KR101545918B1 - 산업용 로봇의 교시가 가능한 스마트폰 및 이를 이용한 산업용 로봇의 직관적인 교시방법 - Google Patents

산업용 로봇의 교시가 가능한 스마트폰 및 이를 이용한 산업용 로봇의 직관적인 교시방법 Download PDF

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions

Abstract

스마트폰을 이용한 산업용 로봇의 직관적인 교시방법이 개시된다. 개시된 교시방법은 기존의 산업용 로봇 티칭 팬던트의 기능을 여러 가지 센서와 인터페이스 장치가 적용된 스마트폰을 이용하여 로봇 교시 작업의 직관성 즉, 인터페이스와 교시방법의 직관성, 장소제약으로부터의 독립성, 교시장치의 기동성 확보 구축할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 산업용 로봇의 교시가 가능한 스마트폰은, 스마트폰의 화면을 임의 대상의 바닥면에 대하여 수평을 유지한 상태에서, 스마트폰이 2축(x, y)에 대하여 기울어지는 정도를 센싱한 센싱값을 출력하는 센서, 및 센싱값을 이용해 기울어짐 정보를 생성하고, 생성한 기울어짐 정보를 이용해 로봇의 끝단을 공간상에서 제어하기 위한 6개의 정보(x, y, z 위치와 회전 x, y, z)를 생성해 산업용 로봇에 제공하는 인터페이스 장치를 포함할 수 있다.

Description

산업용 로봇의 교시가 가능한 스마트폰 및 이를 이용한 산업용 로봇의 직관적인 교시방법{SMART PHONE CAPABLE OF TEACHING MANIPULATOR AND METHOD FOR TEACHING MANIPULATOR INTUITIVELY USING THE SAME}
본 발명은 산업용 로봇을 교시할 수 있는 스마트폰 및 이러한 스마트폰을 이용한 산업용 로봇의 직관적인 교시방법에 관한 것이다.
현재 산업화를 통하여 많은 분야에서 산업용 로봇(manipulator)이 적용되고 있으며 생산공정 자체에서도 산업용 로봇이 자치하는 비중은 매우 높아져 가고 있다. 이와 같은 산업용 로봇의 이용으로 공산품의 품질 균일화 및 향상을 기대할 수 있는 장점과 더불어 여러 가지 모드(위치 제어, 속도 제어, 힘 제어)를 제공할 수 있으므로 각종 분야에 대응을 할 수 있는 범용성까지 지닌다.
한편, 산업용 로봇이 적용된 생산현장에서는 사용자가 산업용 로봇에게 티칭 팬던트(teaching pendent)를 이용하여 로봇의 끝단 위치 정보(x, y, z 위치와 회전 x, 회전 y, 회전 z)를 미리 지정하게 된다. 그리고 로봇 끝단이 각 작업 시퀀스(sequence)당 지정된 교시위치에 도달하면 다음 시퀀스로 가기 위한 조건을 비교하고 조건이 만족이 될 시, 사용자가 지정한 다음 위치로 이동하게 되는 일련의 반복 작업을 수행하게 된다. 하지만 기존의 산업용 로봇의 교시(teaching)작업은 전적으로 티칭 펜던트에 의하여 이루어지고 있고, 기존의 티칭 팬던트는 상당히 복잡한 인터페이스를 구비하고 있기 때문에 효율적인 교시작업을 위하여 로봇 끝단 조종의 직관성과 사용자 친화적인 인터페이스가 요구된다.
그런데, 상기와 같이 종래의 상용 티칭 펜던트만을 이용한 교시 체계는 인터페이스의 복잡성과 로봇 조종의 직관성 부족으로 인하여 전문적인 교육에 대한 수요의 발생 및 실무적 경험 및 기술이 요구되므로 간단한 조작(원클릭 같은)으로도 사용자가 실질적으로 가장 자주 쓰고 중요한 기능에 바로 접근할 수 있는 쉽고 간단한 인터페이스 장치가 필요하다.
또한, 작업의 시간적 효율성을 재고하기 위해서는, 교시 작업 중간에도 사용자가 로봇 끝단 거동에 대한 직관성을 확보하는 것이 무엇보다도 중요하다. 아울러 종래의 티칭 팬던트의 유선 연결 방식과는 다르게 안정된 무선 통신으로도 사용자가 원하는 명령을 로봇으로 전달함으로써 사용자 교시의도를 언제 어디서나 보낼 수 있게 하도록 교시작업의 기동성 확보와 사용 환경으로부터의 독립이 필요하다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 구체적으로 살펴보면 하기와 같다.
