KR20120019300A

KR20120019300A - 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치 및 이를 구비한 측정 시스템

Info

Publication number: KR20120019300A
Application number: KR1020100082641A
Authority: KR
Inventors: 김종원; 김기환; 전동수; 정재일; 이성철
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2012-03-06
Also published as: KR101239942B1

Abstract

본 발명의 목적은 실험실적 조건이 아닌 산업 현장에서 외부 노이즈에 영향을 받지 않으면서 장치의 부피가 작고 무게가 가벼우며, 설치 및 해체가 용이하고 사용법이 간단하여 손쉽게 작동시킬 수 있는 로봇의 캘리브레이션을 위한 측정 장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 로봇 말단부의 위치와 자세를 모두 측정할 수 있고 저가로 제작이 가능한 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치를 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 로봇 말단부의 한 방향의 이동 변위와 두 방향의 회전 변위를 측정하는 센서들이 설치되는 제1센서 설치부; 상기 제1 센서 설치부에 설치되는 센서들이 측정하는 변위와 독립적인 한 방향의 이동 변위와 한 방향의 회전 변위를 측정하는 센서들이 설치되는 제2 센서 설치부; 상기 본체의 제1센서 설치부에 설치되어 일방향으로 나란하게 연장된 세 개의 리니어 센서를 포함하는 제1 측정 유닛; 상기 본체의 제2센서 설치부에 설치되어 상기 제1 측정 유닛에 포함된 리니어 센서들과 직교하는 방향으로 나란하게 연장된 두 개의 리니어 센서를 포함하는 제2 측정 유닛; 위치 및 자세의 측정 대상인 로봇의 말단부와 연결되는 로봇 연결부; 및 상기 제1센서 설치부, 상기 제2센서 설치부 및 상기 연결부를 연결하는 상기 연결 아암을 포함하는 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치를 제공함으로써 달성된다.

Description

로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치 및 이를 구비한 측정 시스템{Apparatus of measuring position and orientation for calibrating a robot and measurement system having the same}

본 발명은 로봇의 캘리브레이션(calibration)을 위한 측정 장치 및 이를 구비한 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저가로 제작이 가능하고 크기가 작고 노이즈에 강해서 작업 현장에서 사용할 수 있으면서도 로봇 말단부의 위치와 자세를 모두 측정할 수 있는 로봇의 캘리브레이션을 위한 측정 장치 및 이를 구비한 측정 시스템에 관한 것이다.

산업용 로봇은 제조 공정상의 오차, 노화, 작업 환경 오차 등으로 인해 작업 정확도가 떨어진다. 더구나 제작되는 로봇들의 기구 변수가 제조 공정 중에 조금씩의 차이를 갖고 있지만, 로봇 제어 프로그램은 초기 설계된 일괄적인 기구 변수 값을 사용하기 때문에 같은 생산라인에서 나온 산업용 로봇이라 할지라도 위치 및 자세 정확도와 같은 성능은 모두 제 각각이다.

일반적으로 다축 로봇의 말단부(end-effector)를 원하는 위치로 제어하기 위하여 오차가 없는 모델링을 기준으로 각 구동축의 제어지령을 계산하게 된다. 따라서 실제 기구변수가 오차를 포함하는 경우, 말단부는 기준위치로부터 벗어나 위치오차와 자세오차를 가지게 된다. 말단장치의 위치오차를 발생시키는 원인으로 가공오차, 조립오차, 관절의 탄성변형, 제어오차 등이 있다.

제어의 기준이 되는 공칭모델링에 포함되지 않는 각 오차원인을 찾아내고 이를 기구학모델링에 반영하여, 위치오차 및 자세오차를 제거하기 위한 방법을 보정이라 한다. 보정방법은 직접측정에 의한 보정방법과 기구학적 보정방법이 있다. 직접측정에 의한 보정방법은 기구변수들에서 발생할 수 있는 오차들을 직접측정을 통해 찾아내고 모델링에 포함시켜 말단부의 오차를 제거하는 방법이다. 이 방법은 구성요소의 오차를 직접적으로 알 수 있다는 장점이 있지만 대상기계의 모든 관절부와 링크부, 기저부등의 오차를 측정해야 함으로 보정시간이 많이 걸리고 대상기계가 일단 조립되고 나면 대상기계의 관절에 대한 오차측정이 어렵거나 불가능한 경우가 있다.

