KR100964961B1 - 로봇의 직접교시 방법 - Google Patents

로봇의 직접교시 방법 Download PDF

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KR100964961B1
KR100964961B1 KR1020090015993A KR20090015993A KR100964961B1 KR 100964961 B1 KR100964961 B1 KR 100964961B1 KR 1020090015993 A KR1020090015993 A KR 1020090015993A KR 20090015993 A KR20090015993 A KR 20090015993A KR 100964961 B1 KR100964961 B1 KR 100964961B1
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robot
teaching
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torque sensor
angle
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박찬훈
경진호
박동일
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 로봇의 직접교시 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇의 끝단에 사용자의 교시력 측정을 위한 교시용 힘/토크 센서와 외부 환경과 접촉하여 발생하는 외력을 측정하는 작업툴용 힘/토크 센서를 구비하되, 교시용 힘/토크 센서와 작업툴용 힘/토크 센서는 각각 센싱하는 신호들이 서로 간섭되지 않도록 독립적으로 센싱하도록 구성하고, 센싱된 교시력 신호 및 외력 신호를 기준으로 로봇의 움직임을 결정하는 단계를 포함하며, 로봇과 외부환경과의 접촉이 발생되면
Figure 112010021829399-pat00078
와 같이 교시력을 변경(Reshaping)하는 알고리즘을 적용하고(교시력 변경의 정도는
Figure 112010021829399-pat00079
값을 0~1로 변경함으로써 결정할 수 있다), 상기 교시력 신호에 대응해서 로봇이 움직여야 하는 미소변위를
Figure 112010021829399-pat00080
와 같이 가상스프링(도 5, 도 6) 개념을 사용하여 결정하고 이를 절대값(로봇의 기준좌표계에 대한 변위와 회전각도)으로 환산하여 역기구학알고리즘(로봇의 말단의 위치와 방향에 대응되는 로봇조인트의 회전각도를 결정하는 알고리즘)을 통해 로봇 조인트의 목표각도명령(로봇의 각각의 회전축이 회전해야 하는 각도,
Figure 112010021829399-pat00081
)을 계산함으로서 로봇을 직접교시하는 것을 특징으로 하는 로봇의 직접교시 방법에 관한 것이다.
로봇, 직접교시, FT센서, 알고리즘

Description

로봇의 직접교시 방법{Direct teaching mathod of robot}
본 발명은 로봇의 직접교시 방법(작업자가 로봇의 움직임을 교시함에 있어 로봇의 말단에 인가되는 작업자의 힘과 모멘트에 따라서 로봇이 움직이도록 하는 로봇의 교시방법)에 관한 것으로, 로봇이 움직이기 불가능한 방향으로 작업자의 교시력이 인가될 경우에는 작업자의 교시력을 효과적으로 변경해서 진행이 가능한 방향으로만 로봇을 교시하도록 하여 로봇과 작업물이 접촉하는 경우에 대한 안전성을 확보하되, 로봇이 작업물과 접촉되어 있는 경우에도 작은 크기의 접촉력(로봇 말단과 작업물과의 접촉에 의해 발생하는 힘)은 지속적으로 발생시키도록 교시력을 변경함으로써 접촉상태에서 작업물의 위치의 변경이 발생하는 경우에도 로봇이 순간적으로 작업물로부터 떨어지다 다시 밀착되는 현상을 방지하는 로봇의 직접교시 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 프레스 금형의 표면에 대한 열처리 작업 혹은 차체에 대한 페이팅, 용접 등의 작업을 수행하는 경우, 다양한 방법에 의하여 작업을 수행하였다.
이러한 작업의 일 예로서 작업자에 의한 방법과, CAD/CAM에 의한 방법, 로봇에 의한 방법 등이 제시된다.
작업자에 의하여 작업을 수행하는 경우, 예를 들면, 금형의 표면에 열처리 작업을 수행하는 경우, 작업자가 직접 열처리 기구를 사용하여 열처리 작업을 수행하게 됨으로 작업자의 숙련도에 따라 열처리 품질이 달라지게 되고, 금형 표면의 비등가열로 인한 금형의 갈라짐 등의 손상요인이 발생하게 되는 문제점이 있다.
