KR102342243B1 - 로봇암 파라미터 연산 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

제1연결부를 포함하는 제1암, 제2연결부를 포함하는 제2암, 상기 제1암과 상기 제2암을 회전 가능하게 연결하는 링크, 상기 제1연결부와 상기 제2연결부에 일측과 타측이 연결되고 길이의 변경에 따라 상기 제1암과 상기 제2암 사이의 각도를 변형하는 실린더 및 상기 실린더의 길이변화에 따라 상기 실린더의 길이값 또는 상기 실린더와 대향하는 위치의 각도값을 연산하는 제어기를 포함하는 로봇암 파라미터 연산 시스템이 개시된다.

Description

로봇암 파라미터 연산 시스템 및 그 방법{parameter calibration system for robot arm and method of the same}

본 발명은 로봇암의 새로운 파라미터를 연산하는 연산 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 로봇의 관절각과 말단부의 위치를 측정하기 위하여 정기구학이 활용된다. 그리고 역으로 로봇의 말단부의 정보를 이용하여 관절각을 연산하기 위하여 역기구학이 활용된다. 이러한 정기구학, 역기구학을 통하여 정보를 표현하고, 연산하기 위하여 Denavit-Hartenberg parameter(이하 'DH 파리미터'라고 함)가 이용된다.

DH 파리미터는 각각의 로봇암을 연결하는 관절의 축을 기준으로 하여 각각의 로봇암을 연결하는 링크에 부여된 좌표들 사이의 관계들이 기술되어 있는 것으로, i번째 위치한 링크(i번째 암과 i+1번째 암에 설치)와 i+1번째 위치한 링크 사이의 매개변수를 설정한 것으로, d(i번째 좌표 시스템에서 z(i)축 방향으로 공통법선 까지의 거리),

(x(i)에서 x(i+1) 까지 z(i)축을 따라서 회전한 각도), a(공통법선의 거리), (x(i+1)축을 따라서 z(i)에서 z(i+1)까지 회전한 각도)로 설정되며, 이들을 이용하여, 연속 좌표 변환을 수행하여 최종적 말단부의 정보를 획득하거나 관절각을 획득할 수 있다.

그러나 DH 파리미터를 활용하여, 로봇암의 움직임을 예측하고 제어하는 것은 길이가 길어지고 짧아지는 실린더를 통하여 관절을 회전시키는 매니퓰레이터에서는 로봇암의 움직임을 제어하기 위한 모든 정보를 담지 못하고 있는 실정이다.

따라서 실린더를 통하여 관절을 회전시키는 매니퓰레이터를 위한 새로운 파라미터 설정 및 연산이 필요한 실정이다.

공개특허공보 "10-2020-0073987"

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실린더를 이용하여 관절을 회전시키는 매니퓰레이터의 파리미터를 연산하여 로봇암의 움직임을 정확하게 제어할 수 있는 로봇암 파라미터 연산 시스템 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명인 로봇의 로봇암 파라미터 연산 시스템은 제1연결부를 포함하는 제1암, 제2연결부를 포함하는 제2암, 상기 제1암과 상기 제2암을 회전 가능하게 연결하는 링크, 상기 제1연결부와 상기 제2연결부에 일측과 타측이 연결되고 길이의 변경에 따라 상기 제1암과 상기 제2암 사이의 각도를 변형하는 실린더 및 상기 실린더의 길이변화에 따라 상기 실린더의 길이값 또는 상기 실린더와 대향하는 위치의 각도값을 연산하는 제어기를 포함한다.

상기 링크는 상기 제1암과 제2암 사이를 연결하는 제1링크와 상기 제1암과 이격된 위치의 제3암과 상기 제2암을 연결하는 제2링크를 포함하고, 상기 제어기는

기설정된 위치에서 상기 제1링크에 설정된 x좌표와 제2링크에 설정된 x좌표 사이의 각도인 θ값이 기저장되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 로봇암 파라미터 연산 시스템은, 상기 제1링크와 제1연결부 사이의 길이인 제1길이값과, 상기 제1링크와 제2연결부 사이의 길이인 제2길이값과, 상기 제1길이값과 제2길이값을 형성하기 위한 실린더의 길이값 및 상기 실린더의 길이값이 커지는지 또는 작아지는지에 따라 다르게 설정된 각도 음양값이 입력되면, 기설정된 상수연산식을 이용하여 상수각값을 연산하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상수연산식은

이다.

상기 제어기는 실린더 길이값이 입력되면 기설정된 제1연산식을 이용하여 상기 실린더와 대향하는 위치의 각도값을 연산하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 제1연산식은

이다.

