KR100214675B1 - 산업용 로봇의 기준 자세 및 위치 교정 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업용 로봇의 기준 자세 및 위치 교정 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 종래에는 캘리브레이션 치구와 다수개의 다이얼 게이지를 이용하여 로봇을 움직이면서 기준 자세 및 위치를 교정하고 있으므로 많은 시행 착오와 노력 및 작업시간을 요구하게 되는 등 매우 비능률적으로 되며, 로봇의 정밀도를 저하 시키는 결과를 초래하게 되는 문제점이 있었다. 본 발명은 로봇베이스에 설치되는 베이스 좌표계 프레임과, 로봇 선단의 엔드 에펙터에 설치되는 툴 좌표계 프레임 및 로봇의 전방에 설치되어 상기 베이스 좌표계와 툴 좌표계 사이의 관계를 이용하여 직접 로봇의 기준 자세 및 위치를 교정함으로서 능률적이며 정확하게 교정할 수 있을 뿐만 아니라 로봇을 움직이지 않고 고정된 상태에서 교정할 수 있으므로 그 작업이 더욱 간편하게 되는 것이다.

Description

산업용 로봇의 기준 자세 및 교정장치 및 그 방법

제1도는 종래 산업용 로봇의 기준 자세 및 위치 교정 방법을 설명하기 위한 측면도.

제2도는 종래 기준 자세 및 위치 교정 방법을 설명하기 위한 사시도.

제3도는 본 발명에 의한 산업용 로봇의 기준 자세 및 위치 교정 장치를 보인 계통도.

제4도는 본 발명에 의한 기준 자세 및 위치 교정 방법을 설명하기 위한 선도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

A1, A2, A3 : 암 J1, J2, J3 : 관절

E : 엔드 에펙터 10 : 베이스 좌표계 프레임

20 : 툴 좌표계 프레임 30 : 비접촉식 3차원 레이저 측정기

본 발명은 산업용 로봇의 기준 자세 및 위치 교정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 3차원 공간상에서 로봇 운동의 기준이 되는 형상의 관절 각도를 찾기 위한 기준 자세 및 위치를 시행착오없이 능률적이며 정확하게 교정할 수 있도록 한 산업용 로봇의 기준 자세 및 위치 교정 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

산업용 로봇 시스템은 로봇이 3차원 공간상의 어느 한 점에서 다른 점으로 이동할 경우 정확한 위치로 이동하도록 제어하기 위하여는 기준위치를 알고 있어야 한다.

이러한 기준위치를 알기 위하여는 산업용 로봇 시스템에는 로봇 구동원에 의하여 구동된 관절 및 링크부의 위치정보를 검출하는 데 이를 위하여 위치 검출기가 사용되고 있다.

정상적으로 로봇 자신의 기준 자세 및 위치 값을 미리 정해준 대로 갖고 있다면 로봇은 운동이 기준 좌표계에 대해 그리고 툴 좌표계에 대해 정방향 기구학(fdrward kinematics)및 역방향 기구학(inverse kinematics)에 의해 목적한 위치(postion) 및 자세(orientation) 를 만들 수 있고, 연속 궤적(continuous)작업 등을 수행할 수 있다.

그러나 최초 조립, 분해 결합, 기준 위치 상실 등의 상황에서는 로봇 자신의 기준 자세 및 위치 정보의 부재로 인하여 작업이 곤란하다.

따라서 로봇의 생산과정 사용자의 유지 보수 및 로봇을 이용한 작업시 공간상의 로봇 위치를 정의할 수 있는 기준 자세 및 위치의 교정은 필수적인 절차이다.

제1도는 일반적인 산업용 로봇의 측면도로서, 로봇 베이스(b)와, 이 베이스(b)에 대하여 제1관절(j1)에 의하여 연결된 제1암(A1)과 이 제1암(A1)에 대하여 제2관절(J2)로 연결된 제2암(A2) 및 이 제2암(A2)에 대하여 제3관절(J3)로 연결되는 제3암(A3)로 구성된다.

상기 이러한 산업용 로봇의 기준 자세를 교정하기 위하여 상기 제3암(A3)의 선단에 x-y 면과(11)과, y-z면(12) 및 x-z면(13)을 가지는 캘리브레이션(calibration)치구(10)를 부착하고 상기 로봇 베이스(b)의 일측에는 상기 x-y면(11)과 y-z면(12) 및 x-z면(13)에 대응하는 다수개의 다이얼 게이지(31,32,33)를 설치한다.

상기 다이얼 게이지(31,32,33) 들은 로봇 베이스(b)에 부착되는 로봇 베이스 교정판(40)에 고정설치되는 다이얼 게이지 장착판(50)의 x-y면(51), y-z면(52) 및 x-z면(53)에 각각 설치되는 것이다.

