KR20200034206A - 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치 및 제어방법 - Google Patents

협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치 및 제어방법에 관한 것으로, 두 대의 협동로봇을 이용하여 작업 제어 주도권을 분할 또는 집중하고 지정한 제어 주도권을 통해 작업 범위의 동시 중첩을 회피할 수 있는 볼트 체결 협업 작업을 수행하며 연계된 카메라를 통해서는 로봇암이 대상물에 대한 정확한 위치에 정렬할 수 있게 하여 작업 정밀도를 보장하고 작업 대상물에 따라 다양한 볼트 체결 공정을 적용할 수 있는 기술과 제어방법을 제공함으로써 대상물에 대한 정확한 위치에 정렬할 수 있게 하여 작업 정밀도를 보장하고 작업 대상물에 따라 다양한 볼트 체결 공정을 적용될 수 있는 자동화된 볼트 체결장치를 제공하여 작업 정밀도 및 생산 효율을 극대화할 수 있다. 또한 협동로봇의 기계장치는 즉각적인 제어가 가능하여 작업 현장에서의 작업자의 안전을 보장할 수 있게 된다.

Description

협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치 및 제어방법{Intelligent bolt fastening device and control method applying collaborative robot and vision}
본 발명은 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치 및 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두 대의 협동로봇을 이용하여 작업 제어 주도권을 분할 또는 집중하고 지정한 제어 주도권을 통해 동시 중첩을 회피할 수 있도록 작업 영역을 구분하여 볼트 체결 협업 작업을 수행하며 연계된 카메라를 통해서는 로봇암이 대상물에 대한 정확한 위치에 정렬할 수 있게 하는 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치 및 제어방법에 관한 것이다.
로봇의 일반적인 분류는 용도별로 크게 산업용과 비산업용으로 나눌 수 있고 산업용 중에서 제조업 부문과 비제조업 부문으로 다시 구분되어 제조업 부문에서는 자동차, 전기·전자 등 제조업 부문에 이용될 수 있다.
산업용 로봇은 동작기구와 응용 분야 등으로 분류되어, 동작기구에 따라 직각좌표 로봇, 원통좌표 로봇, 극좌표 로봇, 스카라 로봇, 관절 로봇 등이 있으며, 응용 분야에 의한 분류로는 용접, 조립, 도장, 검사, 이송, 기계공작 등에 이용되는 로봇으로 나눌 수 있다.
또한 MES(Manufacturing Execution System)는 제조공정의 실시간 모니터링과 제어, 물류 및 작업 내역의 추적 관리, 제품 상태 파악 및 불량 관리 등을 위한 통합 생산관리 시스템으로, MES 서버는 생산계획 데이터 정보를 생성하여 제조공정에서 사용되는 각종 설비 및 장치로 전송하게 된다. 여기서, 제조공정에서 사용되는 각종 설비 및 장치는 PLC(Programmable Logic Controller)에 의해 제어되어 자동화될 수 있는데, 이와 같은 자동화 제조공정에서 MES 서버는 PLC로 생산계획 데이터 정보를 전송하게 된다.
또한 정렬이라 함은 회로나 장치, 시스템을 조정하여 이들의 기능을 동조시키거나 적당한 위치에 배치하는 것으로 특히, 로봇암 정렬은 로봇암이 가공 또는 검사하는 대상물의 정확한 위치에서 가공 또는 검사할 수 있도록 로봇암과 대상물을 정렬시키는 것이다.
로봇을 통한 볼트 체결 작업의 자동화를 위해 대한민국 등록특허공보 제10-0268273호에는 본 명세서의 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 볼트체결용 동력공구의 작동봉에 형성된 환형돌기를 감지하는 센서를 구비하며 동력공구의 모터로부터 검출되는 토오크 변화와 그 센서의 감지신호를 근거로 볼트체결 상태의 양부를 정확히 판정하도록 제어하기 위한 볼트체결장치 및 방법이 게시되어 있다.
