WO2023054749A1 - 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치 및 이를 이용한 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 방법 - Google Patents

로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치 및 이를 이용한 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 방법 Download PDF

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WO2023054749A1
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robot
posture
stiffness
tool
processing
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PCT/KR2021/013382
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김성현
김태곤
남정수
이석우
신강우
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한국생산기술연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a processing apparatus for realizing a robot rigidity maintenance posture and a processing method for implementing a robot rigidity maintenance posture using the same, and more particularly, in a machining process using a robot such as drilling, the robot has the strongest posture. It relates to a technology that enables a machining process to be performed with
  • Japanese Patent Laid-open Publication No. 2019-195892 discloses a swing angle calculation unit for calculating a swing angle of a 4-section link structure unit, and a 4-section link structure unit receiving The load calculator that calculates the load, the stiffness value that is the value of each component of the stiffness matrix that relates the load received by the 4-section link structure and the amount of deflection of the 4-section link structure, Rigidity showing the correlation between the rocking angle of the 4-section link structure
  • a stiffness matrix determination unit for determining the stiffness value corresponding to the swing angle of the 4-section link structure unit detected by the swing angle calculation unit using a value determination function, the load received by the 4-section link structure unit calculated by the load calculation unit, and the stiffness value determination
  • An apparatus including a deflection amount calculation unit for calculating the deflection amount of a 4-bar link structure part based on the determined stiffness value is disclosed.
  • An object of the present invention to solve the above problems is to enable the robot to perform the machining process in the most rigid posture in a machining process using a robot such as drilling.
  • an object of the present invention is to perform the above-described control for a robot while minimizing an additional separate device or complicated calculation.
  • a robot equipped with a plurality of links and a plurality of joints to drive;
  • a processing unit coupled to the end of the robot and equipped with a tool to perform processing on a processing target;
  • a stiffness data unit generating stiffness data that is a stiffness value for each of the plurality of joints that varies according to the posture of the robot;
  • receiving the stiffness data from the stiffness data unit using information on the cutting force, which is a force applied to the tool from the processing unit, to predict posture deformation of the robot when the tool works on the processing target , a control unit for controlling the posture of the robot so that the rigidity of the robot becomes the maximum posture.
  • control unit determines that the rigidity of the robot is maximum when the judgment reference value (Idx), which is a value derived by the following equation, is the minimum, Idx is the judgment reference value, and W is the weight matrix, T is a transposed matrix, and ⁇ x may be a machining error.
  • Idx judgment reference value
  • W weight matrix
  • T transposed matrix
  • ⁇ x may be a machining error
  • Idx W T ⁇ x
  • the machining error ( ⁇ x) is derived by the following equation, Kx is a stiffness matrix based on the stiffness data, F is the cutting force, and -1 may be an inverse matrix.
  • the stiffness matrix Kx is derived by the following equation, J( ⁇ ) is a Jacobian matrix, K ⁇ is a constant matrix, and ⁇ is the machining contact with the tool. It may be Rz excitation degree of freedom, which is a rotational degree of freedom of the end of the tool based on a rotational axis (z-axis) perpendicular to the surface of the object.
  • the Jacobian matrix J( ⁇ ) may vary according to a change in the Rz excitation degree ⁇ .
  • control unit may derive the minimum value of the determination reference value Idx while varying the excitation induction Rz.
  • the Rz excitation value may be set to any number selected within the range of 0 to 360.
  • control unit may store cutting force modeling data, which is data of the cutting force for each of a plurality of machining parts formed on the machining target.
  • the processing unit may include a force sensor for measuring the cutting force.
  • the configuration of the present invention for achieving the above object is a first step of transmitting the stiffness data from the stiffness data to the control unit; a second step of generating information about cutting force, which is a force applied to the tool, by the control unit; a third step of deriving a minimum value of the determination reference value (Idx) by using the cutting force while varying the Rz excitation degree of freedom, which is the rotational degree of freedom of the end of the tool, by the control unit; and a fourth step of transmitting a control signal from the control unit to the robot so that the posture of the robot is controlled while maintaining the position of the tool with an Rz excitation induction at which the determination reference value Idx is minimized.
  • the cutting force in the second step, may be derived from the cutting force modeling data stored in the control unit.
  • information obtained by measuring pressure and torque applied to a spindle connected to the tool by a force sensor provided in the processing unit may be transmitted to the control unit.
  • the effect of the present invention according to the configuration as described above is that it is possible to improve the machining precision of the robot by enabling the robot to perform the machining process in the strongest posture and minimizing the machining error.
  • the effect of the present invention is that it is possible to control the rigidity of the robot while minimizing additional sensors or other devices, so that the efficiency in the machining process using the robot can be remarkably improved.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a processing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a processing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is an image of an embodiment using a processing device according to an embodiment of the present invention and a comparative example using another device.
