KR100381510B1 - 병렬 기구형 로봇의 캘리브레이션 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위치 제어을 위해 사용되는 기구 변수들을 간단한 구속장치를 사용하여 캘리브레이션을 실시함으로써, 그 구조가 단순하여 작업이 쉽고 정확하며 신속하게 실시될 수 있고, 경제적인 측면에서 보다 유리한 병렬 기구용 로봇의 캘리브레이션 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것으로, 로봇의 첨단부의 어느 한 지점에 부착되어 첨단부를 회전 가능하게 지지하는 조인트와, 상기 조인트의 다른 쪽이 고정되는 베이스를 포함하여 구성된다.

Description

병렬 기구형 로봇의 캘리브레이션 장치 및 그 방법 { A calibration method and device for parallel mechanism robot manipulators }

본 발명은 병렬 기구용 로봇의 캘리브레이션(calibration) 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조적으로 단순하면서도 정확하고 신속한 측정이 가능하고 가격이 저렴한 병렬 기구용 로봇의 캘리브레이션 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

현재 산업 현장에서 작업 환경 개선 및 생산성 향상을 목적으로 로봇의 사용이 증가되는 추세이고, 특히 단순 반복 작업이나 인간이 직접 수행하기 힘들고 위험한 작업에 로봇의 사용이 급증하고 있다.

이러한 로봇은 적용 분야에 따른 절대 정확도 및 반복 정밀도를 필요로 하는 데, 이를 위해 로봇 캘리브레이션이 실시된다. 로봇 캘리브레이션은 로봇 첨단부의 방위와 조인트 변수 사이의 정확한 함수관계를 찾아 로봇 제어에 쓰이는 기구변수를 수정해 줌으로써 정밀도를 향상시키는 과정을 의미한다.

현재 사용되는 로봇 캘리브레이션은 기본적으로 로봇 첨단부의 세 위치좌표 및 회전 좌표를 별도의 정밀한 좌표 측정장치를 이용하여 측정하고, 로봇 조인트의 길이 및, 또는 각도를 측정하여 기구학적 해석을 통하여 로봇 첨단부의 세 위치좌표 및 회전좌표를 계산한 후, 좌표 측정장치를 이용한 측정치와 기구학적 해석을 통한 계산치를 비교하여 그 차이값을 검출한 후 차이를 최소화하여 캘리브레이션을 수행한다.

여기에서, 상기 좌표 측정장치로는 관측 물체의 고도 및 수평각을 측정하는 데 사용하는 세오돌라이트(theodolite), 빛의 간섭 무늬를 이용하여 측정하는 간섭계(interferometer) 등이 주로 사용된다. 이러한 좌표 측정장비들은 정밀한 좌표 측정을 가능케 하는 반면에, 그 설치과정이 복잡하고 고가이다.

즉, 상기한 바와 같은 종래의 로봇 캘리브레이션을 실시하기 위해서는 상기에서 언급한 바와 같은 고가의 좌표 측정장치를 필요로 하고, 그 측정 방법이 매우 복잡하며, 작업 시간이 길어지는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 위치 제어을 위해 사용되는 기구 변수들을 간단한 구속장치를 사용하여 캘리브레이션을 실시함으로써, 그 구조가 단순하여 작업이 쉽고 정확하며 신속하게 실시될 수 있고, 경제적인 측면에서 보다 유리한 병렬 기구용 로봇의 캘리브레이션 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 기구형 로봇의 캘리브레이션 장치를 나타낸 사시도이고,

