KR20110014860A - Method for calibrating force sensor detecting signal to estimate pure external interaction force - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for calibrating a sensing signal of a force sensor is provided to estimate a pure external interaction force by removing force signals, generated by a terminal device and a workpiece, from a force signal detected by a force sensor. CONSTITUTION: A method for calibrating a sensing signal of a force sensor is as follows. A force sensor located in the initial position is initialized(S1). The mass of a terminal device connected to the force sensor and the location of the center of mass(S2). A force signal generated by the terminal device is obtained using the mass and the center-of-mass location(S3). A force signal detected by the force sensor is corrected using the force signal generated by the terminal device(S4).

Description

순외력 측정을 위한 힘 센서 검출 신호 보정 방법 {Method for Calibrating Force Sensor Detecting Signal to estimate Pure External Interaction Force}Method for Calibrating Force Sensor Detecting Signal to estimate Pure External Interaction Force}

본 발명은 힘 센서에서 검출되는 힘 신호를 보정하여 순외력을 측정하기 위한 힘 센서 검출 신호 보정 방법으로서, 더욱 상세하게는 힘 센서와 결합되는 말단 장치에 의해 발생되는 힘 신호 및 상기 말단 장치에 결합되는 작업 물체에 의해 발생되는 힘 신호를 힘 센서에서 검출되는 힘 신호로부터 제거하여 순외력을 측정하기 위한 힘 센서 검출 신호 보정 방법에 관한 것이다.The present invention is a force sensor detection signal correction method for measuring the external force by correcting the force signal detected by the force sensor, more specifically the force signal generated by the end device coupled to the force sensor and coupled to the end device The present invention relates to a force sensor detection signal correction method for measuring a net external force by removing a force signal generated by a work object to be detected from a force signal detected by a force sensor.

힘 센서는 힘의 크기와 방향을 검출하기 위해 개발된 센서로서 외부에서 전달되는 힘과 모멘트에 관한 정보 즉, 힘 신호를 검출하는 센서를 말한다.The force sensor is a sensor developed to detect the magnitude and direction of the force, and refers to a sensor that detects force signal, that is, information about the force and moment transmitted from the outside.

특히, 로봇 분야에서는 상기 힘 센서가 다관절의 로봇의 말단에 장착되어 외부 충돌 등에 의해 발생되는 힘 신호를 검출한다. 상기 힘 센서가 검출하는 힘 신호는 로봇의 움직임을 제어하기 위한 정보 등으로서 이용된다. 로봇 분야에서는 일반적으로 병진 3방향의 힘과 회전 3방향의 모멘트를 검출하는 6축 힘 센서가 이용된다.In particular, in the robot field, the force sensor is mounted at the end of the robot of the articulated joint to detect a force signal generated by an external collision or the like. The force signal detected by the force sensor is used as information for controlling the movement of the robot. In the robotic field, a six-axis force sensor is generally used which detects the force in the translational three directions and the moment in the three directions of rotation.

로봇의 말단에 장착된 힘 센서에는 작업 수행을 위한 로봇 손, 그리 퍼(gripper), 공구 교환기(tool-changer) 등과 같은 말단 장치(이하 "말단 장치" 라고 한다)가 결합되고, 상기 말단 장치에는 작업의 대상이 되는 작업 물체(예를 들어, 로봇 손 또는 그리퍼에 의해 파지되는 물체, 공구 교환기에 부착된 공구 등과 같은 작업 중 더해진 물체)가 결합된다. A force sensor mounted at the end of the robot is coupled to an end device (hereinafter referred to as the "end device") such as a robot hand, a gripper, a tool-changer, etc. for performing work, and the end device is coupled to the end device. The work object that is the object of work (for example, an object held by a robot hand or gripper, an object added during work such as a tool attached to a tool changer) is combined.

로봇이 작업을 수행하는 동안에 상기 말단 장치 또는 작업 물체가 외부 물체와 충돌하는 등의 이유로 외력이 발생되면 그 신호가 상기 힘 센서에 전달되어 검출된다. If an external force is generated while the end device or the working object collides with an external object while the robot performs a task, the signal is transmitted to the force sensor and detected.

하지만, 힘 센서에 결합되는 상기 말단 장치 및 상기 작업 물체는 각자 고유한 질량을 가지므로, 상기 힘 센서는 외부에서 발생하는 순수한 외력뿐만 아니라, 상기 말단 장치 및 작업 물체의 질량에 의하여 발생하는 내부의 간접적인 힘 신호도 검출하게 된다. 또한, 상기 로봇이 정지해 있거나 천천히 움직일 경우과 달리 로봇의 움직임이 빨라지게 되면 관성력이 발생된다. 따라서, 상기 힘 센서에 전달되는 내부의 간접적인 힘 신호에는 관성력에 의한 힘 신호가 포함된다. However, since the end device and the work object coupled to the force sensor each have its own mass, the force sensor is internally generated by the mass of the end device and the work object as well as the pure external force generated from the outside. Indirect force signals are also detected. In addition, unlike when the robot is stationary or moves slowly, an inertial force is generated when the robot moves faster. Therefore, the internal indirect force signal transmitted to the force sensor includes a force signal due to an inertial force.

즉, 로봇이 작업을 수행하는 동안 힘 센서는 순수 외력에 의한 힘 신호 뿐만 아니라 말단 장치 또는 작업 물체의 질량과 움직임에 따른 관성에 의해 발생하는 간접적인 힘 신호를 같이 검출한다. 따라서, 힘 센서에 의해 감지되는 신호를 순수한 외력에 의한 신호로 간주하고 이를 바탕으로 로봇의 움직임을 제어할 수 없다는 문제점이 있다. That is, while the robot performs a task, the force sensor detects not only the force signal by pure external force but also the indirect force signal generated by the inertia according to the mass and movement of the end device or the working object. Therefore, there is a problem in that the signal sensed by the force sensor is regarded as a signal by pure external force, and the movement of the robot cannot be controlled based on the signal.

따라서, 힘 센서에서 검출되는 힘 신호 중에서 간접적인 힘 신호를 계산하여 순수한 외부 힘 신호를 검출하기 위해서 여러가지 연구들이 이루어지고 있다. Therefore, various studies have been conducted to detect pure external force signals by calculating indirect force signals among force signals detected by the force sensor.

간접적인 내부 힘을 계산하기 위한 방법의 예로서 궤도 오차(trajectory error) 및 최적 필터 기법을 사용하는 방법과, 힘센서, 3차원 가속도 센서 및 관절 위치 센서들을 이용하는 센서 융합 기술 방법 등이 이용되고 있다. Examples of methods for calculating indirect internal forces include methods using trajectory error and optimal filter techniques, and sensor fusion techniques using force sensors, three-dimensional acceleration sensors, and joint position sensors. .

하지만, 이러한 방법들은 순수 외부 힘을 측정해 내기 위해서 복잡한 필터링 방식을 사용하거나 센서 융합 기술을 적용하여야 하므로 구현이 복잡하고, 작업 물체 등이 변경될 경우 실시간으로 적용되기 힘들며, 특히 로봇이 빠른 운동 특성을 가지는 경우 적용이 힘든 단점이 있다.However, these methods require complex filtering methods or sensor fusion technology to measure pure external force, which is complicated to implement and difficult to apply in real time when the working object is changed. If you have a disadvantage that is difficult to apply.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 힘 센서에 결합되는 말단 장치와 상기 말단 장치에 결합되는 작업 물체의 질량 및 움직임에 의해 발생하는 간접적인 내부 힘 신호를 계산하여, 힘 센서에 의해 검출되는 힘 신호에서 제거함으로써 외부에서 작용하는 순수한 외력만을 검출하기 위한 힘 센서 검출 신호 보정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to solve the above problems, by calculating the indirect internal force signal generated by the mass and the movement of the end device coupled to the force sensor and the work object coupled to the end device, it is detected by the force sensor It is an object of the present invention to provide a force sensor detection signal correction method for detecting only external force acting externally by removing from a force signal.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 힘 센서 검출 신호 보정 방법은 힘 센서에 검출되는 힘 신호를 보정하여 순외력을 측정하기 위한 힘 센서 검출 신호 보정 방법으로서, 초기 위치에 있는 상기 힘 센서를 초기화하는 단계(S1), 상기 힘 센서에 결합된 말단 장치의 질량 및 질량중심의 위치 정보를 추정하는 단계(S2), 상기 말단 장치의 질량 및 질량중심의 위치 정보를 이용하여 상기 말단 장치에 의해 발생하는 힘 신호를 구하는 단계(S3) 및 상기 단계(S3)에서 구해진 상기 말단 장치에 의한 힘 신호를 이용하여 상기 힘 센서에서 검출된 힘 신호를 보정하는 단계(S4)를 포함한다. In order to achieve the above object, the force sensor detection signal correction method according to the present invention is a force sensor detection signal correction method for measuring the external force by correcting the force signal detected by the force sensor, the force sensor in the initial position Initializing (S1), estimating the position information of the mass and the center of mass of the terminal device coupled to the force sensor (S2), by the terminal device using the position information of the mass and the center of mass of the terminal device Obtaining a generated force signal (S3) and correcting the force signal detected by the force sensor (S4) using the force signal by the end device obtained in the step (S3).

