KR940006570B1

KR940006570B1 - Robot calibration system by temperature change

Info

Publication number: KR940006570B1
Application number: KR1019920000424A
Authority: KR
Inventors: 김문상
Original assignee: 한국과학기술원연구원; 박원희
Priority date: 1992-01-14
Filing date: 1992-01-14
Publication date: 1994-07-22
Also published as: JPH05261686A; KR930016204A; JP3096875B2

Abstract

The calibration can measure the variation amount in lengths of the arms of robot occurring from the temperature variation around by comparing the calibration jig which is dull with the temperature variation with the initially set value by measuring relatively at the indicated measuring plant with using a non-contact sensor.

Description

Calibration system for robot arm length correction by temperature change

제1도는 본 발명은 캘리브레이션 시스템의 전체구조를 보인 저면도.1 is a bottom view showing the overall structure of the present invention calibration system.

제2도는 제1도의 센서부 구조 및 센싱상태를 보인 확대도.2 is an enlarged view showing the structure of the sensor unit and sensing state of FIG.

제3도는 본 발명 캘리브레이션 시스템의 캘리브레이션 지그에 대한 사시도.3 is a perspective view of a calibration jig of the calibration system of the present invention.

제4도는 본 발명 캘리브레이션 시스템의 측정원리를 나타낸 설명도.4 is an explanatory diagram showing the measuring principle of the calibration system of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 로보트 2 : 핸드1: Robot 2: Hand

3 : 비접촉식 센서 3a : 카메라3: non-contact sensor 3a: camera

3b : LDS 5 : 캘리브레이션 지그3b: LDS 5: Calibration jig

5a : 평면 5a' : 측정포인트.5a: plane 5a ': measuring point.

본 발명은 주위의 온도변화에 의해 발생되는 로보트의 팔길이 변화량을 비접촉식 센서로 측정하여 보정하기 위한 온도변화에 의한 로보트 팔길이 보정용 캘리브레이션 시스템(calibration system)에 관한 것이다.The present invention relates to a calibration system for calibrating a robot arm length by a temperature change for measuring and correcting an arm length change amount of a robot generated by a change in ambient temperature with a non-contact sensor.

로보트 시스템을 이용한 생산라인등에서 주위의 온도변위에 의해 로보트의 팔길이가 변화되어 로보트 아암의 해드부에 장착된 공구선단(tool center point)가 최초의 기준위치로부터 벗어나게 되는 현상이 발생되는데, 이같은 현상은 로보트를 이용한 작업에서 중요시되는 작업 정밀도를 저하시켜 결국에는 대상품의 품질악화를 초래하게 된다.In the production line using the robot system, the arm length of the robot is changed by the ambient temperature displacement, and the tool center point attached to the head of the robot arm deviates from the initial reference position. Deterioration of work precision, which is important in working with robots, leads to deterioration of quality of large products.

따라서, 로보트 시스템을 이용하여 정밀도가 요구되는 작업을 반복 수행하고자 하는 경우에는 상기와 같은 온도변화에 의한 팔길이 변화량을 측정하여 보정을 해주어야 하는바, 이러한 온도변화에 대응하기 위한 방편으로는 항온실을 설치하여 작업주변의 온도를 일정하게 유지시키는 방법과 센서등을 이용하여 강제보정을 행하는 방법등이 행해지고 있다.Therefore, if you want to repeat the operation that requires precision by using the robot system, it is necessary to measure the correction of the arm length change due to the temperature change as described above. To maintain a constant temperature around the work, and to perform a forced correction using a sensor or the like.

