KR20180078100A - 용접로봇의 tcp 캘리브레이션 장치 및 그를 이용한 캘리브레이션 방법 - Google Patents

용접로봇의 tcp 캘리브레이션 장치 및 그를 이용한 캘리브레이션 방법 Download PDF

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Abstract

용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치 및 그를 이용한 캘리브레이션 방법에 관한 것으로, 용접로봇의 토치 선단에 설치되는 툴팁과 TCP 캘리브레이션을 위해 내부에 툴팁이 이동하는 이동공간이 형성되고 바닥면에 회전 가능하게 설치되는 캘리브레이션 지그를 포함하는 구성을 마련하여, 미리 설정된 가로 및 세로길이를 갖는 캘리브레이션 지그 내부의 이동공간에서 툴팁을 이동시킨 거리를 이용해서 용접로봇의 TCP를 정밀하게 캘리브레이션할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치 및 그를 이용한 캘리브레이션 방법{TCP CALIBRATION APPARATUS FOR WELDING ROBOT AND CALIBRATION METHOD WITH THE SAME}
본 발명은 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치 및 그를 이용한 캘리브레이션 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용접로봇의 토치 교체시 TCP(tool center point)를 캘리브레이션하는 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치 및 그를 이용한 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 용접용 로봇은 용접로봇의 마지막 축(6축 로봇인 경우 6축)에 토치가 고정되어 사용된다.
용접 로봇의 마지막 축과 토치의 관계는 상당 부분 일정하게 유지되나, 용접 봉의 소모, 충격이나 열로 인한 장착 위치의 변형 등으로 인해 미세한 변화가 필연적으로 존재하게 된다.
따라서, 보다 정밀한 용접을 위해서는 용접 로봇의 마지막 축과 토치의 관계를 나타내는 TCP 캘리브레이션을 빈번하게 수행해야만 한다.
예를 들어, 본 출원인은 하기의 특허문헌 1 등에 용접로봇의 캘리브레이션 기술을 개시하여 특허 출원해서 등록받은 바 있다.
한편, 종래 오버헤드 러그 자동 용접 장비와 같이 로봇을 설치하여 용접을 자동으로 수행하는 경우에는 용접로봇의 토치를 교체한 후, 제어기에 TCP(Tool Center Point)를 입력해야만 한다.
도 1은 종래기술에 따른 용접로봇의 예시도이다.
TCP는 도 1에 도시된 바와 같이, 용접로봇(1)의 6축 좌표계를 기준으로 봤을 때, 토치(2) 끝단의 위치와 자세를 말한다. 즉, 토치(2)를 Rz 방향으로 회전시키는 6축의 원점을 기준으로 했을 때, TCP가 x,y,z 방향으로 이격된 정도와 회전 각도를 나타낸다.
그래서 용접로봇(1)은 입력받은 TCP값(x, y, z, Rx, Ry, Rz)을 이용해서 와이어 끝단을 원하는 위치로 이동시킴으로써 용접 등의 작업을 수행한다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1220877호(2013년 1월 11일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1622659호(2016년 5월 20일 공고)
그러나 TCP값 중에서 x, y, z 값은 현장에서 비교적 쉽게 캘리브레이션이 가능하나, 토치의 자세와 관련된 Rz, Ry, Rz값은 현장에서 측정하기 어려움에 따라 캘리브레이션하기 어렵다.
그래서 현장에서는 TCP값(x, y, z, Rx, Ry, Rz) 중 x, y, z 값만 측정하여 캘리브레이션한다.
이에 따라, 항상 TCP값에 오차가 존재하고, 반복적인 TCP 캘리브레이션을 수행해야 하는 문제점이 있었다.
또한, 상기한 바와 같이 수동으로 TCP 캘리브레이션을 수행함에 따라, 용접로봇의 유지보수 작업 시 번거로움과 불편을 야기하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 용접로봇에서 토치 교체시 TCP 값을 자동으로 캘리브레이션할 수 있는 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치 및 그를 이용한 캘리브레이션 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 캘리브렝이션용 지그와 툴팁을 설치해서 TCP 값을 정밀하게 캘리브레이션할 수 있는 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치 및 그를 이용한 캘리브레이션 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치는 용접로봇의 토치 선단에 설치되는 툴팁과 TCP 캘리브레이션을 위해 내부에 툴팁이 이동하는 이동공간이 형성되고 바닥면에 회전 가능하게 설치되는 캘리브레이션 지그를 포함하고, 용접로봇의 제어기는 상기 툴팁이 상기 이동공간 내부에서 이동한 거리 및 상기 이동공간의 가로 및 세로길이와 높이를 이용해서 전체 TCP 값을 캘리브레이션하는 것을 특징으로 한다.
