KR101263684B1 - 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치 - Google Patents

어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치에 관한 것으로서, 로봇 아암(10)과 상기 로봇 아암(10)의 선단에 장착되는 작업 공구(20) 사이에 설치되는 힘센서(30)와 교시 손잡이(40), 상기 로봇 아암(10)을 제어하기 위한 로봇 제어기(50) 및 위치입력 장치(70)를 구비하여, 작업자가 상기 작업 공구(20) 또는 교시 손잡이(40)를 잡고 움직일 때 상기 힘센서(30)가 작업자의 동작을 감지하고 상기 로봇 제어기(50)에서 감지된 작업자의 동작에 기초하여 로봇 아암 모션량을 계산하여 상기 로봇 아암(10)이 작업자의 동작을 추종하도록 제어한 뒤, 상기 로봇 아암(10)의 목표 지점 도달시 상기 위치입력 장치(70)로 그 지점의 위치와 자세를 저장하는 로봇 직접교시 장치에 있어서, 어드미턴스를 변환시키기 위해 상기 교시 손잡이(40)에 설치되는 어드미턴스 변환 센서(100)를 더 구비하여, 상기 어드미턴스 변환 센서(100)를 통해 어드미턴스를 변환 설정하면서 상기 로봇 제어기(50)에서의 로봇 아암 모션량 계산시 변환 설정된 어드미턴스를 반영하여 로봇을 교시하되, 작업자의 상기 어드미턴스 변환 센서(100)의 누름력에 따라 어드미턴스 변환량을 조정 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치{Apparatus for Robot Direct Teaching Using Admittance Conversion}
본 발명은 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치에 관한 것으로서, 특히 상황에 맞게 어드미턴스를 변환 설정하여 교시 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 교시 정밀도를 향상시킬 수 있는 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치에 관한 것이다.
로봇 직접교시는 사용자가 직관적으로 작업지점을 보면서 로봇에게 작업지점을 가르쳐주는 것을 의미한다. 그리고, 힘센서를 이용한 로봇 직접교시는 힘센서 상에 있는 교시 핸들 또는 공구를 작업자가 직접 잡고 움직임으로써 로봇 아암이 그 동작을 추종하여 목표한 지점에 로봇을 이동한 후 그 지점의 로봇 위치와 자세를 저장하는 작업을 의미한다. 그렇지만, 교시 손잡이 또는 공구를 딱딱한 작업 대상물에 접촉할 때 큰 반력이 힘센서에서 센싱 됨으로써 로봇의 접촉 불안정성을 증가시키게 된다.
이러한 현상을 극복하기 위해, 작업자는 작업 대상물 근처에 교시 손잡이 또는 작업 공구가 도달했을 때 로봇을 아주 천천히 이동시키거나, 아예 어드미턴스를 접촉환경 상태로 설정할 수 있는데, 이 때문에 교시시간이 증가되고 교시 정밀도가 감소하게 되는 문제가 있으므로 이를 개선할 필요가 있다.
도 1은 종래 로봇 직접교시 작업 모습을 설명하는 도면, 도 2는 종래 로봇 직접교시 과정을 설명하는 개념도, 도 3은 종래 교시작업을 설명하는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 힘센서를 이용한 로봇 직접교시를 위해, 로봇 아암(10), 작업 공구(20), 힘센서(30) 및 교시 손잡이(40) 등이 필요하다. 힘센서(30) 상에 있는 작업 공구(20) 또는 교시 손잡이(40)를 작업자가 직접 잡고 움직임으로써 로봇 아암(10)이 그 움직임의 방향을 추종하게 되고, 목표한 지점에 이르렀을 때 작업자는 그 지점의 로봇 위치와 자세를 저장하게 된다. 도면부호 1은 작업 대상 부재, 도면부호 2는 작업을 위해 로봇에게 알려주는 작업 지점 즉, 교시 지점을 의미한다.