기구학적 보정방법은 측정위치와 각 구동부의 제어지령 사이의 기구학적 관계에 의하여 보정을 수행하는 방법이다. 보정절차는 다음과 같다. 먼저, 각 기구학적 변수에 오차를 포함하는 모델링을 구성하고, 오차를 포함하는 모델링을 이용하여 각 구동축의 제어 지령 값에 해당되는 측정위치의 계산한다. 다음으로, 각 측정위치의 위치 값을 외부측정기로 측정한다. 끝으로, 각 측정자세에서 오차를 포함하는 모델링으로 구한 측정점의 계산 값과 외부 측정기로 측정된 측정값 사이의 차를 최소화시키는 최적화 문제를 풀어 기구학적 오차 값들을 계산한다. 기구학적 보정은 실제 기구가 운전되는 상태에서도 보정이 가능하다는 장점이 있어 조립된 로봇시스템의 보정방법에 널리 쓰이고 있다.

산업현장에 존재하는 산업용 로봇들의 기구학적 보정은 현장에서가 아닌 실험실에서 로봇 보정을 진행하는데, 이를 위해 현장에 설치되어 있는 로봇 바닥의 고정을 풀고 실험실로 이송, 보정 완료 후에는 다시 현장으로 이송하여 로봇을 설치하는 등의 많은 시간을 소비한다. 이렇게 시간을 소비하면서도, 현장에서 보정을 진행하지 못하는 이유는 기존의 측정 시스템을 이용하여 현장에서 로봇 말단부 오차를 측정할 때 몇 가지 문제가 있기 때문이다.

첫 번째로는 기존에 개발된 측정 시스템은 레이저, 카메라 또는 주파수를 이용한 방식이 많은데 이러한 방식은 현장 환경에서 견실하게 작동하지 못한다. 예를 들어, 용접이 진행되는 현장에서는 용접으로 인한 용접연기(fume), 먼지, 열, 빛 등이 존재하는데 이들은 측정데이터에 왜곡을 발생시킨다. 높은 측정 정확도를 갖는 측정 시스템이라 할지라도 외부 노이즈로 인해 측정 정확도가 급격히 낮아지게 되고 이로 인해 로봇 보정 후 말단부의 위치 및 자세정확도 향상이 작게 나타난다.

두 번째로 현장의 협소한 작업공간이 기존의 부피가 큰 측정 시스템의 설치를 어렵게 하며, 측정 시스템과 작업자들의 간섭을 발생시킨다.

세 번째는 기업의 연구소에서 사용하고 있는 레이저 트래커(laser tracker)나 GPS와 같은 측정 시스템의 구현 비용이 1억 이상 거의 5억에 이르는 고가이다. 고가의 장비는 현장에서 사용을 기피하는 큰 이유가 된다.

마지막으로 측정 시스템의 사용의 용이성이다. 일반적인 측정 시스템은 사용법이 어렵기 때문에 현장 작업자들이 사용하기 위해서는 별도의 교육을 필요로 한다.

현장에서 사용되는 용접로봇의 경우 용접 작업 시 용접 품질을 우수하게 유지하기 위해서는 로봇에 정확한 위치와 자세를 지령해 주어야 한다. 결국 로봇의 정확도를 위한 보정은 위치뿐 아니라 자세에서도 수행되어야 하며, 이를 위해서는 위치와 자세 모두 측정이 가능해야 한다. 하지만 기존의 측정 시스템 중에서 레이저 트레커만이 자세를 측정할 수 있는데 레이저 트래커의 가격은 5억원 가까이 된다.

위와 같은 사항들은 해결하기 위해서는 현장에서 측정이 가능한 저가의 측정 시스템이 필요하다. 현장에서 측정이 가능하다는 것은 외부 노이즈에 영향이 없어야 하며, 장비의 부피가 작고 무게가 가벼워서 설치 및 해체가 용이해야 한다는 것이고, 또한 사용법이 간단하여 손쉽게 작동시킬 수 있어야 하고 로봇 말단부의 위치와 자세를 모두 측정할 수 있는 측정 시스템이 되어야 한다.

