KR20110009658A - 로봇 정확도 향상을 위한 외부 시스템 - Google Patents

Abstract

계측 시스템(시스템)의 발명 개념은 말단 팔도구(end of arm tool: EOAT)를 채용하는 산업용 로봇과 같은, 그러나 그것에 한정되지는 않는, 모션 장치의 6-자유도(Degree of Freedom: DOF) 자세를 능동적으로 결정한다. 그 시스템의 개념은 적어도 하나의 모션 장치의 별도의 작업 위치에서 EOAT의 자세를 능동적으로 결정하기 위해 어떤 내재적인 탐지(ranging) 능력이 없는 레이저 포인팅 장치들을 EOAT-장착 타겟과 조합하여 사용하는 것을 포함한다.

Description

로봇 정확도 향상을 위한 외부 시스템 {EXTERNAL SYSTEM FOR ROBOTIC ACCURACY ENHANCEMENT}

이것은 2008.03.21일에 출원된 가특허출원(provisional patent application) 번호 61/070,614호에 대한 우선권을 주장하며 그 내용 전부를 참조에 의해 본 출원 내용으로 포함하는 정식 특허출원이다.

본 발명은 로봇과 장비 정확도 향상을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

로봇 및 수치제어(Numerically Controlled: NC) 모션 시스템 분야에서, 모션 장치들과 모션 시스템을 모델링하고 특징화의 정확도 향상을 추구하기 위해 상당한 노력과 연구가 행해져 오고 있다. 특히 산업용 로봇에 관해서는, 제조사와 애프트-마켓(after-market) 회사들은 로봇의 '준공(as-built)' 조건들을 모델링 하는 데 주로 초점을 맞춰왔다. 대개 로봇의 운동학적 모델에서 파라미터들은 로봇의 작업 가능영역(work envelope) 전체에 걸쳐 다양한 자세에서 그 로봇에 관한 한 번의 공간 보정(volumetric calibration)의 결과에 근거해서 조절된다; 대표적으로 레이저 추적기(tracker)와 같은 외부 계측(metrology) 장치를 채용하여 분산된 위치에서 로봇의 실제 자세 대 명령된 자세 (또는 단순히 위치)를 측정하고 비교한다. 앞서 언급한 로봇의 공간 보정을 좀 더 확장해보면, 제조 작업장(manufacturing floor) 상에서 주기적으로 수행될 수 있는 유사한 방법들을 포함하지만, 그 방법들은 생산 동안에 수행되도록 구성된 것은 아니다. 그러한 오프라인 보정(calibration) 방법들은 로봇의 특징에 관한 그 시점에서의 스냅샷을 제공할 뿐이고, 시스템의 보정과 보정 사이에서 불가피하게 발생하게 되는 마모나 있을 수 있는 열 변형 때문에 생기는 정확도 감소를 설명하지 못한다.

그 기술은 종래의 다양한 레이저 추적 시스템 및 방법들로 넘쳐날 정도이며, 이것들은 3 내지 6 자유도 (degrees of freedom: DOF) 중 어느 하나의 타겟을 위치시킬 수 있는, 이에 의해 로봇 장치들을 그 타겟에 관하여 정렬시켜 공작물(workpiece)에 대해 작업을 수행할 수 있다. 이들 종래 기술 시스템과 방법들은 크레머(Kremers) 등에 허여된 미국특허 제4,412,121호, 하시모토(Hashimoto) 등에 허여된 미국특허 제4,707,129호, 라우(Lau) 등에 허여된 미국특허 제4,714,339, 하퍼헐(Haffher)에 허여된 미국특허 제4,792,228호, 시나(Cina) 등에 허여된 미국특허 제5,042,709호, 런드버그(Lundberg) 등에 허여된 미국특허 제5,100,229호, 스넬(Snell)에 허여된 미국특허 제5,907,229, 그리고 메이나드(Maynard)에 허여된 미국특허 제6,400,452호 등에 의해 교시되어 있다. 예를 들어 라우의 미국특허 제4,714,339호는 3차원 추적 시스템을 알려주는데, 그것은 단순화된 자유도 5의 추적 시스템이다.

또 다른 정확도 향상 방법들은 로봇의 운동학적 모델 파라미터의 인라인 업데이팅을 포함하며, 이것은 주로 (여러 자세의) 로봇 단말작동기(robot end effector)를 그 로봇의 실제 '작업 공간(work volume)' 안에는 통상적으로는 존재하지 않는 고정된 센서들에게 주기적으로 제시하는(presenting) 것을 통해서 또는 로봇 조인트(또는 그것과의 조합)에 관한 '향상된' 엔코더 독출(read-outs)을 제공하는 것을 통해서 이루어진다. 이런 류의 방법들 중 적어도 하나는 그 로봇의 '작업 공간'내의 로봇 단말작동기 위치를 측정하는 것을 포함하지만, 그러나 그 로봇의 실제 작업 싸이클 동안에는 이것을 수행하지는 않는다. 앞서 언급한 모든 방법들은, 그것들의 업데이트가 '한 번에(one-shot)' 또는 주기적으로 되게 하든지, 궁극적으로는 단지 자동완성 기능적인(predictive) 것이고, 그 단말작동기의 현재의 자세를 진짜로 아는 것에 관해서는 '수동적'이라고 생각될 수 있다.

외부 계측 장치들을 통한 로봇 단말작동기의 능동적(실시간) 측정은 오랫동안 연구되어 왔으며, 많은 상업적 응용들이 현재 수행되고 있거나 이미 실행되어 오고 있다. 레이저 추적기들과 레이저 레이더 유닛들은 확실히 여러 가지 제조 공정용 로봇을 충분히 가이드/교정하기 위해 요구되는 정확도를 가지고 있긴 하지만, 단일 조준선(line of sight: LOS) 장치이다. 레이저 추적기들의 경우, 그것들은 자신들의 코너 큐브(corner cube) 타겟들을 '탐색' 하기 위한 시간을 필요로 한다. 레이저 레이더의 경우, 반구형 타겟들은 통상 스캔된다. 각 유형의 시스템은 실시간 능동 로봇 교정에 널리 응용하기에는 엄두를 내지 못할 만큼 비싸고 느리다. 종래의 코너 큐브 반사기들을 사용하는 6-DOF 세대는 다중 레이저 추적기를 필요로 하거나 또는, 보다 흔하기로는, 로봇의 말단 팔도구(end of arm tool: EOAT) 상에서 다중 코너 큐브 타겟들을 측정하는 것을 필요로 한다. 레이저 추적기(간섭법(interferometric) 및/또는 비행시간(time of flight) 기술들을 이용하는)로부터의 단일 조준선을 채용하는 것에 의해 상기 타겟의 5-DOF 또는 6-DOF를 결정하도록 되어 있는 특수화된 타겟 디자인들이 설명되고 있다. 정점 개구(apical opening)를 가진 코너 큐브를 채용하고, 레이저 빔 지름보다 더 작은 그와 같은 장치는 빔의 일부가 그 뒤에 있는 광감성 검출기를 치는 것을 허락하고, 그것에 의해 타겟의 5-DOF (x, y, z, 틸트(tilt), 요(yaw))를 제공하는 것이 마르켄도르포(Markendorf) 등에 허여된 미국특허 제6,667,798 호에서 설명되고 있다. 예를 들어 줌브런(Zumbrunn) 등에 의한 미국특허 공개번호 제20060222314호는, 패턴화된 포토-에미터들을 5-DOF 타겟에 부가한다: 레이저 추적기 상에 설치된 외부 카메라로 측정될 때, 타겟 롤(roll)도 또한 정해질 수 있다. 상업적으로, 능동 프로브는 레이저 추적기 위에 목마 탄 형태로 설치된 카메라가 픽업한 다수의 LED를 갖는다. 이 경우, 레이저 추적기는 LED들에 관한 카메라의 측정을 통해 프로브의 위치에 관한 기타 정보를 사용하기 때문애, 그 레이저 추적기는 코너 큐브를 찾는 데 시간을 낭비하지 않는다. 이런 종류의 솔루션들의 경우 여러 가지 한계가 있다. LED들 간에 정점 각들(apex angles)이 카메라에 의해 보여지는 것처럼 아주 작기 때문에, 그 LED들의 횡단 위치를 결정할 때의 어떤 에러도6-DOF 솔루션의 각도 에러에 기여한다. 유사한 각도 모호성(angular ambiguity)이 감광성 소자(photosensitive device)와 아주 작은 큐브 코너와의 사이의 거리에서 비롯된다; 감광성 표면 상의 레이저 반점(spot)의 위치 계산 상의 오차는, 타겟의 크기(dimensions)를 로봇 단말작동기 상에 맞추도록 충분히 작게 유지할 필요성 때문에, 그 타겟 자체의 큰 각 오차를 유발한다. 덧붙여, 이러한 그레이-스케일 옵션(grey-scale option)은 아주 비싸고, 그리고 그 프로브는 너무 크고 방향의 제한이 있어서 많은 로봇 단말작동기들에 장착될 수 없고, 특히 공정이 그 로봇으로 하여금 전체 범위의 자세를 구사할 것을 요구하는 경우에는 특히 그렇다. 라우(Lau) 등에 의한 미국 특허출원 공개번호 제2003-0043362호는 타겟의 6-DOF를 제공하는 레이저 추적기와 함께 사용되며, 타겟의 롤(roll)을 줄이기 위해 양극화된 광을 사용하는 능동 타겟 프로브를 설명한다. 이 타겟은 또한 입사하는 레이저 추적기 빔에 대해 그것의 개구(aperature)를 수직으로 유지하기 위해 회전하는 장점을 가진다. 또한 이 타겟은 요, 피치, 그리고 롤 검출을 위한 각도 제한들을 가지며; 보다 고정밀 로봇 교정 애플리케이션 용으로는 필요한 정확도가 부족하고; 또한 너무 커서 많은 단말작동기 디자인에 함께 설치할 수 없고; 그리고 비싸다. 여기서 설명된 프로브들은 일반적으로 너무 커서 로봇의 공구 중심점(tool center point: TCP)에 가까이 위치시킬 수 없고, 그 TCP의 자세를 알아낼 때 '지렛대-팔(lever-arm)' 효과를 유발한다. 그리고 그것들이 작동하기 위해 레이저 추적기 또는 카메라-강화 레이저 추적기를 필요로 한다는 사실과 결부시키면, 그러한 시스템들은 엄두를 못 낼 정도로 비싸며, 특히 표준 관절연결 아암 로봇의 기본 가격과 비교할 때 그러하다.

