KR102311293B1

KR102311293B1 - 캘리브레이션 장치 및 캘리브레이션 방법

Info

Publication number: KR102311293B1
Application number: KR1020190143151A
Authority: KR
Inventors: 비닛 제이콥 쿠루빌라; 하루히로 츠네타
Original assignee: 니혼 덴산 가부시키가이샤
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2021-10-12
Also published as: KR20200073987A; JP2020093363A; CN111319034B; CN111319034A; US11298827B2; KR20210125459A; KR102529477B1; JP7305951B2; US20200189112A1

Abstract

(과제) 로봇의 기어 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 의거하여 캘리브레이션을 행함으로써 보다 정확한 캘리브레이션을 가능하게 하는 것.
(해결 수단) 암과, 상기 암에 부설된 관절과, 상기 관절에 설치된 모터와, 상기 모터와 상기 관절 사이에 설치된 기어 감속기를 갖는 로봇의 캘리브레이션 장치로서, 소정의 3차원 공간 내에서 상기 암의 선단의 목표 이동위치를 설정하는 설정부와, 상기 목표 이동위치에 상기 암의 선단을 이동했을 때의 상기 관절의 각도를 취득하는 취득부와, 상기 기어 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 의거해 상기 취득부에서 취득한 각도를 조절하는 조절부와, 상기 조절부에서 조절한 각도를 이용하여 상기 로봇의 DH(Denavit-Hartenberg) 파라미터를 수정하는 수정부를 구비한다.

Description

캘리브레이션 장치 및 캘리브레이션 방법{CALIBRATION DEVICE AND CALIBRATION METHOD}

본 발명은 캘리브레이션 장치 및 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.

산업용 다관절 로봇으로서 6축 로봇이 알려져 있다. 로봇이 공장 등에서 조립되는 경우, 조립 작업자가 설계값 대로 로봇을 조립하는 것은 곤란하며, 조립 후에 있어서 조립 오차를 포함하는 로봇이 생겨버린다. 통상, 조립 오차를 적게 하기 위해 캘리브레이션이 행해진다. 특허문헌 1에는 로봇의 교정장치(캘리브레이션 장치)가 개시되어 있다. 특허문헌 1에서는 로봇의 조립 오차를 교정할 때 로봇의 조정을 1자유도에 한정함으로써 교정작업을 효율화하고 있다.

일본 특허공개 2012-101306호 공보

로봇의 관절부에는 모터가 설치되어 있고, 모터와 관절부의 사이에는 감속기가 설치되어 있다. 감속기가 기어(치차)를 사용하고 있을 경우, 기어에는 회전각도 전달 오차가 있으므로, 로봇의 조립 오차에는 상기 회전각도 전달 오차에 기인하는 오차가 포함된다. 기어의 회전각도 전달 오차란 2개의 기어가 맞물려서 회전을 전달할 때 생기는 오차이다.

그러나 특허문헌 1에서는 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 기인하는 오차를 작게 하는 것에 관한 교시는 없다.

본 발명의 하나의 목적은 로봇의 기어 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차 에 의거하여 캘리브레이션을 행함으로써, 보다 정확한 캘리브레이션을 가능하게 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 하나의 형태에 의한 캘리브레이션 장치는 암(ARM)과, 상기 암에 부설된 관절과, 상기 관절에 설치된 모터와, 상기 모터와 상기 관절의 사이에 설치된 기어 감속기를 갖는 로봇의 캘리브레이션 장치로서, 소정의 3차원 공간 내에서 상기 암의 선단의 목표 이동위치를 설정하는 설정부와, 상기 목표 이동위치에 상기 암의 선단을 이동했을 때의 상기 관절의 각도를 취득하는 취득부와, 상기 기어 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 의거하여 상기 취득부에서 취득한 각도를 조절하는 조절부와, 상기 조절부에서 조절한 각도를 이용하여, 상기 로봇의 DH(Denavit-Hartenberg) 파라미터를 수정하는 수정부를 구비한다.

본 발명에 의하면 로봇의 기어 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 의거하여 캘리브레이션을 행함으로써, 보다 정확한 캘리브레이션이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 로봇의 사시도.
도 2는 도 1에 나타낸 로봇의 좌측면도.
도 3은 DH 파라미터를 설명하는 도면
도 4는 캘리브레이션 장치의 기능 블럭도.
도 5는 캘리브레이션 장치의 하드웨어 구성예를 나타내는 블럭도.
도 6은 캘리브레이션의 흐름도.
도 7은 계측 포인트를 설명하는 도면.
도 8은 감속기의 기어가 회전할 때의 회전각도 전달 오차를 설명하기 위한 도면.

이하 첨부된 도면을 참조해서 본 발명을 실시하기 위한 실시형태를 상세하게 설명한다. 이하에 설명하는 실시형태는 본 발명의 실현 수단으로서의 일례이며, 본 발명이 적용되는 장치나 시스템의 구성이나 각종 조건에 의해 적당하게 수정 또는 변경되어야 할 것이며, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되지 않는다.