또한, 본 발명에 따른 힘 센서 검출 신호 보정 방법은 상기 말단 장치에 작업 물체를 결합하는 단계(S5), 상기 작업 물체의 질량 및 질량중심의 위치 정보를 추정하는 단계(S6), 상기 작업 물체의 질량 및 질량중심의 위치 정보를 이용하여 상기 작업 물체에 의해 발생하는 힘 신호를 구하는 단계(S7) 및 상기 단계(S7)에서 구해진 상기 작업 물체에 의한 힘 신호를 이용해 상기 단계(S4)에서 보정된 힘 신호를 보정하는 단계(S8)를 더 포함할 수도 있다. In addition, the force sensor detection signal correction method according to the present invention is a step (S5) of coupling the work object to the end device, the step of estimating the mass and the center of mass information of the work object (S6), the Obtaining a force signal generated by the work object using the mass and the position information of the center of mass (S7) and corrected in the step S4 using the force signal by the work object obtained in the step S7. It may further comprise the step (S8) of correcting the force signal.

또한, 상기 단계(S2)는, 상기 초기 위치에서 상기 센서를 측정 위치로 한차례 이동시켰을 때 상기 힘 센서에 검출되는 힘 신호를 이용해 이루어질 수도 있다. In addition, the step S2 may be performed using a force signal detected by the force sensor when the sensor is moved once from the initial position to the measurement position.

또한, 상기 단계(S2)의 상기 측정 위치에서 상기 말단 장치는 선형 가속도를 가질 수도 있다. In addition, the end device at the measuring position of step S2 may have a linear acceleration.

또한, 상기 단계(S3)의 상기 말단 장치에 의해 발생하는 힘 신호는, 실시간으로 구해지는 상기 힘 센서의 현재 위치의 정보를 이용하여 실시간으로 구해지고, 상기 단계(S4)는 상기 단계(S3)에서 구해진 상기 말단 장치에 의한 힘 신호를 이용하여 실시간으로 이루어질 수도 있다. Further, the force signal generated by the end device of the step S3 is obtained in real time using the information of the current position of the force sensor obtained in real time, and the step S4 is the step S3. It may be made in real time using the force signal by the terminal device obtained from.

또한, 상기 단계(S3)의 상기 힘 센서의 현재 위치에서 상기 말단 장치는 선형 가속도를 가질 수도 있다. In addition, the end device at the current position of the force sensor of step S3 may have a linear acceleration.

또한, 상기 단계(S6)는 추정시의 상기 힘 센서의 현재 위치에서 상기 힘 센서에 검출되어 상기 단계(S4)에서 보정된 힘 신호를 이용해 이루어질 수도 있다. In addition, the step S6 may be performed using the force signal detected by the force sensor at the current position of the force sensor at the time of estimation and corrected in the step S4.

또한, 상기 단계(S7)의 상기 작업 물체에 의해 발생하는 힘 신호는 실시간으로 구해지는 상기 힘 센서의 현재 위치의 정보를 이용하여 실시간으로 구해지고, 상기 단계(S8)는 상기 단계(S7)에서 구해진 상기 작업 물체에 의한 힘 신호를 이용하여 실시간으로 이루어질 수도 있다. In addition, the force signal generated by the working object of the step (S7) is obtained in real time using the information of the current position of the force sensor obtained in real time, the step (S8) is in the step (S7) It may be made in real time using the force signal obtained by the work object obtained.

또한, 상기 단계(S6) 또는 상기 단계(S7)의 상기 힘 센서의 현재 위치에서 상기 작업 물체는 선형 가속도를 가질 수도 있다. In addition, the work object may have a linear acceleration at the current position of the force sensor of step S6 or step S7.

본 발명에 따른 힘 센서 검출 신호 보정 방법에 의하면, 종래 기술에 비해 계산량이 적고, 구현이 용이하다. 또한, 말단 장치 또는 작업 물체의 질량 등을 실시간으로 계산하여, 힘 센서에서 검출되는 힘 신호를 보정할 수 있어 작업 물체 등의 교체 또는 동작 속도의 변화 등에 대한 영향을 최소화할 수 있으며, 실시간으로 순외력이 측정 가능하다는 이점이 있다. According to the force sensor detection signal correction method according to the present invention, the amount of calculation is small and easy to implement compared with the prior art. In addition, by calculating the mass of the end device or the working object in real time, the force signal detected by the force sensor can be corrected, thereby minimizing the influence of the replacement of the work object or the change of the operating speed, The advantage is that the external force is measurable.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고하여 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiments illustrated in the drawings, it is described as one embodiment, whereby the technical spirit of the present invention and its core configuration and operation are not limited.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서 검출 신호 보정 방법의 흐름을 도시한 순서도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서 검출 신호를 보정하기 위한 가상 질점 추정의 개념을 나타내는 개념도이다.1 is a flow chart showing the flow of a force sensor detection signal correction method according to an embodiment of the present invention. 2 is a conceptual diagram illustrating the concept of virtual material estimation for correcting a force sensor detection signal according to an embodiment of the present invention.

먼저 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 힘 센서(20)의 일 단부는 로봇의 말단부(10)에 결합되고, 다른 일 단부에는 작업 수행을 위해 말단 장치(30)인 로봇 손이 결합된다. 말단 장치(30)에 작업 물체(미도시)가 결합된 상태에서, 로봇의 말단부(10)가 동작하여 원하는 작업을 수행하게 된다.First, referring to FIG. 2, one end of the force sensor 20 according to the present embodiment is coupled to the distal end 10 of the robot, and the other end of the force sensor 20 is coupled to the robot hand, which is an end device 30 for performing work. . In a state in which a work object (not shown) is coupled to the end device 30, the distal end 10 of the robot is operated to perform a desired work.

본 명세서에서는 힘 센서에 검출되는 힘과 모멘트 정보를 나타내는 신호를 힘 신호라고 정의하며, 본 실시예에 따른 힘 센서(20)는 병진 3방향의 힘(f)과 회 전 3방향의 모멘트(n)를 검출하는 6축 힘 센서로서, 힘 센서(20)에 작용하는 힘과 모멘트 정보 즉, 힘 신호를 검출한다.  In the present specification, a signal representing force and moment information detected by the force sensor is defined as a force signal, and the force sensor 20 according to the present embodiment has a force f in the translation three directions and a moment n in the three directions of rotation. ) Is a six-axis force sensor that detects force and moment information acting on the force sensor 20, that is, a force signal.

상술한 바와 같이, 말단 장치(30)가 결합된 힘 센서(20)에 의해 검출되는 힘 신호는 외부에서 가해지는 순수 외력에 의한 신호만을 포함하지 않는다. 즉, 외력이 작용하지 않는 경우에도 물체의 질량에 해당하는 중력에 의한 힘 신호가 힘 센서(20)로 전달되어 검출되는 것이다. As described above, the force signal detected by the force sensor 20 to which the end device 30 is coupled does not include only a signal by pure external force applied from the outside. That is, even when no external force is applied, a force signal by gravity corresponding to the mass of the object is transmitted to the force sensor 20 and detected.

또한, 로봇의 말단부(10)가 빠른 속도로 동작하는 경우 힘 센서(20)에 결합된 물체가 선형 가속도를 가지게 되어, 말단 장치(30)의 움직임에 의한 관성력이 발생한다. 이러한 관성력 또한 힘 센서(20)에 검출될 수 있는 내부의 간접적인 힘 신호에 하나이다. In addition, when the distal end 10 of the robot operates at a high speed, the object coupled to the force sensor 20 has a linear acceleration, thereby generating an inertial force due to the movement of the distal device 30. This inertial force is also one of the internal indirect force signals that can be detected by the force sensor 20.

상기와 같은 중력 또는 관성력이 발생하는 이유는 힘 센서(20)에 결합된 물체가 고유한 질량을 가지기 때문이다. 따라서, 상기 물체의 질량에 관한 정보 즉, 질량과 상기 질량에 의해 발생하는 힘의 작용점을 예측해 낼 수 있다면 상기 물체에 의해 발생하는 힘과 모멘트 정보 즉, 힘 신호를 구해낼 수 있다. 또한, 구해진 힘 신호를 힘 센서(20) 검출 신호로부터 제거해 주어 순수한 외력에 의한 힘 신호만을 검출해 낼 수 있다.The reason why such gravity or inertial force is generated is that the object coupled to the force sensor 20 has an inherent mass. Therefore, if the information on the mass of the object, that is, the point of action of the mass and the force generated by the mass can be predicted, the force and moment information generated by the object, that is, the force signal can be obtained. In addition, the obtained force signal can be removed from the force sensor 20 detection signal to detect only the force signal by pure external force.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 힘 센서(20)에 결합되는 물체의 질량에 관한 정보를 예측하고 이를 이용하여 순수 외력에 의한 힘 신호를 검출하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a method of predicting information about a mass of an object coupled to the force sensor 20 and detecting the force signal by pure external force will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.

