KR20060012385A - 로봇의 연속 용접선 추종 제어 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇 툴 선단에 부착된 용접선 위치 검출 센서에 의해 검출된 위치를 이용하여 로봇 툴이 검출된 위치를 보간하여 위치와 자세를 추적(tracking)하는 제어 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

이 같은 본 발명은, 위치를 검출하는 센서를 로봇의 선단에 진행방향으로 앞쪽에 설치하고, 센서의 검출 위치를 로봇의 기준 좌표계로 변환하는 캘리브레이션 수단을 구비하고, 로봇이 교시된 스텝위치로 이동하면서 센서가 검출한 위치를 로봇의 기준 좌표계로 변환하여 내부 메모리에 저장하는 단계; 툴 끝점의 TCP 추종 위치를 얻어내기 위해 TCP의 교시된 지령을 통해 이동 방향을 구하여 내부 메모리에 저장한 센서의 검출 위치를 얻어내는 단계; 센서의 검출위치로 얻어낸 데이터와 로봇 지령 위치와의 차이를 이용하여 보정된 위치와 자세를 구하는 단계; 보정된 위치와 자세를 이동하는 데 교시된 이동 속도를 유지하도록 위치와 자세를 재계산하는 단계; 상기에서 계산된 위치와 자세를 로봇의 각 축이 이동할 위치로 변환하여 로봇의 서보 제어를 수행하는 단계; 로 진행되는 로봇의 연속 용접선 추종 제어 시스템 및 그 제어방법을 제공함을 특징으로 한다.

로봇, 용접선 트래킹, 아크 용접, 레이저 용접

Description

로봇의 연속 용접선 추종 제어 시스템 및 그 제어방법{The control system of a robot which track continual seams for welding and control method thereof}

도 1은 본 발명의 일실시예로 레이저 비전 센서와 용접선 검출 위치 예시도.

도 2는 본 발명의 일실시예로 로봇의 연속 용접선 추종 제어시스템의 구성도.

도 3은 본 발명의 일실시예로 연속 용접선에 대한 교시 위치와 트래킹 방법의 예시도.

도 4는 본 발명의 일실시예로 연속 용접선에 대한 교시 위치와 트래킹 방법의 흐름도.

도 5는 본 발명의 일실시예로 지령위치에서 보정위치를 계산하기 위한 검출 위치 선정방법의 예시도.

도 6은 본 발명의 일실시예로 교시 기준 궤적과 실제 용접선의 차이로 인한 이동거리 차이를 보인 예시도.

도 7은 본 발명의 일실시예로 추종할 용접선과 용접선 기준 좌표계의 관계도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10; 센서 20; 센서제어기

30; 로봇제어기 31; 위치 계산부

32; 좌표 변환부 33; 메모리부

34; 모션 계획부 35; 용접선 기준 좌표계 설정부

36; 용접선 추적 보간부 40; 로봇 본체

본 발명은 로봇의 용접 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접선을 검출할 수 있는 센서를 이용하여 용접선의 위치를 샘플링 시간마다 저장한 후 그 저장된 위치를 이용하여 로봇이 이동할 위치를 계산하여 용접선을 추종할 수 있도록 하는 로봇의 연속 용접선 추종 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

현재까지 용접선을 검출하는 센서는 레이저 띠에 나타난 형상을 카메라로 인식하여 용접선을 찾는 레이저 비전 센서가 주로 이용되며, 상기의 레이저 비전 센서를 이용하여 용접선을 추종하는 방식은 두 가지로 분류된다.

첫번째 방법은, 센서가 용접선의 위치를 검출하고, 그 검출한 위치를 센서측의 하드웨어에 있는 메모리에 저장하여 두었다가 로봇의 툴 끝단이(Tool Center Point) 측정위치에 도달하였다고 계산되는 시점에서 로봇의 보정량을 센서가 계산하여 로봇에게 전송하고, 이를 로봇 제어기가 반영하여 툴 끝단의 위치를 추적하는 방식을 사용하였다.

두번째 방법은, 첫째 방법과 동일하나, 검출된 위치와 지령 위치와의 대응되는 경로 진행률을 교시 경로를 기준으로 계산하여 두고, 로봇 좌표계로 변환하여 내부 메모리에 저장하여 두었다가, 로봇이 진행하여 트래킹 위치에 도달하게 되면 미리 계산해 둔 교시 경로를 기준한 경로 진행률을 이용하여 메모리로부터 경로 진행률에 대응되는 데이터를 불러들여 보정 위치를 찾는 방법을 사용하였다.

