KR20010023263A - 로봇을 제어하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

로봇(1)을 제어하기 위한 제어 시스템 및 방법으로서, 로봇은 적어도 3개의 종방향으로 연장 또는 단축되는 설정 장치(2,3,4)를 포함하며, 각각의 설정 장치가 상기 프레임에 대한 모든 방향으로 피봇되도록 각각의 설정 장치는 고정 프레임(6)의 제 1 조인트(20,30,40)를 경유하여 고정되며 각각의 설정 장치를 가동 위치 헤드(8)의 제 2 조인트(21,31,41)을 경유하여 일단부에 부착되며, 또한 강성 아암(10)은 상기 위치 헤드에 연결되며 상기 위치 헤드로부터 돌출되며 상기 설정 장치 사이에 배치되며, 상기 아암은 반경방향으로 가이드되지만 상기 프레임에 상대적으로 유니버설 조인트(12)에 축방향으로 배치가능하게 저널되며 상기 프레임에 강성 결합되며, 각각의 설정 장치는 길이 센서(LS1,LS2,LS3)가 제공되며, 상기 센서는 로버트의 작업 공간에서 위치 헤드의 위치(X,Y,Z)를 제어하기 위한 제어 시스템(S1)의 부품을 형성하며, 제어 시스템은 작업 공간에서 위치 헤드의 위치(X,Y,Z)를 교정하기 위하여 피드백 제어 시스템(R2)과 협동하며 상기 제어 시스템(S1) 및 상기 제어 시스템(R2)은 상이한 좌표계에 따라 작동한다.

Description

로봇을 제어하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING A ROBOT}
특허 명세서 SE 8502327-3(452 279)를 따라 종방향으로 연장 및 단축될 수 있는 적어도 3 개의 설정 장치를 포함하며 위치 헤드를 가지는 로봇은 이미 공지되어 있다. 각각의 설정 장치가 고정 프레임에 대하여 모든 방향으로 피봇될 수 있도록 제 1 조인트를 경유하여 각각의 설정 장치가 고정 프레임에 고정된다. 각각의 설정 장치는 제 2 조인트를 경유하여 가동의 위치 헤드의 일단부에도 부착된다. 강성 아암은 또한 설정 장치 사이의 위치 헤드에 결합되며 상기 위치 헤드로부터 돌출되며, 상기 아암은 상기 프레임에 상대적으로 유니버설 조인트에서 반경 방향으로 가이드되지만 축방향으로 배치가능하게 저널되며 상기 프레임에 강성 결합된다.
유사한 로봇은 또한 각각의 설정 장치가 프레임에 대한 모든 방향에서 피봇적이 되도록 설정 장치가 제 1 조인트를 경유하여 배치가능한 러너(runner)에 고정되며, 상기 러너는 고정 프레임에 고정되는 것으로 공지되어 있다. 상기 조인트는 그러므로 프레임에 간접적으로 고정된다.
상기 공지된 로봇은 설정 장치를 연장 또는 단축시키는 모터가 제공된 설정 장치에 의하여 제어된다. 제어는 위치 헤드의 예비결정된 위치에 선형적으로 제어되는 설정 장치 또는 예비결정된 이동 패턴을 따라 제어되는 위치 헤드에 의하여 달성된다. 그러므로 위치 헤드의 설정 위치의 제어는 없으며, 이는 설정 장치, 조인트, 위치 헤드 등 상의 힘 및 온도의 영향이 목표 설정점과 실제 위치 사이의 차이점이 발생한다는 것을 의미한다.
설정점과 실제 위치 사이의 차이는 만족스럽지 못하며 로봇의 이용에서 정밀도를 감소시킨다.
본 발명은 로봇의 위치 헤드(positioning head)의 공간적 위치 제어 및 교정에 관한 것이다. 이하에서는, 용어 "로봇"은 예를 들면, 임의의 분야에서 본 발명의 로봇은 수치 제어되는 기계 도구로서 작용하므로, NC 형태의 기계 도구를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 로봇의 정면도이며,
도 2는 본 발명에 따른 유니버설 조인트용 고정 홀더의 사시도이며,
도 3은 본 발명에 따라 별도의 좌표계에서 작동하는 센서가 제공된 유니버설 조인트에서 제어되는 중앙 아암의 사시도이다.
