KR101798673B1

KR101798673B1 - 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101798673B1
Application number: KR1020127018813A
Authority: KR
Inventors: 지몬 크룸프; 귄터 슈라이버
Original assignee: 쿠카 레보라토리즈 게엠베하
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2017-11-16
Also published as: EP2883665B1; US9227321B2; US20160107315A1; DK2512755T3; EP2883665A2; EP2883665A3; EP2512755B1; US10076841B2; EP2512755A1; CN105291102A; DE102009058607A1; CN102741022B; US20120283875A1; ES2552094T3; KR20120105531A; CN105291102B; CN102741022A; WO2011082755A1

Abstract

매니퓰레이터, 특히 로봇을 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법으로서, 상기 방법은, 상기 매니퓰레이터의 실제의 구동력들 (τ) 과 동적 모델 ( M d² q /dt ² + h ( q , d q /dt) = τ_모델) 의 구동력들 (τ_모델) 을 기반으로 하여 상기 매니퓰레이터와 작업물 (2; 20) 사이의 접촉력을 검출하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 a) 검출된 접촉력들을 기반으로 하여 상기 작업물 (2) 의 위치를 다단계로 측정하는 단계 (S40, S70) 를 포함하는데, 상기 다단계로 측정하는 단계 (S40, S70) 는 특히, 매니퓰레이터의 포즈들, 및 이때 상기 매니퓰레이터에 작용하는 접촉력들을 검출함으로써, 작업물 (2) 의, 일직선으로 배치되어 있지 않은 윤곽들, 특히 가장자리들 (2.1, 2.2) 의 위치들을 검출하는 단계 (S40) 와, 이렇게 검출된 상기 작업물의 윤곽들 (2.1, 2.2) 을 기반으로 하여, 특히 리세스들 (3.1, 3.2, 3.3) 에 의해 정의되어 있는 상기 작업물 (2) 의 기준점들을 향해 나아가는 단계 (S50) 와, 운동시 상기 매니퓰레이터에 작용하는 접촉력들을 검출함으로써 이 기준점들의 위치를 결정하는 단계 (S70) 를 포함하며; 및/또는 b) 유연한 조절하에 작업물 (4; 40) 을 결합시키는 단계 (S130; S230) 로서, 상기 작업물의 결합 상태는, 검출된 접촉력, 상기 유연한 조절하에 도달된 상기 매니퓰레이터의 최종 포즈, 및/또는 상기 매니퓰레이터의 속도 또는 더 큰 시간 도함수를 기반으로 하여 감시되는 상기 작업물 (4; 40) 을 결합시키는 단계 (S130; S230) 를 포함하는데, 상기 결합시키는 단계 (S130; S230) 는 특히, 적어도 2개의 힘 접촉 (1.1, 1.2) 에 있어서 상기 작업물을 매니퓰레이터로 홀딩하는 단계와, 상기 작업물을 결합 기본 위치에 배치시키는 단계 (도 3a) 와, 적어도 하나의 힘 접촉 (1.2) 해제하에, 상기 작업물을 결합 종료 위치 (도 3b) 로 움직이는 단계를 포함하고; 및/또는 c) 비유연하게 조절되어 한 포즈를 향해 나아가는 단계 (S10; S110; S210) 와 검출된 접촉력을 기반으로 하여, 유연한 조절로 전환하는 단계 (S30; S130; S230) 중 적어도 하나를 포함한다.

Description

매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING A MANIPULATOR}

본 발명은 매니퓰레이터, 특히 로봇을 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이며, 본 발명에 따라 사용된 매니퓰레이터를 위한 홀딩 툴에 관한 것이다.

산업용 로봇들은 무엇보다도 부품들을 결합시키기 위해 이용되어야 한다. 이때 특히, 로봇에 의해 홀딩되어 있는 작업물과 결합되어야 하는 공급된 작업물들의 위치 허용오차들은 자동화를 어렵게 한다.

예컨대 이른바 “RCC (Remote Center of Compliance)" 를 통한 구조적인 유연성, 예컨대 유연한 로봇 또는 유연한 엔드 이펙터 체결 이외에, 연구에 있어서 이러한 이른바 핀-구멍 문제들의 다양한 이론적인 해결방안들, 예컨대 추가적인 힘 센서들을 통한 접촉력들의 검출과, 이 접촉력들을 기반으로 한 정확한 결합궤적의 검출이 제안되어 있다. 하지만 이 해결방안들은 여러 가지 문제로 인해 지금까지 전혀 실행에 옮겨지지 않았다.

본 발명의 목적은 매니퓰레이터의 제어를 개선하는 것이다.

이 목적은 청구항 제 1 항, 제 6 항 또는 제 8 항의 특징들을 가진 방법을 통해 달성된다. 청구항 제 1 항의 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법은, 매니퓰레이터의 실제의 구동력들 (τ) 과 동적 모델 ( M d² q /dt ² + h ( q , d q /dt) = τ_모델) 의 구동력들 (τ_모델) 을 기반으로 하여 매니퓰레이터와 작업물 사이의 접촉력을 검출하는 단계를 포함하고, a) 검출된 접촉력들을 기반으로 하여 작업물의 위치를 다단계로 측정하는 단계; b) 유연한 조절하에 작업물을 결합시키는 단계로서, 작업물의 결합 상태는, 검출된 접촉력, 유연한 조절하에 도달된 매니퓰레이터의 최종 포즈, 및/또는 매니퓰레이터의 속도 또는 더 큰 시간 도함수를 기반으로 하여 감시되는, 작업물을 결합시키는 단계; 및/또는 c) 비유연하게 조절되어 하나의 포즈를 향해 나아가고, 검출된 접촉력을 기반으로 하여 유연한 조절로 전환하는 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 청구항 제 10 항, 청구항 제 11 항은 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 장치를, 청구항 제 12 항은 컴퓨터 프로그램 제품을, 특히 저장 매체 또는 데이터 캐리어를 나타낸다. 종속항들은 바람직한 개선형태들에 관한 것이다.