또한, NC 또는 CAD/CAM등을 이용하여 작업을 수행하는 경우, 작업경로의 생성시, 복잡한 작업요소들이 많이 요구되고, 경로의 생성 또한 까다로울 뿐만 아니라, 실제 현장 적용시 로봇 및 작업위치간의 캘리브레이션 작업이 필요하다. 그리고, 작업대상물이 다양하게 존재하는 작업의 경우, 현장에서 대상물의 CAD 데이터를 필요로 함으로 로봇에 의한 자동화가 어려운 문제점이 있다.
한편, 로봇에 의한 방법의 경우 임피던스 컨트롤(Impedance control) 알고리즘과 유사한 형태로 도 1에 도시한 관계식을 이용하고자 하는 시도들이 다수의 연구자들에 의해서 수행된 바 있다.
도 1을 참조하면 M(가상 질량),C(가상 댐핑)에 의해서 교시특성이 좌우됨이 보고된 바 있는데, 상기 관계식은 적분에 의해서 교시력이 결정됨으로 로봇과 주위 환경(예컨대, 벽)과의 접촉이 없는 경우에만 적합하다. 즉, 주위환경과 접촉이 있는 경우에도 사용자는 이러한 상황을 정확히 파악하지 못하기 때문에 계속 교시력을 인가하게 되며, 따라서 로봇이 더 이상 움직일 수 없는 상황임에도 불구하고 상기 관계식의 적분에 의해서 로봇에 인가되는 목표위치 명령은 지속적으로 증가하게 되어 로봇 파손의 위험이 발생하게 됨으로 힘/토크 센서로부터 측정된 사용자의 교시력을 적분하여 교시명령을 생성하는 것은 매우 위험하다.
본 발명의 목적은 로봇의 직접교시방법(작업자가 로봇의 움직임을 교시함에 있어 로봇의 말단에 인가되는 작업자의 힘과 모멘트에 따라서 로봇이 움직이도록 하는 로봇의 교시방법)에 관한 것으로, 로봇이 움직이기 불가능한 방향으로 작업자의 교시력이 인가될 경우에는 작업자의 교시력을 효과적으로 변경해서 진행이 가능한 방향으로만 로봇을 교시하도록 하여 로봇과 작업물이 접촉하는 경우에 대한 안전성을 확보하되, 로봇이 작업물과 접촉되어 있는 경우에도 작은 크기의 접촉력(로봇 말단과 작업물과의 접촉에 의해 발생하는 힘)은 지속적으로 발생시키도록 교시력을 변경함으로써 접촉상태에서 작업물의 위치의 변경이 발생하는 경우에도 로봇이 순간적으로 작업물로부터 떨어지다 다시 밀착되는 현상을 방지하는 로봇의 직접교시 방법을 제공하는데 있다.
삭제
상기와 같은 본 발명의 목적은 로봇의 끝단에 사용자의 교시력 측정을 위한 교시용 힘/토크 센서와 외부 환경과 접촉하여 발생하는 외력을 측정하는 작업툴용 힘/토크 센서를 구비하되, 교시용 힘/토크 센서와 작업툴용 힘/토크 센서는 각각 센싱하는 신호들이 서로 간섭되지 않도록 독립적으로 센싱하도록 구성하고, 센싱된 교시력 신호 및 외력 신호를 기준으로 로봇의 움직임을 결정하는 단계를 포함하며,
로봇과 외부환경과의 접촉이 발생되면
Figure 112010021829399-pat00082
와 같이 교시력을 변경(Reshaping)하는 알고리즘을 적용하고 (교시력 변경의 정도는
Figure 112010021829399-pat00083
값을 0~1로 변경함으로써 결정할 수 있다), 상기 교시력 신호에 대응해서 로봇이 움직여야 하는 미소변위를
Figure 112010021829399-pat00084
와 같이 가상스프링(도 5, 도 6) 개념을 사용하여 결정하고 이를 절대값(로봇의 기준좌표계에 대한 변위와 회전각도)으로 환산하여 역기구학알고리즘(로봇의 말단의 위치와 방향에 대응되는 로봇조인트의 회전각도를 결정하는 알고리즘)을 통해 로봇 조인트의 목표각도명령(로봇의 각각의 회전축이 회전해야 하는 각도,
Figure 112010021829399-pat00085
)을 계산함으로서 로봇을 직접교시하는 것을 특징으로 하는 로봇의 직접교시 방법에 의해 달성된다.