상기 툴팁은 토치의 선단에 결합되는 몸체, 구 형상으로 형성되는 접촉구 및 상기 몸체와 접촉구를 연결하는 연결바를 포함하고, 상기 접촉구는 상기 이동공간에 배치된 상태에서 용접로봇의 동작에 의해 X축, Y축, Z축 방향 및 Rx, Ry, Rz 방향으로 이동하는 것을 특징으로 한다.
상기 캘리브레이션 지그는 바닥면에 설치되는 베이스, 상기 베이스의 상부에 회전 가능하게 설치되고 내부에 상기 툴팁이 이동하는 이동공간이 형성되는 바디 및 상기 TCP 값 중에서 x, y, z축 값을 캘리브레이션하도록 상기 바디의 일측에 연장 설치되는 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 베이스에는 상기 캘리브레이션 지그를 바닥면에 고정하는 자석이 설치되고, 상기 이동공간은 단면이 정사각 형상으로 형성되며, 상기 바디는 하면에 설치되는 축을 중심으로 상기 베이스의 상부에 회전 가능하게 설치되고, 상기 바디의 바닥판 상면에는 상기 바디의 회전 각도를 확인 가능하도록, 상기 축을 중심으로 미리 설정된 각도마다 눈금이 표시되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 방법은 (a) 용접로봇의 토치에 툴팁을 설치하고 바닥면에 캘리브레이션 지그를 회전 가능하게 설치하는 단계, 상기 (b) 캘리브레이션 지그의 회전 각도를 계산해서 용접로봇과 나란하게 정렬하는 단계, (c) 상기 툴팁을 상기 캘리브레이션 지그 내부의 이동공간에서 이동시켜 TCP 값 중에서 Rx,Ry,Rz값을 캘리브레이션하는 단계 및 (d) 상기 캘리브레이션 지그의 측벽과 플레이트를 이용해서 TCP 값 중에서 x,y,z값을 캘리브레이션하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b)단계는 (b1) 용접로봇의 제어기에서 캘리브레이션 프로그램을 실행시켜 현재 저장된 TCP 값을 이용해서 상기 툴팁의 자세가 로봇베이스의 z방향과 평행하도록 상기 툴팁을 배치하는 단계, (b2) 상기 툴팁의 자세를 유지한 상태에서 상기 툴팁의 접촉구가 상기 캘리브레이션 지그의 측벽 상단에 닿을 정도 높이로 이동하도록 제어하는 단계, (b3) 상기 로봇 베이스의 x, y방향으로 각각 상기 툴팁을 이동시켜 거리를 측정하는 단계 및 (b4) 상기 (b3)단계에서 측정된 거리를 이용해서 상기 캘리브레이션 지그의 회전각도를 계산하고 계산된 회전각도만큼 상기 캘리브레이션 지그를 반대 방향으로 회전시켜 상기 용접로봇과 나란하게 정렬하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (c)단계는 (c1) 상기 툴팁의 접촉구가 상기 캘리브레이션 지그의 이동공간 내부에 위치하도록 용접로봇을 구동하는 단계, (c2) 상기 툴팁을 6축 좌표계의 z축 방향으로 회전시키는 단계, (c3) 상기 툴팁의 연결바가 상기 캘리브레이션 지그의 양 측벽에 닿을 때까지 양 방향으로 회전시켜 회전각을 측정하는 단계 및 (c4) 측정된 양 방향 회전각을 이용하여 오차를 계산해서 상기 TCP 값에서 Rz값에 반영하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (c)단계는 (c5) 용접로봇을 구동하여 상기 툴팁을 목표 회전각도만큼 회전하도록 제어하는 단계, (c6) 용접로봇의 터치 및 상대 이동 기능을 이용해서 상기 접촉구의 중심이 제1 높이에 위치하도록 제어하는 단계, (c7) 용접로봇을 로봇 베이스의 x방향으로 구동하여 거리를 측정하고, 측정된 거리를 이용하여 실제 회전각도를 계산하는 단계 및 (c8) 계산된 실제 회전각도와 상기 목표 회전각도를 이용하여 오차를 계산하고, 계산된 오차를 TCP 값 중에서 Ry값에 반영하여 캘리브레이션하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (c)단계는 (c9) 상기 (c5)단계 내지 (c8)단계를 로봇 베이스의 y방향에 대해 동일하게 수행하여 계산된 오차를 TCP 값 중에서 Rx값에 반영하여 캘리브레이션하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (d)단계는 (d1) 선체의 바닥면에 상기 캘리브레이션 지그를 설치하고, 토치를 모든 축의 값이 0인 홈 자세와 평행하게 유지한 상태에서 용접로봇을 상기 캘리브레이션 지그 주변으로 이동시키는 단계, (d2) 용접로봇의 터치 기능을 이용해서 토치의 선단이 상기 캘리브레이션 지그의 측벽을 터치하면 정지하도록 제어하고, 터치된 토치 전방의 점의 위치를 인식하는 단계, (d3) 토치를 다시 상기 초기위치로 복귀시킨 후, 하방으로 이동시켜 상기 갤리브레이션 지그의 일측에 연장 설치된 플레이트를 터치한 토치 하부의 점의 