KR20010048691A - Method for off-line control of robot - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 로봇의 캘리브레이션 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차체 생산 라인에서 사용되는 핸들링(Handling) 로봇의 작업 프로그램을 오프-라인으로 생성하기 위하여 사용되는 로봇의 오프-라인 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for calibrating a robot, and more particularly, to an off-line control method of a robot used to generate a work program of a handling robot used in a vehicle body production line off-line.
최근 산업 현장에서 작업 환경 개선 및 생산성 향상을 목적으로 로봇을 사용하는 경향이 증가하고 있으며, 특히 단순 반복 작업이거나 인간이 직접 수행하기가 힘들고 위험한 작업에 로봇을 사용하는 경우가 급격히 증가하고 있다.Recently, there is an increasing tendency to use robots for the purpose of improving the working environment and productivity in the industrial field, and in particular, the use of robots for simple repetitive tasks or tasks that are difficult for humans to perform directly and dangerously increases.
일반적으로 로봇은 주로 3차원 공간상에서 손목 끝단부(End Effector)를 희망하는 위치 및 자세로 유지시키면서 규정된 위치 혹은 궤적(Trajectory)을 따라 움직이는 것이 주요 기능중의 하나로 되어 있다.In general, one of the main functions of the robot is to move along a defined position or trajectory while maintaining the wrist end portion at a desired position and posture in three-dimensional space.
현재까지 산업 현장에서는 로봇을 대부분 온-라인 프로그램(On-Line Program) 방법으로 사용하고 있다. 이 방법은 로봇으로 어떤 작업을 실행시키기 이전에 교시 조작기(Teach Pendant)를 이용하여 작업 위치를 사전에 교시시킨 다음 이에 상응하는 로봇의 관절각(Joint Angle)을 계산하여 원하는 작업을 수행시키는 방식이다.To date, most industrial robots use on-line program methods. This method uses the teach pendant to teach the work position in advance and then calculates the joint angle of the robot to perform the desired work. .
따라서 온-라인 프로그램 방법에서는 로봇이 본래 가지고 있는 반복 오차와 교시 작업할 때의 오차만을 포함하므로 통상적으로 만족할만한 위치 정밀도를 갖게 된다. 단, 온-라인 프로그램 방법으로 로봇 시스템을 사용하더라도 사용중에 어떤 이유로 로봇이 외부와 심하게 충돌하였거나 오랜 시간 사용으로 기구적인 변화가 생길 경우 로봇의 위치 정밀도는 상당히 떨어진다.Therefore, in the on-line programming method, since the robot includes only the repetitive error inherent in the robot and the error in teaching, it generally has satisfactory position accuracy. However, even if the robot system is used as an on-line program method, the positional accuracy of the robot is considerably inferior when the robot severely collides with the outside for some reason or the mechanical change occurs due to long time use.
그러나, 공장 자동화, 특히 CAD/CAM 시스템(System)이 도입된 상태에서는 로봇의 작업 위치를 설계 도면 혹은 CAD 시스템으로부터 사전에 알 수 있으므로 생산 라인에서 직접 교시 작업을 하지 않고 별도의 스테이지(Stage)에서 교시 작업을 하거나 혹은 컴퓨터상에서 시뮬레이션(Simulation)을 한 다음 이 과정에서 얻어진 로봇 작업 프로그램으로 로봇 시스템을 운영하는 것이 효율적인데, 이와 같이 오프-라인 프로그램(Off-Line Program) 방법을 사용할 경우 로봇의 위치 정밀도는 온-라인 프로그램 방법에 비교하여 많이 떨어진다. 왜냐하면 오프-라인 프로그램 방법에서 사용된 공칭 기구학 방정식(Normal Kinematics Equation)이 실제 로봇의 움직임을 정확히 표현할 수 없기 때문이다. 그 이유는 실제 로봇을 제작하는 과정에서 발생하는 기하학적 오차, 로봇의 동작 제어시 동적 오차(Dynamic Error), 백-래쉬(Backlash), 로봇 구조물의 처짐, 관절부에서의 컴플라이언스(Compliance) 등이 불가피하게 발생하여 로봇의 움직임을 정확히 표현하는데 장애가 되기 때문이다.However, in factory automation, especially with the CAD / CAM system introduced, the robot's working position can be known in advance from the design drawing or the CAD system, so it is not necessary to teach directly on the production line, but on a separate stage. It is more efficient to operate the robot system using the robot task program obtained in this process after teaching or performing simulation on a computer. In this way, the position of the robot is used when using the off-line program method. Precision is much lower compared to the on-line programming method. Because the nominal kinematics equations used in the off-line programming method cannot accurately represent the motion of a real robot. The reason for this is that geometric errors that occur in the process of manufacturing a real robot, dynamic errors in controlling the robot's motion, backlash, deflection of the robot structure, and compliance at joints are inevitably inevitable. This is because it is an obstacle to accurately express the movement of the robot.
따라서, 오프-라인 프로그램 방법을 사용하거나 혹은 로봇 자체의 정밀도를 향상시키기 위해서는 반드시 이를 위한 적절한 "로봇 캘리브레이션"기술이 개발되어야 한다. 여기서 "로봇 캘리브레이션"이란 로봇 손끝의 위치, 방위와 조인트(joint) 변수 사이의 정확한 함수 관계를 찾아 로봇 제어 소프트웨어(control S/W)를 수정해 주므로써 매니퓰레이터(Manipulator)의 정밀도를 점진적으로 향상시키는 일련의 과정을 의미한다.Therefore, in order to use the off-line programming method or to improve the accuracy of the robot itself, an appropriate "robot calibration" technique must be developed for this purpose. Here, "robot calibration" is used to gradually improve the accuracy of the manipulator by modifying the robot control software (S / W) by finding the exact functional relationship between the position of the fingertips of the robot, the orientation and the joint variables. It means a series of processes.
