KR20140076248A - 로봇의 손목 축 움직임을 이용한 툴 보정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 센서를 이용하되 로봇 베이스와 센서 베이스 사이의 좌표 변환 관계식 없이 로봇의 손목 두 축만을 구동하여 툴 보정을 하게 됨으로써 별도의 추가 장치 없이 정확하게 툴 보정(Calibration)을 할 수 있도록 한 로봇의 손목 축 움직임을 이용한 툴 보정 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 로봇의 손목 두 축(J5,J6)을 회전하며, 센서(S)로 팁(Tip)의 위치를 측정하여 팁의 이동 거리를 계산(D2)하고, 두 축(J5,J6)의 회전 각도로부터 로봇의 축(J4,J5,J6)이 한 점에서 만나는 손목 중심 위치 또는 손목 축 중심 위치에 대한 팁의 위치를 계산하며 이 결과로부터 팁의 이동 거리를 계산(D1)한 후, 상기 D1-D2를 최소화하는 플렌지(Flange) 좌표계에 대한 팁의 위치를 계산하여 툴을 보정하게 됨을 특징으로 한다.

Description

로봇의 손목 축 움직임을 이용한 툴 보정 방법{The tool calibration method using robot's wrist axes movements}

본 발명은 로봇의 손목 축 움직임을 이용한 툴 보정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부 센서를 이용하되 로봇 베이스와 센서 베이스 사이의 좌표 변환 관계식 없이 로봇의 손목 두 축만을 구동하여 툴 보정을 하게 됨으로써 별도의 추가 장치 없이 정확하게 툴 보정(Calibration)을 할 수 있도록 한 로봇의 손목 축 움직임을 이용한 툴 보정 방법에 관한 것이다.

산업용 로봇은 자동화에 따른 생산성 향상 및 정밀작업의 수단으로 널리 사용되며, 이러한 산업용 로봇은 다수의 링크와 각 링크를 연결하는 관절로 이루어져 미리 설정된 작업 범위 내를 이동하며 용접, 조립 등의 필요한 작업을 수행하게 된다.

이러한 로봇의 작업을 위하여 작업 장치가 장착된 링크의 끝단이 해당 작업위치에 이동되는 단계를 거쳐야 한다.

이때, 로봇의 움직임은 관절에 장착되는 모터 등의 전기적 장치 또는 유압 장치를 사용하여 이루어지며, 이러한 장치로 특정위치를 찾아가는 과정 중 사용자가 의도하는 위치에 끝단이 놓이기 위해서는 각 링크의 길이, 휨에 대한 치수와 더불어 각 관절의 실제 회동 각도가 중요하다.

로봇의 제어에 있어 사용자가 의도한 위치와 실제 링크가 놓이는 위치의 오차가 발생하는데, 이러한 오차는 각 링크에 대한 동적 오차(dynamic error), 링크 무게로 인한 처짐, 기계 구조상 발생되는 백래쉬(backlash) 현상, 관절부의 컴플라이언스(compliance) 등 다양한 원인에 의한다.

이러한 링크 위치의 오차를 바로 잡기 위하여 캘리브레이션(Calibration) 기술이 발전하였으며, 이는 로봇의 링크의 위치 및 방위의 오차와 로봇이 가지는 기계적 특성 간의 관계를 살펴 기구학적 파라미터의 오차를 검출하여, 이를 로봇의 제어 프로그램에 반영하는 것이다.

로봇의 캘리브레이션(Calibration)은 사용 모델에 따라 로봇 링크 파라미터에 근거한 기구학적 캘리브레이션과 관절 관성, 링크 강성, 조립 공차, 백 래쉬, 커플링 오차, 마찰력 등의 비기구학적 파라미터(non-kinematic parameter)를 포함하는 캘리브레이션으로 나누어 고려될 수 있다.

기구학적 캘리브레이션 방법은 측정 도구 또는 구속조건에 따라 다양한 방법이 제시되고 있으나, 비기구학적 캘리브레이션 방법에 대하여서는 관련 논문에서도 비기구학적 캘리브레이션의 필요성 또는 파라미터가 전체 로봇 위치 오차에 대한 영향 등을 기술하는 정도에 그쳐 구체적인 해결 방법을 제시하지 못하고 있다.

캘리브레이션 작업을 수행하기 위해서는 로봇의 여러 자세에서의 툴 끝단(Tool Center Point,TCP)의 위치 및 방향의 측정이 필요하다.

이러한 측정작업을 빠르고 정밀하게 하기 위해서는 아래와 같은 조건을 가지고 있어야 한다.