삭제
본 발명에 의하면 로봇의 교시를 위해 티칭팬턴트 등이 불필요하고, 로봇의 움직임을 결정하기 위하여 로봇프로그램을 사용자가 직접 수행하는 수고를 덜어준다.
또한, 외부환경(작업물 등)과 로봇이 교시작업 중에 충돌하는 경우, 로봇은 물리적으로 더 이상 진행하는 것이 불가능하므로 현재위치(
Figure 112010021829399-pat00086
)로부터 로봇이 더 진행하도록 하는 명령은 스프링의 가상변위(
Figure 112010021829399-pat00087
)로 한정되고, 이러한 가상변위는 사용자의 교시력이 변동함에 따라서 변동되는 값을 갖지만 사용자의 교시력의 크기가 제한(bounded)되어 있으므로 스프링의 가상변위(
Figure 112010021829399-pat00088
)도 제한(bounded)되어서 결과적으로 외부환경과 로봇 사이에 발생하는 접촉력(로봇과 작업물과의 접촉력)의 크기가 제한(bounded)되므로 직접교시 중에 로봇시스템의 기본적인 안정성이 확보된다.
그러나 작업자가 작은 교시력과 교시모멘트를 인가하는 경우에도 로봇이 신속히 교시되도록 하기를 원하는 경우에는 가상스프링의 상수를 작게 설정하여야 하는데, 이러한 경우에는 가상변위(
Figure 112010021829399-pat00089
)가 제한(bounded)되어 있다고 하더라도 그 크기가 크기 때문에 로봇과 작업물이 접촉하는 경우에는 비교적 큰 접촉력이 발행하게되므로, 로봇이 움직이기 불가능한 방향으로 작업자의 교시력이 인가될 경우에는 작업자의 교시력을 효과적으로 변경해서 로봇의 진행이 가능한 방향으로만 로봇이 교시되도록 하기 때문에 신속한 교시에 있어서도 그 안전성을 더욱 확실히 확보 된다.
이러한 교시력의 변경에 있어서, 직접교시 중에 로봇이 작업물과 접촉되어 있는 경우에도 작은 크기의 접촉력(로봇 말단과 작업물과의 접촉에 의해 발생하는 힘)은 지속적으로 발생되도록 작업자의 교시력을 변경함으로써 접촉상태에서 작업물의 위치의 변경이 발생하는 경우에도 로봇이 순간적으로 작업물로부터 떨어지다 다시 밀착되는 현상이 방지된다.
삭제
상기와 같은 본 발명의 목적은 로봇의 끝단에 사용자의 교시력 측정을 위한 교시용 힘/토크 센서와 외부 환경과 접촉하여 발생하는 외력을 측정하는 작업툴용 힘/토크 센서를 구비하되, 교시용 힘/토크 센서와 작업툴용 힘/토크 센서는 각각 센싱하는 신호들이 서로 간섭되지 않도록 독립적으로 센싱하도록 구성하고, 센싱된 교시력 신호 및 외력 신호를 기준으로 로봇의 움직임을 결정하는 단계를 포함하며,
로봇과 외부환경과의 접촉이 발생되면
Figure 112010021829399-pat00090
와 같이 교시력을 변경(Reshaping)하는 알고리즘을 적용하고 (교시력 변경의 정도는
Figure 112010021829399-pat00091
값을 0~1로 변경함으로써 결정할 수 있다), 상기 교시력 신호와 이에 대응해서 로봇이 움직여야 하는 미소변위를
Figure 112010021829399-pat00092
와 같이 가상스프링(도 5, 도 6) 개념을 사용하여 결정하고 이를 절대값(로봇의 기준좌표계에 대한 변위와 회전각도)으로 환산하여 역기구학알고리즘(로봇의 말단의 위치와 방향에 대응되는 로봇조인트의 회전각도를 결정하는 알고리즘)을 통해 로봇 조인트의 목표각도명령(로봇의 각각의 회전축이 회전해야 하는 각도,
Figure 112010021829399-pat00093
)을 계산함으로서 로봇을 직접교시하는 것을 특징으로 한다.