도 1를 참조하면, 말단 장치(30)에 의한 내부의 간접적인 힘 신호를 제거하 기 위하여, 힘 센서(20)를 초기화하는 단계(S1)와, 힘 센서(20)에 결합된 말단 장치(30)의 질량 및 질량중심의 위치 정보(이하 "말단 장치(30)의 가상 질점 정보"라고 한다)를 추정하는 단계(S2)를 수행한다. 또한, 상기에서 추정된 말단 장치(30)의 가상 질점 정보를 이용하여 말단 장치(30)에 의해 발생하는 힘 신호(중력 및 관성력)를 구하는 단계(S3)를 수행한다. 이와 같은 방법에 의해 말단 장치(30)에 의해 발생하는 힘 신호가 구해지면, 이를 힘 센서(20)에 검출된 힘 신호에서 제거하는 단계(S4)를 통해 힘 신호를 보정한다.Referring to FIG. 1, in order to remove the internal indirect force signal by the end device 30, the step S1 of initializing the force sensor 20 and the end device coupled to the force sensor 20 ( A step S2 of estimating the mass and the positional information of the center of mass (hereinafter referred to as "virtual quality information of the terminal device 30") is performed. In addition, the step (S3) of obtaining the force signals (gravity and inertia) generated by the terminal device 30 by using the virtual material information of the terminal device 30 estimated above. When the force signal generated by the end device 30 is obtained by the above method, the force signal is corrected through the step S4 of removing it from the force signal detected by the force sensor 20.

도 2에 도시된 바와 같이, 말단 장치(30)에 작업의 대상이 되는 작업 물체(미도시)가 결합되지 않은 상태에서는, 상기 단계(S4)를 통해 보정된 힘 신호가 순 수 외력에 의한 힘 신호이다. As shown in FIG. 2, in a state where a work object (not shown) that is the object of work is not coupled to the terminal device 30, the force signal corrected through the step S4 may be a force by pure external force. It is a signal.

하지만, 말단 장치(30)에 작업 물체가 결합되는 경우에는 상기 작업 물체에 의해 발생하는 힘 신호가 힘 센서(20)에 검출되므로, 말단 장치(30)에 의해 발생하는 힘 신호를 제거하는 것 만으로는 순수 외력을 구할 수 없다. However, when the work object is coupled to the end device 30, the force signal generated by the work object is detected by the force sensor 20, so that simply removing the force signal generated by the end device 30 Pure external force cannot be obtained.

따라서, 본 실시예에 따르면, 말단 장치(30)에 작업 물체가 결합되는 경우(S5), 말단 장치(30)에 결합된 상기 작업 물체의 질량 및 질량중심의 위치 정보(이하 "작업 물체의 가상 질점 정보"라고 한다)를 추정하는 단계(S6)와 상기 작업 물체의 가상 질점 정보를 이용하여 상기 작업 물체에 의해 발생하는 힘 신호를 구하는 단계(S7)를 포함한다. 상기 단계(S7)에서 상기 작업 물체에 의한 힘 신호가 구해지면 상기 단계(S4)에서 보정된 힘 신호에서 상기 작업 물체에 의한 힘 신호를 다시 제거하는 단계(S8)를 통해 순수 외력을 구한다. Therefore, according to the present embodiment, when the work object is coupled to the end device 30 (S5), the mass and the center of mass position information of the work object coupled to the end device 30 (hereinafter referred to as "virtual work object"). Estimating " quality information " " and obtaining a force signal generated by the work object using the virtual quality information of the work object (S7). When the force signal by the work object is obtained in the step S7, the pure external force is obtained through the step S8 of removing the force signal by the work object from the force signal corrected in the step S4.

즉, 힘 센서(20)에 검출되는 힘 신호에서 말단 장치(30)에 의해 발생되는 힘 신호와, 상기 작업 물체에 의해 발생되는 힘 신호를 차례로 제거해 줌으로서 최종적으로 순수 외력에 의한 힘 신호를 구하게 되는 것이다.That is, the force signal generated by the end device 30 and the force signal generated by the work object are sequentially removed from the force signal detected by the force sensor 20 to finally obtain a pure external force signal. Will be.

이하 다시 도 2를 참조하여, 힘 센서 검출 신호 보정을 위한 가상 질점 정보(물체의 질량 및 질량중심의 위치 정보)의 추정에 대한 개념을 설명한다. Hereinafter, referring to FIG. 2 again, the concept of estimating virtual material information (mass and mass center position information of an object) for force sensor detection signal correction will be described.

도 2에 도시된 바와 같이, 좌표축 (Fx, Fy, Fz)을 가지며 힘 센서(20)의 질량 중심을 원점으로 하는 센서 좌표계를 설정할 수 있다. 이 때, 힘 센서(20)에 측정되는 힘 신호 정보 즉, 힘(f)과 모멘트(n) 정보는 상기 센서 좌표계 상에 벡터(vector) 형태로 표시할 수 있다.As shown in FIG. 2, a sensor coordinate system having a coordinate axis (F x , F y , F z ) and whose origin is the center of mass of the force sensor 20 can be set. At this time, the force signal information measured by the force sensor 20, that is, the force (f) and the moment (n) information can be displayed in the form of a vector (vector) on the sensor coordinate system.

본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 렌치(wrench) 벡터를 사용하여, 힘(f)과 모멘트(n) 정보를 동시에 나타낸다(도 2 참조). 즉, 렌치 벡터가 포함하는 정보는 힘 신호 정보에 해당한다. In the present specification, for convenience of description, a wrench vector is used to simultaneously express force f and moment n information (see FIG. 2). That is, the information included in the wrench vector corresponds to the force signal information.

본 실시예에 따른 6축 힘 센서에 의해 검출되는 힘 신호(w)는 렌치 벡터

Figure 112009048146860-PAT00001
의 형태로 표현되며, 이러한 렌치 벡터는 하기 수학식 1과 같은 관계를 가진다고 알려져 있다. The force signal w detected by the six-axis force sensor according to this embodiment is a wrench vector.
Figure 112009048146860-PAT00001
The wrench vector is known to have a relationship as in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112009048146860-PAT00002
Figure 112009048146860-PAT00002

여기서, r은 힘이 작용하는 위치를 나타내는 벡터로 힘 센서 좌표계의 원점 으로부터 힘의 작용점을 잇는 위치 벡터이다. 위치 벡터(r)는 수평(

Figure 112009048146860-PAT00003
)과 수직(
Figure 112009048146860-PAT00004
) 성분으로 나눌 수 있는데, 상기 수평(
Figure 112009048146860-PAT00005
) 성분은 벡터의 외적(vector product) 계산에 의해 소거되므로, 본 실시예에서의 위치 벡터(r)는 수직(
Figure 112009048146860-PAT00006
) 성분만을 의미한다. 피치(h)는 힘과 모멘트의 비율을 나타내며 나선운동을 나타낸다.Here, r is a vector representing the position where the force acts and is a position vector connecting the point of action of the force from the origin of the force sensor coordinate system. Position vector (r) is horizontal (
Figure 112009048146860-PAT00003
) And vertical (
Figure 112009048146860-PAT00004
) Component, the horizontal (
Figure 112009048146860-PAT00005
) Component is canceled by the vector product calculation, the position vector r in this embodiment is vertical (
Figure 112009048146860-PAT00006
) Means only components. Pitch (h) represents the ratio of force and moment and represents spiral motion.

만일 렌치 벡터가 주어진 경우 즉, 힘 신호(w) 정보인 힘(f)과 모멘트(n)가 주어진 경우에, 위치 벡터(r)와 피치(h)는 하기 수학식 2 및 수학식 3과 같이 구해진다. If a wrench vector is given, that is, a force f and a moment n, which are force signal w information, are given, the position vector r and the pitch h are given by Equations 2 and 3 below. Is saved.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112009048146860-PAT00007
Figure 112009048146860-PAT00007

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112009048146860-PAT00008
Figure 112009048146860-PAT00008

렌치 벡터의 값은 힘 센서(20)에 의해 측정되는 힘 신호(w) 값을 말하므로, 측정된 힘 신호(w) 값으로부터 위치 벡터(r)와 피치(h)가 구해진다. Since the value of the wrench vector refers to the value of the force signal w measured by the force sensor 20, the position vector r and the pitch h are obtained from the measured force signal w value.

힘 센서(20)에 검출되는 힘이 도 2에 도시된 바와 같은 임의의 외력에 의한 것이 아니라, 말단 장치(30)에 의해 발생하는 힘이라면 상술한 렌치 벡터 모델은 가상 질점 모델로 변형된다. If the force detected by the force sensor 20 is not caused by any external force as shown in FIG. 2, but by the force generated by the end device 30, the wrench vector model described above is transformed into a virtual material model.

도 3은 렌치 벡터 모델을 가상 질점 모델로 변형하는 개념을 나타내는 개념 도이다. 3 is a conceptual diagram illustrating a concept of transforming a wrench vector model into a virtual material model.

도 3에 도시된 바와 같이, 말단 장치(30)의 질량을 m으로, 말단 장치(30)에 의해 힘 센서(20)에 작용하는 힘의 작용점을 말단 장치(30)의 질량 중심(31)으로 가정한다. r은 힘 센서 좌표계의 원점과 질량 중심(31)을 잇는 위치 벡터이다.As shown in FIG. 3, the mass of the end device 30 is m and the operating point of the force acting on the force sensor 20 by the end device 30 is the center of mass 31 of the end device 30. Assume r is a position vector connecting the origin of the force sensor coordinate system and the center of mass 31.

