KR20110046767A - 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그 및 이를 이용한 캘리브레이션 방법 - Google Patents

로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그 및 이를 이용한 캘리브레이션 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그에 관한 것으로서, 하나의 정점을 갖는 원뿔 형태의 입설부를 갖는 것을 특징으로 한다. 그리고, 본 발명은 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 관한 것으로서, 상기 기재된 지그를 이용하여 로봇의 로봇 툴과 로봇 툴의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템 간의 위치를 캘리브레이션하기 위한 방법으로서, 로봇 툴을 지그의 정점에 위치시키고, 레이저 비전 시스템으로 지그를 측정하는 단계와; 상기 로봇 툴을 x 방향으로 이동시키면서 레이저 비전 시스템에서 조사되는 레이저가 지그의 정점 통과 전, 통과 시 및 통과 후의 로봇 툴의 위치에서 레이저 비전 시스템으로 지그를 각각 측정하는 단계와; 상기 레이저 비전 시스템으로 측정한 지그 영상들을 이용하여 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 위치 정보를 산출하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 과정을 자동화함으로써 신뢰성을 향상시킬 수 있고 시간을 절약하여 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
로봇, 레이저 비전 시스템, 엘브이에스, 캘리브레이션, 원뿔

Description

로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그 및 이를 이용한 캘리브레이션 방법{JIG FOR CALIBRATION OF ROBOT AND LASER VISION SYSTEM, AND CALIBRATION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션에 관한 것으로서, 특히 로봇의 로봇 툴과 로봇 툴의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템(LVS: Laser Vision System) 간의 캘리브레이션을 위한 지그 및 이를 이용한 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 용접용 로봇에는 레이저 비전 시스템이 로봇 툴에 고정되어 사용된다. 그런데, 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 위치 관계는 상당 부분 일정하게 유지되지만, 용접 봉의 소모, 충격이나 열로 인한 장착 위치의 변형 등으로 인한 미세한 변화가 필연적으로 존재하게 된다. 따라서, 보다 정밀한 용접을 위해서는 빈번하게 캘리브레이션을 수행하여야만 한다. 캘리브레이션은 로봇의 기준 좌표계와 레이저 비전 시스템의 기준 좌표계 간의 병진(Translation)과 회전(Rotation)을 찾아내는 것인데, 레이저 비전 시스템을 사용하기 위해서는 반드시 선행되어야 한다.
도 1은 로봇의 로봇 툴과 로봇 툴의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션을 설명하기 위한 개념도이다. 로봇(10)의 로봇 툴(11)의 측면에 브래킷(12)이 개재되어 장착되는 레이저 비전 시스템(20)은 측정된 영상을 분석하고 특이점을 추출하여, 특이점의 3차원 위치를 로봇(10)에 전달하여 준다. 이 때 특이점의 위치 정보(x, y, z)는 레이저 비전 시스템(20)에 고정된 TLVS좌표계를 기준으로 측정(LVSP)되게 되는데, 측정된 위치 정보를 이용하기 위해서는 좌표 변환을 통해 로봇(10)이 사용하는 좌표계 기준으로 변환(BaseP)시켜 주어야 한다. 로봇(10)은 기준 좌표계인 TBase에 대한 TTCP의 위치 관계(BaseTTCP)를 알고 있으므로, 사용자는 TTCP와 TLVS간 위치 관계(TCPTLVS)를 계측 장비나 계측 알고리즘을 이용하여 미리 측정해 두어야 한다. TCPTLVS를 계산하는 과정을 로봇(10)-레이저 비전 시스템(20)간의 캘리브레이션이라고 한다. 즉, 두 좌표계간의 위치 관계를 표현하기 위해서는 좌표계의 원점 간의 거리(x, y, z)와 좌표축간 회전 각도(Roll, Pitch, Yaw)의 총 6개의 정보를 구하는 과정을 캘리브레이션이라고 한다. 이러한 과정은 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009066423914-PAT00001
(여기에서 BaseTTCP는 로봇의 기준 좌표계와 로봇 툴 좌표계간의 동차변환 행렬, TCPTLVS는 로봇 툴 좌표계와 레이저 비전 시스템 좌표계 간의 동차변환 행렬, LVSp는 레이저 비전 좌표계에서 본 측정 점의 위치, Basep는 로봇 기준 좌표계에서 본 측정 점의 위치)
한편, 종래에는 캘리브레이션의 효율성을 높이기 위해 장착 위치를 정밀하게 가공하거나, 특정 로봇 자세를 이용하는 등, 측정이 필요한 위치 정보의 수를 줄이는 방법들이 사용되었다. 그렇지만, 반드시 사람에 의한 실측 과정이 포함됨으로써 오차의 요인을 포함하고 있었다. 또한, 종래의 캘리브레이션 방법은 캘리브레이션을 위해 실측이 필요한 위치 정보의 수가 많고, 캘리브레이션 전체 과정이 사용자에 의해 수행되었다. 따라서 사용자의 숙련도에 따라 측정 오차가 발생할 우려가 있을 뿐만 아니라 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 과정을 자동화하여 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 된 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그 및 이를 이용한 캘리브레이션 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그는, 로봇의 로봇 툴과 로봇 툴의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템 간의 위치를 캘리브레이션하기 위한 지그로서, 하나의 정점을 갖는 원뿔 형태의 입설부를 갖는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 입설부의 하부에 입설부를 받치기 위한 받침부를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 입설부의 수직 단면 형상이 이등변 삼각형인 것이 바람직하다. 