위치를 인식하는 단계, (d4) 상기 초기위치와 터치된 점들 사이의 거리를 계산하여 상기 캘리브레이션 지그를 기준으로 상기 초기위치의 좌표값을 계산하는 단계, (d5) 토치를 Ry 방향으로 회전시키는 5축을 임의의 각도로 회전하도록 제어하고, 서로 다른 각도로 회전한 제1 및 제2 회전위치의 좌표값를 계산하는 단계 및 (d6) 상기 초기위치와 제1 및 제2 회전위치를 가지는 원의 방정식을 구하여 원의 중심과 원의 반지름을 계산하고 계산된 원의 중심과 상기 초기위치를 이용해서 TCP 값 중에서 z, x 값을 캘리브레이션하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (d)단계는 (d7) 토치를 로봇 베이스의 y축 방향과 일치시킨 상태에서 상기 툴팁을 x축 방향으로 이동시켜 툴팁의 선단이 상기 캘리브레이션 지그의 측벽을 터치하면 정지하도록 제어하고, 초기위치와 터치된 점 사이의 거리를 계산하는 단계, (d8) 상기 툴팁을 다시 상기 초기위치로 복귀시킨 후, 상기 초기위치에서 로봇 베이스 기준으로 z축 방향으로 180˚ 회전시키는 단계, (d9) 상기 툴팁을 로봇 베이스의 x축 방향으로 이동시켜 상기 캘리브레이션 지그의 측벽을 터치하여 회전위치와 터치한 점 사이의 거리를 계산하는 단계 및 (d10) 계산된 두 거리의 차이를 이용해서 y축 방향 오차를 계산하고, 계산된 y축 방향 오차를 TCP 값 중에서 y값에 반영해서 캘리브레이션하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치 및 그를 이용한 캘리브레이션 방법에 의하면, 미리 설정된 가로 및 세로길이를 갖는 캘리브레이션 지그 내부의 이동공간에서 툴팁을 이동시킨 거리를 이용해서 용접로봇의 TCP를 정밀하게 캘리브레이션할 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 의하면, 현장에서 캘리브레이션 지그와 툴팁을 설치하고, 용접로봇의 제어기에서 캘리브레이션 프로그램을 실행시켜 자동으로 전체 TCP 값을 용이하게 캘리브레이션할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 종래에 토치 교환시 TCP의 오차로 인한 반복적인 캘리브레이션을 제거함으로써, 작업성을 향상시키고 작업품질을 양호하게 유지할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 종래기술에 따른 용접로봇의 예시도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치의 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 캘리브레이션 지그의 평면도,
도 4는 도 2에 도시된 캘리브레이션 지그의 단면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 방법을 단계별로 설명하는 공정도,
도 6과 도 7은 캘리브레이션 지그의 회전각도를 계산하는 과정을 설명하는 예시도,
도 8 내지 도 10은 TCP 값 중에서 Rz 값의 오차를 계산하는 과정을 예시한 도면,
도 11 내지 도 13은 TCP 값 중에서 Ry,Rx값의 오차를 계산하는 과정을 예시한 도면,
도 14 내지 도 16은 TCP 값 중에서 x, z축 방향을 캘리브레이션하는 과정을 예시한 도면,
도 17은 y축 방향을 캘리브레이션하는 과정을 예시한 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치 및 그를 이용한 캘리브레이션 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치의 구성도이다.
이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 용접로봇(10)의 토치(11) 선단에 설치되는 툴팁(30)과 TCP 캘리브레이션을 위해 내부에 툴팁(30)이 이동 가능한 공간이 형성되고 TCP값 오차를 수정하도록 바닥면에 회전 가능하게 설치되는 캘리브레이션 지그(40)를 포함한다.
툴팁(30)은 토치(11)의 선단에 결합되는 몸체(31), 구 형상으로 형성되는 접촉구(32) 및 몸체(31)와 접촉구(32)를 연결하는 연결바(33)를 포함할 수 있다.
몸체(31)는 토치(11)의 선단 및 연결바(33)의 후단에 각각 결합 가능하도록 전후면이 개구된 대략 원통 형상 또는 원뿔 형상으로 형성될 수 있다.
접촉구(32)는 캘리브레이션 지그(40) 내부에 형성되는 이동공간(42)에 배치된 상태에서 용접로봇(10)의 동작에 의해 X축, Y축, Z축 방향 및 Rx, Ry, Rz 방향으로 이동될 수 있다.
연결바(33)는 미리 설정된 두께를 갖는 원통 형상으로 형성될 수 있다.