도 2는 도 1 A부의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2 : 첨단부 4 : 조인트

6 : 베이스 8 : 지지판

15a,15b,15c,15d,15d,15e,15f : 구동기

24 : 조인트 볼 26 : 조인트 하우징

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 병렬 기구용 로봇의 캘리브레이션 장치는 로봇 첨단부의 어느 한 지점에 부착되어 첨단부를 회전 가능하게 지지하는 조인트와, 상기 조인트의 다른 쪽이 고정되는 베이스를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기한 캘리브레이션 장치에 의한 캘리브레이션 방법은 로봇 첨단부의 어느 한 점을 조인트에 회전 가능하게 고정시키는 제1단계와, 상기 제1단계에서, 다수의 구동기의 길이 및 각도를 측정하는 제2단계와, 상기 제2단계에서, 로봇 첨단부의 원하는 회전값과 조인트 위치좌표 및 캘리브레이션하고자 원하는 기구변수들을 사용하여 순기구학 방정식을 풀어서 고정된 한 점의 좌표를 구하는 제3단계와, 상기 제3단계에서, 순기구학을 풀어서 계산된 고정점 좌표 값(S)에서 순기구학 방정식을 풀어서 계산된 다른 고정점 좌표 값(T)을 뺀 값을 오차로 정의하고, 구해진 오차를 최소자승법을 이용하여 최소화함으로써 기구변수들의 캘리브레이션된 값을 구하는 제4단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션 장치가 구비된 병렬 기구용 로봇의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 캘리브레이션 장치를 나타낸 단면도이다.

본 발명에 따른 병렬 기구용 로봇의 캘리브레이션 장치는 병렬 기구형 로봇 첨단부(2)의 어느 한 지점에 부착되어 첨단부(2)를 회전 가능하게 지지하는 조인트(4)와, 상기 조인트(4)의 다른 쪽이 고정되는 베이스(6)로 구성된다.

본 발명에서 캘리브레이션을 실시하고자 하는 병렬 기구용 로봇은 6 개의 구동기를 갖는 6 자유도 타입으로, 상측에 고정된 상태로 배치되는 지지판(8)과, 상기 지지판(8)의 하측에 병렬로 배치되는 첨단부(2)와, 상기 지지판(8)의 둘레방향으로 임의의 간격을 두고 형성되는 힌지부(12)에 회전 가능하게 힌지 연결되는 6개의 상부 링크(14)와, 상기 첨단부(2)의 둘레방향으로 임의의 간격을 두고 형성되는 힌지부(18)에 회전 가능하게 힌지 연결되는 6개의 하부 링크(16)와, 상기 상부 링크(14)와 하부 링크(16) 사이에 연결되어 각 링크의 길이를 가변시키는 6개의 구동기(15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f)로 구성된다.

상기에서, 조인트(4)는 도 2에 도시된 바와 같이, 첨단부(2)의 하측 임의의 위치에 형성되는 조인트 볼(24)과, 상기 조인트 볼(24)가 삽입되어 자유롭게 회전되는 구형의 홈을 갖는 조인트 하우징(26)으로 이루어진다. 여기에서, 조인트 하우징(26)의 구형 홈 내주면에는 조인트 볼(24)의 회전을 부드럽게 할 수 있도록 다수의 볼 베어링(30)이 개재된다. 그리고, 이러한 조인트 하우징(26)은 하측 방향으로 연결 로드(28)로 연결되고, 이 연결 로드(28)의 하측은 고정된 상태의 베이스(6)에 고정된다.

여기에서, 로봇 첨단부(2)는 조인트(4)를 중심으로 회전만 할 수 있도록 지지되기 때문에 3 회전 자유도만을 갖게 된다.

이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 로봇 캘리브레이션 장치의 캘리브레이션 방법을 다음에서 설명한다.

먼저, 역기구학을 이용한 캘리브레이션 방법을 설명하기로 한다.

로봇 첨단부(2)의 한 점을 조인트(4)를 중심으로 공간 상에 회전 가능하게 고정시킨다. 즉, 첨단부(2)의 어느 한 지점이 조인트(4)에 회전 가능하게 고정된 상태로 한다.

이러한 상태에서, 상기 6 개의 구동기 중 임의로 선택된 3 개의 구동기(15a, 15b, 15c)는 자유롭게 풀어주고, 나머지 3 개의 구동기(15d,15e,15f)는 로봇 첨단부(2)를 원하는 회전이 이루어지도록 구동시킨다. 이때 자유롭게 풀어준 상태인 3 개 구동기(15a,15b,15c)의 길이 및 각도를 측정한다.