삭제
삭제
삭제
이하, 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 첨부도면들과 관련하여 상세히 설명한다.
이와 같은 본 발명에 있어서, 상기 로봇의 움직임을 결정하는 단계는 교시력 힘/토크 센서에 의해 센싱된 교시력 신호에 포함된 외란(전기적 노이즈 등)을 제거하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 교시신호로부터 외란신호를 분리하는 방법에는 매우 많은 방법의 적용이 가능하며, 저주파대역필터 등이 간단히 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 로봇의 움직임을 결정하는 단계에서 로봇의 끝단에 인가되는 교시력으로부터 로봇이 현재의 위치로부터 더 움직여야 할 거리를 결정하기 위하여 가상 스프링모델이 적용된다(즉, 사용자의 교시력에 의해서 가상스프링에 가상의 변위
Figure 112010021829399-pat00094
가 발생하게 되는데, 이때 가상스프링의 변위를 제거하는 방향으로 로봇이 움직이도록 제어함으로써 사용자의 교시력에 의한 로봇의 직접교시가 구현된다). 즉, 사용자가 로봇에 인가한 교시력이 측정되면 가상스프링모델에 의하여 로봇의 말단이 현재의 위치로부터 더 움직여야 할 거리와, 로봇의 말단이 현재 회전각도로부터 더 회전해야할 각도가 결정된다. 이것은 다시 로봇의 말단이 도달해야 할 위치와 각도로 환산될 수 있다. 이와 같은 방법을 통해서, 로봇에 인가한 교시력이 측정되면 가상스프링모델에 의하여 로봇의 말단이 현재의 위치로부터 더 움직여야 할 거리와, 로봇의 말단의 각도가 현재의 각도에서 더 회전해야 할 각도가 결정된다. 이것은 다시 로봇의 말단이 도달해야 할 절대적인 위치와 각도로 환산될 수 있으며 이로부터 로봇의 각각의 조인트가 도달되어야 할 목표회전각도(
Figure 112010021829399-pat00095
)를 역기구학을 이용하여 계산할 수 있다.
이와 같은 방법으로 로봇 조인트의 목표회전각도가 결정되면 이 값이 모션제어기(로봇의 조인트 각도를 제어하는 제어기)의 입력으로 들어간다. 모션 제어기에서는 적절한 제어알고리즘(가령 비례-미분-적분 제어기 등)이 동작하여 입력으로 들어온 조인트 각도를 달성하게 되고, 최종적으로 로봇에 힘을 인가한 작업자는 로봇이 자신의 의도대로 움직이고 있다고 느끼게 된다.
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사용자가 로봇의 끝단을 잡고 당길 힘을 가할 경우 측정된 교시력을 기준으로 로봇의 움직임을 결정해야 한다. 이를 위해서는 다양한 방법이 동원될 수 있으나 본 발명에서는 도 5에 도시한 바와 같이 기준점이 이동되는 스프링으로 모델링 한다.
"기준점이 이동되는 스프링"이라 함은 도 6에 도시한 바와 같이 스프링을 당길 때 변위가 발행하게 되는데 이때 스프링의 고정점이 되는 로봇끝단이 발생된 변위를 제거하는 방향으로 이동함을 의미한다. 이러한 로봇에 의한 기준점의 이동으로 스프링의 변위가 0이 되도록 하는 제어는 정해진 샘플링 타임(Sampling time)마다 수행된다.
Figure 112010021829399-pat00096
여기서,
Figure 112010021829399-pat00012
는 스프링 선단의 현재위치,
Figure 112010021829399-pat00097
는 스프링 선단의 목표위치,
Figure 112010021829399-pat00014
는 가상스프링의 변위.
강성이 큰 스프링으로 모델링 할 경우, 동일한 힘에 대해 작은 변위가 발생하므로 로봇은 이 변위를 제거하기 위하여 작은 양을 이동하는 것으로 충분하고, 이 때문에 로봇의 움직임은 매우 느려지게 된다. 즉, 강성이 큰 스프링으로 모델링 하는 경우는 로봇의 움직임을 저속/정교하게 할 경우 이용되고, 반대로 강성이 매우 작은 스프링으로 모델링 할 경우는 동일한 힘에 대해 큰 변위가 발생하므로 로봇은 이 변위를 제거하기 위하여 많은 거리를 이동하게 된다. 즉, 강성이 매우 작은 스프링으로 모델링 할 경우는 로봇의 움직임이 매우 신속해지는 특징이 있다.