<로봇의 구성>

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 캘리브레이션 장치에 의해 캘리브레이션 되는 로봇(1)의 사시도이다. 설명의 편의상 도 1의 상방향을 Z방향이라고 칭하고, 우측 방향을 Y방향이라고 칭하고, 전방방향을 X방향이라고 칭한다. Z방향은 로봇 (1)의 높이 방향이다. 또한 Z방향과 반대의 방향을 하방이라고 칭하고, Z방향과 같은 방향을 상방이라고 칭한다. 도 2는 도 1에 나타내는 로봇(1)의 좌측면도이다.

로봇(1)은 소정의 제품의 조립이나 제조 등에 사용할 수 있는 6축 로봇이다. 도 1 및 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 로봇(1)은 6개의 회전 관절부(2A~2F)와 2개의 암(3A,3B)을 구비하고 있다. 이하의 기재에 있어서 6개의 회전 관절부(2A~2F)는 로봇 설치면(4) 측으로부터, 제 1회전 관절부(2A), 제 2회전 관절부(2B), 제 3회전 관절부(2C), 제 4회전 관절부(2D), 제 5회전 관절부(2E) 및 제 6회전 관절부(2F)라고 칭한다. 또한 2개의 암(3A,3B)은 로봇 설치면(4) 측으로부터, 제 1암(3A) 및 제 2암(3B)이라고 칭한다. 또한, 관절부는 관절이라고 칭하는 일도 있다.

로봇(1)은 로봇(1)의 기단부분을 구성하는 지지부재(5)를 구비하고 있다. 지지부재(5)는 설치면(4)에 고정된다. 제 1회전 관절부(2A)는, 지지부재(5)에 상대 회동 가능하게 연결되어 있다.

제 1암(3A) 및 제 2암(3B)은, 가늘고 긴 원통모양으로 형성되어 있다.

제 1회전 관절부(2A)와 제 2회전 관절부(2B)는 상대 회동 가능하게 연결되고, 제 2회전 관절부(2B)와 제 1암(3A)의 기단(하단)은 고정되어 있다. 제 1암(3A)의 선단과 제 3회전 관절부(2C)는 고정되고, 제 3회전 관절부(2C)와 제 4회전 관절부(2D)는 상대 회동 가능하게 연결되어 있다. 제 4회전 관절부(2D)와 제 2암(3B)의 하단은 상대 회동 가능하게 연결되고, 제 2암(3B)의 선단과 제 5회전 관절부(2E)는 고정되어 있다. 제 5회전 관절부(2E)와 제 6회전 관절부(2F)는 상대 회동 가능하게 연결되어 있다. 제 6회전 관절부(2F)에는 앤드 이펙터 등(도면 생략)을 상대 회동 가능하게 부착 가능한 부착부(7)가 설치되어 있다.

<회전 관절부의 구성>

제 1회전 관절부(2A)~제 6회전 관절부(2F)의 각각에는 모터(도면 생략)와, 모터에 연결되는 감속기(도면 생략)와, 모터의 회전 위치를 검출하기 위한 위치 검출 기구(도면 생략)와, 모터 및 위치 검출 기구가 전기적으로 접속되는 회로기판(도면 생략)과, 모터와 감속기와 위치 검출 기구와 회로기판이 수용되는 케이스체(6A~6F)가 설치되어 있다. 각 모터는 모터를 제어하는 컨트롤러(도면 생략)에 무선 또는 유선으로 접속되어 있다. 감속기는 소정 수의 기어를 갖는다. 감속기는 기어를 가지므로, 기어 감속기라고 칭하는 일도 있다. 감속기는 모터와 관절부 사이에 설치되고, 모터의 (출력축의) 회전을 소정의 감속비로 관절부에 전달한다. 모터가 회전하면, 관절부도 회전한다. 관절부를 회전시킴으로써 로봇의 암 선단을 이동시킬 수 있다.

<회전 관절부와 암의 연결 구조>

지지부재(5)와 제 1회전 관절부(2A)는 제 1회전 관절부(2A)의 출력측 부재 (도면 생략)가 지지부재(5)에 고정됨으로써 연결되어 있다. 제 1회전 관절부(2A)의 중심축(J1)과 지지부재(5)의 중심축이 일치하도록 지지부재(5)와 제 1회전 관절부(2A)가 연결되어 있다.

제 1회전 관절부(2A)와 제 2회전 관절부(2B)는, 제 1회전 관절부(2A)의 중심축(J1)과 제 2회전 관절부(2B)의 중심축(J2)이 직교하도록 연결되어 있다. 또한 제 1회전 관절부(2A)의 케이스체(6A)와 제 2회전 관절부(2B)의 플랜지부(11B)가 직접 고정되어 있다. 이처럼, 제 1회전 관절부(2A)의 중심축(J1)과 제 2회전 관절부(2B)의 중심축(J2)이 직교하도록, 제 1회전 관절부(2A)와 제 2회전 관절부(2B)의 플랜지부(11B)가 직접 고정된다. 또한 지지부재(5)에 대하여 제 1회전 관절부(2A)의 중심축(J1)을 회동축으로 해서, 제 1회전 관절부(2A)와 제 2회전 관절부(2B)를 회동할 수 있다.