옥내 광 GPS는 최근에 많은 제조 솔루션들에 적용되었고 로봇의 현재 자세를 제공할 수 있지만, 그러한 시스템들은 지금 시점에서는 고정밀 로봇 안내 애플리케이션 용으로 요구되는 것에 근접한 정확도를 보여줄 수 없다. 그 시스템들은 송신기들의 레이저 출력을 검출(pick up)할 큰 시야범위(large fields of view)를 가지는 수신기들을 가지지만, 그러나 여전히 LOS 장치들이다. 고정밀 로봇 가이드의 맥락에서, 실내 GPS의 비용 절감 효과는 많은 수의 수신기들이 제조 작업장에 필요로 할 때 실현될 수 있을 뿐이다.

가변적인 성공도에 대한 능동적인 로봇 교정을 위해 사진측량(Photogrammetry)이 채용되어 왔다. 대부분은 단말작동기-장착형 '능동' 타겟들 예컨대 LED들을 사용하고, 그리고 반사 스티커의 외부 조명을 사용하는 보다 전통적인 기술에 의존하지 않는다. 이러한 사진측량 솔루션은 일반적으로 두 가지 범주에 속한다. 첫 번째는 '단일 센서 하우징' 솔루션들인데, 거기에는 단일 하우징 안에 다수의 감광성 소자들이 분포되어 있다(통상적으로 그 하우징으로부터 나오는 세 개의 별도 조준선이 있다). 두 번째는 관심 있는 공간(volume) 안에서 시야 범위(fields of view)가 중첩되는, 다수의 정적으로 배치된 카메라들을 사용하는 것을 포함한다. 사진측량 솔루션들은 매우 높은 재생률이라는 커다란 장점을 가진다(예를 들어, 세 개의 타겟은 밀리 초 보다 더 짧은 시간 안에 측정될 수 있고, 따라서 물체의 6-DOF를 제공한다). 이 속도는, 다수의 좌표 프레임의 동적 추적을 가능하게 해주며, 나아가 대부분의 생산 환경 진동을 용인할 수 있다. 이러한 특징들을 생각하면, 사람들은 이런 급의 솔루션들이 고정밀 능동 로봇 교정을 위한 최고의 약속을 보장한다고 논리적으로 결론지을 것이다. 그런데 설명을 해야 할 몇 가지 미묘한 점들이 있다. 일단은 '단일 센서 하우징' 사진측량 솔루션들의 관심 공간이 통상적으로는 그 장치로부터 불과 6미터까지만 연장하는 쐐기로 한정된다는 것이다 (당신이 그 센서에 더 가까워질수록, 가로 시야범위는 더 작아진다). LED 타겟들 사이의 허용 간격이 대개는 좁기 때문에, 그 시스템으로 볼 때 그 LED들 사이에서 좋지 못한 정점 각들(apex angles)이 얻어진다. 모든 감광성 장치와 광학장치들을 단일 센서 하우징에 넣기 위한 노력의 일환으로, 각각의 조준선 사이의 정점 각들을 똑같이 양보한다. 따라서 이러한 유형의 센서들은 가로 방향으로는 통상 꽤 정확한 반면, 거리 결정은 6 - DOF 변환의 가장 약한 구성 요소이다. 좋지 못한 정점 각들은 다른 사진측량 헤드를 제1 사진측량 헤드에 대하여 거의 90도 각도로 작업 셀 안으로 부가함으로써 교정될 수 있지만, 그러나 그 결과 두 쐐기 공간의 중첩은 대부분의 응용을 위해서는 엄두를 낼 수 없을 정도로 작다. 단일 헤드 사진측량 시스템은 일반적으로 레이저 추적기만큼 비용이 드는 점을 고려하여, 측정 공간(volume) 당 비용은 커다란 요소가 된다. 능동 타겟 사진측량에 대한 두 번째 접근법은 일반적으로 카메라들간에 시선을 중첩하고 상당히 더 좋은 정점 각을 얻는 다수의 센서들을 사용하는 것이다. 작동하는 동안에, 그 센서들은 정적으로 배치되고, 카메라들은 그들의 관심 공간 전체에 걸쳐서 공격적이고 내부적으로 보정되어야 한다. 또한, 그래도 카메라들 간의 중첩 공간은 제한된다. 그리고 이러한 유형의 사진측량 시스템용 센서들은 '단일 센서 하우징' 제품류에 비해 더 저렴하지만, 그들은 로봇의 비용에 비교할 때 여전히 상당히 비싼 편이고, 그래서 더 많은 센서들을 추가하여 부가적인 조준선(LOS) 능력을 추가하는 것은 거의 실행가능하지 않는 옵션이다.

로봇 단말 팔도구(EOAT)의 자세를 결정하는 데 사용될 수 있는 장치들의 또 다른 류는 데오돌라이트(theodolites)와 전체 스테이션들(stations)을 포함한다. 자동화 되고, 그 전자 데오돌라이트는 컴퓨터를 통해 원격으로 조준(aimed)/구동되도록 하기 위한 전체 스테이션 모델이 있다. 이들 장치는 또한 (수 킬로 미터까지 조준선 측정을 허용하는) 반사성 타겟을 채용하거나 또는 타겟을 전혀 채용하지 않는 (더 밝은-색상의 표면들은 몇 백 미터의 거리에서 측정될 수 있음) 비행시간 탐지 장치들(time of flight ranging devices )을 포함한다. 탐지 정확도는 보통 대략 2-3mm 정도이다. 포인팅 정밀도 (방위각, 고도)는 그 범위가 시공 등급 시스템들의 경우 5-8 아크세컨드부터 시작하여 정밀 시스템의 경우는 0.5 아크세컨드에 이르기까지 줄곧 걸쳐져 있다. 자립형 짐벌(stand-alone gimbal)로서, 그러한 시스템들은 향상된 정확도 모델링을 갖는 로봇들에 의해 이미 달성된 것들보다 더 큰 정확도를 제공할 수는 없다. 비록 3+ 반사경의 각 위치를 로봇 EOAT 상에 잡기 위해 그리고 전통적인 사진측량 기술들을 통해 6-DOF를 해결하는 데 그 탐지 능력(ranging capability)이 사용되지 않았다 하더라도, 좋지 않은 정점각 솔루션에 다시 도달한다. 다수의 짐벌은 더 적정한 정점 각을 감안함으로써 EOAT의 6-DOF 자세의 사진측량 결정을 참작할 것이고, 또한 여기서 설명되는 신규한 발명은 범위 검출 하드웨어를 피함으로써 보다 더 저렴한 대체물을 채용하여 그렇게 하고자 한다.