  • a robot driven by having a plurality of links and a plurality of joints A processing unit coupled to the end of the robot and equipped with a tool to perform processing on a processing target; a stiffness data unit generating stiffness data that is a stiffness value for each of the plurality of joints that varies according to the posture of the robot; And receiving the stiffness data from the stiffness data unit, predicting posture deformation of the robot when the tool works on the processing target by using information on cutting force, which is a force applied to the tool, and It is characterized in that it includes; a controller for controlling the posture of the robot so that the posture of the maximum rigidity.
  • the end-effector (tool 221) of the robot 210 has six degrees of freedom (three positional degrees of freedom for three axes X, Y, and Z, and three rotational degrees of freedom through rotation for each axis). ), and thus, general industrial robots 210 may have six joints.
  • the present invention relates to an algorithm and a device devised for controlling the stiffness of the robot 210 as described above, and according to this method, it is possible to control the stiffness of the robot 210 while minimizing additional sensors or other devices, so that the robot 210 ) can significantly improve the efficiency in the processing process using.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a processing device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a processing device according to an embodiment of the present invention.
  • the processing apparatus of the present invention a robot 210 driven by a plurality of links and a plurality of joints;
  • a processing unit 220 coupled to the end of the robot 210 and equipped with a tool 221 to perform processing on the processing target 10;
  • a stiffness data unit 120 that generates stiffness data that is a stiffness value for each of a plurality of joints that vary according to the posture of the robot 210;
  • the robot 210 receives the stiffness data from the stiffness data unit 120 and uses information about the cutting force, which is the force applied to the tool 221.
  • a control unit 110 that predicts posture deformation and controls the posture of the robot 210 so that the rigidity of the robot 210 becomes the maximum posture.
  • stiffness data of the stiffness data unit 120 data on the posture of the robot 210 when each machining process is performed is collected and stored, and such stiffness data is obtained through experiments and stored in the stiffness data unit 120.
  • the following stiffness matrix can be derived using the stiffness data obtained through the experiment.
  • the control unit 110 stores the movement path of the tool 221 with respect to the object 10 in advance, and in this way, when the tool 221 moves along the movement path of the tool 221, the tool 221
  • the posture of the robot 210 at each position on the movement path of may be stored in the controller 110, and by using this, the controller 110 uses the movement path of the tool 221 to move the robot 210 Posture deformation can be predicted.
  • the posture change of the robot 210 may mean that the posture of the robot 210 is changed and determined by reflecting the 3D rotation angle of each of a plurality of joints and the 3D position of each of a plurality of links.
  • the control unit 110 may store cutting force modeling data, which is cutting force data for each of a plurality of machining regions formed on the machining target 10 .
  • cutting force modeling data which is cutting force data for each of a plurality of machining regions formed on the machining target 10 .
  • the controller 110 searches for information related to the object to be processed 110 in the cutting force modeling data, and uses the matching data It is possible to derive and use the cutting force for each of a plurality of processing parts in the processing target 10 .
  • the robot can be controlled even in an offline state, and thus the stability of machining using the robot can be improved.
  • the processing unit 220 may include a force sensor 222 that measures the cutting force.
  • the force sensor 222 may be formed outside or inside the processing unit 220, and the force sensor 222 measures the pressure and torque applied to the spindle connected to the tool 221 in the processing unit 220 can do.
  • the pressure and torque applied to the spindle may be measured in a three-dimensional direction, and the controller 110 may derive the cutting force using the pressure and torque values for the spindle.
  • the controller 110 A tool dynamometer for measuring cutting force may be provided.
  • the control unit 110 determines that the rigidity of the robot 210 is maximum when the judgment reference value (Idx), which is a value derived by [Equation 1] below, is the minimum, Idx is the judgment reference value, and W is the weight matrix.
  • T is a transposed matrix (hereinafter the same), and ⁇ x may be a machining error.
  • Idx W T ⁇ x
  • the weight matrix W is a matrix that assigns weights to each axis (movement and rotation about three axes X, Y, and Z) centered on the center point of the end of the tool 221, and is a matrix that is previously simulated by a simulation program or machine. It may be a matrix calculated using a learning program.
  • each of the weight matrix W and the machining error ⁇ x may be formed as a 6x1 matrix.
  • the processing error ( ⁇ x) is also minimized, and the processing error in each direction is reduced, so it can be determined that processing is performed in the posture of the robot 210 having the greatest rigidity. there is.
  • ⁇ x The machining error ( ⁇ x) is derived by [Equation 2] below, where Kx is a stiffness matrix based on stiffness data, F is a cutting force, and -1 may be an inverse matrix (hereinafter the same).
  • the stiffness matrix is a matrix of stiffnesses according to a Cartesian coordinate system and is obtained from experimentally acquired stiffness data.