제 2회전 관절부(2B)와 제 1암(3A)은 제 2회전 관절부(2B)의 중심축(J2)과 제 1암(3A)의 길이 방향의 중심축이 직교하도록 연결되어 있다. 또한 제 2회전 관절부(2B)의 케이스체(6B)에 제 1암(3A)의 하단이 고정되어 있다.

제 1암(3A)과 제 3회전 관절부(2C)는, 제 1암(3A)의 길이 방향의 중심축과 제 3회전 관절부(2C)의 중심축(J3)이 직교하도록 연결되어 있다. 또한, 제 3회전 관절부(2C)의 케이스체(6C)에 제 1암(3A)의 선단이 고정되어 있다. 중심축(J3)은, 중심축(J2)에 평행이다.

제 3회전 관절부(2C)와 제 4회전 관절부(2D)는, 제 3회전 관절부(2C)의 중심축(J3)과 제 4회전 관절부(2D)의 중심축(J4)이 직교하도록 연결되어 있다. 또한 제 4회전 관절부(2D)의 케이스체(6D)의 부착면(9D)과 제 3회전 관절부(2C)의 플랜지부(11C)가, 제 3회전 관절부(2C)의 중심축(J3)에 소정의 두께(길이)를 갖는 연결부재(12)를 통해서 고정되어 있다. 중심축(J4)과 중심축(J1)은 동축 상에 있다.

제 4회전 관절부(2D)와 제 2암(3B)은, 제 4회전 관절부(2D)의 중심축(J4)과 제 2암(3B)의 길이 방향의 중심축이 일치하도록 연결되어 있다. 또한 제 4회전 관절부(2D)의 플랜지부(11D)에 제 2암(3B)의 하단이 고정되어 있다.

따라서 제 1암(3A)에 대하여 제 3회전 관절부(2C)의 중심축(J3)을 회동축으로 해서 제 2암(3B)을 회동할 수 있다.

제 2암(3B)과 제 5회전 관절부(2E)는, 제 2암(3B)의 길이 방향의 중심축과 제5회전 관절부(2E)의 중심축(J5)이 직교하도록 연결되어 있다. 또한 제 5회전 관절부(2E)의 케이스체(6E)에 제 2암(3B)의 선단이 고정되어 있다. 중심축(J5)은, 중심축(J2)과 중심축(J3)에 평행이다.

제 5회전 관절부(2E)와 제 6회전 관절부(2F)는, 제 5회전 관절부(2E)의 중심축(J5)과 제 6회전 관절부(2F)의 중심축(J6)이 직교하도록 연결되어 있다. 또한 제6회전 관절부(2F)의 케이스체(6F)의 부착면(9F)과 제 5회전 관절부(2E)의 플랜지부(11E)가 직접 고정되어 있다.

따라서 제 1암(3A)에 대하여 제 3회전 관절부(2C)의 중심축(J3)을 회전축으로 하는 상대회동이 가능하게 되어 있는 제 2암(3B)은 제 1회전 관절부(2A)의 중심축(J1)을 포함하는 평면 위에서 회동할 수 있다. 또한 제 2암(3B)은 중심축(J3)을 중심으로 하여 회동할 때 제 1회전 관절부(2A)와 제 5회전 관절부(2E)가 간섭하지 않도록 제 1암(3A)보다 짧게 되어 있다.

또한 본 실시형태에서는 로봇 암 선단위치는 도 2의 점(M)인 것으로 한다. 본 실시형태에서는 점(M)의 위치를 계측하는 계측기로서 레이저 트레커를 사용한다. 레이저 트레커에서 발생하는 레이저를 반사하는 미러(도면생략)는 엔드 이펙터 부착부(7) 상의 위치(M)에 부착되어 있다. 레이저 트레커는 계측값을 캘리브레이션 장치에 송신하도록 되어 있는 것으로 한다.

<로봇의 조립 오차>

로봇은 공장 등에서 조립 작업자에 의해 조립된다. 일반적으로 조립 작업자가 로봇을 설계값 대로 조립하는 것은 곤란하며, 조립 오차를 포함하는 로봇이 생겨버린다. 본 실시형태에 있어서 로봇의 조립 오차는 로봇 암에게 이동 지시를 낸 경우의 지시 위치와 실제의 로봇 암 선단의 이동위치의 차이며 이하의 식(1)로 나타내어지는 것으로 한다. 즉, 로봇의 조립 오차는 설계시의 DH 파라미터에 포함되는 오차에 기인하는 오차인「DH 파라미터의 오차」와, 모터의 회전을 관절부에 전달 할 때 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 기인해서 생기는 오차로 이루어진다고 생각한다. 본 실시형태에서는 상기 조립오차를 최소로 하는 것을 캘리브레이션이라고 칭한다. DH는 Denavit- Hartenberg의 약자이다.

조립오차 = DH 파라미터의 오차 + 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 기인하는 오차…(1)

도 3은 DH 파라미터를 설명하는 도면이다. d는 Z축방향의 이동량(mm), θ은 Z축 주위의 회전량(도), a는 X축방향의 이동량(mm), α는 X축 주위의 회전량(도)을 나타내고 있다. DH 파라미터는, 4개의 파라미터(d,θ,a,α)를 포함한다. 본 실시형태에서는 축(J1~J6)의 각(θ)을 θ1~θ6이라고 표기하고, 관절각도라고 칭한다. 도 3에 나타낸 DH 파라미터는, 설계시의 DH 파라미터(공칭값, 사양값)의 일례이다. 또, 도 3에 나타낸 수치는 단순한 예이며, DH 파라미터는 이것들 값 이외의 값도 취할 수 있다. 설계시의 DH 파라미터는 공칭 DH 파라미터라고 칭해지는 일도 있다.