기존의 티칭 펜던트는 유선방식을 쓰기 때문에 작업장 환경에 따라서 선 길이 의한 물리적인 제약이 따르며, 위험한 환경에서 사용되는 로봇의 교시작업에도 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 Heß은 이동식 장비(mobile)의 TCP/IP 이나 GSM 프로토콜을 통하여 모바일 로봇을 조종하는 방법을 보였다(D.Heβ, C.Rohrig, "Remote Controlling of Technical Systems Using Mobile Devices" IEEE International Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications 21-23 September 2009, Rende (Cosenza), Italy.).
그러므로, 무선 통신을 이용하면 사용자는 어디서나 자신의 애플리케이션을 이용하여 대상 장비를 제어할 수 있는 장점을 취할 수 있지만 모바일 로봇의 조종과 산업용 로봇의 교시는 운용체계의 특징을 달리하며 특히 센서까지 융합된 방법을 제시하지 않았다.
한편, 종래의 직관적인 교시를 위한 방법 및 체계의 경우, P. Neto는 3축 가속도 센서를 인체의 팔목에 부착하여 상지(上肢)의 움직임과 로봇의 끝단을 매칭하여 로봇의 끝단 위치를 직관적으로 교시할 수 있도록 하였다( P.Neto, J.N.Pires, A.P.Moreira, "Accelerometer-based control of an industrial robotic arm," The 18th IEEE RO-MAN 2009, pp.1192-1197, Toyama, 2009.).
그러나 인체의 상지 관절의 가동과 로봇의 기구학적 구성(configuration)은 상이하므로 특정 오리엔테이션 교시작업은 인체의 관절가동 범위를 벗어나게 되는 단점이 있다. 그리고 이와 비슷한 방법으로 J. Kofman은 가속도 센서 대신 비전(vision)을 기반 하여 인체의 상지의 경로를 로봇의 끝단이 추종하는 직관적인 원격 시스템(tele-operation)을 제안하였지만(J.Kofman, X.Wu, T.J.Luu, S.Verma, "Teleoperation of a Robot Manipulator Using a Vision-Based Human-Robot Interface," IEEE Industrial Electronics, vol. 52, no. 5, pp. 1206-1219, Oct, 2005.), 안정된 비전 정보 전달을 위해선 비전 장비를 설치하는 환경에 대한 숙려(熟慮)가 필요하며 비전 시스템 구성 또한 높은 가격이 요구되므로, 통제된 환경의 요구 및 시스템 구축의 경제성에 대한 단점이 있다.
한편, 요즈음 사용되고 있는 스마트폰은 사용자에게 직관적인 인터페이스를 제공하기 위하여 다양한 센서와 터치스크린 내장하고 있고, 장소의 제약 없이 와이파이(Wi-Fi)나 GSM(Global System for Mobile communications)와 같은 무선통신을 통하여 클라이언트에 접속이 용이한 장비이다. 더욱이 상기 스마트폰은 사용자에게 애플리케이션 개발 환경을 지원하므로 프로그래밍을 통하여 어떠한 장비와도 인터페이스를 가능하게 할 수 있는 유연성을 가진다.
따라서 본 발명은 현재 보급이 활발히 진행되고 있는 스마트폰을 이용하여 비숙련자도 산업용 로봇을 티칭할 수 있도록 산업용 로봇의 직관적인 교시방법을 제안한다.
상기 문제점을 해소하기 위해 본 발명은, 스마트폰의 센서 및 인터페이스 장치를 유니버셜 조인트를 기저(base)로 가지는 조종 장치로 가정하여 산업용 로봇 끝단의 매칭하는 방법을 통해 교시작업의 직관성을 확보할 수 있는 스마트폰을 이용한 산업용 로봇의 직관적인 교시방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 산업용 로봇의 끝단과 스마트 티칭 팬던트의 기구학적 매칭을 위하여 티칭 팬던트의 화면에 가상 링크(virtual lever) 정의를 통한 스마트폰의 기울기 정보의 로보틱스 관점에서 해석한 스마트폰을 이용한 산업용 로봇의 직관적인 교시방법을 제공한다.