그러나 종래 기술은 수동적인 조작의 작업이 필요하고 기계장치가 정렬되어 작업 대상물에 정확하게 위치되어 결합되는 정밀도가 떨어질 수 있으며 체결 작업 수행 시 대상물에 대해 비틀리게 볼트가 체결되어 불량제품이 생산될 가능성이 있는 한계가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0268273호(2000.07.12)
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본원발명에서는 두 대의 협동로봇을 이용하여 작업 제어 주도권을 분할 또는 집중하고 지정한 제어 주도권을 통해 작업 범위의 동시 중첩을 회피할 수 있는 볼트 체결 협업 작업을 수행하며 연계된 카메라를 통해서는 로봇암이 대상물에 대한 정확한 위치에 정렬할 수 있게 하여 작업 정밀도를 보장하고 게 작업 대상물에 따라 다양한 볼트 체결 공정을 적용할 수 있는 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치 및 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
목적을 달성하기 위한 구성으로는 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치에 있어서, 적어도 2개 이상의 관절로 구성되는 로봇암과 상기 로봇암 일측으로 사전정렬카메라가 구성되고 타측으로는 로봇암정렬카메라와 작업자 행동 감지센서로 이루어지는 볼트체결장치부와 볼트체결공정을 종합 관리하는 MES서버와 기계작업 제어 신호를 제공하는 PLC로 구성되는 볼트체결제어부와 상기 볼트체결실행부와 볼트체결제어부에서 제공되는 정보를 수신하고 분석하여 운영관리를 수행하는 볼트체결관리부와 볼트체결 공정작업에 따라 요구되는 필요 정보를 관리하고 제공할 수 있는 정보를 관리하는 볼트체결이벤트부를 포함하고 상기 볼트체결장치부와 볼트체결관리부는 각각 보조볼트체결장치부와 보조볼트체결관리부로 이중화되어 구성하고 상기 볼트체결관리부와 보조볼트체결관리부는 운영관리 제어권을 분할하거나 한 쪽으로 집중되는 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치이다.
본 발명의 다른 특징으로는 상기 볼트체결장치부와 보조볼트체결장치부에서는 각각 구성되는 로봇암은 위치되는 좌표를 상기 볼트체결관리부에 전송하여 공유되어 장치간 충돌이 방지되고 상기 로봇암 끝단에는 스크류드라이버가 구비되고 상기 스크류드라이버의 8방향으로 위치센서가 구비되어 볼트의 기울어짐을 감지하게 된다.
본 발명의 또 다른 특징으로는 볼트체결장치부와 보조볼트체결장치부의 상태정보 수집 및 제어 환경을 설정하는 단계와 볼트체결이벤트부를 통해 볼트체결관리부로 플레이트 정보와 이벤트가 수신되는 단계와 상기 볼트체결관리부로 수신된 제품 모델의 생성/변경/삭제가 이루어지는 단계와 로봇암 체결 위치 좌표 생성 단계와 로봇암정렬카메라를 통한 볼트 체결위치 추적 단계와 사전정렬카메라를 통한 제품 틀어짐을 추적하는 단계와 PLC의 설정을 통한 볼트 체결 동작과 순서 설정 단계와 상기 볼트체결관리부와 보조볼트체결관리부에서 분석된 로봇암 볼트체결 좌표 통합 단계와 상기 통합 좌표가 전달되어 로봇암의 볼트 체결 작업이 수행되는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결 제어방법이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치 및 제어방법은 자동화된 볼트 체결에 대한 작업 정밀도 및 작업 효율을 극대화하고 작업 대상물에 따라 다양한 볼트 체결 공정을 최적화할 수 있는 효과가 있다. 또한 협동로봇의 기계장치의 즉각적인 제어가 가능하여 작업 현장에서의 작업자의 안전을 보장할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 기존의 볼트체결장치 측면도.
도 2는 본 발명에 따른 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치의 블록 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결 제어방법의 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치의 블록 구성도로서 이를 참고하여 본원 발명 구성을 설명하면 하기와 같다.
협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치에 있어서, 적어도 2개 이상의 관절로 구성되는 로봇암(P11)과 상기 로봇암(P11) 일측으로 사전정렬카메라(P12)가 구성되고 타측으로는 로봇암정렬카메라(P13)와 작업자 행동 감지센서(P14)로 이루어지는 볼트체결장치부(P10)와; 볼트체결공정을 종합 관리하는 MES서버(P21)와 기계작업 제어 신호를 제공하는 PLC(P22)로 구성되는 볼트체결제어부(P20)와; 상기 볼트체결실행부(P10)와 볼트체결제어부(P20)에서 제공되는 정보를 수신하고 분석하여 운영관리를 수행하는 볼트체결관리부(P30)와; 볼트체결 공정작업에 따라 요구되는 필요 정보를 관리하고 제공할 수 있는 정보를 관리하는 볼트체결이벤트부(P40);를 포함하되, 상기 볼트체결장치부(P10)와 볼트체결관리부(P30)는 각각 보조볼트체결장치부(P10a)와 보조볼트체결관리부(P30a)로 이중화되어 구성되는 것을 특징으로 하는 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치이다.