본 실시형태에서는 식 (1)의 「감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 기인하는 오차」를 최소화하는 관절각도를 구하고, 구한 관절각도로 생기는 조립 오차(DH 파라미터의 오차)를 없애는 (또는 최소로 하는) 캘리브레이션을 행한다.

<캘리브레이션 장치>

도 4는 본 실시형태의 캘리브레이션 장치(20)의 기능 블럭도이다.

캘리브레이션 장치(20)는 목표 이동위치 설정부(31), 관절각도 계산부(32), 키네마틱스 계산부(33), 도달 불가능점 제외부(34), 관절각도 조절부(35), 암 선단위치 계산부(36) 및 DH 파라미터 수정부(37)를 갖는다.

목표 이동위치 설정부(31) 소정의 3차원 공간에서 로봇 암의 선단의 목표 이동위치를 설정한다. 소정의 3차원 공간은 로봇 워크 스페이스(작업공간)이며, 예를 들면 캘리브레이션 장치(20)의 유저에 의해 캘리브레이션 장치(20)에 입력된 값에 의거하여 목표 이동위치 설정부(31)가 설정된다. 목표 이동위치 설정부(31)는 상기 의 3차원 공간 내에서 로봇 암의 선단의 목표 이동위치를 복수 설정한다. 로봇 워크 스페이스와 목표 이동위치의 설정에 대해서는 도 7을 이용하여 후술한다.

관절각도 계산부(32)는 설정된 각 목표 이동위치에 대해서 (설정된 각 목표 이동위치에 대응한다), 로봇(1)의 관절각도를 계산한다. 즉, 관절각도 계산부(32)는 설정된 각 목표 이동위치에 로봇(1)의 암의 선단을 이동했을 때의 관절각도를 계산·취득한다. 구체적으로는, 관절각도 계산부(32)는 설계시의 DH 파라미터를 이용하여 역 키네마틱스(IK:Inverse Kinematics) 연산을 행함으로써 목표 이동위치에 대응하는 로봇 관절각도를 계산함으로써 상기 관절각도를 취득한다.

키네마틱스 계산부(33)는 관절각도 계산부(32)가 로봇(1)의 관절각도를 계산할 때의 역 키네마틱스 연산을 행한다. 또한 키네마틱스 계산부(33)는 암 선단위치 계산부(36)가 로봇 암의 선단위치를 계산할 때, 순 키네마틱스(FK:Forward Kinematics) 연산을 행한다.

도달 불가능점 제외부(34)는 설정된 목표 이동위치 중에 로봇 암 선단이 도달할 수 없는 위치(도달 불가능점)가 있는 경우, 상기 도달 불가능점을 목표 이동위치로부터 제외한다.

관절각도 조절부(35)는 기어 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 의거하여 관절각도 계산부(32)가 계산한 관절각도를 조절한다. 관절각도의 조절에 대해서는 도 6 및 도 8을 이용하여 후술한다.

암 선단위치 계산부(36)는 조절한 관절각도와 설계시의 DH 파라미터를 사용하여 순 키네마틱스 연산을 행함으로써 로봇 암 선단위치를 계산·취득한다.

DH 파라미터 수정부(37)는 관절각도 조절부(35)에서 취득한 관절각도(조절 후의 관절각도)를 이용하여 설계시의 DH 파라미터를 수정한다.

도 5는 캘리브레이션 장치(20)의 하드웨어 블럭도이다.

캘리브레이션 장치(20)는, CPU(21), ROM(22), RAM(23), 외부 메모리(24), 조작부(입력부)(25), 통신부(네트워크 인터페이스(interface)를 포함한다)(26) 및 표시부(출력부)(27)를 갖는다. CPU(21), ROM(22), RAM(23), 외부 메모리(24), 조작부(25), 통신부(26) 및 표시부(27)는 버스(28)에 의해 상호 접속되어 있다.

CPU(21)는 캘리브레이션 장치(20)를 통괄 제어하는 제어부이다. CPU(21)는 각 구성부(22~27)를 제어한다. CPU(21)는 예를 들면 1개 또는 복수의 프로세서로 구성된다.

ROM(22), CPU(21)가 처리를 실행하기 위해 필요한 프로그램 등을 기억한다. CPU(21)가 ROM(22)에 기억된 프로그램에 근거하여 처리를 실행함으로써, 후술하는 흐름도(도 6)의 처리가 실행된다. 또한 CPU(21)가 ROM(22)에 기억된 프로그램에 근거해 처리를 실행함으로써, 캘리브레이션 장치(20)의 통신부(26)나 표시부(27)의 제어 등이 실현되어도 좋다. 또, 상기 프로그램 등은 외부 메모리(24)나 탈착 가능한 기억매체(도면생략)에 기억되어도 된다. RAM(23)은 CPU(21)가 ROM(22)으로부터 읽어 낸 프로그램을 전개하고 처리를 실행하기 위한 메모리이다. 또한 RAM(23)은, 일시기억 메모리로서 각종 처리의 대상이 되는 데이터를 잠시 기억하기 위한 기억영역으로서도 사용된다. RAM(23)에는 설계시의 DH 파라미터가 기억되어 있다고 한다.