상기의 첫번째 방법은 트래킹에 따른 보정량을 센서측에서 관리하는 방식으로, 이는 로봇의 이동 정보를 센서측에서 전달받아야 하므로 일정한 속도로 로봇 툴이 이동하는 경우에 한해 센서가 로봇의 진행 위치를 추정하여 보정할 수 있지만, 로봇의 이동속도가 변할 경우에는 대응할 수 없을 뿐 아니라, 복잡한 형상의 트래킹이 불가능하며, 위빙(weaving) 동작과 같이 센서의 측정 위치가 용접선에서 상대적으로 변경되어 일정하지 않은 경우에는 트래킹이 불가능하다는 단점을 가지고 있다.

이에 상기의 첫번째 방법을 보완하도록 두번째 방법을 사용하였지만, 이 경우에 있어서는 센서가 검출된 위치를 메모리에 저장할 때 {X,Y,Z}와 같은 측정 좌표값 이외에도 교시 경로에 대한 진행률을 미리 계산하여야 하는데, 툴 끝(TCP)보다 센서가 선행하여 검출하는 특성 때문에 센서에서 검출된 점은 다음 스텝의 궤적으로 넘어갈 수도 있어 스텝의 진행률을 계산하는데 상당히 복잡한 방식을 사용할 수 밖에 없었다.

또한, 산업용 로봇에서 연속된 궤적을 일정한 속도로 진행하기 위해서는 두 스텝 사이에 원호 모양의 매끄러운 궤적을 코너링 구간이라고 하는데, 상기 첫번째와 두번째 방법으로는 두 교시 스텝을 연결하여 주는 코너링 구간에서 교시 진행률을 계산하는 방법이라든가 트래킹하는 방법이 제시되어 있지 않아 연속적인 속도로 트래킹하는 것이 사실상 불가능하였다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명은, 용접선을 검출할 수 있는 센서를 이용하여 용접선의 위치를 샘플링 시간마다 저장한 후 그 저장된 위치를 이용하여 로봇이 이동할 위치를 계산하여 용접선을 추종하는 제어 시스템 및 그 제어방법을 구성함으로써, 연속 스텝으로 구성된 교시 궤적을 보간 방법이나 코너링 구간에 관계없이 어떠한 교시 궤적에 대해서도 용접선의 위치와 자세 추종이 가능하도록 하여 용접의 진행이 균일하게 이루어지도록 하고, 아울러 용접에 대한 품질 만족도를 향상시킬 수 있도록 하는 로봇의 연속 용접선 추종 제어 시스템 및 그 제어방법을 제공하려는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 용접선을 추종하는 제어를 수행하는 동안 교시된 속도를 유지하고, 로봇 툴의 용접 자세를 검출된 용접선 방향에 따른 상대적인 자세로 제어하여 용접 작업물과 툴이 일정한 자세로 유지될 수 있도록 함으로써 용접의 품질을 높일 수 있도록 하는 로봇의 연속 용접선 추종 제어 시스템 및 그 제어방법을 제공하려는데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명 로봇의 연속 용접선 추종 제어 시스템은,

센서에 의해 용접선이 검출될 때 그 검출된 용접선 형상의 비전 형상을 해석하는 센서제어기, 상기 센서제어기로부터 해석된 정보를 토대로 로봇을 구동하는 로봇 제어기 및 로봇 본체로 구성되는 시스템에 있어서,

상기 로봇 제어기에는, 센서제어기로부터 해석된 정보를 토대로 하여 용접선의 위치(x,y,z)와 이동방향(roll angle)에 대한 회전량 변화를 계산하는 위치 계산부;

상기 위치 계산부로부터 계산된 회전량의 변화 및 용접선의 위치(x,y,z)를 작업 좌표계로 변환하는 좌표 변환부;

상기 좌표 변환부로부터 변환된 작업 좌표계를 저장하는 메모리부;

상기 위치 계산부로부터 계산된 정보를 토대로 교시 기준 궤적을 생성하는 모션 계획부;

