KR20030069381A - Method for tool calibration in robot - Google Patents

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윤병운
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삼성전자주식회사
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Abstract

PURPOSE: A tool calibration method for a robot is provided to quickly perform tool calibration by calculating deviation between a designed value and a real value of the work point. CONSTITUTION: A tool calibration method for a robot comprises the steps of: setting a reference point for tool calibration in a working space of the robot; setting the work point(TCP) of a tool(11) at the reference point; changing the position of the robot several times; calculating the work point according to each position of the robot, and calculating deviation between a designed value and a real value of the work point.

Description

로봇의 툴 캘리브레이션 방법 { Method for tool calibration in robot }Method calibration for robots {method for tool calibration in robot}

본 발명은 로봇의 툴 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tool calibration method of a robot.

일반적으로, 로봇을 이용하는 방법으로 티치 엔 플레이 백(Teach and Playback) 방법이 사용되고 있다. 이 방법은 작업자가 로봇을 움직여 작업물에 위치시키고 이때의 로봇의 관절값을 로봇의 제어기내에 교시(Teach)시켰다가 작업시에 사용(Playback)하는 방법이다. 이 방법은 정확한 대신에 로봇을 교시해야 하므로 항상 작업시간이 많이 소요된다. 또한, 이 방법은 사용자가 로봇과 작업물의 위치를 눈으로 확인하면서 교시하게 되는데 특수한 공정의 경우 사용자가 로봇과 작업물을 동시에 볼 수 없는 경우도 있다.In general, a teach and playback method is used as a robot. In this method, the worker moves the robot to the work place, teaches the joint value of the robot in the robot's controller, and plays back the work. This method is always time consuming because it requires teaching the robot instead of being accurate. In addition, this method teaches the user by visually confirming the position of the robot and the workpiece. In a special process, the user may not see the robot and the workpiece at the same time.

이러한 티치 엔 플레이 백의 방법의 단점을 해결하기 위해 도입된 방법 중에 하나가 오프라인 프로그래밍방법이다. 이 방법은 작업물의 기하학적인 형태와 로봇의 기구적인 파라미터를 알고 로봇과 작업물 사이의 상대위치를 정확하게 알 수 있는 경우 작업점을 수식적으로 구하는 방법이다. 그러나, 이를 적용하기 위해서는 로봇과 로봇에 부착된 툴(용접로봇의 경우에는 용접건)이 정확하게 캘리브레이션 되어있어야 한다.One of the methods introduced to solve the shortcomings of the teaching and playback method is the offline programming method. This method is to find the working point formally if the geometric shape of the workpiece and the mechanical parameters of the robot can be known and the relative position between the robot and the workpiece can be known accurately. However, in order to apply this, the robot and the tool attached to the robot (welding gun in the case of a welding robot) must be accurately calibrated.

그러나, 대개의 로봇은 제조사에서 정확하게 로봇의 캘리브레이션이 수행되어 이 값이 로봇제어기에 반영되어 있다. 하지만, 작업환경에 따라 차이가 있기 때문에 로봇의 툴 캘리브레이션은 대개 로봇의 사용자가 직접 수행하며 보통의 사용자에게는 툴 캘리브레이션을 위해서 3차원 측정기를 사용하거나 지그를 제작하는 것이 쉽지 않다. 그러므로, 로봇 제어기에 작업점(툴 중심)(Tool Center Point) 파라미터를 입력시에 툴의 설계값을 그대로 입력하는 경우가 발생하는데 이러한 경우에는 툴의 가공 및 조립시에 발생한 오차로 인해, 로봇의 툴 캘리브레이션의 정밀도 및 속도가 떨어진다는 문제점이 있다.However, in most robots, the robot is calibrated correctly and this value is reflected in the robot controller. However, the tool calibration of the robot is usually performed by the user of the robot because it is different depending on the working environment, and it is not easy for the average user to use a 3D measuring instrument or make a jig for the tool calibration. Therefore, when the tool center point parameter is input to the robot controller, the design value of the tool may be input as it is. In this case, due to an error occurring during machining and assembly of the tool, There is a problem that the precision and speed of the tool calibration are poor.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 별도의 3차원측정기나 툴 캘리브레이션 지그없이, 로봇의 작업점(TCP)을 작업공간내의 특정한 하나의 점을 기준으로 동일한 위치값과 서로 다른 자세를 가지도록 여러 번 교시한 후 각 교시점에서 산출된 작업점들을 비교하여 선형회귀식으로 변환하여 작업점의 설계값에 대한 실제값의 편차를 구하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a robot's working point (TCP) with the same position value with respect to a specific point in the workspace without a separate three-dimensional measuring device or tool calibration jig. After teaching several times to have different postures, the work points calculated at each point are compared and converted into a linear regression equation to find the deviation of the actual values from the design values of the work points.

