KR20130000496A - 가속도센서와 자이로센서를 구비한 로봇 교시장치와 이를 이용한 로봇제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가속도센서와 자이로센서를 구비한 로봇 교시장치와 이를 이용한 로봇제어방법에 관한 것으로, 그 목적은 다관절 로봇의 움직임을 공간상에서 움직이는 센서모듈에 의해 제어하여, 로봇 움직임을 신속하고 정확하게 할 수 있는 가속도센서와 자이로센서를 구비한 로봇 교시장치와 이를 이용한 로봇제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 공간상의 움직임을 통해 로봇 위치 및 동작을 제어하는 센서모듈과, 상기 센서모듈과 연결되고 센서모듈의 상대이동량을 산출하는 티칭팬던트와, 상기 티칭팬던트와 연결되어, 센서모듈의 상대이동량이 입력되며, 입력된 상대이동량에 따라 이동경로가 산출되어 로봇을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되어, 센서모듈의 공간상 움직임에 의해 로봇핸드에 설치된 툴의 끝단 위치를 조절하도록 되어 있다.

Description

가속도센서와 자이로센서를 구비한 로봇 교시장치와 이를 이용한 로봇제어방법{Teaching apparatus of robot having acceleration sensor and Gyro-sensor and teaching method for robot using the same}

본 발명은 가속도센서와 자이로센서를 구비한 로봇 교시장치와 이를 이용한 로봇제어방법에 관한 것으로, 로봇의 위치 및 동작을 교시하는 티칭 팬던트에 센서모듈를 연결 설치하고, 상기 센서모듈의 공간상 움직임을 가속도센서와 자이로센서에 의해 감지하여, 로봇 툴 위치를 자동으로 제어할 수 있는 가속도센서와 자이로센서를 구비한 로봇 교시장치와 이를 이용한 로봇제어방법에 관한 것이다.

오늘날 로봇은 사람을 대신하여 각종 작업을 수행하는 도구로서 중요한 역할을 수행하고 있다. 로봇은 주로 사람의 팔을 대신하여 제조업 생산라인에서 물류, 조립, 용접, 페인팅을 비롯한 여러 형태 작업의 자동화에 사용됨으로서 생산성 향상과 함께 비인간적인 작업으로부터 인간을 보호하는데 기여하고 있을 뿐 아니라 인간이 작업할 수 없는 극한환경의 작업, 예를 들면, 핵발전소의 방사선 오염지역, 독극물 오염지역, 해저, 우주작업 등에서 인간을 대신하여 다양한 작업을 수행하고 있다 .

일반적으로 다관절 로봇은 몸체를 이루는 베이스에 다관절의 링크들이 연결되고, 그 끝단에 로봇핸드가 장착되어 있으며, 링크의 연결부위에는 선회 이동하기 위한 회전축과, 그 회전축을 작동시키기 위한 회전축 모터가 설치되고, 로봇핸드에는 상승 또는 하강 이동하기 위한 작동축과 그 작동축을 작동시키기 위한 작동축 모터가 설치되어 있다.

또한, 다관절 로봇은 다수의 축을 구동하기 위한 모터들을 이용하여 로봇 핸드에 부착된 툴(tool)을 움직여 원하는 작업을 수행하도록 되어 있으며, 툴(tool)은 작업 내용에 따라 달라지게 된다.

또한, 이러한 다관절 로봇에게 인간이 원하는 작업을 수행하게 하는 방법은 편의상 크게 두 가지 유형으로 분류할 수 있는데 이는 로봇에게 원하는 위치나 운동을 지시하여 기억시키고 이를 재현하도록 하는 교시(Teach)운동 방법과, 로봇에게 지능을 부여하고 작업 목표를 지시하여 주변 환경을 로봇 스스로 판단하여 필요한 운동을 발생하는 자율(Autonomous)운동 방법이다.