외부 메모리(24)는, 예를 들면 CPU(21)가 프로그램을 이용한 처리를 실행할 때에 필요한 각종 데이터나 정보 등을 기억한다. 또한 외부 메모리(24)에는, CPU(21)가 프로그램을 사용한 처리를 실행함으로써 얻어진 각종 데이터나 정보 등이 기억된다.

조작부(25)는 키보드, 스위치, 전원 버튼이나 텐키 등으로 구성된다. 유저는 조작부(25)를 통해서 원하는 데이터나 수치를 캘리브레이션 장치(20)에 입력할 수 있다. 또한 유저는 조작부(25)를 통해 레이저 트레커에 지시를 줄 수도 있다. 조작부(25)는 유저로부터의 지시를 입력하므로 입력부라고 칭해도 좋다.

통신부(26)는 네트워크 인터페이스를 구비하고 네트워크(도면생략)를 통해 레이저 트레커 등과 통신을 행하는 회로이다. 예를 들면 캘리브레이션 장치(20)는 통신부(26)를 통해 레이저 트레커에 지시를 송신하고, 레이저 트레커로부터 계측값을 캘리브레이션 장치(20)에 송신시킬 수 있다.

표시부(27)는 화상을 표시하는 디스플레이를 포함한다. 표시부(27)는 동영상 및 정지화상을 표시할 수 있다. 표시부(27)는 음성 출력부를 포함해도 된다. 표시부(27)는 터치패널로서 사용함으로써 유저 인터페이스로서 기능하기도 한다. 표시부(27)는 화상을 출력하므로 출력부라고 칭해도 된다. 또한 캘리브레이션 장치(20)는 도 4 및 도 5에 나타낸 구성요소 이외의 하드웨어 요소나 기능부를 구비하고 있어도 된다. 또한 도 4 및 도 5에 나타낸 각 부의 구성은 한 예시이며, 복수의 부가 하나의 부를 구성해도 좋고 어느 하나의 부가 복수의 기능을 행하는 부로 나뉘어도 좋다.

<캘리브레이션>

도 6은 본 실시형태의 캘리브레이션을 설명하기 위한 흐름도이다. 이 흐름도는 캘리브레이션 장치(20)의 CPU(21)가 ROM(22) 등에 기억되는 프로그램을 실행함으로써 처리된다. 도 6의 흐름도는 예를 들면 캘리브레이션 장치(20)의 전원이 ON으로 되었을 경우에 시작하거나, 캘리브레이션 장치(20)의 유저로부터의 시작지시 에 응하여 시작한다.

<스텝 1>

스텝 1에 있어서 캘리브레이션 장치(20)는 우선, 로봇 워크 스페이스(작업공간)를 설정하고, 로봇 암 선단의 목표 이동위치를 설정(결정)한다.

도 7은 캘리브레이션 장치(20)가, 로봇 워크 스페이스(RW)를 설정하고, 로봇 암 선단의 목표 이동위치를 결정하는 처리를 설명하는 도면이다. 도 7에 나타나 있는 바와 같이 캘리브레이션 장치(20)는 우선 로봇 워크 스페이스(RW)로서 XYZ좌표계에 있어서의 범위를 결정한다. 본 실시형태에서는 로봇 워크 스페이스(RW)의 X축방향의 범위는 300mm~700mm로 설정하고, Y축방향의 범위는 -700mm~700mm로 설정하고, Z축방향의 범위는 200mm~500mm로 설정한다. 그리고 캘리브레이션 장치(20)는, 로봇 워크 스페이스(RW)내에, Y축과 Z축으로 규정되는 면에 평행한 4개의 면(S1)~면(S4)을 설정한다. 면(S1)~면(S4)은 X축 방향으로 100mm의 간격으로 설정된다. 로봇 워크 스페이스(RW)는 소정의 3차원 공간이다.

상기의 로봇 워크 스페이스의 범위의 수치는 캘리브레이션 장치(20)의 유저가 조작부(25)를 통해서 캘리브레이션 장치(20)에 입력하고, 상기 입력된 값에 의거하여, 목표 이동위치 설정부(31)가 설정한다.

그 후 캘리브레이션 장치(20)는 면(S1)~면(S4)의 각각에 있어서 소정 수의 목표 이동위치(P1~P44)를 소정 간격(등간격)으로 설정한다. 이 소정 간격(예를 들면 P1부터 P2까지의 거리)은, 예를 들면 50mm~100mm이며, 도 7의 예에서는 100mm이다. 도 7에 나타나 있는 바와 같이 면(S1)의 좌측 위의 점을, 최초의 목표 이동위치(P1)라고 하고, 목표 이동위치(P1)로부터 Y축을 따라 10개의 목표 이동위치 (P2, P3, …P11)를 100mm 간격으로 설정한다. 목표 이동위치(P1)로부터 목표 이동위치(P11)로 규정되는 선을 라인(L1)이라고 칭한다. 라인(L1)은 면(S1)의 장방형의 상변을 따른 라인이다.