도 1은 본 발명에 따른 로봇팔에 부착된 툴과 그 좌표계를 설명하기 위한 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a tool attached to a robot arm and its coordinate system according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 로봇의 툴 캘리브레이션을 설명하기 위한 구성도이다.Figure 2 is a block diagram for explaining the tool calibration of the robot according to the present invention.

*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main functions of the drawings *

10 : 로봇팔11 : 로봇 툴10: robot arm 11: robot tool

12 : 빔13 : 툴 캘리브레이션 지그12: beam 13: tool calibration jig

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 로봇의 툴 캘리브레이션 방법에 있어서, 로봇의 작업공간 내에서 툴 캘리브레이션을 위한 기준점을 설정하고; 상기 툴의 작업점을 상기 기준점에 일치시키고; 상기 툴의 작업점이 상기 기준점에 일치된 상태에서 상기 로봇의 자세를 복수 회 변화시키고; 상기 로봇의 각 자세마다 상기 작업점을 상기 각 자세와 대응하는 값으로 산출하고; 상기 산출된 작업점들에 근거해서 상기 작업점의 설계값과 실제값의 편차를 산출하는 것을 특징으로 한다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a tool calibration method for a robot, the method comprising: setting a reference point for tool calibration in a workspace of the robot; Match the working point of the tool to the reference point; Change the posture of the robot a plurality of times while the working point of the tool coincides with the reference point; Calculating the work point for each pose of the robot as a value corresponding to each pose; The deviation between the design value and the actual value of the work point is calculated based on the calculated work points.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명에 따른 로봇팔에 부착된 툴과 그 좌표계를 설명하기 위한 개념도이다. 도 2는 본 발명에 따른 로봇의 툴 캘리브레이션을 설명하기 위한 구성도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a tool attached to a robot arm and its coordinate system according to the present invention. Figure 2 is a block diagram for explaining the tool calibration of the robot according to the present invention.

먼저, 도 1은 로봇의 팔(10)에 장착된 툴(11)을 도시한 것으로 툴(11)에는 빔(12)이 마련되어 있어 툴 캘리브레이션 지그(13)상의 특정한 기준점에 일치된다. 툴 캘리브레이션은 설계치의 작업점(TCP : Tool Center Point)에 대해 실제 툴(11)이 장착된 상태에서의 작업점(TCP)의 편차를 보상하는 것이므로, 실제 툴(11)이 장착된 상태에서 설계된 작업점의 실제값에 대한 편차를 구하는 것이 중요하다.First, FIG. 1 shows a tool 11 mounted on an arm 10 of a robot, in which the tool 11 is provided with a beam 12 to match a specific reference point on the tool calibration jig 13. Tool calibration compensates for the deviation of the work point (TCP) when the actual tool 11 is mounted with respect to the work point (TCP: Tool Center Point) of the design value, and therefore is designed with the actual tool 11 mounted. It is important to find the deviation from the actual value of the working point.

본 발명은 외부의 센서나 기타 다른 장치를 이용하지 않고, 로봇의 작업 공간 내에 기준이 되는 특정한 한 점을 마련하여 이 점에 로봇의 작업점(TCP)을 동일한 위치값을 가지되 서로 다른 자세를 가지도록 적어도 3회 이상을 교시한 후 이때의 각 교시점에서의 작업점에 대한 3개의 연립방정식을 유도하고, 이 연립방정식의 해를 풀어내어 로봇의 작업점의 설계값과 실제값의 편차를 계산해 낸다.The present invention provides a specific point of reference within the working space of the robot without using an external sensor or other device, and the robot's working point (TCP) has the same position value but different postures. After teaching at least three times to have three parallel equations for the work points at each point, the solution of the simultaneous equations is solved and the deviation between the design and actual values of the robot's work points is obtained. Calculate

