KR100225883B1 - 산업용 로봇에 부착된 센서의 위치 및 자세 보정방법 및 이에사용되는 측정지그 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업용 로봇에 부착된 선형 레이저 비젼 센서의 위치 및 자세 보정방법 및 이에 사용되는 측정지그에 관한 것이다. 실제적으로 로봇 프로그램을 동작시킬 때는 정확한 TCP를 알고 있어야만 정확한 동작이 가능하게 된다. 그러나 TCP를 알아내는 방법은 대단히 번거로운 작업으로서 이는 공구나 센서의 위치와 자세를 알아내기 위하여 여러번 까다로운 교시(Teach)를 하여야 하며 순전히 작업자의 눈에 의존한 교시가 되기 때문에 그 정확성도 뒤떨어지는 실정이다. 특히 선형 레이저 비젼 센서(Line Laser vision sensor)의 경우 그 TCP를 알아내기 위하여는 교시하는 방법이 매우 까다롭다. 본 발명은 3개의 평행선과 1개의 대각선을 가지는 측정지그를 로봇의 전방에 위치시키고 선형 레이저 비젼 센서의 특성을 이용하여 특정한 측정지그에 대한 측정값의 기하학적 관계를 이용하여 비접촉 방식으로 측정을 용이하게 함으로써 TCP를 신속, 정확하고 용이하게 알아낼 수 있도록 한 것이다.

Description

산업용 로봇에 부착된 센서의 위치 및 자세 보정방법 및 이에 사용되는 측정지그

본 발명은 산업용 로봇에 부착된 센서의 위치 및 자세 보정방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로 로봇의 끝축(통상 6축)에 임의의 센서나 공구를 부착하였을 때 로봇의 끝축의 좌표로부터 상대적으로 얼마의 위치와 어떤 자세로 부착되어 있는가를 나타나는 점을 TCP(Tool Center Point)라고 하며, 이 TCP는 로봇의 제어에 있어서 매우 중요한 것이다.

로봇 자체의 팔길이는 다 알고 있는 사항이지만 끝축에 부착되는 공구나 센서는 그 것에 바뀔 때마다 그 크기나 형상이 바뀌는 것이므로 상기 TCP도 변경시켜주어야 한다.

실제적으로 로봇 프로그램을 동작시킬 때는 정확한 TCP를 알고 있어야만 정확한 동작이 가능하게 된다.

그러나 TCP를 알아내는 방법은 대단히 번거로운 작업으로서 이는 공구나 센서의 위치와 자세를 알아내기 위하여 여러번 까다로운 교시(Teach)를 하여야 하며 순전히 작업자의 눈에 의존한 교시가 되기 때문에 그 정확성도 뒤떨어지는 실정이다.

특히 선형 레이저 비젼 센서(Line Laser vision sensor)의 경우 그 TCP를 알아내기 위하여는 교시하는 방법이 매우 까다롭다.

따라서 종래 선형 레이저 비젼 센서의 경우 TCP를 알아내기 위하여 센서의 케이스를 직접 자로 측정하여 로봇의 끝축 중앙점으로부터 얼마나 떨어져 있고 뒤틀려 있는가를 알아내는 방법이 사용되고 있다.

그러나 이러한 방법은 작업자의 시력에 의존할 수밖에 없는 것이기 때문에 측정값이 부정확해지며 또한 미세한 뒤틀림을 측정하는데는 한계가 있고 또한 이를 검증하기 위해서는 계속 측정과 확인을 반복하여야 하는 번거로운 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 선형 레이저 비젼 센서의 특성을 이용하여 특정한 측정지그에 대한 측정값의 기하학적 관계를 이용하여 비접촉 방식으로 측정을 용이하게 함으로써 TCP를 신속, 정확하고 용이하게 알아낼 수 있도록 한 산업용 로봇의 TCP 측정방법 및 이에 사용되는 측정지그를 제공하려는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 측정지그와 선형 레이저 비젼 센서의 관계를 보인 사시도.

도 2는 측정지그의 기하학적 모델을 보인 사시도.