상기 다이얼 게이지(31,32,33)들은 로봇 베이스 교정판(40)과 다이얼 게이지 장착판(50)에 의하여 미리 설정된 위치, 즉 알고 있는 좌표상에 설치되는 것이다.

또한 도면에서는 상기 x-y면(51)에 장착되는 다이얼 게이지(31)는 2개 설치 하고 y-z면(52)에 설치되는 다이얼 게이지(32)는 1개 설치하며, x-z면(53)에 설치되는 다이얼 게이지(33)은 3개 설치하고 있으나 이로서 국한되는 것은 아니다.

여기서 상기 다이얼 게이지(31,32,33)등은 같은 면 상에 설치되는 것들의 선단 돌출 높이를 동일하게 셋팅하여 설치한다.

즉, x-y면(51)에 설치되는 다이얼 게이지(31)들은 z좌표를 동일하게 하고, y-a면(52)에 설치되는 다이얼 게이지(32)들은 x좌표를 동일하게 하며, x-z면(53)에 설치되는 다이얼 게이지(33)는 y좌표를 동일하게 설정하는 것이다.

이와 같은 종래의 산업용 로봇에서 기준 자체 및 위치를 교정함에 있어서는 로봇을 작동시켜 제3함(a3)에 설치된 캘리브레이션 치구(10)를 로봇 베이스 교정판(40) 근처로 이동시킨 다음, 최초 다이얼 게이지 장착판(50)의y-z면(52)에 설치된 다이얼 게이지(33)들을 이용하여 캘리브레이션 치구(10)의 y-z면(12)을 다이얼 게이지 장착판(50)의 y-z면(52)에 평행하게 위치시킨다. 다시 말하면y-z면(12)의 x좌표를 다이얼 게이지(33)들의 미리 설정된 x좌표와 동일하게 일치시킨는 것이다

다음 캘리브레이션 치구(10)이 y-z면(12)을 다이얼 게이지 장착판(50)의 y-z면(52)에 평행하게 유지하면서 다이얼 게이지(31,32)들을 이용하여 캘리브레이션 치구(10)의 x-y면(11)을 다이얼 게이지 장착판(50)의 x-y면(51)에 평행하게 위치 시킨다. 다시말하면 x-y면(11)의 z좌표를 다이얼 게이지(31)의 미리 설정된 z좌표와 동일하게 일치시키는 것이다.

다시, 캘리브레이션 치구(10)의 x-z(13)을 다이얼 게이지 장착판(50)의 x-z면(53)의 x-z면(53)에 평행하게 위치시킨다. 다시말하면 x-z면(13)의 y좌표를 다시얼 게이지 (33)의 미리 설정된y좌표와 동일하게 일치시킨다. 이와 같이 3단계를 통하여 3차원 공간에서 미리 설정된 위치와 방향으로 로봇을 위치시킬 수 되는 것이다. 이때 위치된 로봇의 형상에 상응하는 로봇 관절 변수(joint variable)은 미리 계산되어 있어 그 값으로 위치검출기(도시되지 않음)의 위치값을 재조정한다.

그러나 이러한 종래의 기준 자세 위치 교정 방법에서는 미리 정해진 위치와 자세로 로봇의 암들을 움직이면서 그 위치와 자세에 상응하는 미리 계산된 관절 변수를 이용하여 위치 검출기의 재조정을 수행하는 것이므로 그 과정에서 많은 시행 착오와 노력및 작업시간을 요구하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 로봇의 기준 자세 및 위치를 능률적이며 정확하게 교정할 수 있도록 한 산업용 로봇의 기준 자세 및 위치 교정방법을 제공하려는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 로봇을 움지이지 않고 고정된 상태에서도 기준 자세 및 위치를 정확하게 교정할수 있도록 하려는 것이다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 로봇베이스에 설치되는 베이스 좌표계 프레임과, 로봇선단의 엔드 에펙터에 설치되는 툴 좌표계 프레임 및, 로봇의 전방에 설치되어 상기 베이스 좌표계와 툴 좌표계를 측정하는 비접촉식 3차원 레이저 측정기를 구비하여서 됨을 특징으로 하는 산업용 로봇의 기준 자세 및 교정 장치및, 로봇 베이스 좌표계와 툴 좌표계 사이의 관계를 이용하여 직접 로봇의 기준 자세 및 위치를 교정하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 기준 자세 및 위치 교정 방법이 제공된다.

상기 로봇 베이스 좌표계와 툴 좌표계는 비접촉식 3차원 레이져 측정기에 의하여 측정한다.

