KR100591512B1 - 로봇을 제어하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

로봇을 제어하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

로봇(1)을 제어하기 위한 제어 시스템 및 방법으로서, 로봇은 3개 이상의 종방향으로 연장 또는 단축되는 설정 장치(2,3,4)를 포함하며, 각각의 설정 장치가 상기 고정 프레임(6)에 대한 모든 방향으로 피벗되도록, 각각의 설정 장치는 상기 고정 프레임(6)의 제 1 조인트(20,30,40)를 경유하여 고정되며 각각의 설정 장치는 가동 위치설정 헤드(8)의 제 2 조인트(21,31,41)를 경유하여 일단부에 부착되며, 또한 강성 아암(10)은 상기 위치설정 헤드에 결합되어 상기 위치설정 헤드로부터 돌출되고, 상기 설정 장치 사이에 배치되며, 상기 아암은 반경 방향으로 가이드 되지만 상기 프레임에 대해 유니버설 조인트(12)에 축방향으로 변위 가능하게 저널되고, 상기 프레임에 강성 결합되며, 각각의 설정 장치에는 길이 센서(LS1,LS2,LS3)가 제공되며, 상기 센서는 로봇의 작업 공간에서 위치설정 헤드의 위치(X,Y,Z)를 제어하기 위한 제어 시스템(S1)의 부품을 형성하며, 제어 시스템은 작업 공간에서 위치설정 헤드의 위치(X,Y,Z)를 교정하도록 배치된 피드백 제어 시스템(R2)과 협동하며 상기 제어 시스템(S1) 및 상기 제어 시스템(R2)은 상이한 좌표계에 따라 작동한다.

Description

로봇을 제어하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING A ROBOT}
본 발명은 로봇의 위치설정 헤드(positioning head)의 공간적 위치 제어 및 교정에 관한 것이다. 이하에서는, 용어 "로봇"은 예를 들면, 임의의 분야에서 본 발명의 로봇이 수치 제어되는 기계 도구로서 작용하므로, NC 형태의 기계 도구를 포함한다.
특허 명세서 SE 8502327-3(452 279)에 따르면 종방향으로 연장 및 단축될 수 있는 3개 이상의 설정 장치를 포함하며 위치설정 헤드를 가지는 로봇은 이미 공지되어 있다. 각각의 설정 장치가 고정 프레임에 대하여 모든 방향으로 피벗될 수 있도록 각각의 설정 장치는 제 1 조인트를 경유하여 고정 프레임에 고정된다. 또한, 각각의 설정 장치는 제 2 조인트를 경유하여, 이동 가능한 위치설정 헤드의 일단부에 부착된다. 또한, 강성 아암은 설정 장치 사이의 위치설정 헤드에 결합되며 상기 위치설정 헤드로부터 돌출되고, 상기 아암은 유니버설 조인트에서 반경 방향으로 가이드 되지만 상기 프레임에 대해 축방향으로 변위 가능하게 저널되며 상기 프레임에 강성 결합된다.
또한, 유사한 로봇이 공지되어 있으며, 이 로봇에서 각각의 설정 장치는 프레임에 대한 모든 방향으로 피벗 가능하도록, 제 1 조인트를 경유하여 변위 가능한 러너(runner)에 고정되며, 상기 러너는 고정 프레임에 고정된다. 따라서, 상기 조인트는 프레임에 간접적으로 고정된다.
상기 공지된 로봇은 설정 장치를 연장 또는 단축시키는 모터가 제공된 설정 장치에 의하여 제어된다. 제어는 위치설정 헤드의 예비결정된 위치에 선형적으로 제어되는 설정 장치 또는 예비결정된 이동 패턴을 따라 제어되는 위치설정 헤드에 의하여 달성된다. 따라서, 위치설정 헤드의 설정 위치는 제어되지 않으며, 이는 설정 장치, 조인트, 위치설정 헤드 등의 힘 및 온도의 영향이 목표 설정점과 실제 위치 사이의 차이를 가져옴을 의미한다.
설정점과 실제 위치 사이의 차이는 만족스럽지 못하며 로봇 사용시 정밀도를 감소시킨다.
본 발명의 목적은 상술된 형태의 로봇의 정밀도를 증가시키는 것이다.