한편, 차체 생산 라인에서는 일반적으로 점 용접용 로봇, 패인팅 로봇, 핸들링용 로봇등이 사용되며, 이들중 핸들링 로봇의 경우에는 오프-라인 프로그램 방식을 현재까지 사용하지 못하고 있다. 핸들링 로봇은 자동차 차체를 작업대 또는 용접기로 이동시키기 위한 로봇으로서, 핸들링 로봇의 작업 범위는 다른 로봇의 작업 형태에 비하여 넓은 상태이며 주변 장치와 연계된 작업을 수행하기 때문에 로봇의 캘리브레이션 작업이 어렵기 때문이다. 즉, 로봇이 주변 장치와 연계된 작업을 수행하는 경우에는 로봇 자체에 대한 캘리브레이션과 주변 장치의 캘리브레이션을 모두 수행해 주어야 하며, 로봇 자체에 대한 캘리브레이션은 종래의 방법을 사용하여 수행할 수 있으나, 주변 장치와 연계된 캘리브레이션은 현재로는 제안되고 있지 않다. 또한, 핸들링 로봇은 용접 로봇, 페인팅 로봇 등에 비하여 상대적으로 높은 오프-라인 교시 정밀도를 요구하므로 로봇 자체에 대한 캘리브레이션 작업과 작업 프로그램의 생성 방법은 다른 종류의 로봇보다 어렵다는 문제가 있다. 따라서, 핸들링 로봇에 오프-라인 프로그램 방식을 채용하기 위해서는 핸들링 로봇의 절대 위치 오차를 최소화할 수 있는 캘리브레이션 측정 방법과, 오프-라인 프로그램 방식에 의해 생성된 작업 프로그램의 신뢰도를 확보할 수 있는 캘리브레이션 데이타를 이용한 작업 프로그램의 생성 방법을 필요로 한다.On the other hand, in the vehicle body production line, a spot welding robot, a painting robot, a handling robot, and the like are generally used. Among these, the handling robot has not used an off-line program method until now. The handling robot is a robot for moving the vehicle body to the workbench or welding machine. The working range of the handling robot is wider than that of other robots and it is difficult to calibrate the robot because it performs tasks related to peripheral devices. to be. In other words, when a robot performs a task associated with a peripheral device, both the calibration of the robot itself and the calibration of the peripheral device should be performed, and the calibration of the robot itself may be performed using a conventional method. Calibration in conjunction with is not currently proposed. In addition, since handling robots require relatively high off-line teaching accuracy compared to welding robots and painting robots, there is a problem that a calibration operation for a robot itself and a method of generating a work program are more difficult than other types of robots. Therefore, in order to employ the off-line programming method in the handling robot, a calibration measurement method capable of minimizing the absolute position error of the handling robot and calibration data capable of ensuring the reliability of the work program generated by the off-line programming method It needs a method of creating a work program using.
본 발명은 이러한 필요성에 부응하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 핸들링 로봇에 오프-라인 프로그램 방식을 채용할 수 있도록 캘리브레이션을 수행하며, 캘리브레이션 데이터를 이용하여 정확한 작업 프로그램을 생성하는 로봇의 오프-라인 제어 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of this need, and an object of the present invention is to perform an off-line programming method for a handling robot, and to perform an off-line programming method, and to generate an accurate work program using calibration data. It is to provide a line control method.
도 1은 본 발명에 따른 로봇의 오프-라인 제어 방법을 행하기 위한 데이타 수집 시스템을 도시한 도면,1 is a diagram showing a data collection system for performing an off-line control method of a robot according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 로봇의 오프-라인 제어 방법중 데이타 수집 과정을 도시한 도면,2 is a diagram illustrating a data collection process in an off-line control method of a robot according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 로봇의 오프-라인 제어 방법중 로봇 작업 프로그램 생성 과정을 도시한 도면.3 is a view illustrating a process of generating a robot work program in an off-line control method of a robot according to the present invention;
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
100 : 핸들링 로봇 200, 300 : 로봇 작업대100: handling robot 200, 300: robot workbench
400 : 용접기 500 : 센서400: welding machine 500: sensor
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 로봇을 모델링한 결과 생성된 작업 프로그램을 이용하여 로봇의 작동을 제어하는 로봇의 오프-라인 제어 방법에 있어서, 로봇의 캘리브레이션을 위한 데이터를 수집하는 단계; 수집된 데이터를 이용하여 상기 로봇의 조인트 캘리브레이션을 수행하는 단계; 조인트 캘리브레이션 수행 결과를 바탕으로 로봇을 모델링하여 작업 프로그램을 작성하는 단계; 수집된 데이터를 이용하여 로봇의 전체 캘리브레이션을 수행하는 단계; 및 기작성된 작업 프로그램에 상기 전체 캘리브레이션 수행 결과를 반영하여 상기 작업 프로그램을 수정하는 단계를 포함하여 구성된다.In order to achieve the above object, the present invention, the off-line control method of the robot to control the operation of the robot using a work program generated as a result of modeling the robot, comprising the steps of: collecting data for calibration of the robot; Performing joint calibration of the robot using the collected data; Creating a work program by modeling a robot based on a result of joint calibration; Performing a full calibration of the robot using the collected data; And modifying the work program by reflecting a result of performing the entire calibration to a previously written work program.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명은 크게 두가지 과정으로 분류된다. 하나는 캘리브레이션을 위한 데이타 측정 과정으로, 이 과정에서는 오프-라인 프로그램에서 신뢰도의 판단 기준이 되는 로봇의 절대 위치 오차를 최소화하기 위한 캘리브레이션을 수행하는데 필요한 데이타를 측정하는 과정이고, 다른 하나는 이와 같이 측정된 데이터를 이용하여 캘리브레션을 수행하여 정확한 작업 프로그램을 생성하는 과정이다.First, the present invention is largely classified into two processes. One is to measure data for calibration, and this is to measure the data needed to perform calibration to minimize the absolute position error of the robot, which is the criterion of reliability in the off-line program. This is the process of creating an accurate work program by performing calibration using the measured data.
