KR19980051309A - 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정 장치 및 그 방법 - Google Patents

산업용 로봇의 수평 기준위치 결정 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 종래 산업용 로봇의 수평 기준위치를 결정함에 있어서는 다수개의 기준 다이와 다이얼 게이지 및 지그를 조립 및 분해해가면서 다이얼 게이지에 의하여 좌표를 측정하는 것에 의하여 이루어지는 것이므로 그 작업이 번거롭고 정확도가 저하되는 문제점이 있었다. 본 발명은 제2암의 선단에 z축을 중심으로 회전가능하게 설치되는 z축 볼 스플라인과, 이 z축 볼 스플라인에 결합되는 레이저 리플렉터와, 로봇의 전방에 설치되어 레이저 리플렉터의 움직임을 트랙킹하는 비접촉식 3차원 측정기 트랙커와, 이 3차원 측정기 트랙커를 로봇 컨트롤러에 연결하는 트랙커 프로세서를 구비하여 제1암과 제2암 및 제2암의 선단에 회전가능하게 설치된 레이저 리플렉터를 동시에 또는 개별적으로 회전시키면서 로봇의 전방에 설치된 비접촉식 3차원 측정기에서 발사된 되어 상기 제2암의 선단에 설치된 레이저 리플렉터에서 반사되어 되돌아오는 레이저빔을 트랙킹하는 것에 의하여 기준위치 결정에 필요한 변수들을 산출하여 수평 기준위치를 결정함으로써 작업이 신속, 간편하면서도 정확한 기준위치를 결정할 수 있게 되는 것이다.

Description

산업용 로봇의 수평 기준위치 결정 장치 및 그방법
도 1은 일반적인 산업용 로봇의 구조 및 수평 기준위치 결정장치를 보인 사시도.
도 2는 종래 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정을 위한 베이스측 기준 다이와 다이얼 게이지 및 지그와의 관계를 보인 측면도.
도 3은 종래 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정을 위한 손목측 기준 다이와 다이얼 게이지의 관계를 보인 사시도.
도 4는 종래 손목측 기준 다이와 다이얼 게이지 및 지그의 관계를 보인 평면도.
도 5는 종래 수평 기준위치를 결정하기 위한 벡터 선도.
도 6은 본 발명에 의한 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정방법을 구현하기 위한 장치의 계통도.
도 7 은 ω용 지그와 레이저 리플렉터의 결합 관계를 보인 분해 사시도.
도 8 은 각 암들의 길이를 설정한 도면.
도 9는 기준 위치를 결정하는 과정을 보인 기하학적 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
B : 베이스 Al,A2 : 암
10 : z축 볼 스플라인 11 : ω용 지그
12 : 레이저 리플렉터 14 : 캐리어
20 : 로봇 컨트롤러 30 : 트랙커 프로세서
40 : 비접촉식 3차원 측정기 트랙커
본 발명은 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정방법에 관한 것으로, 특히 오차없이 신속, 정확하게 수행할 수 있도록 한 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 일반적으로 산업용 로봇은 고도의 정밀성이 요구도는 산업현장에서 조립 및 용접, 핸들링(Handling)용 등으로 널리 사용되고 있다. 어떠한 용도로 로봇이 사용되더라도 일련의 작업들은 사용자가 프로그램해 넣은 일련의 자세(pose:위치와 각도)에 로봇이 위치함으로써 행해진다. 그러나 로봇 암의 제작 및 조립 과정에서 유발되는 오차에 의해 암의 길이와 각도가 초기의 설정치에서 벗어나게 된다. 그러므로 로봇 제어장치의 기준위치를 로봇의 실제 가동부의 기하학적 위치에 일치되도록 교정할 필요가 있다. 