만약, 말단 장치(30)가 선형 가속도(avm)를 가지고 움직인다면, 말단 장치(30)에 의해 발생되는 힘 신호는 하기 수학식 4와 같이 표현될 수 있다. If the end device 30 moves with a linear acceleration a vm , the force signal generated by the end device 30 can be expressed as Equation 4 below.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112009048146860-PAT00009
Figure 112009048146860-PAT00009

Figure 112009048146860-PAT00010
Figure 112009048146860-PAT00010

여기서, g는 중력가속도를 의미하며, avm은 말단 장치(30)의 선형 가속도를 나타낸다.Where g means gravitational acceleration and a vm represents the linear acceleration of the end device 30.

상기 수학식 4와 같이 말단 장치(30)에 의해 발생하는 힘(f)은 중력에 의한 힘과 선형가속도에 의한 관성힘으로 표현된다. 이 경우, 피치(h)에 의한 영향은 없으므로 피치(h)는 항상 0 이며, 모멘트(n)은 힘(f)에 의해 발생하는 모멘트로만 나타내진다. As shown in Equation 4, the force f generated by the end device 30 is represented by the force due to gravity and the inertial force due to linear acceleration. In this case, since there is no influence by the pitch h, the pitch h is always 0, and the moment n is represented only by the moment generated by the force f.

상기와 같은 수학식 1 및 수학식 4의 관계에 의해 일반적인 렌치 벡터와 질량 중심(31)에 의해 생성된 렌치 벡터 사이의 상관 관계 및 요소 성분들을 구할 수 있다. Correlation and element components between the general wrench vector and the wrench vector generated by the center of mass 31 can be obtained by the relationship between Equations 1 and 4 as described above.

즉, 주어진 렌치 벡터

Figure 112009048146860-PAT00011
를 이용하여 가상 질점 정보를 나타내는 질량(m)과, 센서 좌표계의 원점을 기준으로한 말단 장치(30)의 질량 중심의 위치를 나타내는 위치 벡터(r)를 구할 수 있으며, 이러한 과정을 물체의 가상 질점 정보(질량 및 질량중심의 위치 정보)의 추정이라고 한다. Ie given wrench vector
Figure 112009048146860-PAT00011
The mass (m) representing the virtual matter information and the position vector (r) representing the position of the center of mass of the terminal device 30 with respect to the origin of the sensor coordinate system can be obtained. This is called estimation of quality information (mass and center of mass position information).

또한, 추정된 가상 질점 정보로부터 말단 장치(30)에 의해 발생하는 힘 신호를 계산하여 힘 센서(20)에 의해 측정된 힘 신호에서 제거할 수 있으며 이러한 과정을 힘 신호의 보정이라고 한다. In addition, the force signal generated by the end device 30 can be calculated from the estimated virtual point information and removed from the force signal measured by the force sensor 20, which is called correction of the force signal.

이하, 상술한 개념을 이용하여 본 실시예에 대해서 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present embodiment will be described in detail using the above-described concept.

1. 힘 센서의 초기화 1. Initialization of the force sensor

본 실시예에 따른 힘 센서(20)는 말단 장치(30)가 결합된 상태에서 초기화된다. 이하에 설명되는 본 실시예에 따른 말단 장치(30)는 로봇 손 등과 같은 작업 툴만을 의미하는 것이 아니며, 초기화 단계 이전에 힘 센서(20)에 결합되는 모든 물체를 의미한다. The force sensor 20 according to this embodiment is initialized with the end device 30 coupled. The terminal device 30 according to this embodiment described below does not only mean a work tool such as a robot hand, but also means all objects coupled to the force sensor 20 before the initialization step.

상기 초기화 과정은 로봇에 의한 작업 수행에 앞서 힘 센서(20)에 검출되는 모든 신호(wr)를 노이즈 신호로 간주하여 이를 제거하기 위한 것이다. 상기 초기화는 특정 시간 동안에 힘 센서(20)에서 검출되는 신호를 평균 내고, 평균 내어진 신호 값(wn)을 힘 센서(20)에 검출되는 신호(wr)로부터 제거하는 방식으로 이루어진다.The initialization process is to remove all the signals (w r ) detected by the force sensor 20 as a noise signal prior to performing the work by the robot. The initialization is performed by averaging the signal detected by the force sensor 20 for a specific time and removing the averaged signal value w n from the signal w r detected by the force sensor 20.

초기화를 거친 후 힘 센서(20)에서 검출되는 힘 신호(w0)는 하기 수학식 5와 같이 표현할 수 있다. After the initialization, the force signal w 0 detected by the force sensor 20 may be expressed as Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112009048146860-PAT00012
Figure 112009048146860-PAT00012

초기화를 거친 후에 힘 센서(20)에서 검출되는 힘 신호는 렌치 벡터를 이용하여

Figure 112009048146860-PAT00013
와 같이 표현할 수 있으며, 다른 외력이 작용하지 않는한 그 값은 0으로 근사화 된다.After the initialization, the force signal detected by the force sensor 20 is obtained using a wrench vector.
Figure 112009048146860-PAT00013
The value is approximated to 0 unless another external force is applied.

도 4는 초기화시 말단 장치에 의해 발생하는 힘을 나타내는 개념도이다. 초기화시 힘 센서(20)는 초기 위치에 있다. 상기 초기 위치란 초기화시 힘 센서(20)가 최초로 위치한 위치를 말하며, 본 실시예에서는 말단 장치(30)의 말단이 도 4에서 아래 방향으로 향해 있을 때의 힘 센서(20)의 위치를 말한다. 초기 위치에서 말단 장치(30)는 중력에 의해 도 4에서 아래 방향으로 힘을 받게 되므로, 중력에 의한 힘 신호가 힘 센서(20)에 의해 검출된다. 따라서, 힘 센서(20)에 검출되는 힘 신호(wr, wn)는 센서의 노이즈뿐만 아니라 말단 장치(30)에 의해 발생하는 힘 신호를 포함한다. 4 is a conceptual diagram showing the force generated by the end device during initialization. At initialization the force sensor 20 is in its initial position. The initial position refers to the position where the force sensor 20 is initially positioned at initialization, and in this embodiment, the position of the force sensor 20 when the distal end of the terminal device 30 is directed downward in FIG. 4. In the initial position the end device 30 is forced downward by gravity in FIG. 4, so that a force signal by gravity is detected by the force sensor 20. Thus, the force signals w r , w n detected by the force sensor 20 include the force signals generated by the end device 30 as well as the noise of the sensor.

본 실시예에 따르면, 말단 장치(30)가 힘 센서(20)에 결합된 후에 힘 센서(20)를 초기화하여, 말단 장치(30)에 의한 내부의 간접적인 힘 신호를 소거한다. 따라서, 상기 초기화 단계를 통해 초기 위치에서의 말단 장치(30)에 대한 정보가 힘 센서(20)로부터 사라지게 된다.According to this embodiment, after the end device 30 is coupled to the force sensor 20, the force sensor 20 is initialized to cancel the internal indirect force signal by the end device 30. Thus, through the initialization step, the information about the end device 30 in the initial position disappears from the force sensor 20.

초기화 과정을 통해 사라진 말단 장치(30)에 대한 정보를 복원하기 위해 말단 장치(30)의 가상 질점 정보를 추정하는 단계가 수행된다. In order to restore the information on the terminal device 30 disappeared through the initialization process, estimating the virtual quality information of the terminal device 30 is performed.

2. 말단 장치의 가상 2. Virtualization of the end device 질점Quality 정보 추정 Information estimation

이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 말단 장치(30)의 가상 질점 정보의 추정에 대해서 설명한다. 도 5는 측정 위치에서 말단 장치에 의해 발생하는 힘을 나타내는 개념도이다. Hereinafter, the estimation of the virtual quality information of the terminal device 30 will be described with reference to FIGS. 4 and 5. 5 is a conceptual diagram showing the force generated by the end device at the measurement position.

상술한 바와 같이 초기화를 거친 뒤 초기 위치에서 힘 센서(20)의 값은 0에 근사된 값을 가진다. 도 5에 도시된 바와 같이, 가상 질점 추정을 위해 로봇의 말단부(10)는 힘 센서(20)를 초기 위치에서 측정 위치로 이동시킨다. 측정 위치에서 말단 장치(30)는 아래 방향으로 중력을 받게 되며, 중력에 의한 힘 신호가 힘 센서(20)에 검출된다.As described above, the value of the force sensor 20 at the initial position after the initialization has a value close to zero. As shown in FIG. 5, the distal end 10 of the robot moves the force sensor 20 from an initial position to a measurement position for virtual material estimation. At the measurement position, the end device 30 is subjected to gravity in a downward direction, and a force signal by gravity is detected by the force sensor 20.