상기 목적은 존재하는 제어 시스템을 보충하는 피드백 제어 시스템을 배치함으로써 달성된다. 본 발명의 특징은 첫째, 존재하는 제어 시스템 및 피드백 제어 시스템이 상이한 좌표계로 위치설정 헤드의 좌표를 표시한다는 것이다. 두 번째로, 측정을 위하여 피드백 제어 시스템의 센서가 로봇 내에서 이동 가능하지만, 무장력 상태인 부품상에 배치된다는 것이다. 따라서, 상기 부품은 온도 또는 힘에 의하여 영향을 받지 않는다.
그러므로 본 발명은 종방향으로 연장 또는 단축될 수 있는 3개 이상의 설정 장치를 포함하는 로봇용 제어 시스템에 관한 것이다. 각각의 설정 장치가 고정 프레임에 대하여 모든 방향으로 피벗 가능하도록, 각각의 설정 장치는 제 1 조인트를 경유하여 고정 프레임에 고정된다. 각각의 설정 장치는 제 2 조인트를 경유하여, 이동 가능한 위치설정 헤드의 일단부에 부착된다. 강성 아암은 위치설정 헤드에 결합되며 상기 위치설정 헤드로부터 돌출되며, 상기 설정 장치 사이에 배치되며, 상기 아암은 반경 방향으로 가이드 되지만 상기 프레임에 대해 유니버설 조인트에 축방향으로 변위 가능하게 저널되어 상기 프레임에 대해 강성 결합된다. 각각의 설정 장치에는 길이 센서(LS1, LS2, LS3)가 제공되며, 상기 센서는 로봇의 작업 공간에서 위치설정 헤드의 위치(X, Y, Z)를 제어하기 위한 제어 시스템(S1)의 부품을 형성한다. 따라서, 제어 시스템은 작업 공간에서 위치설정 헤드의 위치(X, Y, Z)를 교정하도록 배치되는 피드백 제어 시스템(R2)과 협동한다. 상기 제어 시스템(S1) 및 피드백 제어 시스템(R2)은 상이한 좌표계를 따라 작동한다.
또한, 본 발명은 로봇의 위치설정 헤드의 위치를 제어하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은,
a) 제어 시스템이 직교 좌표계에 따라 위치설정 헤드를 제어하는 단계;
b) 피드백 제어 시스템이 구면 좌표계에 따라 상기 위치설정 헤드의 위치를 감지하는 단계;
c) 상기 구면 좌표계로부터 상기 직교 좌표계로 상기 위치설정 헤드의 위치에 대한 좌표를 변환하는 단계;
d) 상기 직교 좌표계에서 설정점과 실제점 사이에서 얻어진 편차가 상기 위치설정 헤드의 이전 설정점에 더해짐으로써 새로운 설정점이 생성되는 단계;
e) 상기 위치설정 헤드의 위치를 상기 새로운 설정점으로 변경하는 단계;
f) 상기 설정점의 제어를 계속적으로 수행하기 위하여 상기 단계 a) 내지 단계 e)를 반복하는 단계;를 포함한다.
이하, 첨부 도면을 참조로 한 실시예의 수단에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 로봇의 정면도이며,
도 2는 본 발명에 따른 유니버설 조인트용 고정 홀더의 사시도이며,
도 3은 본 발명에 따른 별도의 좌표계에서 작동하는 센서가 제공된 유니버설 조인트에서 제어되는 중앙 아암의 사시도이다.
본 발명은 직접적으로 종방향으로 연장 또는 단축될 수 있는 3개 이상의 설정 장치(2, 3, 4)를 가지는 로봇(1)에 관한 것이며, 각각의 설정 장치(2, 3, 4)가 고정 프레임(6)에 관한 모든 방향으로 피벗될 수 있도록, 각각의 설정 장치는 제 1 조인트(20, 30, 40)를 경유하여 고정 프레임(6)에 고정된다. 또한, 각각의 설정 장치는 그 일단부가 제 2 조인트(21, 31, 41)를 경유하여, 이동 가능한 위치설정 헤드(8)에 부착된다. 또한, 중간 아암(10)은 설정 장치(2, 3, 4) 사이에 결합되며 위치설정 헤드(8)로부터 돌출된다. 도 1에서 제 1 조인트(30) 및 제 2 조인트(31)를 구비한 설정 장치(3)는 중간 아암(10)에 의하여 가려지지만, 이들 부품들은 화살표에 의하여 표시된다. 특허 명세서 SE 8502327-3(452 279)에서 제시된 방법과 유사하게, 각각의 설정 장치는 실린더 내에서 이동 가능한 피스톤 형태이다.