이때 사용자 힘과 미소변위 명령은 다음과 같이 수식화될 수 있다.
Figure 112009011802016-pat00015
,
여기서, F는 교시력, M은 교시 모멘트,
Figure 112009011802016-pat00016
는 가상의 선형스프링 상수,
Figure 112009011802016-pat00017
는 가상의 토셔널 스프링 상수,
Figure 112009011802016-pat00018
는 로봇선단의 목표위치,
Figure 112009011802016-pat00019
는 로봇선단의 현재위치,
Figure 112009011802016-pat00020
는 로봇선단의 목표회전각도,
Figure 112009011802016-pat00021
는 로봇선단의 현재회전각도.
본 발명에서의 위치제어를 통한 제어 알고리즘은 도 3과 같이 나타낼 수 있다. 이와 같이 사용자가 로봇에 인가한 교시력이 측정되면 가상스프링모델에 의하여 로봇의 말단이 현재의 위치로부터 더 움직여야 할 거리와, 로봇의 말단의 각도가 현재의 각도에서 더 회전해야 할 각도가 결정된다. 이것은 다시 로봇의 말단이 도달해야 할 절대적인 위치와 각도로 환산될 수 있으며 로봇의 각각의 조인트가 도달되어야 할 목표회전각도(
Figure 112010021829399-pat00098
)를 역기구학을 이용하여 계산할 수 있다. 이와 같은 방법으로 로봇 조인트의 목표회전각도가 결정되면 이 값이 모션제어기(로봇의 조인트 각도를 제어하는 제어기)의 입력으로 들어간다. 모션 제어기에서는 적절한 제어알고리즘(가령 비례-미분-적분 제어기 등)이 동작하여 입력으로 들어온 조인트 각도를 달성하게 되고, 최종적으로 로봇에 힘을 인가한 작업자는 로봇이 자신의 의도대로 움직이고 있다고 느끼게 된다.
이러한 직접교시 알고리즘은 도 4와 같은 방식으로 제어코드로써 구현된다. 이를 통하여 사용자가 직접 로봇의 몸체 즉, 로봇의 끝단을 잡고 힘을 가하여 로봇을 끌거나 밀어줌으로써 작업교시를 하는 것이 가능해진다. 사용자는 로봇의 위치와 자세를 임의로 결정할 수 있으며 로봇은 이를 기억하여 교시정보로 활용하게 된다.
외부환경과의 접촉이 발생하는 경우에 사용자가 이러한 상황을 인식하는 것 이 중요하다. 그러나 위치기반의 직접교시에서는 이러한 상황을 사용자가 인식하는 것이 불가능하다. 따라서 힘/토크 센서의 값을 도 1과 같이 적분하여 교시명령을 생성하는 것은 매우 위험하다.
본 발명에서는 상기에 언급한 대로 가상스프링의 변위를 제거하는 방향으로 로봇이 움직이는 것을 모델링하여 사용하고 있으므로 기본적으로 외부환경과의 접촉의 경우에 매우 안전하다. 즉, 외부 환경과의 충돌이 발생한 경우, 로봇은 물리적으로 더 이상 진행하는 것이 불가능하므로 현재위치로부터 로봇이 더 진행하도록 하는 명령은 "가상변위"로 한정된다. 이러한 가상변위는 사용자의 교시력이 변동함에 따라서 변동되는 값을 가지지만 사용자 교시력의 크기가 제한(bounded)되어 있으므로 도 2에 도시한 바와 같이 커멘드의 발생도 제한된 값(bounded value)를 가지게 된다. 따라서 작업물과 로봇사이에 발생하는 접촉력이 제한되므로 매우 안전하다.