  • the stiffness matrix may be a 6x6 matrix.
  • the cutting force may be a value derived from the cutting force modeling data as described above or a cutting force calculated by the controller 110 using information of the force sensor 222 .
  • the cutting force F may be a 6x1 matrix.
  • the stiffness matrix Kx is derived by [Equation 3] below, where J( ⁇ ) is a Jacobian matrix, K ⁇ is a constant matrix, and ⁇ is the workpiece 10 that the tool 221 contacts. ) may be Rz excitation degree of freedom, which is the rotational degree of freedom of the end of the tool 221 based on the rotational axis (z-axis) perpendicular to the surface of the surface.
  • the constant matrix K ⁇ may be a 6x6 matrix
  • the Jacobian matrix J( ⁇ ) may be a 6x6 matrix
  • the Rz degree of excitation is the rotational degree of freedom of the end of the tool 221, it can be expressed as the ⁇ value, which is the rotation angle of the end of the tool 221, and as shown in [Equation 3] above, the Jacobian The matrix J( ⁇ ) is variable according to the change of the Rz excitation induction ( ⁇ ).
  • control unit 110 may derive the minimum value of the determination reference value Idx while varying the Rz excitation induction.
  • the Rz excitation value may be set to any one number selected within the range of 0 to 360.
  • the Rz excitation degree of freedom is the rotational degree of freedom of the end of the tool 221, and specifically, may be a rotational degree of freedom using the z-axis, which is an axis perpendicular to the processing surface of the workpiece 10, as a rotational axis. Accordingly, the Rz excitation value may be selected within a range of 0 to 360 formed by dividing 360 degrees, which is the total rotation angle, in units of 1 degree.
  • the Rz excitation value may have a value of 0 and a natural number, and by reducing the number of data selected in this way, the time for controlling the robot 210 is reduced and the efficiency of controlling the robot 210 is increased. can However, it is not limited thereto, and it is naturally possible to select a number including a decimal point within the above range.
  • the control unit 110 controls the posture of the robot 210 by deriving the minimum value of the judgment reference value (Idx) while varying the Rz excitation induction and reflecting the Rz excitation induction value capable of minimizing the judgment reference value (Idx).
  • control unit 110 may determine that the rigidity of the robot 210 is the largest when the reference value Idx is minimized, and thus the rigidity of the robot 210 is The control unit 110 may transmit a control signal to the robot 210 so as to maintain the largest posture.
  • the processing apparatus of the present invention is possible to form a processing system including a display device for displaying the posture change of the robot 210 on the screen.
  • the 3D shape of the robot 210 and the judgment reference value (Idx) may be displayed on the screen of the display, and the user changes the 3D shape of the robot 210 and the judgment reference value (Idx) while viewing the screen of the display. Alternatively, it is possible to visually check whether or not it is maintained.
  • stiffness data may be transferred from stiffness data to the control unit 110 .
  • information on the cutting force applied to the tool 221 may be generated by the controller 110 .
  • the control unit 110 may derive the minimum value of the determination reference value Idx by using the cutting force while varying the excitation Rz, which is the rotational degree of freedom of the end of the tool 221.
  • the control unit 110 controls the robot 210 so that the posture of the robot 210 is controlled while the position of the tool 221 is maintained in the Rz excitation induction path in which the judgment reference value Idx is minimized. A signal can be transmitted.
  • the cutting force may be derived from the cutting force modeling data stored in the controller 110 .
  • the force sensor 222 in the processing unit 220 measures the pressure and torque applied to the spindle connected to the tool 221 to the control unit 110 can be conveyed
  • the force sensor 222 may measure pressure and torque applied to a spindle connected to the tool 221 in the processing unit 220 .
  • the rest of the processing method of the present invention is the same as the processing device of the present invention described above.
  • FIG. 3 is an image of an embodiment using a processing device according to an embodiment of the present invention and a comparative example using another device.
  • (a) of FIG. 3 is an image of a part processed by using a conventional robot 210
  • (b) of FIG. This is an image of the processed part that has been processed with posture.
  • machining may be drilling.