기존의 '수동' 로봇 교정의 내재된 한계는, '능동' 로봇 보정 시스템들의 성능 결점 및 비용 장벽과 함께, 다음과 같은 모든 합리적인 가격의 외부 능동 로봇 보정 시스템을 개발할 때 모두 고려되었다. 추가적인 기술은 레이저, 음향, 또는 전선을 가진 다중 길이 측정부; 및 다중 카메라-유사 시스템들을 포함한다. 스테레오-삼각 측정(Stereo-triangulation)은 바람직하지 않는데, 그 이유는 최소 2개의 추적 시스템을 필요로 하고 그것이 정적인 측정 기술이기 때문이다. 비슷하게, 카메라로 이미지화 하는 것도 바람직하지 않는데, 그 이유는 그 시스템의 해상도가 보통은 너무 낮아 로봇의 작업가능영역(working envelope)을 적정하게 커버할 수 없기 때문이고, 덧붙이면 그러한 광 시스템들의 내부 보정량들을 생성/유지할 때 요구되는 비현실적인 안정성과 정확도 때문이기도 하다.

그러므로 외부 로봇 정확도 향상을 위한 개선된 시스템과 방법에 관한 오래된 요구가 있고, 본 발명은 이를 해결하는 것을 목적으로 한다.

로봇 정확도 강화 (시스템)를 위한 시스템은 다축 운동용으로 적응가능한 복수 개의 로봇 장치를 포함한다. 각 로봇 장치는, 공작물에 관한 적어도 하나의 조작을 수행하기 위해 적어도 하나의 축을 제공하는(presenting), 말단 팔도구(end of arm tool: EOAT))를 가진 팔을 포함한다. 복수 개의 다축 장치들은 상기 로봇 장치에 관하여 오리엔트 된(oriented) 레이저 빔들을 발사한다. 복수 개의 제거가능한 타겟 요소들(target elements)은 각 로봇 장치의 EOAT에 연결된다. 각 타겟 요소들은 EOAT 좌표 프레임에서 사전에 인증 받고, 로봇 장치들이 EOAT를 그 공작물에 관해 지향성을 갖도록(oriented) 허용하는데 이는 타겟 요소들 각각이 다축 장치들에 의해 조사됨에 따라 공작물에 관한 작동을 수행하기 이전에 이루어진다. 각각의 타겟 요소는, 판과 같은, 적어도 하나의 금속성 또는 비금속성 물질로 만들어지고, 거기에 마련된 복수 개의 개구들을 제공하는 기저부를 구비한다. 그 기저부는 그 판에 마련된(defined) 각각의 개구에 부착할 수 있는 복수 개의 제거가능한 둥지 요소들과, 각각의 둥지 요소에 의해 자기적으로(magnetically) 지지되는 복수 개의 보정 타겟을 제공한다. 그 기저부는 그 판에 마련된 감광성 어레이(photosensitive array)를 더 포함한다. 하우징은 그 타겟 요소 각각을 캡슐화하고, 상기 하우징은 셔터 장치를 가진다. 적어도 하나의 다축 장치가 적어도 하나의 타겟 요소를 활성화하도록 조작하기 위해 제어기가 타겟 요소들, 복수 개의 다축 장치들, 그리고 복수 개의 로봇 장치들과 조작가능하게(operably) 통신한다.

그 시스템은 로봇 장치의 6-DOF 자세를 능동적으로 결정한다. 그 시스템의 발명 개념은, 어떠한 범위 검출 하드웨어를 사용하지 않고 적어도 하나의 모션 장치의 별개 작업 위치에서 EOAT의 자세를 능동적으로 결정하기 위해, EOAT-장착 타겟들(능동 타겟) 위로 레이저들을 투사하기 위한 다축 장치들(레이저 포인팅 장치들, 여기서는 비콘(beacons)이라 함)을 사용하는 것을 포함한다. 그 비콘들은 작고, 저렴하며, 그리고 본질적으로 모듈식이며, 그리고 따라서 다중 조준선(LOS)을 보장하는 작업 셀(work cell)을 통해 분산될 수 있다. 본 출원에서 제시된 것처럼 비콘 수량과 위치는 본 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니며, 작업 셀의 CAD 디자인과 적어도 하나의 모션 장치의 모의 경로들에 최적화 되어 있다. 비콘들은 한 개 이상의 모션 장치 상에서 작동할 수도 있고, 따라서 상기 다수의 모션 장치들을 이용하는 작업 셀들 내의 그 시스템의 모션 장치당 비용을 줄여준다. 다수의 LOS는, 다른 많은 사진측량 계측 장치들과는 달리, EOAT 자세의 보다 정확한 결정을 위한 좋은 정점각들을 보장해준다. 능동 타겟들은 CMOS 또는 CCD 어레이 및/또는 라인 어레이들과 같은, 그러나 이것에 한정되지는 않는, 적어도 하나의 저렴한 감광성 장치를 포함한다. 이들 장치가 능동 표면 영역을 가지는 것이므로, 레이저 추적기와 달리, 대개는 능동 타겟들을 '탐색'할 필요는 없다. 작업 셀 안의 그 제안된 시스템의 최초 인증이 일단 완료되면, 결함 비콘들이나 능동 타겟들은 인증 정보의 손실 없이 맞바뀔 수 있다.

본 발명의 장점들 중 하나는 산업 로봇들과 함께 판매되는 고가의 모델링/교정 패키지들을 구입해야 하는 필요성을 없애주는 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 장점은 그 시스템을 종래 기술의 시스템들에 비해 로봇당 기준으로 상당히 더 싼 낮은 가격으로 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 장점은 프로세서 모니터링 도구로서 쓰이는 시스템을 제공하는 것이데, 왜냐하면 모션 장치의 EOAT 자세는, 많은 기존의 '수동' 로봇 정확도 향상 패키지들에 따라 단순히 추정/예측되는 것 대신에, 각 작업 위치에서 실제로 측정되기 때문이다. 그러한 시스템은 이후의 분석을 위해 프로세스 동안의 자세 데이터를 보관하는 데 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 이점은 모션 장치를 '모델링' 또는 특징화(characterize)' 하는 노력으로 모션 플랫폼의 현장 보정 또는 특성 평가(in-situ calibrations or characterizations)를 수행할 필요성을 상당히 감소 내지 제거해주는 시스템을 제공하는 것이다. 이것은 능동 측정 시스템이므로, 제안된 시스템은 보다 더 엄격한 자세 공차(tighter pose tolerances)를 달성할 수 있는 보다 저렴한 모션 플랫폼을 제공할 수도 있다. 실시예는 비싼 NC 머신을 보다 저렴한 산업용 로봇으로 대체할 수 있는 능력을 보여준다.

제안된 시스템은 EOAT의 자세를 실시간으로 모니터 하는 능력을 가지므로, 그의 작업(예컨대 드릴링)을 수행하면서 EOAT의 자세를 추적/교정하기 위한 방안이 가능하다. EOAT의 실제 자세가 측정되므로, 모션 장치의 자세가 교정될 때 백래쉬(backlash)는 극복될 수 있는데, 그것은 그 모션 장치가 '수용가능한' 자세가 얻어지기까지는 작업을 착수하는 것이 허용되지 않기 때문이다.

본 발명의 또 다른 장점은 로봇 정확도 향상에 '블랙 박스' 접근법을 취하고, 실제로는 임의의 개별적인 기여 요소를 측정하거나 모델링하는 것에 상관없이 로봇 자세 에러에 대한 모든 기여 요소들의 종합된 결과를 무조건적으로(implicitly) 측정하는 시스템을 제공하는 것이다. 예를 들어, 온도 효과들은, 모션 장치에게는 주변적이면서(ambient) 내적이며 (예컨대 서보 온도와 같이), 그 시스템을 통해 자동으로 처리된다(accounted for). 굴절 또한 그 시스템을 통해 처리된다 (로봇이 추가적인 슬라이드 유닛에 장착될 때 필요한 과외의 모델링을 생각하라). 조인트 유연성, 링크 유연성, 그리고 기어 트랜스미션 에러와 같은 로봇의 운동적 모델링에 보통 포함되지 않는 비-기하학적 효과 조차도 그와 같은 시스템에서는 능동적으로 처리된다. 로봇 또는 단말작동기 마모는 또한 그러한 시스템을 활용하여 수천 개의 듀티 싸이클에 걸쳐 추적될 수 있다.

