KR20140015802A

KR20140015802A - 로봇 시스템의 충돌 방지 방법

Info

Publication number: KR20140015802A
Application number: KR1020120081040A
Authority: KR
Inventors: 백승민
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-02-07

Abstract

본 발명은 로봇 시스템의 충돌 방지 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 로봇 툴의 모델링 단계에서 로봇 툴의 형상을 캡슐형(Capsule type)으로 모델링함으로써, 다양한 형상을 가진 로봇 툴이 장착되는 경우에도 로봇 툴이 작업 공간을 벗어나거나 보호 공간을 침범하지 않도록 하여 로봇이 안전하게 작업할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

로봇 시스템의 충돌 방지 방법{COLLISION PREVENTION METHOD OF ROBOT SYSTEM}

본 발명은 로봇 시스템의 충돌 방지 방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 로봇 툴의 모델링 단계에서 로봇 툴의 형상을 캡슐형(Capsule type)으로 모델링함으로써, 다양한 형상을 가진 로봇 툴이 장착되는 경우에도 로봇 툴이 작업 공간을 벗어나거나 보호 공간을 침범하지 않도록 하여 로봇이 안전하게 작업할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 로봇 시스템은 로봇 베이스에 탑재된 로봇을 로봇 제어부에 의해 제어하는 시스템을 말하며, 도 1a 및 도 1b에는 이와 같은 일반적인 로봇 시스템 중 듀얼-암 로봇의 일례가 개략적으로 도시되어 있다.

도 1a 및 도 1b는 일반적인 듀얼-암 로봇을 나타낸 도면이다.

먼저, 도 1a를 참조하면, 듀얼-암 로봇(10)은 시스템 제어부(20)에서 설정된 프로그램에 따라 제1 암(13,15) 및 제 2 암(17,19)의 작동을 각각 독립적으로 제어하면서, 제1 암(13,15) 및 제 2 암(17,19)이 서로 충돌하지 않도록 제어한다.

이와 같이 구성된 듀얼-암 로봇(10)의 경우, 암의 충돌을 검출하기 위한 암의 모델링단계에서 도 1b와 같이 각 암의 형상을 직사각형으로 단순화하여 모델링한 후, 모델링된 정보와 다른 암의 직사각형 모델링 간에 중첩이 발생하면 로봇을 감속 정지시켜 암의 충돌을 방지한다.

