KR19990085127A - 공작물 치수정보를 이용한 로봇 셀 자체보정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작물 치수정보를 이용한 로봇 셀 자체보정방법에 관한 것으로, 먼저 로봇작업 대상인 하나의 공작물에 대한 보정기준점들을 결정하고 나서, 공작물 위에 지정한 보정 기준점을 이용하여 보정기준좌표계를 결정한 후, 로봇을 직접 움직여서 보정 기준점들을 교시한 후 보정 기준좌표계와 로봇 좌표계 사이의 관계를 나타내는 변환행렬(T-matrix)을 구한 다음, 로봇 기구정수의 추정이 요구되는 경우 지정한 모든 보정 기준점들을 교시한 후 로봇기구정수를 추정하고, 상기 변환행렬과 추정된 로봇 기구정수를 이용하여 보정된 로봇 작업점 값들을 오프라인으로 구하는 것으로 되어 있다.

Description

공작물 치수정보를 이용한 로봇 셀 자체보정방법

본 발명은 공작물의 치수정보를 이용한 로봇 셀의 자체보정방법에 관한 것으로, 특히 고가의 측정장비 등을 사용하지 않고 공작물의 치수정보를 이용하여 로봇작업의 정밀도를 높이기 위한 보정작업을 수행할 수 있도록 된 공작물 치수정보를 이용한 로봇 셀 자체보정방법에 관한 것이다.

일반적으로, 하나의 작업중인 로봇 셀에서 공작물상 요구되는 로봇공구 위치/자세를 로봇공구의 실제 위치/자세와 정확히 일치시켜서 이 둘 사이의 상대오차를 제거하기 위해서는 각 로봇셀 요소들을 제작한 후 이들을 설치하고 고정할 때 다음의 조건들이 만족되어야 하는데, 도 5에 도시된 바와 같이, 첫째로 로봇(1)과, 로봇공구(2)와, 공작물(4) 및, 공작물 고정구(3)의 네 가지 제작오차가 허용오차이내이어야 하며, 이 경우 로봇은 오프라인프로그래밍(off-line programming)이 가능하기 위하여 반복위치 정밀도뿐만 아니라 절대위치 정밀도가 허용오차 이내이어야 하며, 둘째로 로봇(1)의 작업장 위 설치오차와, 공작물 고정구(3)의 작업장 위 설치오차와, 로봇(1)에 로봇공구(2)를 고정하는 고정오차 및, 공작물 고정구(3)에 공작물(4)을 고정하는 고정오차로 된 네 가지 설치/고정오차가 각각 허용오차 이내이어야 한다.

그리고, 로봇 오프라인 프로그래밍의 현장 적용시 필히 요구되는 상기 오차들을 제거하기 위한 기존의 연구들은 이하, 두 개의 그룹으로 나눌 수 있는데, 첫 번째 그룹으로는, 로봇 셀 요소들, 즉 로봇(1)과 로봇공구(2)와 공작물(4) 및 공작물 고정구(3)들이 모두 허용오차 이내의 값을 갖도록 하는 연구와, 두 번째 그룹으로 로봇 셀 요소들을 설치하고 고정한 후 발생하는 로봇공구의 요구위치/자세와 실제위치/자세 사이의 상대오차를 최소화하기 위한 연구로 나눌 수 있다.

한편, 상기 첫 번째 연구그룹의 경우 대부분 로봇 자체의 절대위치 정밀도 향상에 편중되어 온 바, 즉 로봇 자체의 내부오차를 파악하고 로봇 절대위치 정밀도를 향상시키기 위한 로봇기구부 모델링 방법, 로봇선단부의 위치/자세 측정법과 전용 측정기 개발, 기구정수 추정법과 오차보정기법 등의 글로벌 캘리브레이션(global calibration) 관련 연구들이 행해져 왔는데, 이 연구들에 있어서 공작물 고정구(3), 공작물(4)과 로봇공구(2)를 모두 허용오차 이내로 제작하고 글로벌 캘리브레이션을 통해 로봇(1) 자체의 절대위치 정밀도를 요구하는 정도까지 높였다고 하더라도 로봇 오프라인 프로그래밍의 실용적인 현장적용을 위해서는 반드시 상기 네 가지 설치/고정오차를 허용수준 이내로 유지시켜 주어야 한다.