도 2를 참조하여, 종래 로봇 직접교시 과정을 살펴보면, 먼저, 작업자가 힘센서(30)와 연결되어 있는 교시 손잡이(40)를 잡고 교시 지점으로 움직이면, 힘센서(30)는 그에 해당하는 힘을 센싱하여 로봇 제어기(50)의 아날로그 입력보드(51)로 전달한다. 그러면, 소프트웨어 처리단(52)에서는 아날로그 값을 힘/토크 정보로 변환한 뒤, 이를 이용하여 로봇의 모션량을 계산한다. 그리고, 현재 위치/자세와 모션량을 합하여 해당 위치/자세를 구하고, 역기구학을 통해 로봇 아암(10)의 각 조인트 각을 계산한다.
최종적으로, 이를 모션보드(53)에 전달하여 모션 드라이버(54) 및 모터(11)가 구동하여 로봇 아암(10)을 해당 위치로 이동시킨다. 이러한 일련의 과정을 반복함으로써 로봇 아암(10)은 작업자의 동작을 추종하게 된다. 로봇 아암(10)의 끝지점이 원하는 위치/자세에 도달하였을 때, 작업자는 PDA와 같은 위치입력 장치(70)로 로봇 아암(10)의 위치를 저장하게 된다.
이때, 작업 지점을 빠르게 교시하기 위해서는, 자유공간을 빠르게 이동할 필요가 있으며, 어드미턴스 모델의 모션 반응도를 높일 필요가 있다. 그렇지만, 작업지점 교시작업시, 도 3에 도시한 바와 같이, 딱딱한 작업 대상 부재(1)와의 충돌은 불가피하며, 충돌시 교시 손잡이(40)에 의한 입력 힘에 비해 큰 힘이 로봇 제어기(50)에 전달되어 큰 반발 모션이 발생하게 된다. 이러한 접촉 불안정성이 교시작업의 정확도와 교시속도를 낮추게 한다.
한편, 교시지점 접촉 불안정 현상을 극복하기 위해, 두 개의 힘센서를 두고 하나의 힘센서는 교시 손잡이 쪽에 두어 로봇 이동에 맞게 어드미턴스 환경을 설정하여 사용하고, 나머지 힘센서는 작업 공구 쪽에 두어 접촉시 교시력을 변환하여 사용하는 경우도 있다. 그러나, 이러한 방법은 고가인 힘센서를 두 개나 사용하여 장비 비용을 증가시키고 부가장치로 인해 로봇 끝부분이 커지는 단점이 있다.
힘센서를 이용한 로봇 직접교시 방법은 OLP에 의한 간접교시에 비해 직관적이고, 다품종 소량생산 작업에 적합하며, 공작물 오차에 영향을 적게 받는 특징이 있다. 또한, 티칭 팬던트를 이용한 직접교시에 비해 교시 시간이 짧다는 것이 장점이다.
그렇지만, 교시 손잡이 또는 작업 공구를 딱딱한 작업 대상물에 접촉할 때 큰 반력이 힘센서에서 센싱 됨으로써 로봇의 접촉 불안정성을 증가시키게 될 뿐만 아니라, 교시 손잡이, 공구 또는 작업 대상물이 파손될 수도 있으며, 상술한 여러가지 이유로 교시 시간 증가 및 교시 정밀도 저하 등의 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 로봇을 신속하게 교시지점으로 이동시킬 수가 있을 뿐만 아니라 교시지점 접촉 시 안정성을 가질 수 있어서, 교시 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 교시 정밀도를 향상시킬 수 있도록 된 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치는, 로봇 아암과 상기 로봇 아암의 선단에 장착되는 작업 공구 사이에 설치되는 힘센서와 교시 손잡이, 상기 로봇 아암을 제어하기 위한 로봇 제어기 및 위치입력 장치를 구비하여, 작업자가 상기 작업 공구 또는 교시 손잡이를 잡고 움직일 때 상기 힘센서가 작업자의 동작을 감지하고 상기 로봇 제어기에서 감지된 작업자의 동작에 기초하여 로봇 아암 모션량을 계산하여 상기 로봇 아암이 작업자의 동작을 추종하도록 제어한 뒤, 상기 로봇 아암의 목표 지점 도달시 상기 위치입력 장치로 그 지점의 위치와 자세를 저장하는 로봇 직접교시 장치에 있어서, 어드미턴스를 변환시키기 위해 상기 교시 손잡이에 설치되는 어드미턴스 변환 센서를 더 구비하여, 상기 어드미턴스 변환 센서를 통해 어드미턴스를 변환 설정하면서 상기 로봇 제어기에서의 로봇 아암 모션량 계산시 변환 설정된 어드미턴스를 반영하여 로봇을 교시하되, 작업자의 상기 어드미턴스 변환 센서의 누름력에 따라 어드미턴스 변환량을 조정 가능한 것을 특징으로 한다.