본 실시예에서 힘 센서(20)가 상기 측정 위치에 위치하였을 때 말단 장치(30)는 중력가속도 이외의 선형 가속도를 가지지 않는다. 즉, 힘 센서(20)가 측정 위치로 이동된 후 정지 상태에 있는 경우 등을 말한다. In this embodiment, when the force sensor 20 is located at the measurement position, the end device 30 does not have a linear acceleration other than the acceleration of gravity. That is, the case where the force sensor 20 is in the stopped state after moving to the measurement position.

또한, 말단 장치(30)의 가상 질점의 추정은 외부에서 외력이 작용하지 않는 상태에서 이루어진다. 따라서, 힘 센서(20)에 검출되는 힘 신호에는 말단 장치(30)에 의해 발생하는 힘 신호 이외에 다른 힘 신호 정보가 포함되지 않는다. In addition, the estimation of the virtual material point of the terminal device 30 is made in the state in which external force does not apply from the outside. Therefore, the force signal detected by the force sensor 20 does not include force signal information other than the force signal generated by the end device 30.

상기 측정 위치에서 힘 센서(20)에 검출된 힘 신호는 하기 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.The force signal detected by the force sensor 20 at the measurement position may be expressed by Equation 6 below.

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112009048146860-PAT00014
Figure 112009048146860-PAT00014

Figure 112009048146860-PAT00015
Figure 112009048146860-PAT00015

상기 수학식 6에서 회전행렬(Rw)은 측정 위치에서의 힘 센서의 위치 정보를 나타낸다. 회전행렬(R0)은 초기 위치에서의 힘 센서의 위치 정보를 나타낸다. 본 명세서에서 위치 정보란 임의의 절대 좌표계에 대한 힘 센서 좌표계의 회전 정도를 의미한다. Ro Tg(본 실시예에서 Ro Tg=gi이다(도 4 및 도 5 참조))는 힘 센서(20)가 초기 위치에 있을 때, 말단 장치(30)에 가해지는 중력가속도이다. Ro Tg는 힘 센서 좌표계를 기준으로 계산되는 벡터값이다.In Equation 6, the rotation matrix R w represents position information of the force sensor at the measurement position. The rotation matrix R 0 represents position information of the force sensor at the initial position. Position information herein refers to the degree of rotation of the force sensor coordinate system with respect to any absolute coordinate system. R o T g (in this embodiment R o T g = g i (see FIGS. 4 and 5)) is the gravitational acceleration applied to the end device 30 when the force sensor 20 is in its initial position. . R o T g is a vector value calculated from the force sensor coordinate system.

본 실시예에서 상기 회전 행렬(Rw)은 회전 행렬(R0)과는 다른 임의의 회전 행렬이다. 즉, 말단 장치(30)의 가상 질점 정보 추정을 위해서는 힘 센서(20)가 초기 위치와는 다른 위치로 이동되어야 한다. 본 실시예에 따르면, 계산의 편의를 위해 상기 절대 좌표계가 도 4의 초기 위치에서의 센서 좌표계와 일치되도록 하고, 초기의 회전 행렬(R0)을 알고 있다고 가정한다.In this embodiment, the rotation matrix Rw is an arbitrary rotation matrix different from the rotation matrix R 0 . That is, the force sensor 20 needs to be moved to a position different from the initial position for the virtual material information estimation of the terminal device 30. According to the present embodiment, for convenience of calculation, it is assumed that the absolute coordinate system is coincident with the sensor coordinate system at the initial position of FIG. 4 and that the initial rotation matrix R 0 is known.

상기 수학식 6에서 상기 mp는 각각 말단 장치(30)의 질량으로서 스칼라 값이 고, 상기 rp는 센서좌표계의 원점 즉, 힘 센서(20)의 질량 중심에서 말단 장치(30)의 질량 중심(31)를 잇는 벡터이다. 다시 말해서, rp는 센서 좌표계의 원점을 기준으로 질량 중심(31)의 위치를 나타내는 위치 벡터이다. 또한, 상기 힘(f0)과 모멘트(n0)는 측정 위치에서 힘 센서(20)에 검출되는 힘 신호 값이다. In Equation 6, m p is a mass of the end device 30, respectively, and is a scalar value, and r p is the center of mass of the end device 30 at the origin of the sensor coordinate system, that is, the center of mass of the force sensor 20. It is a vector connecting 31. In other words, r p is a position vector indicating the position of the center of mass 31 with respect to the origin of the sensor coordinate system. In addition, the force f 0 and the moment n 0 are force signal values detected by the force sensor 20 at the measurement position.

상기 수학식 6을 이용하면 말단 장치의 질량(mp)는 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.Using Equation 6, the mass (m p ) of the terminal device can be expressed as Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112009048146860-PAT00016
Figure 112009048146860-PAT00016

또한, 위치벡터(rp)는 상기 수학식 2를 이용해 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다. In addition, the position vector r p may be represented by Equation 8 using Equation 2.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112009048146860-PAT00017
Figure 112009048146860-PAT00017

상기와 같은 방법에 의해 측정 위치에서 힘 센서(20)에 검출되는 힘 신호(f0, n0)를 이용하면 말단 장치(30)의 가상 질점 정보 즉, 질량(mp)과 위치 벡터(rp)를 추정할 수 있다. By using the force signals f 0 and n 0 detected by the force sensor 20 at the measurement position by the above method, the virtual material information of the terminal device 30, that is, the mass m p and the position vector r p ) can be estimated.

본 실시예에 따르면, 말단 장치(30)의 가상 질점 정보로서 스칼라 값인 질량(mp)과 벡터값인 위치벡터(rp)가 구해진다. 이러한 질량(mp)과 위치벡터(rp)는 모두 힘 센서 좌표계를 기준으로 추정된 값이므로, 힘 센서 좌표계를 기준으로 할 때 불변하는 값이다. 따라서, 추정된 가상 질점 정보는 말단 장치(30)에 의하여 발생하는 힘 신호 정보를 계산하는데 이용될 수 있다. According to this embodiment, it is a virtual mass point information of the terminal device 30 is a position vector (r p) the scalar value of the mass (m p) and the vector values obtain. Since both the mass (m p ) and the position vector (r p ) are estimated values based on the force sensor coordinate system, the mass (m p ) and the position vector (r p ) are invariant values based on the force sensor coordinate system. Thus, the estimated virtual material information can be used to calculate the force signal information generated by the end device 30.

또한, 본 실시예에 따르면 말단 장치(30)를 초기위치에서 측정위치로 단 한차례 이동시켜서 말단 장치(30)의 가상 질점 정보를 계산할 수 있다는 이점이 있으며, 질량 등의 말단 장치(30)에 대한 사전 정보 없이 말단 장치(30)의 가상 질점 정보를 추정할 수 있다는 이점이 있다. In addition, according to the present embodiment, there is an advantage that the virtual material information of the terminal device 30 can be calculated by moving the terminal device 30 only once from the initial position to the measurement position. There is an advantage that the virtual material information of the end device 30 can be estimated without prior information.

3. 말단 장치에 의한 힘 신호의 계산 및 힘 센서 검출 신호의 보정3. Calculation of force signal by the end device and correction of force sensor detection signal

이하, 상기와 같이 추정된 말단 장치(30)의 가상 질점 정보를 이용하여 힘 센서(20)의 현재 위치에서 현재 위치에서 말단 장치(30)에 의해 발생하는 힘 신호를 계산하고 힘 센서(20)에서 검출된 힘 신호를 보정하는 방법을 설명한다.Hereinafter, using the virtual material information of the terminal device 30 estimated as described above, the force signal generated by the terminal device 30 at the current position at the current position of the force sensor 20 is calculated and the force sensor 20 is calculated. A method of correcting a force signal detected in the following description will be described.

본 실시예에서 힘 센서(20)의 현재 위치에서 말단 장치(30)는 중력가속도 이외의 선형 가속도를 가지지 않는다. In the present embodiment the end device 30 at the current position of the force sensor 20 does not have a linear acceleration other than gravitational acceleration.

상술한 바와 같이, 추정된 말단 장치(30)의 가상 질점 정보는 센서 좌표계에 대하여 불변하는 값이므로, 말단 장치(30)에 의해 발생되는 힘을 상기 수학식 6의 관계를 이용해 하기 수학식 9와 같이 예측할 수 있다. As described above, since the estimated virtual point information of the terminal device 30 is an invariant value with respect to the sensor coordinate system, the force generated by the terminal device 30 is expressed by the following equation 9 using the relationship of Equation 6 above. You can predict it as well.

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112009048146860-PAT00018
Figure 112009048146860-PAT00018

Figure 112009048146860-PAT00019
Figure 112009048146860-PAT00019

여기서, 힘(fp)과 모멘트(np)는 말단 장치(30)의 가상 질점 정보(mp, rp)를 이용해 구해진 말단 장치(30)에 의해 발생하는 힘과 모멘트를 나타낸다. 힘(fp)과 모멘트(np)로 이루어진 힘 신호 정보는 렌치 벡터

Figure 112009048146860-PAT00020
의 형태로 표현될 수 있다.Here, the forces f p and the moment n p represent the forces and moments generated by the terminal device 30 obtained using the virtual material information m p , r p of the terminal device 30. Force signal information consisting of force (f p ) and moment (n p ) is a wrench vector
Figure 112009048146860-PAT00020
It can be expressed in the form of.