도 1에는 캘리브레이션을 수행하는데 필요한 데이타를 측정하는 시스템의 상태도가 도시되어 있다. 도면에서 부호(100)는 핸들링용 로봇을 의미하며, 부호(200), (300)는 작업 라인에 형성된 작업대 1 및 2를 각각 의미하며, 부호(400)는 점 용접기(Stationary Spot Welding)를 각각 의미한다. 핸들링용 로봇(100)은 차체를 작업대 1, 2(100, 200) 및 접 용접기(400)로 이동시키는 작업을 행한다.1 shows a state diagram of a system for measuring data required to perform calibration. In the drawings, reference numeral 100 denotes a handling robot, and reference numerals 200 and 300 denote working tables 1 and 2 formed on a work line, respectively, and reference numeral 400 denotes stationary spot welding, respectively. it means. The handling robot 100 moves the vehicle body to the work benches 1 and 2 (100 and 200) and the welding machine 400.
후술하는 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이 도1에서의 〈 〉는 좌표계 데이타를 의미하며, [ ]는 위치 데이타를 의미한다. 여기서, 위치 데이터라 함은 후술하는 바와 같이 위치 벡터만을 갖는 데이터를 의미하며, 좌표계 데이터라 함은 위치 벡터와 방향 벡터를 포함하는 데이터를 의미한다.As can be seen from the description below, " " in FIG. 1 means coordinate system data, and [] means position data. Here, the position data means data having only a position vector as described below, and the coordinate system data means data including a position vector and a direction vector.
상술한 구성에서 캘리브레이션용 데이타를 측정하기 위해서는 다음과 같은 작업이 선행되어야 한다. 먼저, 핸들링용 로봇(100)과 작업대 1, 2(200), (300) 그리고 점 용접기(400)들에 대한 절대 위치를 측정하기 위하여 차체를 기준으로 하는 차체 기준 좌표계〈ST1〉를 정의할 필요가 있다. 이를 위하여 본 발명에서는 측정이 편리한 위치상에 별도의 센서(500)를 설치한다. 작업대 1(200)에는 핀(pin)을 설치되어 있으며, 이와 같이 작업대상에 설치되는 핀을 주 제어 포인트(Master Control Point : 이하, MCP라함)라 한다. 그리고, 상술한 센서(500)를 이용하여 작업대 1(200)상의 MCP 위치[P1],[P2]와, 차체 패널 고정을 위한 클램프 유니트의 위치[P3]를 각각 측정한다. 즉, 작업대 1(200)상에는 차체 패널을 위치시키기 위한 다수개의 MCP 및 차체를 고정하기 위한 클램프 유니트들이 구성되는 바, 이들의 위치[P1],[P2],[P3]를 센서(500)로 측정하는 것이다. 이와 같이 센서(500)로서 3개의 위치[P1, P2, P3]를 측정하는 이유는 하나의 좌표계를 정의하기 위해서는 최소한 3개의 점데이타가 필요하기 때문이다. 즉, 측정된 위치[P1, P2, P3]들은 x, y, z축에 대한 위치 벡터만을 표시하고 있으며, 하나의 좌표계를 정의하기 위해서는 위치 벡터와 방향 벡터 모두가 필요하다. 3개의 위치[P1, P2, P3]가 측정되면, 이들에 대한 방향 벡터는 위치[P1, P2, P3]들의 거리 데이타를 공칭 데이타와 비교하여 정의할 수 있으며, 여기서 사용되는 수식적 방법은 최소 자승법(Least Square Method)과 같은 필터법이 사용된다.In order to measure the data for calibration in the above-described configuration, the following operation must be performed. First, in order to measure the absolute position of the handling robot 100 and the work benches 1, 2 (200), (300) and the spot welder 400, it is necessary to define a body reference coordinate system (ST1) based on the body. There is. To this end, in the present invention, a separate sensor 500 is installed on a convenient location. A workbench 1 (200) is provided with a pin (pin), and the pin installed in the work target as described above is called a master control point (hereinafter referred to as MCP). Then, using the sensor 500 described above, the MCP positions [P1] and [P2] on the work table 1 200 and the position [P3] of the clamp unit for fixing the vehicle body panel are respectively measured. That is, a plurality of MCPs for positioning the vehicle body panel and clamp units for fixing the vehicle body are configured on the work table 1 (200), and the positions [P1], [P2], and [P3] are transferred to the sensor 500. To measure. The reason why the three positions [P1, P2, P3] are measured as the sensor 500 is that at least three point data are required to define one coordinate system. That is, the measured positions [P1, P2, P3] represent only position vectors for the x, y, and z axes, and both position vectors and direction vectors are required to define one coordinate system. Once three positions [P1, P2, P3] are measured, the direction vector for them can be defined by comparing the distance data of the positions [P1, P2, P3] with nominal data, where the mathematical method used is Filter methods such as the Least Square Method are used.