그러나, 로보트 자체를 측정기로 사용하는 경우 항온실의 설치가 불가능하거나 카메라 시스템등을 이용한 보정이 불가능한 경우가 있기 때문에, 이같은 경우에 온도변화에 따른 로보트 팔길이의 보정을 어떠한 방식으로 행하느냐의 문제가 해결되고 있지 못한 실정이다.However, when the robot itself is used as a measuring device, it may not be possible to install a thermostat or to calibrate using a camera system. Therefore, in this case, the problem of how to adjust the robot arm length according to the temperature change is performed. Is not being solved.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 항온실 설치나 센서를 이용한 강제 보정방식으로 온도변화에 의한 로보트팔길이 변화의 보정이 불가능한 경우에 적합한 로보트 팔길이 보정시스템으로서, 로보트의 핸드에 장착된 카메라화 레이저 디스플레이스먼트 센서(Laser Displacement Sensor, 이하 "LDS"로 약칭함)로 이루어진 비접촉식 센서를 이용하며 로보트 핸드와 캘리브레이션 지그 사이의 상대거리를 측정하여 3차원 상대오차를 감지하여 온도변화에 의한 팔길이 변화량을 계산해 내어 변화된 팔길이의 보정을 수행하도록 한 온도변화에 의한 로보트 팔길이 보정용 캘리브레이션 시스템을 제공하는데 발명의 목적이 있다.Therefore, the present invention is a robot arm length correction system suitable for the case where it is impossible to correct the robot arm length change due to temperature change by the conventional constant temperature chamber installation or the forced correction method using a sensor, the camera-mounted laser mounted on the robot's hand. A non-contact sensor consisting of a displacement sensor (hereinafter referred to as "LDS") is used.The relative distance between the robot hand and the calibration jig is measured to detect the three-dimensional relative error and change the arm length due to temperature change. It is an object of the present invention to provide a calibration system for robot arm length correction by temperature change that calculates and performs correction of a changed arm length.

본 발명의 캘리브레어션 시스템은 크게 로보트의 핸드에 고정설치되는 비접촉식 센서와 센서의 아래쪽에 일정거리를 두고 위치하며 온도변화에 둔감한 캘리브레이션 지그의 두가지 구성부재로 이루어지는데, 다시 센서는 화면상의 지정된 부분에 대한 2차원적인 위치를 구하기 위하여 사용되는 카메라와 삼각법으로 측정 대상까지의 거리를 구하여 상대거리를 측정하는 LDS의 결합으로 이루어진다.The calibration system of the present invention consists of two components, a contactless sensor fixedly installed on the robot's hand and a calibration jig which is positioned at a certain distance under the sensor and is insensitive to temperature changes. It is composed of a combination of the camera used to find the two-dimensional position of the part and the LDS which measures the relative distance by calculating the distance to the measurement object by trigonometry.

그리고, 상기 비접촉식 센서에 대응하여 설치되는 캘리브레이션 지그는 두개의 크고 작은 직육면체를 상하 2단으로 포개어 놓은 형상을 취하고 있으며, 상부 직육면체의 면중심과 하부직육면체의 각면 모서리부에는 카메라에 의한 센싱이 가능하도록 검은색의 원으로 이루어진 측정포인트가 표시되어 있다.The calibration jig installed in correspondence with the non-contact sensor has a shape in which two large and small rectangular parallelepipeds are stacked in two stages above and below. The measuring point, which consists of black circles, is marked.

본 발명 캘리브레이션 시스템의 구조 및 측정과정에 대하여 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.The structure and measurement process of the calibration system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제1도는 본 발명 캘리브레이션 시스템의 전체구조를 보인 것으로, 도시된 바와같이, 로보트(1)의 핸드(2)에 카메라와 LDS로 이루어진 비접촉식 센서(3)가 결합되고, 핸드(2)의 아랫쪽에 설치된 다이(4)상에 2단 직육면체 형태의 캘리브레이션 지그(5)가 놓여진 상태로서, 로보트 시스템은 캘리브레이션 지그(5)의 각면상에 표시된 각 측정포인트(5a')에 수직되게 교시(teach-in)되며, 로보트(1)는 교시된 측정포인트(5a')들을 따라 연속적으로 정지하고 정지된 상태에서 센싱을 행하게 되는데, 이같은 센싱과정을 첨부도면 제2도 내지 제4도를 참조하여 설명하면 아래와 같다.Figure 1 shows the overall structure of the calibration system of the present invention, as shown, a non-contact sensor 3 consisting of a camera and an LDS is coupled to the hand 2 of the robot 1, and the bottom of the hand 2 With the calibration jig 5 in the form of a two-stage cuboid placed on the installed die 4, the robot system teaches perpendicularly to each measurement point 5a 'marked on each side of the calibration jig 5. The robot 1 continuously stops along the taught measuring points 5a 'and performs sensing in the stopped state. The sensing process will be described below with reference to FIGS. 2 to 4. same.

