WO2010143837A2 - 로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법 - Google Patents

로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법 Download PDF

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WO2010143837A2
WO2010143837A2 PCT/KR2010/003569 KR2010003569W WO2010143837A2 WO 2010143837 A2 WO2010143837 A2 WO 2010143837A2 KR 2010003569 W KR2010003569 W KR 2010003569W WO 2010143837 A2 WO2010143837 A2 WO 2010143837A2
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measuring
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범진환
김정민
박상욱
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EZROBOTICS Ltd
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
    • B25J9/1679—Program controls characterised by the tasks executed
    • B25J9/1692—Calibration of manipulator
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39045—Camera on end effector detects reference pattern
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P80/00—Climate change mitigation technologies for sector-wide applications
    • Y02P80/40—Minimising material used in manufacturing processes

Definitions

  • the present invention relates to a robot calibration apparatus and method thereof, and more particularly, to a robot calibration apparatus for calibrating a robot used to perform various processes such as welding, grinding, cutting, and measuring on behalf of a human. And to a method thereof.
  • Robots are widely used throughout the industry on behalf of humans. For example, in a production line in which various processes for producing automobiles are performed, a plurality of robots in which tools for each process are combined are arranged to perform various tasks for a plurality of automobiles that progress in one direction. As such, when a production line is built by combining various tools with a plurality of robots, a large amount of automobiles can be produced inexpensively. In addition, since the robot performs various processes while moving along the designed motion trajectory, it is very easy to maintain the quality of the process at the same level unlike when performed by a human. On the other hand, the robot is also widely used for the purpose of measuring and testing the produced product.
  • the position, direction, and operation form of the apparatuses of the whole process including the robot should be determined before the process installation.
  • the design value of each robot is inputted to the computer to perform the above operation, but the actual robot has various driving devices that enable the movement of the robot.
  • This error is small but propagated, and ultimately generates a large error when the process is actually performed, resulting in a defect of the finished product, and it takes a lot of time to correct such defects. do.
  • a number of points (preliminary position information) on a measuring jig disposed around the robot using a non-contact sensor, for example, a laser vision sensor, coupled to the robot After the robot is calibrated using the measured position of each point and the measured position information of each point, a method of minimizing the position error of the tool center point of the tool coupled to the robot is widely used.
  • the calibration is for predicting the position and direction of the robot base, the parameters governing the kinematics of the robot, the installation position and the direction of the tool, and so on.
  • the position measurement of the point on the measuring jig should be performed during the rest period between the processes, so the flexibility of the robot posture that can be taken during the measurement is more flexible. Much required.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is not only to a reference point in which position information is known in advance, but also to a point in which a linear equation is known in advance and a point on a reference plane in which a plane equation is known in advance.
  • the structure is improved so that it is possible to select and measure a plurality of points among the arbitrary points and to calibrate using the measured position information of the point, and the structure is improved so that the calibration can be made more easily and can be easily applied to the production line. It is to provide a calibration device and a method thereof. That is, it is an object of the present invention to provide a robot calibration apparatus and method for calibrating the measured position information even when measuring any position on a reference line or a reference plane on a measuring jig.
  • the robot calibration apparatus includes a plurality of reference points of the position information is known in advance, one or more reference lines known in advance of the linear equation and one or more reference planes known in the plane equation, A measuring jig in which any of a reference point of, any point on the reference line and any point on the reference plane can be set as a measuring point; A sensor coupled to the robot for measuring positions of a plurality of measuring points selected from among the measuring points on the measuring jig; And a controller configured to control the robot by calibrating the robot based on a plurality of calibration data including position information of a plurality of measuring points measured by the sensor, wherein at least one measuring point of the plurality of measuring points is true. Characterized in that arranged on the shipbuilding or reference plane.
  • the robot calibration method comprises the steps of placing around the robot a plurality of reference points known in advance of the position information, one or more reference lines known in advance of the linear equation and one or more reference planes known in the plane equation; A plurality of measuring points are selected from any of the plurality of reference points, any point on the reference line, and any point on the reference plane, and at least one measuring point of the selected plurality of measuring points is the reference line or reference. Selecting to be disposed on a plane; Measuring position of the plurality of selected measurement points by using a sensor coupled to the robot to obtain position information of the plurality of measurement points; And calibrating the robot based on a plurality of calibration data including position information of the plurality of measurement points.
  • the measurement position information can be used for calibration, so that the position information of a point used for calibration can be easily obtained without limiting the attitude of the robot. You can get it.
  • the position information of the measuring point for calibration can be easily obtained even during the rest period between the processes, it can be easily applied to the actual production line.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a robot calibration apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram for describing an operation process of the calibration device shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a schematic flowchart of a robot calibration method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a robot calibration apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a block diagram for explaining the operation of the calibration device shown in FIG.
  • the robot calibration apparatus 100 is a kinematic equation, such as the position and direction of the robot base, parameters governing the robot kinematic equation, and the position and direction of the portion where the tool is to be installed. It is to accurately predict various parameters that govern.
  • precisely predicted parameter values can be used to determine the position and orientation of the tool reference coordinate system or the tool (point not shown) directly in the user coordinate system or robot reference coordinate system.
  • the position can be calculated more exactly like the actual one, and thus the tool tip can be accurately positioned at the desired position.
  • the robot tip can be more precisely controlled to precisely move the tool tip to the position desired by the user.
  • the robot 10 is configured to include a base 11 and a plurality of links 12 coupled to the base 11, and in particular in this embodiment is configured to have two links 12.
  • the robot 10, the measuring jig 20, and the sensor 30 are provided with a plurality of coordinate systems as follows.