상술한 방법에 의하여 차체 기준 좌표계〈ST1〉가 정의되며, 이후 측정되는 모든 데이터 및 좌표계는 차체 기준 좌표계〈ST1〉를 기준으로 정의된다. 예컨데, 센서(500)의 좌표계는 차체 기준 좌표계〈ST1〉에 대한 위치와 방향〈 St1TS〉으로 정의된다.The vehicle body reference coordinate system <ST1> is defined by the above-described method, and all data and coordinate systems measured thereafter are defined based on the vehicle body reference coordinate system <ST1>. For example, the coordinate system of the sensor 500 may include a position and a direction with respect to the vehicle body reference coordinate system <ST1>. St1 T S 〉.
차체 기준 좌표계(ST1)가 형성되면, 작업대 1(200)상에 놓여있는 차체 패널의 홀(H) 위치〈 St1TH〉를 측정한다. 즉, 핸들링 로봇(100)의 작업 목적은 작업대 1(200)에 놓이는 차체의 패널(panel)에 존재하는 홀(H)에 로봇(100)의 행거(hanger)내 MCP(T)(로봇 행거의 MCP 역시 행거의 주요 위치에 설치되는 핀(pin)을 의미한다.)를 수직 방향으로 삽입하고, 행거의 클램프 유니트를 이용하여 패널을 잡아 작업대 2(300)로 패널을 이동시키는 것이다. 한편, 차체의 패널의 경우, 패널 자체에 대한 설계와 실제 패널의 오차가 미소하나, 작업대 1(200)에 차체 패널이 위치하면 작업대 1(200)의 지그 유니트(MCP, 클램프 유니트 등)상에 존재하는 오차로 인하여 패널의 홀(H) 위치와 설계상의 위치에는 오차가 있으므로 결과적으로 오프-라인 프로그램이 설치된 컴퓨터상에 모델링된 위치와 오차가 있게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 센서(500)를 이용하여 차체 기준 좌표계(ST1)상에서의 홀(H)의 중심점을 측정하고 기준 좌표계〈ST1〉에 대한 홀 위치〈 St1TH〉를 정의 한다. 이 데이타는 후술하는 바와 같이 오프-라인 프로그램에 반영되어 작업 프로그램 생성시에 참조된다.When the body reference coordinate system ST1 is formed, the position of the hole H of the body panel lying on the work table 1 200 < Measure St1 T H 〉. That is, the working purpose of the handling robot 100 is MCP (T) (in the hanger) of the hanger of the robot 100 in the hole H existing in the panel of the vehicle body placed on the work table 1 (200). MCP also refers to the pin (pin) is installed in the main position of the hanger) is inserted in the vertical direction, using the clamp unit of the hanger to grab the panel to move the panel to the worktable 2 (300). On the other hand, in the case of the panel of the vehicle body, the error of the design of the panel itself and the actual panel is minute, but when the vehicle body panel is located on the work table 1 (200), it is placed on the jig unit (MCP, clamp unit, etc.) of the work table 1 (200). Due to the existing error, there is an error in the position of the hole (H) of the panel and the design position, and as a result, there is a position and error that is modeled on the computer where the off-line program is installed. In order to solve this problem, the sensor 500 is used to measure the center point of the hole H on the vehicle body reference coordinate system ST1, and the hole position with respect to the reference coordinate system <ST1>. St1 T H 〉. This data is reflected in the off-line program as described later and referred to when generating the work program.
작업대 1(200)과는 달리 작업대 2(300)상에서 핸들링 로봇(100)의 가장 중요한 작업은 행거에 부착된 차체 패널의 홀(H)을 패널이 놓이게 되는 작업대 2(300)의 MCP[P4, P5, P6]에 삽입하는 작업이다. 작업대 2(300)상의 MCP 또한 작업대 상에 설치되는 핀(pin)을 의미한다. 이러한 작업에서 문제는 작업대 2(300)상의 MCP[P4, P5 P6]위치에 대한 오차이다. 특히, 작업대 1과 2(200, 300)는 서로 상이한 공정 라인이기 때문에 MCP(P4, P5, P6)의 위치는 도면상의 위치와 많은 차이를 보이므로 도면상의 공칭 데이타(Normal Data)를 이용하여 오프-라인 프로그램 생성 작업을 수행하기는 불가능하다. 따라서, 차체 기준 좌표계〈ST1〉를 기준으로 작업대 2(300)의 MCP[P4, P5, P6] 위치를 측정하여 이를 오프-라인 프로그램 상에 반영해 주어야 한다.Unlike the workbench 1 (200), the most important work of the handling robot 100 on the workbench 2 (300) is MCP [P4, P4, of the workbench 2 (300) in which the panel is placed in the hole (H) of the body panel attached to the hanger P5, P6]. MCP on workbench 2 (300) also means a pin (pin) is installed on the workbench. The problem with this work is the error with respect to the MCP [P4, P5, P6] position on platform 2 (300). In particular, since the work benches 1 and 2 (200, 300) are different process lines, the positions of the MCPs (P4, P5, P6) are different from the positions in the drawings, and thus off using the normal data in the drawings. It is not possible to perform line program generation. Therefore, the position of the MCP [P4, P5, P6] of the work platform 2 (300) based on the body reference coordinate system <ST1> should be measured and reflected on the off-line program.
