KR20230101268A - 로봇 암 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20230101268A
KR20230101268A KR1020210191241A KR20210191241A KR20230101268A KR 20230101268 A KR20230101268 A KR 20230101268A KR 1020210191241 A KR1020210191241 A KR 1020210191241A KR 20210191241 A KR20210191241 A KR 20210191241A KR 20230101268 A KR20230101268 A KR 20230101268A
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Abstract

본 개시의 일 실시 예에 따른 로봇 암 제어 방법은 각 단계의 적어도 일부가 프로세서에 의해 수행되는 방법으로서, 월드 마커와 로봇 암의 툴 팁 사이의 좌표계 변환 관계인 제1 변환 관계를 결정하는 단계, 월드 마커와 타겟에 위치한 타겟 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 제2 변환 관계를 결정하는 단계 및상기 제1 변환 관계 및 상기 제2 변환 관계에 기반하여 상기 로봇 암의 툴 팁과 타겟 사이의 좌표계 변환 관계인 제3 변환 관계를 결정하는 단계를 포함하고, 로봇 암은 로봇 베이스를 중심으로 적어도 하나의 관절의 변화에 의해 동작하고, 월드 마커는 타겟과 별개로 위치하고, 로봇 암 및 로봇 베이스에 대해 동적으로 위치 가능하고, 월드 마커 및 타겟 마커 중 적어도 어느 한 마커의 위치는 광학 기반의 광학 트랙커(optical tracker)에 의해 판단된다.

Description

로봇 암 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING ROBOT ARM}
본 개시는 로봇 암의 동작을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 파지 또는 이송, 적재 대상인 타겟을 잡기 위해 로봇 암에 장착된 엔드 이펙터(end effector)의 툴팁(tool tip)과 타겟 사이의 좌표계 변환 관계에 기반하여 로봇 암의 동작을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
공장 자동화 또는 운송 업계에서 물건을 파지하거나 파지한 후 적재 등의 작업을 위해서 다관절 구동계에 기반한 로봇 암을 이용하고 있다.
로봇 암은 비젼 기술에 기반한 비젼 가이드 로봇 암인 경우, 비젼 구성 요소(카메라 등의 광학 트랙커)와 로봇 사이의 좌표계 일치 등의 프로세스를 위해서 핸드-아이 캘리브레이션(hand-eye calibration)을 필요로 한다.
또한, 최종적으로 비젼 구성 요소가 인지하는 타겟의 좌표로 로봇 암의 툴팁을 이동시키기 위해서는 툴팁 좌표계와 타겟 좌표계의 변환 관계(도 1의
Figure pat00001
)를 결정할 수 있어야 한다.
하지만, 선행기술 1의 경우 트랙커에서 계산된 마커의 3차원 위치 정보만을 이용하는 경우, 트랙커에서 하나의 FOV(Field of View)에서 동시에 로봇 암의 마커와 타겟에 부착된 마커를 인식 가능해야만 툴팁 좌표계와 타겟 좌표계의 변환 관계를 산출할 수 있다. 이 경우, 작업장의 범위에 따라 두 마커를 동시에 인식하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 다른 방법으로서 아이-투-핸드 캘리브레이션(eye-to-hand calibration, 선행기술 2)에 기반하여 로봇 베이스에서 암 말단부(또는 tool center point)까지의 위치 관계 정보와 트랙커에서 계산된 타겟의 3차원 위치 정보를 이용하는 경우, 트랙커에서 타겟의 마커만 인식하면 되지만 트랙커 위치가 반드시 고정(stationary tracker)이 되어야만 하는 문제점이 있다. 이 경우, 로봇 암을 이용해 이송 또는 적재를 수행할 타겟의 크기나 위치, 그리고 주변 작업 환경에 따라 타겟의 마커 인식이 어려워 트랙커의 위치를 변경해야 하는 문제를 해결할 수 없다.