종래에는 인간이 원하는 작업을 로봇에 교시하기 위하여 별도의 조작기(일반적으로 티칭팬던트라 함)를 이용하는 경우가 대부분이며 경우에 따라서는 로봇의 말단에 힘/토크센서를 장착하여 사용자가 로봇에 직접 인가하는 힘/토크를 측정하여 로봇을 운전하는 경우도 있다. 또한, 티칭팬던트의 경우에는 그 사용이 매우 번거롭고, 로봇을 움직이기 위해서는 많은 시간이 걸리는 단점이 있으며, 힘/토크 센서를 이용하여 로봇의 말단부의 움직임을 직접교시하는 경우에는 센서가 매우 고가라는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같은 종래의 기술과 대비되는 로봇제어 관련 선행문헌으로는

국내등록특허 10-0907906 호, "터치센서를 이용한 로봇의 직접 교시방법", 로봇의 직접교시 방법에 있어서, 상기 로봇의 각각의 모듈, 또는 링크에 적어도 두개 이상의 터치센서를 구비한 터치센서 그룹을 장착하여, 선택되는 어느 하나의 터치센서를 터치하면 모듈의 일측 관절을 어느 한 방향으로 동작하게 하고, 또 다른 터치센서를 터치하면 상기 방향과 반대의 방향으로 동작하게 하여 교시하는 것을 특징으로 하되, 상기 터치센서 그룹을 모듈, 또는 링크의 길이방향으로 다수개 장착하여, 상기 터치센서 그룹 중 어느 하나의 터치센서 그룹을 기준하여 일방향의 터치센서 그룹으로 갈수록 관절 동작 크기를 점진적 증가, 또는 점진적 감소되게 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 터치센서를 이용한 로봇의 직접교시방법.

국내등록특허 10-0731418 호 "로봇 교시방법", 복수의 동작 좌표를 갖는 로봇부의 동작 위치와 속도를 설정하기 위한 로봇의 교시 장치(teaching pendant of robot)로서, (a) 상기 로봇부의 상기 복수의 동작 좌표 중 하나를 지정하는 복수의 동작키와, (b) 상기 로봇부를 지정된 동작 좌표에 위치하도록 제어하는 기능과, 상기 로봇부의 동작 속도를 제어하는 기능 양쪽의 기능을 갖는, 상기 로봇부의 동작을 제어하는 제어부를 구비하되,

상기 제어부는 푸쉬(push) 및 풀(pull) 중 적어도 하나와 회전과의 쌍방의 동작이 가능하게 설치된 조그 다이얼을 구비하고, 상기 조그 다이얼은 소정의 회전 위치 간격으로 펄스를 발생하며, 상기 로봇부는,

(ⅰ) 상기 조그 다이얼이 푸쉬 및 풀되어 있지 않은 상태에서 상기 조그 다이얼이 회전될 때, 상기 로봇부는 상기 조그 다이얼이 발생하는 펄스마다 미리 설정된 이동량을 피치 동작으로 이동하고, 상기 조그 다이얼이 푸쉬 및 풀 중의 적어도 하나의 상태에서 상기 조그 다이얼이 회전될 때, 상기 로봇부는 조그 다이얼의 회전량에 대응하는 동작 속도로 연속 동작하는 동작과,