그러나, 로봇 암에는 적재, 용접, 실러 도포 등의 용도에 따라 다양한 형상의 로봇 툴이 결착되는데, 종래 기술은 로봇 툴의 다양한 형상에 대하여는 전혀 고려를 하고 있지 않기 때문에, 실제 작업이 진행되는 동안 로봇 툴간에 충돌이 발생하게 됨으로써 조립 공정이 원활하게 수행되지 못하게 되는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 로봇 툴의 모델링 단계에서 로봇 툴의 형상을 캡슐형Capsule type)으로 모델링함으로써, 다양한 형상을 가진 로봇 툴이 장착되는 경우에도 로봇 툴이 작업 공간을 벗어나거나 보호 공간을 침범하지 않도록 하여 로봇이 안전하게 작업할 수 있도록 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 시스템의 충돌 방지 방법은, (a) 로봇 툴의 형상을 캡슐형으로 모델링하여 로봇 툴에 대한 캡슐형 모델을 생성하는 단계; (b) 모니터링이 필요한 3차원의 모니터링 공간을 설정하는 단계; (c) 로봇 툴의 위치를 모니터링 공간 좌표계의 좌표값으로 변환하는 단계; (d) 모니터링 공간이 작업 공간 타입인 경우, 상기 캡슐형 모델을 이용하여 로봇 툴이 동작중에 모니터링 공간을 벗어나는지를 판단하고, 로봇 툴이 모니터링 공간을 벗어난 것으로 판단되면 로봇을 감속 및 정지시키는 단계; 및 (e) 모니터링 공간이 보호 공간 타입인 경우, 상기 캡슐형 모델을 이용하여 로봇 툴이 동작중에 모니터링 공간을 침범하는지를 판단하고, 로봇 툴이 모니터링 공간을 침범한 것으로 판단되면 로봇을 감속 및 정지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 (a) 단계에서, 로봇 툴의 시작점 및 종료점과 반지름을 입력받아 로봇 툴을 완전히 감싸는 형태의 캡슐형 모델을 생성하고, 로봇 툴을 완전히 감싸도록 캡슐형 모델의 크기를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 (b) 단계에서, 모니터링 공간을 설정할 때 작업 공간 타입 또는 보호 공간 타입을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 (d) 단계에서, (d1) 3차원의 모니터링 공간을 2차원의 모니터링 공간으로 변환하는 단계; (d2) 로봇 툴의 캡슐형 모델이 2차원의 모니터링 공간 내부에 위치하는지를 확인하기 위한 경계 범위를 설정하는 단계; (d3) 로봇 툴의 캡슐형 모델이 2차원 모니터링 공간의 경계 범위 외부에 위치하는 경우 로봇 툴이 모니터링 공간을 벗어난 것으로 판단하는 단계; 및 (d4) 로봇 툴이 모니터링 공간을 벗어난 것으로 판단되면 로봇을 감속 및 정지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 로봇 툴의 캡슐형 모델이 2차원 모니터링 공간의 경계 범위 내부에 위치하는 경우 로봇 툴이 모니터링 공간을 벗어나지 않은 것으로 판단하여 로봇이 작업을 계속 수행할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 (e) 단계에서, (e1) 3차원의 모니터링 공간을 2차원의 모니터링 공간으로 변환하는 단계; (e2) 로봇 툴의 캡슐형 모델이 2차원의 모니터링 공간 외부에 위치하는지를 확인하기 위한 경계 범위를 설정하는 단계; (e3) 로봇 툴의 캡슐형 모델이 2차원 모니터링 공간의 경계 범위 내부에 위치하는 경우 로봇 툴이 모니터링 공간을 침범한 것으로 판단하는 단계; 및 (e4) 로봇 툴이 모니터링 공간을 침범한 것으로 판단되면 로봇을 감속 및 정지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 로봇 툴의 캡슐형 모델이 2차원 모니터링 공간의 경계 범위 외부에 위치하는 경우 로봇 툴이 모니터링 공간을 침범하지 않은 것으로 판단하여 로봇이 작업을 계속 수행할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 로봇 툴의 모델링 단계에서 로봇 툴의 형상을 캡슐형Capsule type)으로 모델링함으로써, 다양한 형상을 가진 로봇 툴이 장착되는 경우에도 로봇 툴이 작업 공간을 벗어나거나 보호 공간을 침범하지 않도록 하여 로봇이 안전하게 작업할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1a 및 도 1b는 일반적인 듀얼-암 로봇을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 시스템의 충돌 방지 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 시스템의 충돌 방지 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하거나 간략하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 시스템의 충돌 방지 방법을 나타낸 흐름도이며, 도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 시스템의 충돌 방지 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a 내지 도 3e를 기초로 도 2의 충돌 방지 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 로봇 툴의 형상을 캡슐형(Capsule type)으로 모델링하여 로봇 툴에 대한 캡슐형 모델(M)을 생성한다(S210).

여기에서, 캡슐형 모델(M)은 3차원 공간상에서 실제 로봇 툴의 부피를 모두 포함하는 가상의 볼륨으로 이해될 수 있다.

이러한 캡슐형 모델(M)은 도 3b에 도시된 바와 같이 반지름이 r인 원통(M1)의 윗면과 밑면에 반지름이 r인 반구(M2, M3)가 연결된 형상으로, 반지름(r)의 크기를 조절하여 로봇 툴을 완전히 감싸도록 모델링할 수 있다.

즉, 로봇 툴의 시작점과 종료점(Q1, Q2)(툴 좌표계 기준), 반지름(r)이 입력되면, 로봇 툴을 완전히 감싸는 형태의 캡슐형 모델(M)을 생성할 수 있다.

참고로, 캡슐형 모델(M)의 부피를 크게 하면 충돌 감지의 안정성은 향상되는 반면 로봇의 작업 효율성은 떨어지며, 이와 반대로 캡슐형 모델(M)의 부피를 작게 하면 충돌 감지의 안정성은 감소되는 반면 로봇의 작업 효율성은 향상된다. 따라서, 캡슐형 모델(M)의 반지름(r)을 적절히 조절하여 캡슐형 모델(M)의 부피를 크게 하거나 작게함으로써 로봇의 정밀도 및 작업 효율을 조절할 수 있다.

다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이 모니터링이 필요한 모니터링 공간을 설정한다(S220).

여기에서, 모니터링 공간은 작업 공간 타입 또는 보호 공간 타입으로 설정될 수 있는데, 로봇 툴이 모니터링 공간을 벗어나지 않고 작업을 수행해야 하는 경우에는 작업 공간 타입으로 설정되는 것이 바람직하고, 로봇 툴이 모니터링 공간을 침범하면 안되는 경우에는 보호 공간 타입으로 설정되는 것이 바람직하다.

즉, 모니터링 공간의 타입 및 형상과, 원점 위치(베이스 좌표계 기준)가 입력되면, 도 3c에 도시된 바와 같이 X, Y, Z축 방향의 너비를 갖는 직육면체 형상의 모니터링 공간을 설정할 수 있다.