선행기술 1: 한국 공개특허공보 제 10-2021-0064041호(2021.06.02. 공개)
선행기술 2: "A closed-form solution to eye-to-hand calibration towards visual grasping", Industrial Robot, Volume 41 Issue 6, 2014
본 개시의 일 실시 예는 위치를 변경 가능한 광학 트랙커에 기반하여 타겟을 파지, 이송, 적재 가능하도록 로봇 암의 동작을 제어하는 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시의 일 실시 예는 광학 트랙커의 촬영(센싱) 위치가 변경되어도 인식이 용이한 월드 마커(world marker)에 기반하여 타겟을 파지, 이송, 적재 가능하도록 로봇 암의 동작을 제어하는 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 로봇 암 제어 방법은 각 단계의 적어도 일부가 프로세서에 의해 수행되는 방법으로서, 월드 마커와 로봇 암의 툴 팁 사이의 좌표계 변환 관계인 제1 변환 관계를 결정하는 단계, 월드 마커와 타겟에 위치한 타겟 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 제2 변환 관계를 결정하는 단계 및상기 제1 변환 관계 및 상기 제2 변환 관계에 기반하여 상기 로봇 암의 툴 팁과 타겟 사이의 좌표계 변환 관계인 제3 변환 관계를 결정하는 단계를 포함하고, 로봇 암은 로봇 베이스를 중심으로 적어도 하나의 관절의 변화에 의해 동작하고, 월드 마커는 타겟과 별개로 위치하고, 로봇 암 및 로봇 베이스에 대해 동적으로 위치 가능하고, 월드 마커 및 타겟 마커 중 적어도 어느 한 마커의 위치는 광학 기반의 광학 트랙커(optical tracker)에 의해 판단된다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 로봇 암 제어 장치는 프로세서, 로봇 베이스를 중심으로 적어도 하나의 관절의 변화에 의해 동작하는 로봇 암으로 동작 제어 신호를 전송하는 통신부 및 프로세서와 전기적으로 연결되고, 프로세서에서 수행되는 적어도 하나의 코드(code)가 저장되는 메모리를 포함하고, 메모리는 프로세서를 통해 실행될 때 프로세서로 하여금 월드 마커와 로봇 암의 툴 팁 사이의 좌표계 변환 관계인 제1 변환 관계를 결정하고, 월드 마커와 상기 타겟에 위치한 타겟 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 제2 변환 관계를 결정하고, 제1 변환 관계 및 제2 변환 관계에 기반하여 로봇 암의 툴 팁과 타겟 사이의 좌표계 변환 관계인 제3 변환 관계를 결정하고, 제3 변환 관계에 기반한 동작 제어 신호를 생성하도록 야기하는 코드를 저장하고, 월드 마커는 타겟과 별개로 위치하고, 로봇 암 및 로봇 베이스에 대해 동적으로 위치 가능하고, 월드 마커 및 타겟 마커 중 적어도 어느 한 마커의 위치는 광학 기반의 광학 트랙커에 의해 판단된다.
본 개시의 실시 예에 따른 로봇 암 제어 장치 및 방법은 타겟의 마커를 인식하는 광학 트랙커의 위치를 변경 가능하여 서로 다른 작업 환경에서도 로봇 암의 동작을 제어 가능하다.
본 개시의 실시 예에 따른 로봇 암 제어 장치 및 방법은 타겟의 마커를 인식하는 광학 트랙커의 위치를 변경하는 경우에도 마커의 용이한 인식이 가능하므로 서로 다른 작업 환경에서도 로봇 암의 동작을 제어 가능하다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 로봇 암 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 로봇 암 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3 내지 도 5는 은 본 개시의 일 실시 예에 따른 로봇 암 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 월드 마커와 로봇 암의 캘리브레이션을 설명하는 도면이다.
도 7는 본 개시의 일 실시 예에 따른 툴팁과 로봇 마커의 캘리브레이션을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 타겟과 툴팁의 좌표계 변환을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 마커(marker)를 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 로봇 암 시스템을 설명한다.
본 개시의 실시 예에 따른 로봇 암 시스템은 로봇 암 제어 장치(100), 로봇 암(200), 광학 트랙커(optical tracker, 310) 및 월드 마커(323)를 포함하는 복수의 마커들(321, 323, 325)을 포함하고, 타겟(400)을 파지하거나 이송, 적재할 수 있다.
로봇 암 제어 장치(100)는 로봇 암(100)과 동일한 장치에서 구현되거나 로봇 암(100)과 별개의 장치로 구현되어 로봇 암(100)으로 제어 신호를 전송할 수 있다. 로봇 암 제어 장치(100)는 광학 트랙커(310)에서 센싱한 적어도 하나의 마커의 위치를 수신할 수 있다.
로봇 암(100)은 다관절에 기반하여 동작하는 암(arm)부가 장착된 로봇 베이스(210), 암부의 말단부에 장착된 엔드 이펙터(end effector, 220), 엔드 이펙터의 툴팁(tool tip, 230)을 포함할 수 있다. 엔드 이펙터는 작업 및 용도에 따라 변경되어 장착될 수 있다.
복수의 마커들(321, 323, 325)은 광학 트랙커(310)에서 광학적으로 인식 가능한(retro-reflective)한 마커들이고, 로봇의 엔드 이펙터에 위치하는 로봇 마커(321), 로봇 암(200) 또는 타겟(400)과 이격하여 별개 위치하는 월드 마커(323), 타겟에 위치한 타겟 마커(325)를 포함한다.
복수의 마커들(321, 323, 325)은 도 9(a) 또는 도 9(b)를 참조하여 복수의 다각형의 면으로 둘러 싸이고, 다각형의 면 중 복수는 월드 마커가 지면에 놓여질 때 지면과 수직하지 않으면서 지면과 평행하지 않고, 다각형의 면 중 복수는 광학적으로 인식 가능(retro-reflective)할 수 있다.
복수의 마커들(321, 323, 325)은 도 9(c)를 참조하여 곡면인 측면으로 적어도 월드 마커(323)의 일부분이 둘러 싸이고, 측면에는 광학적으로 인식 가능(retro-reflective)한 복수의 마커들이 부착될 수 있다.