본 발명의 또 다른 장점은 능동 타겟들을 삼각대와 같은 가동형 장치 또는 운반대식의(palletized) 시스템 상에 있고 작업 셀에 대하여 고정된 공작물 위에 위치시킴으로써 다양한 좌표 프레임들을 함께 링크하거나 업데이트 하는 능력이다. 이러한 능력은 파트-대-세계 변환(part-to-world transforms)을 생성하는 것, 작업 셀 안에서의 온도 드리프트에 관한 보상, 비콘-대-세계 자세(beacon-to-world poses)를 최초로 보정하는 것, 비콘 대 세계 자세를 나중에 재보정하는 것, 또는 고정된 작업 셀과 그것까지 이동하는 운반대 식의 로봇 시스템 간의 관계를 확립하는 것 또는 심지어 자동 안내 차량 (automated guided vehicle: AGV) 시스템들을 모니터링 하는 것 과 같은 다수의 능력들을 허용한다.

도 1은 광 빔을 조정하기 위한 다축 장치의 정면도를 예시하고;
도 2는 도 1의 다축 장치의 측면도를 예시하며;
도 3은 본 발명의 능동 타겟 장치의 전개 사시도를 예시하며;
도 4는 하우징으로 감싼 도 3의 능동 타겟을 예시하며;
도 5는 자신에게 연결된 복수 개의 능동 타겟을 갖는 로봇 장치의 말단 팔도구의 사시도를 예시하며;
도 6은 본 발명의 로봇 정확도 향상을 위한 외부 시스템의 환경관련 도면이며;
도 7은 대표적인 제조 환경에서 로봇 정확도 향상을 위한 외부 시스템의 작업 구성요소들의 개략적인 구성을 예시하며;
도 8은 본 발명의 능동 타겟을 보정하는 장치의 사시도이고;
도 9는 도 8의 능동 타겟을 교정하기 위한 장치의 부분 측면도를 예시하며;
도 10은 보정 프로세스를 개략적으로 나타내며;
도 11은 로봇 장치의 말단 팔도구 상의 능동 타겟들을 인증하는 방법을 개략적으로 나타내며;
도 12는 제조 시설의 작업 셀에 있는 능동 타겟들을 인증하는 방법을 개략적으로 나타내며;
도 13 내지 15와 도 17 내지 19는 본 발명에 따른 외부 로봇 정확도 향상을 위한 다양한 방법을 개략적으로 나타내며; 그리고
도 16은 자신에게 연결되고 레이저 빔들에 의해 활성화되는 복수 개의 능동 타겟들을 가지는 로봇 장치의 말단 팔도구의 또 다른 사시도이다.
본 발명의 다른 장점들은 이하의 상세한 설명을 첨부도면들과 관련하여 고려하면서 참조하면 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.

같거나 대응하는 파트들을 같은 번호로 나타낸 도면들을 참조하면서, 로봇 및 장비 정확도 향상을 위한 본 발명의 시스템과 방법이 도 6에서 10번으로 표시되어 있다. 이 시스템(10)은 복수 개의 다축 장치를 포함하며 일반적으로 도 1과 2에서는 12번으로 나타내져 있다. 이들 다축 장치(12)들은 즉, 비콘들은 LED 또는 본 발명의 범위를 제한하지 않는 비논리적인 소스와 같은 광 빔(14)을 조정할 수 있다. 대표적으로 그 다축 장치는 그 다축 장치(12)의 정면도를 도시하는 도 1과 그 다축 장치(12)의 측면도를 도시하는 도 2에 도시된 것과 같은 짐벌(gimbal)일 수 있다. 당해 기술분야의 통상적인 기술자라면 광 빔을 생성하고 조정하는 다른 장치들이 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서 본 발명에 사용될 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 비콘(12)은 기계적인 포인팅 결정 (방위각 및 고도각들에 관한 보정된 엔코더들을 통해 레이저 빔(14)의 벡터를 결정하는 능력)과 함께 어떤 기계적인 포인팅 해상도(빔이 명령된 위치를 물리적으로 가리키도록 하는 능력)을 나타낸다. 비콘(12)은 하우징(20)에 내포된 레이저 소스(고체 다이오드, 파이버 커플드(fiber-coupled), 기타)를 조정하여, 평행화(collimated) 또는 세미-평행화된 출력 빔(14)을 만들어낸다. 그 레이저 출력은, 라인 또는 십자선과 같은, 종래의 빔의 패턴과는 다른 패턴일 수 있다는 것 또한 가능하다. 만약 그 하우징(20)에 마련된 레이저 출구공(22)이 방위각 축(26)과 고도축들(24)의 교차점과 완벽하게 일치하지 않으면, 비콘(12)은 주어진 포인팅 방향에서 그 레이저 출구공의 (x, y, z) 위치를 결정하도록 모델/보정될 필요가 있다. 비콘(12)은 비콘(12)의 장착 베이스(28)에 부착될 수 있으며, 그래서 제조 환경에 쉽게 통합될 수 있을 것이다. 전력 및 통신 케이블 또는 에러 라인(30)과 같은 서비스들은 그 작업 셀 제어기 바깥에서부터 각 비콘(12)까지 이어진다. 이 실시예에서, 도 2는 레이저 출구공(22)이 (하우징에 중심이 장착된) 짐벌의 회전의 중심과 거의 일치하는 것을 보여준다.

여기서 제안하는 시스템(10)은 복수 개의 비콘(12)을 제어하는 소프트웨어를 가질 수 있다. 비콘 제조자는 그 비콘의 내부 보정/모델링의 접근 및 제어권을 보유할 수도 있다. 그렇지만, 본 출원에서 설명되는 소프트웨어는 비콘(12) (실시간 피드백으로 가능하게)을 가리킬 수 있고, 레이저를 온/오프할 수 있고, 그리고 레이저 빔(14)의 (i, j, k) 벡터(또는 고도, 방위각들)를 그 레이저 출구공(22)의 (x, y, z)와 함께 그것의 본래의 좌표 프레임에서, 다시 비콘(12)의 본래의 좌표 프레임에서 수신할 수 있을 필요가 있다. 제안하는 계측(metrology) 시스템(10)은 신규한 타겟 요소들 즉, 도 3과 4에서 일반적으로 도시된 능동 타겟들을 채용할 것이다.

도 3에 도시된 것처럼, 타겟 요소(16)는 3개 이상의 부착점 또는 개구들(40)을 정의하는 판(44)에 의해 마련된 베이스를 포함한다. 그 베이스는 다른 구성을 포함할 수도 있으며, 그 판에 한정되는 것은 아니다. 그 판(44)은 금속이나 다른 가공가능한, 바람직하게는 낮은 CTE 물질을 가공하여 만들 수 있다. 부착점들(40)은 보정 타겟 둥지들(38) 상에 지지되는 보정 타겟들(36)을 수용한다. 이 실시예에서는, 그 부착점들(40)은 다월(dowel) 구멍들이고, 그 타겟 둥지들(38)은 다월화(doweled)되고, 자석 컵들이며, 데오돌라이트(theodolite) 타겟 구들, 구형으로 장착된 수동 사진측량 타겟들, 구형으로 장착된 능동 사진측량 타겟들, 또는 레이저 추적기들과 함께 사용되는 구형으로 장착된 역반사기들(spherically mounted retroreflectors: SMRs)을 잡기 위해 통상적으로 사용되는 형태이다. CMOS 어레이, CCD 어레이, 또는 라인 스캔 센서나 그와 비슷한 것인 감광성 어레이(34)는 판(44)에 장착된다. 그 어레이를 위한 서비스들(42)은 전력 및 통신 케이블을 포함한다.

도 4는 보호 하우징(46) 안에 내장되거나 캡슐화된 타겟 요소(16)를 보여준다. 이 하우징(46)은 압축공기식 또는 전기식일 수 있는 셔터(48)를 채용할 수도 있다. 서비스들(50)은 셔터(48)까지 이어지며, 그 타겟 요소(16)로부터 먼지를 주기적으로 불어내거나 또는 퍽 엔클로져(puck enclosure) 그 내부에 정의 공기 압력을 생성하여 먼지 장벽으로서 작용하기 위해 추가적인 에어 라인을 사용하는 선택권을 가진다. 타겟 요소(16)는 모션 장치들, 즉 로봇 장치 또는 작업 셀 안에 장착될 수도 있으므로, 그것들은 아마 포괄적/표준화된 장착을 위해 쓰일 수 있는 다월(dowels) 또는 다른 특징들을 포함할 것이다.