이때, 상기 이등변 삼각형의 각도(α)는 레이저 비전 시스템의 레이저의 투사 각도(θLaser)와, 레이저 비전 시스템이 장착될 Pitch 각도(θPitch)에 의존하되, 이등변 삼각형의 각도(α)는 투사 각도(θLaser)와 Pitch 각도(θPitch)의 합보다 큰 것이 바람직하고, 구체적으로 상기 이등변 삼각형의 각도(α)는 55°~ 65°인 것이 바람직하다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법은, 상기 기재된 지그를 이용하여 로봇의 로봇 툴과 로봇 툴의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템 간의 위치를 캘리브레이션하기 위한 방법으로서, 로봇 툴을 지그의 정점에 위치시키고, 레이저 비전 시스템으로 지그를 측정하는 단계와; 상기 로봇 툴을 x 방향으로 이동시키면서 레이저 비전 시스템에서 조사되는 레이저가 지그의 정점 통과 전, 통과 시 및 통과 후의 로봇 툴의 위치에서 레이저 비전 시스템으로 지그를 각각 측정하는 단계와; 상기 레이저 비전 시스템으로 측정한 지그 영상들을 이용하여 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 위치 정보를 산출하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 로봇 툴의 z축은 지면의 수직 방향을 향하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 지그의 입설부의 크기는 레이저 비전 시스템의 측정 영역과 로봇 툴이 지그의 정점 위치시의 로봇 툴의 x성분과 레이저 비전 시스템에서 조사되는 레이저가 지그의 정점 통과 시의 로봇 툴의 x성분의 차인 선행 측정거리에 따라 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 산출하는 단계는, 상기 레이저 비전 시스템으로 측정한 로봇 툴의 위치에 따른 레이저 스트립의 위치와 지그 영상들에 기록된 포물선 형태의 레이저 선을 통해 추출한 특이점들 (p1,p2,p3,p4,p5)의 좌표값들을 이용하여 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 병진 거리 및 회전 각도를 포함하는 위치 정보를 산출하 는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 회전 각도를 알고 있는 경우의 병진 거리는,
다음식
Figure 112009066423914-PAT00002
(여기에서 TCPRLVS는 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 회전에 의한 동차변환 행렬, TCPTLaser는 로봇 툴과 레이저의 투사 기준 좌표계 간의 동차변환 행렬, LaserTLVS는 레이저의 투사 기준 좌표계와 레이저 비전 시스템 간의 동차변환 행렬, TCPTLVS는 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 좌표계 변환을 위한 동차변환 행렬, LAD(선행 측정거리)는 로봇 툴이 지그의 정점 위치시의 로봇 툴의 x성분과 레이저 비전 시스템에서 조사되는 레이저가 지그의 정점 통과 시의 로봇 툴의 x성분의 차, xL, yL, zL,는 레이저 비전 시스템이 측정한 지그 정점의 좌표 값(LVSp))에 의해 구해진 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 동차변환 행렬을 통해 산출할 수가 있다.
만약, 상기 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 회전 각도는,
상기 특이점들(p1,p2,p3,p4,p5)을 연결하여 형성된 삼각형 좌표들(p2,p3,p4)을 이용해서 각 축별 회전 변환을 순차적으로 추출하여 산출할 수가 있다.
또한, 좀 더 바람직하게는 상기 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 회전 각도는, 다음식
Figure 112009066423914-PAT00003
(여기에서, TTCP는 로봇 툴의 이전 좌표계, TTCP'는 TTIP를 TTIP (지그의 좌표계)의 x축을 기준으로 θ1만큼 회전시킨 로봇 툴의 좌표계)
에 의해 Roll 각도를 측정하고, TTCP를 TTCP'과 일치시킨 후,
다음식
Figure 112009066423914-PAT00004
(여기에서, TTCP는 Roll 각도가 보정된 로봇 툴의 이전 좌표계, TTCP''는 TTCP를 T TIP(지그의 좌표계)의 -y축을 기준으로 θ2만큼 회전시킨 로봇 툴의 좌표계)
에 의해 Pitch 각도를 측정하고, TTCP를 TTCP''과 일치시킨 후,
다음식
Figure 112009066423914-PAT00005
(여기에서, TTCP는 Roll과 Pitch 각도가 보정된 로봇 툴의 이전 좌표계, TTCP''' 는 TTCP를 TTIP (지그의 좌표계)의 z축을 기준으로 θ3만큼 회전시킨 로봇 툴의 좌표계)
에 의해 Yaw 각도를 측정하고, TTCP를 TTCP'''과 일치시킨 후,
Figure 112009066423914-PAT00006
(여기에서 TIPTTCP는 지그의 정점 좌표계와 로봇 툴 좌표계 간의 동차변환 행렬, TIPRTCP는 지그의 정점 좌표계와 로봇 툴 좌표계 간의 회전 각도에 의한 동차변환 행렬, LVSRTCP는 레이저 비전 시스템의 좌표계와 로봇 툴 좌표계 간의 회전 각도에 의한 동차변환 행렬)
에 의해 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 회전 각도를 산출할 수가 있다.