상기 모션 계획부에 의해 생성된 교시된 기준 궤적의 지령 위치 및 접선방향과 실제 용접선의 방향을 이용하여 용접선 기준 좌표계를 산출하는 용접선 기준 좌표계 설정부; 및,

상기 용접선 기준 좌표계 설정부에 의해 산출된 용접선 기준 좌표계를 이용하여 교시 기준 궤적의 지령 위치를 중심으로 메모리부에 저장된 작업 좌표계의 전후 데이터를 검색하여 용접선의 위치와 자세를 추종하는 위치와 각도(pitch, yaw angle)의 보정량을 산출하여 보정 위치와 자세를 구한 후 이를 로봇 각 축의 위치로 환산하여 로봇의 액추에이터인 서보 모터를 제어하는 용접선 추적 보간부; 를 더 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

다른 일면에 따라, 상기 로봇의 연속 용접선 추종 제어 시스템에 의해 구현되는 로봇의 연속 용접선 추종 제어방법은,

센서의 주기적인 용접선 검출 위치를 로봇 제어기가 실시간으로 수신하고 작업 좌표계로 변환하여 로봇제어기내의 메모리부에 저장하는 단계;

교시된 기준 궤적의 지령 위치와 접선 방향 벡터를 이용하여 메모리부에 저장된 데이터 중에 현(現) 위치 지령에 대응하는 것을 선정하는 단계;

선정한 데이터를 이용해 현(現) 지령 위치의 보정량을 산출하는 단계;

교시된 기준 위치 궤적에 보정량을 반영하여 보정된 지령위치를 계산하는 단계; 및,

보정된 지령위치를 각축의 액추에이터 위치로 환산하여 로봇을 제어하는 단계; 로 진행함을 특징으로 한다.

또 다른 일면에 따라, 상기 로봇의 연속 용접선 추종 방법은,

센서의 주기적인 용접선 검출 위치와 진행방향 회전각도(roll angle)를 로봇 제어기가 실시간으로 수신하고 작업 좌표계로 변환하여 로봇제어기내의 메모리부에 저장하는 단계;

교시된 기준 궤적의 지령 위치와 접선 방향 벡터를 이용하여 메모리부에 저장되어 있는 데이터 중에 현(現) 위치 지령에 대응하는 것을 선정하는 단계;

선정한 데이터를 이용해 실제 용접선의 진행 방향과 회전각도(roll angle) 계산하는 단계;

실제 용접선의 방향과 교시된 용접 기준 궤적의 접선방향을 이용하여 각도 추종 성분(pitch, yaw angle)의 보정량을 산출하는 단계;

교시된 기준 궤적에 각도의 추종 성분 보정량을 반영하여 산출된 로봇 툴 끝(TCP)의 보정 자세를 계산하는 단계; 및,

보정된 로봇 툴 끝의 지령위치와 자세를 각 축의 액추에이터 위치로 환산하여 로봇의 자세를 제어하는 단계; 로 진행함을 특징으로 한다.

또 다른 일면에 따라, 상기 로봇의 연속 용접선 추종 제어방법에는,

기준 궤적에 대한 보정량의 반영으로 인해 로봇 툴 끝의 속도가 변화되는 것을 방지하여 교시된 속도를 유지하도록 지령 위치에 대한 보정량을 미리 계산한 후 교시된 기준 궤적의 이동거리와 보정량을 반영한 이동거리와의 비율을 반영하여 보정량을 재계산하는 단계; 를 더 포함함을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시예로 레이저 비전 센서와 용접선 검출 위치의 예시 도면으로, 본 발명의 일실시예에서는 용접선을 추종하기 위해 로봇 베이스 좌표계(A)와 작업 좌표계(B) 및 센서 좌표계(C)와의 변환 관계를 이용한다.

상기 좌표계(A,B,C)사이의 관계는 상호 좌표계 캘리브레이션 과정을 거칠 경우 변환 관계를 계산할 수 있는 좌표계라고 간주한다.

도 1의 용접선 작업좌표계(D)는 로봇의 이동궤적에 따라 위치와 자세가 자동적으로 설정되는 이동 좌표계로 그 설정 방식은 이후에 상술한다.