첫째 캘리브레이션을 위해 필요한 최대한의 정보들을 측정할 수 있을 것, 둘째 측정 과정이 간단하고 표준화될 수 있을 것, 셋째 현장 상황이 변화하더라도 항상 측정이 가능하며 측정 오차가 최소화될 것, 넷째 측정 보조장치가 간단하고 조작이 편리할 것 등이다.

기존의 로봇 캘리브레이션의 경우 대부분 로봇에 부착된 툴의 TCP(Tool Center Point)를 단순한 지그에 교시(Teaching)하여 여기서 얻어진 데이터를 이용하여 로봇의 TCP의 위치만을 알아내는 방법을 사용하여 왔으며, 최근에는 레이저 트래커(Laser Tracker)와 같은 3차원 레이저 측정장비를 이용하여 로봇에 설치된 툴 TCP의 위치를 측정하는 방법을 사용하여 로봇의 캘리브레이션 작업을 수행해 오고 있다.

그러나, 기존의 레이저 측정장비를 이용한 측정 방법을 이용하여 툴 캘리브레이션을 수행할 경우 툴의 위치만을 캘리브레이션 할 수 있었으며, 방향은 교정할 수 없었다.

여기서 툴의 방향이라는 것은 엄밀하게는 툴의 작업방향을 의미하는 것으로서, TCP를 지나는 툴의 중심축 또는 이에 나란한 축을 의미한다.

바꿔 말해, 툴의 용도에 따른 기능이 수행되는 방향으로서, 직선형인 용접건의 경우 용접봉이 장착된 일단으로부터 용접면을 향한 타단으로의 방향을 의미하며, 페인팅 건의 경우 노즐이 향한 방향 또는 복수의 노즐이 구비되어 있을 경우 각 노즐의 평균적인 방향을 의미한다.

툴의 방향 캘리브레이션을 위해서는 툴 상의 3점 이상의 위치에 대한 정밀 측정이 필요한데, 이와 같은 측정은 매우 복잡하고 고가인 지그가 요할 뿐만 아니라 측정시간이 과도하게 소요되고 측정성도 현저히 떨어진다.

따라서 툴의 방향 캘리브레이션은 하지 않는 것이 상례였다.

이러한 로봇 툴 보정은 로봇의 툴 끝단(Tool Center Point,TCP)을 공간상의 특정한 한 점에 고정시키고 로봇의 자세를 사용자가 수동으로 다양하게 바꿔가며 로봇 기구값(링크 길이, 축 각도 등) 보정과 툴 보정을 하는 기술이 있다.

이때, 로봇 툴의 끝이 동일점을 유지하도록 로봇이 동작하거나 이를 위한 고정지그가 필요하다.

그리고, 외부 위치 측정기로 로봇의 툴 끝단 위치를 측정하여 축 보정 및 툴 보정을 하는 기술이 있다.

그러나, 상기의 외부 위치 측정기를 이용하는 경우 외부 위치 측정기와 로봇의 정확한 위치 관계에 관한 정보가 필요하다.

도 1은 종래에 따른 툴 보정 시스템의 구성도이며, 도 2는 종래의 툴 보정 순서도를 도시한 것이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 툴 보정은 로봇의 모든 축(J1,J2,J3,J4,J5,J6)을 움직이며, 측정기로 센서 베이스에 대한 팁(Tip)의 위치를 측정하여 로봇-센서 좌표 변환식으로부터 로봇 좌표에 대한 팁의 위치를 계산하고(X1), 로봇의 모든 축(J1,J2,J3,J4,J5,J6)의 회전 각도로부터 로봇 베이스에 대한 팁의 위치를 계산하며(X2), 상기 X1-X2를 최소화하는 플렌지(Flange)에 대한 팁의 위치를 계산하여 툴 보정을 하게 된다.

이와 같이, 종래의 툴 보정은 로봇의 모든 축(J1,J2,J3,J4,J5,J6)을 움직여 툴 끝단을 공간상의 여러 점에 위치시킨 후 이를 위치 측정기로 측정하며, 로봇의 설계값으로부터 계산되는 툴 끝단의 위치와 위치 측정기의 측정값의 차이를 최소화하는 로봇 기구값(링크 길이, 축 각도 등) 보정과 툴 보정값을 계산하여 로봇의 툴 보정을 하게 된다.