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여기에서, 상기 어드미턴스 변환 센서는 압력 센서 또는 FSR(Force Sensitive Resistor) 센서일 수 있다.
또한, 상기 어드미턴스 변환 센서를 통해, 로봇을 신속하게 이동시킬 필요가 있을 경우에는 높은 어드미턴스로 변환 설정하여 로봇 아암 모션량 계산시 설정된 어드미턴스를 반영하여 교시지점으로 이동시키고, 로봇을 느리고 정밀하게 교시지점으로 이동시키거나 교시지점에 접촉시킬 필요가 있을 경우에는 낮은 어드미턴스 로 변환 설정하여 로봇 아암 모션량 계산시 설정된 어드미턴스를 반영하여 교시지점으로 이동시키거나 교시지점에 접촉시킴으로써 로봇을 교시할 수 있다.
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본 발명에 따르면, 어드미턴스 변환을 통해, 작업 대상물에 대한 로봇의 접촉 안정성을 향상시킴으로 교시 작업자의 안전과 교시 손잡이, 공구 또는 작업 대상물의 파손을 막을 수 있으며, 또한 교시 시간을 단축시키고, 교시 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 간단한 장치를 이용하여 어드미턴스를 변환하기 때문에 다른 방법보다 구현이 쉽고, 비용이 적게 드는 장점이 있다.
도 1은 종래 로봇 직접교시 작업 모습을 설명하는 도면.
도 2는 종래 로봇 직접교시 과정을 설명하는 개념도.
도 3은 종래 교시작업을 설명하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 방법에 적용되는 어드미턴스 제어를 설명하는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 과정을 설명하는 개념도.
도 6은 본 발명에 따른 어드미턴스 변환 알고리즘.
도 7은 본 발명에 따른 어드미턴스 변환 센서를 부착한 교시 손잡이 도면.
도 8은 본 발명에 따른 어드미턴스 변환을 통한 교시작업을 설명하는 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 방법에 적용되는 어드미턴스 제어를 설명하는 도면, 도 5는 본 발명에 따른 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 과정을 설명하는 구성도, 도 6은 본 발명에 따른 어드미턴스 변환 알고리즘, 도 7은 본 발명에 따른 어드미턴스 변환 센서를 부착한 교시 손잡이 도면, 도 8은 본 발명에 따른 어드미턴스 변환을 통한 교시작업을 설명하는 도면이다.
본 발명에 따른 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 방법은, 로봇을 신속하게 교시지점으로 이동시킬 수가 있을 뿐만 아니라 교시지점 접촉 시 안정성을 가질 수 있어서, 교시 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 교시 정밀도를 향상시킬 수 있도록 된 로봇 직접교시 방법이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 방법은, 어드미턴스를 변환 설정하면서 로봇 아암 모션량 계산시 변환 설정된 어드미턴스를 반영하여 로봇을 교시지점으로 이동시키거나 교시지점에 접촉시킴으로써 로봇을 교시한다.
구체적으로는, 로봇을 신속하게 이동시킬 필요가 있을 경우에는 높은 어드미턴스로 변환 설정하여 로봇 아암 모션량 계산시 설정된 어드미턴스를 반영하여 교시지점으로 이동시킨다. 그리고, 로봇을 느리고 정밀하게 교시지점으로 이동시키거나 교시지점에 접촉시킬 필요가 있을 경우에는 낮은 어드미턴스로 변환 설정하여 로봇 아암 모션량 계산시 설정된 어드미턴스를 반영하여 교시지점으로 이동시키거나 교시지점에 접촉시킴으로써 로봇을 교시할 수 있다.