아암(10)은 위치설정 헤드(8)에 결합되며 설정 장치 사이에서 상방으로 연장된다. 상기 아암은 프레임(6)에 고정되는 유니버설 조인트(12)에서 반경 방향으로 가이드 된다. 유니버설 조인트(12)는, 아암이 반경 방향으로 가이드 되는 동안 조인트를 통하여 축방향으로 미끄러지는 것을 허용한다. 또한, 유니버설 조인트(12)는 아암이 제 1 유니버설 축에 대하여 각도 α로 회전되며, 제 2 유니버설 축에 대하여 각도 β로 회전되는 것을 허용한다(도 3 참조). 제 1 및 제 2 유니버설 축은 각도 90°하에서 서로 교차한다.
각각의 설정 장치(2, 3, 4)는 모터(22, 32, 42), 바람직하게는 전기 형태의 모터에 의하여 예비결정된 이동 패턴에 따라 작동된다. 상기 이동 패턴은 설정 장치(2, 3, 4)를 연장 또는 단축시키기 위하여 각각의 모터(22, 32, 42)를 작동시키는 제어 시스템(S1)의 기초를 형성하며, 그리하여 작업 공간에서 특정한 위치로 위치설정 헤드(8)를 변위 시키거나, 작업 공간에서 주어진 곡선을 따라 위치설정 헤드(8)를 이동시킨다. 각각의 설정 장치에는 모터 위치를 측정하는 각도 변환기가 제공되며, 각도 변환기는 설정 장치의 종방향 위치를 나타내며 그러므로 길이 센서(LS1, LS2, LS3)와 같은 것이며, 상기 센서는 로봇의 작업 공간에서 위치설정 헤드의 위치(X, Y, Z)를 제어하기 위한 제어 시스템(S1)의 부품을 형성한다. 따라서 위치설정 헤드(8)는 도 1의 좌표계에 의하여 표시된 바와 같이, 직교 좌표계(cartesian coordinate system)의 위치(X, Y, Z)로 가이드 된다. 또한, 도 1에서 명백한 바와 같이, 도구 헤드(14)는 결합 수단(16)에 의하여 위치설정 헤드(8)에 결합되며, 이 결합 수단은 로봇이 4개 또는 5개 또는 6개의 축을 가지는지 여부를 결정된다. 6개 이상의 축도 가능하다.
도 2는 유니버설 조인트(12)의 내측 부품이 제거된 유니버설 조인트 하우징(13)과 아암(10)을 가지는 로봇의 부품을 보여준다. 또한, 유니버설 조인트 하우징(13)은 외측에 제 1 조인트(20, 30, 40)를 가진다. 도 2에서 명백한 바와 같이, 이들 모든 제 1 조인트는 유니버설 형태이며, 즉, 설정 장치가 2 개의 수직축상 조인트에서 회전할 수 있다. 그러나 조인트로 인하여, 설정 장치가 조인트를 통해 축방향으로 변위될 수 없다. 전술된 바와 같이, 축방향으로의 이동은 연장되거나 단축되는 설정 장치에 의하여 달성된다.
도 3은 아암(10) 및 유니버설 조인트(12)의 내측 부품, 즉 상기 부품은 유니버설 조인트 하우징(13)에 장착된 부품을 나타낸다. 이들 내측 부품은 내측 링(18) 및 외측 링(19)으로 구성된다. 아암(10)은 내측 링(18) 내에서 미끄러질 수 있지만, 아암(10) 상에 서로 대향되게 배치되는 슬라이드 레일(50)에 의해 회전에 대하여 고정되며 내측 링의 홀더(51)에서의 작동에 대해 고정된다. 내측 링에는 외측 링(19)에 피벗 가능하게 저널되는 고정된 대향 베어링 핀(60)이 외부로 제공된다. 또한, 외측 링에는 유니버설 조인트 하우징(13)에 저널되는 고정된 대향 베어링 핀(70)이 제공된다. 모든 베어링 핀은 하나 및 동일한 평면에 배치되지만 내측 링의 베어링 핀을 통과하는 축선은 90°각도로 외측 링의 베어링 핀을 통과하는 축선과 교차한다.