본 발명에 따른 방법 또는 장치는 특히 하나의 또는 다수의, 예컨대 6축 또는 리던던트 (redundant) 로봇, 예컨대 산업용 로봇 또는 경량 로봇, 예컨대 출원인의 경량 로봇“LBR”를 위해 제공되어 있다.

이때, 제어는 조절, 즉 미리 정해져 있는 명령 변수들 및 검출된 현재 변수들을 기반으로 한 제어 변수들의 사전 설정을 또한 의미한다.

본 발명의 제 1 양태에 따르면, 실제의 구동력들과 매니퓰레이터의 동적 모델의 구동력들을 기반으로 하여 접촉력이 검출된다.

여기에서, 보다 간결히 표현하기 위해, 토크, 즉 역평행 우력은 일반적으로 힘이라고 불리며, 따라서 예컨대 접촉력의 검출이란, 하나 또는 다수의 방향에 있어서, 특히 직교 공간 방향들 또는 관절축들에 있어서 힘 및/또는 토크 성분들의 검출을 말하고, 그리고 예컨대 전동기의 구동 토크도 구동력이라고 불리운다.

실제의 구동력들은 직접적으로는 예컨대 매니퓰레이터의 축 또는 구동장치에서의 힘 센서들을 이용하여, 및/또는 간접적으로는 예컨대 구동장치의 힘 흡수 또는 방출을 기반으로 하여 검출될 수 있다.

동적 모델은, 질량 매트릭스 ( M ) 와 일반화 힘들 ( h ) 을 가진 예컨대

M d² q /dt ² + h ( q , d q /dt) = τ_모델의 형태로,

일반적으로 운동학적 변수들, 특히 관절 좌표 ( q ), 관절 속도들 (d q /dt) 및 관절 가속도들 (d² q /dt ²) 과, 힘들, 특히 구동력, 무게 및 마찰력 사이의 관계를 나타낸다. 운동학적 변수들과 무게 및 마찰력이 알려져 있으면, 모델의 구동력들 (τ_모델) 과 실제의 구동력들 (τ) 사이의 차이들은 모델 오류 및 측정 오류 이외에 특히 상기 모델에 제공되어 있지 않은 접촉력들로 인해 발생하며, 그러므로 상기 접촉력들은 실제로 측정된 구동력들과 모델 구동력들 사이의 차이를 근거로 하여 검출될 수 있다:

F _접촉 = F (τ_모델 - τ)

실제의 구동력들과 동적 모델의 구동력들을 기반으로 한 상기 매니퓰레이터와 작업물 사이의 접촉력들의 이 검출은 추가적인 힘 센서들을 불필요하게 하며, 그리고 바람직한 방식으로, 하기에서 설명되는 측정, 결합 감시 및/또는 유연한 조절로의 전환을 가능하게 한다.

본 발명의 이러한 제 1 양태 중 한 양태에 따르면, 비유연하게 조절된 매니퓰레이터는, 특히 작업물들을 측정 또는 결합시키기 위해 하나 또는 다수의 포즈를 향해 나아간다. 비유연한 조절이란 특히 위치 조절을 말하며, 예컨대 기준점, 예컨대 TCP 의 직교 위치의, 또는 매니퓰레이터의 관절 좌표 안에서의 비례, 미분 및/또는 적분 조절을 말한다.

이때, 연속적으로 또는 이산 시점들에서 하나 또는 다수의 접촉력이 검출되며, 상기 접촉력들은, 접근된 작업물과의 접촉시 매니퓰레이터에 작용한다.

검출된 접촉력이 미리 정해져 있는 값, 특히 영 (zero) 일 수도 있는 값을 초과하면, 경우에 따라서는 상응하는 허용오차들을 고려하여 본 발명에 따른 유연한 조절로 전환된다. 바람직하게는, 이러한 전환은 접촉이 발생한 후 최대 3 밀리세컨드 이내에, 바람직하게는 최대 1.5 밀리세컨드 이내에 수행된다.

유연한 조절, 또는 이러한 유연한 조절로의 전환은 예컨대 P 또는 PD 조절의 조절계수들이 감소됨으로써 및/또는 PID 조절의 적분 부분이 생략됨으로써 실현될 수 있고, 따라서 매니퓰레이터는 목표 포즈와 현재 포즈 사이의 보다 큰 조절 편차들 또는 추적 오차들에 있어서도 높은 구동력들을 가하지 않는다. 추가로 또는 대안적으로, 구동력도 바람직하게는 낮은 최대치에 제한되어 있을 수 있고, 따라서 이번에도 보다 큰 추적 오차들에 있어서도 높은 구동력들이 발생되지 않는다. 바람직한 실시에 있어서, 유연한 조절은 이른바 임피던스 조절, 특히 힘을 기반으로 한 임피던스 조절로서 형성되어 있다. 일반적으로, 비유연한 조절과는 달리, 여기에서는 특히, 미리 정해져 있는 목표포즈가 작업물로의 매니퓰레이터의 과도한 결합을 요구할지라도 상기 작업물과의 접촉시 상기 작업물도 손상되지 않고 상기 매니퓰레이터도 손상되지 않도록 상기 매니퓰레이터의 구동력들이 발생되는 모든 조절을 유연한 조절이라 부른다.