그리고, 상기와는 반대로 자유롭게 풀어준 3 개의 구동기(15a,15b,15c)는 로봇 첨단부(2)를 원하는 회전이 이루어지도록 구동시키고, 상기에서 구동시킨 3 개의 구동기(15d,15e,15f)는 자유롭게 풀어준다. 이때, 자유롭게 풀어준 3 개의 구동기(15d,15e,15f)의 변화된 길이 및, 또는 각도를 측정한다.

이와 같이, 6 개 구동기 중 임의의 3 개의 구동기를 먼저 구동시켜 자유로운 상태인 다른 세 개의 구동기의 변화된 길이 및 각도를 측정하고, 이와 반대로 다른 3 개의 구동기를 구동시켜 임의의 3 개의 구동기의 변화된 길이 및 각도를 측정하여 6 개 구동기 전체의 길이 및 각도를 측정한다.

이러한 작용시 첨단부(2)가 조인트(4)에 회전 가능하게 지지되므로 각 구동기의 길이 및 각도 변화의 측정이 가능하다.

그리고, 로봇 첨단부(2)의 원하는 회전값 즉, 세 직교축에 대한 회전각의 측정값과, 첨단부(2)에 고정된 조인트 위치좌표 및 캘리브레이션하고자 원하는 기구변수들(링크의 길이 및 조인트의 위치 등)의 공칭값을 사용하여 역기구학 방정식을 풀어서 6개 구동기의 계산된 길이 및 각도 값들을 구한다.

이와 같이, 본 실시예의 캘리브레이션 장치를 사용하여 계산된 구동기 값(P)과 로봇 첨단부의 원하는 회전 값과 기구변수들을 사용하여 역기구학 방정식을 풀어서 계산된 구동기 값(Q)을 구한 다음 상기 구동기 값(Q)에서 구동기 값(P)을 뺀 값을 오차로 정의한다.

이렇게 구해진 오차를 최소 자승법 등에 의하여 오차가 최소화되도록 함으로써 기구변속들의 캘리브레이션된 값들을 계산한다.

다음에서 상기의 캘리브레이션 장치를 이용하여 로봇의 캘리브레이션을 실시하는 다른 실시예를 설명한다. 즉, 순기구학을 이용한 캘리브레이션 방법을 설명하기로 한다.

로봇 첨단부(2)의 한 점을 조인트(4)를 중심으로 공간 상에 고정시킨다. 즉, 첨단부(2)의 어느 한 지점이 조인트(4)에 회전 가능하게 고정된 상태로 한다.

이러한 상태에서, 상기 6 개의 구동기(15a,15b,15c,15d,15e,15f)를 수동 또는 별도의 제어기를 사용하여 자유롭게 작동시켜 로봇 첨단부(2)가 임의의 회전이 이루어지도록 한다.

그리고, 이때 6 개의 구동기의 길이 또는 각도를 측정한다.

그리고, 로봇 첨단부(2)의 원하는 회전값과 하부 지지판(10) 상에 고정된 조인트 위치좌표 및 캘리브레이션하고자 원하는 기구변수들을 사용하여 순기구학 방정식을 풀어서 고정된 한 점의 좌표를 구한다.

상기에서, 순기구학을 풀어서 계산된 고정점 좌표 값(S)과 순기구학 방정식을 풀어서 계산된 다른 고정점 좌표 값(T)을 기본으로 상기 고정점 좌표 값(S)에서 다른 고정점 좌표 값(T)을 뺀 값을 오차로 정의한다.

이렇게 구해진 오차를 최소자승법을 이용하여 최소화함으로써 기구변수들의 캘리브레이션된 값을 구한다.

따라서, 상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 따른 병렬기구형 로봇의 캘리브레이션 장치 및 그 방법은 로봇 첨단부 임의의 한 점에 조인트를 부착하고이 조인트를 고정면 상에 고정시키도록 구성하여 캘리브레이션을 실시함으로써, 그 구조를 단순화할 수 있고, 측정 작업이 편리하게 이루어지고, 정확하고 신속하게 실시될 수 있으며, 경제적인 측면에서 유리한 이점이 있다.