(ⅱ) 상기 조그 다이얼이 푸쉬 및 풀되어 있지 않은 상태에서 상기 조그 다이얼이 회전될 때, 상기 로봇부는 조그 다이얼의 회전량에 대응하는 동작 속도로 연속 동작하고, 상기 조그 다이얼이 푸쉬 및 풀 중의 적어도 하나의 상태에서 상기 조그 다이얼이 회전될 때, 상기 로봇부는 상기 조그 다이얼이 발생하는 펄스마다 미리 설정된 이동량을 피치 동작으로 이동하는 동작중의 하나의 동작을 행하는, 로봇의 교시 장치. 등이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 그 목적은 다관절 로봇의 움직임을 공간상에서 움직이는 센서모듈에 의해 제어하여, 로봇 움직임을 신속하고 정확하게 할 수 있는 가속도센서와 자이로센서를 구비한 로봇 교시장치와 이를 이용한 로봇제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 센서모듈의 공간상 움직임을 자이로센서 및 가속도센서에 의해 동시 감지하여, 로봇의 위치 및 회전각을 정확하게 추종할 수 있는 가속도센서와 자이로센서를 구비한 로봇 교시장치와 이를 이용한 로봇제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 공간상의 움직임을 통해 로봇 위치 및 동작을 제어하는 센서모듈과, 상기 센서모듈과 연결되고 센서모듈의 상대이동량을 산출하는 티칭팬던트와, 상기 티칭팬던트와 연결되어, 센서모듈의 상대이동량이 입력되며, 입력된 상대이동량에 따라 이동경로가 산출되어 로봇을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되어, 센서모듈의 공간상 움직임에 의해 로봇핸드에 설치된 툴의 끝단 위치를 조절하도록 되어 있다.

이와 같이 본 발명은 센서모듈을 조작자가 파지하여 공간상에서 움직임에 따라, 로봇의 위치 및 움직임이 자동으로 추종되도록 되어 있어, 작업자가 원하는 위치로 로봇 툴을 직관적으로 빠른시간내에 이동시킬 수 있으며, 이를 통해 작업성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 로봇핸드에 설치된 툴의 끝단을 센서모듈의 조작기준점으로 설정되어 있어, 센서모듈의 조작시, 툴의 위치제어를 신속하게 할 수 있을 뿐 아니라, 위치의 제어를 용이하게 할 수 있다.

또한, 본 발명은 자이로센서와 가속도센서에 의해 센서모듈의 움직임의 회전정도 및 이동정도를 분리측정하도록 되어 있어, 센서모듈의 공간상 움직임에 대한 정보를 정확하게 측정할 수 있으며, 이를 통해 센서모듈의 정확한 상대이동량 산출에 의해 로봇 툴의 끝단을 센서모듈에 따라 정확하게 제어할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도
도 2 는 본 발명에 따른 신호의 흐름을 보인 블록예시도
도 3 은 본 발명에 따른 흐름도

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도를, 도 2 는 본 발명에 따른 신호의 흐름을 보인 블록예시도를, 도 3 은 본 발명에 따른 흐름도를 도시한 것으로, 도 3 의 (a)는 전체 제어흐름도를, (b)는 가속도센서부에 따른 흐름도를, (c)는 자이로센서부에 따른 흐름도를 각각 도시한 것이다.

본 발명은 공간상의 움직임을 통해 로봇 위치 및 동작을 제어하는 센서모듈(10)과,

상기 센서모듈(10)과 연결되고 센서모듈(10)의 상대이동량을 산출하는 티칭팬던트(20)와,

상기 티칭팬던트(20)와 연결되어, 센서모듈(10)의 상대이동량이 입력되며, 입력된 상대이동량에 따라 이동경로가 산출되어 로봇을 제어하는 제어부(30)를 포함하여 구성되어, 센서모듈(10)의 공간상 움직임에 의해 로봇핸드에 설치된 툴(51)의 끝단 위치(52)를 조절하도록 되어 있다.

상기 센서모듈(10)은 로봇(50)에 교시하기 위하여, 작업자가 손에 쥐고 공간상에서 조작하는 조작기로, 이네이블(Enable) 스위치(11)를 구비하는 몸체(12)와, 상기 몸체(12) 내부에 설치되어 몸체의 움직임에 따른 위치를 감지하는 가속도센서부(13)와, 상기 몸체 내부에 설치되어 몸체의 움직임에 따른 회전각을 감지하는 자이로센서부(14)를 포함한다.