상기 수학식 9의 회전행렬(Rw)은 힘 센서의 현재 위치 정보 즉, 현재 상태에서의 절대 좌표계에 대한 힘 센서 좌표계의 회전 정도를 나타낸다. 상기 수학식 9의 회전행렬(Rw)은 말단 장치(30)의 초기 회전 행렬(Ro)를 포함하여, 임의의 회전 행렬이 될 수 있다.The rotation matrix R w of Equation 9 represents the current position information of the force sensor, that is, the degree of rotation of the force sensor coordinate system with respect to the absolute coordinate system in the current state. The rotation matrix R w of Equation 9 may be an arbitrary rotation matrix, including the initial rotation matrix Ro of the terminal device 30.

즉, 말단 장치(30)의 가상 질점을 추정 단계에서는 힘 센서(20)를 초기위치와는 다른 측정 위치로 이동시켜야 하지만, 말단 장치(30)에 의해 발생되는 힘 신호의 계산은 말단 장치(30)의 위치와 상관없이 이루어질 수 있다. That is, in the estimating virtual material point of the end device 30, the force sensor 20 must be moved to a measurement position different from the initial position, but the calculation of the force signal generated by the end device 30 is performed by the end device 30. It can be done regardless of the position of).

하기 수학식 10과 같이 말단 장치(30)에 의해 발생되는 힘 신호(wp)를 힘 센서(20)에 검출되는 힘 신호(w0)에서 제거하면 보정된 힘 신호(w1)를 구할 수 있다. If the force signal w p generated by the end device 30 is removed from the force signal w 0 detected by the force sensor 20 as shown in Equation 10, the corrected force signal w 1 can be obtained. have.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112009048146860-PAT00021
Figure 112009048146860-PAT00021

본 실시예에 따르면, 센서에 의해 상기 회전행렬(Rw)이 실시간으로 계산되어 힘 센서(20)의 현재 위치 정보가 실시간으로 구해진다. 따라서, 실시간으로 구해지는 힘 센서(20)의 현재 위치 정보와 말단 장치(30)의 가상 질점 정보를 이용하여 말단 장치(30)에 의해 발생되는 힘 신호(wp)를 실시간으로 구할 수 있으며, 이를 통해 힘 센서(20) 검출 신호를 실시간으로 보정할 수 있다. According to the present embodiment, the rotation matrix R w is calculated by the sensor in real time, and the current position information of the force sensor 20 is obtained in real time. Therefore, by using the current position information of the force sensor 20 obtained in real time and the virtual quality information of the end device 30, the force signal w p generated by the end device 30 can be obtained in real time. Through this, the force sensor 20 detection signal may be corrected in real time.

4. 작업 물체의 가상 4. Virtual of the work object 질점Quality 정보 추정 Information estimation

만일, 말단 장치(30)에 작업 물체가 결합되지 않는 경우, 상기 힘 신호(w1)가 순수 외력에 의한 힘 신호에 해당된다. 말단 장치(30) 이외에 어떠한 외력도 작용하지 않은 경우 상기 힘 신호(w1)는 0에 근접한 값을 가지게 된다. If the workpiece is not coupled to the end device 30, the force signal w 1 corresponds to a force signal by pure external force. When no external force is applied other than the end device 30, the force signal w 1 has a value close to zero.

그러나, 말단 장치(30)에 작업 물체가 결합되는 경우, 말단 장치(30)에 의한 힘 신호(wp)만이 제거된 힘 신호(w1)에는 작업 물체에 의한 힘 신호 정보가 포함되어 있다. However, when the work object is coupled to the end device 30, the force signal w 1 from which only the force signal w p by the end device 30 is removed includes the force signal information by the work object.

따라서, 본 실시예에서는 말단 장치(30)에 작업 물체가 결합되는 경우, 작업 물체의 가상 질점 정보를 추정하여, 힘 센서(30)의 힘 신호를 다시 보정하는 단계 를 포함한다. 본 실시예에 따른 작업 물체는 힘 센서(30)의 초기화 단계 이후에 상기 힘 센서(30)에 결합된 물체를 의미한다. Therefore, in the present embodiment, when the work object is coupled to the end device 30, the virtual quality information of the work object is estimated to include correcting the force signal of the force sensor 30 again. The working object according to the present embodiment means an object coupled to the force sensor 30 after the initialization step of the force sensor 30.

본 실시예에서 상기 작업 물체의 가상 질점 정보가 추정될 때의 힘 센서(20)의 현재 위치에서 상기 작업 물체는 중력가속도 이외의 선형 가속도를 가지지 않는다. 또한, 작업 물체의 가상 질점 추정은 외부에서 다른 외력이 작용하지 않는 상태에서 수행된다. In the present embodiment, the work object does not have a linear acceleration other than gravity acceleration at the current position of the force sensor 20 when the virtual material information of the work object is estimated. In addition, the virtual material estimation of the work object is performed in the state that no external force is applied from the outside.

상기의 힘 신호(w1)는 하기 수학식 11과 같이 표현할 수 있다. The force signal w 1 may be expressed by Equation 11 below.

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112009048146860-PAT00022
Figure 112009048146860-PAT00022

Figure 112009048146860-PAT00023
Figure 112009048146860-PAT00023

여기서, 수학식 11의 회전행렬(Rw)은 힘 센서의 현재 위치 정보 즉, 상기 절대 좌표계에 대한 힘 센서 좌표계의 회전 정도를 나타낸다. 상기 mm은 작업 물체의 질량을 나타내고, 상기 rm은 센서 좌표계의 원점 즉, 힘 센서(20)의 질량 중심에서 작업 물체의 질량 중심을 잇는 벡터이다. 다시 말해 rm는 센서 좌표계를 기준으로 한 작업 물체의 질량 중심의 위치를 나타내는 위치 벡터이다. 상기 힘(f1)과 모멘트(n1)는 이미 구해져 알고 있는 값이므로, 작업 물체의 가상 질점 정보(mm, rm)는 상기 수학식 11과 상기 수학식 2로부터 하기 수학식 12와 같이 추정할 수 있다. Here, the rotation matrix R w of Equation 11 represents the current position information of the force sensor, that is, the degree of rotation of the force sensor coordinate system with respect to the absolute coordinate system. M m represents the mass of the work object, and r m is a vector connecting the center of mass of the work object at the origin of the sensor coordinate system, that is, the center of mass of the force sensor 20. In other words, r m is a position vector representing the position of the center of mass of the working object with respect to the sensor coordinate system. Since the force (f 1 ) and the moment (n 1 ) is already obtained and known, the virtual matter information (m m , r m ) of the work object is represented by the following equation (12) from the equation (11) and the equation (2). It can be estimated as well.

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112009048146860-PAT00024
Figure 112009048146860-PAT00024

Figure 112009048146860-PAT00025
Figure 112009048146860-PAT00025

상기 작업 물체의 질량(mm)과 위치벡터(rm)는 모두 힘 센서 좌표계를 기준으로 추정된 값이므로, 힘 센서 좌표계를 기준으로 할 때 불변하는 값이며, 이와 같이 추정된 가상 질점 정보는 상기 작업 물체에 의하여 발생하는 힘 신호 정보를 계산하는데 이용될 수 있다. Since both the mass (m m ) and the position vector (r m ) of the work object are values estimated based on the force sensor coordinate system, they are invariant values based on the force sensor coordinate system. It can be used to calculate the force signal information generated by the work object.

본 실시예에 따르면, 작업 물체의 가상 질점 정보를 추정하는 단계는 센서의 초기화를 거치지 않고 작업 물체 결합시 바로 이루어질 수 있어 로봇을 이용한 작업이 효율적으로 이루어질 수 있는 이점이 있다. According to the present embodiment, the step of estimating the virtual quality information of the work object may be performed at the time of combining the work objects without undergoing initialization of the sensor, so that work using the robot may be efficiently performed.

또한, 본 실시예에 따르면, 작업 물체에 대한 질량 등의 사전 정보 없이도 작업 물체의 가상 질점 정보의 추정이 가능하다는 이점이 있다. Further, according to the present embodiment, there is an advantage that the virtual quality information of the work object can be estimated without prior information such as the mass of the work object.

5. 작업 물체에 의한 힘 신호의 계산 및 힘 센서 검출 신호의 보정5. Calculation of force signal by work object and correction of force sensor detection signal

본 실시예에 따르면, 상술한 바와 같이 추정된 작업 물체의 가상 질점 정보 를 이용하여 작업 물체에 의해 발생되는 힘 신호를 구한다. 또한, 구해진 작업 물체에 의한 힘 신호를 이용해 힘 센서(20)에서 검출되어 보정된 힘 신호(w1)를 보정한다. According to the present embodiment, the force signal generated by the work object is obtained by using the virtual quality information of the work object estimated as described above. In addition, correcting the signal using the power calculated by the working object is detected by the force sensor 20 is corrected power signal (w 1).