본 발명의 목적은 상술된 형태의 로봇의 정밀도를 증가시키기 위한 것이다.
상기 목적은 존재하는 제어 시스템을 보충하기 위하여 피드백 제어 시스템을 배치함으로써 달성된다. 본 발명의 특징은 첫째 존재하는 제어 시스템 및 피드백 제어 시스템이 상이한 좌표계에서 위치 헤드의 좌표를 표시한다는 것이다. 두번째는, 피드백 제어 시스템의 센서는 측정을 위하여 로봇에서 가동되며 이동이 수반되며 무장력상태인 부품상에 배치된다는 것이다. 상기 부품은 그러므로 온도 또는 힘에 의하여 영향을 받지 않는다.
그러므로 본 발명은 종방향으로 연장 또는 단축될 수 있는 적어도 3 개의 설정 장치를 포함하는 로봇용 제어 시스템에 관한 것이다. 각각의 설정 장치가 프레임에 대하여 모든 방향에서 피봇되도록 각각의 설정 장치가 제 1 조인트를 경유하여 고정 프레임에 고정된다. 각각의 설정 장치는 제 2 조인트를 경유하여 가동되는 위치 헤드의 일단부에 부착된다. 강성 아암은 위치 헤드에 결합되며 상기 위치 헤드로부터 돌출되며, 상기 설정 장치 사이에 배치되며, 상기 아암은 반경방향으로 가이드되지만 상기 프레임에 상대적으로 그리고 상기 프레임에 상대적으로 유니버설 조인트에 축방향으로 배치가능하도록 저널되며 상기 프레임에 강성 결합된다. 각각의 설정 장치에는 길이 센서(LS1, LS2, LS3)가 제공되며, 상기 센서는 로봇의 작업 공간에서 위치 헤드의 위치(X, Y, Z)를 제어하기 위한 제어 시스템(S1)의 부품을 형성한다. 제어 시스템은 그러므로 작업 공간에서 위치 헤드의 위치(X, Y, Z)를 교정하기 위하여 배치되는 피드백 제어 시스템(R2)과 협동한다. 상기 제어 시스템(S1) 및 피드백 제어 시스템(R2)은 상이한 좌표계에 따라 작동한다.
본 발명은 또한 로봇의 위치 헤드의 위치를 제어하기 위한 방법에 관한 것인데, 상기 방법은,
a) 제어 시스템이 카티젼 좌표계에 따라 상기 위치 헤드를 제어하는 단계;
b) 피드백 제어 시스템이 구변 좌표계에 따라 위치 헤드의 위치(α,β,ι)를 감지하는 단계;
c) 상기 구변 좌표계로부터 상기 카티젼 좌표계로 상기 위치 헤드의 위치(α,β,ι)에 대한 좌표 변환이 수행되는 단계;
d) 상기 카티젼 좌표계에서 설정점과 실제점 사이에서 얻어진 편차(ΔX,ΔY,ΔZ)는 상기 위치 헤드의 이전 설정점(X,Y,Z)에 더해짐으로써 새로운 설정점(Xn= X + ΔX, Yn= Y + ΔY, Zn= Z + ΔZ)이 생성되는 단계;
e) 상기 위치 헤드의 위치가 상기 새로운 설정점으로 변경되는 단계;
f) 상기 설정점의 계속적인 제어를 수행하기 위하여 상기 a)단계 내지 e)단계가 반복되는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명은 첨부된 도면에 대하여 실시예에 의하여 더욱 상술된다.
본 발명은 종방향으로 연장 또는 단축될 수 있는 적어도 3 개의 설정 장치(2, 3, 4)를 가지는 로봇(1)에 직접적으로 관련된 것으로, 각각의 설정 장치(2, 3, 4)가 프레임(6)에 관한 모든 방향에서 피봇될 수 있도록 각각의 설정 장치는 제 1 조인트(20, 30, 40)를 경유하여 고정 프레임(6)에 고정된다. 각각의 설정 장치는 또한 제 2 조인트(21, 31, 41)를 경유하여 가동의 위치 헤드(8)의 일단부에 부착된다. 중간 아암(10)은 또한 설정 장치(2, 3, 4) 사이에 결합되며 위치 헤드(8)로부터 돌출된다. 도 1에서 제 1 조인트(30) 및 제 2 조인트(31)를 구비한 설정 장치(3)는 상기 중간 아암(10)에 의하여 가려지지만, 상기 부품들은 화살표에 의하여 표시된다. 특허 명세서 SE 8502327-3(452 279)에서 제시된 방법과 유사하게, 각각의 설정 장치는 실린더에서 가동의 피스톤 형태이다.