따라서, 로봇공구(2)의 요구위치/자세와 실제위치/자세 사이의 상대오차를 허용오차 이내로 줄이기 위한 후속연구가 필요한데, 이러한 후속연구로 오프라인 프로그래밍과 거의 독립적으로 사용되는 센서(5)를 이용한 다양한 실시간 로봇작업위치 수정방법들이 있으며, 이 수정방법의 경우 상기 네 가지 제작오차와 네 가지 설치/고정오차가 허용오차 이내가 되지 못하더라도 이들 모든 오차가 누적되어 나타나는 최종 상대오차를 실시간으로 측정하고 수정하여 요구하는 로봇작업정밀도를 얻는다.

또한, 상기 두 번째 연구그룹의 경우 로봇 셀 요소들을 최종 조합한 상태에서 누적되어 나타나는 상대오차를 제거하는 것을 일차적 목적으로 하는 바, 로봇 작업공간 내부의 공작물(4) 영역에 설치한 정밀 형판(template; 도시안됨) 위의 기준형상 혹은 공작물(4)상 작업점과 로봇공구(2) 선단 사이의 상대오차 제거를 위한 기존의 로컬 캘리브레이션(local calibration)이 이 연구에 속하며, 이 로컬 캘리브레이션의 오차보정 원리는 상기 센서를 이용한 실시간 로봇작업위치 수정방법과 유사하지만 오차측정용 센서를 로봇의 실제 작업중 계속 사용하지 않고 단지 보정작업시에만 오차분포함수를 얻기 위하여 일회적으로 사용하는 한편, 이 연구그룹의 경우 공작물 영역에서 얻은 오차분포함수를 이용하여 로봇작업정밀도를 높이고 있지만, 이 방법 역시 로봇 오프라인 프로그래밍의 현장적용을 위해서는 다음과 같은 추가 요구조건이 만족되어야 한다.

- 보정작업시 오차측정용 비젼센서를 로봇공구 고정부에 고정시켜 사용하므로 실제 로봇 작업시 로봇공구(2) 고정오차를 허용오차 이내로 보정하고, 오차함수결정을 위하여 별도의 보정용 형판을 사용하는 경우에는 공작물 고정구(3) 위의 공작물(4) 고정오차를 허용오차 이내로 보정해야 한다.

- 오차함수 결정을 위하여 실제 공작물을 직접 이용하는 경우 측정시 요구되는 형상 및 치수정밀도를 갖는 특정 형상들이 공작물(4) 상에 별도 가공되어야 한다.

- 오차함수로부터 구한 오차값들을 이용한 로봇작업위치 보정효과가 기구정수오차로 인한 로봇작업위치 오차보다 커야한다.

그런데, 상기와 같은 기존의 두 연구그룹의 로봇 보정기법 모두 상기 추가요건들을 만족시켜야 하기 때문에 이들 연구를 현장에 적용할 때 장애가 되고 있으며, 두 그룹 모두 로봇 보정작업을 위하여 고가의 별도 측정장비 또는 보조장치가 요구되는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 상기 네가지 로봇 셀 요소들의 제작오차 및 설치/고정오차를 개별적으로 줄이는 비용은 크지만 그 실용적 효과가 미미하다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 로봇 가공대상물인 공작물의 치수정보를 이용하여 보정작업을 수행함으로써, 별도의 측정장비없이 경제적으로 보정작업을 수행할 수 있으며, 앞에 설명한 개별요소오차가 모두 누적된 최종 누적오차를 한 번에 줄일 수 있도록 된 공작물 치수정보를 이용한 로봇 셀 자체보정방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 보정방법의 흐름을 도시하는 블럭도,