작업물과 로봇사이에 발생하는 접촉력이 제한되지만, 직접교시 속도를 높이기 위하여 작은 강성의 가상 스프링을 사용하는 경우에는 작업물에 가하는 힘이 매우 크게 되어 작업물 혹은 로봇이 기계적인 손상을 받게 될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 로봇이 단독으로 환경과 접촉하는 작업에서는 로봇 스스로 컴플라이언스를 가지게 하는 방법이 유익하게 적용될 수 있다. 이 경우 로봇은 환경과의 접촉이 발생할 경우 이러한 접촉에 순응하여 주어진 궤적으로부터 벗어나서 로봇이 손상되는 것을 막을 수 있다. 그러나 직접교시의 경우에 있어서는 로봇이 컴플라이언스를 가지게 할 경우에 로봇이 작업자의 의도와 다르게 동작하는 것처럼 사용자가 느끼게 되어 직접교시가 불편할 수 있다. 이러한 이유로 본 발명에서는 작업자의 교시력을 적절히 변경하여 로봇과 환경이 충돌하는 상황에서도 안전한 직접교시알고리즘을 제공한다.
삭제
본 발명에서 제공되는 알고리즘에서는 사용자의 교시의도를 파악하기 위한 교시용 힘/토크 센서와 로봇과 환경의 충돌상황을 파악하기 위한 작업툴용 힘/토크 센서를 동시에 사용한다. 그리고 교시용 힘/토크 센서와 작업툴용 힘/토크 센서는 각각 센싱하는 신호들이 서로 간섭되지 않도록 독립적으로 센싱하도록 구성한다.
도 7은 로봇과 환경과의 충돌 상황을 나타낸 도면이다. 기본적으로 로봇과 환경과의 접촉이 발생된 경우 이 접촉에 의해 야기되는 힘의 방향으로 로봇이 진행하도록 교시되는 것은 바람직하지 못하다. 이와같은 교시상황이 발행할 경우에는 로봇이 심하게 손상될 수 있기 때문인다. 따라서 본 발명에서는 이러한 상황을 대처하기 위해, 사용자의 교시력을 변경하여 접촉에 의해 야기되는 힘의 방향으로는 교시력이 인가될 수 없도록 해주는 교시력 변경(Reshaping)하는 알고리즘이 제공되면, 아래와 같이 수식화하여 표현할 수 있다.
Figure 112009011802016-pat00022
여기서,
Figure 112010021829399-pat00099
는 작업자가 인가한 교시력,
Figure 112010021829399-pat00100
는 각각 원래의 교시력으로부터 변경(Reshaping)된 교시력,
Figure 112010021829399-pat00025
는 로봇과 외력 사이의 접촉력,
Figure 112010021829399-pat00101
는
Figure 112010021829399-pat00102
의 크기.
또한, 이와 같은 교시력 변경 알고리즘을 그림으로 설명하면 도 8과 같이 표현된다. 따라서 로봇과 외력 사이의 접촉력
Figure 112010021829399-pat00026
을 측정하고 교시력(
Figure 112010021829399-pat00103
)은 이를 바탕으로
Figure 112010021829399-pat00024
로 변경된다. 즉, 측정된 교시력(
Figure 112010021829399-pat00023
)의 변경은 접촉력(
Figure 112010021829399-pat00027
) 방향의 단위벡터 방향의 성분을 구하고, 이를 원래의 교시력(
Figure 112010021829399-pat00104
)과 더해줌으로써 이루어진다. 이들을 통해 사용자의 교시력 중에서 로봇과 충돌이 발행하여 움직임을 방해하는 벽면방향으로 움직이고자 하는 성분을 효과적으로 제거하는 것이 가능하다.
상기와 같은 알고리즘은 진행이 불가능한 방향으로 로봇을 교시하는 작업력을 효과적으로 변경해서 진행이 가능한 방향으로만 로봇을 진행시키게 된다. 그러나 작업물의 위치의 변경이 발생하는 경우(테이블의 작은 진동 등)에는 작업물과 로봇이 순간적으로 떨어졌다가 다시 밀착되는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 진행이 불가능한 방향이라 할지라도 작은 크기의 상호작용력이 지속적으로 발생할 수 있도록 해주는 것이 유익하며 이것은 상기 수학식3을 아래와 같이 변경하는 것으로 가능하다.