본 발명에 따른 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 방법에 적용되는 어드미턴스 제어는, 도 5에 도시한 바와 같이, 힘센서 등으로부터 얻은 힘(F) 값을 이용하여 로봇의 모션량(ΔX)을 생성해 내고, 이 모션량을 로봇 현재 위치(Xreal)에 더한 목표 지점(Xdesired)으로 로봇을 이동시킴으로써 수행된다. 여기서, 어드미턴스(Y)는 기계적 임피던스(Z, 물리적 저항)의 역으로, 입력 힘에 대한 로봇 시스템의 모션 반응도라 할 수 있다. md, dd, kd는 각각 어드미턴스 모델의 질량, 감쇠, 탄성 계수를 의미하며, 각 계수를 조정함으로써 로봇 시스템을 모델링 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치는, 도 5에 도시한 바와 같이, 로봇 아암(10)과 상기 로봇 아암(10)의 선단에 장착되는 작업 공구(20) 사이에 설치되는 힘센서(30)와 교시 손잡이(40), 상기 로봇 아암(10)을 제어하기 위한 로봇 제어기(50) 및 위치입력 장치(70)를 구비하여, 작업자가 상기 작업 공구(20) 또는 교시 손잡이(40)를 잡고 움직일 때 상기 힘센서(30)가 작업자의 동작을 감지하고 상기 로봇 제어기(50)에서 감지된 작업자의 동작에 기초하여 로봇 아암 모션량을 계산하여 상기 로봇 아암(10)이 작업자의 동작을 추종하도록 제어한 뒤, 상기 로봇 아암(10)의 목표 지점 도달시 상기 위치입력 장치(70)로 그 지점의 위치와 자세를 저장하는 로봇 직접교시 장치에 있어서, 어드미턴스를 변환시키기 위해 상기 교시 손잡이(40)에 설치되는 어드미턴스 변환 센서(100) 및 어드미턴스 변환 센서(100)의 신호를 로봇 제어기(50)로 전달하기 위한 아날로그 입력보드2(101)를 더 구비하여, 상기 어드미턴스 변환 센서(100)를 통해 어드미턴스를 변환 설정하면서 상기 로봇 제어기(50)에서 로봇 아암 모션량 계산시 변환 설정된 어드미턴스를 반영하여 로봇을 교시한다.
즉, 본 발명에 따른 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치는, 어드미턴스 변환을 위해, 도 5에 도시한 어드미턴스 변환센서(100) 및 아날로그 입력보드2(101)를 구비하여, 로봇 모션량 계산 시 이를 반영하게 되는 것이다. 상기 아날로그 입력보드2(101)의 경우 아날로그 입력보드1(51)의 여분 1채널로 대체 가능하다.
좀 더 구체적으로, 본 발명에 따른 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치는, 상기 어드미턴스 변환 센서(100)를 통해, 로봇을 신속하게 이동시킬 필요가 있을 경우에는 높은 어드미턴스로 변환 설정하여 로봇 아암 모션량 계산시 설정된 어드미턴스를 반영하여 교시지점으로 이동시킨다. 그리고, 로봇을 느리고 정밀하게 교시지점으로 이동시키거나 교시지점에 접촉시킬 필요가 있을 경우에는 낮은 어드미턴스로 변환 설정하여 로봇 아암 모션량 계산시 설정된 어드미턴스를 반영하여 교시지점으로 이동시키거나 교시지점에 접촉시킴으로써 로봇을 교시할 수 있다.