월드 마커(323)는 도 9(a) 또는 도 9(b)를 참조하면 복수의 다각형의 면으로 둘러 싸이고, 다각형의 면 중 복수는 월드 마커가 지면에 놓여질 때 지면과 수직하지 않으면서 지면과 평행하지 않고, 다각형의 면 중 복수는 광학적으로 인식 가능(retro-reflective)한 복수의 마커들이 부착될 수 있다. 따라서, 광학 트랙커(310)의 촬영(센싱) 방향에 구애받지 않고 여러 방향에서 월드 마커(323)를 인식할 수 있으므로, 광학 트랙커(310)의 인식 범위를 증대시킬 수 있다. 본 명세서에서는 광학 트랙커는 적외선 등의 광학 기반의 능동적(active) 광학 트랙커 또는 수동적(passive) 광학 트랙커일 수 있다. 본 명세서의 광학 트랙커는 단안 또는 스테레오 기반의 카메라일 수 있다. 수동적 방식의 광학 트랙킹 기술을 사용하는 경우 광학 트랙커(300)는 적외선 조명 LED를 포함할 수 있다.
다른 실시 예에서는 월드 마커(323)는 도 9(c)를 참조하면 곡면인 측면으로 적어도 월드 마커(323)의 일부분이 둘러 싸이고, 측면에는 광학적으로 인식 가능(retro-reflective)한 복수의 마커들이 부착될 수 있다. 역시 마찬가지로 광학 트랙커(310)의 인식 범위를 증대시킬 수 있다.
로봇 암 제어 장치(100)는 로봇 암(200)을 제어하여 타겟(400)과 툴 팁(230) 사이의 좌표계 변환 관계인 제3 변환관계(
Figure pat00002
)에 기반하여 암부를 구동하고, 툴팁(230)을 타겟(400)에 접근 시키고, 타겟(400)을 파지할 수 있다.
로봇 암 제어 장치(100)는 월드 마커(323)와 로봇 암(200)의 툴 팁(230) 사이의 좌표계 변환 관계인 제1 변환 관계(
Figure pat00003
) 및 월드 마커(323)와 타겟(400)에 위치한 타겟 마커(325) 사이의 좌표계 변환 관계인 제2 변환 관계(
Figure pat00004
)에 기반하여 제3 변환관계(
Figure pat00005
)를 결정할 수 있다.
아래에서, 제1 변환 관계(
Figure pat00006
), 제2 변환 관계(
Figure pat00007
) 및 제3 변환관계(
Figure pat00008
)를 결정하는 방법을 자세히 설명한다.
도 2를 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 로봇 암 제어 장치(100)의 구성을 설명한다.
로봇 암 제어 장치(100)는 광학 트랙커(300)로부터 적어도 하나의 마커의 위치 정보를 수신하고 로봇 암(200)으로 동작 제어 신호를 전송하는 통신 모듈(110), 로봇 암(200)의 동작을 제어하는 동작 제어 신호를 생성하고, 각 변환 관계를 결정하는 프로세서(120), 프로세서를 구동하기 위한 코드(code)를 저장하는 메모리(120), 마커의 위치 정보, 로봇 암(200)의 최근 동작 상태(state), 자세(pose), 각 관절부의 구동 상태를 저장하는 저장부(140), 각 구성요소에 전원을 공급하는 전원 공급부(150)를 포함한다.
프로세서(120)는 일 실시 예에서, 타겟(400)을 촬영한 영상에 기반하여 타겟(400)의 종류를 판별하고 파지할 위치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(120)는 머신 러닝 기반의 학습 모델에 기반하여 타겟(400)을 촬영한 영상에 기반하여 타겟(400)의 종류를 판별하고 파지할 위치를 결정할 수 있다.
머신 러닝 기반의 학습 모델은 학습 모델은 CNN 또는 R-CNN(Region based CNN), C-RNN(Convolutional Recursive Neural Network), Fast R-CNN, Faster R-CNN, R-FCN(Region based Fully Convolutional Network), YOLO(You Only Look Once) 또는 SSD(Single Shot Multibox Detector)구조의 신경망을 포함할 수 있다.
학습 모델은 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있으며, 학습 모델의 일부 또는 전부가 소프트웨어로 구현되는 경우 학습 모델을 구성하는 하나 이상의 명령어는 메모리에 저장될 수 있다.
통신 모듈(110)은 무선 통신부 또는 유선 통신부를 포함할 수 있다.
무선 통신부는, 이동통신 모듈, 무선 인터넷 모듈, 근거리 통신 모듈, 위치정보 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이동통신 모듈은, 이동통신을 위한 통신방식인 LTE(Long Term Evolution) 등에 따라 구축된 이동 통신망 상에서 기지국, 외부의 단말, 서버 중 적어도 하나와 무선 신호를 송수신한다.