  • [S] The reference coordinate system of the sensor 30, and the positional information of the measured measuring points is obtained based on the [S] coordinate system.
  • the robot calibration apparatus 100 includes a measuring jig 20, a sensor 30, and a controller 40.
  • the measuring jig 20 is made of a material which minimizes deformation due to changes in environment, for example, temperature or humidity, and is configured to include a pair of measuring jig parts 201 and 202 having a rectangular parallelepiped shape.
  • the measuring jig 20 includes a plurality of reference points, reference lines 22 and reference planes 23 to be measured by the sensor, respectively.
  • the reference point is a point as described in the prior art and is set to the center of the circle 21. Then, the positional information of the reference point, that is, the positional information on the reference coordinate system [J] of the measurement jig 20, that is, the x value, the y value, and the z value are all known.
  • the reference line 22 is set at the edge of each measuring jig portion 201, 202, and the reference plane 23 is set as a surface formed in each measuring jig portion 201,202.
  • the linear equations and planar equations of the reference line 22 and the reference plane 23 are known in advance on the reference coordinate system [J] of the measuring jig 20.
  • each reference point, arbitrary points on the reference line 22, and arbitrary points on the reference plane 23 are set as measuring points, respectively, and the position is measured by a sensor.
  • the measuring jig 20 has three types of measuring points having different properties, that is, a reference point, a measuring point set on the reference line 22 and a measuring point set on the reference plane 23.
  • the reference point on the measuring jig 20, the linear equation of the reference line 22 and the planar equation of the reference plane 23 are accurately measured in advance by measuring equipment such as a laser tracker.
  • the reference line 22 on the measuring jig 20 is parallel to at least one of the x-axis, y-axis and z-axis of the reference coordinate system [J] set in the measuring jig 20, and the measuring jig 20
  • the reference plane 23 on) is orthogonal to at least one of the x-axis, y-axis, and z-axis of the reference coordinate system [J] set in the measurement jig 20.
  • the reference coordinate system [J] of the measuring jig 20 and the reference coordinate system [S] of the sensor are It can be modeled by the relationship as shown in Equation 1 below.
  • F (x) Is the forward kinematics of the robot 10, Is the robot joint angle vector, Are various parameter vectors to be predicted. Also, Is a vector from a reference point seen in the reference coordinate system of the measuring jig 20, to any point on the reference line, to any point on the reference plane. In the case of a reference point, the reference point on the reference coordinate system [J] set in the measuring jig 20 J Px , J Py, J Pz All three positions are known, but for any point on the reference line, only one linear equation, that is, two independent positional relationships, and for any point on the reference plane, one plane equation, ie only 1 Only the positional relationship of the dog can be known. Also Is the vector from the sensor 30 to the measurement point.
  • the measuring point is any point on the reference point or reference line or any point on the reference plane as already described.
  • Equation 1 can be satisfied. And three equations can be obtained every time the reference point 21 on the measuring jig, for example, the center point of the circle, is measured.
  • the reference coordinate system of the measuring jig 20 is perpendicular or parallel to the reference line 22 and the reference plane 23 on the measuring jig, when any point on the reference line 22 is measured as the measuring point, Of Equation 1 J Px , J Py, J Since only two values of Pz are known, two equations can be obtained each time any point on the reference line is measured.
  • the equation (1) J Px , J Py, J Since only one value of Pz is known one equation can be obtained each time any point on the reference plane is measured.
  • the reference line 22 on the measuring jig is perpendicular or parallel to the reference coordinate system [J] set on the measuring jig 20, and the reference plane 23 on the measuring jig is also set on the reference coordinate system [J]
  • the reference line and the reference plane are not perpendicular or parallel to the reference coordinate system [J]
  • the direction vector of a general reference line that is not parallel or perpendicular to the coordinate system [J] can be expressed as follows.
  • a normal vector of a general reference plane that is not parallel or perpendicular to the coordinate system [J] may be expressed as follows.
  • the direction vector for the general reference line or the normal vector for the general reference plane Is parallel to the z axis of the general reference coordinate system [H].
  • the coordinate system [H] is obtained when the coordinate system [J] is rotated by the ⁇ angle in the x axis direction and by the ⁇ angle in the y axis direction.
  • ⁇ and ⁇ mean the amount of rotation from the coordinate system [J] to the coordinate system [H].
  • Rotx ( ⁇ ) means a rotation matrix that rotates by ⁇ angle in the x-axis direction
  • Roty ( ⁇ ) means a rotation matrix that rotates by ⁇ angle in the y-axis direction. ?? indicates that the value is unknown (the same applies to the following equation).
  • the general reference line in [J] is also parallel to any one of the x-axis, y-axis and z-axis of the coordinate system [H] in the general reference coordinate system [H].
  • Equation 3 two equations can be obtained from the general reference line.
  • the general reference plane in the reference coordinate system [J] is also orthogonal to any one of the x, y, and z axes of the coordinate system [H] in the general reference coordinate system [H]. Finally, if any point on the general reference plane is measured in the general reference coordinate system [H], H Px , H Py, H Since only one value of Pz is known, one equation can be obtained each time any point on the general reference plane is measured.
  • Equation 4 one equation can be obtained from the general reference plane.
  • the sensor 30 included in the robot calibration apparatus 100 is coupled to the robot 10.
  • the sensor 30 is a non-contact sensor, for example a laser vision sensor, and includes a plurality of measuring points selected from reference points on the measuring jig 20, any point on the reference line and any point on the reference plane. Each position is measured to obtain calibration data.
  • at least one of the selected measurement points is on the reference line 22 or on the reference plane 23, and the calibration data includes position information of the measured measurement points.