상기 제어기는 상기 실린더 길이값이 입력되면 기설정된 제2연산식을 이용하여 θ값을 연산하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 제2연산식은

이다.

상기 제어기는 상기 θ값이 입력되면, 기설정된 제2연산식을 이용하여 θ값을 연산하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 제2연산식은

이다.

상기 제어기는 상기 실린더에 대향하는 위치의 각도값이 연산되면 기설정된 제3연산식을 이용하여 상기 실린더의 길이값을 연산하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 제3연산식은

이다.

실린더를 이용하여 로봇의 관절을 회전시키는 로봇의 로봇암 파라미터를 연산하는 방법은 제어기에 DH 파라미터를 기저장하는 저장단계, 제1암과 제2암이 링크를 통하여 연결된 구조와, 상기 제1암의 제1연결부와 제2암의 제2연결부에 연결된 실린더의 구조를 파악하는 파악단계, 기설정된 연산식을 이용하여 상기 실린더에 대향하는 위치의 각도값 또는 상기 실린더의 길이값을 연산하는 연산단계를 포함한다.

상기 파악단계에서 상기 링크는 상기 제1암과 제2암 사이를 연결하는 제1링크와 상기 제1암과 이격된 위치에서 제3암과 상기 제2암을 연결하는 제2링크를 파악하는 세부파악단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 연산단계는 상기 제1링크와 제1링크와 제1연결부 사이의 길이인 제1길이값과, 상기 제1링크와 상기 제2연결부 사이의 길이인 제2길이값과 상기 제1길이값과 제2길이값을 형성하기 위한 실린더의 길이값 및 상기 실린더의 길이값이 커지는지 또는 작아지는지에 따라 다르게 설정된 각도 음양값을 입력받아, 기설정된 상수연산식을 이용하여 상수각값을 연산하는 상수각값연산단계를 포함한다.

여기서, 상수연산식은

이다.

상기와 같이 형성되는 본 발명은 실린더를 이용하여 관절을 회전시키는 매니퓰레이터의 파라미터를 연산하여 로봇암의 움직임을 정확하게 제어할 수 있다.

또한, 본 발명은 실린더를 통하여 관절을 회전시키는 매니퓰레이터를 포함하는 로봇암의 제어기의 설정이 용이해질 수 있다.

도 1은 본 발명인 로봇암 파라미터 연산 시스템의 알고리즘 블록도이다.
도 2는 본 발명인 매니퓰레이터의 간략도이다.
도 3은 본 발명인 매니퓰레이터의 움직임 전, 움직임 후를 도시한 간략도이다.
도 4는 본 발명인 로봇암 파라미터 연산 방법의 순서도이다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 그러나 이는 본 발명의 범위를 한정하려고 의도된 것은 아니다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

일 실시예에 따른 본 발명의 로봇암 파라미터 연산 시스템은 실린더를 이용하여 로봇의 관절을 회전시키는 로봇의 필요한 파라미터를 연산하여 로봇을 정확하게 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명인 로봇암 파라미터 연산 시스템의 알고리즘 블록도이다.

도 2는 본 발명인 매니퓰레이터의 간략도이다.

도 3은 본 발명인 매니퓰레이터의 움직임 전, 움직임 후를 도시한 간략도이다.

본 발명의 로봇암 파라미터 연산 시스템은 로봇암, 링크, 실린더 및 제어기를 포함할 수 있다.

로봇암은 도 2에서 확인되는 바와 같이, 제1암(100)과 제2암(200)으로 구성될 수 있다. 여기서, 제1암(100)은 베이스 측에 위치된 로봇암을 의미할 수 있고, 제2암(200)은 말단부 측에 위치된 로봇암을 의미할 수 있다.

여기서, 제1암(100)과 제2암(200)은 설명의 편의를 위하여 구분된 것이며, 이에 한정되지 않는다. 또한, 제1암(100), 제2암(200)은 설명의 편의를 위하여 순서를 붙인 것이다. 그리고 로봇암은 두 개로 한정되지 않는다. 제1암(100)에 인접하여 제2암(200)이 위치되고, 제2암(200)에 인접하여 제3암이 위치될 수 있다. 로봇암은 실시예에 따라 복수개로 구성될 수 있다.

제1암(100)은 제1연결부를 포함하고, 홀이 일측에 형성될 수 있다.

제2암(200)은 제2연결부를 포함하고, 홀이 타측에 형성될 수 있다.

제1암(100)의 홀과 제2암(200)은 홀은 겹치게 위치될 수 있고, 이 부분에 링크가 설치될 수 있다. 따라서 제1암(100)과 제2암(200)은 상호 회전 가능하게 연결될 수 있다.