그러면, 바람직한 실시에 있어서 작업물은 유연한 조절하에 결합되고 및/또는 그의 위치는 검출된 접촉력들을 기반으로 하여 다단계 방법으로 측정된다. 이러한 방식으로, 특히 보다 적은 관성을 가진 경량 로봇과 관련하여 사이클 타임이 바람직하게 감소될 수 있는데, 왜냐하면 측정 또는 결합시 작업물 또는 매니퓰레이터를 손상시키는 위험이 존재하지 않으면서 (이는 접촉시 즉시 상기 유연한 조절로 전환되기 때문이다) 이제 측정 또는 결합 기본 포즈를 향해 상기 비유연한 조절하에 빨리 그리고 정확히 나아갈 수 있기 때문이다.

본 발명의 이 제 1 양태의 다른 양태에 따르면, 작업물은 유연한 조절하에 결합되고, 그리고 이때 상기 작업물의 결합 상태는 검출된 접촉력을 기반으로 하여 감시된다. 접촉력의 감시를 통해, 예컨대 현저한 상승 또는 감소를 근거로 탄성적인 또는 소성적인 변형하에 결합된 작업물의 스냅핑, 그리고 이로써 정확한 결합 과정이 인식될 수 있다. 예컨대 탄성적인 변형하의 결합시 우선 접촉력은 특히 결합 방향과 반대로 증가한다. 상기 작업물이 예컨대 비드를 극복한 후 이완되면, 이 힘은 현저히 감소한다. 마찬가지로, 예컨대, 결합된 볼트가 접촉력 (상기 접촉력은 상기 제 1 양태에 따라 검출된다) 으로서 매니퓰레이터에게 가하는 토크를 통해, 상기 볼트의 조임 상태가 검사될 수 있고, 그리고 상기 볼트가 너무 단단히 조여졌는지, 그의 볼트 헤드가 비틀려졌는지 또는 상기 볼트가 나사산 안의 수축으로 인해 너무 헐겁게 안착하는지의 여부가 확인될 수 있다.

추가로 또는 대안적으로, 작업물의 결합 상태는 상기 유연한 조절하에 도달된, 상기 매니퓰레이터의 최종 포즈를 기반으로 하여 감시될 수 있다. 유연한 조절을 통해, 목표 결합 최종 포즈에 도달함과 상관없이 매니퓰레이터가 작업물을 더 이상 계속 결합 방향으로 움직이지 않는 것이 달성될 수 있다. 상기 유연한 조절하에 도달된 상기 최종 포즈가, 예컨대 로봇의 러닝을 통해 정해질 수 있는 목표 결합 최종 포즈와 비교되면, 결합 과정이 정확히 실행되었는 지의 여부가 결정될 수 있다.

또한 추가로 또는 대안적으로, 작업물의 결합 상태는, 매니퓰레이터의 포즈의 상기 유연한 조절하에 발생하는 시간적인 변경을 기반으로 하여, 특히 속도를 기반으로 하여 감시될 수 있다. 예컨대 결합 방향으로의 TCP 의, 또는 매니퓰레이터에 의해 안내된 작업물의 속도가 한계값에 미달하면, 상기 작업물이 정확이 결합되어 있다는 것이 검출될 수 있다.

그러하지 않으면 (왜냐하면 예컨대 결합되어야 하는 작업물이 방해 윤곽에 의해 저지되기 때문이다), 결합 전략, 특히 결합 위치는, 예컨대 볼트를 본래의 결합 기본 위치에 대해 옮겨진 새로운 출발 위치에 결합시키고자 시도됨으로써 변경될 수 있다.

바람직한 실시에 따르면, 유연한 조절하의 작업물의 결합시 하나 또는 다수의 목표 힘뿐만 아니라 하나 또는 다수의 목표 운동이 미리 정해진다. 상기 유연한 조절이 예컨대 힘을 기반으로 한 임피던스 조절을 통해 실현되면, 예컨대 구동력들 (τ) 이

τ = J ^T[c( x _목표 - x )] 에 따라

예컨대 TCP 의 직교 목표위치와 현재 위치 ( x _목표 또는 x ) 사이의 스프링 상수 (c) 를 가진, 전치 자코비 행렬 ( J ) 을 이용해 관절 좌표의, 예컨대 관절식 암 로봇의 회전 각도들의 공간 안으로 투영된, 가상 스프링의 스프링력을 통해 정해짐으로써 실현되면, 상기 목표 운동에는

τ = J ^T[c( x _목표 - x ) + F ] 에 따라,

직교 공간 안에서 정의된 힘이 추가될 수 있다. 이는 바람직하게는 선택적으로, 예컨대 각각의 작업물을 위한 이미 수행된 결합 과정 또는 상기 결합 전략에 따라 수행될 수 있다. 예컨대 스틱 슬립 현상, 마루 (ridge) 또는 결합시의 보다 작은 탄성적 허용오차들을 극복하기 위해, 상기 목표힘은 예컨대 일정하게, 경사로 모양으로, 변화하며 또는 팽창하며, 특히 사인파 모양으로 미리 정해질 수 있다.

특히 작업물들을 서로 결합시키기 위해서는, 매니퓰레이터에 대해 상대적인 작업물, 예컨대 기본 바디의 위치, 즉 장소 및/또는 방위를 아는 것이 필요하며, 상기 매니퓰레이터는 상기 작업물과 결합되어야 하는 작업물, 예컨대 볼트, 클램프 등등을 홀딩하고 있다. 그러므로, 본 발명의 제 2 양태에 따르면 작업물의 위치는 매니퓰레이터를 이용해 다단계 방법으로 측정되며, 이때 이 제 2 양태는 바람직하게는 상기 설명된 제 1 양태와 조합되어 있다.