본 발명에 따르면, 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 과정을 자 동화함으로써 신뢰성을 향상시킬 수 있고 시간을 절약하여 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그를 보여주는 사시도, 도 3은 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그를 설명하기 위한 개념도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그(100)는 로봇(10)의 로봇 툴(11)과 로봇 툴(11)의 측면에 레이저 비전 시스템(20) 간의 위치를 캘리브레이션하기 위한 지그로서, 하나의 정점(Tip)을 갖는 원뿔 형태의 입설부(110) 및 상기 입설부(110)의 하부에 입설부(110)를 받치기 위한 받침부(120)를 포함하여 이루어진다. 원뿔 형태인 입설부(110)를 경사지게 절단할 경우, 그 절단면은 포물선(Parabola Arc)의 형태를 가진다. 따라서 레이저 비전 시스템을 이용하여 지그(100)를 측정하게 되면 포물선 형태의 영상을 측정할 수가 있다.
원뿔 형태의 지그(100)를 사용하게 되면 다음과 같은 장점이 있다. 첫째로는, 레이저 비전 시스템이 평면에 평행하게 이동하면서 측정할 경우, 그 이동방향과 지그(100)와의 각도에 상관없이 동일한 이미지를 얻을 수 있는 장점이 있다. 따라서 지그(100)의 위치를 자유롭게 결정할 수 있게 되어 캘리브레이션 과정의 자동화에 유리하다. 둘째로는, 레이저 비전 시스템을 이용하여 지그(100)의 정점을 측 정하기 용이한 장점이 있다. 즉, 레이저 비전 시스템을 한 방향으로 이동하면서 측정함으로써, 로봇 툴의 끝과 레이저 비전 시스템간의 x, y, z 거리를 쉽게 계산할 수가 있는 것이다. 마지막으로는, 원뿔 형태인 지그(100)의 기하학적인 특징을 통해, 레이저 비전 시스템의 3차원 회전각도를 계산해 낼 수 있는 장점이 있다. 레이저 비전 시스템을 통해 지그(100)를 측정할 경우, 측정된 이미지는 포물선을 그린다. 만약 레이저 비전 시스템이 회전 각도를 가질 경우, 측정된 이미지는 비대칭이 된다. 그 이미지를 분석하여 각 특이점을 추출하여 얻어진 좌표 값으로부터 레이저 비전 시스템의 3차원 회전 각도들을 계산해 낼 수 있게 되는 것이다.
상술한 원뿔 형태의 지그(100)의 장점들을 이용하면 캘리브레이션의 전 과정을 자동화 할 수가 있는 것이다.
한편, 상기 입설부(110)의 수직 단면 형상은 도 3에 도시한 바와 같이 이등변 삼각형인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 이등변 삼각형의 각도(α)는 레이저 비전 시스템(20)의 레이저(21)의 투사 각도(θLaser)와, 레이저 비전 시스템(20)이 장착될 Pitch 각도(θPitch)에 의존하는데, 이등변 삼각형의 각도(α)는 투사 각도(θLaser)와 Pitch 각도(θPitch)의 합보다 커서 모든 경사면을 측정할 수 있는 것이 바람직하다. 일반적으로, 상기 이등변 삼각형의 각도(α)는 55°~ 65°인 정도이면 충분하다.
추가적으로, 도 4~7을 참조하여, 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용지그(100)의 크기와 각도에 대해서 설명하기로 한다.
지그(100)의 크기는 레이저 비전 시스템(20)의 W.D(Working Distance: 작동 거리)와 F.O.V(Field of View: 시야 범위)에 의존하여 결정되고, 또한 W.D와 F.O.V는 레이저 비전 시스템(20)의 내부 카메라의 화각에 따라 결정된다. 지그(100)의 크기가 만족해야 할 구속조건은 다음과 같이 레이저 비전 시스템(20)의 F.O.V 내에 지그(100)가 완전히 측정되어야 한다는 것이다.