면(S1~S4)의 위치 및 목표 이동위치(P1~P44)의 위치는, 캘리브레이션 장치(20)의 유저가 조작부(25)를 통해 캘리브레이션 장치(20)에 입력한 수치(좌표값, 간격 등)에 의거하여 목표 이동위치 설정부(31)가 설정한다.

다음으로 라인(L1) 밑에, 목표 이동위치(P12)로부터 목표 이동위치(P22)로 규정되는 선인 라인(L2)을 설정한다. 라인(L2)은 라인(L1)과 평행하며, Z축방향 하방에 100mm 떨어진 위치로 연장되는 라인이다. 목표 이동위치(P12)는 목표 이동위치(P11)의 바로 아래의 위치이며, 목표 이동위치(P22)는 목표 이동위치(P1)의 바로 아래의 위치이다. 또한 라인(L2) 밑에, 목표 이동위치(P23)로부터 목표 이동위치(P33)로 규정되는 선인 라인(L3)을 설정하고, 라인(L3) 밑에, 목표 이동위치(P34)로부터 목표 이동위치(P44)로 규정되는 선인 라인(L4)을 설정한다. 라인(L1~L4)은 4개의 평행한 라인이고, 각 라인에는 11개의 목표 이동위치가 설정된다. 또한 이하의 설명에 있어서 목표 이동위치(P1~P44)를 총칭해서「목표 이동위치 (P)」라고 기재하기도 한다.

면(S2)~면(S4)의 각각에도 면(1)과 같은 4개의 라인(L1~L4)이 설정되고, 면(S2)~면(S4)의 각 라인 상에 목표 이동위치(P1~P44)가 설정된다. 면(S4)의 목표 이동위치(P1)의 좌표(X, Y, Z)는 (300mm, -500mm, 500mm)이다.

또한 하나의 면에 설정되는 목표 이동위치(P)의 수는 44개에 한정되지 않는다. 또한 목표 이동위치(P11)의 다음 목표 이동위치(P12)를 목표 이동위치(P11)의 바로 밑의 위치로 한 것은 암 선단 이동위치를 측정할 때의 기어 블랙 래시에 기인하는 오차의 균일성을 보증하기 위해서이다.

다음에 스텝 1에 있어서 캘리브레이션 장치(20)는 면(S1)의 목표 이동위치(P1)로부터 목표 이동위치(P44)에 대해서 로봇(1)의 관절각도를 계산·취득한다.즉, 캘리브레이션 장치(20)는 각 목표 이동위치에 대응하는 관절각도를 계산·취득한다. 구체적으로는 캘리브레이션 장치(20)는 각 목표 이동위치(P1~P44)의 목표값과 설계시의 DH 파라미터를 이용하여 역 키네마틱스 연산을 행함으로써, 각 목표 이동위치(P1~P44)의 로봇 관절각도를 계산·취득한다.

면(S1)의 목표 이동위치(P1~P44)에 대응하는 로봇 관절각도를 취득할 수 있으면, 캘리브레이션 장치(20)는, 면(S2), 면(S3), 및 면(S4)의 목표 이동위치(P1~P44)에 대해서도 로봇의 관절각도를 계산한다. 이러한 처리에 의해 면(S1)~면(S4)의 목표 이동위치(P1~P44)에 대해서, 로봇의 관절각도를 취득할 수 있다. 예를 들면 면(S4)의 목표 이동위치(P1)의 로봇 관절각도(θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6, θ7)는 (158.911, -26.598, -45.731, -180.0, 107.670, 111.088)이다. 관절각도의 단위는 도(deg)이다.

또한, 면(S1)~면(S4)의 목표 이동위치(P) 안에 로봇 암 선단이 도달할 수 없는 위치(도달 불가능점)가 있을 경우 상기 도달 불가능점을 면(S1)~면(S4)의 목표 이동위치(P)로부터 제외하는 처리를 스텝 1에 있어서 행한다. 이것은 도달 불가능점이 캘리브레이션 프로세스에서 사용되지 않도록 하기 위해서이다. 목표 이동위치가 도달 가능점인지 도달 불가능점인지는 역 키네마틱스 연산의 결과에 의거하여 도달 불가능점 제외부(34)가 판단한다.

<스텝 2>

스텝 1 후에 스텝 2로 진행한다. 스텝 2에 있어서 캘리브레이션 장치(20)는 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 기인하는 오차를 최소한으로 하기 위해서 스텝 1에서 취득한 관절각도(joint angle)를 조절한다. 구체적으로는 우선 스텝 1에서 취득한 관절각도를 180도의 가장 가까운 배수(정수)로 한다(사사오입한다). 관절각도를 180도의 가장 가까운 배수로 할 때 사용하는 계산식은, 이하의 식(2) 및 식 (3)이다.

로봇의 축(J1~J6)을 회전시키는 모터는 소정의 감속비(기어비:gear ratio)를 갖는 기어를 통해 모터의 회전을 로봇의 축(J1~J6)에 전달한다. 기어비는 예를 들면 100:1이다라고 한다.