한편, 링크 역시 복수개로 구성될 수 있다. 즉, 제1암(100)과 제2암(200)에는 제1링크(300)가 위치될 수 있고, 제2암(200)과 제3암에는 제2링크(400)가 위치될 수 있다.

실린더의 일측은 제1연결부에 위치되고, 타측은 제2연결부에 위치될 수 있다. 한편, 실린더 역시 암의 수에 따라 복수개로 구성될 수 있음은 당연하다. 즉, 제2암(200)과 제3암의 각각의 연결부에는 제2실린더가 위치될 수 있다.

실린더는 길이가 변환될 수 있다. 그에 따라 제1암(100)과 제2암(200)의 연결각도가 변형될 수 있다.

제어기는 파리미터를 연산하여 로봇의 정확한 제어를 가능하게 할 수 있다. 제어기는 실린더의 길이값 또는 실린더와 대향하는 위치의 각도값을 연산할 수 있다.

제어기에는 θ값이 기저장되어 있어서, 제어기는 필요에 따라 말단부의 정보 및 베이스의 정보를 확인할 수 있다. θ값은 제1암(100)과 제2암(200)을 연결하는 링크인 제1링크(300)에 설정된 x좌표에서 제2링크(400)에 설정된 x좌표 사이의 회전 각도를 의미할 수 있다.

제어기는 상수연산식이 기설정되어 있어서, 상수각값을 설정할 수 있다.

상수연산식:

사용자는 단말기를 이용하여, 제1길이값, 제2길이값, 실린더의 길이값 및 음양값을 입력할 수 있다.

제1길이값은 도 2에서 확인되는 바와 같이, 제1링크(300)와 제1연결부 사이의 직선 길이를 의미한다.

제2길이값은 도 2에서 확인되는 바와 같이, 제1링크(300)와 제2연결부 사이의 직선길이를 의미한다.

실린더의 길이값은 제1길이값과 제2길이값을 형성할 때 실린더의 길이값을 의미할 수 있다.

음양값은 각도값의 음수 또는 양수를 결정하는 값이다.

상수각값을 연산하기 위하여 θ값과 실린더와 대향하는 위치의 각도값의 음양 부호를 명확하게 설정할 필요가 있다. 여기서는 기설정된 설정에 따라서 연산될 수 있다.

도 2에서 확인되는 바와 같이, 제1링크(300)의 x축에서 제2링크(400)의 x축으로 변형되는 시계방향을 양수로 하고, 그 반대 방향을 음수로 설정한 경우, θ값은 양수일 수 있고, 실린더와 대향하는 위치의 각도값은 반시계방향으로 설정되었으므로 음수일 수 있다.

이처럼 음양값은 사용자의 설정에 따라 변화될 수 있으나, 본 발명에서는 설명의 편의를 위하여 시계방향을 양수, 반시계방향을 음수라고 명명하겠다.

본 발명인 입력된 각 값을 이용하여 상수각값을 연산한다.

여기서, 상수각값은 1회 연산으로 획득되어 질 수 있다.

그 이유는 도 3에서 확인되는 바와 같이, 상수각값은 θ값과 실린더와 대향하는 위치의 각도값 사이의 각도를 의미하는데, 실린더의 길이가 도 3에서 실선과 같다가, 도 3의 점선과 같이 변하게 되어 실린더와 대향하는 위치의 각도값의 크기가 작아지면, 그에 대응하여 θ값의 크기가 커진다. 그러므로 상수각값은 그 크기가 변하지 않으므로, 1회 연산으로 구해지며, 그 값은 변화되지 않는 상수일 수 있다.

이후에 본 발명인 로봇암 파라미터 연산 시스템은 정기구학 또는 역기구학에 따라 θ값을 연산하거나, 실린더의 길이값을 연산한다. 이하에서는 정기구학 연산이 필요한 경우를 먼저 설명하고, 그 다음 역기구학 연산이 필요한 경우를 후에 설명하도록 하겠다.

사용자는 단말기를 이용하여 말단부의 정보를 알고 싶은 경우, 단말기를 이용하여 제1길이값, 제2길이값, 실린더의 길이값, 음양값을 입력한다. 그러면 제어기는 제1연산식에 해당 값들을 대입하여 실린더와 대향하는 위치의 각도값을 연산한다.

제1연산식:

그리고, 제어기는 연산된 실린더와 대향하는 위치의 각도값의 음양부호를 입력된 값에 따라 결정하고, 제2연산식에 대입하여 최종적으로 θ값을 출력한다. θ값이 출력되면, 제어기는 DH 파라미터를 이용하여 정기구학 연산을 수행하여 말단부의 정보를 확인할 수 있다.