도 1을 참조하여 도 2를 설명하면, 먼저 로봇의 작업 공간 내에 기준이 될 수 있는 기준점을 마련한다. 이때, 공간상에 임의의 기준점을 제공할 수 있는 장치면 가능하고, 끝이 뾰족한 폴 형태의 툴 캘리브레이션 지그(13)가 바람직하다.Referring to FIG. 1 with reference to FIG. 1, first, a reference point may be prepared in the working space of a robot. At this time, it is possible to use any device that can provide an arbitrary reference point in the space, and a tool calibration jig 13 having a pole shape having a sharp tip is preferable.

로봇의 팔(10)에 툴(11)을 장착한 후 로봇을 움직여 그 툴의 빔(12)을 그 기준점에 위치 고정시킨 상태에서 로봇의 자세를 바꾸어 가면서 Pi(i=1~n)을 교시(Teaching)한다. 이때, 로봇은 동일한 위치를 여러 방향에서 접근할 수 있는 로봇을 이용하여 각 교시점에서의 로봇의 방향성분은 서로 다르게 하며, 최소한 3자세 이상으로 교시를 반복한다.After attaching the tool 11 to the arm 10 of the robot, move the robot to fix P i (i = 1 to n) while changing the posture of the robot while fixing the beam 12 of the tool at the reference point. Teaching At this time, the robot uses the robot which can approach the same position in various directions, and the direction components of the robot at each teaching point are different from each other, and the teaching is repeated at least three postures.

위의 교시점 중에서 임의의 2점은 다음과 같이 표현가능하다.Any two points of the above teaching points can be expressed as follows.

P1 = Pm1TTOOL(1)P1 = P m1 T TOOL (1)

P2 = Pm2TTOOL (2)P2 = Pm2TTOOL (2)

이때, Pm1: 툴의 빔이 기준점에 일치하도록 하는 로봇의 첫 번째 자세에서의 작업점( P1)에서의 로봇 마운팅 포인트(mounting point)(로봇의 팔에 툴이 설치되는 위치)의 변환 행렬 (4 X 4 행렬(Matrix))이고, Pm2: 툴의 빔이 기준점에 일치하도록 하는 로봇의 두 번째 자세에서의 작업점(P2)에서의 로봇 마운팅 포인트(mounting point)의 변환 행렬 (4 X 4 행렬(Matrix))이며, TTOOL: 툴(Tool) 의 변환행렬 (4 X 4 행렬(Matrix))이며, 이 Pm1, Pm2및 TTOOL는 로봇이 P1 또는 P2위치로 이동시에 로봇제어기에서 자체적으로 알 수 있다.At this time, P m1 : transformation matrix of the robot mounting point (the position where the tool is installed on the arm of the robot) at the working point P1 at the robot's first posture so that the beam of the tool coincides with the reference point ( 4 m x 4 matrix, and P m2 : transformation matrix (4 x 4) of the robot mounting point at work point P2 in the robot's second posture to ensure that the beam of the tool coincides with the reference point Matrix) and T TOOL : Tool transformation matrix (4 X 4 matrix), and P m1 , P m2 and T TOOL are used by the robot controller when the robot moves to the P1 or P2 position. You can tell by yourself.

위식 (1),(2)은 다음과 같이 표현이 가능하다.Equations (1) and (2) can be expressed as follows:

(3) (3)

(4) (4)

이때, 툴 변환 행렬에서 TX, TY, TZ는 툴의 설계 값이고 △x, △y,△z는 찾고자 하는 작업점(TCP)의 설계값에 대한 실제값의 편차(Offset)이다. 또한, 작업점이 3차원 공간상에 존재하기 때문에 편차의 미지수는 3개이며, 이에 따라 적어도 3자세 이상으로 작업점을 교시하는 작업을 반복한다.In the tool transformation matrix, T X , T Y , and T Z are design values of the tool, and Δx, Δy, and Δz are offsets of actual values with respect to the design value of the work point TCP to be searched. In addition, since the work point exists in the three-dimensional space, there are three unknowns of the deviation, and thus the work of teaching the work point in at least three postures is repeated.