Figure 112009066423914-PAT00007
만약 선행 측정거리(LAD:Look Ahead Distance)가 너무 작아서 로봇(10)의 툴(11)이 지그(100)의 정점에 위치하였을 때 레이저 스트립이 지그(100)의 정점에 위치하는 경우에는 측정 영상의 수가 줄어들어 정밀도가 떨어질 수 있는데, R을 조절할 수 있다.
한편, 특정 상황에서 레이저 비전 시스템(20)를 로봇(10)에 일정 크기의 각도를 갖도록 장착하는 경우가 있다. 이 경우에는 VTCP(Virtual Tool Center Point)를 정의하여 해결할 수 있는데, VTCP는 가상의 TCP 좌표계이다.
VTCP 좌표계는 레이저 비전 시스템(20)의 좌표계와 근사적으로 평행하다. VTCP를 사용하는 방법은 선행 동차변환(Pre-Homogeneous Transform)을 사용해서 종래의 방법에서 사용되는 모든 TCP 좌표계의 값들을 VTCP 좌표계의 값으로 사용하면 된다.
VTCP 좌표계와 TCP 좌표계 간의 동차변환(TCPTVTCP)은 사용자가 레이저 비전 시스템(20)의 장착 위치를 결정할 때 주어진다. 이러한 과정은 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009066423914-PAT00008
도 8은 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 로봇 툴을 지그의 정점에 위치시킨 상태를 보여주는 사시도, 도 9는 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 로봇 툴을 이동시키면서 지그를 측정하는 상태를 보여주는 개념도, 도 10은 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 로봇 툴의 이동 시 지그 측정 이미지의 변화를 보여주는 상태도, 도 11은 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 캘리브레이션 시 각 좌표계 간의 관계를 설명하기 위한 개념도, 도 12는 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 레이저 비전 시스템의 회전 시 측정 이미지의 변화를 보여주는 상태도, 도 13은 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 Roll 각도의 보정을 설명하기 위한 상태도, 도 14는 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 Pitch 각도의 측정을 설명하기 위한 개념도, 도 15는 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 Yaw 각도의 측정을 설명하기 위한 상태도이다.
도면을 참조하여 상술한 지그(100)를 이용하여 로봇(10)의 로봇 툴(11)과 로봇 툴(11)의 측면에 브래킷(12)이 개재되어 장착되는 레이저 비전 시스템(20) 간의 위치를 캘리브레이션하기 위한 방법을 살펴보면, 먼저 캘리브레이션을 위해 로봇 툴(11)을 지그(100)의 정점에 위치시키고, 레이저 비전 시스템(20)으로 지그(100)를 측정한다. 이 때, 상기 로봇 툴(11)의 z축은 지면의 수직 방향을 향해야 한다. 그리고, 로봇 툴(11)의 좌표인 TTCP를 기록하여야 하는데, 로봇 툴(11)에 터치 센서의 기능이 포함되어 있을 경우 그 기능을 사용하면 정밀하게 측정해 낼 수 있다. 로봇 툴(11)을 지그(100)의 정점에 위치시키는 것은 사용자가 해주어야 한다. 지그(100)의 정점에는 TTip좌표가 위치한다. 이 좌표는 지그(100)에 고정된 좌표로써 초기 측정 위치에서는 TTCP와 일치한다.
이어서, 상기 로봇 툴을 -x 방향으로 이동시키면서 레이저 비전 시스템(20)에서 조사되는 레이저(21)가 지그(100)의 정점 통과 전, 통과 시 및 통과 후의 로봇 툴(11)의 위치에서 레이저 비전 시스템(20)으로 지그(100)를 각각 측정한다. 이때, 로봇(10)이 이동함과 동시에 레이저 비전 시스템(20)에 의해 측정이 진행되므로 지그(100)의 정확한 위치를 몰라도 지그(100)의 정점을 찾을 수가 있다.
측정된 지그(100)의 이미지에는 도 10에 도시한 바와 같이 포물선 형태의 레이저 선이 기록되게 된다. 도 9,10에서 ⓐ는 지그(100)의 정점에 로봇 툴(11)이 위치한 상태이고, ⓑ는 레이저 비전 시스템(20)의 레이저(21)가 지그(100)의 정점을 통과하기 전의 상태이고, ⓒ는 레이저 비전 시스템(20)의 레이저(21)가 지그(100) 의 정점을 통과할 때의 상태이고, ⓓ는 레이저 비전 시스템(20)의 레이저(21)가 지그(100)의 정점을 통과한 후의 상태를 보여준다.
이 때, 상기 지그(100)의 입설부(110)의 크기는 레이저 비전 시스템(20)의 측정 영역과 로봇 툴(11)이 지그(100)의 정점 위치시의 로봇 툴(11)의 x성분과 레이저 비전 시스템(20)에서 조사되는 레이저(21)가 지그(100)의 정점 통과 시의 로봇 툴(11)의 x성분의 차인 선행 측정거리(LAD:Look Ahead Distance)에 따라 결정할 수가 있다.