  • the calibration data includes various information such as the position and direction of the robot joint.
  • the measurement point to be measured is selected by the number of calibration data.
  • the position information of the measurement point measured by the sensor 30 is stored in the storage unit 50.
  • the controller 40 calibrates the robot through a known data processing process such as a least square method using a plurality of calibration data.
  • a known data processing process such as a least square method using a plurality of calibration data.
  • the robot is calibrated in this way, more precisely predicted parameter values can be used when moving the robot to an arbitrary position, thereby enabling precise control of the robot.
  • the camera is installed in the robot, the calibration result is used, and the reference coordinate system of the camera can be controlled more precisely, thereby minimizing the positional error of the origin of the camera reference coordinate system. Will be.
  • the controller 40 is electrically connected to the storage unit 50 and the non-contact sensor 30 to perform a control operation. That is, the control unit 40 stores the position information of the measurement point measured by the non-contact sensor 30 in the storage unit 50, and each measurement point stored in the storage unit 50 when the calculation by the control unit 40 is required. Read location information.
  • the measurement jig 20 is installed around the robot 10. At this time, one measuring jig 20 may be installed around the robot, and in some cases a plurality of measuring jig 20 may be installed (S100).
  • the position of the measuring point is measured by using the non-contact sensor 30 at the rest period between the welding processes or before the welding process is performed for the first time (S200).
  • the selected measurement point is a reference point 21, an arbitrary point on the reference line 22, or an arbitrary point on the reference plane 23.
  • the robot is calibrated using the obtained plurality of equations (S300).
  • S300 the obtained plurality of equations
  • the restriction on the attitude of the robot is much less, and furthermore, the center of the circle 21 or true
  • the limitation on the attitude of the robot is much smaller than that of the point on the ship 22. Therefore, the measurement of the measuring point set in the measuring jig 20 can be easily and immediately made without restriction on the attitude that the robot 10 can take.
  • the resting period during which the robot 10 waits without progressing between processes is generally short, and in order to measure the measuring points during a short pause and to calibrate using the measured position information, a quick measurement of the measuring points is required.
  • This rapid measurement can be easily achieved by the apparatus and method of the present embodiment.
  • not only the reference point (the center of the circle 21) but also the point on the reference line 22 or the viscosity measurement point on the reference plane 23 are set as compared with the case of measuring the reference point. This is because the limit on the attitude of the robot 10 is much smaller when measuring a point on a line or a point on a reference plane.

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Abstract

로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 로봇 캘리브레이션 장치는 위치정보가 미리 알려진 복수의 참조점, 직선방정식이 미리 알려진 하나 이상의 참조선 및 평면방정식이 미리 알려진 하나 이상의 참조평면을 포함하되, 복수의 참조점 중 임의의 점, 참조선상의 임의의 점 및 참조평면상의 임의의 점이 측정점으로 설정될 수 있는 측정지그; 로봇에 결합되며, 측정지그상의 측정점들 중에서 선택된 복수의 측정점의 위치를 각각 측정하는 센서; 및 센서로부터 측정된 복수의 측정점의 위치정보를 포함하는 복수의 캘리브레이션 데이터를 기초로 로봇을 캘리브레이션하여 로봇을 제어하는 제어부;를 구비하며, 복수의 측정점 중 적어도 하나의 측정점은 참조선 또는 참조평면상에 배치되도록 구성된다. 본 발명에 따르면, 측정지그 상의 참조선 또는 참조평명 상의 임의의 위치를 측정하는 정보를 이용하여 로봇을 캘리브레이션할 수 있으므로, 측정점의 위치 측정시 로봇의 자세에 대한 제한이 크게 줄어들고 측정점의 위치 정보를 손쉽게 얻을 수 있으며, 나아가 로봇 캘리브레이션 장치를 생산라인에 쉽게 적용할 수 있게 된다.

Description

로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법
본 발명은 로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 사람을 대신하여 용접, 그라인딩(grinding), 커팅(cutting) 및 측정 등과 같은 각종 공정을 수행하는데 사용되는 로봇을 캘리브레이션하는 로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
로봇은 사람을 대신하여 산업계 전반에 널리 사용되고 있다. 예를 들어 자동차를 생산하기 위한 각종 공정이 진행되는 생산라인에는, 각 공정에 맞는 공구가 결합된 로봇이 다수 배치되어 일방향으로 진행하는 다수의 자동차에 대한 각종 작업을 수행한다. 이와 같이 다수의 로봇에 각종 공구를 결합하여 생산라인을 구축하게 되면, 자동차를 대량으로 값싸게 생산할 수 있게 된다. 또한, 로봇은 설계된 운동 궤적을 따라 이동하면서 각종 공정을 수행하므로, 사람이 수행하는 경우와는 달리 공정의 품질을 동일한 수준으로 유지하기가 매우 쉽다. 한편, 로봇은 생산된 제품을 측정하여 검사하는 용도로도 널리 활용되고 있다.
한편, 로봇을 이용하여 각종 공정을 수행하는 경우에는 공정 작업의 정의를 효과적으로 수행하기 위해 공정 설치 이전에 로봇을 포함한 공정 전체의 장치들의 위치 및 방향 그리고 동작 형태를 결정하여야 한다. 이때 각 로봇의 설계치를 컴퓨터에 입력하여 상기의 작업을 수행하나, 실제 로봇은 로봇의 운동을 가능하게 하는 각종 구동장치에 구동 오차나 로봇의 제작 오차, 공구의 설치 오차 등으로 말미암아 각각의 설계치에 대해 완벽하게 오차 없이 만들 수 없으며, 이러한 오차는 작지만 전파되어 궁극적으로 공정 작업을 실제로 수행할 때 큰 오차를 발생시켜 각종 공정이 완료된 제품의 불량을 초래하며 이러한 불량을 수정하기까지 많은 시간을 필요로 한다.