도 2는 작업대상 공작물의 보정기준좌표계의 실시예를 나나낸 좌표도,

도 3 본 발명에 따른 일례의 작업대상 공작물의 치수관련정보를 나타낸 도면들로서,

(a)는 작업대상 공작물의 치수정보의 실시예가 나타나 있는 삼면도,

(b)는 이 공작물의 기준좌표계가 도시된 입체도,

(c)는 상기 육면도의 치수정보와 기준좌표계에 의해 계산된 좌표값을 도시하는 좌표치이며,

도 4는 기구정수추정을 위해 이용되는 최소자승오차법을 도시한 블럭도,

도 5는 종래기술로서 로봇 보정작업을 수행하기 위한 로봇 셀 요소 및 센서가 도시된 사시도이다.

S1 - 작업준비단계 S2 - 보정기준점결정단계

S3 - 변환행렬계산단계 S4 - 변환행렬평가단계

S5 - 추정레벨결정단계 S6 - 추정레벨 0

S7 - 추정레벨 1 S8 - 추정레벨 2

S6' - 작업위치계산단계 S7', S8' - 기구정수모델링단계

S9 - 추가보정기준점결정단계 S10 - 보정기준점측정단계

S11 - 로봇기구정수추정단계 S12 - 관절변수계산단계

C0 - 공작물기준좌표계 C1 - 보정기준좌표계

R - 로봇기준좌표계 a,b,c,d - 보정기준점

b - 기구정수 40, 40' - 공작물

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고정밀도의 로봇 측정장치 기능을 고정밀도 공작기계로 이미 가공된 공작물상 보정기준점들에 대한 위치데이터로 대치시키는 방법을 해결수단으로 하는바, 먼저 로봇작업 대상인 하나의 공작물에 대한 보정기준점들을 결정하고 나서, 이 공작물 위에 지정한 보정기준점을 이용하여 보정기준좌표계를 결정한 후, 로봇을 직접 움직여서 보정기준점들을 교시한 후 보정기준좌표계와 로봇좌표계 사이의 관계를 나타내는 변환행렬(T-matrix)을 구한 다음, 로봇 기구정수의 추정이 요구되는 경우 지정한 모든 보정기준점들을 교시한 후 로봇기구정수를 추정하고, 상기 변환행렬과 추정된 로봇기구정수를 이용하여 보정된 로봇 작업점 값들을 오프라인으로 구하도록 되어 있다.

그리고, 본 발명의 보정방법을 수행하는데 있어서 몇가지 가정이 필요한 데, 먼저 별도의 로봇 셀을 만들어서 상기 보정작업을 행하는 것은 무의미하며 실제 작업할 로봇 셀을 완전히 구축한 후 실제 공작물과 로봇공구를 직접 이용하여 보정작업을 수행해야 하고, 또한 공작물 상에서 보정기준점들과 로봇작업점들에 대한 기하학적 정보가 존재해야 하는데, 이 정보들은 각 작업점들에 대한 좌표값들로 주어지거나 특정 점들에 대한 선형 혹은 원형 보간이나 함수형태로 주어질 수 있다.

또한, 본 발명의 보정방법은 자동차 프레임의 점용접과 같이 하나의 대형 공작물에 복수의 로봇이 동시작업하는 경우 상기 작업순서를 각각의 로봇에 개별적으로 적용할 수 있으며, 반대로 한 대의 로봇이 복수의 소형 공작물에 순차적으로 작업하는 경우에도 각 공작물에 개별적으로 적용할 수 있는데, 이 경우 로봇기구정수 추정작업은 한 번만 수행하면 된다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 보정방법의 흐름을 도시하는 블록도이며, 도 2는 작업대상 공작물의 보정기준좌표계의 실시예를 도시하는 좌표도이고, 도 3 (a)는 작업대상 공작물의 치수정보의 실시예가 나타나 있는 육면도, (b)는 이 공작물의 기준좌표계가 도시된 입체도, (c)는 상기 육면도의 치수정보와 기준좌표계에 의해 계산된 좌표값을 도시하는 좌표도이며 ,도 4는 기구정수를 추정하기 위해 이용되는 최소자승오차법을 도시한 블록도인 바,