아암(10)은 위치 헤드(8)에 연결되며 설정 장치 사이에서 상방으로 연장된다. 상기 아암은 프레임(6)에 고정되는 유니버설 조인트(12)에서 반경방향으로 가이드된다. 유니버설 조인트(12)는 아암이 반경방향으로 가이드되는 동안 아암이 조인트를 통하여 축방향으로 미끄러지는 것을 허용한다. 유니버설 조인트(12)는 또한 아암이 제 1 축에 대하여 각도 α로 회전되며 제 2 축에 대하여 각도 β로 회전되는 것을 허용한다. 제 1 및 제 2 축은 각도 90°하에서 서로 교차한다.
각각의 설정 장치(2, 3, 4)는 모터(22, 23, 24), 바람직하게는 전기 형태의 모터에 의하여 예비결정된 이동 패턴에 따라 작동된다. 상기 이동 패턴은 설정 장치(2, 3, 4)를 연장 또는 단축시키기 위하여 각각의 모터(22, 32, 42)를 활성화시키는 제어 시스템(S1)의 기초를 형성하며, 그리하여 위치 헤드(8)의 배치가 작동 공간에서 특정한 위치로 이루어지도록 하거나 또는 위치 헤드(8)가 작동 공간에서 주어진 곡선을 따라 가동되도록 한다. 각각의 설정 장치는 모터 위치를 측정하는 각도 변환기가 제공되며, 각도 변환기는 설정 장치의 종방향 위치를 나타내며 그러므로 길이 센서(LS1, LS2, LS3)와 같은 것이며, 상기 센서는 로봇의 작동 공간에서 위치 헤드의 위치(X, Y, Z)를 제어하기 위한 제어 시스템(S1)의 부품을 형성한다. 위치 헤드(8)는 그러므로 도 1에서 좌표계에 의하여 표시된 바와 같이 카티젼 좌표계(cartesian coordinate system)의 위치(X, Y, Z)로 가이드된다. 또한 도 1에서 명백한 바와 같이, 도구 헤드(14)는 결합 수단(16)에 의하여 위치 헤드(8)에 결합되며, 이것은 로봇이 4, 5 또는 6 축을 가지는지 여부에 따라 결정된다. 6 개 이상의 축은 또한 가능하다.
도 2는 아암(10) 및 유니버설 조인트(12)의 내측 부품을 분리할 수 있는 유니버설 조인트 하우징(13)을 가지는 로봇의 부품을 보여준다. 유니버설 조인트 하우징(13)은 또한 외부적으로 제 1 조인트(20, 30, 40)를 가진다. 도 2에서 명백한 바와 같이, 모든 상기 제 1 조인트는 유니버설 형태이며, 즉 설정 장치는 2 개의 수직축상 조인트에서 회전할 수 있다. 그러나, 조인트를 통하여 축방향으로 배치되는 설정 장치를 조인트는 허용하지 않는다. 전술된 바와 같이, 축방향으로의 이동은 연장되거나 단축되는 설정 장치에 의하여 달성된다.
도 3은 아암(10) 및 유니버설 조인트(12)의 내측 부품을 보여주며, 즉 상기 부품은 유니버설 조인트 하우징(13)에 장착된다. 상기 내측 부품은 내측 링(18) 및 외측 링(19)으로 구성된다. 아암(10)은 내측 링(18)에서 미끄러질 수 있으며 그러나 서로 아암(10)에 대향되게 배치되는 슬라이드 레일(50)에 의한 회전에 대하여 고정되며 내측 링에서 홀더(51)에서 작동에 대하여 고정된다. 외부에 내측 링은 외측 링(19)에 피봇적으로 저널되는 고정된 대향 베어링 핀(60)이 제공된다. 외측 링은 유니버설 조인트 하우징(13)에 저널되는 고정 대향 베어링 핀(70)이 제공된다. 모든 베어링 핀은 하나 및 동일한 평면에 배치되지만 내측 링의 베어링 핀을 통과하는 축선은 90°의 각도에서 외측 링의 베어링 핀을 통과하는 축선에 교차한다.