이 제 2 양태에 따르면, 작업물의, 일직선으로 배치되어 있지 않은 바람직하게는 적어도 2개의 윤곽들, 특히 가장자리들의 위치들은, 매니퓰레이터의 포즈들, 및 이때 상기 매니퓰레이터에 작용하는 접촉력들이 검출됨으로써 결정된다. 포즈를 차지할 때 접촉력이 현저히 상승하면 (왜냐하면 매니퓰레이터의 감지기가 작업물의 윤곽과 접촉하기 때문이다), 상기 매니퓰레이터의 상기 관련 포즈로부터 접촉 위치가 검출될 수 있다.

이러한 방식으로, 매니퓰레이터에 대해 상대적인 상기 작업물의 위치가 대략적으로 알려져 있으면, 이제 상기 작업물의 기준점들을 향해 (상기 기준점들은 예컨대 리세스들, 특히 보어들 (bores) 에 의해 정의될 수 있다) 신뢰성 있게 나아갈 수 있다. 감지기와 기준점과의 접촉시, 예컨대 감지기가 리세스 안으로 미끄러져 들어갈 때, 상기 감지기의 그 밖의 운동을 저지하는 상응하는 접촉력의 상승을 근거로 이 기준점의 위치가 결정될 수 있다. 이 기준점들을 기반으로 하여, 작업물 좌표 시스템이 결정될 수 있고, 상기 작업물 좌표 시스템은, 대략적으로 방향을 결정하기 위해 접근된 윤곽들과는 달리 예컨대 결합 위치들 등등의 정확한 결정을 가능하게 한다.

바람직하게는, 감지기는 기준점을 향해 혼란스럽게 나아가며, 즉 매니퓰레이터는, 확정된 수색경로를 따라, 상기 기준점의 미리 추정된 위치의 바로 옆에서, 바람직하게는 상기 기준점 안의 작업물 윤곽에 대해 본질적으로 접선 방향의 평면에 있어서 상기 감지기를 움직이고, 그리고 이렇게 하여 어느 정도는, 상기 기준점의 상기 미리 추정된 위치 둘레의 영역을, 예컨대 상기 감지기가 보어 안으로 미끄러져 들어감에 의한 접촉력을 근거로 상기 감지기의 그 밖의 운동이 저지될 때까지 수색한다. 이때, 상기 제 1 양태에 따라, 상기 기준점의 상기 미리 추정된 위치를 향해 유연한 조절하에 나아갈 때 장점이 나타난다.

특히 기준점을 정의하는 리세스 안으로 감지기가 미끄러져 들어가는 것을 보장하기 위해, 상기 매니퓰레이터는 상기 기준점을 향해 나아갈 때, 상기 기준점 안의 작업물 윤곽에 대해 본질적으로 접선으로 방향지어진 상기 설명된 평면에 대해 수직인 수직력을 상기 작업물에 가할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 감지기와 리세스는 기준점을 정의하기 위해, 상기 감지기가 상기 리세스 안으로 미끄러져 들어갈 때 셀프 센터링 되도록 형성되어 있다. 예컨대, 상기 감지기는 원뿔형 첨단부를 구비할 수 있고, 상기 리세스는 원형 둘레를 구비할 수 있다.

작업물의 대략적인 위치를 결정하기 위한 윤곽들 접촉 (기준점들을 신뢰성 있게 접촉할 수 있기 위해) 과, 상기 기준점들의 이러한 접촉은, 그들의 대략적인 위치가 이로써 알려져 있는 상기 기준점들을 향해 나아가기 전에, 우선 모든 미리 정해져 있는 윤곽들이 접촉되도록 잇달아 수행될 수 있다. 마찬가지로, 이는 우선 각각 윤곽들이 바람직하게는 기준점들의 근처에서 접촉되고, 그 후, 이 윤곽들과 관련하여 그들의 대략적인 위치가 알려져 있는 기준점들을 향해 나아가도록 (그 밖의 기준점들의 대략적인 위치를 결정하기 위해, 그리고 그 후 이것들을 신뢰성 있게 접촉할 수 있기 위해 또다시 다른 윤곽들이 접촉되기 전에) 교대로 수행될 수도 있다.

본 발명의 제 3 양태는 매니퓰레이터를 이용한 작업물의 결합에 관한 것이다. 이는 바람직하게는 상기 설명된 제 1 및/또는 제 2 양태와 조합되어 있을 수 있다.

상기 제 3 양태에 따르면, 매니퓰레이터는 결합되어야 하는 작업물을, 상기 매니퓰레이터가 상기 작업물을 결합 기본 위치에 배치시키면 우선 적어도 2개의, 바람직하게는 동일 선상에 있지 않은, 특히 본질적으로 서로 수직으로 방향의 힘 접촉들에 있어서 고정시킨다. 이때, 상기 작업물과 상기 매니퓰레이터, 특히 홀딩 툴 간의 접촉은 힘 접촉이라고 불리며, 상기 힘 접촉에 있어서 상기 매니퓰레이터는, 각각의 홀딩력의 방향에 상응하여 배향된 상기 작업물에게 상기 홀딩력을 가한다.

예컨대, 제 1 힘 접촉은 마찰 결합식으로 전자석을 통해 실현될 수 있으며, 상기 전자석은 작동시 상기 작업물을 잡아당긴다. 제 2 힘 접촉은 예컨대 형상 결합식으로 돌출부를 통해 실현될 수 있으며, 상기 돌출부에 상기 작업물이 지지된다.