무선 인터넷 모듈은 무선 인터넷 접속을 위한 모듈로서, ** 장치(100)에 내장되거나 외장될 수 있고, WLAN(Wireless LAN), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi(Wireless Fidelity) Direct, DLNA(Digital Living Network Alliance) 등이 사용될 수 있다.
근거리 통신 모듈은 근거리 통신을 통하여 데이터 송수신을 위한 모듈로서, 블루투스(Bluetooth™), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), UWB(Ultra Wideband), ZigBee, NFC(Near Field Communication) 등을 사용할 수 있다.
로봇 암 제어 장치(100)는 서버 장치, 랩 탑 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등의 컴퓨팅이 가능한 장치들로 구현되거나, 앞서 설명한 것처럼 로봇 암(200)의 한 모듈로서 구현될 수 있다.
도 3 내지 도 8을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 로봇 암 제어 장치(100)의 월드 마커(323)와 로봇 암(200)의 툴 팁(230) 사이의 좌표계 변환 관계인 제1 변환 관계(
Figure pat00009
) 및 월드 마커(323)와 타겟(400)에 위치한 타겟 마커(325) 사이의 좌표계 변환 관계인 제2 변환 관계(
Figure pat00010
)에 기반하여 타겟(400)과 툴 팁(230) 사이의 좌표계 변환 관계인 제3 변환관계(
Figure pat00011
)를 결정하는 방법을 설명한다.
도 3 내지 도 8의 각 단계는 시간적으로 전후를 의미하지 않고, 도면 표시상 어느 단계 이후의 단계로 표시된 단계도 그 이전에 수행될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 각 변환 관계의 서수는 결정 순서를 의미하지 않고, 표시상 더 큰 서수의 변환 관계도 더 작은 서수의 변환 관계 이전에 결정될 수 있다.
로봇 암 제어 장치(100)의 로봇 제어 방법은 월드 마커와 로봇 암의 툴 팁 사이의 좌표계 변환 관계인 제1 변환 관계(
Figure pat00012
)를 결정하고(S110), 월드 마커와 상기 타겟에 위치한 타겟 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 제2 변환 관계(
Figure pat00013
)를 결정(S120)하고, 제1 변환 관계 및 제2 변환 관계에 기반하여 상기 로봇 암의 상기 툴 팁과 상기 타겟 사이의 좌표계 변환 관계인 제3 변환 관계(
Figure pat00014
)를 결정(S130)할 수 있다.
본 명세서에서 변환 관계는 어느 한 구성 요소를 기준으로 한 좌표계를 다른 구성 요소를 기준으로 좌표계로 변환하는 관계이고, 예를 들어, 월드 마커와 로봇 암의 툴팁 사이의 좌표계 변환 관계인 제1 변환 관계(
Figure pat00015
)는 툴팁을 기준으로 한 좌표계를 월드 마커를 기준으로 하는 좌표계로 변환하는 관계이거나, 툴 팁 좌표계에서의 월드 마커의 위치라고도 볼 수 있다.
따라서, 로봇 암 제어 장치(100)는 툴팁 좌표계를 기준으로 한 월드 마커의 위치를 결정할 수 있고, 다시 월드 마커를 기준으로 한 타겟의 위치를 결정할 수 있으므로, 이를 연결하여 툴팁 좌표계를 기준으로 한 타겟의 위치를 결정하고, 툴팁을 타겟에 접근하도록 로봇 암(200)의 동작을 제어할 수 있다.
도 4를 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 로봇 암 제어 장치(100)의 월드 마커(323)와 로봇 암(200)의 툴 팁(230) 사이의 좌표계 변환 관계인 제1 변환 관계(
Figure pat00016
)를 결정(S120)하는 방법을 설명한다.
로봇 암 제어 장치(100)는 암 말단부와 로봇 베이스의 좌표계 변환 관계인 제6 변환 관계(
Figure pat00017
)를 결정(S115)할 수 있다.
로봇 암 제어 장치(100)는 엔드 이펙터가 추가되지 않은 암부의 말단부인 암 말단부를 리퍼런스 포인트로 결정하고, 암 말단부가 공간을 통해 지시되는 위치로 이동하도록 조정된 방식으로 각 관절을 이동할 수 있지만, 암부에 엔드 이펙터(도구나 그리퍼)가 장착된 경우 리퍼런스 포인트는 엔드 이펙터가 만드는 오프셋을 반영하도록 변경되어야 한다. 즉, 이 경우 엔드 이펙터의 말단인 툴팁을 지시되는 이치로 이동하도록 각 관절을 동작해야 한다.
일 실시 예에서, 로봇 암 제어 장치(100)는 로봇 암(200)을 한 방향으로 구동하면서 각 자세 정보 등을 기록하고, 모든 점이 저장부(140)에 기록될 때까지 엔드 이펙터(220)를 다음 방향으로 이동하고 기록하는 등의 작업을 수행할 수 있다. 이 프로세스가 완료되면 로봇 암 제어 장치(100)는 기록된 정보를 기반으로 정확한 툴팁 정보를 계산하고 오프셋을 생성할 수 있다.