또한 상기 볼트체결장치부(P10)와 보조볼트체결장치부(P10a)에서는 각각 구성되는 로봇암(P11)의 위치 좌표를 상기 볼트체결관리부(P20)에 전송하여 공유되어 장치간 충돌이 방지되고 상기 로봇암(P11) 끝단에는 스크류드라이버(P15)가 구비되고 상기 스크류드라이버(P15)의 8방향으로 위치센서(P16)가 구비되어 볼트의 기울어짐을 감지할 수 있다. 상기 볼트체결관리부(P30)와 보조볼트체결관리부(P30a)는 운영관리 제어권을 분할하거나 한 쪽으로 집중하여 지정된 제어 주도권을 통해 중첩되지 않는 영역을 구분하여 볼트 체결 협업 작업을 수행할 수 있다.
상기 각 구성부는 TCP/IP로의 통신을 통해 기계의 상태 정보 등의 관련 데이터가 송수신 될 수 있으며 또한 RS232 통신이 함께 제공되어 기계장치 동작 제어 신호가 직접 전달될 수 있는 프로토콜을 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결 제어방법에 대한 순서도로서 이를 참조하여 본원 발명에 따른 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결 제어방법은 하기와 같다.
볼트체결장치부(P10)와 보조볼트체결장치부(P10a)의 상태정보 수집 및 제어 환경을 설정하는 단계(S10);를 통해서 각 장치에 대한 이상 유무를 확인할 수 있으며 상기 상태정보는 각각 볼트체결관리부(P30)와 보조볼트체결관리부(P30a)로 전송되어 통합관리가 될 수 있다. 또한 상기 볼트체결관리부(P30)와 보조볼트체결장치부(P10a)에서는 각각 관리PC나 콘솔과 같은 운영관리 장비가 구비되어 각 구성부의 상태정보와 제어환경을 시각적으로 확인 및 설정 정보 변경이 가능할 수 있도록 구성된다. 또한 작업의 시작과 정지는 상기 볼트체결관리부(P30)와 보조볼트체결관리부(P30a)에서 관리할 수 있다.
상기에 기술된 제어 환경 설정을 통해 장치에 대한 제어권을 분할하거나 집중할 수 있으며 이는 아래와 같은 실시 예를 통해 제어권이 부여되는 방식을 확인할 수 있다.
볼트체결관리부(P30)에서 볼트체결장치부(P10)와 보조볼트체결장치부(P10a)를 모두 제어할 수 있는 모든 권한을 획득하고 보조볼트체결관리부(P30a)에서는 정보 모니터링 권한만 부여되게 하는 실시 예 1과 볼트체결관리부(P30)에서는 볼트체결장치부(P10)의 제어권만을 관리하고 보조볼트체결관리부(P30a)에서는 보조볼트체결장치부(P10a)의 제어권만을 관리하게 분리하되 운영 데이터는 공유되게 하는 실시 예 2로 제시될 수 있다. 또한 볼트체결관리부(P10)에서 모든 제어 권한을 획득하여 볼트체결장치부(P10)와 보조볼트체결장치부(P10a)를 통제하되, 보조볼트체결관리부(P10a)에서는 볼트체결장치부(P10) 또는 보조볼트체결장치부(P10a)에 대해 일부 범위의 운영 제어 권한만이 부여되게 하는 실시 예 3의 방식으로 제어분할 방법이 적용될 수 있다.
볼트체결이벤트부(P40)를 통해 볼트체결관리부(P30)로 플레이트 정보와 이벤트가 수신되는 단계(S20);를 통해서는 생산되는 제품의 정보를 자동으로 인식 또는 갱신하게 된다. 볼트체결이벤트부(P40)을 통해 제공되는 바코드 정보와 DXF 파일의 도면 정보가 이벤트로써 볼트체결관리부(P30)로 전달되고 볼트체결관리부(P30)와 보조볼트체결관리부(P30a)와 연동된 MES서버(P21)에서 제공하는 제품의 모델 정보를 종합하여 이를 바탕으로 생산 제품의 높이, 크기 등의 정보를 입력받게 된다.
상기 볼트체결관리부(P30)로 수신된 제품 모델의 생성/변경/삭제가 이루어지는 단계(S30);에서는 상기 단계(S20)에서 획득 된 제품 모델에 대해 볼트체결관리부(P30)과 보조볼트체결관리부(P30a)에서 공유 및 관리되며 필요 시 생성과 변경, 삭제가 가능하게 된다.