도 5는 로봇 장치(도 6에서 55로 표시됨)의 말단 팔도구 즉, EOAT(도 5에서 53으로 표시됨)에 배치되어 있는, 참조번호 16으로 표시된 타겟 요소들을 보여준다. 나중에 다루게 될 것인바, 상호 직교하는 지향성(mutually orthogonal orientations)을 가진 적어도 3개의 타겟 요소들(16)을 EOAT (43) 위에 그리고 EOAT(53)의 중심축(54)과 관련하여 장착하는(그리고 LOS를 가지는) 것이 바람직하다. 작업 셀 툴링(tooling) 인증 단계 동안에, 각 타겟 요소(16)는 도구 중심점 즉, 앞서 언급한 중심축(54)에 관하여 도구 좌표계 프레임 (EOAT 프레임)으로 정의된다. 중심축(54)은 도구 프레임의 시발점(origin)으로서 정의된다. 타겟 요소 서비스들은 로봇 장치(55)를 따라 바깥으로 EOAT(53)까지 마련된다.

도 6은 본 발명이 제안하는 시스템이 제조 환경에서 어떻게 배치될 수 있을지를 보여준다. 캡슐화된 타겟 요소들(52)은, 바닥, 스테이션 툴링(station tooling) 또는 예컨대 탄소 섬유나 콘크리트 기둥에 장착된 타겟 요소들(52)과 함께, EOAT(53)에 장착된다. 비콘들(12)은 또한 작업 셀 전체에 배치될 것이다. 그것들의 개수와 위치는 로봇 장치(55)가 의도한 프로세스를 수행함에 따라 그 로봇 장치의 컴퓨터 시뮬레이션에 근거하여 가장 최적화될 것이다. 비콘들(12)은 대개의 경우 로봇 장치(55)가 그의 작업을 수행할 수 있는 것보다 더 빠르게 로봇 장치(55)를 안내할 수 있을 것이기 때문에, 시스템(10)은 대부분의 비콘들(12)이 작업 셀 안에 있는 다른 로봇 장치들(55)을 위한 중복된 안내 의무를 수행하도록 허용하고, 따라서 전반적인 시스템 하드웨어 비용을 낮출 수 있다. 예컨대, 만약 로봇 장치(55)가 작업물(56)에 구멍을 뚫는 데 10초가 걸리지만 그 로봇 장치(55)를 정확한 작업 위치로 안내하는 데는 3초밖에 걸리지 않는다면, 이들 비콘(12)은 그 작업 셀 내의 다른 로봇 장치들(55)을 안내하면서 나머지 7초를 사용할 수 있다. 이 실시예에서, 도구 TCP(54)는, 또한 드릴 끝부분과 정렬되어 있으며, 작업물(56)에 구멍 뚫기가 허락되기 전에 정확한 작업 자세 즉, 위치와 방향으로 안내될 것이다. 위에서 언급하였듯이, 타겟 요소들(16)은 작업물(56) 상에 점들을 제어하도록 부착되어 있다. 이러한 방식으로, 파트-대-세계(part-to-world) 관계가 작업 셀에 들어가는 각 파트(part)에 관해 결정될 수도 있다.

도 7은 대표적인 제조 환경에서 그 배치된 시스템(10)의 상호 연결관계를 보여준다. 컴퓨터는 작업물(56)에 장착되거나 또는 작업 셀 안쪽에 배치된 가능한 몇 개의 추가적인 타겟 요소들로, 다수의 비콘과 EOAT 타겟 요소들을 제어할 것이다. 스테이션 컴퓨터는 한 개 이상의 라인/스테이션 프로그램형 논리제어기 (Programmable Logic Controller: PLC) 및 적어도 하나의 로봇 제어기와 통신할 수 있다. 각 타겟 요소는 이미지 처리를 위해 온-보드 컴퓨터 칩을 가지는 것이 가능할 수도 있지만, 비용 요소들이 감소된 사이클 시간보다 과중하면 이러한 업그레이드는 항상 보장되는 것은 아니다. 요구되는 것은 아니지만, 시스템(10)을 운영하는 소프트웨어는 로봇 장치(55)에게는 '슬래이브' 이며 로봇 장치(55)가 그렇게 요청할 때만 측정하도록 되어 있다.

도 8과 9는 새롭게 제조되는 타겟 요소들이 어떻게 보정되는 지에 관한 새로운 방법을 제시한다. 그 아이디어는 감광성 어레이(픽셀 간격)의 좌표계를 '타겟 좌표계' 내의 제거가능하고 끼워넣어진(nested)(38) 계측 타겟(36)의 위치와 관련 짓고, 그 결과를 타겟 요소들(16)의 고유 ID에 링크된 보정 파일(calibration file)에 저장하는 것이다. 타겟 좌표계는 도 8과 9에서 61로 표시된 보정 스탠드(calibration stand)로부터 도출될 것이다. 추가적인 표준화 설치 특징들은 (판(44)의 뒤쪽에서부터 도출되어 나온 3개의 다월(dowels)과 같은) 타겟 요소들(16)에 포함될 수도 있고 또한 그 시점에서 '타겟 좌표계'에서 정의될 수도 있다. 치수 무결성을 보장하기 위해, 보정 스탠드(61)는 분위기가 제어되는 장소(비도시)에 둘 수도 있다. 보정 프로세스는 도 10에서 설명한다.

이후의 모든 파트 번호는 도 8과 9에 있는 것들을 언급한다. 데오돌라이트, 레이저 추적기, 또는 사진측량 시스템과 같은 외부 계측 시스템이 보정 스탠드(61)에 관하여 구성된다. 계측 타겟들(36)은, 외부 계측 시스템에 적당한데, 다월화 된(doweled) 타겟 둥지들(38) 안으로 배치되며, 계속해서 보정 스탠드(41) 상의 (예를 들어) 다월 구멍들(40) 안에 자리잡게 된다. 처음에 보정 스탠드(61)가 인증되고, 그 보정 스탠드(61)의 각 타겟 위치의 (x, y, z) 좌표계는 '타겟 좌표계'에 기록된다. 적어도 3개의 이들 타겟 위치들을 측정함으로써, 그 계측 장치는 보정 스탠드 좌표계로 알려줄 수 있다.

위에서 언급하였듯이, 타겟 요소 판(72)은 슬라이드 유닛(70)에 부착되고 서비스 케이블(42)을 통해 전력이 공급된다. 운전자(비도시)는 적어도 3개의 끼워넣은(nested) 타겟들(36, 38)을 타겟 판의 다월 구멍(40)에 설치한다. 운전자는 정지 장치(68)를 보정 스탠드(61)에 부착된 2개의 기둥 위에 위치시킨다. 그런 다음 운전자는 정지 장치(68)가 감광성 어레이(34)의 덮개 유리와 접촉할 때까지 그 슬라이드 유닛(70)을 레일(66)을 따라 앞으로 부드럽게 이동시킨다. 이러한 상태에서, 슬라이드 유닛(70)은 자리에 묶이게 되고, 운전자는 그 정지 장치(68)를 제거한다. 정지 장치(68)가 감광성 어레이(34)를 둘러싸는 비활성 영역과 접촉하는 것이 바람직할 수도 있으며, 이것이 요구하는 모든 것은 이 표면과 그 어레이의 표면 간의 제작 거리를 결정하고 가능하다면 제어하는 것이다. 그 어레이 덮개 유리의 제작 두께를 D라 하자.

처음에 보정 스탠드(61)가 인증되고, 정지 장치(68)의 표면을 유리-접촉하는 어레이 커버가 (예를 들어) '타겟 좌표계' z = D에 있는 것으로서 정의될 수도 있다. 만약 능동 타겟을 향해 가면서 타겟 좌표들의 'z' 축이 음으로 가면, 이것은 감광성 어레이 표면이 z = 0 평면에 있다는 것을 암시한다. 도 8에 도시된 축들은 가능한 타겟 좌표계 지향성을 나타내며, 그 시발점은 아마도 감광성 어레이의 중심 근처의 어딘가에 위치해 있을 것이다. 보정 스탠드(61)의 다른 측면은 레이저 출력 개구들(64)이다. 이들 개구(64)는 z = 0에서 그 감광성 어레이의 개략적인 위치에 초점이 맞춰진 레이저 빔들을 만들어낸다. 여기서 그 빔들은 단면도 상에서 원형처럼 보이는데, 비록 타겟 요소들(12)의 감광성 요소가 선형 어레이 또는 어레이들이라면 그 레이저 출력은 매우 좋은 상태의 한 세트의 한 개 이상의 교차선일 것이다.

