, the installation time of the robot system is shortened, and by using the calculation result of the travel axis direction calculated based on the robot's base coordinate system There is an effect of improving the accuracy of the trajectory in the interpolation operation of moving the travel axis.

Claims (1)

로봇과, 상기 로봇을 운송하는 주행축과, 상기 로봇 및 주행축을 제어하는 제어기가 구비된 로봇 시스템에 있어서, A robot system comprising a robot, a travel shaft for transporting the robot, and a controller for controlling the robot and the travel shaft, 상기 로봇의 툴 플랜지 선단에 부착된 툴 끝과 외부의 캘리브레이션 기준 좌표계에 고정된 캘리브레이션 기준점을 일치시킨 후 상기 로봇의 베이스 좌표계 원점과 툴 끝의 위치 데이터를 저장하는 단계;Matching a tool tip attached to a tool flange tip of the robot with a calibration reference point fixed to an external calibration reference coordinate system and storing position data of the base coordinate system origin of the robot and the tool tip; 상기 로봇의 작업범위 내에서 주행축을 이동하고, 상기 로봇의 툴 끝과 외부의 캘리브레이션 기준 좌표계에 고정된 캘리브레이션 기준점을 일치시키는 작업의 측정회수(i)를 측정하고자 하는 설정회수(n) 만큼 반복하는 단계;The moving axis is moved within the working range of the robot, and the number of times of measurement (i) of the operation of matching the calibration reference point fixed to the tool tip of the robot and the external calibration reference coordinate system is repeated by the set number (n) of the measurement. step; 상기 측정회수(i)가 설정회수(n)를 초과하면, 상기 로봇의 베이스 좌표계 원점과 툴 끝의 위치 데이터를 읽어와 상기 주행축 및 로봇의 이동위치를 계산하는 단계; 및Calculating the travel axis and the movement position of the robot by reading the base coordinate system origin and the position data of the tool tip of the robot when the number of times of measurement (i) exceeds a set number (n); And 상기 계산된 주행축 및 로봇의 이동위치 관계를 이용하여 상기 주행축의 방향을 캘리브레이션 하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 로봇 시스템의 주행축 캘리브레이션 방법.And calibrating a direction of the travel shaft by using the calculated relationship between the travel shaft and the movement position of the robot.
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