마지막으로, 상기 레이저 비전 시스템(20)으로 측정한 지그 영상들을 이용하여 로봇 툴(11)과 레이저 비전 시스템(20) 간의 위치 정보를 산출한다. 즉, 레이저 비전 시스템(20)으로 측정한 로봇 툴(11)의 위치에 따른 레이저 스트립의 위치와 지그 영상들에 기록된 포물선 형태의 레이저 선을 통해 추출한 특이점들 (p1,p2,p3,p4,p5)의 좌표값들을 이용하여 로봇 툴(11)과 레이저 비전 시스템(20) 간의 병진 거리(Translation) 및 회전 각도를 포함하는 위치 정보를 산출하는 것이다.
좀 더 구체적으로, 로봇 툴(11)과 레이저 비전 시스템(20) 간의 병진 거리를 산출하는 방법을 설명하기로 한다. 단, 회전 각도를 알고 있는 것으로 가정한다.
레이저 비전 시스템(20)은 기본적으로 로봇 툴(11)에 고정되어 사용된다. 따라서 한 번 고정되게 되면 그 3차원 회전 각도는 일정하게 유지된다. 따라서 만약 회전 각도가 초기 측정치와 변화가 없다고 가정한다면, TTCP와 TLVS의 원점 간 거리만 계산하면 캘리브레이션은 완료된다. 또한, 회전 각도가 미세하게 변한 경우에도 측정 범위 내에서는 병진을 이용한 측정값의 보상이 가능하다.
로봇(10)을 지그(100)의 정점에서 -x방향으로 이동시키면서 레이저 비전 시스템(20)으로 지그(100)를 측정할 경우, 영상 처리를 이용하여 얻어낸 삼각형 정점의 좌표 p3는 로봇의 x방향 위치에 따라 변한다. x방향에 따른 p3의 좌표의 z성분을 관찰하면 레이저 비전 시스템(20)의 레이저(21)가 지그(100)의 정점을 측정한 시기를 알 수 있다. 로봇 툴(11)이 지그(100)의 정점에 위치할 때의 x성분과, 레이저(21)가 지그(100)의 정점을 측정했을 때 로봇 툴(11)의 x성분의 차를 구하면 정확한 선행 측정거리를 정확하게 산출할 수가 있다.
선행 측정거리와, 로봇 툴(11)과 레이저 비전 시스템(20) 간의 회전 각도(TCPRLVS)를 알고 있으므로, 로봇 툴(11)과 레이저 비전 시스템(20) 간의 좌표계 변환을 위한 동차변환(Homogeneous Transform) 행렬을 계산해 낼 수 있다. 계산을 위해서 임의로 TLaser좌표계를 도입한다. TLaser좌표계를 레이저 투사기준 좌표계라 명명한다. 이 좌표계는 TTCP좌표계의 x방향으로 선행 측정거리만큼 이동된 곳에 그 원점을 가지며, TLVS와 모든 축이 평행한 좌표계이다. 따라서 TLVS에서 관측된 TLaser좌표계의 원점은, 측정된 지그(100)의 정점과 동일하다. 좌표계간의 위치관계는 도 11을 살펴보면 확실하게 알 수 있다. 도 11에 의하면 다음과 같은 관계가 성립된다.
Figure 112009066423914-PAT00009
(여기에서 TCPRLVS는 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 회전에 의한 동차변환 행렬, TCPTLaser는 로봇 툴과 레이저의 투사 기준 좌표계 간의 동차변환 행렬, LaserTLVS는 레이저의 투사 기준 좌표계와 레이저 비전 시스템 간의 동차변환 행렬, LAD(선행 측정거리)는 로봇 툴이 지그의 정점 위치시의 로봇 툴의 x성분과 레이저 비전 시스템에서 조사되는 레이저가 지그의 정점 통과 시의 로봇 툴의 x성분의 차, xL, yL, zL,는 레이저 비전 시스템이 측정한 지그 정점의 좌표 값(LVSp))
따라서, 로봇 툴(11)과 레이저 비전 시스템(20) 간의 동차변환 행렬은 다음 과 같이 계산된다.
Figure 112009066423914-PAT00010
(여기에서, TCPTLVS는 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 좌표계 변환을 위한 동차변환 행렬, TCPTLaser는 로봇 툴과 레이저의 투사 기준 좌표계 간의 동차변환 행렬, LaserTLVS는 레이저의 투사 기준 좌표계와 레이저 비전 시스템 간의 동차변환 행렬)
상기 과정은 사용자가 로봇 툴(11)을 지그(100)의 정점에 위치시키기만 하면 자동적으로 수행되게 프로그래밍할 수 있다. 따라서 사용자의 실수에 의한 오차가 줄어들어 정밀도가 향상되며, 캘리브레이션에 필요한 시간을 줄일 수 있다. 또한 측정된 회전 각도에 오차가 있을 경우 LVSP의 측정을 통해 그 오차를 보상함으로써TLaser의 원점 부근에서는 정밀도가 보장된다.