한편, 작업대 1(200)과 2(300)는 서로 다른 작업 라인에 해당되므로 설계상의 위치와 비교하여 많은 오차가 발생한다. 특히, 기준이 되는 작업대 1(200)에 대한 작업대 2(300)의 위치와 방향은 매우 중요하다. 이 이유는 단순히 작업대 2(300)의 MCP[4, P5, P6]만을 측정하면 MCP의 위치는 정의할 수 있지만, 작업대 2(300) 전체의 위치와 방향은 정의할 수 없어 행거에 부착된 차체 패널과 작업대 2(300)상에 부착된 각종 지그 유니트들 예를 들어 MCP, 클램프 유니트 등들과의 간섭이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 작업대 2(300)상의 MCP 위치 측정 데이타를 이용하여 차체 기준 좌표계〈ST1〉에 대한 작업대 2(300)의 위치와 방향 즉, 〈 St1TSt2〉를 정의할 필요가 있다.On the other hand, since the workbench 1 (200) and 2 (300) corresponds to different work lines, a lot of errors occur compared to the design position. In particular, the position and direction of the work table 2 (300) relative to the work table 1 (200) as a reference is very important. The reason for this is that simply measuring the MCP [4, P5, P6] of the workbench 2 (300) can define the position of the MCP, but cannot define the position and orientation of the workbench 2 (300) as a whole. Interference may occur with various jig units, for example, MCPs, clamp units, etc., attached to the panel and the work table 2 (300). In order to solve this problem, the position and direction of work table 2 (300) with respect to the body reference coordinate system <ST1> using MCP position measurement data on work table 2 (300), that is, < St1 T St2 > needs to be defined.
다음으로 용접기(400)의 팁(Tip)에 대한 위치를 측정하여야 한다. 즉, 핸들링 로봇(100)의 작업중에는 행거에 부착된 차체 패널을 용접기(400)의 팁(Tip)으로 용접하는 작업을 수행하는 경우가 있다. 이러한 경우 차체 기준 좌표계〈ST1〉에 대한 용접 팁(Tip)의 위치〈 St1TTip〉를 정확하게 알고 있어야 용접 작업을 수행할 수 있기 때문에 센서(500)를 이용하여 차체 기준 좌표계〈ST1〉에 대한 용접 팁(Tip)의 위치〈 St1TTip〉를 측정하고 측정된 데이타를 오프-라인 프로그램에 반영하여야 한다. 다음으로 핸들링 로봇(100) 자체에 대한 캘리브레이션을 수행하기 위한 데이터 측정 과정을 설명한다.Next, the position of the tip of the welder 400 should be measured. That is, during the operation of the handling robot 100, there is a case in which the body panel attached to the hanger is welded with the tip of the welder 400. In this case, the position of the welding tip relative to the body reference coordinate system ST1 Since the welding operation can be performed only when the St1 T Tip > is correctly known, the position of the welding tip with respect to the body reference coordinate system <ST1> using the sensor 500 St1 T Tip 〉 shall be measured and the measured data reflected in the off-line program. Next, a data measurement process for performing calibration on the handling robot 100 itself will be described.
핸들링 로봇(100)의 행거에는 1개 이상의 주 제어 포인트(MCP)가 장착되어 있으므로 기준이 되는 즉, 툴 중심 포인트가 되는 MCP(P)에 반사경(Reflector) 고정용 지그를 설치하고, 이 지그에 반사경을 설치한다. 그리고, 로봇(100)을 작업 범위내에서 이동시키면서 반사경의 위치를 센서(500)로 측정하여 차체 기준 좌표계〈ST1〉로부터 툴 중심 포인트(Tool Center Point : TCP) (T)에 대한 위치 및 방향〈St1TT〉을 정의한다. 이러한 측정 작업은 반사경의 초기 위치 및 로봇 작업시의 반사경 위치에 대해서 각각 수행된다. 반사경의 위치는 센서(500)로부터 반사경으로 레이저 빔을 발사하고, 레이저 빔이 반사경으로부터 반사되어 귀환되는 시간을 측정하므로써 구할 수 있다. 반사경의 초기 위치를 측정하는 이유는 로봇(100)의 캘리브레이션을 수행하는데 있어서 입력되는 측정점의 위치와 방향이 모두 중요한 영향을 주기 때문이다. 이 데이타는 반사경 초기 방향 데이타로 오프-라인 프로그램에 입력된다. 다음으로 로봇(100)을 작업 범위내에서 이동시키면서 행거에 설치된 반사경의 위치 즉, 공구 중심점을 측정하여 캘리브레이션 수행에 필요한 데이타를 생성하여야 한다. 즉, 작업시 로봇(100)의 이동 방향을 측정하는 것이다. 핸들링 로봇(100)의 경우에는 작업 범위가 넓기 때문에 오프-라인 교시점의 절대 위치 오차를 줄이기 위해서는 30점 이상의 위치를 측정하여야 한다. 특히, 행거의 MCP가 작업대 1(200)의 차체 패널에 접근하는 작업과 패널을 작업대 2(300)에 놓는 작업을 수행하는 경로 내에서 가능한 많은 측정을 수행하여야 한다. 반사경의 위치가 측정되고, 각 측정점에서의 로봇(100)의 위치가 측정되면 로봇(100)의 로봇 측정 작업 프로그램을 생성할 수 있다. 로봇 측정 작업 프로그램은 로봇 캘리브레이션을 위한 로봇의 임의 경로 지정 프로그램을 의미하는 것으로서, 로봇의 캘리브레이션은 로봇 측정 작업 프로그램에 따라 이동하는 로봇의 위치 데이터를 바탕으로 수행된다.Since at least one main control point (MCP) is mounted on the hanger of the handling robot 100, a jig for fixing a reflector is installed at the MCP (P) serving as a reference, that is, a tool center point. Install a reflector. Then, while moving the robot 100 within the working range, the position of the reflecting mirror is measured by the sensor 500, and the position and direction of the tool center point (TCP) T from the vehicle body reference coordinate system <ST1> are measured. Define St1 T T 〉. These measurement operations are performed for the initial position of the reflector and the reflector position at the time of robot operation, respectively. The position of the reflector can be obtained by firing a laser beam from the sensor 500 to the reflector and measuring the time when the laser beam is reflected from the reflector and returned. The reason for measuring the initial position of the reflector is that both the position and the direction of the input measuring point have an important effect in performing the calibration of the robot 100. This data is input to the off-line program as reflector initial orientation data. Next, while moving the robot 100 within the working range, it is necessary to measure the position of the reflector installed on the hanger, that is, the tool center point, to generate data necessary for performing calibration. That is, to measure the movement direction of the robot 100 during the operation. In the case of the handling robot 100, since the working range is wide, the position of 30 points or more should be measured to reduce the absolute position error of the off-line teaching point. In particular, the MCP of the hanger should take as many measurements as possible within the path to perform the task of accessing the body panel of work bench 1 (200) and the task of placing the panel on work bench 2 (300). When the position of the reflector is measured and the position of the robot 100 at each measurement point is measured, a robot measurement work program of the robot 100 may be generated. The robot measurement work program refers to an arbitrary path designation program of a robot for robot calibration, and the calibration of the robot is performed based on the position data of the robot moving according to the robot measurement work program.