  • control unit 110 control unit
  • processing unit 220 processing unit

Landscapes

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  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 드릴링과 같은 로봇을 이용한 가공 공정에서, 로봇이 가장 강성이 강한 자세로 가공 공정을 수행할 수 있도록 하는 기술을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치는, 복수 개의 링크와 복수 개의 관절을 구비하고 여자유도를 구비하여 구동하는 로봇; 상기 로봇의 말단과 결합하고 공구를 구비하여 가공대상에 대한 가공을 수행하는 가공부; 상기 로봇의 자세에 따라 가변하는 상기 복수 개의 관절 각각에 대한 강성 값인 강성데이터를 생성하는 강성데이터부; 및 상기 강성데이터부로부터 상기 강성데이터를 전달받고, 상기 가공부로부터 상기 공구에 작용되는 힘인 절삭력에 대한 정보를 전달받아, 상기 공구가 상기 가공대상에 대한 작업 시, 상기 로봇의 자세 변형을 예측하고, 상기 로봇의 강성이 최대인 자세가 되도록 상기 로봇의 자세를 제어하는 제어부;를 포함한다. <대표도> 도 1

Description

로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치 및 이를 이용한 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 방법
본 발명은 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치 및 이를 이용한 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 드릴링과 같은 로봇을 이용한 가공 공정에서, 로봇이 가장 강성이 강한 자세로 가공 공정을 수행할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
최근에는 복수 개의 로봇을 이용한 제조 시스템이 증가하고 있으며, 자동차와 항공기 등과 같은 제품의 생산에 있어서, 로봇을 이용한 자동 제조 효율의 향상 및 가공 정밀도의 증가에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있다.
로봇은 공작기계 대비 강성이 매우 낮아서, 가공물에 대한 가공 중 발생하는 절삭력에 의해 로봇의 구조적 변형이 발생할 수 있다. 이와 같이 로봇의 구조적 변형이 발생하는 경우, 로봇을 이용한 가공에서 가공오차가 발생할 수 있다.
종래기술에서는, 로봇의 가공오차를 보상하기 위해 복수 개의 센서를 이용하여 로봇의 가공에 대한 피드백을 수집하고 이와 같은 정보를 분석함으로써 로봇의 가공오차를 감소시키는 방식이 이용되었으나, 이와 같은 방식은 사용자가 개발한 제어 알고리즘을 적용할 수 있는 일부 개방형 로봇 제어기에만 적용할 수 있다는 문제점이 있다.
일본 공개특허 제2019-195892호(발명의 명칭: 휨량 추정 장치, 로봇 제어 장치, 및 휨량 추정 방법)에는, 4절 링크 구조부의 요동각을 산출하는 요동각 산출부와, 4절 링크 구조부가 받는 부하를 산출하는 부하 산출부와, 4절 링크 구조부가 받는 부하와 4절 링크 구조부의 휨량을 관계 짓는 강성 행렬의 각 성분의 값인 강성치와, 4절 링크 구조부의 요동각과의 상관관계를 나타낸 강성치 결정 함수를 이용해, 요동각 산출부가 검지한 4절 링크 구조부의 요동각에 대응하는 상기 강성치를 결정하는 강성 행렬 결정부와, 부하 산출부가 산출한 4절 링크 구조부가 받는 부하와, 강성치 결정부가 결정된 강성치에 근거하고, 4절 링크 구조부의 휨량을 산출하는 휨량 산출부를 구비하는 장치가 개시되어 있다.
<선행기술문헌>
일본 공개특허 제2019-195892호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 드릴링과 같은 로봇을 이용한 가공 공정에서, 로봇이 가장 강성이 강한 자세로 가공 공정을 수행할 수 있도록 하는 것이다.
그리고, 본 발명의 목적은, 추가적인 별도의 장치나 복잡한 연산을 최소화하면서도 로봇에 대한 상기와 같은 제어를 수행할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 복수 개의 링크와 복수 개의 관절을 구비하여 구동하는 로봇; 상기 로봇의 말단과 결합하고 공구를 구비하여 가공대상에 대한 가공을 수행하는 가공부; 상기 로봇의 자세에 따라 가변하는 상기 복수 개의 관절 각각에 대한 강성 값인 강성데이터를 생성하는 강성데이터부; 및 상기 강성데이터부로부터 상기 강성데이터를 전달받고, 상기 가공부로부터 상기 공구에 작용되는 힘인 절삭력에 대한 정보를 이용하여, 상기 공구가 상기 가공대상에 대한 작업 시, 상기 로봇의 자세 변형을 예측하고, 상기 로봇의 강성이 최대인 자세가 되도록 상기 로봇의 자세를 제어하는 제어부;를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 하기의 수학식에 의해 도출된 값인 판단참조값(Idx)이 최소인 경우 상기 로봇의 강성이 최대인 것으로 판단하며, Idx는 판단참조값이고, W는 가중치행렬이며, T는 전치행렬이고, Δx는 가공오차일 수 있다.
Idx = WTΔx
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 가공오차(Δx)는 하기의 수학식에 의해 도출되며, Kx는 상기 강성데이터에 의한 강성행렬이고, F는 상기 절삭력이며, -1은 역행렬일 수 있다.
Δx = Kx-1F
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 강성행렬(Kx)은, 하기의 수학식에 의해 도출되며, J(θ)는 자코비안행렬이고, Kθ는 상수행렬이며, θ는 상기 공구가 접촉하는 상기 가공대상의 표면에 수직한 회전축(z축)을 기준으로 한 상기 공구 말단의 회전 자유도인 Rz여자유도일 수 있다.