보정 스탠드(61)의 초기 인증 동안에, 데오돌라이트는 z = D (덮개 유리) 평면에서 초점이 맞춰진 레이저 빔들 각각의 (x, y) 위치를 측정한 데 쉽게 사용될 수 있다. 따라서, 초점 맞춰진 레이저 빔들(74)을 어레이(34) 상으로 발사할 때, 4개의 레이저 스폿(spot) 중심들 각각은 타겟 좌표 공간에서는 이미 알려져 있다. 픽셀 공간에서 적어도 3개의 레이저 스폿의 중심들을 처리함으로써, 픽셀 공간-대-보정 스탠드 변환 매트릭스(pixel space- to-calibration stand transformation matrix )를 계산하기에 충분한 정보를 알게 된다. 여기서, 보정 스탠드 좌표들 및 타겟 좌표들은 동의어로 사용된다. 이런 전체적인 능동 타겟 보정 절차는 그 타겟 요소(16)를 정밀 가공함으로써 회피할 수도 있다. 이 경우, 타겟 요소(16)의 나머지에 대한 감광성 어레이의 정렬과 위치는 극히 정확해야 한다.

이러한 접근법의 명백한 약점은 타겟 요소(16) 제조 비용이 크게 증가한다는 것이다. 그렇지만, 이른바 각 타겟 요소(16)는 나머지들과 동일하고, 그래서 단일의 CAD-결정된 픽셀 공간-대-타겟 좌표 변환이 사용될 수 있다. 감광성 어레이의 배치/정렬을 제외하고 타겟 요소(16)의 모든 측면이 정밀 가공된 경우에는, 외부 계측 장치로 하여금 끼워넣어진(nested) 타겟들의 위치를 측정하게 할 필요성을 없앨 수 있다. 레이저 추적기(~$100,000.00)와 같은 외부 계측 장치가 없는 제조자들의 경우, 그와 같은 계측 장치를 구매 또는 렌트 (~$1000.00/일)하는 부가 비용이 타겟 요소(16)의 거의 모든 치수를 정밀 가공하기 위한 과외의 비용보다 더 클 수도 있다.

요약하면, 타겟 요소(16)의 실험실 보정은 감광성 어레이의 픽셀 공간과 임시로 그 능동 타겟 판에 부착될 수 있는 그 외부 계측 타겟들의 위치들 간의 관계를 정의한다. 장착 다월들과 같이, 타겟 요소(16)에 관한 부가적인 특징들은 또한 보정 동안에 타겟 좌표 공간에서 정의될 수 있다. 각각의 타겟 요소(16)는 필시 고유한 ID를 가질 것이고, 능동 타겟 보정 파일은 이 식별자와 링크될 것이다. 이 프로세스는 도 10에서 보여준다.

제조 작업장에서 작업 셀 인증 단계 동안에, 그 보정 파일은 (예컨대, 세계, 파트, 또는 도구(Tool)와 같은) 다른 좌표 프레임과 관련하여 정의되어야 하는 타겟 요소(16)의 픽셀 공간을 참작한다. 이것은 외부 계측 시스템을 원하는 좌표 프레임으로 셋업 하고, 그런 다음 타겟 요소(16) 상의 적어도 3개의 타겟 위치에서 측정함으로써 달성된다. 3개 이상의 가장 적합한 데이터 쌍(보정 파일로부터의 능동 타겟 좌표들, 외부 계측 장치로부터의 외부 좌표 프레임 좌표들)은 능동 타겟-대-외부 좌표 프레임 매트릭스를 생성한다.

도 11은 로봇 장치(55)에 설치된 능동 타겟이 상기 도구의 좌표 프레임과의 관계에서 어떻게 정의될 수 있는지에 관한 새로운 방법을 정리하고 있다. 타겟 요소(16)는 이미 도 1에 기술된 보정 프로세스를 통해 미리 정의된 좌표 프레임을 가지고 있다. EOAT 좌표 프레임으로 알려주는 외부 계측 시스템을 채용함으로써, 적정한 타겟들이 그 판(44)의 다월 안으로 끼워넣어 질 수 있고, 그것들의 위치는 EOAT 좌표들로 기록될 수 있다. 만약 이것이 이들 타켓들 중에서 적어도 3개에 대하여 행해지면, 그 능동 타겟-대-EOAT 관계는 도구 좌표값들과 보정 파일에 저장되어 있는 미리 정의된 타겟 좌표 값들 사이의 최적합(best-fit)을 통해 계산될 수 있다. 만약, 타겟 요소(16)를 EOAT 상의 (예를 들어) 3개의 다월 구멍 속으로 입력하기 전에, 이들 3개의 다월 구멍들의 도구 좌표들이 외부 계측 시스템을 통해 측정되고 기록될 수 있다면, 이것은 그 3개의 능동 타겟-대-EOAT 관계를 결정하기 위한 추가 인증 (및 외부 계측 시스템의 사용)을 요구하지 않으면서 결함(defective) 타겟 요소(16)를 대체 타겟 요소(16)로 맞바꾸는 능력을 참작한다. 이것은 (예컨대) 판(44) 뒷면의 3개의 다월이 실험실 인증 프로세스 동안에 능동 타겟 좌표 공간에 기록되어야 함을 요구함으로써 달성될 수 있다. 타겟 요소(16)를 맞바꿀 때, 새로운 능동 타겟-대-EOAT 변환은 타겟 공간 내의 보정된 다월 위치들을 도구 공간 내의 EOAT 상의 다월 구멍 위치들에 가장 잘 맞춤으로써 계산될 수 있다.

도 12는 타겟 요소(16)가 어떻게 작업 셀에 장착되고 상기 작업 셀의 세계 좌표 프레임과 관련되어 어떻게 정의될 수 있는지에 관한 새로운 방법을 요약한다. 타겟 요소(16)는 도 10에서 설명된 보정 프로세스를 통해 미리 정의된 좌표 프레임을 이미 소유하고 있다. 세계 좌표 프레임으로 알려주는 외부 계측 시스템을 채용함으로써, 적당한 타겟들이 능동 타겟 판의 다월 속으로 끼워 넣어지고(nested), 그들의 위치가 세계 좌표들에 기록될 수 있다. 만약 이것이 이들 타겟의 적어도 3개에 대하여 행해지면, 그 능동 타겟-대-세계 관계는 세계 좌표 값들과 보정 파일에 저장된 미리 정해진 타겟 좌표 간의 최적합화를 통해 계산될 수 있다. 만약, 그 능동 타겟을 고정 마운트 상의 (예컨대) 3개의 다월 구멍들 안으로 삽입하기 전에, 이들 3개의 구멍들의 세계 좌표들이 그 외부 계측 시스템을 통해 측정되고 기록될 수 있다면, 이것은 능동 타겟-대-세계 관계를 결정하는 추가 인증 (및 외부 계측 시스템의 사용)을 요구하지 않으면서 결합 타겟 요소(16)를 고정 마운트 상의 대체 타겟 요소(16)로 교환하는 능력을 참작한다. 이것은 판(44) 뒷면의 (예를 들어) 3개의 다월이 실험실 인증 프로세스 동안에 능동 타겟 좌표 공간에 기록되어야 할 것을 요구함으로써 달성될 수 있다. 그 타겟 요소(16)를 맞바꿀 때, 새로운 능동 타겟-대-세계 변환은 타겟 공간 내의 보정된 다월 위치들을 세계 공간 내의 고정된 장착부 상의 그 다월 구멍 위치들에 가장 잘 맞춤으로써 계산될 수 있다.

도 13은 그 파트(part) 상의 제어점에 장착된 타겟 요소(16)가 작업 셀의 세계 좌표 프레임뿐만 아니라 파트 좌표 프레임 양자에 관련하여 어떻게 정의될 수 있는지에 관한 새로운 방법을 정리하고 있다. 여기서, '제어점'은 파트 좌표에서 정밀하게 묘사되고/가공되는 파트 상의 위치를 가리키며; '제어점들'은 대개 생산/조립 프로세스의 적어도 몇 가지 부분(portions)에 관한 마스터 정렬 참조들로서 사용된다. 세계 좌표 프레임으로 알려주는 외부 계측 시스템을 채용함으로써, 파트 제어점들 각각은 세계 좌표들이 할당될 수 있다. 만약 적어도 3개의 제어점들이 이 방식으로 측정되면, 각 제어점은 할당된 파트 좌표값을 가지므로 파트-대-세계 변환은 최적-맞춤을 통하여 계산될 수 있다. 타겟 요소(16)는 도 10에서 설명된 그 보정 프로세스를 통하여 미리 정해진 좌표 프레임을 이미 가지고 있다.