도 2에서 'd'는 연결바(33)의 두께이고, '2r'은 접촉구(32)의 직경이다.
다음, 도 2 내지 도 4를 참조하여 캘리브레이션 지그의 구성을 상세하게 설명한다.
도 3은 도 2에 도시된 캘리브레이션 지그의 평면도이며, 도 4는 도 2에 도시된 캘리브레이션 지그의 단면도이다.
캘리브레이션 지그(40)는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 작업하고자 하는 바닥면에 설치되는 베이스(41), 베이스(42)의 상부에 회전 가능하게 설치되고 내부에 툴팁(30)이 이동 가능하도록 이동공간이 형성되는 바디(43) 및 x, y, z값을 캘리브레이션하도록 바디(43)의 일측에 설치되는 플레이트(44)를 포함할 수 있다.
베이스(41)에는 캘리브레이션 지그(40)를 현장에서 선체의 바닥면에 고정할 수 있도록 자석(45)이 설치될 수 있다.
바디(43)는 상면이 개구된 대략 육면체 형상으로 형성되고, 바디(43)의 내부에는 툴팁(30)이 이동 가능하도록 단면이 대략 정사각 형상의 이동공간(42)이 형성될 수 있다.
이러한 바디(43)는 하면에 설치되는 축(도면 미도시)을 중심으로 베이스의 상부에 회전 가능하게 설치될 수 있다.
바디(43)의 바닥판 상면에는 바디(43)의 회전 각도를 확인할 수 있도록, 상기 축을 중심으로 미리 설정된 각도, 예컨대 5˚마다 눈금이 표시될 수 있다.
플레이트(44)는 x, y, z값의 캘리브레이션이 가능하도록, 바디(43)의 바닥판일측으로 연장 설치되고, 바디(43)의 측벽과 직교하도록 설치될 수 있다.
도 4에서 'w'는 이동공간(42)의 가로 및 세로길이, 즉 이동공간(42)의 폭이고, 'h'는 이동공간(42)의 높이이다.
다음, 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 방법을 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 방법을 단계별로 설명하는 공정도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 방법은 도 5에 도시된 바와 같이, (a) 용접로봇(10)의 토치(11)에 툴팁(30)을 설치하고 용접로봇(10) 전측의 선체 바닥면에 캘리브레이션 지그(40)를 회전 가능하게 설치하는 단계(S10), (b) 캘리브레이션 지그(40)의 회전 각도를 계산해서 용접로봇(10)과 나란하게 정렬하는 단계(S12), (c) 툴팁(30)을 캘리브레이션 지그(40) 내부의 이동공간에서 이동시켜 TCP 값 중에서 Rx,Ry,Rz값을 캘리브레이션하는 단계(S14) 및 (d) 캘리브레이션 지그(40)의 측벽과 플레이트(44)를 이용해서 TCP 값 중에서 x,y,z값을 캘리브레이션 하는 단계(S16)를 포함한다.
상세하게 설명하면, 도 5의 S10단계에서 작업자는 용접로봇(10)의 토치(11) 선단에 툴팁(30)을 설치하고 선체의 바닥면에 캘리브레이션 지그(40)를 설치한다.
이때, 캘리브레이션 지그(40)는 베이스(41)의 측면이나 하면에 설치되는 자석(45)을 이용해서 선체의 바닥면에 안정적으로 고정될 수 있다.
도 6과 도 7은 캘리브레이션 지그의 회전각도를 계산하는 과정을 설명하는 예시도이다.
도 6의 (a) 및 (b)에는 캘리브레이션 지그(40)의 이동공간(42)에서 접촉구(32)의 이동을 예시한 단면도와 평면도가 도시되어 있다.
도 7에는 캘리브레이션 지그(40)가 회전된 상태에서 접촉구(32)를 이동시켜 회전각도를 계산하는 과정이 예시되어 있다.
툴팁(30)의 접촉구(32)는 도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 용접로봇(10)과 캘리브레이션 지그(40)가 정확하게 정렬된 경우, 이동공간(42)의 가로 및 세로길이를 측정하기 위해 y 및 x축 방향으로 최대 a만큼 이동될 수 있다.
이때, 이동공간(42)의 가로 및 세로길이, 즉 폭 w=a+4r이다.
S12단계에서 용접로봇(10)의 제어기(도면 미도시)는 메모리(도면 미도시)에 저장된 캘리브레이션 프로그램을 실행시켜 현재 저장된 TCP 값을 이용해서 도 7에 도시된 바와 같이, 툴팁(30)의 자세가 로봇베이스의 z방향과 평행하도록 툴팁(30)을 배치한다.
이때, 툴팁(30)은 실제 z방향과 평행하지 않을 수 있으나, 상기 제어기는 평행 상태로 인식한 상태의 값을 이용한다.