로봇암(P11) 체결 위치 좌표 생성 단계(S40);에서는 상기 단계(30)에서 완료 된 정보에 기반하여 두 대의 로봇암(P11)의 좌표를 생성하여 작업 범위에 맞도록 도면 정보와 일치시키는 알고리즘의 분석 작업을 자동으로 실시하게 된다. 또한 충돌 회피 알고리즘을 통해 작업 범위의 동시 중첩을 회피할 수 있게 하여 장치의 충돌위험을 방지할 수 있고 실시간 정보 제공 및 공유를 통해 분석되어 위치 추적을 가능하게 한다.
로봇암정렬카메라(P13)를 통한 볼트 체결위치 추적 단계(S50);에서는 상기 단계(S50)를 통해 산출된 좌표 값과 상기 로봇암정렬카메라(P13)을 통해 획득한 형상 좌표를 추가적으로 비교 분석하여 조정을 거치게 되며 대상 제조물에 볼트체결을 정밀하게 시행할 수 있는 정보를 생성한다.
사전정렬카메라(P13)를 통한 제품 틀어짐을 추적하는 단계(S60);에서는 로봇암(P11)을 통해 볼트가 체결되기 전 볼트가 인입되는 대상 제조물의 위치를 정렬시킬 수 있도록 조정 값을 결정하게 된다.
PLC(P22)의 설정을 통한 볼트 체결 동작과 순서 설정 단계(S70);에서는 제조물에 대한 볼트체결 작업을 위해 입력되는 제품 모델 및 도면, 이미지 형상 정보를 바탕으로 한 위치 좌표를 기반으로 PC기반의 소프트웨어 프로그램에 의해 두 대의 로봇암(P11)의 움직임이 제어될 수 있도록 하는 PLC(P22)의 설정을 통해 상기 로봇암(P11)에 대한 구동을 가능하게 하고 순서를 설정하게 된다.
상기 볼트체결관리부(P30)와 보조볼트체결관리부(P30a)에서 분석된 로봇암(P11) 볼트체결 좌표 통합 단계(S80);에서는 상기 단계를 통해 얻어지는 좌표 값과 작업 범위 정보를 바탕으로 로봇암(P11)에 제어 신호를 전송하여 정렬시키게 된다. 이는 볼트체결장치부(P10)와 보조볼트체결장치부(P10a)에 각각 구성된 로봇암(P11)과 사전정렬카메라(P12), 로봇암정렬카메라(P13)에서 인식되는 총 6개의 다른 좌표계를 종합하여 통합되는 작업을 통해 이루어진다.
상기 위치 좌표가 전달되어 로봇암(P11)의 볼트 체결 작업이 수행되는 단계(S90);에서는 볼트 체결 중 체결 토크 값을 실시간으로 획득하여 로봇의 체결 자세를 유기적으로 변경하여 정확한 볼트 체결이 이루어질 수 있게 하고 충돌 회피 알고리즘을 통해 작업영역에 대한 실시간 정보 공유 및 분석되어 중첩 영역이 발생되지 않도록 제어될 수 있다. 이 때 볼트체결장치부(P10)의 구성 장치의 운영 정보는 볼트체결관리부(P30) 및 보조볼트체결관리부(P30a)를 통해 MES서버(P21)로 공유되게 되고 이를 통해 로봇과 부착된 볼트 체결 툴 및 피더의 마모도 및 상태가 효과적으로 모니터링하고 관리될 수 있고 MES 서버(P21)는 볼트 및 플레이트의 상태, 체결 비트 마모도, 로봇의 전압, 전류, 온도, 각 관절의 상태 등을 보고 받으며 이를 통해 생산량에 대한 추적 및 관리를 할 수 있다. 또한 작업자 행동 감지센서(P14)를 통해서는 작업자의 행동을 감지하게 되어 로봇암(P11)의 작업 시 일정 범위 내에서의 작업자가 감지되면 상기 로봇암(P11)의 작업 속도를 느리게 하거나 정지시켜 안전을 확보할 수 있게 한다. 또한 일정 리드를 갖는 볼트를 체결함에 있어서 체결 중 볼트가 기울어지는 현상으로 인해 사선으로 체결되는 불량 현상이 방지될 수 있도록 스크류드라이버(P15)의 8방향에 위치센서(P16)를 두고 볼트의 기울어짐의 발생여부를 감지하고 자동으로 위치를 수정하여 체결 작업을 수행할 수 있게 된다. 또한 로봇암정렬카메라(P13)에서 볼트 체결 작업 후의 형상으로 획득된 정보를 통해서는 불량 여부에 대한 판정을 가능하게 한다.