유니버설 조인트(12)에서 아암(10)에 대한 이동 패턴은 제 1 유니버설 축에 대하여 각도 α 및 제 2 유니버설 축에 대하여 각도 β로 회전될 수 있는 것이다. 아암은 또한 내측 링(18)에서 거리(ι)를 미끄러질 수 있다. 아암은 위치 헤드(8)에 결합되므로, 이것은 로봇의 구조에 의하여만 제한되는 작업 공간을 형성한 모든 위치(Xn, Yn, Zn)를 가정할 수 있다.
도 3은 또한 외측 링(19)에는 제 1 유니버설 축에 대하여 아암의 각도 α를 감지하는 제 1 각도 센서(71), 도 1을 또한 참조,가 제공되는 것을 보여준다. 외측 링에는 또한 제 2 유니버설 축에 대하여 아암의 각도 β를 감지하는 제 2 각도 센서(72)가 제공된다. 더욱이, 글라스 스케일(glass scale)의 형태가 바람직한, 길이 센서(73)는 아암의 길이 위치(ι)를 감지하기 위하여 아암을 따라 배치된다. 상기 3개의 센서는 도 3에 표시된 구변 좌표계(spherical coordinate system)에서 위치 헤드(8)의 위치에 대응하는 좌표를 생성한다. 구변 좌표계에서 상기 위치는 위치 헤드(8)의 실제 위치를 나타낸다. 상기 실제 위치는 좌표 변환에 의하여 전술된 카티젼 좌표계에서 얻을 수 있다.
좌표 변환은 다음 방정식에 의하여 얻을 수 있다.
Xa= ιsinαcosβ
Ya= ιsinαcosβ
Za= ιcosα
위치 헤드(8)는 그러므로 설정점을 나타내는 위치(Xb, Yb, Zb)에 대해 카티젼 좌표계에서 제어된다. 상기 위치는 그 후 구변 좌표계에서 실제 위치(α, β, ι)를 나타내는 상기 센서(71, 72, 73)에 의하여 감지된다. 좌표 변환은 수행되며, 실제 위치(Xa, Ya, Za)는 카티션 좌표계에서 얻을 수 있다. 그 후 상기 차이(ΔX, ΔY, ΔZ)는 카티션 좌표계에서 설정점과 실제 위치 사이에서 계산된다. 상기 차이는 마지막으로 새로운 설정점(Xn, Yn, Zn)을 얻기 위하여 이전 설정점(Xb, Yb, Zb)에 추가된다. 상기 감지 및 계산은 피드백 제어를 위하여 계속적으로 반복되며, 위치 헤드의 위치의 향상된 정밀도는 힘, 온도 및 기계에서 기계적 편차를 위한 보상을 통하여 달성된다.
설정점(X, Y, Z)과 실제 위치(Xa, Ya, Za) 사이의 편차(ΔX, ΔY, ΔZ)는 그러므로 카티션 좌표계에서 이전 설정점(Xb, Yb, Zb)으로 추가되며, 그러므로 새로운 설정점 Xn= Xb+ ΔX, Yn= Yb+ ΔY, Zn= Zb+ ΔZ이 된다. 상기 계산 및 교정은 그때 설정점의 계속적인 제어를 위하여 반복된다.
도 3은 또한 적어도 2개의 축에서 가동되는 총 헤드(14)가 위치 헤드(8)에 결합되는 것을 보여준다. 상기 축에 대한 회전은 또한 상기 설정점을 교정하기 위한 제어 시스템에서 또한 포함될 수 있는 센서(81, 82)에 의하여 감지된다. 만약 도구 헤드를 위한 수많은 축이 2개라면, 5개의 축을 가진 로봇을 얻을 수 있다. 더 많은 축이 또한 가능하다.