그러나, 상기한 종래에 따른 로봇의 툴 보정 방법은 로봇의 모든 축(6자유도 로봇의 경우 6개의 축,J1,J2,J3,J4,J5,J6)을 움직일 필요가 있어 로봇 각 축의 오차가 누적되어 툴 보정의 정확성이 떨어지게 되는 문제점이 있으며, 또한 지그와 같은 별도의 추가 장치가 필요하게 되어 설치 비용이 과다하게 소요됨은 물론 작업의 복잡성 및 효율성이 떨어지는 문제점이 있었다

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적은 로봇의 손목 두 축(J5,J6)만을 구동하며 외부 위치 측정기로 측정한 팁(Tip)의 위치와 두 축(J5,J6)의 회전 각도로부터 툴의 이동 거리를 계산하여 툴 보정을 하게 됨으로써 로봇 베이스와 센서 베이스 사이의 좌표 변환 관계식 없이 정확한 툴 보정이 가능하게 되어 제품의 성능 및 작업의 편리성을 극대화할 수 있도록 한 로봇의 손목 축 움직임을 이용한 툴 보정 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 로봇의 손목 두 축(J5,J6)을 회전하며, 센서로 팁(Tip)의 위치를 측정하여 팁의 이동 거리를 계산(D2)하고, 두 축(J5,J6)의 회전 각도로부터 손목의 축(J4,5,6)이 한 점에서 만나는 손목 중심 위치 또는 손목 축 중심 위치에 대한 팁의 위치를 계산하며 이 결과로부터 팁의 이동 거리를 계산(D1)한 후, 상기 D1-D2를 최소화하는 플렌지(Flange) 좌표계에 대한 팁의 위치를 계산하여 툴 보정을 하게 됨을 특징으로 하는 로봇의 손목 축 움직임을 이용한 툴 보정 방법을 제공함에 있다.

이와 같이 본 발명은 로봇의 손목 부위의 두 축만을 움직이므로 축의 오차로 인한 툴 보정 결과에 영향을 받지 않게 되어 정확한 툴 보정이 가능하게 됨에 따라 제품성 및 작업의 효율성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 적용 예로 로봇을 이용한 수술 시 수술 환경에서 사용되는 광학식 위치 측정기를 이용하여 지그와 같은 별도의 추가 장치 없이 수술장 내에서 툴 보정이 가능하게 됨으로써 설치 비용을 절감할 수 있으며 작업의 편리성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래에 따른 로봇 툴 보정 시스템을 도시한 구성도.
도 2는 종래에 따른 로봇 툴 보정을 도시한 순서도.
도 3은 본 발명에 따른 로봇 툴 보정 시스템을 도시한 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 로봇 툴 보정을 도시한 순서도.
도 5는 본 발명에 따른 툴 보정시 사용되는 뉴튼랩슨법에 대한 계산순서도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 로봇 툴 보정 시스템을 도시한 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 로봇 툴 보정을 도시한 순서도이다.

도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 다관절 로봇의 툴을 보정하는 방법에 있어서, 로봇의 네 축(J1,J2,J3,J4)은 기준값으로 고정한 상태에서 두 축(J5,J6)을 사용자가 미리 지정한 각도로 움직이며, 센서(S)로 팁(Tip)의 위치를 측정하여 팁의 이동 거리를 계산(D2)하고, 로봇의 두 축(J5,J6) 회전 각도로부터 로봇의 축(J4,J5,J6)이 한 점에서 만나는 손목 중심 위치 또는 손목 축 중심 위치에 대한 팁의 위치를 계산하며, 상기 로봇의 축(J4,J5,J6)이 한 점에서 만나는 손목 중심 위치 또는 손목 축 중심 위치에 대한 팁(Tip)의 위치 계산의 결과로부터 팁의 이동 거리를 계산(D1)하고, 상기 D1-D2를 최소화하는 플렌지(Flange) 좌표계에 대한 팁의 위치를 계산하여 로봇의 툴 보정을 하게 된다.

상기의 로봇 툴 보정 과정에서 입력(Input)시 P_sensor(X_sensor, Y_sensor, Z_sensor)는 센서(S)에서 측정한 팁(Tip)의 위치를 나타내며, θ5는 J5의 회전각도, θ6은 J6의 회전각도를 나타내고, L은 손목 축 중심위치로부터 플렌지(Flange)까지 로봇 링크 길이를 나타낸 것이다.

또한, 출력(Output)시 P_tool(X_tool, Y_tool, Z_tool)은 로봇 플렌지 좌표계에 대한 팁(Tip)의 위치를 나타낸 것이다.

상기의 센서(S)에서 측정한 팁(Tip)의 이동거리(D2)와 손목 축 중심위치에 대한 팁(Tip)의 이동거리(D1)의 차이를 계산하는 수식은 수학식 1과 같다.