우선 식(2)에 의해 모터 측의 관절각도(joint_angle_motor_side)를 계산한다. 모터 측의 관절각도는 실제의 관절각도(스텝 1에서 취득한 관절각도)에 기어비인 100을 곱한 값이다. 다음으로 식(3)에 의해, 모터측의 관절각도를 180도의 배수(정수배)로 한다. 식(3)의 우변에서 모터측의 관절각도를 180로 나누고 있는 것은 모터의 180도의 회전각도 위치에 있어서의 관절각도의 값이 기어의 회전각도 전달 오차의 영향을 가장 받지 않는 값이기 때문이다. 180도에서의 관절각도의 값이 기어의 회전각도 전달 오차의 영향을 가장 받지 않는 값인 것은 본 발명의 발명자가 실험에 의해 얻은 지견이다.(도 8을 이용하여 후술한다).

도 8은, 기어의 회전각도 전달 오차의 영향을 설명하기 위한 그래프이다. 도 8은 모터의 출력축을 시계방향으로 회전시킨 경우의 그래프이다. 도 8의 그래프의 세로축은 회전각도 오차(분)를 나타내고, 가로축은 모터의 출력축 회전각도(도)를 나타내고 있다. 도 8의 그래프는 본 출원의 발명자가 실험에서 얻은 데이터를 나타내고 있다. 도 8에 나타나 있는 바와 같이 180도 부근에 있어서 회전각도 오차의 변동이 가장 작은 것을 알 수 있다. 또한 오차변동은 180도의 주기로 나타나는 것도, 발명자의 실험에 의해 확인되었다. 도면 중 CW는 Clockwise의 약자이다.

다음으로 식(4)를 사용하여 캘리브레이션 장치(20)는 조절한 관절각도(joint angle after correction)를 계산한다.

구체적으로는 캘리브레이션 장치(20)는 식(3)에서 얻어진 각도에 180과 1/100 (기어비의 역수)을 곱함으로써, 조절한 관절각도를 얻는다. 예를 들면 면(S4) 의 목표 이동위치(P1)의 조절 후의 로봇 조절각도(θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6, θ7)는, (-158.4,-27, -45, -180.0, 108, 111.6)이다.

그 후 스텝 2에 있어서 캘리브레이션 장치(20)는 조절한 관절각도와 설계시의 DH 파라미터를 이용하여 순 키네마틱스 연산을 행함으로써 로봇 암 선단위치를 계산·취득한다.

스텝 2에 있어서의 「조절한 관절각도의 취득」은 관절각도 조절부(35)가 행한다. 이「조절한 관절각도의 취득」은 기어 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 의거하여 관절 각도 취득부(32)에서 취득한 각도를 조절하는 처리이다.

<스텝 3>

스텝 3에 있어서 캘리브레이션 장치(20)는 스텝 2에서 취득한 로봇 암 선단위치에 관한 관절각도를 설계시의 DH 파라미터를 이용하여 역 키네마틱스 연산에 의해 계산한다. 이것은 스텝 2의 관절각도 조절 후에 있어서의 도달 불가능한 목표 이동위치(도달 불가능점)를 제외하기 위함이다. 도달 불가능점 제외부(34)는 스텝 3에서 계산한 관절각도에 의거하여 목표 이동위치(P)로부터 도달 불가능점을 제외한다.

스텝 3의 종료시에 있어서 면(S1~S4)의 목표 이동위치(P1~P44)의 합계 개수는 50 이상인 것이 바람직하다. 이것은 DH 파라미터를 계산할 때에 50개의 방정식을 풀기 때문이다. 또한 목표 이동위치(P)가 지나치게 많으면 계산에 요하는 시간이 길어지거나 계산결과에 편차가 생기는 일이 있으므로, 목표 이동위치(P)의 개수는 예를 들면 59 이하인 것이 바람직하다.

<스텝 4>

스텝 4에 있어서 캘리브레이션 장치(20)는 스텝 2에서 취득한 관절각도를 이용하여 설계시의 DH 파라미터를 수정한다. 스텝 2에서 취득한 관절각도는 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차의 영향이 가장 작은 상태에 있어서의 관절각도이다. 식(1)에 있어서, 우변의 제 2항인 「감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 기인하는 오차」가 최소의 상태에 있어서 DH 파라미터를 수정하면, DH 파라미터를 고정밀도로 수정할 수 있는 것이 된다.

DH 파라미터의 수정은 스텝 2에서 취득한 관절각도에 있어서의 로봇 암 선단의 목표 이동위치와 실제의 이동위치의 차가 제로가 되도록(혹은 최소가 되도록) 행한다. 이 경우, 캘리브레이션 장치(20)는 로봇(1)에 로봇 암 선단이 목표 이동위치로 이동하도록 지시를 송신한다. 로봇 암 선단의 실제 이동위치는 레이저 트레커가 계측한다. 레이저 트레커는 계측값을 캘리브레이션 장치(20)에 송신한다. 캘리브레이션 장치(20)는 레이저 트레커로부터 계측값을 수신함으로써 로봇 암 선단의 실제 이동위치를 취득한다. 캘리브레이션 장치(20)는 실제의 이동위치와 지시값의 차가 제로가 되도록 DH 파라미터를 수정한다. 상기한 DH 파라미터의 수정은 DH 파라미터 수정부(37)가 행한다.