세계 좌표 프레임으로 알려주는 외부 계측 시스템을 사용하면서, 적정 타겟들은 그 능동 타겟 판의 다월 안으로 끼워 넣어질(nested) 수 있고, 그들의 위치는 세계 좌표로 기록될 수 있다. 파트-대-세계 변환은 이미 알려져 있으므로, 이 동일 점들은 파트 좌표들이 또한 할당될 수 있다. 만약 이것이 이들 타겟의 적어도 3개에 관해 행해지면, 능동 타겟-대-세계 및 능동 타겟-대-파트 관계 양자는 그 세계/파트 좌표 값들 및 보정 파일에 저장된 미리 정의된 타겟 좌표 값들 간의 최적합화를 통해 계산될 수 있다. 능동 타겟-대-파트 관계를 정의하기 위해서 그 파트-대-세계 변환을 결정하는 것이 진짜로 필요하지는 않다. 그렇지만, 생산 프로세스의 오프라인 컴퓨터 시뮬레이션에서 사용되는 파트-대-세계 관계와 비교하여(against) 이것을 체크하기 위해서는 이 단계에서 파트-대-세계 변환을 측정하는 것이 현명하다; 본질적으로는 당신은 작업 셀 내 파트의 준공 위치(as-built positioning) 대 디자인 의도를 인정하고 있다. 외부 계측 시스템을 통해 능동 타겟-대-파트 관계를 재확립해야 할 필요 없이 그 파트 상의 제어점에서 새로운 능동 타겟을 사용할 수 있기 위해서는, 그 새로운 타겟의 실험실 보정을 하는 동안에 능동 타겟판(44) 상의 다월들을 타겟 좌표로 정의해야 한다. 이 프로세스는 EOAT 능동 타겟들과 고정 설치된 능동 타겟들에 관해 이미 설명되었고, 여기서는 어쨌든 다르지 않다. 능동 타겟-대-파트 관계들은 그 파트 상의 각 제어점에 관해 알려져 있으므로, 비콘들로부터 그 파트 상의 능동 타겟들까지 3개의 LOS가 서로 평행하지 않는 한, 이 정보는 그 위치된 대로의(as-positioned) 파트 자세를 세계 좌표로 결정하는 데 이용될 수 있다.

도 14는 작업 셀에 설치된 비콘(12)이 작업 셀의 세계 좌표 프레임과 관련하여 어떻게 정의될 수 있는지에 관한 새로운 방법을 정리하고 있다. 비콘(12)은 레이저 빔을 원하는 방향으로 향하도록 지시를 받는다. 타겟 요소(16)는, 아마 작업 셀에 대하여 움직일 수 있는 삼각대에 장착되어, 비콘의 레이저 빔이 타겟 요소(16)의 감광성 어레이를 때리도록 배치된다. 타겟 요소(16)는 도 10에서 설명된 보정 프로세스를 통하여 미리 정의된 좌표 프레임을 이미 가지고 있다. 세계 좌표 프레임으로 알려주는 외부 계측 시스템을 채용함으로써, 적당한 타겟들이 능동 타겟판(44)의 다월 안으로 끼워 넣어질 수 있고, 그것들의 위치는 세계 좌표로 기록될 수 있다. 만약 이것이 적어도 3개의 타겟들에 대하여 행해지면, 능동 타겟-대-세계 관계는 그 세계 좌표 값 및 보정 파일에 저장된 미리 정의된 타겟 좌표 값들 간에 최적합화를 통해 계산될 수 있다. 컴퓨터는 감광성 어레이 상의 레이저 스폿의 중심에 관해 풀고, 이 점을 세계 좌표로 알려준다. 비콘(12)은 또한 레이저 빔의 벡터를 비콘 좌표로 알려주고, 더불어 레이저 출구 개구의 (x,y,z) 값을 비콘 좌표로 알려준다.

그런 다음 그 프로세스는 적어도 2개의 다른 비콘 자세에 관해 다시 반복된다. 최상의 결과를 위해, 비콘의 제2 및 제3의 자세는 제1자세와는 서로 직각인 세트를 생성하여야 한다. 우리는 지금 세계 좌표에서 세 점과 반드시 교차하는 비콘 좌표 프레임(3개의 벡터와 함께 3개의 레이저 출구 개구 (x, y, z) 출발점들)으로 정의되는 3개의 별도의 라인들을 가지고 있다. 이것은 비콘-대-세계 변환을 풀기 위한 충분한 정보이다. 그렇지만, 만약 비콘의 정확성이 제한되면(그것의 포인팅 벡터 또는 레이저 출구 개구 위치를 결정하는 타고난 능력), 사람들은 비콘-대-세계 변환을 계산할 때 3개 위치/자세 측정보다 더 많이 포함하기를 원할 것이다. 일단 비콘-대-세계 변환이 알려지면, 그 비콘은 그 레이저 빔을 임의의 명령된 세계 좌표 점에 향하게 할 수 있을 것이다. 마찬가지로, 만약 파트-대-세계 변환이 또한 알려지면, 비콘은 임의의 명령된 파트 좌표를 향하게 할 수 있을 것이다.

도 15와 16은 레이저 빔들을 적어도 3개의 EOAT-장착 능동 타겟 위로 투사함으로써 모션 장치의 EOAT의 6-DOF 자세를 결정하는 새로운 방법을 정리한다. 도 11은 EOAT-장착된 능동 타겟들이 EOAT 좌표 프레임과 관련하여 정의되게 하는 프로세스를 설명한다. 따라서, 비콘이 타겟 요소(16)의 감광성 어레이 상으로 레이저 빔을 향하게 할 때마다, 그 레이저 스폿의 중심은 도구 좌표 값이 할당될 수 있다. 비콘-대-세계 변환을 통하여, 그 레이저 빔은 세계 좌표 프레임에서 라인으로 기술될 수 있다. 그래서, 특정 타겟 요소(16)에 관해서는, 우리는 도구 좌표 값이 이 '세계 라인'을 따라 어딘가에는 반드시 존재해야 한다는 것을 안다.

이 정보가 3개 이상의 능동 타겟에 관해 알려질 때, 적어도 3개의 '세계 라인'이 서로에 대하여 평행하지 않으면, EOAT의 6-DOF 자세가 계산될 수 있다. 단 3개의 '세계 라인'이 사용되는 경우, 최적 상황은 서로 직각을 이루는 3개 전부를 가지는 것이며, TCP의 계산된 위치에 관해 '지렛대 팔' 효과를 최소화 하기 위해 모든 능동 타겟들 간에 충분한 간격을 유지하면서 그 능동 타겟들 중 하나는 EOAT의 TCP에 가능한 한 가까이 배치된다. 이러한 완벽한 상황은 항상 얻어질 수 있는 것은 아니지만, 3개 이상의 시선을 사용함으로써 과외의 정확성을 얻을 수 있다. 이것은 3개 이상의 비콘/능동 타겟 쌍들을 채용함으로써, 또는 로봇이 정적으로 존재하는 상황의 경우 몇 개의 비콘들에게 하나 이상의 능동 타겟을 측정하게 함으로써 달성될 수 있다.

도 17은 레이저 빔들을 적어도 3개의 파트-장착형(part-mounted) 능동 타겟들 위로 투사함으로써 작업 셀 세계 프레임과 관련하여 파트의 6-DOF 자세를 결정하는 새로운 방법을 정리하고 있다. 도 13은 파트-장착형 능동 타겟들을 파트 좌표 프레임과 관련하여 처음으로 정의하는 프로세스를 설명한다. 따라서, 비콘이 레이저 빔을 파트-장착형 능동 타겟의 감광성 어레이 위로 향하게 할 때마다, 그 레이저 스폿의 중심은 파트 좌표 값이 할당될 수 있다. 비콘-대-세계 변환을 통해 레이저 빔은 세계 좌표 프레임에서 라인으로 묘사될 수 있다. 그래서, 특정 능동 타겟의 경우, 우리는 파트 좌표 값이 이 '세계 라인'을 따라 어딘가에 존재해야만 한다는 것을 안다. 이 정보가 3개 이상의 능동 타겟들에 관해 알려질 때, 적어도 3개의 '세계 라인'이 서로에 대해 평행하지 않으면, 세계 프레임에서의 파트의 6-DOF 자세는 계산될 수 있다. 최적 상황은 서로 직각인 '세계 라인'이 그 파트에 부착된 능동 타겟들을 때리는 것이다. 이러한 완벽한 상황은 거의 얻어지지 않지만, 3개 이상의 시선을 사용함으로써 과외의 정확성이 얻어질 수 있다. 현재의 파트 위치가 '명목상' (디자인) 파트 위치에 비해 많이 다르지 않다면, 파트-대-세계 변환을 아는 것은 모션 장치 또는 장치들의 경로들이나 작업 위치들이 수정되는 것을 가능하게 한다.