도 3은 2개의 측정점 주위의 벡터 관계를 보인 기하학적 도면.

도 4는 2개의 측정점 주위 벡터들의 기하학적 관계를 보인 도면.

도 5는 옵셋량을 구하기 위한 기하학적 도면.

**도면의주요부분에대한부호의설명**

10 : 선형 레이저 비젼 센서 20 : 측정지그

21,22,23 : 평행선 24 : 대각선

25,26 : 고정판

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 정삼각형의 세 꼭지점을 서로 평행하게 지나는 3개의 평행선과 상측에 위치하는 평행선의 일단과 하부 일측 평행선의 타단을 연결하는 대각선을 가지는 측정지그를 선형 레이저 비젼 센서가 끝축에 부착된 로봇의 전방에 위치시키는 단계와, 상기 선형 레이저 비젼 센서의 레이저 빔을 지그에 조사하여 레이저 빔이 각 평행선과 교차하는 점을 측정하는 단계와, 상기 3개의 측정점을 이용하여 센서와 지그 사이의 회전량을 구하는 단계와, 로봇의 회전은 고정시킨 채 상기 측정점으로부터 x,y,z축으로 일정한 거리만큼 병진운동만 수행하여 3회 측정하여 레이저 빔이 상기 지그의 상측 평행선과 대각선과 교차하는 점을 측정하는 단계와, 이들 측정점을 이용하여 기하학적 관계를 이용하여 센서와 로봇의 끝축과의 회전량을 구하는 단계와, 상기 센서와 로봇 끝축 사이의 회전량을 이용하여 센서의 레이저 빔이 지그의 평행선과 직각을 이루도록 위치시키는 단계와, x,y,z축 방향에 대하여 각각 2회씩 레이저 빔의 평행선에 대한 교차점을 측정하는 단계와, 이들 측정점을 이용하여 기하학적 관계를 이용하여 센서와 로봇 끝축 사이의 옵셋량을 구하는 단계와, 이 옵셋량을 이용하여 센서와 로봇 끝축 사이의 병진운동량을 구하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 산업용 로봇에 부착된 센서의 위치 및 자세 보정방법과, 정삼각형의 세 꼭지점을 서로 평행하게 지나는 3개의 평행선과, 상측에 위치하는 평행선의 일단과 하부 일측 평행선의 타단을 연결하는 대각선을 가지는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇에 부착된 센서의 위치 및 자세 보정에 사용되는 측정지그가 제공된다.

상기 각 평행선 및 대각선들은 서로 마주보는 고정판에 양단이 고정된다.

이하, 본 발명에 의한 산업용 로봇의 TCP 측정방법 및 이에 사용되는 측정지그를 첨부도면에 도시한 실시례에 따라서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 산업용 로봇 끝축에 부착된 센서와 측정지그와의 관계를 보인 사시도로서, 1은 로봇의 끝축(6축)이고, 10은 상기 끝축(1)에 부착된 선형 레이저 비젼 센서이며, 20은 측정지그이다.

상기 측정지그(20)는 정삼각형의 세 꼭지점을 서로 평행하게 지나는 3개의 평행선(21,22,23)과, 상측에 위치하는 평행선(21)의 일단(도면예에서는 우측단)과 하부 일측 평행선(22)의 타단(도시예에서는 좌측단)을 연결하는 대각선(24)을 가지는 것으로, 각 평행선(21,22,23) 및 대각선(24)들은 서로 마주보는 고정판(25,26)에 양단이 고정되는 것이다.

상기 평행선(21,22,23)과 대각선(24)은 선형 레이저 비젼 센서(10)에 의하여 검출될 수 있는 선재(線材)이면 어떠한 것이라도 무방하며, 상기 고정판(25,26)은 상기 평행선(21,22,23)과 대각선(24)을 팽팽하게 지탱할 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 무방하다. 상기 고정판(25,26)은 도시되지는 않았으나 이들 사이의 간격을 유지하는 지지대의 양단에 고정되는 것이다.