`
그리고, 상기 로봇 툴(11)과 레이저 비전 시스템(20) 간의 회전 각도는, 상기 특이점들(p1,p2,p3,p4,p5)을 연결하여 형성된 삼각형 좌표들(p2,p3,p4)을 이용해서 각 축별 회전 변환을 순차적으로 추출하여 산출할 수 있다. 이를 구체적으로 설명 하자면 다음과 같다. 만약 TLVS가 TTCP와 평행하다면, 측정되는 지그의 영상에서 p2, p3, p4는 항상 이등변 삼각형을 그리게 된다. 그렇지 못할 경우에는 도 12에 나타난 바와 같이 p2, p3, p4가 그리는 삼각형은 일그러지게 되는데, 이 현상을 이용하면 레이저 비전 시스템(20)의 회전 각도를 측정해 낼 수 있게 된다. 측정된 일그러진 삼각형의 회전 변환(TCPRLVS)이 이등변 삼각형이 된다는 점을 이용하면, 레이저 비전 시스템(20)의 회전 각도를 계산해 낼 수 있다.
그렇지만 측정된 좌표값들을 이용하여 수치적으로 회전 각도를 계산하는 방법은 레이저 비전 시스템(20)의 측정 시점 (視点)이 로봇(10)과 함께 이동한다는 점, 레이저(21)와 레이저 비전 시스템(20) 간의 정확한 위치관계를 알고 있어야 한다는 점, 레이저(21)의 투사각도의 회전 변환 또한 고려해야 한다는 점 등 실질적으로 어려움이 많다. 따라서 그 대안으로서 로봇(10)의 이동에 따라 측정된 삼각형 좌표들을 기록하여 놓고, 그 기록을 이용하여 각 축별 회전 변환을 순차적으로 추출하는 방법을 사용한 것이다. 즉, Roll 각도, Pitch 각도 및 Yaw 각도를 순차적으로 측정하여 로봇 툴(11)과 레이저 비전 시스템(20) 간의 회전 각도를 산출하는 것이다.
로봇 툴(11)과 레이저 비전 시스템(20) 간의 좌표계는 근사적으로 평평하다고 가정한다.
먼저, Roll 각도의 측정에 대하여 살펴보기로 한다.
로봇(10)을 지그(100)의 정점에 위치시킨 후 레이저 비전 시스템(20)으로 영상을 측정하면, 도 13과 같이 p1과 p5로 구성된 직선을 얻을 수 있다. 이 때, 두 점의 z성분의 크기가 동일하도록 로봇 툴(11)을 TTIP 좌표계의 x축을 기준으로 θ1만큼 회전시킨다. 회전된 좌표계를 TTCP이라고 한다. 이들 관계는 다음식 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009066423914-PAT00011
(여기에서, TTCP는 로봇 툴의 이전 좌표계, TTCP'는 TTIP를 TTIP(지그의 좌표계)의 x축을 기준으로 θ1만큼 회전시킨 로봇 툴의 좌표계)
이번에는 Pitch 각도의 측정에 대하여 살펴보기로 한다.
로봇(10)을 -x방향으로 이동해 가면서 지그(100)의 전체를 측정한다. 이 때, 레이저(21)의 입사각과 레이저 비전 시스템(20)의 회전각 때문에 도 14와 같이 지그(100)의 처음에서 정점까지, 정점에서 끝까지 측정하기까지 이동한 x방향 거리는 차이가 생기게 된다. 레이저 비전 시스템(20)의 레이저(21)의 입사각은 이미 알고 있으므로 다음의 수학식 6을 이용하면 Pitch각 θ2을 추출할 수 있다.
Figure 112009066423914-PAT00012
(θLaser는 레이저의 장착 각도, α는 지그 수직단면에서 나타나는 이등변 삼각형의 등각, d는 이등변 삼각형의 등변의 길이, X1과 X2은 지그의 끝에서 정점을 측정하는 데까지 이동한 로봇의 x방향 이동거리의 최대값과 최소값)
측정된 θ2만큼 로봇의 툴을 TTIP좌표계의 -y축을 기준으로 회전시킨 후 다시 지그(100)의 정점에 위치시킨다. 회전된 좌표계를 TTCP'' 이라고 한다.
Figure 112009066423914-PAT00013
(여기에서, TTCP는 Roll 각도가 보정된 로봇 툴의 이전 좌표계, TTCP''는 TTCP를 T TIP (지그의 좌표계)의 -y축을 기준으로 θ2만큼 회전시킨 로봇 툴의 좌표계)
이번에는 Yaw 각도의 측정에 대하여 살펴보기로 한다.
