KR101155446B1 - 러그를 이용한 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법 - Google Patents

러그를 이용한 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 러그를 이용한 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 관한 것으로서, 로봇에 장착되는 터치 센서와 로봇의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템을 이용하여 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션을 위해 필요한 위치값을 측정하여 로봇과 레이저 비전 시스템 간을 캘리브레이션하는 방법으로서, 로봇을 용접 대상물인 러그의 초기 위치에 위치시키는 단계와; 상기 로봇을 터치 센서의 측정 위치로 이동시키는 단계와; 상기 터치 센서로 3점 측정하여 러그 경계 특징점을 측정하는 단계와; 상기 로봇을 레이저 비전 시스템의 측정 위치로 이동시키는 단계와; 상기 레이저 비전 시스템의 조인트 형태를 심플 필렛 형태로 설정하는 단계와; 상기 로봇을 측정하고자 하는 러그 경계를 따라 수평 이동시키면서 레이저 비전 시스템을 이용하여 연속적으로 조인트의 특징점을 측정하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 용접 대상물인 오버헤드 러그를 이용하여 캘리브레이션 과정을 자동으로 수행할 수 있는 이점이 있다. 즉, 작업자에 의해 미리 설정해 놓은 초기 위치에 로봇을 위치시키고 이후의 작업은 로봇 Job에 따라 자동화할 수 있다. 따라서, 전체 캘리브레이션 과정에서 작업자에 의해 수작업을 최소화함으로써 작업 신속성, 정확성 및 정밀성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

러그를 이용한 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법{CALIBRATION METHOD BETWEEN ROBOT AND LASER VISION SYSTEM USING LUG}
본 발명은 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션에 관한 것으로서, 특히 러그를 이용하여 로봇의 로봇 툴과 로봇 툴의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템(LVS:Laser Vision System) 간의 자동 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 용접용 로봇에는 레이저 비전 시스템이 로봇 툴에 고정되어 사용된다. 그런데, 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 위치 관계는 상당 부분 일정하게 유지되지만, 용접 봉의 소모, 충격이나 열로 인한 장착 위치의 변형 등으로 인한 미세한 변화가 필연적으로 존재하게 된다. 따라서, 보다 정밀한 용접을 위해서는 빈번하게 캘리브레이션을 수행하여야만 한다. 캘리브레이션은 로봇의 기준 좌표계와 레이저 비전 시스템의 기준 좌표계 간의 병진(Translation)과 회전(Rotation)을 찾아내는 것인데, 레이저 비전 시스템을 사용하기 위해서는 반드시 선행되어야 한다.
도 1은 로봇의 로봇 툴과 로봇 툴의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션을 설명하기 위한 개념도이다. 로봇(10)의 로봇 툴(11)의 측면에 브래킷(12)이 개재되어 장착되는 레이저 비전 시스템(20)은 측정된 영상을 분석하고 특이점을 추출하여, 특이점의 3차원 위치를 로봇(10)에 전달하여 준다. 이 때 특이점의 위치 정보(x, y, z)는 레이저 비전 시스템(20)에 고정된 TLVS좌표계를 기준으로 측정(LVSP)되게 되는데, 측정된 위치 정보를 이용하기 위해서는 좌표 변환을 통해 로봇(10)이 사용하는 좌표계 기준으로 변환(BaseP)시켜 주어야 한다. 로봇(10)은 기준 좌표계인 TBase에 대한 TTCP의 위치 관계(BaseTTCP)를 알고 있으므로, 사용자는 TTCP와 TLVS간 위치 관계(TCPTLVS)를 계측 장비나 계측 알고리즘을 이용하여 미리 측정해 두어야 한다. TCPTLVS를 계산하는 과정을 로봇(10)-레이저 비전 시스템(20)간의 캘리브레이션이라고 한다. 즉, 두 좌표계간의 위치 관계를 표현하기 위해서는 좌표계의 원점 간의 거리(x, y, z)와 좌표축간 회전 각도(Roll, Pitch, Yaw)의 총 6개의 정보를 구하는 과정을 캘리브레이션이라고 한다. 이러한 과정은 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010071044405-pat00001