다른 실시 예에서, 각 엔드 이펙터에 따른 툴팁의 정보는 저장부(140)에 미리 저장될 수 있고, 로봇 암 제어 장치(100)는 특정 엔드 이펙터가 암부의 말단부에 장착되는 것을 인식한 후, 해당 엔드 이펙터에 대응하여 저장된 툴팁 데이터를 저장부(140)에서 리딩하여, 변경된 툴팁에 기반하여 각 관절의 동작을 제어할 수 있다.
도 7을 참조하면, 로봇 암 제어 장치(100)는 암 말단부가 결정되면, 미리 알고 있는 로봇 베이스(210)의 좌표계에 기반하여 제6 변환 관계(
Figure pat00018
)를 결정(S115)할 수 있다.
로봇 암 제어 장치(100)는 광학 트랙커(310)가 엔드 이펙터(230)에 장착된 로봇 마커(321)를 촬영한 위치 정보에 기반하여 광학 트랙커(310)와 로봇 마커(321) 사이의 좌표계 변환 관계인 제10 변환 관계(
Figure pat00019
)를 결정하거나, 광학 트랙커(310)가 로봇 마커(321)의 위치 정보에 기반하여 결정한 제10 변환 관계(
Figure pat00020
)를 수신함으로써 결정할 수 있다.
로봇 암 제어 장치(100)는 제6 변환 관계(
Figure pat00021
), 제10 변환 관계(
Figure pat00022
) 및 제8 변환 관계(
Figure pat00023
)에 기반하여 로봇 마커와 암 말단부 사이의 좌표계 변환 관계인 제5 변환 관계(
Figure pat00024
)와 제7 변환 관계(
Figure pat00025
)를 결정(S113, S117)할 수 있다.
즉, 아래의 <수학식 1>에 기반하여, 엔드 이펙터(230)의 위치를 복수 회 변경하면서 암 말단부로봇 마커(321)의 위치를 기록하고, 복수 회 기록된 암 말단부로봇 마커(321) 와 로봇 베이스(210)의 변환 관계가 서로 다른 경로(월드 마커(323) 또는 암 말단부를 통한 경로)를 통해서 산출 가능한 특징에 기반하여 가장 에러가 작은 변환 관계를 계산함으로써 제5 변환 관계(
Figure pat00026
) 및 제7 변환 관계(
Figure pat00027
)를 결정할 수 있다.
Figure pat00028
제5 변환 관계(
Figure pat00029
) 및 제7 변환 관계(
Figure pat00030
)를 결정하기 위해서 로봇 암 제어 장치(100)는 엔드 이펙터(230)의 위치를 변화시키는 동안(즉, 로봇 암(200)의 자세를 변화시키는 동안), 앞서 설명한 로봇 마커(321)의 위치에 더불어 월드 마커(323)도 광학 트랙커(300)의 동일한 시야범위(Field of View, FOV)에 위치하도록 하고, 월드 마커(323)의 위치를 기록할 수 있다. 따라서 엔드 이펙터(230)의 위치 변화를 통해 제5 변환 관계(
Figure pat00031
) 및 제7 변환 관계(
Figure pat00032
)는 동시에 결정될 수 있다.
도 8을 참조하여, 로봇 암(200)의 엔드 이펙터(230)에 위치하는 로봇 마커(321)와 툴팁(220) 사이의 좌표계 변환 관계인 제4 변환 관계(
Figure pat00033
)를 결정(S111)하는 것을 설명한다.
로봇 암 제어 장치(100)는 앞 단계에서 설명한 것처럼 광학 트랙커(310)가 엔드 이펙터(230)에 장착된 로봇 마커(321)를 촬영한 위치 정보에 기반하여 광학 트랙커(310)와 로봇 마커(321) 사이의 좌표계 변환 관계인 제10 변환 관계(
Figure pat00034
)를 결정하거나, 광학 트랙커(310)가 로봇 마커(321)의 위치 정보에 기반하여 결정한 제10 변환 관계(
Figure pat00035
)를 수신함으로써 결정할 수 있다.
로봇 암 제어 장치(100)는 암부의 관절을 동작시켜 툴팁(220)의 좌표계 원점(origin)을 캘리브레이션 지그(500)의 좌표계 원점과 물리적으로 일치시킬 수 있다.
로봇 암 제어 장치(100)는 툴팁(220)의 좌표계 원점과 캘리브레이션 지그(500)의 좌표계 원점과 물리적으로 일치된 상태에서, 지그 마커(327)의 영상적 특징점(image features)과 캘리브레이션 지그(500)를 촬영한 영상에서 추출된 특징점 사이의 Paired-Point Registration(PPR) 수행 결과에 기반하여 제11 변환 관계(
Figure pat00036
)를 결정할 수 있다. PPR 방법은 통상의 기술자에게 자명하므로 자세한 설명을 생략한다.