그래서 제어기는 툴팁(30)의 자세를 유지한 상태에서 접촉구(32)가 캘리브레이션 지그(40)의 측벽 상단에 닿을 정도 높이로 이동하도록 제어한다.
그리고 제어기는 상기 로봇 베이스의 x, y방향으로 각각 툴팁(30)을 이동시켜 거리(b,c)를 측정한다.
이어서, 제어기는 측정된 거리를 이용해서 캘리브레이션 지그의 회전각도(t)를 계산한다.
여기서, w = (b+2r)cos t + 2r, w = (c+2r)sin t + 2r이다.
이를 정리하면, (b+2r)cos t=(c+2r)sin t이므로, t=tan-1 (b+2r)/(c+2r)이 된다.
이와 같은 과정을 통해, 캘리브레이션 지그(40)의 회전각도가 계산되면, 작업자는 회전방향과 반대로 계산된 회전각도만큼 캘리브레이션 지그(40)를 회전시켜 용접로봇(10)과 캘리브레이션 지그(40)를 나란하게 배치한다.
S14단계에서 제어기는 TCP 값 중에서 Rz, Rx, Ry 값의 오차를 계산해서 순차적으로 캘리브레이션한다.
도 8 내지 도 10은 TCP 값 중에서 Rz 값의 오차를 계산하는 과정을 예시한 도면이다.
용접로봇(10)이 원점에 있을 때, TCP는 도 8에 도시된 바와 같이, 각도 θ만큼 회전된 상태이다. 이와 같이 회전한 각도가 Rz이다.
여기서, 용접로봇(10)에서 Rz는 0로 설정될 수 있다.
따라서 제어기는 실제로 회전한 각도(θ)가 Rz와 다르면, 오차(δ)를 구해서 Rz에 반영한다.
여기서, θ = Rz + δ이다.
이를 위해, 제어기는 도 9에 도시된 바와 같이, 툴팁(30)의 접촉구(32)가 캘리브레이션 지그(40)의 이동공간(42) 내부에 위치하도록 용접로봇(10)의 동작을 제어한다. 이때, 토치(11)를 Rz 방향으로 회전시키는 6축의 값은 0이다.
제어기는 툴팁(30)을 6축 좌표계의 z축 방향으로 회전하도록 제어한다. 그러면, 6축 값만 변화한다.
제어기는 도 10에 도시된 바와 같이, 툴팁(30)의 연결바(33)가 캘리브레이션 지그(40)의 양 측벽에 닿을 때까지 양 방향으로 회전하도록 제어한 후, 이때의 양 방향 회전각(α,β)을 측정한다.
이어서, 제어기는 양 방향 회전각(α,β)을 이용하여 오차를 계산한다.
여기서, 오차 δ = (β-α)/2로 계산되고, TCP 값에서 Rz = θ-δ로 계산될 수 있다.
도 11 내지 도 13은 TCP 값 중에서 Ry,Rx값의 오차를 계산하는 과정을 예시한 도면이다.
제어기는 현재 저장된 TCP 값을 이용하여 툴팁(30) 자세가 로봇 베이스의 z방향과 평행하도록 제어하는 경우, TCP 값 중에서 Ry 값에 오차가 있으면 평행하지 않을 수 있다.
따라서 제어기는 Ry 값의 오차(δ)를 구해서 TCP 값에 반영하여 캘리브레이션하도록 제어한다.
여기서, 상기 오차(δ)는 측정하기에는 매우 작은 값이므로, 제어기는 도 11에 도시된 바와 같이, 용접로봇(10)을 구동하여 툴팁(30)을 θ0만큼 회전하도록 제어한다. 이때, 툴팁(30)의 실제 회전각도 θ와 회전하고자 한 목표 회전각도 θ0의 차이를 구하면 오차(δ)를 구할 수 있다.
그래서 제어기는 용접로봇(10)을 구동하여 툴팁(30)을 θ0만큼 회전시키고, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 용접로봇(10)의 터치 및 상대 이동 기능을 이용해서 접촉구(32)의 중심이 h1의 높이에 위치하도록 제어한다. 여기서, h = h1 + h2이다.
제어기는 용접로봇(10)을 로봇 베이스의 x방향으로 구동하여 거리(a)를 측정하고, 측정된 거리(a)를 이용하여 실제 회전 각도(θ)를 계산한다.
여기서,
Figure pat00001
이므로,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
가 된다.
여기서, X=cosθ를 대입하면,
Figure pat00005
가 된다.
이를 정리하면,
Figure pat00006
가 된다.
여기에, A = 4(w-r-a+h2 2)2, B = 4(r+a-w)d, C=d2-4h2 2를 대입해서 정리하면, 0= AX2+BX+C가 된다.
따라서,
Figure pat00007
이므로,
Figure pat00008
가 된다.