Figure 112009011802016-pat00028
여기서,
Figure 112010021829399-pat00029
는 작업자가 인가한 교시력,
Figure 112010021829399-pat00030
는 각각 원래의 교시력으로부터 변경(Reshaping)된 교시력,
Figure 112010021829399-pat00032
는 로봇과 외력 사이의 접촉력,
Figure 112010021829399-pat00105
는
Figure 112010021829399-pat00106
의 크기,
Figure 112010021829399-pat00107
는 교시력 변경의 정도를 결정하며 0≤
Figure 112010021829399-pat00108
≤1의 범위를 가지는 변수.
또한, 이와 같은 교시력 변경 알고리즘을 그림으로 설명하면 도 9와 같이 표현된다. 즉 작업교시력의 변경시에 로봇이 진행할 수 없는 방향으로는 교시력이 하나도 인가되지 못하게 하는 것이 아니라, 일부의 로봇이 진행할 수 없는 방향으로도 약간의 교시력은 남겨둠으로써 (얼마만큼의 교시력을 남겨둘지는
Figure 112010021829399-pat00109
에 따라 결정된다), 교시작업동안에 로봇이 작업면을 일정크기의 힘으로 눌러주도록 한다. 이를 통해 작업면과 로봇이 안정된 상태로 접촉을 유지하면서 교시되는 것이 가능하게 된다. 즉, 작업물의 위치의 변경이 발생하는 경우(테이블의 작은 진동 등)에도 작업물과 로봇이 순간적으로 떨어졌다가 다시 밀착되는 현상이 방지된다.
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이상 본 발명이 양호한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 로봇의 직접교시 방법을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 방법의 일예를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 방법에서 측정된 교시력(교시힘과 교시모멘트)으로부터 가상스프링모델과 역기구학 알고리즘을 통하여 로봇 조인트의 목표회전각도를 결정하는 방법을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 방법에서 사용자의 교시력을 변경하지 않는 경우에 대한 직접교시알고리즘의 일예를 나타낸 도면(
Figure 112010021829399-pat00119
는 작업자가 인가한 교시력,
Figure 112010021829399-pat00120
는 작업자가 인가한 교시모멘트를 의미함),
도 5는 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 방법에서의 사용되는 가상스프링의 개념을 보여주는 개략적인 도면,
도 6은 가상스프링 변위와 로봇 말단의 현재위치와 로봇 말단의 목표위치와의 관계를 나타낸 도면,
도 7은 로봇과 외부환경과의 충돌 상황을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 방법에서의 교시력 변경 알고리즘인
Figure 112009011802016-pat00065
을 그림으로 표현한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 방법에서의 교시력 변경 알고리즘인
Figure 112009011802016-pat00066
을 그림으로 표현한 도면,
도 10은 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 방법에서의 전체 알고리즘을 표현한 도면(
Figure 112010021829399-pat00121
는 작업자가 인가한 교시력,
Figure 112010021829399-pat00122
는 작업자가 인가한 교시모멘트를 의미함)
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Claims (7)

  1. 로봇의 직접교시 방법에 있어서,
    로봇의 끝단에 인가되는 사용자의 교시력의 측정을 위한 교시용 힘/토크 센서와 외부 환경과 로봇이 접촉할 때 발생하는 외력을 측정하는 작업툴용 힘/토크 센서를 구비하되, 교시력 힘/토크 센서와 작업툴용 힘/토크 센서는 각각 센싱하는 신호들이 서로 간섭되지 않도록 독립적으로 센싱하도록 구성하고, 센싱된 교시력 신호 및 외력 신호를 기준으로 로봇의 움직임을 결정하는 단계를 포함하며,
    로봇과 외부환경과의 접촉이 발생되면
    Figure 112010021829399-pat00038
    와 같이 교시력을 변경(Reshaping)하는 알고리즘을 적용하고 상기 교시력 신호와 미소변위를
    Figure 112010021829399-pat00039
    와 같이 가상의 스프링으로 수식화하여 교시력에 의해 측정된 교시력 신호를 위치변위 목표치의 증분으로 변환하고 이를 다시 로봇의 말단이 도달해야 할 절대적인 위치와 각도로 환산하여 역기구학 알고리즘을 통해 로봇의 각 조인트의 목표회전각도(로봇의 각각의 회전축이 회전해야 하는 각도,
    Figure 112010021829399-pat00110
    )을 계산함으로서 로봇을 직접교시하는 것을 특징으로 하는 로봇의 직접교시 방법.