<실시형태의 효과>

본 실시형태에 의하면 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 기인하는 오차를 제거 또는 최소로 한 후에, DH 파라미터의 수정을 행하므로, DH 파라미터의 계산이 발산해버리는 가능성이 없어진다(또는 저감한다). 종래 DH 파라미터를 수정할 경우 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 기인하는 오차를 포함한 상태로 수정을 행하고 있었기 때문에 DH 파라미터의 계산이 수속하지 않고 발산해버리는 가능성이 있었다. 본 실시형태에 의하면 그런 가능성이 저감된다.

본 실시형태에 의하면 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 기인하는 오차를 제거 또는 최소로 한 후에 DH 파라미터의 수정을 행하므로 DH 파라미터의 수정을 적절히 행할 수 있다. DH 파라미터를 수정할 때, 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 기인하는 오차를 포함한 채 행하면 DH 파라미터를 정확하게 수정할 수 없다. 본 실시형태에서는 DH 파라미터의 수정을 보다 정확하게 행할 수 있다. 즉, 본 실시에 의하면 감속기의 기어의 회전각도 전달 오차에 기인하는 오차를 제거 또는 최소로 한 후, DH 파라미터의 오차를 제로로 하고 있으므로, 정확한 캘리브레이션을 행할 수 있다.

또한 스텝 3의 종료 시점에 있어서 면(S1~S4)의 목표 이동위치의 합계가 50 이상이 되도록 했기 때문에, DH 파라미터의 계산을 발산하는 일 없이 행할 수 있다.

또한, 상기한 본 실시형태에서는 6축 로봇을 이용하여 캘리브레이션을 행하는 예를 설명했지만 본 실시형태의 적용은 6축 로봇에 한정되지 않는다. 관절을 갖는 로봇이라면 본 실시형태를 적용할 수 있다. 또한 목표 이동위치(P)의 수는, DH 파라미터의 계산에 사용하는 방정식의 수에 따라 증감되어도 좋다. 즉, 목표 이동위치(P)의 수는 DH 파라미터의 계산에 사용하는 방정식이 수속하고 소정 시간내에 계산이 종료되면 임의의 수로 해도 좋다.

1…로봇
20…캘리브레이션 장치
31…목표 이동위치 설정부
32…관절각도 계산부
33…키네마틱스 계산부
34…도달 불가능점 제외부
35…관절각도 조절부
36…암 선단위치 계산부
37…DH 파라미터 수정부

Claims

암과, 상기 암에 부설된 관절과, 상기 관절에 설치된 모터와, 상기 모터와 상기 관절 사이에 설치된 기어 감속기를 갖는 로봇의 캘리브레이션 장치로서,
소정의 3차원 공간 내에서 상기 암의 선단의 목표 이동위치를 설정하는 설정부와,
상기 목표 이동위치에 상기 암의 선단을 이동했을 때의 상기 관절의 각도를 취득하는 취득부와,
상기 기어 감속기의 기어의 회전각도 전달오차에 의거하여 상기 취득부에서 취득한 각도를 조절하는 조절부와,
상기 조절부에서 조절한 각도를 이용하여 상기 로봇의 DH(Denavit-Hartenberg) 파라미터를 수정하는 수정부를 구비하고,
상기 설정부가 설정하는 목표 이동위치의 수는 상기 DH 파라미터를 수정할 때 사용하는 방정식의 수에 따라서 정해지는 캘리브레이션 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 조절부는 상기 모터의 회전각도가 소정 각도에 있을 때의 상기 기어의 회전각도 전달오차에 의거하여 상기 조절을 행하는 캘리브레이션 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 소정 각도는 180도의 배수인 캘리브레이션 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 설정부가 설정한 목표 이동위치 중, 상기 암의 선단이 도달할 수 없는 목표 이동위치를 제외하는 제외부를 더 구비하는 캘리브레이션 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 도달할 수 없는 목표 이동위치를 제외한 후의 상기 목표 이동위치의 수가 50 이상인 캘리브레이션 장치.
암과, 상기 암에 부설된 관절과, 상기 관절에 설치된 모터와, 상기 모터와 상기 관절의 사이에 설치된 기어 감속기를 갖는 로봇의 캘리브레이션 방법으로서,
소정의 3차원 공간 내에서 상기 암의 선단의 목표 이동위치를 설정하는 설정 스텝과,
상기 목표 이동위치에 상기 암의 선단을 이동했을 때의 상기 관절의 각도를 취득하는 취득 스텝과,
상기 기어 감속기의 기어의 회전각도 전달오차에 의거해서 상기 취득 스텝에서 취득한 각도를 조절하는 조절 스텝과,
상기 조절 스텝에서 조절한 각도를 이용하여, 상기 로봇의 DH 파라미터를 수정하는 수정 스텝을 구비하고,
상기 설정 스텝이 설정하는 목표 이동위치의 수는 상기 DH 파라미터를 수정할 때 사용하는 방정식의 수에 따라서 정해지는 캘리브레이션 방법.