상기 고정판(25,26)에 상기 평행선(21,22,23) 및 대각선(24)을 고정함에 있어서는 상기 고정판(25,26)에 변의 길이가 약 30mm의 정삼각형을 이루는 구멍을 뚫고 이에 평행선(21,22,23) 및 대각선(24)의 양단의 끼워 고정할 수 있으며, 이 밖에도 평행선(21,22,23) 및 대각선(24)들을 고정판(25,26)에 고정할 수 있는 방법이라면 어떠한 방법을 채용하여도 무방하다.

본 발명에 의하여 산업용 로봇에 부착된 센서의 위치 및 자세 보정방법을 수행하기 위하여 센서(10)가 끝축에 부착된 로봇의 전방에 상기 측정지그(20)를 배치한다. 이때 도 1에 도시한 바와 같이 선형 레이저 비젼 센서(10)의 레이저 빔이 평행선(21,22,23) 및 대각선(24)에 모두 교차하도록 함과 아울러 로봇을 움직여서 가능한한 레이저 빔이 각 선(21,22,23), (24)들에 대하여 직각을 이룰 수 있도록 한다.

선형 레이저 비젼 센서(10)의 레이저 빔이 도 2에 도시한 바와 같이 측정지그(20)에 조사되었을 때 레이저 빔이 각 선(21,22,23) 및 (24)에 대하여 직각을 이루고 있다면 레이저 빔이 각 선(21,23,23)에 교차하는 점 P1, P02, P03가 이루는 삼각형은 정삼각형이 되지만 센서(10)와 측정지그(20)의 각도가 기울어져 있을 경우 레이저 빔과 선(21,22,23)들이 교차하는 점 P1, P2, P3가 이루는 삼각형은 정삼각형이 아닌 이등변 삼각형이 된다.

이 세점 P1, P2, P3의 측정값을 P₁ ^sP₂ ^sP₃ ^s 라고 하면 이를 이용하여 지그(20)의 좌표계에서 표현되는 삼각형 P₁j P₂ ^jP₃ ^j 의 좌표를 다음 수학식 1로 표시할 수 있다.

이 3점을 이용하여 3개의 수학식 2와 같은 벡터를 정의한다.

마찬가지로 센서 좌표계에서의 벡터를 정의하면 수학식 3과 같다.

이로써 지그와 센서 사이의 회전량을 측정할 수 있다.

다음, 로봇의 회전을 고정시킨 채 1차 측정점으로부터 X,Y,Z축으로 일정한 거리만큼 병진 운동만을 수행하여 3회 더 측정한다.

이때, 회전을 고정시켰으므로 로봇 끝축의 병진운동량과 센서의 병진운동량은 같다. 로봇의 끝축의 병진운동량은 이미 알고 있는 값이고 센서의 병진운동량은 다음과 같이 구할 수 있다.

지그(20)의 옆면의 삼각형, 즉 평행선(21)과 대각선(24)에 의하여 이루어지는 삼각형을 이용하면 1차 측정점과 다음 측정점까지의 기하학적 상관관계는 도 3과 같다.

이러한 상관관계는 다음 수학식 4과 같다.

t_s=P₁ ^s+a₁₂ ^s-P₂ ^s

측정에 의해서 P₁ ^sP₂ ^s 는 알고 있고 a,b 벡터는 지그의 설계치로부터 알고 있는 값이므로 P₁ ^s 에서 P₂ ^s 로 향하는 a 벡터상의 a₁₂ ^s 를 구하면 t_s 를 표현할 수 있다.

여기서 a₁₂ ^s 는 도 4의 두 측정점 주위의 벡터들의 기하학적 관계를 이용하여 다음 수학식 5와 같이 구할 수 있다.

여기서

이렇게 구한 3개의 t_s 를 연립하여

를 만들고 이를 이용하여 수학식 6과 같이 센서(10)와 로봇 끝축간의 회전 행렬 R₆ ^s 를 구한다.

위와 같은 방법으로 센서와 지그간의 회전 행렬을 구한 후 다음의 과정을 통하여 센서와 로봇 끝축간의 옵셋량을 구한다.