도 1에 도시한 바와 같이 일반적인 산업용 로봇은 베이스(B)와, 이 베이스(B)상의 포스트(P)에 제1관절(J1)에 의하여 회전가능하게 연걸되는 제1암(A1)과,이 제1암(A1)의 선단에 제2관절(J2)에 의하여 회전가능하게 연결되는 제2암(A2)과, 이 제2암(A2)의 선단에 설치되는 손목부(W)로 구성된다. 이러한 산업용 로봇의 수평 기준위치를 결정하기 위하여 베이스(B)의 일측과 손목부(W)에는 서로 대응하는 기준 다이(die)(1)(2)가 설치되어 있다. 상기 베이스측 기준 다이(1)은 베이스(B)와 포스트(P)에 고정틀(F)에 의하여 고정설치되어 있다. 상기 베이스(B)측 기준 다이(1)는 x-y면(1xy)과 y-z면(1yz) 및 x-z면(1xz)을 가지며, 상기 y-z면(1xy) 및 x-z면(1xz)에는 다이얼 게이지(3,4)가 설치되어 있다. 상기 다이얼 게이지(3)는 그 프로브가 x축방향을 향하도록 설치되고, 다이얼 게이지(4)는 그 프로브가 y축방향을 향하도록 설치된다. 상기 손목부(W)측 기준 다이(2)는 x-y면(2xy)와 y-z면(2yz) 및 x-z면(2xz)을 가지며, 상기 x-y면(2yz) 및 x-z면(2xz)에는 다이얼 게이지(5,6)가 설치되어있다. 상기 다이얼 게이지(5)는 그 프로브가 x축방향을 향하도록 설치되고, 다이얼 게이지(6)는 그 프로브가 y축방향을 향하도록 설치된다. 상기 베이스측 기준 다이(1)에는 기준 구멍(la,lb)가 천공되어 있다. 이와 같은 종래의 산업용 로봇에서의 수평 기준위치를 결정 과정을 설명한다. 1단계로 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 베이스측 기준 다이(1)상에 원형 테이블 형상의 지그(7)를 설치한다. 이 지그(7)를 설치함에 있어서는 기준 다이(1)의 기준 구멍(la)에 지그(7)의 저면에 형성된 보스(7a)를 삽입하는 것에 의하여 이루어진다. 이 상태에서 상기 다이얼 게이지(3)의 프로브를 지그(7)의 저면에, 다이얼 게이지(4)의 프로브를 지그(7)의 외주면에 접촉시켜 그때의 각 다이얼 게이지(3,4)의 눈금을 기록한다. 이때 상기 다이얼 게이지(3)에 의하여 측정된 지그(7)의 저면 위치는 z축방향의 기준면으로서, 다이얼 게이지(4)에 의하여 측정된 지그(7)의 측면 위치는 손목부(W)의 기준면으로 제어장치에 기록된다. 이후 지그(7)를 제거한다. 2단계로 도 3에 도시한 바와 같이, 손목측 기준 다이(2)상에 원주형 지그(8)를 설치한다. 이 지그(8)를 설치함에 있어서는 기준 다이(2)의 기준 구멍(2a)에 지그(8)의 저면에 형성된 보스(8a)를 삽입하는 것에 의하여 이루어진다. 이 상태에서 다이얼 게이지(5,6)의 프로브를 각각 지그(8)의 외주면에 접촉시켜 그때의 각 다이얼 게이지(5,6)의 눈금을 기록한다. 이때 상기 다이얼 게이지(5,6)의 눈금은 손목부(W)의 동작 중심으로서 제어장치에 기록된다. 3단계로 상기 기그(8)를 손목부측 기준 다이(2)에서 분리하여 그 보스(8a)를 베이스측 기준 다이(1)의 기준 구멍(la)에 삽입하여 고정한다. 이 상태에서 다이얼 게이지(3,4)를 지그(8)의 외주면에 접촉시켜 그 때의 각 다이얼 게이지(3,4)의 눈금을 기록한다. 이때 상기 다이얼 게이지(3,4)의 눈금은 로봇의 x축과 y축 방향의 기준면으로서 제어장치에 기록된다. 4단계로 다음 로봇을 작동시켜 손목부(W)를 베이스측 기준 다이(1)측으로 이동시킨다. 이때 손목측 기준 다이(2)를 지그(8)에 근접시켜 다이얼 게이지(5,6)의 프로브를 지그(8)의 외주면에 접촉시켜 2단계에서의 다이얼 게이지(5,6)의 눈금에 일치 시킨다. 이와 같이 기준점 합치 작업이 완료되면, 절대위치검출기를 이용하여 최초2 단계에서의 제1암(Al)과 제1암 절대위치검출기의 기준위치 d1 사이의 각도 θ1와 제2암(A2)과 제2암 절대위치검출기의 기준 위치 d2 사이의 각도 θ3를 구하여 제어장치에 기억시킨다. 