상기 작업 좌표계(B)는 용접 작업물과의 관계가 상대적으로 고정된 좌표계 로, 예를 들면 로봇이 외부에 설치된 포지셔너 위에 놓인 작업물에 작업을 할 때라든지, 외부의 또 다른 로봇에 취부된 작업물에 작업을 할 때 설정되는 좌표계이다.

상기와 같이 이렇게 외부 기구에 놓인 작업물은 외부 기구가 이동함에 따라 로봇 베이스 좌표계(A)에 대한 작업물의 관계가 달라지므로 작업 좌표계(B)와 베이스 좌표계(A)에 대한 변환관계는 미리 계산하여 로봇 제어기(30)에 저장하여 두면 외부 좌표계와 로봇 베이스 좌표계(A)간의 변환이 가능하다.

도 2는 본 발명의 일실시예인 로봇의 연속 용접선 추종 제어시스템의 구성도로서, 본 발명의 일실시예에서는 용접선을 검출할 수 있는 센서(10)와, 상기 센서제어기(20)가 구비됨은 물론, 로봇을 구동하는 로봇 제어기(30)와 로봇 본체(40)로 구성되어 있다.

이때, 본 발명의 일실시예에서는 용접선을 검출할 수 있는 센서(10)로 레이저 비전 센서를 예로 들었으나, 로봇 선단에 부착하는 방식의 다른 위치 검출 센서를 적용하는 경우에도 본 발명의 범주에 포함된다고 할 수 있다.

더불어, 상기 로봇 제어기(30)에는 위치계산부(31), 좌표변환부(32), 메모리부(33), 모션계획부(34), 용접선 기준 좌표계 설정부(35), 용접선 추적 보간부(36)를 포함하고 있다.

상기 위치 계산부(31)는 센서제어기(20)로부터 해석된 정보를 토대로 하여 용접선의 위치(x,y,z)와 이동방향에 대한 회전량 변화를 계산한다.

상기 좌표변환부(32)는 위치 계산부(31)로부터 계산된 회전량의 변화 및 용접선의 위치(x,y,z)를 작업 좌표계로 변환한다.

상기 메모리부(33)는 좌표변환부(32)로부터 변환된 작업 좌표계를 저장하여 둔다.

상기 모션계획부(34)는 사용자가 교시한 스텝위치에 의해 계산된 정보를 토대로 교시 기준 궤적을 생성한다.

상기 용접선 기준 좌표계 설정부(35)는 모션계획부(34)에 의해 생성된 교시 기준 궤적의 지령 위치 및 접선방향과 실제 용접선의 방향을 이용하여 용접선 기준좌표계를 산출한다.

상기 용접선 추적 보간부(36)는 용접선 기준 좌표계 설정부(35)에 의해 산출된 용접선 기준 좌표계를 이용하여 교시 기준 궤적의 지령 위치를 중심으로 메모리부(33)에 저장된 작업좌표계의 전후 데이터를 검색하여 용접선의 위치와 각도(pitch, yaw angle)의 보정량을 산출하여 보정 위치와 자세를 구한 후 이를 로봇 각 축의 위치로 환산하여 로봇의 액추에이터인 서보 모터를 제어하는 기능을 담당한다.

한편, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예인 로봇의 연속 용접선 추종 제어방법을 보인 흐름도로서 그 진행단계를 살펴보면, 용접선 추종 제어의 핵심은 실제의 용접선은 교시 기준 궤적과 차이를 보정하여 추종하고자 함이다.

도 3에서와 같이 용접선을 추종하기 위해 "P1"의 교시 기준 스텝으로부터 "P5"의 교시 기준 스텝까지 작성되면, 모션계획부(34)를 통해 교시 기준 궤적을 생성한다.

여기서, 상기 교시 기준 궤적은 로봇이 용접선을 추종하지 않고 교시된 스텝 데이터에 의해 생성되는 궤적으로 정의할 수 있으며, 도 3에서 센서(10)의 각 위치(a1,a2,a3,a4,a5)는 각 지점에서의 툴 위치와 자세를 예로 들어 나타낸 것이다.

이때, 아크 용접이나 레이저 용접의 일반적인 경우에 있어서는 툴의 자세가 용접선에 대해 수직한 방향을 유지하도록 하는 적용법이 사용되므로, "P1"의 교시 기준 스텝에서 "P5"의 교시 기준 스텝을 지나면서 용접선의 위치와 용접선과 툴의 상대적인 자세를 도 3의 각 위치(a1,a2,a3,a4,a5)에서와 같이 동시에 트래킹하는 것이 바람직하다.