상술한 과정으로 로봇의 절대 위치 오차를 최소화하기 위한 캘리브레이션을 수행하는데 필요한 데이타를 측정하는 과정이 종료되면, 측정된 캘리브레이션 데이타를 이용하여 로봇의 캘래브레이션을 수행하고 작업 프로그램을 생성하는 과정이 개시된다.After the process of measuring the data necessary to perform calibration to minimize the absolute position error of the robot by the above-described process is finished, the process of performing the calibration of the robot using the measured calibration data and generating a work program is started. do.
먼저, 측정된 캘리브레이션 데이타를 이용하여 캘리브레이션 작업을 행하여야 한다. 캘리브레이션 작업은 조인트 각만을 변수로 하고 나머지 파라메터는 공칭 데이터를 이용하는 조인트 오프셋 캘리브레이션(Joint Offset Calibration) 그리고 조인트 각, 링크 길이 등의 모든 파라메터들을 변수로 하는 전체 캘리브레이션 두가지로 구분될 수 있으며, 본 발명에서는 이들 두가지 모두가 사용된다.First, a calibration operation should be performed using the measured calibration data. The calibration operation can be divided into only two joint angles, and the remaining parameters can be divided into a joint offset calibration using nominal data and a total calibration using all parameters such as a joint angle and a link length. Both of these are used.
오프-라인 프로그램 방법을 이용하여 로봇의 작업 프로그램을 형성하는 경우에 가장 큰 문제점은 오프-라인 프로그램 상에서 교시(teaching)한 데이타와 실제 현장에서 교시된 데이타와의 오차이다. 이러한 오차를 최소화하기 위해서 설계상의 공칭 파라메터(조인트 각, 링크 길이 등)와 실제 파라메터를 일치시키기 위한 캘리브레이션 작업을 행하게 되고, 이러한 캘리브레이션 방법중 오차를 최소화하는 방법은 전체 캘리브레이션 방법이다. 그러나, 전체 캘리브레이션 방법을 행하기 위하여는 도 1에 도시된 〈 St1TT〉 즉, 차체 기준 좌표계〈ST1〉으로부터 툴 중심 포인트(TCP)에 대한 데이타를 최소한 60개 정도는 측정하여야 한다. 만약, 현장에서 60개 정도의 데이타를 측정한다면 상당히 오랜 시간(약 1시간 정도)이 소요된다. 이렇게 많은 시간이 소요되면 로봇 한 대에 대한 캘리브레이션 시간이 길어지므로 현장에 설치된 많은 로봇(한 차종당 약 200대)들에 대해서 캘리브레이션 작업을 수행하기 위해서는 상당히 많은 시간을 필요로 하므로 결국 온-라인 프로그램 방법보다 경제성이 떨어진다. 이러한 문제를 최소화하기 위해서는 〈 St1TT〉에 대한 측정수를 최소화하여야 한다. 이러한 이유 때문에 일단 가장 가변적인 조인트 각만을 이용하는 조인트 오프셋 캘리브레이션 방법을 사용한다. 이 방법을 사용하면 10∼15개 정도의 데이타만을 가지고 캘리브레이션을 수행할 수 있다. 그러나, 전체 캘리브레이션 방법에 비해서 오차가 크게 발생한다. 따라서, 이러한 오차를 줄이기 위한 방법이 필요하다. 조인트 오프셋 캘리브레이션의 오차를 줄이는 방법으로는 조인트 오프셋 캘리브레이션의 수행 결과 얻어진 데이타를 전체 캘리브레이션 프로그램에 입력하여 캘리브레이션을 수행하는 것이다. 이러한 과정을 수행하면 조인트 오프셋 캘리브레이션 방법보다 오차를 약 20%∼50%까지 줄일 수 있다. 이 이유는 조인트 오프셋 캘리브레이션에서 얻어진 데이타를 이용하여 전체 캘리브레이션을 수행하면 원하는 오차 범위에 빠르게 수렴하기 때문이다. 이러한 과정을 이하에서 설명한다.The biggest problem in forming a work program of a robot using the off-line program method is an error between the data taught in the off-line program and the data taught in the actual field. In order to minimize this error, a calibration operation is performed to match the nominal parameters of the design (joint angle, link length, etc.) with the actual parameters. The method of minimizing the error among these calibration methods is the overall calibration method. However, in order to perform the entire calibration method, the < At least 60 data on the tool center point (TCP) must be measured from St1 T T >, ie from the body reference frame <ST1>. If you measure 60 data in the field, it takes a very long time (about an hour). This much time increases the calibration time for a single robot, so it takes quite a lot of time to calibrate many robots installed in the field (about 200 units per vehicle). It is less economical than the method. To minimize this problem, The number of measurements for St1 T T 〉 shall be minimized. For this reason, we use a joint offset calibration method that uses only the most variable joint angle. Using this method, you can calibrate with only 10 to 15 pieces of data. However, the error is larger than that of the entire calibration method. Therefore, there is a need for a method for reducing such errors. The method of reducing the error of the joint offset calibration is to perform calibration by inputting the data obtained as a result of the joint offset calibration into the entire calibration program. By doing this, the error can be reduced by about 20% to 50% compared to the joint offset calibration method. This is because a full calibration using the data obtained from the joint offset calibration converges quickly to the desired error range. This process is described below.