다음, 4단계와 같이 로봇을 작동시켜 손목부(W)를 베이스측 기준 다이(1)측으로 이동시키고, 이때의 제1암(A1)과 제1암 절대위치검출기의 기준 위치 d1 사이의 각도 62와 제2암(A2)과 제2암 절대위치검출기의 기준 위치 d2 사이의 각도θ4를 구하여 제어장치에 기억시킨다. 다시 손목부(W)를 회전시켜 손목측 기준 다이(2)를 다이얼 게이지(4)의 프로브에 접촉시켜 상기 4단계에서의 기록치에 일치시켜 손목부(W)의 제어 기준을 로봇 기구부의 기준과 일치시킨다. 상술한 방법으로 캘리브레이션(Calibration)을 완료하고 다음 식에 의하여 각 암(Al.A2)의 길이 및 상대 각도를 구한다. 도 5에서 최초 제1관절(J1)의 회전중심점 A에서 제3관절(J3)의 회전중심점 B점까지의 거리 x1은 이미 알고 있는 값이며,
식 (2)(3)에 의해
삼각형 sin의 법칙에 의해
그러나 이러한 종래의 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정방법에서는 2개의 기준 다이와 지그 및 4개의 다이얼 게이지 등 많은 부품이 필요로 할 뿐만 아니라 지그를 양측 기준 다이에 결합 및 분해함과 아울러 로봇을 움직여야 하는 것이므로 지그 등의 형상 공차(직각도, 평행도 및 동심도 등)에 의한 오차를 보정할 수 없어 정확한 기준위치 결정이 어렵고, 작업이 번거롭고 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다. 또한 다이얼 게이지의 프로브와의 접촉에 의한 측정에 의존하는 것이므로 측정 에러가 포함되어 고도의 정밀도를 요구하는 산업용 로봇의 기준위치 결정에는 부적합한 것이었다. 본 발명의 목적은 사용되는 부품들의 형상 공차에 의한 오차를 배제함으로써 기준위치 결정을 정확하게 걸정할 수 있도록 한 산업용 로봇의 수평 기준위치결정 장치 및 그 방법을 제공하려는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 기준 다이나 지그 등을 조립 및 분해하는 과정을 생략함으로써 기준위치 결정을 신속하게 수행할 수 있도록 하려는 것이다. 이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 베이스와 제1암 및 제2암을 구비하는 산업용 로봇에 있어서, 상기 제2암의 선단에 z축을 중심으로 회전가능하게 설치되는 z축 볼 스플라인과, 이 z축 볼 스플라인에 결합되는 레이저 리플렉터와, 로봇의 전방에 설치되어 레이저 리플렉터의 움직임을 트랙킹하는 비접촉식 3차원 측정기 트랙커와, 이 3차원 측정기 트랙커를 로봇 컨트롤러에 연결하는 트랙커 프로세서룰 구비하여서 됨을 특징으로 하는 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정 장치가 제공된다. 상기 레이저 리플렉터는 상기 z축 볼 스플라인에 고정되는 ω용 지그에 캐리어로 장착된다. 상기 레이저 리플렉터는 볼형으로 형성되고, 상기 캐리어는 링형으로 형성되며, 레이저 리플렉터와 캐리어는 각각에 고정된 자석에 의하여 흡착 고정된다. 또한 본 발명은 베이스와 제1암 및 제2암을 구비하는 산업용 로봇의 수평 기준위치를 결정함에 있어서, 상기 제1암과 제2암 및 제2암의 선단에 회전가능하게 설치된 레이저 리플렉터를 동시에 또는 개별적으로 회전시키면서 로봇의 전방에 설치된 비접촉식 3차원 측정기에서 발사된 되어 상기 제2암의 선단에 설치된 레이저 리플렉터에서 반사되어 되돌아오는 레이저빔을 트랙킹하는 것에 의하여 기준위치 결정에 필요한 변수들을 산출하여 수평 기준위치를 결정함을 특징으로 하는 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정 방법을 제공한다. 