본 발명은 상기한 문제점을 포함한 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 실험실적 조건이 아닌 산업 현장에서 외부 노이즈에 영향을 받지 않으면서 장치의 부피가 작고 무게가 가벼우며, 설치 및 해체가 용이하고 사용법이 간단하여 손쉽게 작동시킬 수 있는 로봇의 캘리브레이션을 위한 측정 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 로봇 말단부의 위치와 자세를 모두 측정할 수 있고 저가로 제작이 가능한 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 로봇 말단부의 한 방향의 이동 변위와 두 방향의 회전 변위를 측정하는 센서들이 설치되는 제1센서 설치부;

상기 제1 센서 설치부에 설치되는 센서들이 측정하는 변위와 독립적인 한 방향의 이동 변위와 한 방향의 회전 변위를 측정하는 센서들이 설치되는 제2 센서 설치부;

상기 본체의 제1센서 설치부에 설치되어 일방향으로 나란하게 연장된 세 개의 리니어 센서를 포함하는 제1 측정 유닛;

상기 본체의 제2센서 설치부에 설치되어 상기 제1 측정 유닛에 포함된 리니어 센서들과 직교하는 방향으로 나란하게 연장된 두 개의 리니어 센서를 포함하는 제2 측정 유닛;

위치 및 자세의 측정 대상인 로봇의 말단부와 연결되는 로봇 연결부; 및

상기 제1센서 설치부, 상기 제2센서 설치부 및 상기 연결부를 연결하는 상기 연결 아암을 포함하는 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 제1 센서 설치부에는 세 개의 리니어 센서용 홀더가 설치되고, 상기 세 개의 홀더는 서로 삼각형을 형성하도록 배치된 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제2 센서 설치부에는 두 개의 리니어 센서용 홀더가 설치되고, 상기 두 개의 홀더는 도 4의 좌표계{W}를 기준으로 X축 방향으로 서로 이격되어 배치된 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 위에서 언급한 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치와,

상기 로봇의 말단부의 작업 범위 내에 설치되고 직사각형 형상으로 만들어진 측정 구조물을 포함하는 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 시스템을 제공함으로써 달성된다.

본 발명에 의하면, 실험실적 조건이 아닌 산업 현장에서 외부 노이즈에 영향을 받지 않으면서 장치의 부피가 작고 무게가 가벼우며, 설치 및 해체가 용이하고 사용법이 간단하여 손쉽게 작동시킬 수 있는 로봇의 캘리브레이션을 위한 측정 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 로봇 말단부의 위치와 자세를 모두 측정할 수 있고 저가로 제작이 가능한 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치를 구성하는 본체의 구성을 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 II 방향에서 바라본 본체의 제1 측정부의 도면.
도 3은 도 1의 III 방향에서 바라본 본체의 제2 측정부의 도면.
도 4는 본 발명에 따른 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치의 구성을 보여주는 도면.
도 5는 도 4에 도시된 본 발명에 따른 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치가 소정 각도 회전된 상태를 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치를 구비하는 시스템의 기구학적 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치 및 이 장치의 초기 세팅을 위한 치구의 구성을 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치의 초기 세팅 모습을 보여주는 도면.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치를 구성하는 본체의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 II 방향에서 바라본 본체의 제1 측정부의 도면이 도시되어 있으며, 도 3에는 도 1의 III 방향에서 바라본 본체의 제2 측정부의 도면이 도시되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치를 구성하는 본체(190)는 제1 센서 설치부(110), 제2 센서 설치부(120), 연결 아암(150) 및 로봇 연결부(130)를 구비한다.

상기 제1 센서 설치부(110) 및 제2 센서 설치부(120)는 각각 리니어 센서들이 설치되는 부재로써, 리니어 센서가 삽입 고정되는 복수의 홀더(111a, 112a, 113a, 121a, 122a)를 구비한다.

도 2에 도시된 것과 같이, 상기 제1 센서 설치부(110)에는 세 개의 리니어 센서(111, 112, 113)가 설치될 수 있도록 세 개의 홀더(111a, 112a, 113a)가 배치되는데, 세 개의 홀더는 일직선으로 배열되지 않고 삼각형을 이루도록 배치된다. 이와 같이 배치되어야 세 개의 리니어 센서를 이용하여 측정 대상 표면에 접촉할 때, 로봇 연결부(130)를 기준으로 X축 둘레의 회전과 Y축 둘레의 회전과 Z축 방향의 변위를 모두 측정할 수 있다.