다음으로, 로봇 좌표계상에서의 로봇 툴의 위치를 모니터링 공간 좌표계의 좌표값으로 변환한다(S230).

여기에서, 로봇 툴의 위치를 모니터링 공간 좌표계의 좌표값으로 변환하는 이유는, 모니터링 공간의 위치를 기준으로 하여 로봇 툴의 위치를 계산하기 위해서이며, 다음의 수학식 1에 의해 로봇 툴의 위치를 모니터링 공간 좌표계의 좌표값으로 변환할 수 있다.

여기에서, ^SP는 모니터링 공간 좌표계에서의 로봇 툴의 위치이고, ^B _SR^T는 모니터링 공간의 회전행렬(rotation matrix)이고, ^BP는 베이스좌표계에서의 로봇 툴의 위치이고, ^BP_SORG는 베이스좌표계에서의 모니터링 공간 원점의 위치이다.

그 다음, 모니터링 공간의 타입을 확인하여(S240), 모니터링 공간이 작업 공간 타입이면 로봇 툴이 동작중에 모니터링 공간을 벗어나는지를 판단하며(S250), 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3c에 도시된 바와 같이 3차원의 모니터링 공간을 2차원의 모니터링 공간(XY 평면, YZ 평면, XZ 평면)으로 변환한다.

그 다음, 도 3d에 도시된 바와 같이 캡슐형 모델(M)이 2차원의 모니터링 공간 내부에 위치하는지를 확인하기 위한 경계 범위(도 3d의 빗금친 영역)를 설정한다.

다음으로, 캡슐형 모델(M)에서 두 원(M2, M3)의 중심점(Q1, Q2) 사이의 직선이 2차원 모니터링 공간의 경계 범위 내부에 위치하는지의 여부에 따라 로봇 툴이 모니터링 공간을 벗어나는지를 판단한다(S250).

만약 두 원(M2, M3)의 중심점(Q1, Q2) 사이의 직선이 2차원 모니터링 공간의 경계 범위 내부에 위치하지 않고 외부에 위치하고 있으면, 로봇 툴이 모니터링 공간을 벗어난 것으로 판단하여, 로봇을 감속 및 정지시킨다(S260).

그리고, 두 원(M2, M3)의 중심점(Q1, Q2) 사이의 직선이 2차원 모니터링 공간의 경계 범위 내부에 위치하고 있으면, 로봇 툴이 모니터링 공간을 벗어나지 않은 것으로 판단하여, 로봇이 작업을 계속 수행할 수 있도록 한다.

한편, 모니터링 공간이 보호 공간 타입인 경우, 로봇 툴이 동작중에 모니터링 공간을 침범하는지를 판단하며(S270), 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3e에 도시된 바와 같이 로봇 툴이 2차원의 모니터링 공간 외부에 위치하는지를 확인하기 위한 경계 범위(도 3e의 빗금친 영역)를 설정한다.

다음으로, 캡슐형 모델(M)에서 두 원(M2, M3)의 중심점(Q1, Q2) 사이의 직선이 2차원 모니터링 공간의 경계 범위 외부에 위치하는지의 여부에 따라 로봇 툴이 동작중에 모니터링 공간을 침범하는지를 판단한다(S270).

만약 두 원(M2, M3)의 중심점(Q1, Q2) 사이의 직선이 2차원 모니터링 공간의 경계 범위 외부에 위치하지 않고 내부에 위치하고 있으면, 로봇 툴이 모니터링 공간을 침범한 것으로 판단하여, 로봇을 감속 및 정지시킨다(S280).

그리고, 두 원(M2, M3)의 중심점(Q1, Q2) 사이의 직선이 2차원 모니터링 공간의 경계 범위 외부에 위치하고 있으면, 로봇 툴이 모니터링 공간을 침범하지 않은 것으로 판단하여, 로봇이 작업을 계속 수행할 수 있도록 한다.

즉, 캡슐형 모델(M)이 작업 공간을 벗어나는 경우, 또는 캡슐형 모델(M)이 보호 공간을 침범하는 경우, 로봇 툴이 동작중에 다른 구성요소와 충돌할 가능성이 있는 것으로 간주하여 로봇을 감속 및 정지시키는 것이다.