종래에는 이러한 제품 불량을 방지하기 위해서, 로봇에 결합된 비접촉 센서, 예를 들어 레이저 비젼 센서(laser vision sensor)를 이용하여 로봇 주위에 배치된 측정지그 상의 다수 점(point)(사전에 위치정보가 알려져 있음)의 위치를 측정하고 측정된 각 점의 위치 정보를 이용하여 로봇 캘리브레이션을 수행한 후에, 로봇에 결합된 공구의 선단(tool center point)의 위치 오차를 최소화하는 방법이 널리 사용되고 있다. 여기서, 캘리브레이션이라 함은 로봇 베이스의 위치 및 방향, 로봇의 기구학식을 지배하는 파라미터들, 공구의 설치 위치 및 방향 등을 실제와 동일하도록 예측하기 위한 것이다.
그런데, 종래의 캘리브레이션 방법에 있어서는, 측정지그에 설정되어 그 위치정보가 알려진 다수의 점, 예를 들어 원의 중심의 위치만을 측정해야 하므로, 측정시에 로봇이 취하는 자세가 매우 제한되며 경우에 따라서는 측정이 불가능한 문제점이 있다.
특히, 생산 라인 상의 로봇 주위에 측정지그를 설치하여 공정 중 캘리브레이션을 수행하는 경우에는 공정 사이의 휴지기에 측정지그 상의 점에 대한 위치 측정이 이루어져야 하므로, 측정시 취해질 수 있는 로봇 자세에 대한 유연성이 보다 많이 요구된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 사전에 위치정보가 미리 알려진 참조점뿐만 아니라 직선방정식이 미리 알려진 참조직선상의 임의의 점 및 평면방정식이 미리 알려진 참조평면상의 임의의 점 중 복수의 점을 선택하여 측정하고 그 측정된 점의 위치 정보를 이용하여 캘리브레이션할 수 있도록 구조가 개선되어 구조가 개선되어 캘리브레이션이 보다 쉽게 이루어질 수 있으며 나아가 생산 라인에 쉽게 적용될 수 있는 로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 측정지그 상의 참조선 또는 참조평면 상에 아무 위치나 측정하여도 측정된 위치 정보를 캘리브레이션에 사용할 수 있도록 하는 로봇 캘리브레이션 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 로봇 캘리브레이션 장치는 위치정보가 미리 알려진 복수의 참조점, 직선방정식이 미리 알려진 하나 이상의 참조선 및 평면방정식이 미리 알려진 하나 이상의 참조평면을 포함하되, 상기 복수의 참조점 중 임의의 점, 상기 참조선상의 임의의 점 및 상기 참조평면상의 임의의 점이 측정점으로 설정될 수 있는 측정지그; 상기 로봇에 결합되며, 상기 측정지그상의 측정점들 중에서 선택된 복수의 측정점의 위치를 각각 측정하는 센서; 및 상기 센서로부터 측정된 복수의 측정점의 위치정보를 포함하는 복수의 캘리브레이션 데이터를 기초로 상기 로봇을 캘리브레이션하여 상기 로봇을 제어하는 제어부;를 구비하며, 상기 복수의 측정점 중 적어도 하나의 측정점은 상기 참조선 또는 참조평면상에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 로봇 캘리브레이션 방법은 로봇의 주위에 위치정보가 미리 알려진 복수의 참조점, 직선방정식이 미리 알려진 하나 이상의 참조선 및 평면방정식이 미리 알려진 하나 이상의 참조평면을 배치하는 단계; 상기 복수의 참조점 중 임의의 점, 상기 참조선상의 임의의 점 및 상기 참조평면상의 임의의 점 중 복수의 측정점을 선택하되, 상기 선택되는 복수의 측정점 중 적어도 하나의 측정점은 상기 참조선 또는 참조평면상에 배치되도록 선택하는 단계; 상기 로봇에 결합된 센서를 이용하여 상기 선택된 복수의 측정점의 위치를 측정하여 상기 복수의 측정점의 위치 정보를 얻는 단계; 및 상기 복수의 측정점의 위치 정보를 포함하는 복수의 캘리브레이션 데이터를 기초로 상기 로봇을 캘리브레이션하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 측정지그 상의 참조선 또는 참조평면상에 아무 위치나 측정하여도, 그 측정 위치 정보를 캘리브레이션에 사용할 수 있으므로, 로봇의 자세에 대한 제한 없이 캘리브레이션에 사용되는 점의 위치 정보를 쉽게 얻을 수 있다.
또한, 공정 진행 사이의 휴지기에도 캘리브레이션을 위한 측정점의 위치 정보를 용이하게 측정하여 얻을 수 있으므로, 실제 생산 라인에 쉽게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 캘리브레이션 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 캘리브레이션 장치의 작동 과정을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시에에 따른 로봇 캘리브레이션 방법의 개략적인 순서도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 캘리브레이션 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 캘리브레이션 장치의 작동 과정을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 로봇 캘리브레이션 장치(100)는 로봇 베이스의 위치 및 방향, 로봇 기구학식을 지배하는 파라미터 및 공구가 설치될 부분의 위치 및 방향 등의 기구학식을 지배하는 각종 파라미터들을 정밀하게 예측하기 위한 것이다. 로봇을 임의의 위치로 움직이도록 제어할 때에, 정밀하게 예측된 파라미터 값들을 이용하게 되면, 사용자 좌표계 혹은 로봇 기준좌표계에서 바로 본 공구 기준좌표계의 위치 및 방향 또는 공구(미도시) 선단(tool center point) 위치를 좀 더 실제와 동일하게 계산할 수 있으며, 이에 따라 공구 선단을 원하는 위치에 정확하게 배치시킬 수 있게 된다. 결국, 로봇 캘리브레이션 장치가 효과적으로 구현되면, 로봇을 보다 정밀하게 제어하여 공구 선단을 사용자가 원하는 위치에 정밀하게 이동시킬 수 있게 된다.