도 3에 도시된 것과 같이, 상기 제2 센서 설치부(120)에는 두 개의 리니어 센서(121, 122)가 설치될 수 있도록 두 개의 홀더(121a, 122a)가 배치되고, 두 개의 홀더(121a, 122a)는 X축 방향으로 이격되어 배치된다. X축 방향으로 이격되어 배치되면 두 개의 리니어 센서를 이용하여 측정 대상 표면에 접촉할 때, 로봇 연결부(130)를 기준으로 Y축 방향의 변위와 Z축 둘레의 회전을 측정할 수 있다.

상기 로봇 연결부(130)는 상기 본체(190)가 로봇의 말단부에 고정되도록 하는 부재로써, 상기 로봇 연결부(130)는 직접 로봇 발단부에 고정될 수도 있고, 별도의 연결용 치구(200)를 통해 로봇 말단부에 고정될 수도 있다. 고정을 위해 연결핀(140)이 사용될 수 있다.

상기 연결 아암(150)은 상기 로봇 연결부(130), 상기 제1 센서 설치부(110) 및 상기 제2 센서 설치부(120)가 각각 연결되는 부분으로 상기 제1 센서 설치부(110)에 설치되는 리니어 센서들(111, 112, 113)과 상기 제2 센서 설치부(120)에 설치되는 리니어 센서들(121, 122)이 서로 직교하는 방향으로 설치될 수 있도록 만들어진다.

도 4에는 본 발명에 따른 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 5에는 도 4에 도시된 본 발명에 따른 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치가 소정 각도 회전된 상태를 보여주는 도면이 도시되어 있으며, 도 6은 본 발명에 따른 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치를 구비하는 시스템의 기구학적 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치(100)는 앞서 설명한 본체(190); 세 개의 리니어 센서들을 포함하는 제1 측정 유닛(170) 및 두 개의 리니어 센서들을 포함하는 제2 측정 유닛(180)을 포함한다. 상기 각각의 리니어 센서들(111, 112, 113, 121, 122)은 상기 본체(190)에 형성된 홀더들(111a, 112a, 113a, 121a, 122a)에 각각 고정된다. 초기 상태에서 제1 센서 설치부(110)에 설치되는 세 개의 리니어 센서(111, 112, 113)를 포함하는 제1 측정 유닛(170)은 도 4를 기준으로 Z축 방향의 길이가 동일하게 조절되어 있고, 제2 센서 설치부(120)에 설치되는 두 개의 리니어 센서(121, 122)를 포함하는 제2 측정 유닛은 도 4를 기준으로 Y축 방향의 길이가 동일하게 조절된 상태를 유지한다.

상기 제1 측정 유닛 및 상기 제2 측정 유닛은 리니어 센서들의 조합을 위미하는 용어로 사용된다.

앞서 홀더들의 배치 위치를 설명하면서 잠시 언급한 것과 같이, 다섯 개의 리니어 센서들(111, 112, 113, 121, 122) 중 세 개(111, 112, 113)는 제1 센서 설치부(110)에 설치되고, 두 개의 리니어 센서들(121, 122)은 제2 센서 설치부(120)에 설치된다. 이와 같이 설치된 상태에서 도 4의 측정 구조물의 표면에 본 발명에 따른 측정 장치(100)를 구성하는 리니어 센서들(111, 112, 113, 121, 122)이 접촉하고, 도 5에 도시된 것과 같이 로봇 말단부의 위치 및 자세가 변화하면, 리니어 센서들(111, 112, 113, 121, 122)의 출력 값이 변화하고 이 값들로부터 로봇 말단부의 위치 및 자세의 변화를 기구학적으로 계산할 수 있다.

즉, 제1 센서 설치부(110)에 설치된 세 개의 리니어 센서들의 출력 값으로부터 X축 둘레의 회전과 Y축 둘레의 회전과 Z축 방향의 변위를 모두 측정할 수 있고, 제2 센서 설치부(120)에 설치된 두 개의 리니어 센서들의 출력 값으로부터 Y축 방향의 변위와 Z축 둘레의 회전을 측정할 수 있다.