(여기에서 BaseTTCP는 로봇의 기준 좌표계와 로봇 툴 좌표계간의 동차변환 행렬, TCPTLVS는 로봇 툴 좌표계와 레이저 비전 시스템 좌표계 간의 동차변환 행렬, LVSp는 레이저 비전 좌표계에서 본 측정점의 위치, Basep는 로봇 기준 좌표계에서 본 측정점의 위치를 나타낸다. 따라서, 위의 식은 행렬 연산에 의해서 바로 구할 수는 없고 3개 이상의 점을 측정하여 각각의 행렬의 요소값을 구하는 방식으로 얻어진다)
한편, 종래에는 캘리브레이션의 효율성을 높이기 위해 장착 위치를 정밀하게 가공하거나, 특정 로봇 자세를 이용하는 등, 측정이 필요한 위치 정보의 수를 줄이는 방법들이 사용되었다. 그렇지만, 반드시 사람에 의한 실측 과정이 포함됨으로써 작업자의 숙련도에 따라 측정 오차가 발생할 가능성이 있었고, 또한 수작업에 따라 많은 작업 시간이 소요되었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 오차 발생을 최소화하면서 작업 시간을 절감하기 위해 용접 대상물인 오버헤드 러그를 이용하여 캘리브레이션 과정을 자동으로 수행할 수 있도록 된 러그를 이용한 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 러그를 이용한 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법은, 로봇에 장착되는 터치 센서와 로봇의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템을 이용하여 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션을 위해 필요한 위치값을 측정하여 로봇과 레이저 비전 시스템 간을 캘리브레이션하는 방법으로서, 로봇을 용접 대상물인 러그의 초기 위치에 위치시키는 단계와; 상기 로봇을 터치 센서의 측정 위치로 이동시키는 단계와; 상기 터치 센서로 3점 측정하여 러그 경계 특징점을 측정하는 단계와; 상기 로봇을 레이저 비전 시스템의 측정 위치로 이동시키는 단계와; 상기 레이저 비전 시스템의 조인트 형태를 심플 필렛 형태로 설정하는 단계와; 상기 로봇을 측정하고자 하는 러그 경계를 따라 수평 이동시키면서 레이저 비전 시스템을 이용하여 연속적으로 조인트의 특징점을 측정하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 레이저 비전 시스템을 이용하여 연속적으로 조인트의 특징점을 측정하는 단계에서, 레이저 비전 시스템이 측정을 실패하면 실패 바로 이전 측정값을 러그 경계 특징점으로 인식할 수 있다.
또한, 상기 터치 센서 및 레이저 비전 시스템에 의해 측정된 러그 경계 특징점을 분석하여 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 기준 좌표 상관 관계를 아래의 수학식에 의해 계산할 수 있다.
Figure 112010071044405-pat00002
(여기에서,
Figure 112010071044405-pat00003
는 로봇의 기준 좌표계와 로봇 툴 좌표계 간의 동차변환 행렬,
Figure 112010071044405-pat00004
는 로봇 툴 좌표계와 레이저 비전 시스템 좌표계 간의 동차변환 행렬,
Figure 112010071044405-pat00005
는 레이저 비전 좌표계를 기준으로 한 n번째 점의 위치,
Figure 112010071044405-pat00006
는 로봇 기준 좌표계를 기준으로 한 n번째 점의 위치)
본 발명에 따르면, 용접 대상물인 오버헤드 러그를 이용하여 캘리브레이션 과정을 자동으로 수행할 수 있는 이점이 있다. 즉, 작업자에 의해 미리 설정해 놓은 초기 위치에 로봇을 위치시키고 이후의 작업은 로봇 Job에 따라 자동화할 수 있다. 따라서, 전체 캘리브레이션 과정에서 작업자에 의해 수작업을 최소화함으로써 작업 신속성, 정확성 및 정밀성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
부연하자면, 오버헤드 러그를 캘리브레이션 지그로 이용함에 따라 발생하는 장점은 용접 대상물 자체를 캘리브레이션 지그로 이용함으로써 로봇과 레이저 비전 시스템 사이에 캘리브레이션을 하기 위해 새로운 지그를 장착할 필요가 없다는 점이다. 따라서, 캘리브레이션을 하기 위해 장비를 이동 또는 새로운 장치를 장착하는 번거로움이 발생하지 않아 캘리브레이션 과정의 자동화에 유리하다.