도 6을 참조하여, 어드미턴스 변환 과정을 살펴보면, 교시지점에 가기 위한 자유공간 이동시, 이동에 맞는 어드미턴스를 변환 설정하여 신속하게 로봇을 이동시킨다. 그리고, 교시지점에 근접하였을 때, 사용자가 직관적으로 어드미턴스 변환 센서(100)를 눌러가며 어드미턴스를 이동량에 맞게 조절하여 느리고 정밀하게 로봇을 이동시킨다. 어드미턴스 변환량(α)은 사용자의 누름력(누름 정도)에 따라 0에서 1까지의 값으로 조정할 수 있으며, 어드미턴스 전체를 조정 또는 md, dd, kd 등 일부 계수를 조정할 수 있다. 즉, 작업자의 상기 어드미턴스 변환 센서(100) 누름 정도에 따라 어드미턴스 변환량을 조정할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 어드미턴스 변환 센서를 부착한 교시 손잡이 도면으로서, 어드미턴스 변환 센서(100)로는 압력센서 또는 FSR(Force Sensing Resistor) 등을 사용할 수 있으며, 사용자의 누르는 힘에 따라 어드미턴스 모델의 모션 반응도를 낮출 수 있도록 하였다. 도면부호 21은 공구 날, 도면부호 22는 브라켓이다.
도 8은 본 발명에 따른 어드미턴스 변환을 통한 교시작업을 설명하는 도면으로서, 어드미턴스 변환 센서(100)를 눌러 자유공간에서는 어드미턴스 모델의 모션 반응도를 높여 빠르게 이동하고, 교시작업 지점에서는 어드미턴스 모델의 모션 반응도를 낮추어 충돌이 발생하더라도 반발 모션이 거의 없도록 하여 교시작업의 정확도와 교시속도를 높일 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치를 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.
10 : 로봇 아암 20 : 작업 공구
30 : 힘센서 40 : 교시 손잡이
50 : 로봇 제어기 100 : 어드미턴스 변환 센서
101 : 아날로그 입력보드

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 로봇 아암(10)과 상기 로봇 아암(10)의 선단에 장착되는 작업 공구(20) 사이에 설치되는 힘센서(30)와 교시 손잡이(40), 상기 로봇 아암(10)을 제어하기 위한 로봇 제어기(50) 및 위치입력 장치(70)를 구비하여, 작업자가 상기 작업 공구(20) 또는 교시 손잡이(40)를 잡고 움직일 때 상기 힘센서(30)가 작업자의 동작을 감지하고 상기 로봇 제어기(50)에서 감지된 작업자의 동작에 기초하여 로봇 아암 모션량을 계산하여 상기 로봇 아암(10)이 작업자의 동작을 추종하도록 제어한 뒤, 상기 로봇 아암(10)의 목표 지점 도달시 상기 위치입력 장치(70)로 그 지점의 위치와 자세를 저장하는 로봇 직접교시 장치에 있어서,
    어드미턴스를 변환시키기 위해 상기 교시 손잡이(40)에 설치되는 어드미턴스 변환 센서(100)를 더 구비하여,
    상기 어드미턴스 변환 센서(100)를 통해 어드미턴스를 변환 설정하면서 상기 로봇 제어기(50)에서의 로봇 아암 모션량 계산시 변환 설정된 어드미턴스를 반영하여 로봇을 교시하되,
    작업자의 상기 어드미턴스 변환 센서(100)의 누름력에 따라 어드미턴스 변환량을 조정 가능한 것을 특징으로 하는 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 어드미턴스 변환 센서(100)는 압력 센서 또는 FSR(Force Sensitive Resistor) 센서인 것을 특징으로 하는 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 어드미턴스 변환 센서(100)를 통해, 로봇을 신속하게 이동시킬 필요가 있을 경우에는 높은 어드미턴스로 변환 설정하여 로봇 아암 모션량 계산시 설정된 어드미턴스를 반영하여 교시지점으로 이동시키고, 로봇을 느리고 정밀하게 교시지점으로 이동시키거나 교시지점에 접촉시킬 필요가 있을 경우에는 낮은 어드미턴스 로 변환 설정하여 로봇 아암 모션량 계산시 설정된 어드미턴스를 반영하여 교시지점으로 이동시키거나 교시지점에 접촉시킴으로써 로봇을 교시하는 것을 특징으로 하는 어드미턴스 변환을 이용한 로봇 직접교시 장치.
  6. 삭제
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