도 4 및 도 5는 동일한 자세를 취한 로봇에서 로봇 툴의 형상을 캡슐형으로 모델링한 경우와 구형상으로 모델링한 경우의 로봇의 작업 효율성을 나타낸 도면으로, 도 4(a) 및 도 5(a)에 도시된 바와 같이 로봇 툴의 형상을 구형상으로 모델링한 경우에는 로봇 툴의 작업 영역이 좁아져 작업 효율성이 떨어지는 반면 (로봇 툴이 실제적으로 모니터링 공간을 침범하지 않았음에도 불구하고 모니터링 공간을 침범한 것으로 간주하여 작업을 중지시킴), 도 4(b) 및 도 5(b)에 도시된 바와 같이 로봇 툴의 형상을 캡슐형(Capsule type)으로 모델링한 경우에는 작업 영역이 더 넓어져 작업 효율성이 향상되는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 로봇 툴의 모델링 단계에서 로봇 툴의 형상을 캡슐형(Capsule type)으로 모델링함으로써, 다양한 형상을 가진 로봇 툴이 장착되는 경우에도 로봇 툴이 작업 공간을 벗어나거나 보호 공간을 침범하지 않도록 하여 로봇이 안전하게 작업할 수 있게 되는 효과가 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되어지는 것으로, 본 발명의 범위가 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 다른 형태로 변형이 가능함은 물론이다.

M : 캡슐형 모델
M1 : 캡슐형 모델의 사각형
M2, M3 : 캡슐형 모델의 원

Claims

(a) 로봇 툴의 형상을 캡슐형으로 모델링하여 로봇 툴에 대한 캡슐형 모델을 생성하는 단계;
(b) 모니터링이 필요한 3차원의 모니터링 공간을 설정하는 단계;
(c) 로봇 툴의 위치를 모니터링 공간 좌표계의 좌표값으로 변환하는 단계;
(d) 모니터링 공간이 작업 공간 타입인 경우, 상기 캡슐형 모델을 이용하여 로봇 툴이 동작중에 모니터링 공간을 벗어나는지를 판단하고, 로봇 툴이 모니터링 공간을 벗어난 것으로 판단되면 로봇을 감속 및 정지시키는 단계; 및
(e) 모니터링 공간이 보호 공간 타입인 경우, 상기 캡슐형 모델을 이용하여 로봇 툴이 동작중에 모니터링 공간을 침범하는지를 판단하고, 로봇 툴이 모니터링 공간을 침범한 것으로 판단되면 로봇을 감속 및 정지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템의 충돌 방지 방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서,
로봇 툴의 시작점 및 종료점과 반지름을 입력받아 로봇 툴을 완전히 감싸는 형태의 캡슐형 모델을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템의 충돌 방지 방법.
제2항에 있어서, 상기 (a) 단계에서,
로봇 툴을 완전히 감싸도록 캡슐형 모델의 크기를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템의 충돌 방지 방법.
제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,
모니터링 공간을 설정할 때 작업 공간 타입 또는 보호 공간 타입을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템의 충돌 방지 방법.
제1항에 있어서, 상기 (d) 단계에서,
(d1) 3차원의 모니터링 공간을 2차원의 모니터링 공간으로 변환하는 단계;
(d2) 로봇 툴의 캡슐형 모델이 2차원의 모니터링 공간 내부에 위치하는지를 확인하기 위한 경계 범위를 설정하는 단계;
(d3) 로봇 툴의 캡슐형 모델이 2차원 모니터링 공간의 경계 범위 외부에 위치하는 경우 로봇 툴이 모니터링 공간을 벗어난 것으로 판단하는 단계; 및
(d4) 로봇 툴이 모니터링 공간을 벗어난 것으로 판단되면 로봇을 감속 및 정지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템의 충돌 방지 방법.
제5항에 있어서,
(d5) 로봇 툴의 캡슐형 모델이 2차원 모니터링 공간의 경계 범위 내부에 위치하는 경우 로봇 툴이 모니터링 공간을 벗어나지 않은 것으로 판단하여 로봇이 작업을 계속 수행할 수 있도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템의 충돌 방지 방법.
제1항에 있어서, 상기 (e) 단계에서,
(e1) 3차원의 모니터링 공간을 2차원의 모니터링 공간으로 변환하는 단계;
(e2) 로봇 툴의 캡슐형 모델이 2차원의 모니터링 공간 외부에 위치하는지를 확인하기 위한 경계 범위를 설정하는 단계;
(e3) 로봇 툴의 캡슐형 모델이 2차원 모니터링 공간의 경계 범위 내부에 위치하는 경우 로봇 툴이 모니터링 공간을 침범한 것으로 판단하는 단계; 및
(e4) 로봇 툴이 모니터링 공간을 침범한 것으로 판단되면 로봇을 감속 및 정지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템의 충돌 방지 방법.
제7항에 있어서,
(e5) 로봇 툴의 캡슐형 모델이 2차원 모니터링 공간의 경계 범위 외부에 위치하는 경우 로봇 툴이 모니터링 공간을 침범하지 않은 것으로 판단하여 로봇이 작업을 계속 수행할 수 있도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 시스템의 충돌 방지 방법.