도 1은 로봇의 로봇 툴과 로봇 툴의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션을 설명하기 위한 개념도.
도 2는 본 발명에 따라 러그를 이용한 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법을 설명하는 흐름도.
도 3은 본 발명에 적용되는 러그의 단면도.
도 4는 본 발명에 따라 터치 센서를 이용하여 동일한 위치 정보를 측정하는 개념도.
도 5는 본 발명에 따라 레이저 비전 시스템을 이용하여 동일한 위치 정보를 측정하는 개념도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따라 러그를 이용한 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법을 설명하는 흐름도, 도 3은 본 발명에 적용되는 러그의 단면도, 도 4는 본 발명에 따라 터치 센서를 이용하여 동일한 위치 정보를 측정하는 개념도, 도 5는 본 발명에 따라 레이저 비전 시스템을 이용하여 동일한 위치 정보를 측정하는 개념도이다.
본 발명의 러그를 이용한 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법은, 용접 대상물인 오버헤드(overhead) 러그를 이용하여 캘리브레이션 과정을 자동으로 수행하는 방법에 관한 것으로서, 로봇에 장착되는 터치 센서와 로봇의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템을 이용하여 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션을 위해 필요한 위치값을 측정하여 로봇과 레이저 비전 시스템 간을 캘리브레이션하는 방법이다.
도면을 참조하면, 먼저 로봇을 용접 대상물인 오버헤드 러그(1)의 임의의 초기 위치에 위치시킨다(S110).
계속해서, 상기 로봇을 터치 센서(101)의 측정 위치로 이동시킨 후에, 터치 센서(101)로 3점 측정하여 러그 경계 특징점을 측정한다(S120),(S130). 도 4의 경우, 터치 센서(101)를 이용하여 동일한 위치 정보를 측정하는 개념을 보여준다.
계속해서, 상기 로봇을 레이저 비전 시스템(102)의 측정 위치로 이동시킨 후에, 레이저 비전 시스템(102)의 조인트 형태를 심플 필렛(Simple Fellet) 형태로 설정한다(S140),(S150).
그리고, 상기 로봇을 측정하고자 하는 러그 경계를 따라 수평 이동시키면서 레이저 비전 시스템(102)을 이용하여 연속적으로 조인트의 특징점을 측정한다(S160). 도 5의 경우, 레이저 비전 시스템(102)을 이용하여 동일한 위치 정보를 측정하는 개념을 보여준다. 이 때, 상기 레이저 비전 시스템(102)을 이용하여 연속적으로 조인트의 특징점을 측정하는 단계에서, 레이저 비전 시스템(102)이 측정을 실패하면 실패 바로 이전 측정값이 러그 경계 특징점이 된다.
상술한 방법을 적용할 수 있는 이유는 다음과 같은 방법으로 로봇의 초기 위치를 언제나 일정한 위치로 이동 시킬 수 있기 때문이다.
즉, 로봇을, 로봇을 구성하는 이동 대차에 부착된 4개의 띠 레이저(미도시)를 이용하여 러그에 수평이면서 거리를 미리 설정된 위치로 이동시킨다. 그러면 형태별 러그의 크기가 거의 일정하기 때문에 로봇과 러그의 상대 위치는 언제나 거의 동일한 위치에 위치시킬 수 있다.