로봇의 끝단 병진(translation) 교시는 조이스틱을 움직이는 방식과 동일하게 사용자가 원하는 방향으로 스마트폰을 기울이는 정도에 따라 로봇 끝단이 어떤 방향으로 움직여야 하는지와 로봇이 얼마나 빨리 움직여야하는 지를 결정하게 함으로써 로봇의 끝단에 대한 사용자가 원하는 속도 벡터를 폰의 기울임을 통하여 바로 지정하는 것이 가능하다.
스마트 티칭 팬던트의 기울임에 대한 조이스틱 정의만으로는 로봇의 모든 병진 자유도에 접근할 수 없으므로 스마트 티칭 팬던트의 GUI(Graphic User Interface)를 통하여 나머지 로봇의 병진 속도벡터를 지정할 수 있다.
로봇의 교시 운용을 기구학적 관점에서 직관성을 가지도록 스마트폰의 오리엔테이션(orientation) 정보를 이용하여 스마트폰을 기울이면 가상의 레버와 로봇의 끝단에 회전축이 계속 평행하게 움직이게 하여 스마트 티칭 팬던트의 기울기값을 그대로 로봇 베이스 프레임에 대한 끝단 오리엔테이션으로 지정할 수 있다.
2자유도를 가지는 스마트폰의 기울기 정보와 스마트폰 애플리케이션의 GUI에서 로봇 끝단의 회전축 각도를 직접 지정하게 하여 로봇이 가지는 3자유도의 오리엔테이션(orientation)을 전부 지정할 수 있도록 하는 새로운 공간상의 산업용 로봇 끝단의 오리엔테이션 정의 방법을 제공할 수 있다. 이 경우, 오리엔테이션 교시에서 사용자의 편리성을 위해 GUI를 통하여 스마트폰을 뒤집지 않아도 전 오리엔테이션 각도를 지정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 산업용 로봇의 교시가 가능한 스마트폰은 상기 스마트폰의 화면을 임의 대상의 바닥면에 대하여 수평을 유지한 상태에서, 상기 스마트폰이 2축(x, y)에 대하여 기울어지는 정도를 센싱한 센싱값을 출력하는 센서, 및 상기 센싱값을 이용해 기울어짐 정보를 생성하고, 상기 생성한 기울어짐 정보를 이용해 상기 로봇의 끝단을 공간상에서 제어하기 위한 6개의 정보(x, y, z 위치와 회전 x, y, z)를 생성해 상기 산업용 로봇에 제공하는 인터페이스 장치를 포함한다.
상기 인터페이스 장치는 상기 화면에 수직하고, 상기 로봇의 끝단 회전축에 평행한 가상 링크(virtual lever)를 설정하고, 상기 설정한 가상 링크와 상기 센싱값을 이용하여 상기 기울어짐 정보를 생성할 수 있다.
상기 기울어짐 정보는 상기 로봇의 끝단이 움직여야 하는 방향 정보로서 상기 가상 링크의 끝단에 대한 위치 정보를 포함할 수 있다.
상기 인터페이스 장치는 상기 로봇의 끝단의 속도를 제어하기 위한 속도 정보를 추가로 생성하며, 상기 속도 정보는 상기 기울어진 정도의 크기에 의해 결정될 수 있다.
상기 산업용 로봇의 교시가 가능한 스마트폰은 상기 공간상에서의 Z축 값을 생성하기 위해 사용자가 선택 가능한 1축 제어모드를 화면에 표시하는 디스플레이를 더 포함하며, 상기 인터페이스 장치는, 상기 1축 제어모드가 선택되면, 상기 Z축 값의 생성을 위해 X축의 방향 정보를 '0'으로 설정할 수 있다.
상기 디스플레이는 상기 로봇의 끝단을 업 및 다운시키기 위한 업 모드 및 다운 모드를 상기 화면에 추가로 표시하며, 상기 인터페이스 장치는, 상기 업 모드 및 다운 모드가 선택되면, 각도 정보를 추가로 생성할 수 있다.
상기 디스플레이는 정방향 및 역방향의 각도를 표현하기 위한 슬라이드 바를 상기 화면에 추가로 표시하며, 상기 인터페이스 장치는, 상기 슬라이드 바의 조정에 따라 상기 정방향 및 상기 역방향의 각도에 대한 정보를 생성할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 스마트폰을 이용한 산업용 로봇의 직관적인 교시방법은 상기 스마트폰의 화면을 임의 대상의 바닥면에 대하여 수평을 유지한 상태에서, 상기 스마트폰이 2축(x, y)에 대하여 기울어지는 정도를 센싱한 센싱값을 생성하는 단계, 상기 센싱값을 이용해 기울어짐 정보를 생성하는 단계, 및 상기 생성한 기울어짐 정보를 이용해 상기 로봇의 끝단을 공간상에서 제어하기 위한 6개의 정보(x, y, z 위치와 회전 x, y, z)를 생성해 상기 산업용 로봇에 제공하는 단계를 포함한다.