유니버설 조인트(12)에서 아암(10)에 대한 이동 패턴은 제 1 유니버설 축에 대하여 각도 α 및 제 2 유니버설 축에 대하여 각도 β로 회전될 수 있다. 또한, 아암은 내측 링(18)에서 거리(ℓ)만큼 미끄러질 수 있다. 아암은 위치설정 헤드(8)에 결합되므로, 로봇의 구조에 의하여만 제한되며, 형성된 작업 공간의 모든 위치(Xn, Yn, Zn)를 취할 수 있다.
또한, 도 3은 외측 링(19)에 제 1 유니버설 축에 대하여 아암의 각도 α를 감지하는 제 1 각도 센서(71; 도 1 참조)가 제공되는 것을 보여준다. 또한, 외측 링에는 제 2 유니버설 축에 대하여 아암의 각도 β를 감지하는 제 2 각도 센서(72)가 제공된다. 또한, 바람직하게 유리 자(glass scale)의 형태인, 길이 센서(73)가 아암을 따라 배치되어 아암의 길이 위치(ℓ)를 감지한다. 이들 3개의 센서는 도 3에 표시된 구면 좌표계(spherical coordinate system)에서 위치설정 헤드(8)의 위치에 대응하는 좌표를 생성한다. 구면 좌표계에서의 이러한 위치는 위치설정 헤드(8)의 실제 위치를 나타낸다. 상기 실제 위치는 전술한 직교 좌표계에서 좌표 변환에 의하여 얻어진다.
좌표 변환은 다음 방정식에 의하여 얻을 수 있다.
Xa = ℓsinαcosβ
Ya = ℓsinαsinβ
Za = ℓcosα
따라서, 위치설정 헤드(8)는 직교 좌표계에서 설정점을 나타내는 위치(Xb, Yb, Zb)로 제어된다. 상기 위치는 그 후 구면 좌표계에서 실제 위치(α, β, ℓ)를 나타내는 상기 센서(71, 72, 73)에 의하여 감지된다. 좌표 변환이 수행되어, 직교 좌표계에서 실제 위치(Xa, Ya, Za)가 얻어진다. 그 후 직교 좌표계의 설정점과 실제 위치 사이의 차이(ΔX, ΔY, ΔZ)가 계산된다. 마지막으로 새로운 설정점(Xn, Yn, Zn)을 얻기 위하여 이전 설정점(Xb, Yb, Zb)에 상기 차이가 더해진다. 상기 감지 및 계산은 피드백 제어를 위하여 계속적으로 반복되며, 힘, 온도 및 기계에서의 기계적 편차를 위한 보상을 통하여 위치설정 헤드의 위치 정밀도가 향상된다.
그러므로 설정점(X, Y, Z)과 실제 위치(Xa, Ya, Za) 사이의 편차(ΔX, ΔY, ΔZ)가 직교 좌표계에서 이전 설정점(Xb, Yb, Zb)에 더해지며, 그에 따라 새로운 설정점 Xn = Xb + ΔX, Yn = Yb + ΔY, Zn = Zb + ΔZ을 부여한다. 그 후, 상기 계산 및 교정이 설정점의 계속적인 제어를 위하여 반복된다.
또한, 도 3은 적어도 2개 이상의 축에서 이동 가능한 도구 헤드(14)가 위치설정 헤드(8)에 결합되는 것을 보여준다. 또한, 이들 축에 대한 회전은 센서(81, 82)에 의하여 감지되며, 상기 센서는 상기 설정점을 교정하기 위한 제어 시스템에 또한 포함될 수 있다. 도구 헤드에 대한 축의 개수가 2개인 경우, 5개의 축을 가진 로봇을 얻을 수 있다. 또한, 더 많은 축도 가능하다.