Kx = J(θ)Kθ-1J(θ)T
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 자코비안행렬(J(θ))은, 상기 Rz여자유도(θ)의 변화에 따라 가변할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 Rz여자유도를 가변시키면서 상기 판단참조값(Idx)의 최소값을 도출할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 Rz여자유도 값은, 0 내지 360의 범위 내에서 선택되는 어느 하나의 수로 설정될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 가공대상에 형성된 복수 개의 가공부위 각각에 대한 상기 절삭력의 데이터인 절삭력모델링데이터를 저장할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 가공부는, 상기 절삭력을 측정하는 힘센서를 구비할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 강성데이터로부터 상기 제어부로 상기 강성데이터가 전달되는 제1단계; 상기 공구에 작용되는 힘인 절삭력에 대한 정보가 상기 제어부에서 생성되는 제2단계; 상기 제어부에서 상기 공구 말단의 회전 자유도인 Rz여자유도를 가변시키면서 상기 절삭력을 이용하여 상기 판단참조값(Idx)의 최소 값을 도출하는 제3단계; 및 상기 판단참조값(Idx)이 최소로 되는 Rz여자유도로 상기 공구의 위치가 유지되면서 상기 로봇의 자세가 제어되도록 상기 제어부로부터 상기 로봇으로 제어신호가 전달되는 제4단계;를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제2단계에서, 상기 제어부에 저장된 절삭력모델링데이터로부터 상기 절삭력이 도출될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제2단계에서, 상기 가공부에 구비된 힘센서가 상기 공구와 연결된 스핀들에 가해지는 압력 및 토크를 측정한 정보를 상기 제어부로 전달할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 로봇이 가장 강성이 강한 자세로 가공 공정을 수행할 수 있도록 하여, 가공오차를 최소화시킴으로써 로봇의 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다는 것이다.
그리고, 본 발명의 효과는, 추가적인 센서나 다른 장치를 최소화하면서 로봇 강성 제어가 가능하여, 로봇을 이용한 가공공정에서의 효율을 현저히 향상시킬 수 있다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가공 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가공 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가공 장치를 이용한 실시 예 및 다른 장치를 이용한 비교 예에 대한 이미지이다.
본 발명에 따른 가장 바람직한 일 실시예는, 복수 개의 링크와 복수 개의 관절을 구비하여 구동하는 로봇; 상기 로봇의 말단과 결합하고 공구를 구비하여 가공대상에 대한 가공을 수행하는 가공부; 상기 로봇의 자세에 따라 가변하는 상기 복수 개의 관절 각각에 대한 강성 값인 강성데이터를 생성하는 강성데이터부; 및 상기 강성데이터부로부터 상기 강성데이터를 전달받고, 상기 공구에 작용되는 힘인 절삭력에 대한 정보를 이용하여, 상기 공구가 상기 가공대상에 대한 작업 시, 상기 로봇의 자세 변형을 예측하고, 상기 로봇의 강성이 최대인 자세가 되도록 상기 로봇의 자세를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
일반적으로 로봇(210)의 엔트이펙터(end-effector, 공구(221))는 6개의 자유도(X, Y, Z 3축에 대한 3개의 위치 자유도와 각 축에 대한 회전을 통한 3개의 회전 자유도)를 지니며, 따라서, 일반적인 산업용 로봇(210)들은 6개의 관절을 지닐 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 로봇(210)의 강성 제어를 위해 안출된 알고리즘 및 장치에 관한 것이며, 이러한 방법에 의하면, 추가적인 센서나 다른 장치를 최소화하면서 로봇(210) 강성 제어가 가능하여, 로봇(210)을 이용한 가공공정에서의 효율을 현저히 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가공 장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가공 장치의 구성도이다. 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 가공 장치는, 복수 개의 링크와 복수 개의 관절을 구비하여 구동하는 로봇(210); 로봇(210)의 말단과 결합하고 공구(221)를 구비하여 가공대상(10)에 대한 가공을 수행하는 가공부(220); 로봇(210)의 자세에 따라 가변하는 복수 개의 관절 각각에 대한 강성 값인 강성데이터를 생성하는 강성데이터부(120); 및 강성데이터부(120)로부터 강성데이터를 전달받고, 공구(221)에 작용되는 힘인 절삭력에 대한 정보를 이용하여, 공구(221)가 가공대상(10)에 대한 작업 시, 로봇(210)의 자세 변형을 예측하고, 로봇(210)의 강성이 최대인 자세가 되도록 로봇(210)의 자세를 제어하는 제어부(110);를 포함한다.
강성데이터부(120)의 강성데이터에는 각각의 가공공정 수행 시 로봇(210)의 자세에 대한 데이터가 수집 저장되어 있으며, 이와 같은 강성데이터는 실험에 의해 획득되어 강성데이터부(120)에 저장될 수 있다. 그리고, 실험에 의해 획득된 강성데이터를 이용하여 하기와 같은 강성행렬을 도출할 수 있다.