본 발명은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 먼저 실제 로봇 셀 요소들을 완전히 설치하여 작업준비를 하는 작업준비단계(S1)와, 공작물(40)을 화면에 호출한 후 공작물(40) 치수정보를 이용하여 보정기준좌표계(C1)를 설정하기 위한 보정기준점(a,b,c,d)들을 결정하는 보정기준점결정단계(S2)와, 상기 보정기준점(a,b,c,d)들의 직접 교시를 통한 보정기준좌표계(C1)와 로봇기준좌표계(R; 도 5에 도시됨)와의 관계를 나타내는 변환행렬(T-matrix)을 계산하는 변환행렬결정단계(S3)와, 공작물(40)의 대표점들에 대하여, 변환행렬을 이용한 계산값과 로봇 제어기 위치 출력값의 상대오차 크기에 의하여 상기 변환행렬의 실용성을 평가한 후 로봇 작업점들의 그룹화 여부를 결정하는 변환행렬평가단계(S4)와, 대표점의 상대오차와 작업요구도의 정확도에 따라 기구정수 추정레벨을 결정하는 추정레벨결정단계(S5)가 순차적으로 이루어진다.

이후 상기 추정레벨결정단계(S5)에서 결정된 추정레벨에 따라 세가지 경우로 나뉘어 단계가 진행되는바, 추정레벨 0(S6)인 경우 상기 변환행렬결정단계(S3)에서 구해진 변환행렬을 이용하여 로봇선단부의 로봇기준직교작업위치를 계산함으로써 보정작업이 이루어지는 한편, 추정레벨 1(S7)인 경우 D-H(Denavit-Hartenberg)기구정수로서 기구정수모델링을 실시하는 기구정수모델링단계(S7')를 거친 후, 기구정수를 추정하기 위한 추가보정기준점들을 결정하는 추가보정기준점결정단계(S9)와, 직접교시법으로 로봇을 이용하여 보정기준점들을 측정하는 보정기준점측정단계(S10)와, 로봇기구정수추정단계(S11) 및, 변환행렬과 추정된 기구정수를 이용하여 각 로봇작업 위치에 대한 관절변수를 계산하는 관절변수계산단계(S12)를 순차적으로 수행한다. 또한, 추정레벨 2(S8)인 경우 수정기구정수로서 기구정수모델링을 수행하는 기구정수모델링단계(S8')를 거치고, 이후 추정레벨 1,2(S7)에서의 경우와 마찬가지로 추가보정기준점결정단계(S9), 보정기준점측정단계(S10), 로봇기구정수추정단계(S11), 관절변수계산단계(S12)를 순차적으로 수행함으로써 로봇 셀 자체보정작업을 수행하게 된다.

한편, 상기 보정기준점을 결정하는 보정기준점결정단계(S2)에서는, 로봇의 작업대상물을 그래픽 화면상에 호출한 후 보정기준좌표계(C1)를 정의하기 위한 보정기준점(a,b,c) 세 점과 기구정수를 추정하기 위한 보정기준점들을 로봇작업점들 중에서 결정하게 되는데, 이때 보정기준좌표계(C1)를 정의하기 위한 보정기준점(a,b,c) 세 점은 공작물기준 로봇작업점 좌표값을 로봇기준 로봇작업점 좌표값으로 변환할 때 기준점이 되므로 공작물상의 로봇작업점들 중에서 결정되어야 하지만, 기구정수추정용 보정기준점들을 로봇작업점들 중에서 결정하는 것이 실제적으로 어려운 경우는 공작물상의 좌표값을 아는 임의의 점을 선정할 수 있으며, 이 경우 보정기준좌표계를 정의하기 위한 보정기준점(a,b,c) 세 점은 이 세 점에 의하여 정의되는 평면상에 가급적 많은 로봇작업점들이 포함될 수 있도록 선정한다.