도 1 및 도 3에 도시된 용접선 기준 좌표계(D)의 원점은 교시 기준 궤적의 지령 위치로 정하고, 용접선 기준 좌표계(D)의 자세는 x방향을 교시 기준 궤적의 접선방향으로 결정하고, y방향은 반중력 방향과 x방향의 외적(cross product)으로 구하며, z방향은 x와 y방향 벡터의 외적으로 구한다.

여기서 x방향 이외에 y, z 방향은 상기와는 다른 일정 기준을 적용하여 설정하여도 무방하다.

따라서, 상기와 같이 교시 기준 궤적이 결정되면, 기준 궤적 지령 위치를 생성할 때 자동적으로 용접선 기준 좌표계(D)가 결정된다.

즉, 용접선 기준 좌표계(D)는 로봇의 툴 끝(TCP)이 이동함에 따라 계속 변하는 이동 좌표계이며, 상기의 이동 좌표계를 이용하여 센서(10)에서 수집된 데이터 중에 대응되는 위치를 찾고 용접선의 위치와 자세를 추종하도록 하는데 사용된다.

상기와 같이 교시 기준 궤적이 어떤 모양을 가지더라도 용접선 기준 좌표계(D)가 계산될 수 있어 복잡한 형상의 용접선 추종에도 사용이 가능한 것이 본 발명의 특징이다.

이때, 시작 위치가 되는 "P1"의 기준 교시 스텝에서 목표 위치가 되는 "P5"의 기준 교시 스텝까지 용접선을 추종할 때, 만약에 로봇이 도 3의 a1지점에서 출발하게 되면, 로봇과 센서(10) 사이의 초기간격(df)에는 용접선의 트래킹이 불가능하기 때문에 용접선의 시작점인 a1지점을 찾는 단계를 추가하여 용접선 추종 방법을 구성하기도 한다.

일예로, 용접선의 추종을 시작하여 a3,a4 사이의 위치에 있을 때를 기준으로 추종 방법을 설명하면 다음과 같다.

도 3,4에서와 같이 로봇의 툴 끝(TCP)이 a3→a4로 이동할 때 선단에 부착된 용접선의 검출이 가능한 센서(10)는 툴 끝(TCP)이 도달하기 이전에 용접선의 추적점(⊙)을 통해 미리 용접선의 형상을 검출한다.(도 4의 S10 단계)

상기 용접선이 검출되면 센서제어기(20)는 검출된 용접선 형상의 비전 형상을 해석한 후 이를 로봇 제어기(30)내의 위치 계산부(31)로 출력하게 되는 바,

상기 위치 계산부(31)에서는 해석된 비전 형상을 통해 용접선의 위치와 이동 방향(roll angle) 회전량의 변화를 계산하고, 아울러 상기 로봇 제어기(30)내의 좌표변환부(32)는 계산된 회전량 변화값을 작업좌표계로 변환한 후 그 변환된 작업좌표계를 내부의 메모리부(33)에 실시간으로 저장시킨다.(도 4의 S20 단계)

즉, 센서(10)가 용접선을 검출할 때 마다 센서(10)는 물론 센서제어기(20)는 실시간으로 로봇 제어기(30)에 검출 정보를 넘겨주고, 상기 로봇 제어기(30)는 검 출 위치를 해석하여 메모리부(33)에 순차적으로 저장하는 상기의 S10,S20단계를 반복적으로 수행한다.

여기서, 상기 메모리부(33)의 저장 용량에 한계와 효율적인 데이터 관리를 위해 일정한 크기만큼의 용량을 할당하여 순환 버퍼(ring buffer) 방식을 사용할 수 있도록 하였다.

한편, 상기 로봇 제어기(30)내의 모션 계획부(34)가 위치 계산부(31)로부터 계산된 정보를 토대로 로봇 툴 끝(TCP)의 교시 기준 궤적 지령이 생성되면(도 4의 S30단계), 상기 로봇 제어기(30)내의 용접선 추적 보간부(36)에서는 용접선 기준 좌표계 설정부(35)로부터 계산된 용접선 기준 좌표계(D)를 이용하여 내부의 메모리부(33)에 저장된 데이터를 선정한다.(도 4의 S40 단계)

상기 데이터를 선정하는 방법은 도 5에서와 같이 현재의 교시 기준 궤적의 지령 위치를 중심으로 전후의 데이터를 찾는다.