그리고, 오버헤드 러그(1)를 캘리브레이션용 지그로 이용하는 장점들을 이용하면 캘리브레이션의 전 과정을 자동화 할 수 있다. 즉, 사용자의 개입이 필요한 부분은 로봇을 설정해 놓은 초기 위치에 위치시키는 것뿐이다. 그 후에는 로봇이 측정 Job을 따라 이동하면서 터치 센서(101)와 레이저 비전 시스템(102)이 각각 오버헤드 러그(1)의 모서리 끝점을 측정하고 그 점을 분석함으로써, 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 3차원 위치 상관관계를 다음의 수학식 2와 같이 모두 계산해 낼 수 있다.
Figure 112010071044405-pat00007
(여기에서,
Figure 112010071044405-pat00008
는 로봇의 기준 좌표계와 로봇 툴 좌표계 간의 동차변환 행렬,
Figure 112010071044405-pat00009
는 로봇 툴 좌표계와 레이저 비전 시스템 좌표계 간의 동차변환 행렬,
Figure 112010071044405-pat00010
는 레이저 비전 좌표계를 기준으로 한 n번째 점의 위치,
Figure 112010071044405-pat00011
는 로봇 기준 좌표계를 기준으로 한 n번째 점의 위치)
본 발명에 따른 오버헤드 러그를 지그로 사용하는 장점은 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션을 위해 필요한 위치 값을 터치 센서와 LVS를 이용하여 측정하기 용이하다는 점이다. 로봇에 장착된 터치 센서와 레이저 비전 시스템을 이용하여 동일한 위치 정보를 측정함으로써, 로봇 툴의 끝과 레이저 비전 시스템 간의 x, y, z거리를 쉽게 계산할 수가 있다.
한편, 본 발명에 따른 러그를 이용한 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법을 한정된 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 러그 101 : 터치 센서
102 : 레이저 비전 시스템

Claims (3)

  1. 로봇에 장착되는 터치 센서와 로봇의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템을 이용하여 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션을 위해 필요한 위치값을 측정하여 로봇과 레이저 비전 시스템 간을 캘리브레이션하는 방법으로서,
    로봇을 용접 대상물인 러그의 초기 위치에 위치시키는 단계와;
    상기 로봇을 터치 센서의 측정 위치로 이동시키는 단계와;
    상기 터치 센서로 3점 측정하여 러그 경계 특징점을 측정하는 단계와;
    상기 로봇을 레이저 비전 시스템의 측정 위치로 이동시키는 단계와;
    상기 레이저 비전 시스템의 조인트 형태를 심플 필렛 형태로 설정하는 단계와;
    상기 로봇을 측정하고자 하는 러그 경계를 따라 수평 이동시키면서 레이저 비전 시스템을 이용하여 연속적으로 조인트의 특징점을 측정하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 러그를 이용한 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 비전 시스템을 이용하여 연속적으로 조인트의 특징점을 측정하는 단계에서, 레이저 비전 시스템이 측정을 실패하면 실패 바로 이전 측정값을 러그 경계 특징점으로 인식하는 것을 특징으로 하는 러그를 이용한 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 터치 센서 및 레이저 비전 시스템에 의해 측정된 러그 경계 특징점을 분석하여 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 기준 좌표 상관 관계를 아래의 수학식에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 러그를 이용한 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법.
    Figure 112010071044405-pat00012

    (여기에서,
    Figure 112010071044405-pat00013
    는 로봇의 기준 좌표계와 로봇 툴 좌표계 간의 동차변환 행렬,
    Figure 112010071044405-pat00014
    는 로봇 툴 좌표계와 레이저 비전 시스템 좌표계 간의 동차변환 행렬,
    Figure 112010071044405-pat00015
    는 레이저 비전 좌표계를 기준으로 한 n번째 점의 위치,
    Figure 112010071044405-pat00016
    는 로봇 기준 좌표계를 기준으로 한 n번째 점의 위치)
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