레이저 비전 시스템(20)이 TTIP의 z축 방향으로 회전하게 되면 도 15와 같이 로봇(10)의 이동에 따른 지그(100)의 측정 이미지가 y방향으로 이동하게 된다. 따라서 측정된 이미지들의 좌표값을 이용하면 회전각도를 계산할 수 있다. 계산된 회전각도 만큼 로봇 툴(11)을 TTIP좌표계의 z축을 기준으로 회전시킨 후, 다시 지그(100)의 정점에 위치시킨다. 회전된 좌표계를 TTCP'''이라고 한다.
Figure 112009066423914-PAT00014
(여기에서, TTCP는 Roll과 Pitch 각도가 보정된 로봇 툴의 이전 좌표계, TTCP'''는 TTCP를 TTIP (지그의 좌표계)의 z축을 기준으로 θ3만큼 회전시킨 로봇 툴의 좌표계)
위의 Roll 각도, Pitch 각도 및 Yaw 각도의 측정 단계에 따라 로봇 툴(11)을 회전시키게 되면 최종적인 로봇 툴(11)의 좌표계 TTCP는 원점이 TTIP와 일치하고, 회전은 초기 TLVS와는 반대방향이 된다. 따라서 다음의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있 다.
Figure 112009066423914-PAT00015
(여기에서 TIPTTCP는 지그의 정점 좌표계와 로봇 툴 좌표계 간의 동차변환 행렬, TIPRTCP는 지그의 정점 좌표계와 로봇 툴 좌표계 간의 회전 각도에 의한 동차변환 행렬, LVSRTCP는 레이저 비전 시스템의 좌표계와 로봇 툴 좌표계 간의 회전 각도에 의한 동차변환 행렬)
상기 관계를 통해 로봇 툴(11)과 레이저 비전 시스템(20) 간의 회전 각도를 산출할 수가 있다. 각도 측정을 위해 회전시켰던 TTCP를 다시 초기 위치로 위치시키고 상술한 방법에 의해 병진 거리를 산출함으로써 전체적인 캘리브레이션은 완료된다.
본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법을 적용 하게 되면, 사용자가 초기에 로봇 툴(11)을 지그(100)의 원뿔 정점에 위치시키고 이후의 작업은 자동으로 이루어진다. 따라서 전체 캘리브레이션 과정에서 사용자의 수작업을 최소화함으로써 신속성, 정확성 및 정밀성을 최대한으로 향상시킬 수가 있는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그 및 이를 이용한 캘리브레이션 방법을 한정된 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
도 1은 로봇의 로봇 툴과 로봇 툴의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션을 설명하기 위한 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그를 보여주는 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그를 설명하기 위한 개념도.
도 4~7은 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그의 크기 및 각도를 설명하기 위한 개념도.
도 8은 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 로봇 툴을 지그의 정점에 위치시킨 상태를 보여주는 사시도.
도 10은 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 로봇 툴을 이동시키면서 지그를 측정하는 상태를 보여주는 개념도.
도 10은 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 로봇 툴의 이동 시 지그 측정 이미지의 변화를 보여주는 상태도.
도 11은 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 캘리브레이션 시 각 좌표계 간의 관계를 설명하기 위한 개념도.
도 12는 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 레이저 비전 시스템의 회전 시 측정 이미지의 변화를 보여주는 상태도.
도 13은 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법 에 따라 Roll 각도의 보정을 설명하기 위한 상태도.
도 14는 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 Pitch 각도의 측정을 설명하기 위한 개념도.
도 15는 본 발명에 따른 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법에 따라 Yaw 각도의 측정을 설명하기 위한 상태도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 로봇 11 : 로봇 툴
12 : 브래킷 20 : 레이저 비전 시스템
21 : 레이저 100 : 지그
110 : 입설부 120 : 받침부

Claims (12)

  1. 로봇(10)의 로봇 툴(11)과 로봇 툴(11)의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템(20) 간의 위치를 캘리브레이션하기 위한 지그로서,
    하나의 정점을 갖는 원뿔 형태의 입설부(110)를 갖는 것을 특징으로 하는 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 입설부(110)의 하부에 입설부(110)를 받치기 위한 받침부(120)를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 입설부(110)의 수직 단면 형상이 이등변 삼각형인 것을 특징으로 하는 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 이등변 삼각형의 각도(α)는 레이저 비전 시스템(20)의 레이저(21)의 투사 각도(θLaser)와, 레이저 비전 시스템(20)이 장착될 Pitch 각도(θPitch)에 의존 하되, 이등변 삼각형의 각도(α)는 투사 각도(θLaser)와 Pitch 각도(θPitch)의 합보다 큰 것을 특징으로 하는 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 이등변 삼각형의 각도(α)는 55°~ 65°인 것을 특징으로 하는 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션용 지그.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 지그를 이용하여 로봇의 로봇 툴과 로봇 툴의 측면에 장착되는 레이저 비전 시스템 간의 위치를 캘리브레이션하기 위한 방법으로서,
    로봇 툴을 지그의 정점에 위치시키고, 레이저 비전 시스템으로 지그를 측정하는 단계와;
    상기 로봇 툴을 x 방향으로 이동시키면서 레이저 비전 시스템에서 조사되는 레이저가 지그의 정점 통과 전, 통과 시 및 통과 후의 로봇 툴의 위치에서 레이저 비전 시스템으로 지그를 각각 측정하는 단계와;
    상기 레이저 비전 시스템으로 측정한 지그 영상들을 이용하여 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 위치 정보를 산출하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 로봇 툴의 z축은 지면의 수직 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 지그의 입설부의 크기는 레이저 비전 시스템의 측정 영역과 로봇 툴이 지그의 정점 위치시의 로봇 툴의 x성분과 레이저 비전 시스템에서 조사되는 레이저가 지그의 정점 통과 시의 로봇 툴의 x성분의 차인 선행 측정거리에 따라 결정하는 것을 특징으로 하는 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법.