로봇 암 제어 장치(100)는 툴팁(220)의 좌표계 원점과 캘리브레이션 지그(500)의 좌표계 원점과 물리적으로 일치된 상태에서, 광학 트랙커(300)가 센싱한 지그 마커(327)로서, 캘리브레이션 지그(500)에 부착된 지그 마커(327)의 위치에 기반하여, 광학 트랙커(300)와 지그 마커(327) 사이의 좌표계 변환 관계인 제12 변환 관계(
Figure pat00037
)를 결정하거나, 광학 트랙커(300)가 산출한 제12 변환 관계(
Figure pat00038
)를 통신모듈(110)을 통해 수신하여 결정할 수 있다.
툴팁(220)의 좌표계 원점과 캘리브레이션 지그(500)의 좌표계 원점과 물리적으로 일치된 상태에서는, 로봇 마커(321)와 툴팁(220) 사이의 좌표계 변환 관계는 로봇 마커(321)와 캘리브레이션 지그(500) 사이의 좌표계 변환 관계와 같다. 따라서, 로봇 마커(321)와 툴팁(220) 사이의 좌표계 변환 관계인 제4 변환 관계(
Figure pat00039
)는 제13 변환 관계(
Figure pat00040
)와 아래의 <수학식 2>을 통해서 결정될 수 있다. 즉, 제4 변환 관계(
Figure pat00041
)는 제10 변환 관계(
Figure pat00042
), 제11 변환 관계(
Figure pat00043
) 및 제12 변환 관계(
Figure pat00044
)에 기반해서 결정될 수 있다.
Figure pat00045
로봇 암 제어 장치(100)가 월드 마커(323)와 타겟(400)에 위치한 타겟 마커(325) 사이의 좌표계 변환 관계인 제2 변환 관계(
Figure pat00046
)를 결정(S120)하는 방법을 설명한다.
로봇 암 제어 장치(100)는 미리 알고 있는 로봇 베이스(210)의 좌표계와 광학 트랙커(300)가 촬영한 월드 마커(323)의 위치에 기반하여 결정된 제8 변환 관계(
Figure pat00047
)를 결정(S121)할 수 있다.
로봇 암 제어 장치(100)는 광학 트랙커(300)가 촬영한 타겟 마커(325)의 위치에 기반하여 광학 트랙커(310)와 타겟 마커(325) 사이의 좌표계 변환 관계인 제9 변환 관계(
Figure pat00048
)를 결정하거나, 광학 트랙커(310)가 타겟 마커(325)의 위치 정보에 기반하여 결정한 제9 변환 관계(
Figure pat00049
)를 수신함으로써 결정할 수 있다.
도 8을 참조하면, 로봇 암 제어 장치(100)는 제8 변환 관계(
Figure pat00050
) 및 제9 변환 관계(
Figure pat00051
)에 기반하여, 월드 마커(323)와 타겟 마커(325) 사이의 좌표계 변환 관계인 제2 변환 관계(
Figure pat00052
)를 결정할 수 있다.
도 8을 참조하면, 로봇 암 제어 장치(100)는 아래 <수학식 3>에 기반하여 툴팁(230)과 타겟(400) 사이의 좌표계 변환 관계인 제3 변환 관계(
Figure pat00053
)를 결정할 수 있다. 제3 변환 관계(
Figure pat00054
)는 <수학식 3> 및 앞서 설명처럼 제1 변환 관계(
Figure pat00055
)와 제2 변환 관계(
Figure pat00056
)에 기반하여 결정된다.
Figure pat00057
전술한 본 개시는, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 상기 컴퓨터는 각 장치의 프로세서를 포함할 수도 있다.
한편, 상기 프로그램은 본 개시를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.
본 개시의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 개시에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다.