로봇(10)은 베이스(11) 및 베이스(11)에 결합되는 복수의 링크(12)를 포함하도록 구성되며, 특히 본 실시예에서는 2개의 링크(12)를 가지도록 구성된다. 그리고, 로봇(10), 측정지그(20) 및 센서(30)에는 다음과 같은 다수의 좌표계가 설정된다.
[R] : 로봇(10)의 베이스 좌표계.
[MP] : 로봇 손 끝의 좌표계
[J] : 측정지그(20)의 기준 좌표계
[S] : 센서(30)의 기준 좌표계이며, 측정된 측정점의 위치 정보는 [S] 좌표계 기준으로 얻어짐.
[CLC] : 측정 대상물, 예를 들어 자동차 등과 같이 공정 대상 작업물(미도시)의 기준 좌표계
Figure PCTKR2010003569-appb-I000001
: 센서(30)에서 측정한 측정지그(20) 또는 공정 대상 작업물 상의 측정점
Figure PCTKR2010003569-appb-I000002
: 좌표계 [J]에서 본 측정 측정지그(20) 상의 참조점
로봇 캘리브레이션 장치(100)는 측정지그(20)와, 센서(30)와, 제어부(40)를 구비한다.
측정지그(20)는 환경 변화, 예를 들어 온도나 습도 등의 요인에 의한 변형이 최소화되는 소재로 이루어지며, 직육면체 형상의 한 쌍의 측정지그부분(201,202)을 포함하도록 구성되다. 측정지그(20)는 센서에 의해 측정되어 질 참조점, 참조선(22) 및 참조평면(23)을 각각 복수 포함한다. 참조점은 종래 기술에서 설명한 바와 마찬가지로 점(point)이며, 원(21)의 중심으로 설정된다. 그리고, 참조점의 위치정보, 즉 측정지그(20)의 기준 좌표계 [J]상에서의 위치정보, 즉 x값, y값 및 z값이 모두 알려져 있다. 참조선(22)은 각 측정지그 부분(201,202)의 모서리에 설정되며, 참조평면(23)은 각 측정지그 부분(201,202)에 형성된 면으로서 설정된다. 참조선(22) 및 참조평면(23)의 직선방정식 및 평면방정식은 측정지그(20)의 기준 좌표계 [J]상에서 미리 알려져 있다.
그리고, 각 참조점, 참조선(22)상의 임의의 점 그리고 참조평면(23)상의 임의의 점은 각각 측정점으로 설정되며, 센서에 의해 그 위치가 측정된다. 이와 같이 측정지그(20)에는 서로 다른 속성을 가지는 3종류의 측정점, 즉 참조점, 참조선(22)상에 설정된 측정점 및 참조평면(23)상에 설정된 측정점이 있다. 그리고, 측정지그(20)상의 참조점, 참조선(22)의 직선방정식 및 참조평면(23)의 평면방정식은 레이저 트래커(laser tracker) 등과 같은 계측장비에 의해 그 위치정보가 미리 정확히 측정된다.
또한, 본 실시예에서 측정지그(20)상의 참조선(22)은 측정지그(20)에 설정된 기준 좌표계 [J]의 x축, y축 및 z축 중 적어도 하나와 평행하며, 측정지그(20)상의 참조평면(23)은 측정지그(20)에 설정된 기준 좌표계 [J]의 x축, y축 및 z축 중 적어도 하나에 직교한다.
한편, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 로봇(10), 측정지그(20) 및 센서(30)가 구성된 경우에, 측정지그(20)의 기준 좌표계 [J]와 센서의 기준 좌표계 [S]는 다음의 <수학식 1>과 같은 관계로 모델링될 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2010003569-appb-M000001
여기서 F(x) =
Figure PCTKR2010003569-appb-I000003
는 로봇(10)의 전방향 키네메틱스(Forward Kinematics)이고,
Figure PCTKR2010003569-appb-I000004
는 로봇 조인트 각도 벡터이며,
Figure PCTKR2010003569-appb-I000005
는 예측하고자 하는 각종 파라미터 벡터이다. 또한,
Figure PCTKR2010003569-appb-I000006
는 측정지그(20)의 기준 좌표계에서 본 참조점, 참조선상의 임의의 점, 참조평면상의 임의의 점까지의 벡터이다. 참조점인 경우에는 측정지그(20)에 설정된 기준 좌표계 [J]상에서의 JPx , JPy, JPz 3개의 위치를 모두 알고 있으나, 참조선상의 임의의 점인 경우에는 1개의 직선방정식, 즉 2개의 독립적인 위치 관계만을 알 수 있으며, 참조평면상의 임의의 점인 경우에는 1개의 평면방정식, 즉 오직 1개의 위치관계만을 알 수 있다. 또한
Figure PCTKR2010003569-appb-I000007
는 센서(30)에서 측정점까지의 벡터이다. 여기서, 측정점은 이미 설명한 바와 같이 참조점 또는 참조선상의 임의의 점 또는 참조평면상의 임의의 점이다.