도 5에는 본 발명에 따른 측정 장치(100)가 도 4에 도시된 상태와 비교하여 X축 둘레로만 회전한 모습이 도시되어 있으나, 본 발명에 따른 측정 장치(100)의 리니어 센서들을 측정 구조물의 표면에 접촉한 상태로 다양한 방향으로 로봇의 위치 및 자세를 변경하는 경우에 대해 모두 그 위치와 자세의 측정이 가능하다.

한편, 상기 측정 구조물은 도 4 및 도 5에는 Y-Z 평면상의 측면 형상만 도시되어 있으나, 도 6에 도시된 것과 같이, 상기 측정 구조물은 X축 방향으로 소정 길이 연장된 형태의 직육면체로써, 온도의 영향을 무시할만한 소재인 대리석으로 만들어지고, 실제 실험에 있어서는 X축 방향의 길이 600mm, Y축 방향의 폭 50mm, Z축 방향의 높이 75mm로 만들어졌다.

도 6에 도시된 것과 같이, 시스템의 고정된 기준 좌표계(fixed global reference frame 또는 world coordinate : {W})는 측정구조물 가장 자리에 위치시키고, 측정 장치의 원점(로봇 말단부에 장착되는 부분)에 기저 좌표계(base frame 또는 base coordinate : {M})를 위치 시켰다. 측정 장치의 말단부를 나타내는 툴팁 좌표계(tooltip frame 또는 end-effector coordinate : {E})의 Y_E-Z_E평면은 기저 좌표계의 Y_M-Z_M평면상에 놓여져 있고 서로의 Z_E축과 Y_M축은 서로 45도(θ)를 이루고 있다.

도 6에서 U와 D가 135mm이고, θ가 45도인 경우, 기저 좌표계 원점에서부터 툴팁 좌표계 원점까지 거리인 말단부의 길이는 190.9mm(135√2mm)이다. 리니어 센서 중 q1~q3은 기저 좌표계를 기준으로 z축 방향으로, q4, q5는 y축 방향으로 향하게 구성되어 있다.

도 6에서 나타낸 Pi(i=1, 2, 3, 4, 5)는 리니어 센서가 측정구조물에 접촉된 지점이며 모든 센서가 측정구조물에 접촉된 상태에서만 측정값을 읽을 수 있다. 따라서 측정 시스템은 리니어 센서의 측정 범위에 의존하게 된다. 측정 장치는 5개의 센서를 고정시키는 하나의 강체로 볼 수 있으며, 센서 길이가 변화함에 따라 위치와 자세를 변화시키게 된다.

측정 장치의 기저 좌표계{M}는 로봇의 말단부에 연결되고 로봇 말단부 좌표계와 일치하게 된다. 이는 로봇의 말단부의 위치와 자세가 측정 장치를 통해 측정 장치의 툴팁 좌표계와의 관계를 갖게 하고, 측정 시스템의 기준 좌표계의 값으로 측정을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 측정 장치(100)를 포함하는 측정 시스템은 측정 시스템은 크게 측정 장치(measuring device)와 측정 구조물(artifact)(300)을 포함한다.

본 발명에 따른 측정 장치(100)를 구성하는 리니어 센서는 측정 시스템을 구현하는 필수 부품이다. 이에 따라, 이 제품은 신뢰성과 내구성 및 사용의 편의를 고려하여 상용 제품들 선택된다.

설계측면에서 리니어 센서를 선정할 때 고려한 선정기준은 센서의 측정 범위, 크기, 신호 출력, 노이즈에 대한 민감도, 측정 정확도이다. 선정기준에 따른 이유와 그에 따른 성능을 기술하면 다음과 같다.

1) 센서의 측정범위는 측정 시스템의 측정범위를 결정하게 된다. 측정 시스템의 측정 범위 0.0mm 내지 20.0mm를 만족하는 측정범위의 센서를 선정해야 한다.

2) 측정 장치의 크기는 대부분 리니어 센서가 차지한다. 로봇 말단부에 장착되는 것인 만큼 그 크기는 최소화되어야 하기 때문에 센서 크기 또한 작아야 한다.