또한, 공작물이 대형이고 동시에 정밀도 높은 로봇작업이 요구되는 경우에는 하나의 공작물 상의 로봇작업점들을 몇 개로 분할한 후 분할된 각 작업점들 집합에 고유의 보정기준좌표계(C1)를 지정해 줄 수 있는 바, 즉 공작물 위에 지정된 세 개의 보정기준점(a,b,c)이 하나의 평면을 정의해 주므로 세 점 중 두 점을 이용하여 직교좌표계의 첫 번째 축(X3)을 정의하고, 이 두 점 중 한 점에 이 좌표계의 원점을 지정하여 결정된 평면상에 좌표계 두 축(X3, Y3)이 동시에 존재하도록 하는 한편, 한 평면상에 정의된 첫 번째 축(X3), 두 번째 축(Y3)과 오른손 법칙을 따라 이 두축(X3, Y3)에 동시에 수직인 세 번째 축(Z3)에 의하여 보정기준좌표계(C1)가 정의되며, 지정하는 보정기준점들의 최소 개수는 작업 로봇의 총 자유도 수와 로봇 자체의 기구정수 보정 여부에 의하여 결정된다.

그리고, 상기 변환행렬결정단계(S3)에서는, 공작물의 보정기준좌표계(C1)에서 나타낸 로봇 보정기준작업점 좌표값(^MP)을 로봇기준좌표계(R)에서 나타낸 로봇기준 로봇작업점 좌표값(^RP)으로 변환하기 위하여 아래 수학식 1과 같은 보정기준좌표계(C1)와 로봇기준좌표계(R) 사이의 관계를 나타내는 변환행렬(^RT_M)을 구해야하는데, 일반적인 경우 공작물 위의 로봇작업점 좌표값들은 도 3에 도시된 바와 같이 공작물기준좌표계(C0)에서 주어지므로 이 값들은 로봇기준좌표계(R)에 대한 값으로 변환하기 위하여 공작물(40)의 기하학적 데이터로부터 먼저 공작물기준좌표계(C0)와 공작물(40)의 보정기준좌표계(C1) 사이의 변환행렬(^PT_M)을 구해야 한다.

또한, 상기 변환행렬평가단계(S4)에서는, 로봇이 실제로 작업할 공작물상 작업점들 중에서 임의로 선택한 서너개 정도의 소수의 점들인 대표점들에 대하여, 상기 변환행렬의 실용적 가치를 판단하고, 동시에 실용적으로 요구되는 보정기준좌표계의 최소 개수를 결정하되, 상기 대표점들은 공작물상 로봇작업 영역 내에 고르게 분포하는 것이 바람직하며, 이 대표점들로서 보정기준점(a,b,c,d)을 선택할 수도 있다.

한편, 상기 기구정수 추정레벨결정단계(S5)에서 추정레벨은 기구정수추정과 보정작업의 해석적 측면에서 보다 엄밀한 모델이 사용될수록 그 숫자가 커지게 되고, 이 추정레벨에 따라 보정작업의 진행과정을 달리하게 된다.

그리고, 상기 로봇기구정수추정단계(S11)에서 로봇기구정수(b; 도 4)를 추정하기 위해서는 오차함수와 오차전파행렬(E)을 구해야 하며, 이 구해진 오차함수와 오차전파행렬(E)을 이용하여 로봇선단부의 오차를 최소로 하는 보정치(δx)를 도 4에 도시된 바와 같이 이미 공지된 최소자승오차법에 의하여 구한다.