여기서 측정점이 참조점인 경우에는, 참조점의 위치, 즉 JPx , JPy, JPz이 모두 알려져 있으므로, <수학식 1>을 만족시킬 수 있다. 그리고, 측정지그 상의 참조점(21), 예를 들어 원의 중심점을 측정할 때마다 3개의 방정식을 얻을 수 있게 된다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이 측정지그(20)의 기준 좌표계가 측정지그상의 참조선(22) 및 참조평면(23)과 수직이거나 평행하므로, 참조선(22)상의 임의의 점이 측정점으로서 측정되는 경우에는 <수학식 1>의 JPx , JPy, JPz 중 2가지 값만 알 수 있으므로, 참조선상의 임의의 점을 측정할 때마다 2개의 방정식을 얻을 수 있다. 그리고, 참조평면(23)의 경우에는 참조평면(23)상의 임의의 점을 측정하는 경우에는, <수학식 1>의 JPx , JPy, JPz 중 1가지 값만 알 수 있으므로, 참조평면상의 임의의 점을 측정할 때마다 1개의 방정식을 얻을 수 있다.
그리고, 상기와 같이 만들어진 다수의 방정식들을 모두 가장 잘 만족시키는 파라미터(
Figure PCTKR2010003569-appb-I000008
)를 최적화 기법을 이용하여 구하면 된다.
결국 참조점을 측정하면 3개의 방정식이 얻어지고, 참조선(22)상의 점을 측정하면 2개의 방정식이 얻어지며, 참조평면(23)상의 점을 측정하면 1개의 방정식이 얻어진다.
한편, 본 실시예에서는 측정지그상의 참조선(22)은 측정지그(20)에 설정된 기준 좌표계 [J]와 수직이거나 평행하며, 측정지그상의 참조평면(23)도 측정지그에 설정된 기준 좌표계 [J]와 수직이거나 평행하도록 설정되어 있으나, 참조선 및 참조평면이 기준 좌표계 [J]와 수직이거나 평행하지 않은 경우에도 다음과 같은 방법을 이용하면 앞서 설명한 결과와 동일한 정보를 얻을 수 있다.
측정점이 측정지그의 기준 좌표계 [J]에 대하여 평행이나 수직이 아닌 참조선 또는 참조평면상에 존재하는 경우에는, 다음과 같이 기준 좌표계 [J]에 평행이나 수직이 되도록 하는 새로운 좌표계[H], 즉 일반 기준 좌표계[H]를 지그상에 설정함으로써 앞서 설명한 방법을 동일하게 적용할 수 있게 된다. 이하에서는, 기준 좌표계 [J]에 대하여 평행이나 수직이 아닌 참조선 및 참조평면을 일반 참조선 및 일반 참조평면이라 각각 부르기로 한다.
좌표계 [J]에 대해 평행하거나 수직이 아닌 일반 참조선의 방향벡터는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure PCTKR2010003569-appb-I000009
또한, 좌표계 [J]에 대해 평행하거나 수직이 아닌 일반 참조평면의 법선벡터는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure PCTKR2010003569-appb-I000010
이와 같이 지그의 기준 좌표계 [J]에 대해 표현된 일반 참조선이나 일반 참조평면이 일반 기준 좌표계 [H]의 각 축에 직각이나 평행이 되는 [H]를 발견하고, 좌표계 [J] 및 좌표계 [H]간의 상관 관계를 알아내면, 좌표계 [J]에서의 일반 참조선이나 일반 참조평면은, 좌표계 [H]에서는 직각이나 평행이 되어 간단히 표현할 수 있다.
일반 참조선에 대한 방향 벡터나 일반 참조평면에 대한 법선 벡터가
Figure PCTKR2010003569-appb-I000011
이라 하면, 일반 기준 좌표계 [H]의 z축에 평행하는
Figure PCTKR2010003569-appb-I000012
는 하기 <수학식 2>을 만족하는
Figure PCTKR2010003569-appb-I000013
를 구함으로써 쉽게 구할 수 있다. 여기서, 좌표계 [J]에서 x축 방향으로 α각도 만큼 회전하고 y축 방향으로 β각도 만큼 회전했을 때 좌표계 [H]가 된다. 즉, α 및 β는 좌표계 [J]에서 좌표계 [H]까지 회전량을 의미한다.
수학식 2
Figure PCTKR2010003569-appb-M000002
여기서, Rotx(α)는 x축 방향으로 α각도만큼 회전하는 회전 메트릭스를 의미하고, Roty(β)는 y축 방향으로 β각도만큼 회전하는 회전 메트릭스를 의미한다. 그리고, ??는 값을 알 수 없는 것을 의미한다(이하 수학식에서도 동일함).
한편, [J]에서의 일반 참조선도 일반 기준 좌표계 [H]에서는 좌표계 [H]의 x축, y축 및 z축 중 어느 한 축과 평행하다. 결국, 일반 기준 좌표계 [H]에서 일반 참조선상의 임의의 점을 측정하면, HPx , HPy, HPz 중 2가지 값만 알 수 있으므로, 일반 참조선의 임의의 점을 측정할 때마다 2개의 방정식을 얻을 수 있다.
예를 들어, 일반 참조선이 일반 기준 좌표계 [H]에서 z축과 평행하며 측정점이 일반 참조선상에 존재하면, 측정점의 위치는 일반 참조선상에 있을 것이며, 좌표계 [H]에서 측정점의 위치 정보로는 x 및 y 값만 알 수 있다. 따라서, <수학식 1>은 하기 <수학식 3>과 같이 된다.
수학식 3
Figure PCTKR2010003569-appb-M000003
<수학식 3>으로부터, 일반 참조선에서는 2개의 방정식을 얻을 수 있다.