결합 기본 위치에 배치시킨 후, 매니퓰레이터는 상기 작업물을 결합 방향으로 결합 종료 위치로 움직인다. 이때, 본 발명에 따르면 상기 힘 접촉들 중 하나, 예컨대 전자석을 통해 실현된 제 1 힘 접촉은, 그의 지지 또는 홀딩 기능을, 상기 매니퓰레이터에 의해 홀딩되어 있는 작업물과 결합되는 작업물이 떠맡자마자 해제된다.

이는 작업물을 홀딩하고 있는 상기 매니퓰레이터 툴의 방향 전환을 가능하게 하며, 따라서 상기 매니퓰레이터에 의해 홀딩된 작업물과 결합되는 작업물의 윤곽들과의 충돌이 저지될 수 있다.

특히 상기 언급된 양태들 중 적어도 하나에 따른 작업물들의 측정 및 후속 결합을 보다 짧은 사이클 타임 안에 가능하게 하기 위해, 매니퓰레이터를 위한 본 발명에 따른 홀딩 툴은 특히 작업물을 마찰 결합식 및/또는 형상 결합식으로 홀딩하기 위한 홀딩 영역과, 추가로 작업물을 접촉하기 위한 감지기를 구비한다. 상기 홀딩 영역은 예컨대 하나 또는 다수의 전자석 및/또는 돌출부를 통해 상기 언급된 제 1 또는 제 2 힘 접촉을 나타낼 수 있고, 상기 감지기는 바람직하게는 유연한 조절하에 리세스 안에서 셀프 센터링하기 위한 원뿔형 단부를 구비한다. 바람직하게는, 측정시에는 작업물과 상기 홀딩 영역 간의 또는 결합시에는 작업물과 상기 감지기 간의 충돌을 저지하기 위해, 상기 감지기는 상기 홀딩 툴의 밀착 또는 홀딩 영역에 대해 직각으로 또는 반대로 뻗어 있다. 그러므로, 본 발명의 의미에서의 감지기는 특히 매니퓰레이터의 홀딩 툴과 단단히 연결되거나 또는 이것과 통합적으로 형성된, 바람직하게는 회전 대칭적인 및/또는 첨단부를 구비한 볼트, 핀 등등일 수 있다.

그 밖의 장점들과 특징들은 종속항들과 실시예들에 나타나 있다.

이를 위해, 도면들은 부분적으로 개략적으로 도시한다.
도 1: 본 발명의 실시에 따른 방법에 따라 측정할 때의 작업물의 평면도;
도 2: 도 1 안의 선 (II-II) 을 따른 단면;
도 3a: 본 발명의 실시에 따른 방법에 따라 작업물을 결합시킬 때의, 도 1 안의 왼쪽 상부로부터의 측면도;
도 3b: 결합 기본 위치에 배치된 작업물을 가진, 도 1, 도 3a 안의 선 (IIIB-IIIB) 을 따른 단면;
도 3c: 결합 종료 위치에서의 작업물을 가진, 도 3b 에 따른 도면;
도 4a - 4d: 본 발명의 실시에 따른 방법에 따라 다른 작업물을 결합시킬 때의 측면도;
도 5: 도 1, 도 2 에 도시되어 있는 측정의 흐름도;
도 6: 도 3a 에 도시되어 있는 결합 위치의 변경의 흐름도;
도 7: 도 4a - 4d 에 도시되어 있는 결합의 흐름도.

도 1, 도 2 및 도 5 를 근거로, 본 발명의 실시에 따른 방법에 따라 검출된 접촉력들을 기반으로 한 작업물 (2) 의 위치의 다단계 측정이 설명된다.

이때, 작업물 (2), 예컨대 인스트루먼트 패널은 인도된 후 우선 일종의 허용오차의 내에서 임의로 경량 로봇의 작업영역 안에 배치되어 있고, 도면들에는 항상 상기 경량 로봇의 홀딩 툴 (1) 의 일부만 도시되어 있으며, 도 1 및 도 2 에는 원뿔형 첨단부를 가지며 홀딩 영역 (1.1, 1.2) (상기 홀딩 영역에 관해서는 하기에서 도 3 및 도 4 와 관련하여 설명된다) 에 대해 직각으로 배치된 원통형 감지기 (1A) 만 도시되어 있다 (도 3a 참조). 상기 작업영역에는 상기 로봇의 기본 좌표 시스템 (B) 이 정의되어 있으며, 그의 x 및 y 축들이 도 1 에 표시되어 있다. 홀딩 영역 (1.1, 1.2) (도 3b 참조) 과 감지기 (1A) (도 3a 참조) 를 가진 본 발명에 따른 홀딩 툴 (1) 의, 하기에서 각각 상세히 설명되는 사용을 통해, 측정과 결합 사이의 툴교환이 저지될 수 있고, 그리고 이렇게 하여 사이클 타임이 감소될 수 있다.

다단계 측정의 제 1 단계에 있어서, 상기 로봇은, 감지기 (1A) 가 잇달아 작업물 (2) 의 가장자리들 (2.1, 2.2) 과 도 1 에 표시되어 있는 위치들에서 접촉할 때까지, 비유연하게 PID 조절되어 상기 그의 감지기를 좌표 시스템 (B) 의 x 또는 y 방향으로 이동시킨다 (도 5, 단계 S10 참조). 이때, 제어 장치 (도시되어 있지 않음) 는 상기 로봇에서 측정된 구동 토크들 (τ) 과, 상기 로봇의 검출된 운동을 발생시키기 위한 동적 비접촉 모델에 따라 필요한 이론적인 구동 토크들 (τ_모델) 을 비교한다 (도 1:“S20”). 이 구동 토크들 사이의 차이가, 특히 양적으로, 미리 정해져 있는 한계값 (τ_접촉) 을 초과하면, 이로부터, 감지기 (1A) 가 작업물 (2) 의 가장자리 (2.1 또는 2.2) 와 접촉했다는 것이 인식된다. 그 후, 즉시 1 밀리세컨드 이내에, 유연한, 힘을 기반으로 한 임피던스 조절로 전환되며 (도 1:“S30”), 상기 임피던스 조절에 있어서 감지기 (1A) 는 가상 스프링을 갖고 목표위치 ( x _목표) 의 방향으로 “잡아당겨진다”.