제어부(110)에는 가공대상(10)에 대한 공구(221)의 이동경로가 사전에 저장되어 있으며, 이와 같이 공구(221)의 이동경로를 따라 공구(221)가 이동하는 경우, 공구(221)의 이동경로 상 각각의 위치에서의 로봇(210)의 자세가 제어부(110)에 저장될 수 있으며, 이를 이용하여, 제어부(110)는 공구(221)의 이동경로를 이용하여 로봇(210)의 자세 변형을 예측할 수 있다.
여기서, 로봇(210)의 자세 변형이란, 복수 개의 관절 각각의 3차원 회전각 및 복수 개의 링크 각각의 3차원 위치가 반영되어 로봇(210)의 자세가 변경 및 결정되는 것을 의미할 수 있다.
제어부(110)는, 가공대상(10)에 형성된 복수 개의 가공부위 각각에 대한 절삭력의 데이터인 절삭력모델링데이터를 저장할 수 있다. 사용자가 제어부(110)에 가공대상(10)의 종류에 대한 정보를 입력하면, 제어부(110)는 해당 가공대상(110)과 관련된 정보를 절삭력모델링데이터에서 서칭하게 되고, 매칭되는 데이터를 이용하여 해당 가공대상(10)에서 복수 개의 가공부위 각각에 대한 절삭력을 도출하여 이용할 수 있다.
이와 같은 방식으로 절삭력을 도출하는 경우, offline 상태에서도 로봇의 제어를 수행할 수 있어, 로봇을 이용한 가공의 안정성을 향상시킬 수 있다.
또는, 가공부(220)는, 절삭력을 측정하는 힘센서(222)를 구비할 수 있다. 여기서, 힘센서(222)는 가공부(220)의 외부 또는 내부에 형성될 수 있으며, 힘센서(222)는 가공부(220) 내 공구(221)와 연결된 스핀들에 가해지는 압력 및 토크를 측정할 수 있다.
여기서, 스핀들에 가해지는 압력 및 토크는 3차원 방향으로 측정될 수 있으며, 제어부(110)는 이와 같은 스핀들에 대한 압력 및 토크 값을 이용하여 절삭력을 도출할 수 있으며, 이를 위해 제어부(110)는 절삭력 측정을 위한 공구동력계(dynamometer)를 구비할 수 있다.
제어부(110)는, 하기의 [수학식 1]에 의해 도출된 값인 판단참조값(Idx)이 최소인 경우 로봇(210)의 강성이 최대인 것으로 판단하며, Idx는 판단참조값이고, W는 가중치행렬이며, T는 전치행렬(이하, 동일)이고, Δx는 가공오차일 수 있다.
[수학식 1]
Idx = WTΔx
가중치행렬(W)은, 공구(221)의 말단 중심점을 중심으로한 각각의 축(X, Y, Z 3축에 대한 이동 및 회전)에 대한 가중치를 부여하는 행렬로써, 사전에 시뮬레이션 프로그램 또는 기계학습 프로그램을 이용하여 연산된 행렬일 수 있다. 그리고, 가중치행렬(W)과 가공오차(Δx) 각각은 6x1의 행렬로 형성될 수 있다.
판단참조값(Idx)이 최소인 값인 경우에는 가공오차(Δx)도 최소로 되어, 각 방향에 대한 가공오차가 저감됨으로써, 로봇(210)의 강성이 가장 큰 자세로 가공이 수행되는 것으로 판단할 수 있다.
가공오차(Δx)는 하기의 [수학식 2]에 의해 도출되며, Kx는 강성데이터에 의한 강성행렬이고, F는 절삭력이며, -1은 역행렬(이하, 동일)일 수 있다.
[수학식 2]
Δx = Kx-1F
상기와 같이 강성행렬은 직교좌표계에 따른 강성들의 행렬로써, 실험적으로 획득된 강성데이터로부터 획득되며, 강성행렬은 6x6의 행렬일 수 있다. 절삭력은, 상기와 같이 절삭력모델링데이터에 의해 도출된 값이거나, 힘센서(222)의 정보를 이용하여 제어부(110)에서 연산된 절삭력일 수 있다. 또한, 절삭력 F는 6x1의 행렬일 수 있다.
그리고, 강성행렬(Kx)은, 하기의 [수학식 3]에 의해 도출되며, J(θ)는 자코비안행렬이고, Kθ는 상수행렬이며, θ는 공구(221)가 접촉하는 가공대상(10)의 표면에 수직한 회전축(z축)을 기준으로 한 공구(221) 말단의 회전 자유도인 Rz여자유도일 수 있다.