한편, 본 발명은, 로봇자중과 로봇공구 부하로 인한 정적 변형량은 로봇기구정수 오차로 인한 로봇절대오차에 비하여 상대적으로 작으므로 이러한 변형량 보정은 통상의 로봇기구정수 보정과는 다른 방법으로 접근하였는 바, 즉 이러한 영향을분리시켜 명시적으로 나타내지 않고 조합가공법의 원리에 의하여 실제 작업조건에서 발생하는 최종상대오차에 포함되는 하나의 정적성분오차로 취급하였고, 모델기구정수 추정의 원리상 이 변형량은 실제 작업조건을 이용하여 실험하는 경우 추정기구 정수값에 저절로 반영된다.

또한, 본 발명은 이미 공지되어 있는 직접교시법과 비교할 때, 교시할 로봇작업점 개수가 많고 공작물의 형상이 복잡할수록 더 효율적이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 별도의 측정장치를 사용하지 않고 로봇 가공대상물 자체의 치수정보만을 이용하여 로봇 보정작업이 이루어지도록 되어 비용이 절감될 뿐만 아니라, 로봇 보정작업을 위하여 로봇을 실제 로봇 작업장으로부터 분리하지 않고 실제로 작업을 수행할 생산라인에서 실제 가공대상물을 이용하여 완성된 로봇작업장에서 직접 수행되므로 로봇작업장을 구성하는 네 가지 로봇 셀 요소들의 제작오차 및 설치/고정오차의 최종 누적오차를 한번에 줄일 수 있게 되어 보정작업이 효율적으로 운영되는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 실제 로봇 셀 요소들을 설치하여 작업준비를 작업준비단계(S1)와; 공작물(40)을 화면상에 호출한 후 공작물(40) 치수정보를 이용하여 하나의 공작물(40)에 대한 보정기준점(a,b,c,d)들을 결정하는 보정기준점결정단계(S2)와; 이 공작물 위에 결정된 보정기준점(a,b,c,d)들을 이용하여 보정기준좌표계(C1)를 결정한 후, 로봇을 직접 움직여서 보정기준점(a,b,c,d)들을 교시한 다음 상기 보정기준좌표계(C1)와 로봇기준좌표계(R) 사이의 관계를 나타내는 변환행렬을 구하는 변환행렬계산단계(S3)와; 대표점들에 대하여, 이 변환행렬을 이용한 계산값과 로봇제어기 위치 출력값의 상대오차 크기에 의하여 상기 변환행렬의 실용성을 평가한 후 로봇작업점들의 그룹화 여부를 결정하는 변환행렬평가단계(S4)와; 대표점의 상대오차와 요구되는 작업의 정확도에 따라 기구정수 추정레벨을 결정하는 추정레벨결정단계(S5)가 순차적으로 진행되고,

   이 추정레벨결정단계(s5)에서 구해진 각각의 추정레벨에 따라 추정레벨0(S6)와, 추정레벨1(S7) 및, 추정레벨2(S8) 인 경우로 나뉘어 단계가 진행되되, 추정레벨0(S6)인 경우 상기 변환행렬을 이용하여 로봇선단부의 로봇기준직교작업위치를 계산함으로써 보정작업이 수행되고, 추정레벨1(S7)인 경우 D-H기수정수로서 기구정수모델링(S7')을 수행하고, 기구정수를 추정하기 위한 추가의 보정기준점을 결정하는 추가보정기준점결정단계(S9)와, 로봇을 이용한 직접 교시법으로 보정기준점들을 측정하는 보정기준점측정단계(S10)와, 최소자승오차법에 의해 로봇의 기구정수를 추정하는 로봇기구정수추정단계(S11) 및, 상기 변환행렬과 추정된 기구정수를 이용하여 각 로봇작업위치에 대한 관절변수를 계산하는 관절변수계산단계(S12)를 수행하고, 추정레벨2(S8)인 경우 수정기구정수로서 기구정수모델링(S8')을 수행하고, 이후 상기 추가보정기준점결정단계(S9)와, 보정기준점측정단계(S10), 로봇기수정수추정단계(S11) 및, 관절변수계산단계(S12)를 순차적으로 수행하여 보정작업이 이루어지도록 된 공작물 치수정보를 이용한 로봇셀 자체보정방법.