상기 데이터를 찾기 위해, 상기에서 지령 위치가 주어지면 용접선 기준 좌표계(D)를 정할 수 있으므로, 현(現) 지령 위치인 용접선 기준 좌표계(D)의 원점과 x방향 벡터를 이용한다.

상기 로봇 제어기(30)내의 메모리부(33)에 순차적으로 저장된 가장 최근의 검출정보가 (ｘ_i),(ｙ_i),(ｚ_i),(dRoll_i) 라고 하고, 가장 최근에 사용된 버퍼 위치를 (ｘ_j),(ｙ_j),(ｚ_j),(dRoll_j) 라고 할 경우, j부터 i까지 사이의 임의의 검출 위치 데이터를 (x_jm),(y_jm),(z_jm),(dRoll_jm) 라고 하고, 용접선 기준 좌표계(D)의 원점(O_cmd)을 (x_cmd),(y_cmd),(z_cmd)로, 용접선 기준 좌표계(D)의 x방향 벡터를

이라고 하면, 원점에서 검출 위치까지 x방향으로의 변위(dist_jm)를 다음의 수학식1과 같이 계산할 수 있다.

j부터 i까지 사이의 데이터 중에 상기의 수학식1로부터 구한 거리를 이용하여 0(zero)에 양의 방향으로 가장 근접한 점을 찾아낼 수 있으며, 상기의 데이터에 지령위치에서 x방향으로의 거리(dist_jm)를 추가하여 (dist_n),(x_n),(y_n ),(z_n),(dRoll_n) 을 만들고 이를 P(n)으로 정한다.

만약 센서(10)가 검출한 위치 정보가 항상 정확한 경우 P(n)과 P(n-1)을 보정할 샘플 위치로 결정할 경우에는, 상기 두 점 사이의 비율을 계산하여 보정위치(x'_cmd)(y'_cmd)(z'_cmd)를 계산하는 것으로도 충분하다.

그러나 센서(10)의 측정 노이즈(noise)를 제거하고 추종 성분의 급격한 변화량을 방지하기 위해 2개 이상의 데이터를 선택하여 사용할 수도 있다.

이때, 선형 방정식을 산출하는 방법으로 선형 최소 자승법(linear least squares method)을 사용하여 현 지령위치(x_cmd),(y_cmd),(z_cmd)에서 추종선(fitted line)을 직선의 방정식으로 구할 수도 있다.(도 4의 S50 단계)

상기 선형 방정식은 상기에서 구한 매개변수인 지령위치에서 x방향으로의 변위(dist)를 이용하여 다음의 수학식 2,3,4와 같이 쓸 수 있다.

여기서, P(n)을 중심으로 양의 방향(positive direction)으로 r개, 음의 방향(negative direction)으로 s개를 선택한다고 일반화 하면 P(n-s)…P(n)…P(n+r-1)의 데이터가 선정되고, 선형 방정식의 계수 (a₁),(a₀),(b₁),(b₀ ),(c₁),(c₀)가 구해진다. 참고로 a₀, a₁ 은 다음의 수학식5,6으로 나타낼 수 있다.

상기의 선형 방정식으로부터 현 지령위치(O_cmd)에서의 보정위치 (x'_cmd),(y'_cmd),(z'_cmd)는 dist가 0(zero)인 위치이므로, 상기의 수학식 2,3,4에서 (a_0 ),(b_0 ),(c_0 ) 로 구해진다.(도 4의 S60 단계)

이때, 상기 로봇 제어기(30)내의 용접선 추적 보간부(36)는 로봇 제어를 위해 용접선 추종위치(a₀),(b₀),(c₀)에 대한 역기구학(inverse kinematics)을 푼 후 이를 로봇 각 축의 위치로 환산하여 로봇의 액추에이터인 서보 모터를 제어함으로써 용접선의 추종 방법이 모두 이루어질 수 있도록 하였다.