그래서 제어기는 실제 회전각도(θ)와 회전하고자 한 목표 회전각도(θ0)를 이용하여 오차(δ)를 계산한다. 여기서, θ = θ0+δ이다.
이어서, 제어기는 계산된 오차(δ)를 TCP 값 중에서 Ry값에 반영한다.(TCP 값의 Ry=Ry기존값-δ)
이후, 제어기는 동일한 방법으로 Rx 방향으로 회전한 오차를 계산해서 Rx값에 반영한다.
S16단계에서 제어기는 캘리브레이션 지그(40)와 플레이트(44) 상에 툴팁(30)을 배치한 후, TCP 값 중에서 x,z축과 y축 방향을 순차적으로 캘리브레이션한다.
도 14 내지 도 16은 TCP 값 중에서 x, z축 방향을 캘리브레이션하는 과정을 예시한 도면이고, 도 17은 y축 방향을 캘리브레이션하는 과정을 예시한 도면이다.
작업자는 선체의 바닥면에 캘리브레이션 지그(40)를 설치하고, 용접로봇(10)을 캘리브레이션 지그(40) 주변으로 이동시킨다. 이때, 제어기는 용접로봇(10)이 이동한 초기위치(T01)를 메모리에 저장한다.
여기서, 토치(11)의 자세는 모든 축의 값이 0인 홈 자세와 평행한 상태이다.
제어기는 용접로봇(10)의 터치 기능을 이용해서 토치(11)의 선단이 캘리브레이션 지그(40)의 측벽을 터치하면 정지하도록 제어하고, 터치된 토치(11) 전방의 점(P11)의 위치를 인식한다. 이때, 제어기는 용접로봇(10)의 각 모터가 회전한 각도 및 TCP 값을 이용해서 터치된 전방의 점(P11)의 위치를 계산할 수 있다.
그리고 제어기는 토치(11)를 다시 초기위치(T01)로 복귀시킨 후, 하방으로 이동시켜 플레이트(44)를 터치하도록 제어하고, 터치된 토치(11) 하부의 점(P12)의 위치를 인식한다.
이어서, 제어기는 초기위치(T01)와 터치된 점들(P11, P12) 사이의 거리를 계산하여 캘리브레이션 지그(40)를 기준으로 초기위치(T01)의 좌표값(x1, z1)을 계산한다.
또한, 제어기는 토치(11)를 Ry 방향으로 회전시키는 5축을 임의의 각도로 회전하도록 제어하고, 회전한 제1 회전위치(T02)를 메모리에 저장하며, 상기한 터치 동작을 동일하게 반복하여 회전위치(T02)의 좌표값(x2,y2)를 계산한다.
다시, 제어기는 5축을 임의의 각도로 회전하도록 제어하고, 회전한 제2 회전위치(T03)를 메모리에 저장하며, 상기한 터치 동작을 동일하게 반복하여 제2 회전위치(T03)의 좌표값(x3,y3)를 계산한다.
제어기는 초기위치(T01)와 제1 및 제2 회전위치(T02,T03)를 가지는 원의 방정식을 구하여 원의 중심(cx, cy)과 원의 반지름(r)을 계산한다.
이어서, 제어기는 계산된 원의 중심과 초기위치(T01)를 이용해서 z축 방향 TCP값 l, 즉 6축에서 보았을 때 TCP의 z축 값을 계산한다. 여기서, l=cx-x1이다.
그리고 제어기는 계산된 원의 중심과 초기위치(T01)를 이용해서 x축 방향 TCP값 m, 즉 6축에서 보았을 때 TCP의 x축 값을 계산한다. 여기서, m=z1-cz이다.
한편, y축 방향을 캘리브레이션하는 경우, 작업자는 도 17에 도시된 바와 같이, 선체의 바닥면에 캘리브레이션 지그(40)를 설치하고, 용접로봇(10)을 캘리브레이션 지그(40) 주변으로 이동시킨다. 이때, 제어기는 용접로봇(10)의 초기위치(T10)를 메모리에 저장한다.
여기서, 토치(11)의 자세는 로봇 베이스의 y축 방향과 일치된 상태이다.
제어기는 용접로봇(10)의 터치 기능을 이용해서 툴팁(30)을 x축 방향으로 이동시켜 툴팁(30)의 선단이 캘리브레이션 지그(40)의 측벽을 터치하면 정지하도록 제어하고, 초기위치(T10)와 터치된 점 사이의 거리(a)를 계산한다.
그리고 제어기는 툴팁(30)을 다시 초기위치(T10)로 복귀시킨 후, 초기위치(T10)에서 로봇 베이스 기준으로 z축 방향으로 툴팁(30)을 180˚ 회전시키도록 제어한다.
여기서, 툴팁(30)이 y축 방향으로 정렬된 경우, 회전위치(T11)는 초기위치(T10)와 동일하다.