(수학식 1)

P_{1 , wrist}=R₁P_tool,P_{2 , wrist}=R₂P_tool ………………………(1)

D₁ ²=(P_{2 , wrist}-P_{1 , wrist})^T(P_{2 , wrist}-P_{1 , wrist}) ……………(2)

D₂ ²=(P_{2 , sensor}-P_{1 , sensor})^T(P_{2 , sensor}-P_{1 , sensor}) …………(3)

f(P_tool)=f(x_tool,y_tool,z_tool)=D₁ ²-D₂ ² ………………(4)

P_tool : 툴의 보정값,(x_tool,y_tool,z_tool)

P_{1 , wrist},P_{2 , wrist} : 손목 축을 움직였을 때 팁(Tip)의 위치

P₁,_sensor,P_{2 , sensor} : 센서에서 측정한 팁(Tip)의 위치

R₁,R₂: 손목 축(J5,J6)의 회전 각도(θ5,θ6)에서 계산되는 회전 행렬

D₁ : 손목 축 회전 각도에서 계산되는 팁의 이동 거리

D₂ : 센서에서 측정한 점으로부터 계산되는 팁의 이동 거리

f : 이동 거리 제곱의 차이, D₁ ²-D₂ ²,최소화해야 하는 함수

상기와 같은 (1)~(4)를 통해 세워진 수식(4)를 최소화하는 P_tool을 다양한 수학적 방법으로 계산할 수 있는데 그 중 하나가 뉴튼랩슨법이다.

뉴튼랩슨법에 대한 수학식은 아래 수학식 2와 같다.

(수학식 2)

상기와 같은 수학식의 뉴튼랩슨법의 개요는,

이다.

또한, 상기의 수학식 2에 대한 순서도는 첨부된 도면 도 5에 도시된 바와 같다.

이와 같이 본 발명에 따른 로봇의 툴 보정(Calibration)은 기존 툴 보정 기술과 달리 외부 측정기와 로봇 베이스 사이의 좌표 변환 관계식을 사용하지 않고 로봇의 손목 부위의 두 축(J5,J6)만을 구동하여도 정확한 툴 보정을 이룰 수 있게 된다.

또한, 기존 툴 보정 방법은 로봇의 전 축(J1,J2,J3,J4,J5,J6)을 움직일 필요가 있어 로봇 각 축의 오차가 누적되어 툴 보정 결과에 영향이 큰 반면, 본 발명에 따른 툴 보정 방법은 로봇 손목 부위의 두 축(J5,J6)만을 움직이므로 축의 오차로 인한 툴 보정 결과에 영향을 받지 않게 된다.

이와 함께, 본 발명에 따른 툴 보정 방법은 적용 예로 로봇을 이용한 수술 시 수술 환경에서 사용되는 광학식 위치 측정기를 이용하여 지그와 같은 별도의 추가 장치 없이 수술장 내에서 툴 보정이 가능하게 되어 툴 보정을 편리하고 용이하게 수행할 수 있게 된다.

따라서, 상기 로봇의 툴 보정을 함에 있어 로봇의 손목 두 축(J5,J6)만의 움직임을 이용하여 센서 베이스와 손목 축 중심에 대한 팁의 위치를 측정 및 계산하고 팁의 거리를 계산하며(D1-D2), 상기 D1-D2를 최소화하는 플렌지(Flange) 좌표계에 대한 팁의 위치를 뉴튼랩슨법으로 계산하게 됨으로써 오차 없이 정확하게 보정할 수 있게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 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 범위 내에 있게 된다.

J1,J2,J3,J4,J5,J6 : 축
S : 센서

Claims (2)

1. 다관절 로봇의 툴 보정하는 방법에 있어서,
   로봇의 손목 부위의 두 축(J5,J6)을 사용자가 미리 지정한 각도로 움직이며,
   센서(S)로 팁(Tip)의 위치를 측정하여 팁의 이동 거리를 계산(D2)하고,
   로봇의 두 축(J5,J6) 회전 각도로부터 로봇의 축(J4,J5,J6)이 한 점에서 만나는 손목 중심 위치 또는 손목 축 중심 위치에 대한 팁의 위치를 계산하며,
   상기 로봇의 축(J4,J5,J6)이 한 점에서 만나는 손목 중심 위치 또는 손목 축 중심 위치에 대한 팁의 위치 계산의 결과로부터 팁의 이동 거리를 계산(D1)하고,
   상기 D1-D2를 최소화하는 플렌지(Flange) 좌표계에 대한 팁의 위치를 계산하여 로봇의 툴 보정을 하게 됨을 특징으로 하는 로봇의 손목 축 움직임을 이용한 툴 보정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 로봇의 두 축(J5,J6)은 회전하고 로봇의 네 축(J1,J2,J3,J4)은 기준값으로 고정한 상태에서 툴 보정을 하게 됨을 특징으로 하는 로봇의 손목 축 움직임을 이용한 툴 보정 방법.

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