상기 기울어짐 정보를 생성하는 단계는, 상기 화면에 수직하고, 상기 로봇의 끝단 회전축에 평행한 가상 링크(virtual lever)를 설정하는 단계를 포함하며, 상기 설정한 가상 링크와 상기 센싱값을 이용하여 상기 기울어짐 정보를 생성할 수 있다.
상기 기울어짐 정보는 상기 로봇의 끝단이 움직여야 하는 방향 정보로서 상기 가상 링크의 끝단에 대한 위치 정보를 포함할 수 있다.
상기 스마트폰을 이용한 산업용 로봇의 직관적인 교시방법은 상기 로봇의 끝단의 속도를 제어하기 위한 속도 정보를 생성하는 단계를 더 포함하며, 상기 속도 정보는 상기 기울어진 정도의 크기에 의해 결정될 수 있다.
상기 스마트폰을 이용한 산업용 로봇의 직관적인 교시방법은 상기 공간상에서의 Z축 값을 생성하기 위해 사용자가 선택 가능한 1축 제어모드를 화면에 표시하는 단계를 더 포함하며, 상기 1축 제어모드가 선택되면, 상기 Z축 값의 생성을 위해 X축의 방향 정보를 '0'으로 설정할 수 있다.
상기 표시하는 단계는, 상기 로봇의 끝단을 업 및 다운시키기 위한 업 모드 및 다운 모드를 상기 화면에 추가로 표시하며, 상기 스마트폰을 이용한 산업용 로봇의 직관적인 교시방법은 상기 업 모드 및 다운 모드가 선택되면, 각도 정보를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 표시하는 단계는, 정방향 및 역방향의 각도를 표현하기 위한 슬라이드 바를 상기 화면에 추가로 표시하며, 상기 스마트폰을 이용한 산업용 로봇의 직관적인 교시방법은 상기 슬라이드 바의 조정에 따라 상기 정방향 및 상기 역방향의 각도에 대한 정보를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 있어서는, 종래의 상용 티칭 펜던트만을 이용한 교시 체계는 유선방식의 티칭 팬던트를 이용하여 복잡한 인터페이스를 거쳐서 교시작업을 수행하게 되나, 스마트폰 애플리케이션을 이용하여 쉽고 간단한 인터페이스를 구성하는 동시에 스마트폰 오리엔테이션 정보와 산업용 로봇의 기구학적 매칭을 통하여 단순 기울임의 동작으로 직관적인 로봇 교시를 수행할 수 있으므로 교시작업의 시간적 효율성을 증진할 수 있다. 이와 같이 애플리케이션 개발환경을 지원하는 스마트폰을 이용하여 새로운 장치의 개발이 필요 없이, 애플리케이션의 개발과 프레임웍 구축만으로도 스마트 티칭 팬던트 구성이 가능하므로 경제성 측면에서도 이득을 가진다.
더욱이 본 발명은 스마트폰을 이용하여 쉬운 인터페이스, 장소 제약으로부터의 독립성, 교시 장치의 기동성을 보강할 수 있고 스마트폰의 센서 및 인터페이스 장치와 산업용 로봇 끝단의 매칭하는 방법을 통하여 산업용 로봇의 직관적 교시가 가능하다. 또한, 로봇의 오리엔테이션 정의에 대한 새로운 방법의 제시를 통하여 기존의 오일러(Euler)각을 이용하는 방법에 비하여 오리엔테이션 정보에 대한 기구학적 직관성까지 보장된다.
도 1은 일반적인 6축 산업용 로봇을 나타내는 개략 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 티칭 팬던트의 오리엔테이션 정보와 유니버셜 조인트를 구비한 조이스틱과의 매칭을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 유니버셜 조인트를 가진 장치로 정의된 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 티칭 팬던트의 기울기 정보를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 티칭 팬던트를 나타내는 도면이다.
도 5는 로봇 끝단의 X와 Y좌표에 위치 지정을 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 티칭 팬던트의 기울임을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 티칭 펜던트의 오리엔테이션에 의한 가상 조이스틱의 위치와 그에 따른 로봇의 X, Y방향 병진 속도 벡터의 정의를 나타내는 도면이다.