3) 신호출력은 측정 데이터를 쉽게 그리고 왜곡되지 않게 수집해야 한다.

4) 현장에서 사용하는 것을 목적으로 하는 만큼 외부노이즈에 둔한 센서는 필수적이다.

5) 센서의 측정 정확도(accuracy)는 측정 시스템의 정확도를 결정하는 중요한 성능 중 하나이다. 로봇의 위치 정확도(0.5mm)를 고려할 때 측정 시스템은 로봇 위치 정확도의 0.1배가 되어야하고, 측정 시스템의 정확도의 0.1배인 0.005mm이내의 정확도를 필요로 하는 센서가 필요하게 된다.

이상과 같은 선정기준에 따라 리니어 센서는 Solartron metrology(영국)사의 디지털 프루브(digital probe)를 선정했다.

측정 시스템의 높은 측정정확도를 위해서는 사용되는 센서의 사양도 중요하지만, 측정구조물의 평면도와 직각도도 매우 중요한 사양이다. 본 발명에서 요구하는 측정 정확도 0.05mm을 만족시키기 위해 금속(steel)재질의 측정 구조물을 제작 했지만, 평면도가 20m이내였다. 이것은 측정 센서의 사양이 아무리 높다 하더라도 측정구조물의 평면도가 그대로 센서에 전가되기 때문에 무의미한 사양이 된다. 또한, 금속 재질로 구조물을 제작할 경우 실험 시 온도차에 의해 그 평면도는 가늠할 수 없게 된다. 이러한 사항은 실제 금속 구조물을 사용하였을 때 발생되는 것을 경험하였고 이를 고려하여 재질을 대리석으로 결정하여 정반업체에 연마가공을 의뢰하였다. 측정구조물은 가공완료 후 3차원 측정기(CMM : coordinate measuring machine)를 통해 측정하였고 구조물의 위쪽 평면과 앞쪽 평면의 평면도가 모두 ±3μm이내이며 두 평면이 이루는 각은 89.9979도로 0.0021도의 각도 오차를 나타냈다. 측정된 오차는 측정 시스템에 요구되는 측정 오차 50μm의 10%이내 수준으로, 측정 구조물의 사양으로 적합하다.

도 7에는 본 발명에 따른 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치 및 이 장치의 초기 세팅을 위한 치구의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명에 따른 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치의 초기 세팅 모습을 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 7 및 도 8에 도시된 것과 같이, 측정 장치 원점 보상용 치구는 정사각형 단면 치구(450)와 직각 치구(400)를 포함한다. 상기 정사각형 치구(450)는 상기 직각 치구에 설치된 자석(410)에 의해 상기 직각 치구(400)와 고정되고, 상기 직각 치구의 양 단부에는 각각 가이드 턱(420, 430)이 설치되어 있다.

본 발명에 따른 측정 장치(100)의 원점 보상을 위해서는 도 7 및 도 8에 도시된 것과 같은 원점 보상용 치구를 사용하는 것이 편리하다. 측정 장치는 5개의 리니어 센서를 포함하는데, 5개의 리니어 센서들이 설계상의 정확한 위치에 설치되어야만 측정 시스템의 기구변수를 위치 및 제세 측정 결과에 반영할 수 있다. 센서의 정확한 위치를 찾는 방법은 도 7 및 도 8과 같이 측정 장치를 원점 보상용 치구에 고정시킨 상태에서 센서를 삽입하여 센서가 읽는 값을 일정하게 만들면 된다. 이러한 방법을 적용하기 위해서는 보상 치구가 정밀하게 제작되어야 한다.

본 발명에서는 도 7 및 도 8의 형태로 원점 보상용 치구를 제작하였고, 각 리니어 센서가 17mm를 읽을 때까지 삽입하여 조립을 하고 17mm에서 벗어난 오차 값을 가감시켜 설치 원점을 만들어 준다. 또한, 매 실험 시 리니어 센서가 읽는 값을 측정하여 설계치인 17mm를 읽지 못할 때 구동 프로그램 상에 그 값을 가감시켜 설치 오차를 보상한다.