또한, 로봇 첨단부의 한 점을 고정 지면상의 한 점과 일정 길이를 갖는 연결봉을 사용하여 회전 가능하게 연결시켜 구동기 길이의 역기구학을 통하여 계산된 값과 측정된 값의 차이를 오차로 정의하거나, 순기구학적 해석을 통하여 일정길이를 갖는 연결봉의 길이를 계산하고 계산된 길이들 사이를 오차로 정의하여 캘리브레이션을 수행함으로써, 로봇의 고정밀화 및 고성능화를 실현할 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

1. 로봇의 첨단부의 어느 한 지점에 부착되어 첨단부를 회전 가능하게 지지하는 조인트와, 상기 조인트의 다른 쪽이 고정되는 베이스를 포함하는 병렬 기구형 로봇의 캘리브레이션 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 조인트는 로봇 첨단부의 끝단에 구형으로 형성되는 조인트 볼과, 상기 조인트 볼이 삽입되어 자유롭게 회전되는 구형의 홈이 형성되고 베이스에 고정되는 조인트 하우징으로 이루어진 것을 특징으로 하는 병렬 기구형 로봇의 캘리브레이션 장치.
3. 로봇 첨단부의 한 점을 상기 조인트를 중심으로 공간 상에 고정시키는 제1단계와;

   상기 제1단계에서, 다수의 구동기 중 임의로 선택된 일부 구동기는 자유롭게 풀어주고, 나머지 구동기는 로봇 첨단부를 원하는 회전이 이루어지도록 구동시키는 제2단계와;

   상기 제2단계에서 자유롭게 풀어준 상태인 일부 구동기의 길이 및 각도를 측정하는 제3단계와;

   상기 제2단계에서 자유롭게 풀어준 일부 구동기는 로봇 첨단부가 원하는 회전이 이루어지도록 구동시키고, 나머지 구동기는 자유롭게 풀어준 후 자유롭게 풀어준 나머지 구동기의 변화된 길이 및 각도를 측정하는 제4단계와;

   상기 제3단계 및 제4단계에서, 세 회전각의 측정값과, 조인트 위치좌표 및 기구변수들(링크의 길이 및 조인트의 위치)의 공칭값을 사용하여 역기구학 방정식을 풀어서 6개 구동기의 계산된 길이 및 각도 값들을 구하여 기구변수들의 캘리브레이션된 값들을 계산하는 제5단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 병렬 기구형 로봇의 캘리브레이션 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제5단계는 계산된 구동기 값(P)과 로봇 첨단부의 원하는 회전 값과 기구변수들을 사용하여 역 기구학 방정식을 풀어서 계산된 구동기 값(Q)을 구한 다음 구동기 값(Q)에서 구동기 값(P)을 뺀 값을 오차로 정의하고, 구해진 오차를 최소 자승법에 의하여 오차가 최소화되도록 함으로써 기구변수들의 캘리브레이션된 값들을 계산하는 것을 특징으로 하는 병렬 기구형 로봇의 캘리브레이션 방법.
5. 로봇 첨단부의 어느 한 점을 조인트에 회전 가능하게 고정시키는 제1단계와;

   상기 제1단계에서, 다수의 구동기의 길이 및 각도를 측정하는 제2단계와;

   상기 제2단계에서, 로봇 첨단부의 원하는 회전값과 조인트 위치좌표 및 캘리브레이션하고자 원하는 기구변수들을 사용하여 순기구학 방정식을 풀어서 고정된 한 점의 좌표를 구하는 제3단계와;

   상기 제3단계에서, 순기구학을 풀어서 계산된 고정점 좌표 값(S)에서 순기구학 방정식을 풀어서 계산된 다른 고정점 좌표 값(T)을 뺀 값을 오차로 정의하고, 구해진 오차를 최소자승법을 이용하여 최소화함으로써 기구변수들의 캘리브레이션된 값을 구하는 제4단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 병렬 기구형 로봇의 캘리브레이션 방법.