이와 같이 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치 및 제어방법을 통해서 두 대의 협동로봇을 이용하여 작업 제어 주도권을 분할 또는 집중하고 지정한 제어 주도권을 통해 작업 영역이 중첩되지 않도록 하여 충돌을 방지할 수 있는 볼트 체결 협업 작업을 수행하며 연계된 카메라를 통해서는 로봇암(P11)이 대상물에 대한 정확한 위치에 정렬할 수 있게 하여 작업 정밀도를 보장하고 작업 대상물에 따라 다양한 볼트 체결 공정을 적용될 수 있는 자동화된 볼트 체결장치를 제공하여 작업 정밀도 및 생산 효율을 극대화할 수 있다. 또한 협동로봇의 기계장치는 즉각적인 제어가 가능하여 작업 현장에서의 작업자의 안전을 보장할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 특정의 실시 예 및 적용 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
P10. 볼트체결장치부 P10a. 보조볼트체결장치부
P11. 로봇암 P12. 사전정렬카메라
P13. 로봇암정렬카메라 P14. 작업자 행동 감지센서
P15. 스크류드라이버 P16. 위치센서
P20. 볼트체결제어부 P21. MES서버
P22. PLC P30. 볼트체결관리부
P30a. 보조볼트체결관리부 P40. 볼트체결이벤트부

Claims (5)

  1. 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치에 있어서,
    적어도 2개 이상의 관절로 구성되는 로봇암(P11)과 상기 로봇암(P11) 일측으로 사전정렬카메라(P12)가 구성되고 타측으로는 로봇암정렬카메라(P13)와 작업자 행동 감지센서(P14)로 이루어지는 볼트체결장치부(P10)와;
    볼트체결공정을 종합 관리하는 MES서버(P21)와 기계작업 제어 신호를 제공하는 PLC(P22)로 구성되는 볼트체결제어부(P20)와;
    상기 볼트체결장치부(P10)와 볼트체결제어부(P20)에서 제공되는 정보를 수신하고 분석하여 운영관리를 수행하는 볼트체결관리부(P30)와;
    볼트체결 공정작업에 따라 요구되는 필요 정보를 관리하고 제공할 수 있는 정보를 관리하는 볼트체결이벤트부(P40);를 포함하되,
    상기 볼트체결장치부(P10)와 볼트체결관리부(P30)는 각각 보조볼트체결장치부(P10a)와 보조볼트체결관리부(P30a)로 이중화되어 구성되는 것을 특징으로 하는 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 볼트체결장치부(P10)와 보조볼트체결장치부(P10a)에서는 각각 구성되는 로봇암(P11)의 위치 좌표를 상기 볼트체결관리부(P20)에 전송하여 공유되어 장치간 충돌이 방지되는 것을 특징으로 하는 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 로봇암(P11) 끝단에는 스크류드라이버(P15)가 구비되고 상기 스크류드라이버(P15)의 8방향으로 위치센서(P16)가 구비되어 볼트의 기울어짐을 감지하는 것을 특징으로 하는 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 볼트체결관리부(P30)와 보조볼트체결관리부(P30a)는 운영관리 제어권을 분할하거나 한 쪽으로 집중할 수 있는 것을 특징으로 하는 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결장치.
  5. 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결 제어방법에 있어서,
    볼트체결장치부(P10)와 보조볼트체결장치부(P10a)의 상태정보 수집 및 제어 환경을 설정하는 단계(S10);와
    볼트체결이벤트부(P40)를 통해 볼트체결관리부(P30)로 플레이트 정보와 이벤트가 수신되는 단계(S20);와
    상기 볼트체결관리부(P30)로 수신된 제품 모델의 생성/변경/삭제가 이루어지는 단계(S30);와
    로봇암(P11) 체결 위치 좌표 생성 단계(S40);와
    로봇암정렬카메라(P13)를 통한 볼트 체결위치 추적 단계(S50);와
    사전정렬카메라(P13)를 통한 제품 틀어짐을 추적하는 단계(S60);와
    PLC(P22)의 설정을 통한 볼트 체결 동작과 순서 설정 단계(S70);와
    상기 볼트체결관리부(P30)와 보조볼트체결관리부(P30a)에서 분석된 로봇암(P11) 볼트체결 좌표 통합 단계(S80)와;
    상기 통합 좌표가 전달되어 로봇암(P11)의 볼트 체결 작업이 수행되는 단계(S90);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 협동로봇과 비젼을 응용한 지능형 볼트체결 제어방법.
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