측정 시스템의 원점 보상용 치구는 위와 같은 기능을 구현하는 부품으로 그 가공 정밀도도 높아야 한다. 원점 보상용 치구 가공 후 3차원 측정기로 가공 오차를 측정하였으며, 실제의 실험에 사용된 원점 보상용 치구에서 각 평면의 편평도는 440번 표면이 5.4μm, 460번 표면이 2.7μm, 정사각형 단면 치구(450)의 직각 치구(400)측 표면이 각각 2.4μm, 1.4μm, 451번 표면이 3.4μm, 452번 표면이 3.0μm이었다.

이상과 같은 구성을 가지는 측정 장치 및 이를 구비한 측정 시스템은 다음과 같은 방식으로 사용될 수 있다.

먼저, 원점 보상용 치구를 이용하여 원점 보상이 이루어진 측정 장치는 측정 대상 로봇의 말단부에 고정된다.

그 다음, 로봇을 구동하여 각각의 리니어 센서들이 측정 구조물의 두 표면에 각각 맞닿은 상태로 로봇 말단부를 구동하여 위치와 자세를 변화시키면서 각각의 위치와 자세에서의 리니어 센서의 출력 값을 입력 받고, 이를 이용하여 역기구학 및 정기구학 계산을 통해 로봇에 입력 신호로 준 위치와 자세 값에 대해 실제 로봇의 위치와 자세가 얼마나 차이가 있는지 파악한다.

그 다음 기구학적 보상의 일반적인 방법을 통해 각 축 방향과 회전 방향에 대해 캘리브레이션을 수행하여 로봇의 말단부의 위치 및 자세 오차를 감소시킨다.

이와 같이 본 발명에 따른 측정 장치(100)를 이용하여 로봇의 위치와 자세를 측정하고 이를 토대로 로봇의 정밀도를 향상시키기 위해서는 측정 장치 자체의 제작 오차나 기구 오차 등이 전체 캘리브레이션 과정에 반영되는 것이 바람직하다.

지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 측정 장치 110: 제1센서 설치부
111, 112, 113, 121, 122: 리니어 센서
111a, 112a, 113a, 121a, 122a: 홀더
120: 제2 센서 설치부 130: 연결부
140: 연결 핀 150: 연결 아암
170: 제1 측정 유닛 180: 제2 측정 유닛
190: 본체 200: 연결 치구
300: 측정 구조물 400: 직각 치구
410: 자석 420, 430: 가이드 턱
440, 460: 직각 치구의 정사각형 단면 치구측 표면
450: 정사각형 치구
451, 452, 453, 454: 정사각형 치구의 각 표면

Claims

로봇 말단부의 한 방향의 이동 변위와 두 방향의 회전 변위를 측정하는 센서들이 설치되는 제1센서 설치부;
상기 제1 센서 설치부에 설치되는 센서들이 측정하는 변위와 독립적인 한 방향의 이동 변위와 한 방향의 회전 변위를 측정하는 센서들이 설치되는 제2 센서 설치부;
상기 본체의 제1센서 설치부에 설치되어 일방향으로 나란하게 연장된 세 개의 리니어 센서를 포함하는 제1 측정 유닛;
상기 본체의 제2센서 설치부에 설치되어 상기 제1 측정 유닛에 포함된 리니어 센서들과 직교하는 방향으로 나란하게 연장된 두 개의 리니어 센서를 포함하는 제2 측정 유닛;
위치 및 자세의 측정 대상인 로봇의 말단부와 연결되는 로봇 연결부; 및
상기 제1센서 설치부, 상기 제2센서 설치부 및 상기 연결부를 연결하는 상기 연결 아암을 포함하는 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 센서 설치부에는 세 개의 리니어 센서용 홀더가 설치되고, 상기 세 개의 홀더는 서로 삼각형을 형성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 센서 설치부에는 두 개의 리니어 센서용 홀더가 설치되고, 상기 두 개의 홀더는 도 4의 좌표계{W}를 기준으로 X축 방향으로 서로 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 장치와,
상기 로봇의 말단부의 작업 범위 내에 설치되고 직사각형 형상으로 만들어진 측정 구조물을 포함하는 로봇의 캘리브레이션을 위한 위치 및 자세 측정 시스템.