반면, 툴팁(30)이 y축 방향으로 정렬되기 이전 상태이므로, 제어기는 툴팁(30)을 로봇 베이스의 x축 방향으로 이동시켜 캘리브레이션 지그(40)의 측벽을 터치하여 회전위치(T11)와 터치한 점 사이의 거리(b)를 계산한다.
이어서, 제어기는 계산된 두 거리(a,b)의 차이를 이용해서 y축 방향 오차(δ)를 계산한다. 여기서, δ=(a-b)/2이다.
그래서 제어기는 계산된 y축 방향 오차(δ)를 TCP 값 중에서 y값에 반영한다.(TCP 값의 y=y기존값-δ)
상기한 바와 같은 과정으로 통하여, 본 발명은 미리 설정된 가로 및 세로길이를 갖는 캘리브레이션 지그 내부의 이동공간에서 툴팁을 이동시킨 거리를 이용해서 용접로봇의 TCP를 정밀하게 캘리브레이션할 수 있다.
그리고 본 발명은 현장에서 캘리브레이션 지그와 툴팁을 설치하고, 용접로봇의 제어기에서 캘리브레이션 프로그램을 실행시켜 자동으로 전체 TCP 값을 용이하게 캘리브레이션할 수 있다.
이로 인해, 본 발명은 종래에 토치 교환시 TCP의 오차로 인한 반복적인 캘리브레이션을 제거함으로써, 작업성을 향상시키고 작업품질을 양호하게 유지할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 미리 설정된 가로 및 세로길이를 갖는 캘리브레이션 지그 내부의 이동공간에서 툴팁을 이동시킨 거리를 이용해서 용접로봇의 TCP를 정밀하게 캘리브레이션하는 기술에 적용된다.
10: 용접로봇 11: 토치
20: TCP 캘리브레이션 장치
30: 툴팁 31: 몸체
32: 접촉부 33: 연결바
40: 캘리브레이션 지그 41: 베이스
42: 이동공간 43: 바디
44: 플레이트 45: 자석
46: 눈금

Claims (11)

  1. 용접로봇의 토치 선단에 설치되는 툴팁과
    TCP 캘리브레이션을 위해 내부에 툴팁이 이동하는 이동공간이 형성되고 바닥면에 회전 가능하게 설치되는 캘리브레이션 지그를 포함하고,
    용접로봇의 제어기는 상기 툴팁이 상기 이동공간 내부에서 이동한 거리 및 상기 이동공간의 가로 및 세로길이와 높이를 이용해서 전체 TCP 값을 캘리브레이션하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 툴팁은
    토치의 선단에 결합되는 몸체,
    구 형상으로 형성되는 접촉구 및
    상기 몸체와 접촉구를 연결하는 연결바를 포함하고,
    상기 접촉구는 상기 이동공간에 배치된 상태에서 용접로봇의 동작에 의해 X축, Y축, Z축 방향 및 Rx, Ry, Rz 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캘리브레이션 지그는 바닥면에 설치되는 베이스,
    상기 베이스의 상부에 회전 가능하게 설치되고 내부에 상기 툴팁이 이동하는 이동공간이 형성되는 바디 및
    상기 TCP 값 중에서 x, y, z축 값을 캘리브레이션하도록 상기 바디의 일측에 연장 설치되는 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 베이스에는 상기 캘리브레이션 지그를 바닥면에 고정하는 자석이 설치되고,
    상기 이동공간은 단면이 정사각 형상으로 형성되며,
    상기 바디는 하면에 설치되는 축을 중심으로 상기 베이스의 상부에 회전 가능하게 설치되고,
    상기 바디의 바닥판 상면에는 상기 바디의 회전 각도를 확인 가능하도록, 상기 축을 중심으로 미리 설정된 각도마다 눈금이 표시되는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 방법에 있어서,
    (a) 용접로봇의 토치에 툴팁을 설치하고 바닥면에 캘리브레이션 지그를 회전 가능하게 설치하는 단계,
    상기 (b) 캘리브레이션 지그의 회전 각도를 계산해서 용접로봇과 나란하게 정렬하는 단계,
    (c) 상기 툴팁을 상기 캘리브레이션 지그 내부의 이동공간에서 이동시켜 TCP 값 중에서 Rx,Ry,Rz값을 캘리브레이션하는 단계 및
    (d) 상기 캘리브레이션 지그의 측벽과 플레이트를 이용해서 TCP 값 중에서 x,y,z값을 캘리브레이션하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 (b)단계는
    (b1) 용접로봇의 제어기에서 캘리브레이션 프로그램을 실행시켜 현재 저장된 TCP 값을 이용해서 상기 툴팁의 자세가 로봇베이스의 z방향과 평행하도록 상기 툴팁을 배치하는 단계,
    (b2) 상기 툴팁의 자세를 유지한 상태에서 상기 툴팁의 접촉구가 상기 캘리브레이션 지그의 측벽 상단에 닿을 정도 높이로 이동하도록 제어하는 단계,