센서와 로봇 끝축간의 옵셋량을 구할 때 수식적 방법을 이용할 수도 있지만 그 경우에는 측정 오차에 너무 민감한 결과를 가지므로 기하학적인 방법을 이용한다.

우선 로봇의 끝축과 센서사이의 회전 행렬을 알고 있으므로 로봇을 움직여 도 5에 도시한 바와 같이 센서(20)를 레이저 빔(B)이 지그(20)의 평행선(21,22,23)에 대하여 직각을 이루도록 위치시킬 수 있다.

이 위치에서 측정을 수행하고 센서(20)를 일정 각도 회전시킨 다음 두 번 째 측정을 수행한다.

이로써 도 5의 기하학적 구성도로부터다음과 같이 계산해낼 수 있다. 이때 모든 좌표계는 처음으로 측정한 센서의 좌표계에서 표시한다.

다음 t_z 을 구하기 위하여 y축 주위로 90도 회전하여 측정하면 센서의 y값이 t_z 가 된다.

위와 같은 방법으로 x,z방향의 병진운동량을 얻은 후 로봇의 TCP를 회전의 회전을 일치시킨 상태에서 병진운동은 x,z방향에 대하여 일치시키며, 이후에 y방향의 병진운동은 x방향으로 90도 회전하여 측정하면 y축 방향의 측정값이 y방향의 병진운동량 t_z 가 된다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 3개의 평행선과 1개의 대각선을 가지는 지그를 이용하는 것에 의하여 선형 레이저 비젼 센서의 까다로운 TCP를 한번의 교시로 쉽게 얻어낼 수 있으며, 대략적인 교시를 통하여도 정확한 측정이 가능하게 된다. 또한 기하학적 접근방식을 이용함으로써 측정오차에 영향을 받지 않고 한번에 정확한 측정이 가능하게 되는 것이다.

Claims (3)

1. 정삼각형의 세 꼭지점을 서로 평행하게 지나는 3개의 평행선과 상측에 위치하는 평행선의 일단과 하부 일측 평행선의 타단을 연결하는 대각선을 가지는 측정지그를 선형 레이저 비젼 센서가 끝축에 부착된 로봇의 전방에 위치시키는 단계와,

   상기 선형 레이저 비젼 센서의 레이저 빔을 지그에 조사하여 레이저 빔이 각 평행선과 교차하는 점을 측정하는 단계와,

   상기 3개의 측정점을 이용하여 센서와 지그 사이의 회전량을 구하는 단계와,

   로봇의 회전은 고정시킨 채 상기 측정점으로부터 x,y,z축으로 일정한 거리만큼 병진운동만 수행하여 3회 측정하여 레이저 빔이 상기 지그의 상측 평행선과 대각선과 교차하는 점을 측정하는 단계와,

   이들 측정점을 이용하여 기하학적 관계를 이용하여 센서와 로봇의 끝축과의 회전량을 구하는 단계와,

   상기 센서와 로봇 끝축 사이의 회전량을 이용하여 센서의 레이저 빔이 지그의 평행선과 직각을 이루도록 위치시키는 단계와,

   x,y,z축 방향에 대하여 각각 2회씩 레이저 빔의 평행선에 대한 교차점을 측정하는 단계와,

   이들 측정점을 이용하여 기하학적 관계를 이용하여 센서와 로봇 끝축 사이의 옵셋량을 구하는 단계와,

   이 옵셋량을 이용하여 센서와 로봇 끝축 사이의 병진운동량을 구하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 산업용 로봇에 부착된 센서의 위치 및 자세 보정방법.
2. 정삼각형의 세 꼭지점을 서로 평행하게 지나는 3개의 평행선과, 상측에 위치하는 평행선의 일단과 하부 일측 평행선의 타단을 연결하는 대각선을 가지는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇에 부착된 센서의 위치 및 자세 보정에 사용되는 측정지그.
3. 제2항에 있어서, 상기 각 평행선 및 대각선들은 서로 마주보는 고정판에 양단이 고정되는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇에 부착된 센서의 위치 및 자세 보정에 사용되는 측정지그.

Images