도 7은 로봇 끝단의 Z축 위치 지정을 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 티칭 팬던트의 기울임 예시 및 슬라이드 바를 통한 가상의 각도 생성을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 티칭 팬던트의 “orientation up" 모드 시, 스마트폰 orientation이 전부 0일 때 대표되는 상황의 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 티칭 팬던트의 "orientation up" 모드를 위해 정의된 기구학적 벡터를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 티칭 팬던트의 오리엔테이션 각도가 0일 때 대표되는 “orientation down" 모드의 예시를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 티칭 팬던트의 "orientation down" 모드를 위해 정의된 기구학적 벡터를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 티칭 팬던트를 이용한 로봇의 orientation 교시 방법을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 티칭 팬던트를 통해 모든 오리엔테이션 각도를 편리하게 운용하기 위한 다른 모드를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 티칭 팬던트를 통해 슬라이드 바를 이용하여 끝단 회전축의 직접지정을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰을 이용한 산업용 로봇의 직관적인 교시방법은 스마트폰의 터치 인터페이스 장치와 스마트폰의 오리엔테이션 정보를 이용하여 산업용 로봇의 끝단을 로보틱스 기반의 기구학적 매칭으로 직관성을 확보할 수 있다. 이와 같은 기구학적 매칭을 위해서, 본 실시예는 스마트폰의 3자유도 기울기 정보 중, 산업현장에서 영향을 많이 받을 수 있는 회전정보를 제외한 나머지 2자유도 회전 정보를 통하여 유니버셜 조인트를 가지는 조이스틱 구성으로 가정하는 방법을 제시한다. 상기 스마트폰의 오리엔테이션 정보 중에서 1축은 지구 자기장을 사용하기 때문에 실제 현장에서 사용되는 모터나 강한 전기는 지구 자기장 정보의 왜곡을 불러오기 때문에 본 실시예에서는 사용하지 않는다.
먼저, 로봇 끝단의 병진(translation) 교시 조작의 경우, 가상으로 정의된 조이스틱 끝단의 위치는 로봇이 움직여야하는 방향으로 전환하고 기울어짐의 정도는 속도정보로 전환하여 로봇 끝단의 방향과 속도를 조종한다.
또한, 가상으로 정의된 조이스틱의 경우, 자유도가 2자유도이므로 3자유도를 가지는 로봇 끝단의 병진을 전부 매칭하기 위해서는 스마트폰의 애플리케이션의 모드를 적용하여 터치 스크린의 조작으로 나머지 자유도를 제어한다. 이때, 애플리케이션에서는 가상의 각도 정보를 생성하여 그에 따른 속도정보를 주는 방법 또는, 스마트폰의 오리엔테이션 정보를 로봇의 병진 2제어 모드에서 나머지 1축 제어 모드로의 변경을 애플리케이션 자체에서 설정하는 방법으로 제시할 수 있다.
그리고 로봇이 가지는 나머지 3자유도인 오리엔테이션의 경우, 기존의 방법은 로봇의 베이스 프레임(base frame)에 대한 로봇 끝단의 오리엔테이션을 오일러 각(Euler angle) 정의를 사용하지만 각도 값을 인지하더라도 현재 로봇 끝단의 ㅇ오리엔테이션 상태를 직관적으로 생각하기 쉽지 않았다. 하지만 본 발명에서 제안하는 로봇 끝단의 오리엔테이션을 정의하는 방법은 스마트폰에 정의된 가상의 조이스틱의 방향(스마트폰 화면의 법선벡터)과 로봇의 끝단 회전축(Joint6)이 계속 평행하도록 매칭하고 로봇 끝단 회전축은 스마트폰 어플리케이션에서 연속 회전(successive rotation)으로 정의하는 방법을 통하여 직관성을 대폭 확대하였다.
이러한 정의를 사용하면 시각적으로 스마트폰의 화면 대한 법선 벡터와 로봇의 끝단이 항상 평행을 유지하게 됨에 따라 스마트폰의 기울어짐 상황을 보고 바로 로봇의 끝단 오리엔테이션 상황을 유추할 수 있게 하는 장점이 있다.
그리고 기존 오일러 각의 값을 제공받는 것으로 로봇의 오리엔테이션의 유추가 어려운 반면, 본 실시예에서 새로 제안된 오리엔테이션 정의는 로봇의 끝단이 베이스 프레임의 2축 대하여 얼마나 기울어졌는지에 대한 정보만으로도 로봇의 현재 오리엔테이션 상태를 알게 되므로 직관성이 매우 향상된다.