그리고, 기준 좌표계 [J]에서의 일반 참조평면도 일반 기준 좌표계 [H]에서는 좌표계 [H]의 x축, y축 및 z축 중 어느 한 축과 직교한다. 결국, 일반 기준 좌표계 [H]에서 일반 참조평면상의 임의의 점을 측정하면, HPx , HPy, HPz 중 1가지 값만 알 수 있으므로, 일반 참조평면상의 임의의 점을 측정할 때마다 1개의 방정식을 얻을 수 있다.
예를 들어, 일반 참조평면이 일반 기준 좌표계 [H]에서 z축과 평행하며 측정점이 일반 참조평면상에 존재하면, 측정점의 위치는 일반 참조평면상에 있을 것이며, 좌표계 [H]에서 측정점의 위치 정보로는 오직 z값만을 알 수 있다. 따라서, <수학식 1>은 하기 <수학식 4>와 같이 된다.
수학식 4
Figure PCTKR2010003569-appb-M000004
<수학식 4>로부터, 일반 참조평면에서는 1개의 방정식을 얻을 수 있다.
한편, 로봇 캘리브레이션 장치(100)에 포함된 센서(30)는 로봇(10)에 결합된다. 센서(30)는 비접촉 센서, 예를 들어 레이저 비젼 센서(laser vision sensor)이며, 측정지그(20) 상의 참조점들, 참조선상의 임의의 점 및 참조평면상의 임의의 점 중에서 선택된 복수의 측정점의 위치를 각각 측정하여 캘리브레이션 데이터를 얻는다. 여기서, 선택되는 측정점들 중 적어도 하나는 참조선(22)상에 있거나 참조평면(23)상에 있으며, 캘리브레이션 데이터는 측정된 측정점의 위치 정보를 포함한다. 이 밖에도, 캘리브레이션 데이터에는 로봇 조인트의 위치 및 방향 등 다양한 정보가 포함되어 있다. 그리고, 캘리브레이션 데이터의 개수는 캘리브레이션에 적합할 정도로 미리 설정되므로, 측정되는 측정점은 캘리브레이션 데이터의 개수만큼 선택된다. 그리고, 센서(30)에 의해 측정된 측정점의 위치 정보는 저장부(50)에 저장된다.
제어부(40)는 복수의 캘리브레이션 데이터를 이용하여 최소자승법 등과 같은 공지의 데이터 프로세싱 과정을 거쳐 로봇을 캘리브레이션한다. 이와 같이 로봇이 캘리브레이션되면, 로봇을 임의의 위치로 이동시킬 때에 보다 정밀하게 예측된 파라미터 값들을 이용할 수 있게 되므로, 로봇을 정밀하게 제어할 수 있게 된다. 예를 들어, 로봇이 측정용으로 사용되는 경우에는 로봇에 카메라가 설치되며, 캘리브레이션 결과를 이용하며, 카메라의 기준 좌표계를 보다 정밀하게 제어할 수 있게 되어 카메라 기준 좌표계 원점의 위치 오차를 최소화할 수 있게 된다. 또한, 카메라 기준 좌표계 원점의 위치 오차를 줄이기 위해서는 모터의 회전량을 정밀하게 연산하여 모터를 제어할 수 있게 된다. 이와 같은 캘리브레이션 결과, 공구 선단의 위치 오차를 최소화할 수 있게 된다.
그리고, 제어부(40)는 저장부(50) 및 비접촉 센서(30)와 전기적으로 연결되어 제어동작을 수행한다. 즉, 제어부(40)는 비접촉 센서(30)에 의해 측정된 측정점의 위치 정보를 저장부(50)에 저장하며, 제어부(40)에 의한 연산이 필요한 경우에는 저장부(50)에 저장된 각 측정점의 위치 정보를 독출한다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 로봇 캘리브레이션 장치(100)를 이용하여 캘리브레이션하는 과정의 일례를 도 3을 참조하면서 설명하기로 한다. 여기서는, 로봇(10)이 생산라인, 예를 들어 자동차의 생산라인에 설치되어 용접 작업을 수행할 수 있도록 용접건(미도시)이 로봇(10)에 결합된 경우를 상정하여 설명하기로 한다.
먼저, 로봇(10)의 주위에 측정지그(20)를 설치한다. 이 때, 측정지그(20)는 로봇 주위에 하나 설치될 수도 있으며, 경우에 따라서는 복수의 측정지그(20)가 설치될 수 있다(S100).
그리고, 용접 공정 사이의 휴지기에 또는 용접 공정이 최초로 이루어지기 전에 비접촉 센서(30)를 이용하여 측정점의 위치를 측정한다(S200). 이 때, 선택되는 측정점은 참조점(21), 참조선(22)상의 임의의 점 또는 참조평면(23)상의 임의의 점이다.
이와 같이 참조점의 위치 측정을 복수 회 수행하여, 캘리브레이션에 적합한 최소한의 방정식이 얻어지면, 얻어진 복수의 방정식을 이용하여 로봇을 캘리브레이션한다(S300). 이와 같이 캘리브레이션이 완료되면, 용접건 선단의 위치 오차를 최소화할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 본 실시예에서는 로봇(10)의 특정 지점, 즉 공구 선단의 위치를 캘리브레이션하는데 있어서, 종래와 달리 3가지 속성의 측정점, 즉 측정지그상의 참조점(원(21) 중심)뿐만 아니라 참조선(22)상의 임의의 점 및 참조평면(23)상의 임의의 점을 이용할 수 있으므로, 측정지그상의 측정점의 측정시 로봇이 취하는 자세에 대한 제한이 없게 된다. 즉, 측정지그(20)상의 원(21) 중심을 측정하는 경우에 비해서 참조선(22)상의 점을 측정하는 경우에 로봇의 자세에 대한 제한이 훨씬 적으며, 나아가 원(21) 중심이나 참조선(22)상의 점을 측정하는 경우에 비해서 참조평면(23) 상의 점을 측정하는 경우에 로봇의 자세에 대한 제한이 훨씬 적다. 따라서, 측정지그(20)에 설정된 측정점의 측정은 로봇(10)이 취할 수 있는 자세에 대한 제한 없이 즉각적으로 쉽게 이루어질 수 있게 된다.