[수학식 3]
Kx = J(θ)Kθ-1J(θ)T
축 강성행렬로써 상수행렬인 Kθ는 6x6행렬이고, 자코비안행렬인 J(θ)는 6x6행렬일 수 있다.
Rz여자유도는 공구(221) 말단의 회전 자유도이므로, 공구(221)의 말단의 회전 각도인 θ값으로 표현될 수 있으며, 상기와 같은 [수학식 3]에서 보는 바와 같이, 자코비안(Jacobian)행렬(J(θ))은, Rz여자유도(θ)의 변화에 따라 가변할 수 있다.
그리고, 제어부(110)는, Rz여자유도를 가변시키면서 판단참조값(Idx)의 최소값을 도출할 수 있다. 여기서, Rz여자유도 값은, 0 내지 360의 범위 내에서 선택되는 어느 하나의 수로 설정될 수 있다.
상기와 같이 Rz여자유도는 공구(221) 말단의 회전 자유도로써, 구체적으로, 가공대상(10)의 가공 표면에 수직인 축인 z축을 회전축으로 하는 회전 자유도일 수 있다. 이에 따라, Rz여자유도 값은, 1도(degree) 단위로 전체 회전각인 360도(degree)을 분할함으로써 형성되는 0 내지 360의 범위 내에서 선택될 수 있다.
그리고, 여기서, Rz여자유도 값은 0 및 자연수의 값을 구비할 수 있으며, 이와 같이 선택되는 데이터의 수를 감소시킴으로써 로봇(210) 제어의 시간을 감소시켜 로봇(210) 제어의 효율을 증대시킬 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 상기와 같은 범위 내에서 소수점을 포함한 수를 선택하도록 하는 것도 당연히 수행할 수 있다.
제어부(110)에서는, Rz여자유도를 가변시키면서 판단참조값(Idx)의 최소값을 도출하고, 판단참조값(Idx)을 최소로 할 수 있는 Rz여자유도 값을 반영하여 로봇(210)의 자세를 제어할 수 있다.
상기와 같이, 제어부(110)에서는, 판단참조값(Idx)이 최소로 되는 경우, 상기와 같이 로봇(210)의 강성이 가장 크게 형성되는 것으로 판단할 수 있으며, 이와 같이 로봇(210)의 강성이 가장 크게 형성되는 자세를 유지할 수 있도록 제어부(110)가 로봇(210)으로 제어신호를 전달할 수 있다.
본 발명의 가공 장치; 및 로봇(210)의 자세 변화를 화면에 표시하는 디스플레이 장치를 포함하는 가공 시스템을 형성할 수 있다. 구체적으로, 디스플레이의 화면에는 로봇(210)의 3차원 형상 및 판단참조값(Idx)이 표시될 수 있으며, 사용자는 디스플레이의 화면을 보면서 로봇(210)의 3차원 형상 및 판단참조값(Idx)의 변화 또는 유지 여부를 육안으로 확인할 수 있다.
이하, 본 발명의 가공 장치를 이용한 본 발명의 가공 방법에 대해서 설명하기로 한다.
먼저, 제1단계에서, 강성데이터로부터 제어부(110)로 강성데이터가 전달될 수 있다. 그리고, 제2단계에서, 공구(221)에 작용되는 힘인 절삭력에 대한 정보가 제어부(110)에서 생성될 수 있다.
다음으로, 제3단계에서, 제어부(110)에서 공구(221) 말단의 회전 자유도인 Rz여자유도를 가변시키면서 절삭력을 이용하여 판단참조값(Idx)의 최소 값을 도출할 수 있다. 그 후, 제4단계에서, 판단참조값(Idx)이 최소로 되는 Rz여자유도로 공구(221)의 위치가 유지되면서 로봇(210)의 자세가 제어되도록 제어부(110)로부터 로봇(210)으로 제어신호가 전달될 수 있다.
제2단계에서, 절삭력의 도출을 위하여, 제어부(110)에 저장된 절삭력모델링데이터로부터 절삭력이 도출될 수 있다.
또는, 제2단계에서, 절삭력의 도출을 위하여, 가공부(220)에 구비된 힘센서(222)가 공구(221)와 연결된 스핀들에 가해지는 압력 및 토크를 측정한 정보를 제어부(110)로 전달할 수 있다. 여기서, 힘센서(222)는 가공부(220) 내 공구(221)와 연결된 스핀들에 가해지는 압력 및 토크를 측정할 수 있다.
본 발명의 가공 방법에 대한 나머지 사항은, 상기된 본 발명이 가공 장치에 대한 사항과 동일하다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가공 장치를 이용한 실시 예 및 다른 장치를 이용한 비교 예에 대한 이미지이다. 여기서, 도 3의 (a)는 종래의 로봇(210)을 이용하여 가공을 수행한 가공 부위에 대한 이미지이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 로봇(210)의 이용하여 강성이 증가된 자세로 가공을 수행한 가공 부위에 대한 이미지이다. 여기서, 가공은 드릴링일 수 있다.