서로 일직선으로 배치되어 있지 않은 2개의 가장자리 (2.1, 2.2) 를 접촉함로써, 상기 로봇의 좌표 시스템 (B) 안에서의 작업물 (2) 의 위치는 이미 대략적으로 결정될 수 있다 (도 1:“S40”). 이때, 상기 유연한 조절로의 상기 전환은, 접촉시 작업물 또는 로봇을 손상시키지 않으면서 상기 로봇이 우선 비유연하게 조절되어 빨리 윤곽들을 향해 나아갈 수 있는 것을 보장한다.

제 2 단계에 있어서, 상기 감지기는 작업물 (2) 안의, 동일 선상에 있지 않은 3개의 기준 보어 (3.1 - 3.3) 를 향해 나아간다. 이를 위해, 상기 로봇은 감지기 (1A) 를, 상기 제 1 단계로부터 대략적으로 알려져 있는 작업물 (2) 의 위치를 근거로 추정되는 위치들 (3.1_추정 내지 3.3_추정) 로 움직이며 (도 1:“S50”), 이때 상기 감지기 (1A) 는 혼란스럽게, 예컨대 구불구불한 또는 평행한 경로들에서, 상기 추정된 위치들 둘레로 움직여진다 (도 2 참조). 이때, 상기 감지기 첨단부는 상기 작업물의 표면 평면에 대해 수직인 수직력을 갖고 이 작업물 상에 눌려지고, 특히 이 평면에 있어서 (도 2 안의 왼쪽 - 오른쪽) 상기 로봇은 유연하게 조절된다.

이때 상기 감지기 (1A) 가 기준 보어 옆에 있는 위치로부터 (상기 위치는 도 2 에 파선으로 표시되어 있으며 1A" 로 표시되어 있다) 기준 보어 (3) 에 의해 정의되어 있는 기준점 위치 안에 도달하자마자, 도 2 에 실선으로 도시되어 있는 바와 같이, 상기 감지기는 상기 가해진 수직력하에 상기 기준 보어 안으로 미끄러져 들어가고, 그리고 그의 원뿔형 첨단부, 및 상기 표면 평면에 있어서의 상기 유연한 조절을 근거로 이 보어 안에서 셀프 센터링된다.

계속해서 수색 경로를 지나가기를 시도하는 상기 유연하게 조절된 로봇에 의한 감지기 (1A) 의 그 밖의 운동을, 상기 보어 (3.2) 안에 안착하는 감지기 (1A) 상에의 현저히 큰 접촉력이 저지하며, 상기 접촉력은 단계 S60 (도 5) 에서 검출된다. 이러한 방식으로, 기준 보어들 (3.1 - 3.3) 의 위치들은 빨리, 정확히, 조심스럽게 그리고 신뢰성 있게 결정될 수 있다. 그러면 이로부터, 특히 로봇 좌표 시스템 (B) 에 대해 상대적인 작업물에 고정된 좌표 시스템 (W) 의 위치가 결정될 수 있다.

이제 예컨대 클램프 (4) (도 3 참조) 가 도 1 에서 작업물 (2) 의 왼쪽 상부 가장자리 상에 결합되며, 이때 유연한 조절로의 전환하에 상기 다단계 측정은 생략될 수도 있다. 이 결합 과정은 도 3 및 도 6 을 근거로 설명된다.

도 3a 에는 제 1 결합 기본 위치가 파선으로 표시되어 있으며, 상기 결합 기본 위치에 로봇은 클램프 (4) 를 우선 배치시키고, 그리고 결합 방향으로 작업물 (2) 상에 밀어넣기를 시도한다 (도 3a 에서 표시 '; 도 6 에서 단계 S110). 하지만 이때 클램프 (4) 는 작업물 (2) 의 플랜지 (2.3) 와 충돌한다 (또한 도 1 참조). 이미 기술한 바와 같이, 접촉시 유연한 조절로 전환되며 (도 6:“S120”,“S130”), 상기 유연한 조절에 있어서, 상기 가장자리 상으로의 밀어넣기를 쉽게 하도록 하기 위해, 목표운동 ( x _목표) 에서, 미리 정해져 있는 목표힘 ( F ), 특히 결합 방향으로의 일정한 힘 ( F _xy) 과 결합 방향 및 평면에 대해 수직인 사인파 모양의 곡선을 가진 힘 (F _z) 이 중첩된다.

하지만 상기 유연한 조절을 근거로, 플랜지 (2.3) 와의 충돌에도 불구하고 작업물 또는 로봇의 손상이 발생하지 않는다. 오히려 로봇의 툴 (1) 이 상기 툴에 의해 홀딩된 클램프 (4) 와 함께 저항 때문에 더 이상 움직이지 않으면, 로봇의 도달된 최종 포즈 (도 3a 에 파선으로 표시되어 있음) 는, 정확히 밀어넣어진 클램프 (4) 에 있어서 러닝된 종료 위치와 비교된다 (도 6: S140). 본 경우에서, 제어 장치는 현저한 차이를 근거로, 클램프 (4) 가 정확히 밀어넣어지지 않았다는 것을 인식한다. 그러므로, 도 3a - 3c 에 실선으로 표시되어 있는 바와 같이, 로봇이 클램프 (4) 를 옆으로 옮겨 새로이 작업물 (2) 에 배치시킴으로써 결합 위치가 변경된다 (도 6: S150). 이 과정은, 로봇이 클램프 (4) 를 충돌 없이 결합시킬 수 있을 때까지 또는 미리 정해져 있는 실패 시도 횟수에 도달할 때까지 반복된다.