사용자는 관절(링크)의 정보를 알고 싶은 경우, 말단부의 정보를 이용하여 역기구학 연산을 통하여 확인된 θ값을 단말기를 통하여 제어기에 입력한다.

제어기는 제2연산식을 이용하여 실린더와 대향하는 위치의 각도값을 연산할 수 있다.

제2연산식:

그리고, 사용자는 제1길이값, 제2길이값, 음양값을 단말기를 통하여 제어기에 입력할 수 있다. 그러면 제어기는 제3연산식을 이용하여 실린더의 길이값을 연산할 수 있다.

제3연산식:

이처럼 본 발명은 직동 실린더를 통해 회전 구동되는 매니퓰레이터의 실린더와 관련된 정보를 명확하게 알 수 있어, 로봇의 제어가 용이하고, 로봇의 셋팅이 용이할 수 있다.

본 발명인 로봇암 파라미터 연산 방법은 실린더를 이용하여 로봇의 관절을 회전시키는 로봇의 파라미터를 연산하여, 정확한 제어가 가능하게 하고, 셋팅을 용이하게 할 수 있다.

도 4는 본 발명인 로봇암 파라미터 연산 방법의 순서도이다.

로봇암 파라미터 연산 방법은 저장단계, 파악단계, 연산단계를 포함할 수 있다.

여기서, 파악단계는 세부파악단계를 포함할 수 있다.

여기서, 연산단계는 상수각값연산단계, 실린더와 대향하는 위치의 각도값 연산단계, 실린더 길이값 연산단계를 포함할 수 있다.

저장단계는 로봇암 파라미터를 연산하기 위한 기초정보인 DH 파라미터를 저장하는 단계이다. 여기서 DH 파라미터는 제어기에 저장될 수 있다.

DH 파라미터는 전술한 바와 같이, d(i번째 좌표 시스템에서 z(i)축 방향으로 공통법선 까지의 거리),

(x(i)에서 x(i+1) 까지 z(i)축을 따라서 회전한 각도), a(공통법선의 거리), (x(i+1)축을 따라서 z(i)에서 z(i+1)까지 회전한 각도)들일 수 있다. DH 파라미터는 테이블 데이터화 되어 제어기에 저장될 수 있다.

파악단계는 제1암(100)과 제2암(200)이 링크를 통하여 연결된 구조와 제1암(100)의 제1연결부와 제2연결부에 연결된 실린더의 구조를 파악하는 단계이다.

또한, 세부파악단계는 실린더 구동형 로봇을 보다 정밀하게 파악하는 것으로, 전술한 바와 같이, 제1암(100)과 제2암(200) 사이를 연결하는 제1링크(300)와, 제2암(200)과 제3암이 제2링크(400)에 의하여 연결되는 관계를 파악하는 것으로 로봇을 보다 정밀하게 파악하는 단계이다.

연산단계는 제어기가 각각의 값들이 입력되면, 실린더에 대향하는 위치의 각도값을 연산하거나 실린더의 길이값을 연산하는 단계이다.

상수각값연산단계는 제어기가 상수연산식을 이용하여 상수각값을 연산하는 단계이다.

상수연산식:

여기서, 제어기에는 제1길이값, 제2길이값, 실린더의 길이값, 음양값들이 입력될 수 있으며, 각각 값들의 의미는 전술한 바와 같다.

이후 본 발명인 로봇암 파라미터 연산방법은 필요정보에 따라 다른 값들을 출력할 수 있다.

사용자는 정기구학 연산을 이용하고자 하는 경우, 실린더와 대향하는 위치의 각도값 연산단계가 제어기에서 수행될 수 있다.

제어기는 제1연산식, 제2연산식이 기저장되어 있다.

제1연산식:

제2연산식:

제어기는 실린더의 길이값, 제1길이값, 제2길이값을 수신한 경우, 제1연산식을 이용하여 실린더와 대향하는 위치의 각도값을 연산할 수 잇다.

그리고 제어기는 이 연산된 실린더와 대향하는 위치의 각도값, 상수각값, 제2연산식을 이용하여 θ값이 연산할 수 있다.

또는 사용자가 역기구학 연산을 이용하고자 하는 경우, 실린더의 길이값을 연산하는 단계가 수행될 수 있다.

제어기에는 제2연산식, 제3연산식이 기저장되어 있다.

제3연산식:

제어기는 θ값이 입력되면 제2연산식을 이용하여 실린더와 대향하는 위치의 각도값을 연산할 수 있다.