제2도는 로보트의 센서부 구조 및 센싱상태를 보인 것이고, 제3도는 캘리브레이션 지그를 나타낸 것이며 제4도는 측정원리를 설명한 것으로, 이들 도면에 나타나 있는 바와같이, 본 발명에서 센서를 이용한 측정은 카메라(3a)와 LDS(3b)를 통하여 비접촉식으로 이루어지는데, 이때 카메라(3a)는 캘리브레이션 지그(5)의 평면(5a)상에 표시된 검은 원으로 이루어진 측정포인트(5a')상에 교시되어 2차원적인 위치를 측정하게 되고, 카메라(3a)와 일체로 결합된 LDS(3b)는 삼각법에 의하여 센서로부터 측정대상까지의 거리, 다시 말하면 로보트 핸드(2)로부터 캘리브레이션 지그(5)까지의 상대거리를 측정함으로써 교시된 측정위치들로부터의 3차원 상대오차를 감지해 내게 된다.2 shows the structure and sensing state of the robot sensor, FIG. 3 shows the calibration jig and FIG. 4 explains the measurement principle. As shown in these drawings, the measurement using the sensor in the present invention is performed by a camera ( 3a) and LDS 3b, which are contactless, wherein the camera 3a is taught on a measuring point 5a 'consisting of a black circle marked on the plane 5a of the calibration jig 5 and being two-dimensional. The LDS 3b, which is integrated with the camera 3a and measures the position, measures the distance from the sensor to the measurement object, that is, the relative distance from the robot hand 2 to the calibration jig 5 by triangulation. This allows the detection of three-dimensional relative errors from the taught measurement positions.

즉, 카메라(3a)는 측정포인트(5a')의 중심을 측정하고 LDS(3b)는 로보트 핸드(2)로 부터 측정포인트(5a')가 표시된 평면(5a)까지의 거리를 측정함으로써 3차원 위치를 얻어내게 된다.That is, the camera 3a measures the center of the measuring point 5a 'and the LDS 3b measures the distance from the robot hand 2 to the plane 5a on which the measuring point 5a' is indicated. Get the location.

한편, 제4도에서 알 수 있는 바와 같이, 캘리브레이션 지그(5)의 각 평면(5a)상에 표시되어 있는 측정포인트(5a')의 중심은 카메라(3a)을 이용하여 2차원적으로 그 중심의 위치(x,y)를 구하고 LDS(3b)를 이용하여 LDS(3b) 선단으로부터 캘리브레이션 지그(5)의 평면(5a)까지의 상대거리 z를 측정한다.On the other hand, as can be seen in FIG. 4, the center of the measuring point 5a 'displayed on each plane 5a of the calibration jig 5 is centered two-dimensionally using the camera 3a. The position (x, y) of is obtained and the relative distance z from the tip of the LDS 3b to the plane 5a of the calibration jig 5 is measured using the LDS 3b.

이때, 측정포인트(5a')를 구성하는 검은색의 원의 위치는 정확하게 정해질 필요는 없으며, 원의 크기 또한 기본적으로 제한받지 않는다.At this time, the position of the black circle constituting the measuring point 5a 'need not be accurately determined, and the size of the circle is also not basically limited.

실제로 로보트의 작동중에 주기적으로 측정된 값과 초기에 입력된 값과의 차이는 x,y,z방향의 3차원 오차로 표시되며, 이 값은 주위 온도변화에 의한 로보트 아암의 길이 변화로 야기되는 로보트 핸드 선단부의 3차원 미소변화량으로서 이 오차량들로부터 팔길이의 변화량을 역으로 계산해 내게 된다.In fact, the difference between the periodically measured value and the initial value input during the operation of the robot is expressed as a three-dimensional error in the x, y, and z directions, which is caused by the change in the length of the robot arm caused by the ambient temperature change. The three-dimensional small change amount of the robot hand tip is calculated from the error amount inversely.

측정된 오차량으로부터 팔길이를 역으로 계산하는 알고리즘(algorithm)은 다음과 같다.An algorithm for calculating the arm length from the measured error amount is as follows.

로보트의 기구학을 결정하는 동적변형(kinematic transfomation)은 아래의 (1)식과 같이 표시된다.The kinematic transfomation, which determines the kinematics of the robot, is represented by Equation 1 below.

(1) (One)

여기서는 로보트 핸드 선단부의 직각 좌표계(cartesian coordination) 값을 나타내고관절변화량,는 각 링크(link)의 길이를 각각 나타낸다.here Denotes the Cartesian coordination value of the robot hand tip. Joint Change, Denotes the length of each link, respectively.