도 3b, 도 3c 를 근거로, 성공적인 결합 과정이 설명된다. 이때, 로봇은 상기 작업물을 - 경우에 따라서는 도 3a 와 관련하여 상기 설명된 실패한 시도들 후에 - 결합 기본 위치에 배치시키고, 그리고 그를 약간 작업물 (2) 쪽으로 밀어넣는다 (도 3b). 이때, 상기 로봇은 한편으로는 클램프 (4) 를 작동된 전자석 (1.2) 을 이용하여 제 1 힘 접촉에 있어서 수직 방향에서 홀딩하고 있으며, 그리고 상기 클램프를 동시에 제 2 힘 접촉에 있어서, 밀어넣기를 저지하는 제 2 접촉력에 반대되는 수평 방향에서 형상 결합식으로 툴 (1) 의 돌출부 (1.1) 에 대하여 지지한다.

그 밖의 결합시 툴 (1) 와 작업물 (2) 의 플랜지 (2.4) 와의 충돌을 저지하기 위해, 전자석 (1.2) 에게 더 이상 전류를 공급하지 않음으로써 상기 제어 장치는 밀어넣는 동안 상기 제 1 힘 접촉을 해제하며, 이는 부분적으로 밀어넣어진 클램프 (4) 에 대해 상대적인 툴 (1) 의 방향 전환 (도 3c) 을 가능하게 한다. 이러한 방식으로, 로봇은 툴 돌출부 (1.1) 를 갖고 클램프 (4) 를 완전히 작업물 (2) 상에 밀어넣을 수 있다.

도 4 및 도 7 을 근거로, 보어 (20) 안으로의 다른 부품, 즉 탄성 마개 (40) 의 결합이 설명된다. 로봇이 우선 마개 (40) 를 수직 방향에 있어서 보어 (20) 를 향해 움직인다는 것을 알 수 있다 (도 7 안의 단계 S210). 측정된 구동토크와 모델 구동토크 사이의 차이를 근거로 검출된 접촉력이 미리 정해져 있는 한계값을 초과하면, 제어 장치는 작업물과의 접촉을 검출하며 (도 7:“S220”) 그리고 유연한 조절로 전환시킨다 (도 7:“S230”). 이 조절하에 상기 마개는 계속 삽입되며, 그리고 결합 피드 (z) 에 관한 접촉력이 검출된다.

그림 순서 (도 4b -> 도 4c) 에서, 마개 (40) 가 이때 탄성적으로 변형된다는 것을 알 수 있다. 그의 하부 플랜지가 보어 (20) 를 완전히 횡단하고 탄성적으로 그의 출발 위치로 되돌아오자마자, 결합을 저지하는 접촉력이 감소한다.

제어 장치는 이러한 힘 감소를 단계 (S240) 에서 검출하며, 그리고 이것을 기반으로 하여, 유연한 조절에 있어서도, 마개 (40) 가 제대로 보어 (20) 안에 삽입되었는 지의 여부를 검사할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 마개 (40) 가 완전히 보어 (20) 안으로 삽입되었는 지의 여부를 검사하기 위해, 여기에서도 다시, 로봇의 정지시 도달된 최종 포즈는, 미리 러닝된 포즈와 비교될 수 있다.

추가로 또는 대안적으로, 여기에서 속도기준이 사용될 수 있다. 이는 결합 전에 각각 측정되지 않으면서 예컨대 작업물 (20) 의 위치가 변화하는 경우 결합 방향으로의 종료 위치가 정확히 알려져 있지 않으면 특히 의미가 있다. 예컨대 미리 정해져 있는 기간 동안 TCP 또는 작업물 (40) 의 속도가 미리 정해져 있는 한계값 아래로 떨어지면, 제어 장치는, 마개 (40) 가 더 이상 계속 상기 보어 안으로 눌려질 수 없다는 것을 검출할 수 있다. 그러면, 이렇게 도달된 포즈가 검출되며, 그리고 작업물들 (20, 40) 의 접촉시 (상기 접촉은 예컨대 이때 검출된 힘상승을 통해 검출될 수 있다) 저장된 포즈와 비교된다. 두 포즈의 차이가 미리 정해져 있는 허용오차 범위 안에 있으면, 결합 과정은 성공적이라고 보여진다.

도시되어 있지 않은 실시에 있어서, 경량 로봇은 목표 토크 및/또는 목표 피드의 사전 설정을 통해 볼트를 나사산 안으로 결합시킨다. 이때에도, 접촉력, 예컨대 스크루잉 방향으로의 토크가 검출되며, 그리고 결합 상태는 이 접촉력을 기반으로 하여 감시된다. 로봇이 그의 러닝된 결합 최종 포즈에 도달했고, 그리고 이때 너무 높은 토크가 인가되어 있으면, 상기 볼트는 너무 단단히 조여져 있다. 이와는 달리, 너무 낮은 토크가 인가되어 있으면, 예컨대 너트가 수축되었거나 또는 볼트 머리가 비틀려지기 때문에 상기 볼트는 충분히 단단히 조여져 있지 않다.