또한, 본 실시예의 교시방법이 기존의 오리엔테이션 정의방법(Euler angle)에서 1축의 회전을 제외하였더라도 로봇 끝단 회전축(Joint6)의 연속 회전(successive rotation)을 제공함으로써 로봇이 구현 가능한 모든 오리엔테이션의 정의가 가능하므로 종래의 방법을 대체할 수 있다.
통상적으로 로봇(도 1 참조)의 기구학은 모터가 들어가 있는 관절에 DH-parameter를 정의하는 방법론으로 하기의 표 1과 같은 좌표를 설정하게 된다.
joint a i -1 α i -1 d i θ i
1 0 150 -90 450(0) θ1
2 1 600 0 0 θ2-90
3 2 200 -90 0 θ3
4 3 0 90 640 θ4
5 4 0 -90 0 θ5
(TCP)6 5 0 0 100 θ6
즉, x 0 ,y 0 ,z 0 은 로봇의 기준 좌표계이며 Joint0번에 정의된 좌표와 Joint1번에 정의된 좌표의 관계 이어서, Joint1번과 Joint2과의 관계를 체계적으로 정리한 것이 DH-parameter 정의이다.
실제적으로 일을 하는 로봇의 끝단에 정의된 x tcp ,y tcp ,z tcp 인데 위의 표를 통한 수식으로 x tcp ,y tcp ,z tcp 가 x 0 ,y 0 ,z 0 에 대해서 어떠한 위치로 정의되어 있는지 한 번에 알 수 있다. 도 1의 로봇의 x tcp ,y tcp ,z tcp 의 위치는 x 0 ,y 0 ,z 0 에 관하여 890mm, 0mm, 1250mm이라는 병진과 0도, -90도, 180도로 정의할 수 있는 것이다. 즉, 상기 예를 든 6개의 값 (x, y, z 위치와 회전 x, 회전 y, 회전 z)만 정의하면 로봇의 각 관절(Joint1, Joint2,... Joint6)의 값은 상기 표 1을 통하여 산출된다.
또한, 상기에서 예를 든 바와 같이 로봇의 끝단과 스마트폰의 오리엔테이션정보를 동기화 하기위해서도 스마트폰의 오리엔테이션 정보를 이용한 기구학적 정의(DH-parameter)가 필요하다.
이를 위하여, 도 2와 같이 본 실시예에 따른 스마트 티칭 팬던트의 화면에 가상 링크(virtual lever)가 존재한다고 상정한다. 이와 같이 정의를 하게 되면, 스마트 티칭 팬던트는 통상의 실제 조이스틱과 같은 구성을 가지게 되며 스마트폰의 움직임은 도 2에서처럼 스마트폰에 정의된 x축 및 y축 두 개의 회전을 가지므로 조이스틱화 될 수 있다. 이와 같이 가상 링크 정의를 통하여 스마트폰의 기울기 정보를 좀 더 로보틱스 관점으로 표현하면 도 2와 같이 유니버셜 조인트를 구비한 간단한 형태의 로봇으로 정의가 가능하고 이러한 정의와 로보틱스 구성을 통하여 상기 표 1과 같이 DH-parameter를 정의할 수 있다.
도 3은 유니버셜 조인트를 가진 장치로 정의된 본 실시예의 스마트 티칭 팬던트의 기울기 정보를 나타내는 개략도이다.
이 경우, 유니버셜 조인트의 기구학 정보를 도출하기 위한 DH parameter 정의는 하기의 표 2와 같다.
joint(coordinate) a_i(mm) α_i(degree) d_i(mm) θ_i(degree)
0 1 0 -90 0 0
1 2 0 -90 0 -90
2 3 0 90 0 θ2
3 tcp 1 0 0 θ3
상기 표 2에서 θ2는 도 3에서 y축을 중심으로 회전한 각도를 의미하며 θ3은 x축을 중심으로 회전한 각도를 의미한다.
한편 사용자가 로봇의 교시운용 시, 기구학적 관점에서 직관성을 가지도록 직관성을 고려한 본 실시예에 따른 스마트폰의 센서를 융합한 애플리케이션 GUI가 도 4에 도시된다.
본 실시예는 스마트폰 오리엔테이션 정보 중 2축에 대한 기울어짐 정보만 사용하며, 6 개의 정보를 가지는 로봇의 끝단(즉, x, y, z 위치와 회전 x, 회전 y, 회전 z)을 다 지정하기 위해서 스마트폰 어플리케이션을 구성하였고 4개의 버튼과 한 개의 슬라이드 바로 구성하였다.