이러한 명목상 파트 위치는 한 개 이상의 모션 장치의 프로그램된 작업 경로들이나 작업 위치에 관한 초기의 오프라인 로봇 시뮬레이션 동안에 사용되어 왔을 수도 있다. 따라서, 오프라인 모션 경로 시뮬레이션을 통해 현재의 파트 자세에 관한 '안전한' 회전과 위치 이동을 정의하는 것이 가능하다. 물론, '안전한' 파트 자세들은 또한 오프라인 프로그래밍 시뮬레이션의 도움을 받지 않고 행해질 수 있고, 그 경우 그 (현재의 파트 위치) 조정된 모션 장치 자세들이 하나 이상의 모션 장치의 운동학적 프로그램 또는 프로그램들에서 각 작업 위치에 관해 저장된 것들과 비교된다. 도 17에서 마지막 단계는 이 동일한 방법론이 '팔레트화 된' 피안내 로봇 시스템에 어떻게 적용될 수 있는지를 기술한다.

도 18은 작업 셀 안쪽의 제안한 계측 시스템의 '드리프트'를 설명하는 새로운 방법을 정리하고 있다. 드리프트는 제작 환경에서의 온도 변화 때문에 발생할 수 있다 (스틸 구조 위쪽에 높게 설치된 비콘, 또는 완성하기까지 16시간이 걸리는 항공우주의 날개 드리링 프로세스를 고려하라). 도 18에는 3가지 다른 상황이 언급되어 있으며, 그것들은 온도 드리프트와 같은 방법으로 즉, 결함 비콘을 맞교환하고, 팔레트화된 피안내 로봇 시스템에 관한 팔레트-대-세계 셀 드리프트를 모니터링 하는 것, 또는 가동형 비콘에 관한 비콘-대-세계 관계를 재획득하는 방법으로 정정될 수 있다. 이 경우들의 어떤 것에 있어서도, 비콘은 그것의 비콘-대-세계 (또는 비콘-대-파트) 변환을 적어도 3개의 고정 설치된 (작업셀 내, 팔레트 위, 또는 파트 위) 능동 타겟을 측정함으로써 갱신한다. 최초 보정 프로세스 동안에 능동 타켓들은 그 셀 주위를 일시적으로 이동하지 않고 있는 예외가 있지만, 이러한 프로세스는 도 14의 그것과 완전히 유사하다.

도 19는 신규한 계측 시스템을 사용하여 모션 장치의 자세를 교정하는 방법을 설명한다. 그것은 꽤 간단하여 여기서는 추가 논의를 할 필요가 없다. 모션 장치, 상기 도구로서의 비접촉 계측 센서, 그리고 감당할 수 있는 검사 장치를 생성하는 신규한 계측 시스템을 결합하기 위한 설명 또한 포함된다. 이것은 그 시스템의 주된 사용에 관해 약간 다른 해석인데, 왜냐하면 만약 상기 센서의 '시야 범위'가 그 모션 장치(즉, 비접촉 센서는 그것의 의도한 '타겟'을 여전히 볼 수 있다. 왜냐하면 그것은 그 모션 장치의 자세 부정확성을 극복하기 위해 충분히 큰 '시야 범위'를 보유하기 때문이다)의 본래적 부정확성보다 더 많이 수용하는 하는 것을 가정하면, 사람이 작업 위치에서 계측 센서의 자세를 정의하는 것만 필요할 뿐이기 때문이다. 지금까지, 모든 설명들은 모션 장치의 정지 자세를 가정하였다. 도 19의 맨 마지막 박스는 제안하고자 하는 계측 시스템이 경로 교정 시스템으로서 기능할 수 있도록 하기 위해, 무슨 수정이 필요할 수 있는지를 설명한다.

본 발명은 예시적인 실시예를 참조하면서 설명되었지만, 당업자라면 다양한 변화가 구현될 수 있고 등가물들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 그것의 구성요소를 대체할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 덧붙여서, 본 발명의 교시에 대하여 특정 상황 또는 물질을 적응화하기 위해 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않으면서도 많은 수정이 가해질 수도 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 이 발명을 실행하기 위해 최선의 모드라고 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 특허청구범위의 범위 내에 속하는 모든 실시예들을 포함한다.

10: 본 발명의 시스템 12: 다축 장치(비콘)
14: 광 빔 16: 타겟 요소
20: 하우징 22: 레이저 출구공
24: 고도축 26: 방위각 축
28: 베이스 30: 전력 및 통신 케이블
34: 감광성 어레이 36: 보정 타겟
38: 보정 타겟 둥지 40: 개구(부착점)
42, 50: 서비스 케이블 44: 판
46: 하우징 48: 셔터
52: 캡슐화된 타겟 요소 53: 말단 팔도구(EOAT)
54: 중심축 55: 로봇 장치
56: 작업물 61: 보정 스탠드
62: 탄소 섬유 또는 콘크리트 기둥 64: 레이저 출력 개구
66: 레일 68: 정지 장치
70: 슬라이드 유닛 72: 타겟 요소 판

Claims (11)

1. 다축 운동에 적응할 수 있고, 중앙축을 가지며 작업물에 대해 다양한 작동들을 수행하기 위한 말단 팔도구를 갖는 팔을 제공하는 적어도 하나의 로봇 장치;
   적어도 하나의 상기 로봇 장치에 관하여 지향성을 갖는(oriented) 광 빔들을 발생시키는 복수 개의 다축 장치들; 및
   상기 말단 팔도구에 연결된 복수 개의 제거가능한 타겟 요소들로서, 상기 타겟 요소들 각각은 상기 말단 팔도구를 6 자유도(6-DOF)의 작업물에 관하여 지향성을 갖도록(orient) 기-인증되어, 상기 타겟 요소들 각각이 상기 다축 장치들에 의해 구동됨에 따라 작업물 상에 다양한 조작을 수행하는 복수 개의 제거가능형 타겟 요소들을 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 정확도 향상 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 타겟 요소들 각각은 금속성과 비금속성 물질 중 적어도 어느 한가지로 형성된 베이스 및 그 베이스에 마련된 복수 개의 개구들을 제공하는 것을 특징으로 하는 로봇 정확도 향상 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 베이스는 상기 베이스에 마련된(defined) 각각의 개구들에 부착가능한 복수 개의 제거가능 둥지 요소들(nest elements) 및 그 각각의 둥지 요소들에 의해 지지되는 복수 개의 보정 타겟들(calibration targets)을 제공하는 것을 특징으로 하는 로봇 정확도 향상 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 베이스는 상기 베이스에 마련된 감광성 어레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 정확도 향상 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 타겟 요소들의 각각을 캡슐화하는 하우징을 포함하며, 상기 하우징은 셔텨 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 로봇 정확도 향상 시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 다축 장치들, 상기 로봇 장치, 그리고 상기 타겟 요소들과 조작가능하게 통신하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 정확도 향상 시스템.
7. 다축 운동에 적응할 수 있고, 중앙축을 가지며 작업물에 대해 적어도 한 가지 작동을 제1시간주기에서 수행하기 위한 말단 팔도구를 갖는 팔을 제공하는 복수 개의 로봇 장치;
   상기 로봇 장치에 관하여 지향성을 갖는(oriented) 광 빔들을 투사하는 복수 개의 다축 장치들; 및
   상기 로봇 장치 각각의 상기 말단 팔도구에 연결된 복수 개의 제거가능한 타겟 요소들로서, 상기 타겟 요소들 각각은 상기 말단 팔도구를 6 자유도(6-DOF)의 작업물에 관하여 지향성을 갖도록 기-인증되어, 상기 타겟 요소들 각각이 상기 다축 장치들에 의해 구동됨에 따라 작업물 상에 작동을 수행하는 복수 개의 제거가능형 타겟 요소들; 및
   상기 제1시간 주기보다 더 짧은 제2 시간 주기 안에 적어도 하나의 상기 다축 장치를 조종하기 위해 상기 타겟 요소들, 상기 복수 개의 다축 장치들, 그리고 상기 복수개의 로봇 장치들과 조작가능하게 통신하며, 이에 의해 적어도 하나의 상기 타겟 요소를 안내하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 정확도 향상 시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 타겟 요소들 각각은 금속 및 비금속 물질 중 적어도 어느 한가지로 형성된 베이스 및 그 베이스에 마련된 복수 개의 개구를 제공하는 것을 특징으로 하는 로봇 정확도 향상 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 베이스는 상기 베이스에 마련된(defined) 각각의 개구들에 부착가능한 복수 개의 제거가능 둥지 요소들(nest elements) 및 그 각각의 둥지 요소들에 의해 지지되는 복수 개의 보정 타겟들(calibration targets)을 제공하는 것을 특징으로 하는 로봇 정확도 향상 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 베이스는 상기 베이스에 마련된 감광성 어레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 정확도 향상 시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 타겟 요소들 각각을 캡슐화하는 하우징을 포함하며, 상기 하우징은 셔터 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 로봇 정확도 향상 시스템.

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