상기 몸체(12)는 작업자의 손내에 파지되는 것으로, 상부 즉, 작업자의 엄지손가락에 조작이 가능한 이네이블 스위치(11)가 설치되어 있으며, 상기 이네이블 스위치(11)의 작동에 의해 센서모듈(10)내 자이로센서부(14)와 가속도센서부(13)로 부터 측정된 각속도와 가속도를 티칭팬던트(20)의 ＣＰＵ(21) 에서 처리하기 시작하며, 이와 같은 처리에 의해 로봇(50)의 움직임이 제어된다. 즉, 이네이블 스위치(11)를 오프시키면 로봇(50)이 정지되게 된다.

상기 가속도센서부(13)는 3개의 가속도센서가 서로 직교되는 3축 즉, Ｘ축, Ｙ축, Ｚ축으로 구성되어, 3차원 공간상의 가속도를 얻도록 되어 있다. 즉, 하나의 가속도센서는 측정물(센서모듈)의 공간상 움직임 발생시, 1개의 축에 대한 가속도를 측정하도록 되어 있으며, 3축에 연결된 가속도센서에 의해 3차원 공간상의 가속도가 측정된다.

상기 자이로센서부(14)는 3개의 자이로센서가 서로 직교하는 3축 즉, Ｒｘ, Ｒｙ, Ｒｚ 으로 구성되어, 3차원 공간상의 각가속도(Roll, Pitch, Yaw)를 얻을 수 있다. 즉, 하나의 자이로센서는 측정물의 공간상의 1개의 축에 대한 각가속도를 측정하도록 되어 있으며, 3축에 연결된 자이로센서에 의해 3차원 공간상의 각가속도가 측정된다.

또한, 3축 가속도 센서만으로 3차원 공간상의 위치를 파악할 수 있으나, 센서의 오차 및 적분시 오차가 누적되어 실용화에 문제가 되고, 3축 가속도 센서만으로도 회전각을 구할수 있으나, 위치가 및 회전이 동시에 변하는 경우는 회전각의 오차가 커지는 문제점이 있다.

또한, 3축 자이로센서만으로 3차원 공간상의 회전각도를 파악할 수 있으나, 센서의 오차 및 적분시 오차가 누적되어 실용화에 문제가 되고, 3축 각가속도 센서만으로도 3차원의 위치를 구할 수 있으나, 위치가 및 회전이 동시에 변하는 경우는 위치의 오차가 커지는 문제점이 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 센서모듈(10)은 로봇핸드에 설치되는 툴의 끝단(52)을 기준으로 설정되도록 되어 있으며, 내부에 가속도센서부(13)와 자이로센서부(14)를 동시에 구비하도록 되어 있어, 각 센서의 단점을 서로 보완하고, 정확한 위치제어가 가능하도록 되어 있다.

상기 티칭팬던트(20)는 센서모듈(10) 및 제어부(30)와 연결되고, 센서모듈(10)의 가속도센서부(13) 및 자이로센서부(14)로부터 측정된 가속도 및 각가속도가 티칭팬던트의 ＣＰＵ(21)에서 처리되어 센서모듈(10)의 상대이동량이 산출되고, 산출된 상대이동량은 제어부(30)로 전송입력된다.

즉, 가속도센서부(13)에서 측정된 가속도를 적분하면 속도를 얻을 수 있고, 속도를 적분하면 위치를 얻을 수 있으며, 자이로센서부(14)에 측정된 각가속도를 적분하면 각속도를 얻을 수 있고, 각속도를 적분하면 회전각을 얻을 수 있으며, 이와 같은 과정은 티칭팬던트의 ＣＰＵ(21)에서 처리되어 산출된 상대이동량이 제어부로 전송입력된다.

상기 제어부(30)는 로봇의 동작 및 자세를 산출하고, 산출된 로봇의 동작 및 자세를 기준으로, 티칭팬던트(20)로부터 입력된 상대이동량에 따른 이동경로를 산출하여, 로봇(50)에 이동명령을 하게 된다.