위의 교시시의 조건에서 P1과 P2는 동일한 위치값에 서로 다른 방향을 가지고 있으므로 결국 (3), (4)에서 구한 위치는 서로 같다.Under the above teaching conditions, since P1 and P2 have different directions at the same position value, the positions obtained in (3) and (4) are the same.

이 조건을 사용하면 3개의 식을 구할 수 있으며 (5)와 같이 표현가능하다.Using this condition, three equations can be obtained and can be expressed as (5).

(5) (5)

이 식(5)을 간단히 표현하면,If you simply express this equation (5),

여기서A(i)(1 X 3) 행렬 b(i)(1 X 1) (6) Where A (i) (1 X 3) matrix b (i) (1 X 1) (6)

식(6)을 n 개의 교시점에 대해 확장하여 정리하면 다음과 같이 표현이 가능하다.Equation (6) can be extended as follows for n teaching points and can be expressed as follows.

여기서(n은 정수) (7) here (n is an integer) (7)

식 (7)을 수치해석적인 방법 중 하나인 최소의 오차값을 찾는 전형적인 선형회귀분석식으로 표현이 가능하다.Equation (7) can be expressed as a typical linear regression equation that finds the minimum error value, which is one of the numerical methods.

(8) (8)

(여기서,,및이다)(here, , And to be)

는 (8)을 풀면 간단하게 구할 수 있다. 이에 따라, 로봇의 작업점(TCP)의 설계값에 대한 실제값의 편차(Offset)인 △x, △y,△z가 구해져 이 값을 보상함으로서 로봇의 툴 캘리브레이션이 완료된다. Can be found simply by solving (8). Accordingly, Δx, Δy, and Δz, which are offsets of actual values with respect to the design value of the work point TCP of the robot, are obtained and compensate for this value, thereby completing the tool calibration of the robot.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 작업자가 별도의 측정기나 지그 없이 툴 캘리브레이션 값 (설계값과 실제값의 편차) 을 얻을 수 있어 로봇의 툴 캘리브레이션시 추가적 비용부담 없이 빠른 시간 안에 툴 캘리브레이션을 수행 할 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention enables the operator to obtain a tool calibration value (deviation between the design value and the actual value) without a separate measuring instrument or jig, so that tool calibration can be performed in a short time without any additional cost during tool calibration of the robot. It can work.

Claims (3)

로봇의 툴 캘리브레이션 방법에 있어서,In the tool calibration method of a robot, 로봇의 작업공간 내에서 툴 캘리브레이션을 위한 기준점을 설정하고;Establish a reference point for tool calibration within the workspace of the robot; 상기 툴의 작업점을 상기 기준점에 일치시키고;Match the working point of the tool to the reference point; 상기 툴의 작업점이 상기 기준점에 일치된 상태에서 상기 로봇의 자세를 복수 회 변화시키고;Change the posture of the robot a plurality of times while the working point of the tool coincides with the reference point; 상기 로봇의 각 자세마다 상기 작업점을 상기 각 자세와 대응하는 값으로 산출하고;Calculating the work point for each pose of the robot as a value corresponding to each pose; 상기 산출된 작업점들에 근거해서 상기 작업점의 설계값과 실제값의 편차를 산출하는 것을 특징으로 하는 로봇의 툴 캘리브레이션 방법.And calculating a deviation between the design value and the actual value of the work point based on the calculated work points. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 각 자세마다의 상기 작업점은 상기 로봇의 각 자세마다의 로봇의 마운팅 포인트의 변환행렬과 상기 툴의 변환행렬의 곱으로 표현되는 것을 특징으로 하는 로봇의 툴 캘리브레이션 방법.And said working point for each posture is expressed as a product of a transformation matrix of a mounting point of a robot for each posture of said robot and a transformation matrix of said tool. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 로봇의 자세변화횟수는 상기 편차의 미지수의 개수와 상응하는 것을 특징으로 하는 로봇의 툴 캘리브레이션 방법.And the number of times the attitude change of the robot corresponds to the number of unknown values of the deviation.
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