    여기서, 위의 식의
    Figure 112010021829399-pat00040
    는 작업자가 인가한 교시력,
    Figure 112010021829399-pat00041
    는 각각 원래의 교시력으로부터 변경(Reshaping)된 교시력,
    Figure 112010021829399-pat00042
    는 로봇과 외력 사이의 접촉력,
    Figure 112010021829399-pat00111
    는
    Figure 112010021829399-pat00112
    의 크기이고,
    아래 식의 F는 교시력, M은 교시 모멘트,
    Figure 112010021829399-pat00043
    는 가상의 선형스프링 상수,
    Figure 112010021829399-pat00044
    는 가상의 토셔널 스프링 상수,
    Figure 112010021829399-pat00045
    는 로봇선단의 목표위치,
    Figure 112010021829399-pat00046
    는 로봇선단의 현재위치,
    Figure 112010021829399-pat00047
    는 로봇선단의 목표회전각도,
    Figure 112010021829399-pat00048
    는 로봇선단의 현재회전각도.
  2. 로봇의 직접교시 방법에 있어서,
    로봇의 끝단에 인가되는 사용자의 교시력의 측정을 위한 교시용 힘/토크 센서와 외부 환경과 로봇이 접촉할 때 발생하는 외력을 측정하는 작업툴용 힘/토크 센서를 구비하되, 교시력 힘/토크 센서와 작업툴용 힘/토크 센서는 각각 센싱하는 신호들이 서로 간섭되지 않도록 독립적으로 센싱하도록 구성하고, 센싱된 교시력 신호 및 외력 신호를 기준으로 로봇의 움직임을 결정하는 단계를 포함하며,
    로봇과 외부환경과의 접촉이 발생되면
    Figure 112010021829399-pat00049
    와 같이 교시력 변경의 정도가
    Figure 112010021829399-pat00113
    값에 따라 결정되는 교시력 변경(Reshaping) 알고리즘을 적용하고 상기 교시력 신호와 미소변위를
    Figure 112010021829399-pat00050
    와 같이 가상의 스프링으로 수식화하여 교시력에 의해 측정된 교시력 신호를 위치변위 목표치의 증분으로 변환하고 이를 다시 로봇의 말단이 도달해야 할 절대적인 위치와 각도로 환산하여 역기구학알고리즘을 통해 로봇의 각 조인트의 목표회전각도(로봇의 각각의 회전축이 회전해야 하는 각도,
    Figure 112010021829399-pat00114
    )를 계산함으로서 로봇을 직접교시하는 것을 특징으로 하는 로봇의 직접교시 방법.
    여기서, 위의 식의
    Figure 112010021829399-pat00051
    는 작업자가 인가한 교시력,
    Figure 112010021829399-pat00052
    는 각각 원래의 교시력으로부터 변경(Reshaping)된 교시력,
    Figure 112010021829399-pat00054
    는 로봇과 외력 사이의 접촉력,
    Figure 112010021829399-pat00115
    는
    Figure 112010021829399-pat00116
    의 크기,
    Figure 112010021829399-pat00117
    는 교시력 변경의 정도를 결정하며 0≤
    Figure 112010021829399-pat00118
    ≤1의 범위를 가지고,
    아래 식의 F는 교시력, M은 교시 모멘트,
    Figure 112010021829399-pat00055
    는 가상의 선형스프링 상수,
    Figure 112010021829399-pat00056
    는 가상의 토셔널 스프링 상수,
    Figure 112010021829399-pat00057
    는 로봇선단의 목표위치,
    Figure 112010021829399-pat00058
    는 로봇선단의 현재위치,
    Figure 112010021829399-pat00059
    는 로봇선단의 목표회전각도,
    Figure 112010021829399-pat00060
    는 로봇선단의 현재회전각도.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 로봇은 7축인 것을 특징으로 하는 로봇의 직접교시 방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 로봇의 움직임을 결정하는 단계는 힘/토크 센서에 의해 센싱된 교시력 신호에 포함된 외란(전기적 노이즈 등)을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 직접교시 방법.
  7. 삭제
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