상기 제어부(30)로부터의 이동명령은 제어부(30)로부터 로봇의 위치, 속도지령을 추종하는 서보제어부(53)와, 상기 서보제어부(53)로부터의 신호를 증폭하는 드라이브 유니트(54)와, 상기 드라이브 유니트(54)와 연결되고 로봇을 움직이는 복수의 서보모터(55)를 통해 로봇에 전달되어 로봇(50)의 움직임이 조정되게 된다.

상기 서보제어부, 드라이브 유니트, 서보모터는 다관절로봇에서 널리 사용되고 있는 것이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 로봇의 제어를 구체적으로 설명하면, 로봇에 교시하기 위해서는 공간상의 Ｘ축, Ｙ축, Ｚ축 위치와, 각축의 회전 값(Roll, Pitch, Yaw)에 대한 6개의 파라메터가 필요하다.

가속도 센서는 Ｘ축, Ｙ축, Ｚ축 방향의 가속도값을 센싱하고, 티칭팬던트의 ＣＰＵ에서 각축별로 가속도값을 적분하면 Ｘ축, Ｙ축, Ｚ축 방향의 속도를 알 수 있고, 또한 속도성분을 적분하면 이동량을 알 수 있다.

자이로 센서는 Ｘ축, Ｙ축, Ｚ축의 회전 각속도를 센싱하고, 티칭팬던트의 ＣＰＵ에서 각 축별로 각가속도값을 적분하면, 각축별 각속도를 알 수 있으면, 각속도를 다시 한번 적분하면, 상대적인 회전각도(Roll, Pitch, Yaw)를 알 수 있다.

본 발명은 센서모듈 가속도센서로부터의 Ｘ축, Ｙ축, Ｚ축의 이동량 및 자이로 센서로부터의 Roll, Pitch, Yaw 변화량만큼 제어부에서 로봇을 움직이게 지령하면, 센서모듈의 움직임에 따라 로봇이 동일하게 추종되게 된다.

또한, 본 발명은 가속도센서 및 자이로센서의 오차 및 적분 연산에 의한 누적 오차 문제는 센서로부터 절대 위치 및 각도값을 사용하지 않고, 상대적인 값만을 사용하여 해결하도록 되어 있다.

즉, 조작자가 파지하고 있는 센서 모듈에는 로봇 이네이블(Enable) 스위치가 설치되어 있으며, 상기 이네이블(Enable) 스위치를 누른 순간부터, 티칭팬던트의 ＣＰＵ에서는 3차원 공간상의 위치 및 각도를 '0'으로 클리어하고, 센서 데이타를 적분하기 시작한다. 계산된 3차원 위치 및 회전각은 이네이블(Enable) 스위치를 누른 순간의 센서모듈의 위치 및 회적각으로 부터의 상대 위치 및 각도이며, 제어부의 CPU는 현재 로봇의 위치 및 각도에 대하여, 입력된 상대 위치 및 각도를 계산하여 로봇 이동 명령을 내리게 되고, 이에 따라 로봇이 움직인다.

또한, 상기 이네이블(Enable) 스위치를 오프(OFF) 시키면, 로봇이 정지하고, 다시 이네이블(Enable) 스위치를 누르면, 위치 및 각도가 초기화되어 적분 누적 오차 문제를 극복할 수 있도록 되어 있다.

또한, 본 발명은 센서 모듈과 로봇의 위치에 차이가 발생되면, 조작자가 의도적으로 이네이블(Enable) 스위치를 온/오프하여, 오차를 리셋(Reset) 시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 로봇 교시장치를 이용한 로봇제어방법을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 센서모듈을 작업자가 파지하고 이네이블 스위치를 작동(ON)시키는 초기단계;

센서모듈을 공간상에서 이동시키는 조작단계;

센서모듈의 이동에 따라 가속도센서부 및 자이로센서부에서 센서모듈의 3축에 대한 가속도 및 각속도를 감지하여 티칭팬던트의 ＣＰＵ로 전송하는 감지단계;