본 개시에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 개시가 한정되는 것은 아니다. 본 개시에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 개시를 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 개시의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 인자(factor)에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 개시의 사상은 상기 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 개시의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 로봇 암 제어 장치
200: 로봇 암
210: 로봇 베이스
220: 엔드 이펙터
230: 툴팁
310: 광학 트랙커
321, 323, 325, 327: 마커
400: 타겟
500: 캘리브레이션 지그

Claims (18)

  1. 각 단계의 적어도 일부가 프로세서에 의해 수행되는 방법으로서,
    월드 마커와 로봇 암의 툴 팁 사이의 좌표계 변환 관계인 제1 변환 관계를 결정하는 단계;
    상기 월드 마커와 상기 타겟에 위치한 타겟 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 제2 변환 관계를 결정하는 단계; 및
    상기 제1 변환 관계 및 상기 제2 변환 관계에 기반하여 상기 로봇 암의 상기 툴 팁과 상기 타겟 사이의 좌표계 변환 관계인 제3 변환 관계를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 로봇 암은 로봇 베이스를 중심으로 적어도 하나의 관절의 변화에 의해 동작하고,
    상기 월드 마커는 상기 타겟과 별개로 위치하고, 상기 로봇 암 및 상기 로봇 베이스에 대해 동적으로 위치 가능하고,
    상기 월드 마커 및 상기 타겟 마커 중 적어도 어느 한 마커의 위치는 광학 기반의 광학 트랙커(optical tracker)에 의해 판단되는,
    로봇 암 제어 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 변환 관계를 결정하는 단계는,
    상기 로봇 암의 엔드 이펙터(end effector)에 위치하는 로봇 마커와 상기 툴 팁 사이의 좌표계 변환 관계인 제4 변환 관계를 결정하는 단계;
    상기 로봇 마커와 암 말단부 사이의 좌표계 변환 관계인 제5 변환 관계를 결정하는 단계;
    상기 로봇 베이스와 상기 월드 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 제7 변환 관계를 결정하는 단계;
    상기 암 말단부와 상기 로봇 베이스의 좌표계 변환 관계인 제6 변환 관계를 결정하는 단계
    를 포함하는,
    로봇 암 제어 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 변환 관계를 결정하는 단계는,
    상기 월드 마커와 상기 광학 트랙커 사이의 좌표계 변환 관계인 제 8 변환 관계를 결정하는 단계; 및
    상기 광학 트랙커와 상기 타겟 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 제9 변환 관계를 결정하는 단계를 포함하는,
    로봇 암 제어 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제5 변환 관계 및 상기 제7 변환 관계를 결정하는 단계는,
    상기 로봇 암의 자세를 변화시키는 단계; 및
    상기 로봇 암의 복수의 상기 자세에서 상기 월드 마커와 상기 광학 트랙커의 동일한 시야범위(Field of View, FOV)에 위치한 상기 로봇 마커의 위치를 기록하는 단계를 포함하는,
    로봇 암 제어 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제5 변환 관계 및 상기 제7 변환 관계를 결정하는 단계는,
    상기 광학 트랙커와 상기 로봇 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 제10 변환 관계를 결정하는 단계;
    상기 월드 마커와 상기 광학 트랙커 사이의 좌표계 변환 관계인 제 8 변환 관계를 결정하는 단계;
    상기 제10 변환 관계, 상기 제 8 변환 관계 및 상기 제6 변환 관계에 기반하여 상기 암 말단부와 상기 로봇 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 상기 제5 변환 관계 및 상기 로봇 베이스와 상기 월드 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 상기 제7 변환 관계를 결정하는 단계를 포함하는,
    로봇 암 제어 방법.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 제4 변환 관계를 결정하는 단계는,
    상기 툴 팁의 좌표계 원점(origin)이 캘리브레이션 지그의 좌표계 원점과 물리적으로 일치된 상태에서, 상기 캘리브레이션 지그와 상기 로봇 마커 사이의 좌표 관계인 제13 변환 관계를 결정하는 단계; 및
    상기 제13 변환 관계에 기반하여 상기 제4 변환 관계를 결정하는 단계를 포함하는,
    로봇 암 제어 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제13 변환 관계를 결정하는 단계는,
    상기 광학 트랙커와 상기 로봇 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 제10 변환 관계를 결정하는 단계;
    상기 툴 팁의 좌표계 원점이 상기 캘리브레이션 지그의 좌표계 원점과 물리적으로 일치된 상태에서, 상기 캘리브레이션 지그에 위치한 지그 마커와 상기 캘리브레이션 지그 사이의 좌표계 변환 관계인 제11 변환 관계를 결정하는 단계;
    상기 지그 마커와 상기 광학 트랙커 사이의 좌표계 변환 관계인 제12 변환 관계를 결정하는 단계; 및
    상기 제10 변환 관계, 상기 제11 변환 관계 및 상기 제12 변환 관계에 기반해서 상기 제13 변환 관계를 결정하는 단계를 포함하는,
    로봇 암 제어 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제11 변환 관계를 결정하는 단계는,
    상기 지그 마커의 특징점과 상기 캘리브레이션 지그를 촬영한 영상에서 추출된 특징점 사이의 Paired-Point Registration(PPR) 수행 결과에 기반하여 상기 제11 변환 관계를 결정하는 단계를 포함하는,
    로봇 암 제어 방법.
  9. 제2 항에 있어서,
    상기 월드 마커, 상기 로봇 마커 및 상기 타겟 마커 중 적어도 어느 한 마커는 복수의 다각형의 면으로 둘러 싸이고, 상기 다각형의 면 중 복수는 상기 월드 마커가 지면에 놓여질 때 상기 지면과 수직하지 않으면서 상기 지면과 평행하지 않고, 상기 다각형의 면 중 복수는 광학적으로 인식 가능한 복수의 마커들이 부착된,
    로봇 암 제어 방법.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 월드 마커, 상기 로봇 마커 및 상기 타겟 마커 중 적어도 어느 한 마커는 곡면인 측면으로 적어도 일부분이 둘러 싸이고, 상기 측면에는 광학적으로 인식 가능한 복수의 마커들이 부착된,
    로봇 암 제어 방법.