    (b3) 상기 로봇 베이스의 x, y방향으로 각각 상기 툴팁을 이동시켜 거리를 측정하는 단계 및
    (b4) 상기 (b3)단계에서 측정된 거리를 이용해서 상기 캘리브레이션 지그의 회전각도를 계산하고 계산된 회전각도만큼 상기 캘리브레이션 지그를 반대 방향으로 회전시켜 상기 용접로봇과 나란하게 정렬하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 (c)단계는
    (c1) 상기 툴팁의 접촉구가 상기 캘리브레이션 지그의 이동공간 내부에 위치하도록 용접로봇을 구동하는 단계,
    (c2) 상기 툴팁을 6축 좌표계의 z축 방향으로 회전시키는 단계,
    (c3) 상기 툴팁의 연결바가 상기 캘리브레이션 지그의 양 측벽에 닿을 때까지 양 방향으로 회전시켜 회전각을 측정하는 단계 및
    (c4) 측정된 양 방향 회전각을 이용하여 오차를 계산해서 상기 TCP 값에서 Rz값에 반영하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 (c)단계는
    (c5) 용접로봇을 구동하여 상기 툴팁을 목표 회전각도만큼 회전하도록 제어하는 단계,
    (c6) 용접로봇의 터치 및 상대 이동 기능을 이용해서 상기 접촉구의 중심이 제1 높이에 위치하도록 제어하는 단계,
    (c7) 용접로봇을 로봇 베이스의 x방향으로 구동하여 거리를 측정하고, 측정된 거리를 이용하여 실제 회전각도를 계산하는 단계 및
    (c8) 계산된 실제 회전각도와 상기 목표 회전각도를 이용하여 오차를 계산하고, 계산된 오차를 TCP 값 중에서 Ry값에 반영하여 캘리브레이션하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (c)단계는 (c9) 상기 (c5)단계 내지 (c8)단계를 로봇 베이스의 y방향에 대해 동일하게 수행하여 계산된 오차를 TCP 값 중에서 Rx값에 반영하여 캘리브레이션하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 (d)단계는
    (d1) 선체의 바닥면에 상기 캘리브레이션 지그를 설치하고, 토치를 모든 축의 값이 0인 홈 자세와 평행하게 유지한 상태에서 용접로봇을 상기 캘리브레이션 지그 주변으로 이동시키는 단계,
    (d2) 용접로봇의 터치 기능을 이용해서 토치의 선단이 상기 캘리브레이션 지그의 측벽을 터치하면 정지하도록 제어하고, 터치된 토치 전방의 점의 위치를 인식하는 단계,
    (d3) 토치를 다시 상기 초기위치로 복귀시킨 후, 하방으로 이동시켜 상기 갤리브레이션 지그의 일측에 연장 설치된 플레이트를 터치한 토치 하부의 점의 위치를 인식하는 단계,
    (d4) 상기 초기위치와 터치된 점들 사이의 거리를 계산하여 상기 캘리브레이션 지그를 기준으로 상기 초기위치의 좌표값을 계산하는 단계,
    (d5) 토치를 Ry 방향으로 회전시키는 5축을 임의의 각도로 회전하도록 제어하고, 서로 다른 각도로 회전한 제1 및 제2 회전위치의 좌표값를 계산하는 단계 및
    (d6) 상기 초기위치와 제1 및 제2 회전위치를 가지는 원의 방정식을 구하여 원의 중심과 원의 반지름을 계산하고 계산된 원의 중심과 상기 초기위치를 이용해서 TCP 값 중에서 z, x 값을 캘리브레이션하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 (d)단계는
    (d7) 토치를 로봇 베이스의 y축 방향과 일치시킨 상태에서 상기 툴팁을 x축 방향으로 이동시켜 툴팁의 선단이 상기 캘리브레이션 지그의 측벽을 터치하면 정지하도록 제어하고, 초기위치와 터치된 점 사이의 거리를 계산하는 단계,
    (d8) 상기 툴팁을 다시 상기 초기위치로 복귀시킨 후, 상기 초기위치에서 로봇 베이스 기준으로 z축 방향으로 180˚ 회전시키는 단계,
    (d9) 상기 툴팁을 로봇 베이스의 x축 방향으로 이동시켜 상기 캘리브레이션 지그의 측벽을 터치하여 회전위치와 터치한 점 사이의 거리를 계산하는 단계 및
    (d10) 계산된 두 거리의 차이를 이용해서 y축 방향 오차를 계산하고, 계산된 y축 방향 오차를 TCP 값 중에서 y값에 반영해서 캘리브레이션하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접로봇의 TCP 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 방법.
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