먼저, 상술한 데이타 측정 과정을 통하여 얻어진 측정 데이타를 이용하여 차체 기준 좌표계〈ST1〉로부터 로봇 베이스(base)(R)까지의 위치와 방향인 〈 St1TR〉과 로봇(100)의 조인트의 오프셋량 그리고 로봇(100)의 마운트(mount) 좌표계〈M〉로부터 툴 중심 포인트(TCP)(T)까지의 위치 및 방향〈 MTT〉을 정의하여 조인트 캘리브레이션을 수행한다.First, using the measurement data obtained through the above-described data measurement process, the position and direction from the body reference coordinate system < ST1 > to the robot base R < St1 T R > and the offset amount of the joint of the robot 100 and the position and direction from the mount coordinate system <M> of the robot 100 to the tool center point (TCP) (T) < M T T 〉 to perform joint calibration.
그리고, 로봇 베이스의 상대 좌표계〈 St1TR〉 및 로봇 마운트에 대한 공구 중심점의 상대 좌표〈 MTT〉를 참조하여 전체 캘리브레이션을 수행하므로써 로봇(100)의 위치와 방향, 로봇의 링크 파라미터(Link Parameter) 값 즉, 로봇의 베이스 좌표계(R)로부터 로봇의 마운트 좌표계(M)까지의 위치와 방향인 〈 RTM〉 그리고 툴 중심 포인트(T)의 위치를 정의한다.The relative coordinate system of the robot base St1 T R 〉 and relative coordinate of tool center point to robot mount By performing the entire calibration with reference to M T T 〉, the position and direction of the robot 100, the link parameter value of the robot, that is, the position from the base coordinate system R of the robot to the mount coordinate system M of the robot And the direction 〈 R T M 〉 and define the position of the tool center point (T).
이 후, 조인트 오프셋 캘리브레이션을 통하여 파라메터 값이 수정된 데이타를 오프-라인 프로그램에 입력하여 로봇의 작업 프로그램을 생성한다. 시뮬레이션 작업을 통해 로봇의 작업 프로그램을 생성하는 경우에 로봇의 역 기구학 방정식을 사용하는데, 여기서 캘리브레이션된 역 기구학(Calibrated Inverse Kinematics) 방정식(로봇의 위치로부터 역으로 각 파라메터(조인트 각, 링크 길이 등)값을 추정하는 방정식이다.)을 사용하면 계산량이 증가하여 시뮬레이션 작업에 문제가 발생하므로 일단, 조인트 오프셋이 입력되어 모델링된 로봇을 이용하여 로봇의 작업 프로그램을 생성한다. 여기서, 조인트 캘리브레이션을 이용하여 생성된 작업 프로그램의 신뢰도는 전체 캘리브레이션을 이용한 작업 프로그램의 신뢰도보다 낮기 때문에 신뢰도 즉, 절대 위치 오차를 줄이기 위해서는 전체 캘리브레이션된 역 기구학 방정식을 이용하여 작업 프로그램을 수정할 필요가 있다. 즉, 캘리브레이션용 데이터를 전체 캘리브레이션된 역 기구학 방정식에 입력하여 조인트 오프셋 캘리브레이션 데이타에 의한 작업 프로그램을 수정하여 작업 프로그램의 절대 위치 오차를 줄이므로써 프로그램의 신뢰도를 증가시키는 것이다.Subsequently, the work program of the robot is generated by inputting the data whose parameter value is modified through the joint offset calibration into the off-line program. When creating a robot's work program through a simulation task, the robot's inverse kinematics equation is used, where the calibrated inverse kinematics equation (angle parameters (joint angle, link length, etc.) inversely from the position of the robot). Is an equation for estimating the value.), The calculation amount increases, which causes problems in the simulation work. First, a joint offset is input to generate a robot work program using the modeled robot. Here, since the reliability of the work program generated using the joint calibration is lower than that of the work program using the entire calibration, it is necessary to modify the work program using the whole calibrated inverse kinematic equation to reduce the reliability, that is, the absolute position error. . In other words, by inputting the calibration data into the entire calibrated inverse kinematic equation, the work program by the joint offset calibration data is modified to reduce the absolute position error of the work program, thereby increasing the reliability of the program.
도 2에는 상술한 데이타 측정 과정의 개략적 흐름도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 단계(S1)에서 차체 기준 좌표계 정의 과정 즉, 작업대 1(200)의 포인트(P1, P2 ,P3)를 측정하여 기준 좌표계〈ST1〉를 정의한다.2 is a schematic flowchart of the above-described data measurement process. As shown in the drawing, in step S1, the reference body coordinate system <ST1> is defined by measuring the vehicle body reference coordinate system, that is, measuring points P1, P2, and P3 of the work bench 1 200.