  11. 프로세서;
    로봇 베이스를 중심으로 적어도 하나의 관절의 변화에 의해 동작하는 로봇 암으로 동작 제어 신호를 전송하는 통신부; 및
    상기 프로세서와 전기적으로 연결되고, 상기 프로세서에서 수행되는 적어도 하나의 코드(code)가 저장되는 메모리를 포함하고,
    상기 메모리는 상기 프로세서를 통해 실행될 때 상기 프로세서로 하여금 월드 마커와 로봇 암의 툴 팁 사이의 좌표계 변환 관계인 제1 변환 관계를 결정하고, 상기 월드 마커와 상기 타겟에 위치한 타겟 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 제2 변환 관계를 결정하고, 상기 제1 변환 관계 및 상기 제2 변환 관계에 기반하여 상기 로봇 암의 상기 툴 팁과 상기 타겟 사이의 좌표계 변환 관계인 제3 변환 관계를 결정하고, 상기 제3 변환 관계에 기반한 상기 동작 제어 신호를 생성하도록 야기하는 코드를 저장하고,
    상기 월드 마커는 상기 타겟과 별개로 위치하고, 상기 로봇 암 및 상기 로봇 베이스에 대해 동적으로 위치 가능하고,
    상기 월드 마커 및 상기 타겟 마커 중 적어도 어느 한 마커의 위치는 광학 기반의 광학 트랙커(optical tracker)에 의해 판단되는,
    로봇 암 제어 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금 상기 로봇 암의 엔드 이펙터(end effector)에 위치하는 로봇 마커와 상기 툴 팁 사이의 좌표계 변환 관계인 제4 변환 관계를 결정하고, 상기 로봇 마커와 암 말단부 사이의 좌표계 변환 관계인 제5 변환 관계를 결정하고, 상기 로봇 베이스와 상기 월드 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 제7 변환 관계를 결정하고, 상기 암 말단부와 상기 로봇 베이스의 좌표계 변환 관계인 제6 변환 관계를 결정하도록 야기하는 코드를 더 저장하는,
    로봇 암 제어 장치.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금 상기 월드 마커와 상기 광학 트랙커 사이의 좌표계 변환 관계인 제 8 변환 관계를 결정하고, 상기 광학 트랙커와 상기 타겟 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 제9 변환 관계를 결정하도록 야기하는 코드를 더 저장하는,
    로봇 암 제어 장치.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금 상기 로봇 암의 자세를 변화시키고, 상기 로봇 암의 복수의 상기 자세에서 상기 월드 마커와 상기 광학 트랙커의 동일한 시야범위(Field of View, FOV)에 위치한 상기 로봇 마커의 위치를 기록하도록 야기하는 코드를 더 저장하는,
    로봇 암 제어 장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금 상기 광학 트랙커와 상기 로봇 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 제10 변환 관계를 결정하고, 상기 월드 마커와 상기 광학 트랙커 사이의 좌표계 변환 관계인 제 8 변환 관계를 결정하고, 상기 제10 변환 관계, 상기 제 8 변환 관계 및 상기 제6 변환 관계에 기반하여 상기 암 말단부와 상기 로봇 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 상기 제5 변환 관계 및 상기 로봇 베이스와 상기 월드 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 상기 제7 변환 관계를 결정하도록 야기하는 코드를 더 저장하는,
    로봇 암 제어 장치.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금 상기 툴 팁의 좌표계 원점(origin)이 캘리브레이션 지그의 좌표계 원점과 물리적으로 일치된 상태에서, 상기 캘리브레이션 지그와 상기 로봇 마커 사이의 좌표 관계인 제13 변환 관계를 결정하고, 상기 제13 변환 관계에 기반하여 상기 제4 변환 관계를 결정하도록 야기하는 코드를 더 저장하는,
    로봇 암 제어 장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금 상기 광학 트랙커와 상기 로봇 마커 사이의 좌표계 변환 관계인 제10 변환 관계를 결정하고, 상기 툴 팁의 좌표계 원점이 상기 캘리브레이션 지그의 좌표계 원점과 물리적으로 일치된 상태에서, 상기 캘리브레이션 지그에 위치한 지그 마커와 상기 캘리브레이션 지그 사이의 좌표계 변환 관계인 제11 변환 관계를 결정하고, 상기 지그 마커와 상기 광학 트랙커 사이의 좌표계 변환 관계인 제12 변환 관계를 결정하고, 상기 제10 변환 관계, 상기 제11 변환 관계 및 상기 제12 변환 관계에 기반해서 상기 제13 변환 관계를 결정하도록 야기하는 코드를 더 저장하는,
    로봇 암 제어 장치.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 메모리는 상기 프로세서로 하여금 상기 지그 마커의 특징점과 상기 캘리브레이션 지그를 촬영한 영상에서 추출된 특징점 사이의 Paired-Point Registration(PPR) 수행 결과에 기반하여 상기 제11 변환 관계를 결정하도록 야기하는 코드를 더 저장하는,
    로봇 암 제어 방법.

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