로봇은 병진에 대하여 공간상의 좌표(X, Y, Z)를 가지므로 스마트폰에 정의된 가상의 조이스틱 방식은 평면적인 2D 밖에 지정할 수 없으므로 로봇 끝단이 가지는 X Y Z값 중 하나는 접근이 불가능하다.
그러므로 이러한 문제를 극복하고자 로봇 끝단의 X, Y위치의 경우는 도 4의 “Translation XY" 버튼을 누른 후 조이스틱을 기울이는 느낌으로 사용자가 원하는 로봇 끝단의 속도 벡터를 지정할 수 있고 Z의 경우, ”Translation Z" 버튼을 누른 상태에서 스마트 티칭 팬던트를 가고자 하는 방향으로 기울이거나 슬라이드 바를 이용하여 기울기 각도를 가상적으로 만들어 로봇 끝단의 Z위치 지정을 위한 속도벡터를 지정한다.
즉, 스마트폰에 정의된 가상의 조이스틱을 통하여 로봇의 끝단 X, Y 방향 병진의 경우, 그림 5와 같이 조이스틱을 움직이는 방식과 동일하게 사용자가 원하는 방향으로 스마트폰을 기울이면 된다. 이 경우, “virtual joystick linkage”의 끝단 위치가 위에서 상기 표 21에 의하며 결정되게 되고, 도 6과 같이, 로봇의 기준 좌표(x 0 ,y 0 ,z 0 )에 대하여 로봇 끝단이 가야할 방향을 결정할 수 있게 된다.
또한, 기울기 각도의 크기는 로봇이 얼마나 빨리 움직여야하는 지 결정하는 gain을 결정하게 된다. 즉, 로봇의 끝단에 대한 사용자가 원하는 속도 벡터를 스마트폰의 기울임을 통하여 직접 지정할 수 있다.
한편, 도 6을 참고하면, 스마트폰의 오리엔테이션에 의한 가상 조이스틱의 위치와 그에 따른 로봇의 X, Y방향 병진 속도 벡터는 상기 표 2의 P3X1 로부터 하기의 수학식 1 내지 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112012109253917-pat00001
Figure 112012109253917-pat00002
Figure 112012109253917-pat00003
또한, 도 7을 참조하면, 로봇 끝단의 Z방향에 대한 속도 벡터의 정의는 도 4에 도시된 인터페이스에서“Translation Z”를 누른 상태로, 로봇의 끝단을 이동하고자 하는 방향으로 지정하거나, 슬라이더를 이용하여 가상의 각도 (예를 들면, -90°에서 90°사이)를 생성하여 교시할 수 있다. 이때, 로봇 끝단의 Z 방향의 속도의 정의는 상기 수학식 1-3에서 도 3에 도시된 스마트폰에 정의된 X축의 오리엔테이션 정보를 0으로 정의하면 된다.
도 8을 참조하면, 로봇의 orientation의 경우 “Orientation Up" 버튼을 누르고 스마트 티칭 팬던트를 기울이면 그 기울기 그대로 로봇 끝단 오리엔테이션을 직접 지정할 수 있다. 이러한 기구학적 매칭의 원리를 살펴보면 “Orientation Up" 모드는 도 8과 같이 일단 특정 병진 위치(x, y, z 위치)를 지정한 후, 스마트폰의 오리엔테이션이 모두 0이라고 가정했을 때 대표되는 상황이다.
이 경우, 스마트폰에 정의된 산업용 로봇과의 매칭을 위한 좌표의 설정은 도 9와 상기 표 2에 정의된 바와 같다. 결국 스마트폰에 정의된 좌표 x tcp ,y tcp ,z tcp 는 도 8의 산업용 로봇에 정의된 끝단의 좌표( x tcp ,y tcp ,z tcp )와 완전히 동일함을 확인할 수 있다.