특히, 공정의 진행 사이에 로봇(10)이 공정을 진행하지 않고 대기하는 휴지기는 일반적으로 짧으며, 짧은 휴지기에 측정점을 측정하고 측정된 위치 정보를 이용하여 캘리브레이션을 하기 위해서는 측정점에 대한 신속한 측정이 이루어져야 하며, 이러한 신속한 측정은 본 실시예의 장치 및 방법에 의해 쉽게 달성될 수 있다. 왜냐하면, 앞서 설명한 같이 본 실시예에서는 참조점(원(21)의 중심)뿐만 아니라 참조선(22)상의 점이나 참조평면(23)상의 점도 측정점으로 설정되며, 참조점을 측정하는 경우에 비해 참조선상의 점이나 참조평면상의 점을 측정하는 경우에 로봇(10)의 자세에 대한 제한이 훨씬 더 적기 때문이다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (6)

  1. 위치정보가 미리 알려진 복수의 참조점, 직선방정식이 미리 알려진 하나 이상의 참조선 및 평면방정식이 미리 알려진 하나 이상의 참조평면을 포함하되, 상기 복수의 참조점 중 임의의 점, 상기 참조선상의 임의의 점 및 상기 참조평면상의 임의의 점이 측정점으로 설정될 수 있는 측정지그;
    로봇에 결합되며, 상기 측정지그상의 측정점들 중에서 선택된 복수의 측정점의 위치를 각각 측정하는 센서; 및
    상기 센서로부터 측정된 복수의 측정점의 위치정보를 포함하는 복수의 캘리브레이션 데이터를 기초로 상기 로봇을 캘리브레이션하여 상기 로봇을 제어하는 제어부;를 구비하며,
    상기 복수의 측정점 중 적어도 하나의 측정점은 상기 참조선 또는 참조평면상에 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇 캘리브레이션 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 참조선은 상기 측정지그에 설정된 기준 좌표계상의 x축, y축 및 z축 중 어느 하나와 평행하며,
    상기 참조평면은 상기 측정지그에 설정된 기준 좌표계상의 x축, y축 및 z축 중 어느 하나와 직교하는 것을 특징으로 하는 로봇 캘리브레이션 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 참조선들 중 적어도 하나의 참조선은 상기 측정지그에 설정된 기준 좌표계상의 x축, y축 및 z축과 각각 평행하지 않은 일반 참조선이며,
    상기 참조평면들 중 적어도 하나의 참조평면은 상기 측정지그에 설정된 기준 좌표계상의 x축, y축 및 z축과 각각 직교하지 않는 일반 참조평면이며,
    상기 제어부는, 상기 기준 좌표계와, 상기 일반 참조선이 x축, y축 및 z축 중 어느 하나와 평행하며 상기 일반 참조평면이 x축, y축 및 z축 중 어느 하나와 직교하는 일반 기준 좌표계 간의 상관 관계를 연산하여 상기 로봇의 캘리브레이션에 사용하는 것을 특징으로 하는 로봇 캘리브레이션 장치.
  4. 로봇의 주위에 위치정보가 미리 알려진 복수의 참조점, 직선방정식이 미리 알려진 하나 이상의 참조선 및 평면방정식이 미리 알려진 하나 이상의 참조평면을 배치하는 단계;
    상기 복수의 참조점 중 임의의 점, 상기 참조선상의 임의의 점 및 상기 참조평면상의 임의의 점 중 복수의 측정점을 선택하되, 상기 선택되는 복수의 측정점 중 적어도 하나의 측정점은 상기 참조선 또는 참조평면상에 배치되도록 선택하는 단계;
    상기 로봇에 결합된 센서를 이용하여 상기 선택된 복수의 측정점의 위치를 측정하여 상기 복수의 측정점의 위치 정보를 얻는 단계; 및
    상기 복수의 측정점의 위치 정보를 포함하는 복수의 캘리브레이션 데이터를 기초로 상기 로봇을 캘리브레이션하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 캘리브레이션 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 참조점, 참조선 및 참조평면은 상기 로봇 주위에 배치되는 측정지그에 형성되며,
    상기 참조선은 상기 측정지그에 설정된 기준 좌표계상의 x축, y축 및 z축 중 어느 하나와 평행하며,
    상기 참조평면은 상기 측정지그에 설정된 기준 좌표계상의 x축, y축 및 z축 중 어느 하나와 직교하는 것을 특징으로 하는 로봇 캘리브레이션 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 참조선들 중 적어도 하나의 참조선은 상기 측정지그에 설정된 기준 좌표계상의 x축, y축 및 z축과 각각 평행하지 않은 일반 참조선이며,
    상기 참조평면들 중 적어도 하나의 참조평면은 상기 측정지그에 설정된 기준 좌표계상의 x축, y축 및 z축과 각각 직교하지 않는 일반 참조평면이며,
    상기 기준 좌표계와, 상기 일반 참조선이 x축, y축 및 z축 중 어느 하나와 평행하며 상기 일반 참조평면이 x축, y축 및 z축 중 어느 하나와 직교하는 일반 기준 좌표계 간의 상관 관계를 연산하여 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 캘리브레이션 방법.
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