Claims (8)

  1. 로봇용 제어 시스템으로서, 상기 로봇(1)은 종방향으로 연장되거나 단축될 수 있는 적어도 3개의 설정 장치(2,3,4)를 포함하며, 각각의 설정 장치가 상기 프레임에 대하여 모든 방향으로 피봇되도록 상기 설정 장치는 제 1 조인트(20,30,40)를 경유하여 고정 프레임(6)에 직접 또는 간접 고정되며 각각의 설정 장치가 제 2 조인트(21,31,41)를 경유하여 가동 위치 헤드(8)의 일단부에 부착되며, 또한 강성 아암(10)이 상기 위치 헤드에 결합되고 상기 위치 헤드로부터 돌출되며 상기 설정 장치 사이에 배치되며, 상기 아암은 반경방향으로 가이드되지만 상기 프레임에 상대적으로 유니버설 조인트(12)에 축방향으로 배치가능하게 저널되며 상기 프레임에 강성 결합되며, 각각의 설정 장치에는 길이 센서(LS1,LS2,LS3)가 제공되며, 상기 센서는 로봇의 작업 공간에서 위치 헤드의 위치(X,Y,Z)를 제어하기 위한 제어 시스템(S1)의 부품을 형성하는 로봇용 제어 시스템에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 작업 공간에서 상기 위치 헤드의 위치(X,Y,Z)를 교정하도록 배치된 피드백 제어 시스템(R2)과 협동하며,
    상기 제어 시스템(S1) 및 피드백 제어 시스템(R2)은 상이한 좌표계를 따라 작동하는 것을 특징으로 하는 로봇용 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 시스템(S1)은 카티젼 좌표계를 따라 작동하며, 상기 제어 시스템(R2)은 구변 좌표계를 따라 작동하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇용 제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 제 1 각도 센서(71), 제 2 각도 센서(72), 및 길이 센서(73)는 상기 유니버설 조인트에 관련하여 배치되며, 상기 3개의 센서(71,72,73)는 상기 구변 좌표계를 따라 상기 실제 위치(α,β,ι)를 표시하며 상기 설정점(Xb, Yb, Zb)의 공간 위치와 상기 위치 헤드의 실제 위치(Xa, Ya, Za) 사이의 편차(ΔX, ΔY, ΔZ)를 결정하기 위하여 상기 제어 시스템(S1)과 협동하며, 상기 로봇의 작업 공간에서 상기 위치 헤드에 대한 위치(X+ΔX, Y+ΔY, Z+ΔZ)의 교정이 수행되는 것을 특징으로 하는 로봇용 제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 센서(71,72,73)는 측정을 위하여, 상기 로봇내에서 이동하여 운동을 수반하나 무장력상태인 부품에 또는 부품 근처에 놓이는 것을 특징으로 하는 로봇용 제어 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제어 시스템(R2)의 각도 센서(71,72)는 상기 유니버설 조인트(12)에 배치되며, 상기 길이 센서(73)는 상기 아암(10)에 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇용 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어 시스템에 연결되고 도구 홀더(80)에 배치되는 두개 이상의 부가 각도 센서(81,82)가 제공되는 것을 특징으로 하는 로봇용 제어 시스템.
  7. 로봇의 위치 헤드의 위치를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    a) 제어 시스템이 카티젼 좌표계에 따라 상기 위치 헤드를 제어하는 단계;
    b) 피드백 제어 시스템이 구변 좌표계를 따라 위치 헤드의 위치(α,β,ι)를 감지하는 단계;
    c) 상기 구변 좌표계로부터 상기 카티젼 좌표계로 상기 위치 헤드의 위치(α,β,ι)에 대한 좌표 변환이 수행되는 단계;
    d) 상기 카티젼 좌표계에서 설정점과 실제점 사이에서 얻어진 편차(ΔX,ΔY,ΔZ)는 상기 위치 헤드의 이전 설정점(X,Y,Z)에 더해짐으로써 새로운 설정점(Xn= X + ΔX, Yn= Y + ΔY, Zn= Z + ΔZ)이 생성되는 단계;
    e) 상기 위치 헤드의 위치가 상기 새로운 설정점으로 변경되는 단계;
    f) 상기 설정점의 계속적인 제어를 수행하기 위하여 a)단계 내지 e)단계가 반복되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 방법은 제 1 항에 인용된 로봇(1)에 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020007001896A 1998-06-25 1999-06-17 로봇을 제어하기 위한 시스템 및 방법 KR100591512B1 (ko)

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SE9802268-4 1998-06-25
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