추가로 또는 대안적으로, 상기 돌려 끼워진 볼트는 조여진 후, 정의된 토크를 갖고 미리 정해져 있는 각도값 만큼, 예컨대 90°만큼 계속 회전될 수 있다. 이 회전 후, 정확히 뽑힌 볼트에 있어서 검출된 토크는, 미리 정해져 있는 범위 안에 있어야 한다.

1; 10 : 홀딩 툴
1A : 감지기
1.1 : 돌출부 (홀딩 영역, 형상 결합식 힘 접촉)
1.2 : 전자석 (홀딩 영역, 마찰 결합식 힘 접촉)
2 : 작업물
2.1, 2.2 : 가장자리 (윤곽)
2.3, 2.4 : 플랜지
3.1 - 3.3 : 보어 (기준점)
4 : 클램프
20 : 작업물
40 : 마개

Claims

매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법으로서,
상기 방법은,
상기 매니퓰레이터의 실제의 구동력들 (τ) 과 동적 모델 ( M d² q /dt ² + h ( q , d q /dt) = τ_모델) 의 구동력들 (τ_모델) 을 기반으로 하여 상기 매니퓰레이터와 작업물 사이의 접촉력을 검출하는 단계를 포함하고,
a) 검출된 접촉력들을 기반으로 하여 상기 작업물의 위치를 다단계로 측정하는 단계 (S40, S70);
b) 유연한 조절하에 작업물을 결합시키는 단계 (S130; S230) 로서, 상기 작업물의 결합 상태는, 검출된 접촉력, 상기 유연한 조절하에 도달된 상기 매니퓰레이터의 최종 포즈, 및 상기 매니퓰레이터의 속도 또는 더 큰 시간 도함수 중 적어도 하나를 기반으로 하여 감시되는, 상기 작업물을 결합시키는 단계 (S130; S230) ; 및
c) 비유연하게 조절되어 하나의 포즈를 향해 나아가고 (S10; S110; S210), 상기 검출된 접촉력을 기반으로 하여 유연한 조절로 전환하는 단계 (S30; S130; S230)
중 적어도 하나를 포함하는,
매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
접촉이 발생한 후 (S20; S120; S220) 최대 3 밀리세컨드 이내에, 유연한 조절로 전환되는 (S30; S130; S230) 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
동일한 홀딩 툴 (1; 10) 이 상기 측정 및 상기 결합을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 작업물을 결합시키기 위한 유연한 조절에 있어서, 선택적으로, 적어도 하나의 목표 힘뿐만 아니라 적어도 하나의 목표 운동이 미리 정해지는 (S130; S230) 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
결합 전략은, 검출된 접촉력, 상기 유연한 조절하에 도달된, 상기 매니퓰레이터의 최종 포즈, 및 상기 매니퓰레이터의 속도 또는 더 큰 시간 도함수 중 적어도 하나를 기반으로 하여, 필요한 경우에는 변경되는 (S150; 도 3a -> 도 3b) 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법.
매니퓰레이터를 이용하여 작업물을 결합시키기 위해, 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된, 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법으로서,
적어도 2개의 힘 접촉들 (1.1, 1.2) 에서 상기 매니퓰레이터로 상기 작업물을 홀딩하는 단계;
상기 작업물을 결합 기본 위치에 배치시키는 단계 (도 3a);
적어도 하나의 힘 접촉 (1.2) 의 해제 하에, 상기 작업물을 결합 종료 위치로 움직이는 단계 (도 3b)
를 포함하는, 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 작업물을 상기 결합 종료 위치로 움직일 때 해제된 힘 접촉 (1.2) 은 마찰 결합식이고 또는 상기 작업물을 상기 결합 종료 위치로 움직일 때 유지되는 힘 접촉 (1.1) 은 형상 결합식인 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법.
매니퓰레이터를 이용하여 작업물의 위치를 다단계로 측정하기 위해, 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된, 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법으로서,
상기 매니퓰레이터의 포즈들, 및 이때 상기 매니퓰레이터에 작용하는 접촉력들을 검출함으로써, 작업물의, 일직선으로 배치되어 있지 않은 윤곽들의 위치들을 결정하는 단계 (S40);
이렇게 검출된 상기 작업물의 윤곽들 (2.1, 2.2) 을 기반으로 하여, 상기 작업물의 기준점들을 향해 나아가는 단계 (S50); 및
움직임시 상기 매니퓰레이터에 작용하는 접촉력들을 검출함으로써 이 기준점들의 위치들을 결정하는 단계 (S70)
를 포함하는, 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 매니퓰레이터는 감지기 (1A) 를 갖고 기준점을 향해 혼란스럽게 나아갈 때 상기 작업물에게 수직력을 가하고 또는 이 힘에 대해 수직인 평면에 있어서 유연하게 조절되는 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법.
매니퓰레이터를 위한 제어 장치로서,
상기 장치는 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 방법을 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터를 위한 제어 장치.
삭제
프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독가능한 저장 매체로서,
상기 프로그램은 상기 컴퓨터 판독가능한 저장 매체가 청구항 제 10 항에 기재된 제어 장치에서 실행될 때 청구항 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 방법을 실행하는, 컴퓨터 판독가능한 저장 매체.
제 1 항에 있어서,
상기 매니퓰레이터는 로봇인 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 결합 전략은 결합 기본 위치인 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 일직선으로 배치되어 있지 않은 윤곽들은 상기 작업물의 가장자리들 (2.1, 2.2) 인 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 기준점들은 리세스들 (3.1, 3.2, 3.3) 에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터를 제어하기 위한 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 매니퓰레이터는 로봇인 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터를 위한 제어 장치.
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