하기 표 3은 상기“Orientation Up"모드를 위한 DH parameter의 정의를 나타낸다.
joint(coordinate) a_i(mm) α_i(degree) d_i(mm) θ_i(degree)
0 1 0 -90 0 0
1 2 0 -90 0 -90
2 3 0 90 0 θ2
3 4 1 0 0 θ3
4 tcp 0 -90 0 90
또한, “orientation down" 모드는 스마트폰 orientation이 0일 때, 도 10과 같은 상황을 대표하며 이를 제어하기 위한 스마트폰에 정의된 기구학적 매칭은 도 11과 하기 표 4와 같다.
joint(coordinate) a_i(mm) α_i(degree) d_i(mm) θ_i(degree)
0 1 0 -90 0 0
1 2 0 -90 0 -90
2 3 0 90 0 θ2
3 4 1 0 0 θ3
4 tcp 0 -90 0 -90
이러한 교시방법의 장점으로는, 도 4에서 스마트폰에 정의된 x tcp ,y tcp ,z tcp 가 로봇의 끝단의 회전축(Joint6)에 정의된 x tcp ,y tcp ,z tcp 와 똑같이 거동함으로써 사용자가 로봇의 끝단 면이 도 12와 같이 스마트 티칭 팬던트를 계속 바라보는 느낌을 가지게 할 수 있으므로 직관적인 로봇의 운용이 가능하다.
또한, 사용 편리성을 위하여 도 13과 같이 “Orientation Down" 모드를 두어 스마트 티칭 팬던트를 완전히 뒤집지 않아도 전 오리엔테이션 각도를 지정할 수 있도록 배려하였다.
한편, 본 실시예는 도 14와 같이 슬라이드 바를 이용하여 로봇 끝단의 회적 축의 각도를 직접 지정함으로써 2자유도를 가지는 스마트 티칭 팬던트의 기울기 정보를 이용하여 로봇이 가지는 3자유도의 오리엔테이션을 전부 지정할 수 있도록 구성한다.
상기와 같은 방법으로 로봇을 교시하는 기구학적 방법은 종래의 오일러 각도를 이용하는 방법에 비하여 사용자가 오리엔테이션 정보 자체를 이해하기도 편리하며, 사용자 자신의 조작하는 스마트 티칭 팬던트의 기울기와 로봇 끝단의 오레인테이션이 동일하게 움직이기 때문에 훨씬 이해하기 쉬우면서도 빠르게 오리엔테이션을 교시할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

Claims (7)

  1. 산업용 로봇의 교시가 가능한 스마트폰에 있어서,
    상기 스마트폰의 화면을 임의 대상의 바닥면에 대하여 수평을 유지한 상태에서, 상기 스마트폰이 2축(x, y)에 대하여 기울어지는 정도를 센싱한 센싱값을 출력하는 센서; 및
    상기 센싱값을 이용해 기울어짐 정보를 생성하고, 상기 생성한 기울어짐 정보를 이용해 상기 로봇의 끝단을 공간상에서 제어하기 위한 6개의 정보(x, y, z 위치와 회전 x, y, z)를 생성해 상기 산업용 로봇에 제공하는 인터페이스 장치;를 포함하되,
    상기 인터페이스 장치는,
    상기 화면에 수직하고, 상기 로봇의 끝단 회전축에 평행한 가상 링크(virtual lever)를 설정하고, 상기 설정한 가상 링크와 상기 센싱값을 이용하여 상기 기울어짐 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 교시가 가능한 스마트폰.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기울어짐 정보는 상기 로봇의 끝단이 움직여야 하는 방향 정보로서 상기 가상 링크의 끝단에 대한 위치 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 교시가 가능한 스마트폰.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인터페이스 장치는 상기 로봇의 끝단의 속도를 제어하기 위한 속도 정보를 추가로 생성하며, 상기 속도 정보는 상기 기울어진 정도의 크기에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 교시가 가능한 스마트폰.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공간상에서의 Z축 값을 생성하기 위해 사용자가 선택 가능한 1축 제어모드를 화면에 표시하는 디스플레이;를 더 포함하며,
    상기 인터페이스 장치는,
    상기 1축 제어모드가 선택되면, 상기 Z축 값의 생성을 위해 X축의 방향 정보를 '0'으로 설정하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 교시가 가능한 스마트폰.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 디스플레이는 상기 로봇의 끝단을 업 및 다운시키기 위한 업 모드 및 다운 모드를 상기 화면에 추가로 표시하며,
    상기 인터페이스 장치는,
    상기 업 모드 및 다운 모드가 선택되면, 각도 정보를 추가로 생성하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 교시가 가능한 스마트폰.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 디스플레이는 정방향 및 역방향의 각도를 표현하기 위한 슬라이드 바를 상기 화면에 추가로 표시하며,
    상기 인터페이스 장치는,
    상기 슬라이드 바의 조정에 따라 상기 정방향 및 상기 역방향의 각도에 대한 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 교시가 가능한 스마트폰.
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