이하, 본 발명에 의한 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정 장치 및 그 방법을 첨부도면에 도시한 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 도 6은 본 발명의 수평 기준위치 결정 방법을 구현하기 위한 장치의 계통도 로서, 산업용 로봇은 베이스(B)와, 제1암(Al)과 제2암(A2)으로 구성되며, 베이스(B)와 제1암(Al), 제1암(Al)과 제2암(A2)사이에는 관절부가 구비된다. 상기 제2암(A2)의 선단에는 z축 볼 스플라인(ball spline)(10)과,ω용 지그(11)와, 레이져 리플렉터(LASER Reflector)(12)가 설치 된다. 상기 z축 볼 스플라인(10)은 구동부(13)에 의하여 z축을 중심으로 회전 구동되며, 상기 레이저 리플렉터(12)는 리플렉터 캐리어(14)에 의하여 ω용 지그(11)에 장착되어 있다.로봇은 로봇 컨트롤러(20)에 연결되며, 이 로봇 컨트롤러(20)에는 측정기 트랙커 프로세서(Tracker Processor)(30)를 통하여 비접촉식 3차원 측정기 트랙커(40)가 연결되어 있다. 상기 측정기 트랙커 프로세서(30)는 상기 로봇 컨트롤러(20)와 동시 작동(Synchronized)이 가능하며, 측정기 트랙커(40)의 트랙킹(Tracking)이 가능한 것이다. 레이저 리플렉터(12)는 비접촉식 3차원 측정기 트랙커(40)에서 발사된 레이저 빔의 송수신을 위한 것으로, 볼(ball)형으로 형성되며, 캐리어(14)는 대략 링(ring)형으로 형성되어 레이저 리플렉터(12)의 외주면과 캐리어(14)의 내주면에 고정된 자석(15,16)의 흡착력에 의하여, 서로 고정 결합되는 것이다. 도 7 에서 1la,14a는 상기 지그(11)와 캐리어(14)를 결합하기 위한 나사공이다. 이하, 본 발명에 의하여 산업용 로봇의 수평 기준위치를 결정하는 과정을 설명한다. 도 8에 도시한 바와 같이 제1암(Al)의 길이를 l1, 제2암(A2)의 길이를 l2,볼 스플라인(10)의 회전중심에서 레이저 리플렉터(12) 선단까지의 길이를 l3라고한다. 1단계로, 도 9의 a에 도시한 바와 같이 레이저 리플렉터(12)를 제2암(A2)에 장착한 상태에서 제1암(Al)과 제2암(A2)을 측정에 편리한 임의의 각도로 위치시킨다. 다음, 로봇 컨트롤러(20)를 이용하여 제1암(Al)만을 회전시킨다. 이때 동시 동작이 가능한 측정기 시스템, 즉 비접촉식 3차원 측정기 트랙커(40)와 측정기 트랙커 프로세서(30)의 트랙커(40)는 로봇에 부착되어 있는 레이저 리플렉터(12)의 움직임을 트랙킹하며 일련의 자세에 상응하는 좌표(x,y,z)들을 측정기 트랙커 프로세서(30)에를 통해 구하게 되며, 이는 로봇 컨트롤러(20)에 기억된다. 여기서 측정기 시스템에 의한 트랙킹은 트랙커(40)에서 발사된 후 레이저 리플렉터(12)에서 반사되어 되돌아오는 레이저빔을 추적하는 것에 의하여 이루어지는 것이다. 여기서 점들이 이루는 원의 중심인 A의 좌표와 반지름인 l4는 오차를 최소화하는 원의 식을 구함으로써 얻어진다. 이때, A는 곧 제1암(A1)의 회전각도 θ1의 중심이 된다. 2단계로, 도 9의 b에 도시한 바와 같이 제2암(A2)을 임의의 위치에 고정시킨 후 비접촉식 3차원 측정기 트랙커(40)와 측정기 트랙커 프로세서(30)로 구성되는 측정기 시스템을 이용하여 레이저 리플렉터(12)를 트랙킹하여 B점의 위치좌표를 로봇 컨트롤러(20)에 기억시킨다. 3단계로, 도9의 c에 도시한 바와 같이 1단계와 같은 방법으로 제2암(A2)을 회전시켜 얻은 원의 중심인 C점과 그 반지름인 l2(제2암의 길이)를 구한 후 로봇 컨트롤러(20)에 기억시킨다. 상기 1 내지 3단계를 통해 삼각형 ABC의 좌표와 제2암(A2)의 길이 l2와 제 1 및 제2암(Al,A2) 이 이루는 길이인 l4를 얻게 된다. 세점과 두변의 길이가 정해졌으므로 남은 변수인 l1(제1암의 길이)는 아래의 식에 의하여 쉽게 구해진다. 우선, ll은 점 A와 C의 좌표인 (xl,yl),(x3,y3)로부터