Claims (8)

  1. 로봇(1)이 종방향으로 연장되거나 단축될 수 있는 3개 이상의 설정 장치(2,3,4)를 포함하며, 상기 각각의 설정 장치가 고정 프레임(6)에 대하여 모든 방향으로 피벗되도록 제 1 조인트(20,30,40)를 경유하여 상기 고정 프레임(6)에 직접 또는 간접 고정되고, 제 2 조인트(21,31,41)를 경유하여 가동 위치설정 헤드(8)의 일단부에 부착되며, 또한 강성 아암(10)이 상기 위치설정 헤드에 결합되며 상기 위치설정 헤드로부터 돌출되고 상기 설정 장치 사이에 배치되며, 상기 아암이 반경 방향으로 가이드 되지만 상기 프레임에 대해 유니버설 조인트(12)에 축방향으로 변위 가능하게 저널되어 상기 프레임에 강성 결합되고, 각각의 설정 장치에 길이 센서(LS1,LS2,LS3)가 제공되며, 상기 센서가 로봇의 작업 공간에서 위치설정 헤드의 위치(X,Y,Z)를 제어하기 위한 제어 시스템(S1)의 부품을 형성하는, 로봇용 제어 시스템에 있어서,
    상기 제어 시스템이 상기 작업 공간에서 상기 위치설정 헤드의 위치(X,Y,Z)를 교정하도록 배치된 피드백 제어 시스템(R2)과 협동하며,
    상기 제어 시스템(S1) 및 상기 피드백 제어 시스템(R2)이 상이한 좌표계를 따라 작동하는 것을 특징으로 하는,
    로봇용 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 시스템(S1)이 직교 좌표계를 따라 작동하며, 상기 제어 시스템(R2)이 구면 좌표계를 따라 작동하도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
    로봇용 제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제 1 각도 센서(71), 제 2 각도 센서(72), 및 길이 센서(73)가 상기 유니버설 조인트에 배치되며, 상기 3개의 센서(71,72,73)가 구면 좌표계를 따라 실제 위치(α,β,ℓ)를 표시하고, 설정점(Xb, Yb, Zb)의 공간 위치와 상기 위치설정 헤드의 실제 위치(Xa, Ya, Za) 사이의 편차(ΔX, ΔY, ΔZ)를 결정하기 위하여 상기 제어 시스템(S1)과 협동하며, 상기 로봇의 작업 공간에서 상기 위치설정 헤드의 위치(X+ΔX, Y+ΔY, Z+ΔZ)를 교정하도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
    로봇용 제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서(71,72,73)가 측정을 위하여, 상기 로봇 내에서 이동 가능하며 운동을 수반하나, 무장력상태인 부품 또는 부품 근처에 놓이는 것을 특징으로 하는,
    로봇용 제어 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어 시스템(R2)의 각도 센서(71,72)가 상기 유니버설 조인트(12)에 배치되며, 상기 길이 센서(73)가 상기 아암(10)에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    로봇용 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 시스템에 결합되고 도구 홀더(80)에 배치되는 두 개 이상의 부가 각도 센서(81,82)가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    로봇용 제어 시스템.
  7. a) 제어 시스템이 직교 좌표계에 따라 위치설정 헤드를 제어하는 단계;
    b) 피드백 제어 시스템이 구면 좌표계를 따라 상기 위치설정 헤드의 위치(α,β,ℓ)를 감지하는 단계;
    c) 구면 좌표계로부터 직교 좌표계로 상기 위치설정 헤드의 위치(α,β,ℓ)에 대한 좌표를 변환하는 단계;
    d) 직교 좌표계에서 설정점과 실제점 사이에서 얻어진 편차(ΔX,ΔY,ΔZ)가 상기 위치설정 헤드의 이전 설정점(X,Y,Z)에 더해짐으로써 새로운 설정점(Xn = X + ΔX, Yn = Y + ΔY, Zn = Z + ΔZ)을 생성하는 단계;
    e) 상기 위치설정 헤드의 위치를 상기 새로운 설정점으로 변경하는 단계;
    f) 상기 설정점의 제어를 계속적으로 수행하기 위하여 단계 a) 내지 단계 e)를 반복하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    로봇의 위치설정 헤드의 위치를 제어하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 1 항에 따른 로봇(1)에 이용되는 것을 특징으로 하는,
    로봇의 위치설정 헤드의 위치를 제어하기 위한 방법.
KR1020007001896A 1998-06-25 1999-06-17 로봇을 제어하기 위한 시스템 및 방법 KR100591512B1 (ko)

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SE9802268A SE512338C2 (sv) 1998-06-25 1998-06-25 System och metod för reglering av en robot
PCT/SE1999/001095 WO1999067066A1 (en) 1998-06-25 1999-06-17 System and method for controlling a robot

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KR20010023263A KR20010023263A (ko) 2001-03-26
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