이하, 본 발명에 의한 산업용 로봇의 기준 자세 및 위치 교정방법을 첨부도면을 참고하여 설명한다.

제3도는 본 발명에 의한 산업용 로봇의 기준 자세 및 위치 교정 방법을 구현하는 장치의 계통도로서, 본 발명이 적용되는 산업용 로봇은 로봇베이스(B)와 , 이 로봇베이스(b)에 제1관절(j1)을 통하여 연결되는 제1암(a1)과, 이 제1암(a1)에 제2관절(j2)를 통하여 연결되는 제2암(a2) 및 이 제2암(A2)의 선단에 장착되는 엔드 에펙터(EFFECTOR)(E)로 구성된다. 상기 제2관절(J2)은 두개의 관절부(J2a,J2b)로 이루어 진다.

상기 로봇베이스(B)에는 베이스 좌표계 프레임(10)이 장착되고, 상기 엔드 에펙터(E)에는 툴 좌표계 프레임(20)이 장착된다.

상기 로봇의 전방에는 상기 베이스 좌표계 프레임(10)과 툴 좌표계 프레임(20)을 향하는 비접촉식 3차원 레이저 측정기(30)가 설치되어 있다.

도면에서 c 는 콘트롤러이고, t는 티치 펜던트(teach pendent)이다.

이하, 본 발명에 의하여 로봇의 기준 자세 및 위치를 교정하는 과정을 설명한다.

본 발명에서의 기준 자세 및 위치 교정은 로봇 기구학(kinematic)의 기호법 (notation)으로 널리 이용되고 있는 demavit-hartenberg 식 매개변수(parameter) d, a,α및 관절변수θ를 이용한다.

먼저, 로봇의 현재 자세 및 위치를 모르는 임의 형상으로 로봇이 정지하여 있다면, 그 상태에서 로봇베이스(B)에 장착된 베이스 좌표계 프레임(10)에 설정될 좌표계를 비접촉식 3차원 레이저 측정기(30)를 이용하여 설정하고, 또한 로봇 선단의 에펙터(e)에 장착되어 있는 툴 좌표계 프레임(20)를 역시 비접촉식 3차원 측정기(30)를 이용하여 설정하여 베이스 좌표계와 툴 좌표계 사이의 변환행렬(transformation matrix) 을 정의한다.

이때 비접촉식 3차원 측정기(30)에 의해 매개변수 d,a,α값 관절변수θ값을 얻을 수 있다.

베이스 좌표계 상에서 툴 좌표계의 위치 p 및 자세를 등가변환행렬 (homofeneous transformation matrix)^bt_t로 다음 식(1)과 같이 정의할 수 있다.

여기서α값은 X_T을 기준으로 Z_B와Z_T의 회전각도이고, θ값은 Z_B를 기준으로 X_B와X_T의 회전각도를 말한다.

따라서 베이스 좌표계에 대한 툴 좌표계의 위치 P 및 자세를로 정의함으로써 그 자세 및 위치 값을 이용하여 현재 정지된 상태로 있는 로봇의 각 관절의 위치를 설정할 수 있다.

이러한 작업을 통하여 로봇은 현재 자신이 정지되어 있는 자세 및 위치를 알수 있게 되어 모든 운동의 기준이 되는 기준 자세 및 위치가 교정되는 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 캘리브레이션 치구와 다이얼 게이지 등을 사용하지 않고서도 신속, 간편하게 기준 자세 및 위치를 교정할 수 있게 되는 것이다. 또한 본 발명에서는 로봇을 움지이지 않고 정지된 상태에서 기준 자세 및 위치를 교정할수 있으므로 더욱 능률적이며 간편하게 교정할수 있게 되는 것이다.

Claims (3)

1. 로봇베이스에 설치되는 베이스 좌표계 프레임과, 로봇 선단의 엔드 에펙터에 설치되는 툴 좌표계 프레임 및 로봇의 전방에 설치되어 상기 베이스 좌표계와 툴 좌표계를 측정하는 비접촉식 3차원 레이저 측정기를 구비하여서 됨을 특징으로 하는 산업용 로봇의 기준 자세 및 위치 교정 장치.
2. 로봇 베이스 좌표계와 툴 좌표계 사이의 관계를 이용하여 직접 로봇의 기준 자세 및 위치를 교정하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 기준 자세 및 위치 교정 방법
3. 제2항에 있어서 상기 로봇 베이스 좌표계와 툴 좌표계 비접촉식 3차원 레이저 측정기에 측정함을 특징으로 하는 산업용 로봇의 기준 자세및 위치 교정 방법.