다음 θ2= 180 - γ 이므로, cosine의 식을 이용하여
여기서 구해진 실제 θ2와 위의 2단계에서 로봇을 B점에 위치시켰을 때의 로봇 컨트롤러(20)에 표시되는 θ2값을 비교함으로써 제2암(A2)의 운동인 θ2의 기준 위치 설정이 가능하게 된다. 이상으로 구하고가 하는 변수값 l1, l2와 θ2의 값이 쉽게 구해진다. 4단계로, 도 9의 d에 도시한 바와 같이 남은 변수인 l3의 길이와 θ3의 기준 위치는 θ2의 옵셋값을 이용하여 제2암(A2)의 길이 l2와 l1의 연장선상에 위치시킨 후, l1과 l2의 값을 이미 알고 있으므로 이 합(l1+l2)을 하나의 상수로 놓는다. 다음 θ3를 임의의 위치에 고정시키고, l1과 l2를 평행하게(곧,θ2=180。)한 다음 θ1만을 구동시키면 ω용 지그(11) 끝에 부착된 레이저 리플렉터(12)의 움직임에 따라 일련의 점들이 구해지며, 새로운 변수 l5의 길이가 구해져 로봇 컨트롤러(20)에 저장된다. 5단계로, 도 9의 e에 도시한 바와 같이 l3를 임의의 위치에 고정시킨 후 점 D의 좌표(x4,y4)를 읽어 기억시킨다. 6단계로, 도 9의 f에 도시한 바와 같이 이번에는 ω축을 회전시켜 얻은 원의 중심인 E(x5,y5)와 반지름인 l3의 길이를 구한다. 같은 방법으로 아래의 식을 이용하여 l3와 θ3를 구한다.
여기서, 구해진 θ3와 로봇 컨트롤러(20)에서 인식하는 값의 차이인 옵셋값을 구해 θ3의 기준 위치를 설정한다. 이상과 같이 본 발명에 의하면 여러개의 치구와 다이얼 게이지를 사용하지 않고 비접촉식 3차원 측정기를 포함하는 측정 시스템과 제2암의 선단에 회전가능하게 설치되는 레이저 리플렉터를 사용하여 측정 시스템이 레이저 리플렉터의 움직임을 트랙킹하는 것에 의하여 기준 위치를 결정하는 것이므로 치구 등의 공차에서 야기되는 오차를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 치구를 조립 및 분해하는 작업을 배제함으로써 그 작업을 신속, 간편하게 수행할 수 있게 되는 것이다.

Claims (4)

  1. 베이스와 제1암 및 제2암을 구비하는 산업용 로봇에 있어서, 상기 제2암의 선단에 z축을 증심으로 회전가능하게 설치되는 z측 볼 스플라인과, 이 z축 볼 스플라인에 결합되는 레이저 리플렉터와, 로봇의 전방에 설치되어 레이저 리플렉터의 움직임을 트랙킹하는 비접촉식 3차원 측정기 트랙커와, 이 3차원 측정기 트랙커를 로봇 컨트롤러에 연결하는 트랙커 프로세서를 구비하여서 됨을 특징으로 하는 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 리플텍터는 상기 z축 볼 스플라인에 고정되는 ω용 지그에 캐리어로 장착됨을 특징으로 하는 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 레이저 리플렉터는 볼형으로 형성되고, 상기 캐리어는 링형으로 형성되며. 레이저 리플렉터와 캐리어는 각각에 고정된 자석에 의하여 흡착 고정되는 것임을 특징으로 하는 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정 장치.
  4. 베이스와 제1암 및 제2암을 구비하는 산업용 로봇의 수평 기준위치를 결정함에 있어서, 상기 제1암과 제2암 및 제2암의 선단에 회전가능하게 설치된 레이저 리플렉터를 동시에 또는 개별적으로 회전시키면서 로봇의 전방에 설치된 비접촉식 3차원 측정기에서 발사된 되어 상기 제2암의 선단에 설치된 레이저 리플렉터에서 반사되어 되돌아오는 레이저빔을 트랙킹하는 것에 의하여 기준위치 결정에 필요한 변수들을 산출하여 수평 기준위치를 걸정함을 특징으로 하는 산업용 로봇의 수평 기준위치 결정 방법.
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