티칭팬던트의 ＣＰＵ에서 입력된 가속도 및 각속도에 의해 3축에 대한 상대위치 및 상대회전각을 산출하여, 센서모듈의 상대이동량을 제어부로 전송입력하는 입력단계;

티칭팬던트로부터 입력된 상대이동량에 따라 로봇으로부터 입력된 위치 및 각도를 기준으로 이동경로를 산출하여, 로봇에게 이동명령을 내리는 제어단계;

제어부로부터의 이동명령에 의해 서보모터가 제어되어 센서모듈의 움직임에 추종되어 로봇에 설치된 툴의 끝단 위치가 이동되도록 로봇이 작동되는 로봇작동단계;를 포함한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

(10) : 센서모듈 (11) : 이네이블 스위치
(12) : 몸체 (13) : 가속도센서부
(14) : 자이로센서부 (20) : 티칭팬던트
(21) : 티칭팬던트 ＣＰＵ (30) : 제어부
(50) : 로봇 (51) : 툴
(52) : 툴 끝단 (54) : 서보제어부
(55) : 드라이브 유니트 (56) : 서보모터

Claims (4)

1. 가속도센서부와 자이로센서부를 구비하고, 작업자의 공간상 움직임을 통해 로봇 위치 및 동작을 제어하는 센서모듈;
   상기 센서모듈과 연결되고 센서모듈의 상대이동량을 산출하는 티칭팬던트;
   상기 티칭팬던트와 연결되어, 센서모듈의 상대이동량이 입력되며, 입력된 상대이동량에 따라 이동경로가 산출되어 로봇을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되어,
   센서모듈의 공간상 움직임에 의해 로봇핸드에 설치된 툴의 끝단 위치가 조절되도록 한 것을 특징으로 하는 가속도센서와 자이로센서를 구비한 로봇 교시장치.
   
2. 청구항 1 에 있어서;
   상기 센서모듈은 이네이블(Enable) 스위치를 구비하는 몸체와, 상기 몸체 내부에 설치되어 몸체의 움직임에 따른 위치를 감지하는 가속도센서부와, 상기 몸체 내부에 설치되어 몸체의 움직임에 따른 회전각을 감지하는 자이로센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가속도센서와 자이로센서를 구비한 로봇 교시장치.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서;
   상기 가속도센서부는 3개의 가속도센서가 서로 직교되도록 Ｘ축, Ｙ축, Ｚ축으로 구성되고,
   상기 자이로센서부는 3개의 자이로센서가 서로 직교되도록 Ｒｘ, Ｒｙ, Ｒｚ 으로 구성된 것을 특징으로 하는 가속도센서와 자이로센서를 구비한 로봇 교시장치.
   
4. 센서모듈을 작업자가 파지하고 이네이블 스위치를 작동(ON)시키는 초기단계;
   센서모듈을 공간상에서 이동시키는 조작단계;
   센서모듈의 이동에 따라 가속도센서부 및 자이로센서부에서 센서모듈의 3축에 대한 가속도 및 각속도를 감지하여 티칭팬던트의 ＣＰＵ로 전송하는 감지단계;
   티칭팬던트의 ＣＰＵ에서 입력된 가속도 및 각속도에 의해 3축에 대한 상대위치 및 상대회전각을 산출하여, 센서모듈의 상대이동량을 제어부로 전송입력하는 입력단계;
   티칭팬던트로부터 입력된 상대이동량에 따라 로봇으로부터 입력된 위치 및 각도를 기준으로 이동경로를 산출하여, 로봇에게 이동명령을 내리는 제어단계;
   제어부로부터의 이동명령에 의해 서보모터가 제어되어 센서모듈의 움직임에 추종되어 로봇에 설치된 툴의 끝단 위치가 이동되도록 로봇이 작동되는 로봇작동단계;를 포함하는 가속도센서와 자이로센서를 구비한 로봇 교시장치를 이용한 로봇제어방법.

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