주변온도의 변화에 의한 팔길이 변화후에 캘리브레이션 지그상의 한점을 측정함으로써 얻어지는 3차원의 측정값을 원래 교시된 측정값에서 뺌으로써 얻어지는 3차원 오차값을 이라 정의하면 미소변화에 의한 두변수의 관계는 아래의 (2)식으로 표현된다.The three-dimensional error value obtained by subtracting the three-dimensional measurement value obtained by measuring a point on the calibration jig after changing the arm length by the change of the ambient temperature from the originally taught measurement value. In this case, the relationship between two variables due to micro change is expressed by Equation (2) below.

(2) (2)

여기서,는 일반적으로 야코비안 매트릭스(Jacobian matrix)로 불리우며 이는 로보트의 팔길이 변화량 와 3차원 오차값 와의 선형관계를 기술한다.here, Is commonly called the Jacobian matrix, which is the amount of change in arm length of a robot. And three-dimensional error Describe the linear relationship with.

위의 (2)식으로부터 k개의 서로 다른 위치에서의 값들에 대한 방정식들은 (3)식과 같이 표시되어 질 수 있다.Equations for values at k different positions from Eq. (2) above can be expressed as Eq. (3).

i=J(i)ㆍ (3) i = J (i) (3)

i=1,2,……ki = 1,2,… … k

이같은 k개의 식은 다음과 같은 하나의 식으로 표현가능하다.These k expressions can be expressed as one equation as follows.

=Jㆍ = J

여기서,,; (3k,n)매트릭스here, , ; (3k, n) matrix

; (n,1)벡터 ; vector (n, 1)

그리고,And,

, ∈R³; =R^3k; J∈R^3kxn , ∈R ³ ; = R ^3k ; J∈R ^3kxn

를 계산하기 위하여서는 적어도 3k≥n을 만족하는 갯수의 측정이 이루어져야 한다. In order to calculate, the number of measurements satisfying at least 3k≥n must be made.

이로부터 최소자승법에 의해 ││ - ㆍ││ 의 값이 최소가 되는 의 값을 구할 수 있다.From this by least-squares method ││ - ㆍ The value of | Can be found.

매트릭스 J값이 싱글러(singular) 하지 않은 경우 다음의 값 구할 수 있다.The next value if the matrix J value is not singular You can get it.

=(J^TJ)^-1ㆍJ^Tㆍ = (J ^T J) ^-1 ㆍ J ^T ㆍ

다시말하면, 은 온도변화에 의해 야기된 길이변화량이다.In other words, Is the length change caused by the temperature change.

이와같이 해서 구해진 값은 로보트의 기구학을 결정하는 (1)식에 더하여져서 새로운 로보트의 기구학을 기술함으로써 변화량을 보정하게 된다.The value thus obtained is added to Equation (1) which determines the kinematics of the robot, and the change amount is corrected by describing the kinematics of the new robot.

이상에서 설명한 바와같이, 본 발명은 특히 생산라인에서 로보트 시스템을 측정기 형태로 활용하는 경우 로보트 아암의 길이변화를 측정하여 이를 보정할 수 있다는 효과가 있다.As described above, the present invention has the effect that can be corrected by measuring the change in the length of the robot arm, especially when using the robot system in the form of a measuring machine in the production line.

Claims

Measurement plant 5a taught a calibration jig 5 insensitive to temperature change using a non-contact sensor 3 made of a combination of a camera 3a and an LDS 3b mounted on the hand 2 of the robot 1. Robot arm length calibration system according to temperature change, characterized in that the relative measurement at ') is compared with the initial input value to calculate the change in the robot arm length caused by the ambient temperature change.

The calibration jig (5) is a form in which two large and small rectangular parallelepipeds are joined in two stages, and a measuring point (5a ') composed of black circles is displayed on each plane (5a). Calibration system for robot arm length correction by temperature change to make.

The method of claim 1, wherein in the non-contact sensor 3, the camera 3a is centered on the measuring point 5a 'of the calibration jig 5a', and the LDS 3b is located from the hand 2 to the measuring point 5a '. A calibration system for robot arm length correction due to temperature changes, characterized in that it measures each distance to the displayed plane (5a) and detects three-dimensional relative errors.

The method of claim 1, wherein the calculation of the robot arm length change is performed by the least square method by inputting an error between the initial input value and the measured value in the test at the point taught by the robot (1). Calibration system for robot arm length correction by