상술한 바와 같이, 추정된 작업 물체의 가상 질점 정보는 센서 좌표계에 대서 불변하는 값이다. 본 실시예에서 상기 작업 물체의 가상 질점 정보가 추정될 때의 힘 센서(20)의 현재 위치에서 상기 작업 물체는 중력가속도 이외의 선형 가속도를 가지지 않는다. As described above, the estimated virtual quality information of the work object is a value that is invariant with respect to the sensor coordinate system. In the present embodiment, the work object does not have a linear acceleration other than gravity acceleration at the current position of the force sensor 20 when the virtual material information of the work object is estimated.

따라서, 말단 장치(30)에 상기 작업 물체가 결합된 현재 상태에서 상기 작업 물체에 의해 발생되는 힘을 상기 수학식 11의 관계를 이용하여 하기 수학식 13과 같이 예측할 수 있다. Therefore, the force generated by the work object in the current state in which the work object is coupled to the end device 30 can be predicted as in Equation 13 below using the relationship of Equation 11.

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112009048146860-PAT00026
Figure 112009048146860-PAT00026

Figure 112009048146860-PAT00027
Figure 112009048146860-PAT00027

여기서, 힘(fm)과 모멘트(nm)는 상술한 작업 물체의 가상 질점 추정 단계에서 추정된 작업 물체의 가상 질점 정보(mm, rm)로부터 예측된 작업 물체에 의해 발생하는 힘과 모멘트를 나타내며, 이들로 구성된 힘 신호는 렌치 벡터

Figure 112009048146860-PAT00028
의 형태로 나타낼 수 있다. 이 때, 수학식 13의 회전행 렬(Rw)은 힘 센서의 현재 위치 정보 즉, 절대 좌표계에 대한 힘 센서 좌표계의 회전 정도를 나타낸다. 수학식 13의 회전행렬(Rw)은 말단 장치(30)의 초기 회전 행렬(Ro)를 포함하는 임의의 회전 행렬이 될 수 있다. Here, the force (f m ) and the moment (n m ) is the force generated by the work object predicted from the virtual material information (m m , r m ) of the work object estimated in the above-described virtual quality estimation step of the work object. Moment, and the force signal consisting of these wrench vectors
Figure 112009048146860-PAT00028
It can be represented in the form of. At this time, the rotation matrix R w of Equation 13 represents the current position information of the force sensor, that is, the degree of rotation of the force sensor coordinate system with respect to the absolute coordinate system. The rotation matrix R w of Equation 13 may be any rotation matrix including the initial rotation matrix Ro of the terminal device 30.

작업 물체에 의해 발생되는 힘 신호(wm)를 힘 센서(20)에 의해 측정되어 보정된 힘 신호(w1)에서 제거하면 순수 외력에 의한 힘 신호(w2)를 구할 수 있으며, 그 관계는 하기 수학식 14와 같이 표현할 수 있다. By removing the force signal w m generated by the work object from the corrected force signal w 1 measured by the force sensor 20, the force signal w 2 by pure external force can be obtained. Can be expressed as in Equation 14 below.

[수학식 14][Equation 14]

Figure 112009048146860-PAT00029
Figure 112009048146860-PAT00029

여기서, 힘 신호(w2)는 렌치 벡터

Figure 112009048146860-PAT00030
의 형태로 표현될 수 있으며, 순수 외력에 의한 힘 신호 정보만을 포함한다. Where the force signal (w 2 ) is the wrench vector
Figure 112009048146860-PAT00030
It can be expressed in the form of, and includes only the force signal information by the pure external force.

이상과 같이 살펴본 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 초기화를 거친 힘 센서(20)에서 검출되는 힘 신호를 보정하기 위해서, 가상 질점 정보를 이용하여 말단 장치(30)에 의해 발생되는 힘 신호와 작업 물체에 의해 발생되는 힘 신호를 구분하여 계산해 내고, 이를 힘센서(20)에서 검출되는 힘 신호로부터 각각 제거한다.As described above, according to the present embodiment, in order to correct the force signal detected by the force sensor 20 which has been initialized, the force signal and the work generated by the terminal device 30 using the virtual quality information are used. The force signals generated by the object are classified and calculated, and each is removed from the force signals detected by the force sensor 20.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 센서를 이용해 상기 회전행렬(Rw)을 실시간으로 계산하여 힘 센서(20)의 현재 위치 정보를 실시간으로 구한다. 따라서, 힘 센서(20)의 현재 위치 정보와 상기 작업 물체의 가상 질점 정보를 이용하여 작업 물체에 의해 발생되는 힘 신호(wm)를 실시간으로 구할 수 있으며, 이를 통해 힘 센서(20) 검출 신호를 실시간으로 보정할 수 있게 된다. As described above, according to the present embodiment, the rotation matrix R w is calculated in real time using a sensor to obtain the current position information of the force sensor 20 in real time. Therefore, the force signal w m generated by the work object can be obtained in real time using the current position information of the force sensor 20 and the virtual quality information of the work object, and through this, the force sensor 20 detection signal can be obtained. Can be corrected in real time.

6. 관성 힘이 발생하는 동작이 있는 경우의 추정 및 보정6. Estimation and correction when there is motion that generates inertial force

이제까지 말단 장치 또는 작업 물체가 이동시 가속도를 가지지 않는다는 가정하에 가상 질점의 추정과 힘 신호의 보정에 대해 설명하였다. 즉, 상술한 말단 장치 또는 작업 물체에 의해 발생하는 힘은 중력에 의한 힘이다. So far, the estimation of the virtual mass point and the correction of the force signal have been described under the assumption that the end device or the workpiece does not have acceleration during movement. That is, the force generated by the end device or the work object described above is a force by gravity.

그러나, 로봇이 빠르게 움직이고 있을 때, 작업 및 충동 등에 의한 외력이 발생할 확률이 더 높다. 따라서, 로봇이 빠르게 움직일 때, 즉, 가속도가 발생하여 관성력이 작용하게 될 때도 추정과 보정이 가능하여야 한다. However, when the robot is moving fast, the probability of external force due to work and impulse is higher. Therefore, estimation and correction should be possible even when the robot moves fast, that is, when acceleration occurs and an inertial force is applied.

말단 장치 및 작업 물체의 선형 가속도를 avm으로 나타낼 때, 말단 장치 및/또는 작업 물체가 가지는 가속도(a)는 하기 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다. When the linear acceleration of the end device and the work object is represented by a vm , the acceleration a of the end device and / or the work object may be expressed by Equation 15 below.

[수학식 15][Equation 15]

Figure 112009048146860-PAT00031
Figure 112009048146860-PAT00031

여기서 가속도(a, g, avm)는 센서 좌표계의 중심으로 기준으로 한 벡터이다. Here, the accelerations a, g and a vm are vectors with reference to the center of the sensor coordinate system.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 수학식 6 내지 14 에서 중력가속도(g)를 가속도(a)로 치환하여 가상 질점 정보의 추정 및 힘 센서 검출 신호 보정 과정을 수행한다. 본 실시예에 따르면 중력에 의한 간접적인 힘 신호 정보 뿐만 아니라, 관성력에 의한 간접적인 힘 신호 정보를 반영하여 가상 질점 정보의 추정 및 힘 센서 검출 신호 보정 과정을 수행할 수 있게 된다. Therefore, according to another embodiment of the present invention, the gravity acceleration (g) is replaced with the acceleration (a) in Equations 6 to 14 to perform the process of estimating virtual material information and correcting the force sensor detection signal. According to this embodiment, not only the indirect force signal information due to gravity but also the indirect force signal information due to the inertial force can be performed to estimate the virtual material information and to correct the force sensor detection signal.

예를 들어, 말단 장치(30)의 가상 질점의 추정 및 보정에 관하여, 상기 수학식 6에서 힘에 관한 식은 하기 수학식 16과 같이 변경되고, For example, with respect to the estimation and correction of the virtual material point of the terminal device 30, the equation for the force in the equation (6) is changed to the following equation (16),

[수학식 16][Equation 16]

Figure 112009048146860-PAT00032
Figure 112009048146860-PAT00032

상기 수학식 7은 하기 수학식 17과 같이 변경된다. Equation 7 is changed to Equation 17 below.

[수학식 17][Equation 17]

Figure 112009048146860-PAT00033
Figure 112009048146860-PAT00033

즉, 말단 장치(30)의 가상 질점 정보는, 상기 측정 위치에서의 말단 장치(30)의 가속도(a)와, 상기 측정 위치에서 상기 힘 센서에 검출되는 힘 신호(w0)를 이용하여 추정할 수 있다. That is, the virtual quality information of the terminal device 30 is estimated using the acceleration a of the terminal device 30 at the measuring position and the force signal w 0 detected by the force sensor at the measuring position. can do.

또한, 상기 수학식 9에서 힘에 관한 식은 하기 수학식 18과 같이 변경된다In addition, in Equation 9, an equation relating to a force is changed to Equation 18 below.

[수학식 18]Equation 18

Figure 112009048146860-PAT00034
Figure 112009048146860-PAT00034

즉, 말단 장치(30)에 의해 발생하는 힘 신호는 힘 센서(20)의 현재 위치 정 보(Rw), 말단 장치(30)의 가상 질점 정보(mp) 및, 현재 위치에서의 말단 장치(30)의 가속도(a)를 이용하여 구할 수 있다.That is, the force signal generated by the end device 30 is the current position information (R w ) of the force sensor 20, the virtual material information (m p ) of the end device 30, and the end device at the current position It can obtain | require using the acceleration (a) of (30).