단계(S1)의 수행 후에는 단계(S2, S3, S4) 즉, 차체 패널의 홀 측정 과정(S2), 작업대 2(300)의 위치 및 방향 정의 과정(S3) 및 용접기(400)의 팁 측정 과정(S4)을 수행한다. 차체 패널의 홀 측정 과정(S2)에서는 차체 홀의 중심점을 측정하고, 이에 따라 기준 좌표계〈ST1〉에 대한 홀 위치〈 St1TH〉를 정의한다. 작업대 2 위치 및 방향 정의 과정(S3)에서는 차체 기준 좌표계〈ST1〉를 기준으로하여 작업대 2(300)의 MCP(P4, P5, P6)를 측정하고, 차체 기준 좌표계〈ST1〉에 대한 작업대 2(300)의 위치와 방향 즉, 〈 St1TSt2〉를 정의한다. 용접기(400)의 팁 측정 과정(S4)에서는 차체 기준 좌표계〈ST1〉에 대한 용접 팁(Tip)에 대한 위치〈 St1TTip〉를 정의 한다.After performing step S1, steps S2, S3 and S4, that is, the hole measuring process S2 of the vehicle body panel, the position and direction defining process S3 of the work table 2 300, and the tip measuring of the welder 400 Perform step S4. In the hole measuring process S2 of the body panel, the center point of the body hole is measured, and accordingly, the hole position with respect to the reference coordinate system <ST1> St1 T H 〉. In the worktable 2 position and direction definition process (S3), the MCP (P4, P5, P6) of the work bench 2 (300) is measured based on the car body reference coordinate system (ST1), and the work table 2 ( Position and orientation of 300), 〈 St1 T St2 >. In the tip measuring process S4 of the welder 400, the position of the welding tip with respect to the body reference coordinate system <ST1> St1 T Tip >.
상술한 과정(S2, S3, S4)의 수행후에는 핸들링 로봇(100)의 반사경 위치 측정 과정(S5)을 수행한다. 반사경 위치 측정 과정(S5)은 도시된 바와 같이 핸들링 로봇(100)의 기준이 되는 MCP에 설치된 반사경의 위치를 측정하고, 다음으로 로봇(100)을 작업 범위내에서 이동시키면서 행거에 설치된 반사경의 위치를 측정하여 캘리브레이션 수행에 필요한 데이타를 생성한다. 초기 반사경의 위치 및 로봇(100)의 작업시 반사경 위치가 측정되면 로봇의 측정 작업 프로그램이 생성하는 과정을 수행한다.After performing the above-described processes (S2, S3, S4), the reflector position measuring process (S5) of the handling robot 100 is performed. Reflector position measuring process (S5) is to measure the position of the reflector installed on the MCP that is the reference of the handling robot 100 as shown, and then the position of the reflector installed on the hanger while moving the robot 100 within the working range Measure the data to generate the data needed to perform the calibration. When the position of the initial reflector and the position of the reflector during the operation of the robot 100 are measured, the measurement work program of the robot performs a process of generating.
도 3에는 상술한 측정 데이타를 이용하여 로봇 작업 프로그램을 생성하는 과정이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 과정(S11)에서는 측정 데이타를 이용하여 조인트 오프셋 캘리브레이션 과정을 수행하고, 과정(S12)에서은 조인트 오프셋 캘리브레이션 결과를 이용하여 전체 캘리브레이션 과정을 행한다. 그리고, 과정(S13)에서는 조인트 오프셋 캘리브레이션 데이타를 이용하여 로봇(100)을 시뮬레이션하여 로봇 작업 프로그램을 생성한다(S14). 그러나, 상술한 바와 같이 단계(S14)에서의 작업 프로그램은 신뢰도보다 낮기 때문에 신뢰도를 높이기 위하여 전체 캘리브레이션 데이타를 이용하여 캘리브레이션된 역 기구학 방정식을 설정하고(S15), 이 방정식을 이용하여 조인트 오프셋 캘리브레이션 데이타에 의한 작업 프로그램을 수정하므로써 작업 프로그램의 절대 위치 오차를 줄여 프로그램의 신뢰도를 증가시키는 것이다.3 shows a process of generating a robot work program using the above-described measurement data. As shown in step S11, the joint offset calibration process is performed using measurement data, and in step S12, the entire calibration process is performed using the joint offset calibration result. In operation S13, the robot 100 is generated by simulating the robot 100 using the joint offset calibration data in operation S14. However, as described above, since the work program in step S14 is lower than the reliability, in order to increase the reliability, a calibrated inverse kinematic equation is set using the entire calibration data (S15), and the joint offset calibration data is used using this equation. By modifying the work program by reducing the absolute position error of the work program to increase the reliability of the program.
상술한 구성을 갖는 본 발명에서는 핸들링 용도로 사용되는 핸들링 로봇 자체에 대한 캘리브레이션 작업뿐만 아니라 로봇과 연계된 작업을 수행하는 주변 장치에 대한 캘리브레이션 작업을 동시에 수행하므로써 핸들링 로봇에 오프-라인 프로그램을 적용할 수 있다는 효과가 있다.In the present invention having the above-described configuration, the off-line program may be applied to the handling robot by simultaneously performing a calibration operation on a peripheral device that performs a work associated with the robot as well as a calibration operation on the handling robot itself used for handling purposes. It can be effective.
이러한 오프-라인 프로그램의 적용에 의하여 온-라인 프로그램 방식에 비하여 로봇의 작업 프로그램 생성 시간을 50%이상 줄일 수 있으며, 캘리브레이션의 수행 후 로봇의 오프-라인 교시점의 절대 위치 오차가 2mm이하가 되기 때문에 시뮬레이션 작업 결과에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.By applying this off-line program, the robot's work program generation time can be reduced by more than 50% compared to the on-line program method, and the absolute position error of the off-line teaching point of the robot becomes less than 2mm after performing the calibration. Therefore, the reliability of the simulation work result can be improved.
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KR100758978B1 (en) * | 2003-06-26 | 2007-09-14 | 현대중공업 주식회사 | The Calibration Method of Traverse Axes of a Robot System |
KR101048467B1 (en) * | 2008-12-04 | 2011-07-11 | 현대중공업 주식회사 | Position measuring method of conveyor-based body |
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