그 후, 제어기는 단말기를 통하여 입력되는 제1길이값, 제2길이값과 연산된 실린더와 대향하는 위치의 각도값 및 제3연산식을 이용하여 실린더의 길이값을 연산할 수 있다.

본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 제1암
200 제2암
300 제1링크
400 제2링크

Claims (10)

1. 실린더를 이용하여 로봇의 관절을 회전시키는 로봇의 로봇암 파라미터 연산 시스템에 있어서,
   제1연결부를 포함하는 제1암;
   제2연결부를 포함하는 제2암;
   상기 제1암과 상기 제2암을 회전 가능하게 연결하는 링크;
   상기 제1연결부와 상기 제2연결부에 일측과 타측이 연결되고 길이의 변경에 따라 상기 제1암과 상기 제2암 사이의 각도를 변형하는 실린더; 및
   상기 실린더의 길이변화에 따라 상기 실린더의 길이값 또는 상기 실린더와 대향하는 위치의 각도값을 연산하는 제어기를 포함하며
   상기 링크는
   상기 제1암과 제2암 사이를 연결하는 제1링크와 상기 제1암과 이격된 위치의 제3암과 상기 제2암을 연결하는 제2링크를 포함하고,
   상기 제어기는
   기설정된 위치에서 상기 제1링크에 설정된 x좌표와 제2링크에 설정된 x좌표 사이의 각도인 θ값이 기저장되어 있으며,
   상기 제1링크와 제1연결부 사이의 길이인 제1길이값과, 상기 제1링크와 제2연결부 사이의 길이인 제2길이값과, 상기 제1길이값과 제2길이값을 형성하기 위한 실린더의 길이값 및 상기 실린더의 길이값이 커지는지 또는 작아지는지에 따라 다르게 설정된 각도 음양값이 입력되면,
   기설정된 상수연산식인

   

   을 이용하여 상수각값을 연산하고,
   상기 제어기는
   상기 θ값이 입력되면, 기설정된 제2연산식인

   

   을 이용하여 실린더와 대향하는 위치의 각도값을 연산하며,
   상기 제어기는,
   상기 실린더에 대향하는 위치의 각도값이 연산되면 기설정된 제3연산식인

   

   을 이용하여 상기 실린더의 길이값을 연산하는 것
   을 특징으로 하는 로봇암 파라미터 연산 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어기는
   실린더 길이값이 입력되면 기설정된 제1연산식을 이용하여 상기 실린더와 대향하는 위치의 각도값을 연산하는 것
   을 특징으로 하는 로봇암 파라미터 연산 시스템.
   
   제1연산식:

   

   
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 제어기는
   상기 실린더 길이값이 입력되면 기설정된 제2연산식을 이용하여 θ값을 연산하는 것
   을 특징으로 하는 로봇암 파라미터 연산 시스템.
   
   제2연산식:

   

   
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 실린더를 이용하여 로봇의 관절을 회전시키는 로봇의 로봇암 파라미터를 연산하는 방법에 있어서,
   제어기에 DH 파라미터를 기저장하는 저장단계;
   제1암과 제2암이 링크를 통하여 연결된 구조와, 상기 제1암의 제1연결부와 제2암의 제2연결부에 연결된 실린더의 구조를 파악하는 파악단계; 및
   기설정된 연산식을 이용하여 상기 실린더에 대향하는 위치의 각도값 또는 상기 실린더의 길이값을 연산하는 연산단계를 포함하며
   상기 파악단계에서
   상기 링크는 상기 제1암과 제2암 사이를 연결하는 제1링크와 상기 제1암과 이격된 위치에서 제3암과 상기 제2암을 연결하는 제2링크를 파악하는 세부파악단계를 포함하고,
   상기 연산단계에서
   상기 제어기는 상기 제1링크와 제1링크와 제1연결부 사이의 길이인 제1길이값과, 상기 제1링크와 상기 제2연결부 사이의 길이인 제2길이값과 상기 제1길이값과 제2길이값을 형성하기 위한 실린더의 길이값 및 상기 실린더의 길이값이 커지는지 또는 작아지는지에 따라 다르게 설정된 각도 음양값을 입력받아, 기설정된 상수연산식인

   

   을 이용하여 상수각값을 연산하고,
   상기 제어기는
   상기 θ값이 입력되면, 기설정된 제2연산식인

   

   을 이용하여 실린더와 대향하는 위치의 각도값을 연산하고,
   상기 실린더에 대향하는 위치의 각도값이 연산되면 기설정된 제3연산식인

   

   을 이용하여 상기 실린더의 길이값을 연산하는 것을 특징으로 하는 로봇의 로봇암 파라미터를 연산하는 방법.
9. 삭제
10. 삭제

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