한편, 작업 물체의 가상 질점의 추정 및 보정에 관하여, 상기 수학식 11 중 힘에 관한 식은 하기 수학식 19와 같이 변경되고, On the other hand, with respect to the estimation and correction of the virtual material point of the work object, the equation of the force in the equation (11) is changed to the following equation (19),

[수학식 19][Equation 19]

Figure 112009048146860-PAT00035
Figure 112009048146860-PAT00035

상기 수학식 12 중 질량에 관한 식은 하기 수학식 20과 같이 변경된다. The equation regarding the mass in Equation 12 is changed as in Equation 20 below.

[수학식 20][Equation 20]

Figure 112009048146860-PAT00036
Figure 112009048146860-PAT00036

즉, 상기 작업 물체의 가상 질점 정보는, 말단 장치의 가속도(a)와, 힘 센서(20)에 검출되어 보정된 힘 신호(f1)를 이용하여 추정할 수 있다. That is, the virtual matter information of the work object can be estimated using the acceleration a of the terminal device and the force signal f 1 detected and corrected by the force sensor 20.

또한, 상기 수학식 13 중 힘에 관한 식은 하기 수학식 21과 같이 변경된다. In addition, the equation of the force in the equation (13) is changed to the following equation (21).

[수학식 21][Equation 21]

Figure 112009048146860-PAT00037
Figure 112009048146860-PAT00037

즉, 상기 작업 물체에 의해 발생하는 힘 신호(wm)는 힘 센서(20)의 현재 위치 정보(Rw), 상기 작업 물체의 가상 질점 정보(mm) 및, 현재 위치에서의 상기 작업 물체의 가속도(a)를 이용하여 구할 수 있다. That is, the force signal w m generated by the work object includes current position information R w of the force sensor 20, virtual material point information m m of the work object, and the work object at the current position. It can be obtained using the acceleration (a) of.

선형 가속도(avm)는 말단 장치 및 작업 물체의 선형 가속도를 말하며. 이러한 말단 장치 및 작업 물체의 상기 선형 가속도를 정밀하게 측정하기 위해서 가속도계 등 센서를 사용될 수도 있다. Linear acceleration (a vm ) refers to the linear acceleration of the end device and the workpiece. Sensors such as accelerometers may be used to precisely measure the linear acceleration of such end devices and work objects.

본 실시예에 따르면 로봇의 움직임의 속도에 상관없이 말단 장치 및 작업 물체에 의해 생성되는 내부의 간접적인 힘 신호를 힘 센서(20) 검출 신호로부터 제거할 수 있는 효과가 있다. 즉, 본 발명의 힘 센서 검출 신호 보정 방법에 따르면 로봇이 정지해 있는지 아니면 가속도를 가지고 움직이는지에 관계 없이 힘 센서에서 검출된 신호를 적절히 보정하여 순외력을 측정할 수 있는 것이다. According to this embodiment, there is an effect that the internal indirect force signal generated by the end device and the work object can be removed from the force sensor 20 detection signal regardless of the speed of the movement of the robot. That is, according to the force sensor detection signal correction method of the present invention, the external force can be measured by properly correcting the signal detected by the force sensor regardless of whether the robot is stationary or moving with acceleration.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서 검출 신호 보정 방법의 흐름을 도시한 순서도이다. 1 is a flow chart showing the flow of a force sensor detection signal correction method according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서 검출 신호를 보정하기 위한 가상 질점 추정의 개념을 나타내는 개념도이다.2 is a conceptual diagram illustrating the concept of virtual material estimation for correcting a force sensor detection signal according to an embodiment of the present invention.

도 3은 렌치 벡터 모델을 가상 질점 모델로 변형하는 개념을 나타내는 개념도이다. 3 is a conceptual diagram illustrating a concept of transforming a wrench vector model into a virtual material model.

도 4는 초기화시 말단 장치에 의해 발생하는 힘을 나타내는 개념도이다. 4 is a conceptual diagram showing the force generated by the end device during initialization.

도 5는 측정 위치에서 말단 장치에 의해 발생하는 힘을 나타내는 개념도이다. 5 is a conceptual diagram showing the force generated by the end device at the measurement position.

Claims (9)

힘 센서에 검출되는 힘 신호를 보정하여 순외력을 측정하기 위한 힘 센서 검출 신호 보정 방법으로서,A force sensor detection signal correction method for measuring a net external force by correcting a force signal detected by a force sensor, 초기 위치에 있는 상기 힘 센서를 초기화하는 단계(S1);Initializing the force sensor in an initial position (S1); 상기 힘 센서에 결합된 말단 장치의 질량 및 질량중심의 위치 정보를 추정하는 단계(S2);Estimating location information of the mass and the center of mass of the end device coupled to the force sensor (S2); 상기 말단 장치의 질량 및 질량중심의 위치 정보를 이용하여 상기 말단 장치에 의해 발생하는 힘 신호를 구하는 단계(S3);Obtaining a force signal generated by the terminal device by using the mass information of the terminal device and the location of the center of mass (S3); 상기 단계(S3)에서 구해진 상기 말단 장치에 의한 힘 신호를 이용하여 상기 힘 센서에서 검출된 힘 신호를 보정하는 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 센서 검출 신호 보정 방법.And (S4) correcting the force signal detected by the force sensor using the force signal obtained by the end device obtained in the step (S3). 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 말단 장치에 작업 물체를 결합하는 단계(S5);Coupling a work object to the end device (S5); 상기 작업 물체의 질량 및 질량중심의 위치 정보를 추정하는 단계(S6);Estimating location information of the mass and the center of mass of the working object (S6); 상기 작업 물체의 질량 및 질량중심의 위치 정보를 이용하여 상기 작업 물체에 의해 발생하는 힘 신호를 구하는 단계(S7);Obtaining a force signal generated by the work object using the mass information of the work object and the position of the center of mass (S7); 상기 단계(S7)에서 구해진 상기 작업 물체에 의한 힘 신호를 이용해 상기 단계(S4)에서 보정된 힘 신호를 보정하는 단계(S8)를 더 포함하는 것을 특징으로 하 는 힘 센서 검출 신호 보정 방법.And (S8) correcting the force signal corrected in the step (S4) using the force signal by the work object obtained in the step (S7). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 단계(S2)는, The step (S2), 상기 초기 위치에서 상기 센서를 측정 위치로 한차례 이동시켰을 때 상기 힘 센서에 검출되는 힘 신호를 이용해 이루어지는 것을 특징으로 하는 힘 센서 검출 신호 보정 방법.And a force signal detected by the force sensor when the sensor is moved once from the initial position to the measurement position. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 단계(S2)의 상기 측정 위치에서 상기 말단 장치는 선형 가속도를 가지는 것을 특징으로 하는 힘 센서 검출 신호 보정 방법.And the end device at the measurement position of step (S2) has a linear acceleration. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 단계(S3)의 상기 말단 장치에 의해 발생하는 힘 신호는, 실시간으로 구해지는 상기 힘 센서의 현재 위치의 정보를 이용하여 실시간으로 구해지고, The force signal generated by the end device of the step (S3) is obtained in real time using the information of the current position of the force sensor obtained in real time, 상기 단계(S4)는 상기 단계(S3)에서 구해진 상기 말단 장치에 의한 힘 신호를 이용하여 실시간으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 힘 센서 검출 신호 보정 방법.And said step (S4) is made in real time using the force signal by said end device obtained in said step (S3). 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 단계(S3)의 상기 힘 센서의 현재 위치에서 상기 말단 장치는 선형 가속도를 가지는 것을 특징으로 하는 힘 센서 검출 신호 보정 방법.And the end device at the current position of the force sensor of step (S3) has a linear acceleration. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 단계(S6)는,The step (S6), 추정시의 상기 힘 센서의 현재 위치에서 상기 힘 센서에 검출되어 상기 단계(S4)에서 보정된 힘 신호를 이용해 이루어지는 것을 특징으로 하는 힘 센서 검출 신호 보정 방법.And a force signal detected by the force sensor at the current position of the force sensor at the time of estimation and corrected in the step (S4). 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 단계(S7)의 상기 작업 물체에 의해 발생하는 힘 신호는, 실시간으로 구해지는 상기 힘 센서의 현재 위치의 정보를 이용하여 실시간으로 구해지고,The force signal generated by the work object in the step S7 is obtained in real time using the information of the current position of the force sensor obtained in real time, 상기 단계(S8)는 상기 단계(S7)에서 구해진 상기 작업 물체에 의한 힘 신호를 이용하여 실시간으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 힘 센서 검출 신호 보정 방법.And said step (S8) is made in real time using the force signal by said work object obtained in said step (S7). 제8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 단계(S6) 또는 상기 단계(S7)의 상기 힘 센서의 현재 위치에서 상기 작업 물체는 선형 가속도를 가지는 것을 특징으로 하는 힘 센서 검출 신호 보정 방법.And the working object has a linear acceleration at the current position of the force sensor in step S6 or step S7.
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