도 3의 (a)에서 보는 바와 같이, 종래의 로봇(210)을 이용하여 가공을 수행하는 경우, 가공부(220)위의 각 위치에서 직경 측정 시 직경이 상이한 부위가 형성되어 가공오차가 발생됨을 확인할 수 있다. 그리고, 도 3의 (b)에서 보는 바와 같이, 본 발명의 로봇(210)을 이용하여 가공을 수행하는 경우, 가공부(220)위의 각 위치에서 직경 측정 시 지름이 상이한 부위가 없어 가공오차가 최소화됨을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
<부호의 설명>
10 : 가공대상
110 : 제어부
120 : 강성데이터부
210 : 로봇
220 : 가공부
221 : 공구
222 : 힘센서

Claims (13)

  1. 복수 개의 링크와 복수 개의 관절을 구비하여 구동하는 로봇;
    상기 로봇의 말단과 결합하고 공구를 구비하여 가공대상에 대한 가공을 수행하는 가공부;
    상기 로봇의 자세에 따라 가변하는 상기 복수 개의 관절 각각에 대한 강성 값인 강성데이터를 생성하는 강성데이터부; 및
    상기 강성데이터부로부터 상기 강성데이터를 전달받고, 상기 공구에 작용되는 힘인 절삭력에 대한 정보를 이용하여, 상기 공구가 상기 가공대상에 대한 작업 시, 상기 로봇의 자세 변형을 예측하고, 상기 로봇의 강성이 최대인 자세가 되도록 상기 로봇의 자세를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 하기의 수학식에 의해 도출된 값인 판단참조값(Idx)이 최소인 경우 상기 로봇의 강성이 최대인 것으로 판단하며, Idx는 판단참조값이고, W는 가중치행렬이며, T는 전치행렬이고, Δx는 가공오차인 것을 특징으로 하는 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치.
    Idx = WTΔx
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가공오차(Δx)는 하기의 수학식에 의해 도출되며, Kx는 상기 강성데이터에 의한 강성행렬이고, F는 상기 절삭력이며, -1은 역행렬인 것을 특징으로 하는 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치.
    Δx = Kx-1F
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 강성행렬(Kx)은, 하기의 수학식에 의해 도출되며, J(θ)는 자코비안행렬이고, Kθ는 상수행렬이며, θ는 상기 공구가 접촉하는 상기 가공대상의 표면에 수직한 회전축(z축)을 기준으로 한 상기 공구 말단의 회전 자유도인 Rz여자유도인 것을 특징으로 하는 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치.
    Kx = J(θ)Kθ-1J(θ)T
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 자코비안행렬(J(θ))은, 상기 Rz여자유도(θ)의 변화에 따라 가변하는 것을 특징으로 하는 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 Rz여자유도를 가변시키면서 상기 판단참조값(Idx)의 최소값을 도출하는 것을 특징으로 하는 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 Rz여자유도 값은, 0 내지 360의 범위 내에서 선택되는 어느 하나의 수로 설정되는 것을 특징으로 하는 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 가공대상에 형성된 복수 개의 가공부위 각각에 대한 상기 절삭력의 데이터인 절삭력모델링데이터를 저장하는 것을 특징으로 하는 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 가공부는, 상기 절삭력을 측정하는 힘센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 선택되는 어느 하나의 항에 의한 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치; 및
    상기 로봇의 자세 변화를 화면에 표시하는 디스플레이 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가공 시스템.
  11. 청구항 7의 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 장치를 이용한 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 방법에 있어서,
    상기 강성데이터로부터 상기 제어부로 상기 강성데이터가 전달되는 제1단계;
    상기 공구에 작용되는 힘인 절삭력에 대한 정보가 상기 제어부에서 생성되는 제2단계;
    상기 제어부에서 상기 공구 말단의 회전 자유도인 Rz여자유도를 가변시키면서 상기 절삭력을 이용하여 상기 판단참조값(Idx)의 최소 값을 도출하는 제3단계; 및
    상기 판단참조값(Idx)이 최소로 되는 Rz여자유도로 상기 공구의 위치가 유지되면서 상기 로봇의 자세가 제어되도록 상기 제어부로부터 상기 로봇으로 제어신호가 전달되는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2단계에서, 상기 제어부에 저장된 절삭력모델링데이터로부터 상기 절삭력이 도출되는 것을 특징으로 하는 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2단계에서, 상기 가공부에 구비된 힘센서가 상기 공구와 연결된 스핀들에 가해지는 압력 및 토크를 측정한 정보를 상기 제어부로 전달하는 것을 특징으로 하는 로봇 강성 유지 자세를 구현하는 가공 방법.
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