  9. 청구항 6에 있어서 상기 산출하는 단계는,
    상기 레이저 비전 시스템으로 측정한 로봇 툴의 위치에 따른 레이저 스트립의 위치와 지그 영상들에 기록된 포물선 형태의 레이저 선을 통해 추출한 특이점들 (p1,p2,p3,p4,p5)의 좌표값들을 이용하여 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 병진 거리 및 회전 각도를 포함하는 위치 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법.
  10. 청구항 9에 있어서 상기 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 회전 각도를 알고 있는 경우의 병진 거리는,
    다음식
    Figure 112009066423914-PAT00016
    (여기에서 TCPRLVS는 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 회전에 의한 동차변환 행렬, TCPTLaser는 로봇 툴과 레이저의 투사 기준 좌표계 간의 동차변환 행렬, LaserTLVS는 레이저의 투사 기준 좌표계와 레이저 비전 시스템 간의 동차변환 행렬, TCPTLVS는 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 좌표계 변환을 위한 동차변환 행렬, LAD(선행 측정거리)는 로봇 툴이 지그의 정점 위치시의 로봇 툴의 x성분과 레이저 비전 시스템에서 조사되는 레이저가 지그의 정점 통과 시의 로봇 툴의 x성분의 차, xL, yL, zL,는 레이저 비전 시스템이 측정한 지그 정점의 좌표 값(LVSp))에 의해 구해진 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 동차변환 행렬을 통해 산출하는 것을 특징으로 하는 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법.
  11. 청구항 9에 있어서 상기 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 회전 각도는,
    상기 특이점들(p1,p2,p3,p4,p5)을 연결하여 형성된 삼각형 좌표들(p2,p3,p4)을 이용해서 각 축별 회전 변환을 순차적으로 추출하여 산출하는 것을 특징으로 하는 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    다음식
    Figure 112009066423914-PAT00017
    (여기에서, TTCP는 로봇 툴의 이전 좌표계, TTCP'는 TTIP를 TTIP(지그의 좌표계)의 x축을 기준으로 θ1만큼 회전시킨 로봇 툴의 좌표계)
    에 의해 Roll 각도를 측정하고, TTCP를 TTCP'과 일치시킨 후,
    다음식
    Figure 112009066423914-PAT00018
    (여기에서, TTCP는 Roll 각도가 보정된 로봇 툴의 이전 좌표계, TTCP''는 TTCP를 T TIP (지그의 좌표계)의 -y축을 기준으로 θ2만큼 회전시킨 로봇 툴의 좌표계)
    에 의해 Pitch 각도를 측정하고, TTIP를 TTCP''과 일치시킨 후,
    다음식
    Figure 112009066423914-PAT00019
    (여기에서, TTCP는 Roll과 Pitch 각도가 보정된 로봇 툴의 이전 좌표계, TTCP''' 는 TTCP를 TTIP (지그의 좌표계)의 z축을 기준으로 θ3만큼 회전시킨 로봇 툴의 좌표계)
    에 의해 Yaw 각도를 측정하고, TTCP를 TTCP'''과 일치시킨 후,
    Figure 112009066423914-PAT00020
    (여기에서 TIPTTCP는 지그의 정점 좌표계와 로봇 툴 좌표계 간의 동차변환 행렬, TIPRTCP는 지그의 정점 좌표계와 로봇 툴 좌표계 간의 회전 각도에 의한 동차변환 행렬, LVSRTCP는 레이저 비전 시스템의 좌표계와 로봇 툴 좌표계 간의 회전 각도에 의한 동차변환 행렬)
    에 의해 로봇 툴과 레이저 비전 시스템 간의 회전 각도를 산출하는 것을 특징으로 하는 로봇과 레이저 비전 시스템 간의 캘리브레이션 방법.
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