단, 적용 사례에 따라 선정된 용접 추적점(도 3의 ⊙)들을 이용하여 선형 방정식을 수립하는 도 4의 S50 단계에서 지령 궤적이 직선이 아닌 원호 궤적인 경우에 수학식 1,2,3,4가 원호 궤적의 방정식으로 대체하여, 매개상수를 원호 방정식으로 최소 자승법을 풀어 별도로 적용할 수도 있다.

즉, 본 발명은 크게 두 가지 프로세스로 구성되어 있는데, 하나는 센서(10)에서 검출된 위치를 샘플링 주기마다 메모리부(33)에 저장하는 과정으로 도 4의 용접 추적점(⊙)을 검출하는 단계와 그 검출된 용접 추적점(⊙)을 메모리부(33)에 저장하는 S10,S20 단계를 반복하는 프로세스이고, 두 번째로는 메모리부(33)에 저장 된 위치를 검색하여 현재의 지령위치에 대응하는 용접 검출점들을 찾아 보정량을 계산하는 도 4의 S30,S40,S50,S60 단계로서, 용접선의 위치 추종 제어는 이상의 방법으로 구현이 가능하다.

한편, 실제 용접선 궤적의 자세에 대한 보정은, 도 7에서와 같이 각도의 추종 성분은 롤 각(roll angle; θ₃), 피치 각(pitch angle; θ₂), 요 각(yaw angle; θ₁)의 3가지 성분으로 표시할 수 있으며, 이 중에 롤 각( θ₃)은 아래의 수학식7에서와 같이 센서(10)에서 수신한 진행방향 각도 변화량(dRoll)을 선형 보간을 누적하여 추종할 수 있다.

여기서 θ_3,before는 이전 주기에 반영된 롤 각이며, 사용자가 초기값을 설정할 수도 있다.

한편, 피치 각(θ₂)과 요 각(θ₁)은 수학식2,3,4로부터 직선의 기울기 벡터 (a₁),(b₁),(c₁)를 용접선 기준 좌표계(D)로 환산한 단위벡터(unit vector)인 (a_x ,b_x,c_x)(x")에서 아래의 수학식8,9과 같이 상대적인 각도가 구해진다.

따라서 롤, 피치, 요 각이 반영된 툴의 추종 자세를 작업좌표계(B)로 환산화면 다음의 수학식10과 같다.

여기서

은 작업 좌표계(B)에서 본 용접선 기준 좌표계(D)의 자세이고,

은 z축으로 θ₁ 만큼 회전시킬 때 회전행렬이며,

,

는 각각 y축과 x축으로 θ₂, θ₃만큼 회전시킬 때 회전행렬이고,

는 교시 기준 궤적의 자세를 용접선 기준 좌표계(D)로 환산했을 때의 자세를 나타낸다.

또한 상기의 수학식10에서 보는 바와같이 롤, 피치, 요 각이 분리되어 있어 필요 없는 요소는 0(zero)으로 대입함으로써 자세 트래킹이 필요한 요소에 대해서만 자세 추종이 가능하다.

예를 들어 상기 수학식10에서 θ₁, θ₃을 0(zero)으로 대입하여 피치 각(pitch angle)만 트래킹할 수 도 있고, θ₁, θ₂을 0(zero)으로 대입하여 롤 각만 트래킹 할 수도 있다.

상기 작업 좌표계(B)를 기준으로 보정된 툴의 자세

는 도 1에서 설명하였던 로봇 베이스 좌표계(B)와의 상호 좌표계 관계에 의해 로봇 베이스 좌표계(A)의 자세

로 환산할 수 있고, 이로써 보정된 위치 (x'_cmd),(y'_cmd),(z'_cmd) 와 함께 연속 용접선을 추종하는 자세

가 결정되고, 상기 로봇 제어기(30)내의 용접선 추적 보간부(36)는 로봇의 역기구학을 통해 각 축의 지령으로 환산하여 액추에이터를 제어함으로써 연속 용접선을 추종하는 로봇의 자세 제어가 이루어질 수 있는 것이다.

도 6은 현재 위치 지령(x'_cmd),(y'_cmd),(z'_cmd)이 교시 기준 궤적(teached reference trajectory) 기준으로 생성될 때의 속도 프로파일과 교시 기준 궤적과 용접선을 나타내는 또 하나의 예이다.

도 6이 도 3과 다른점은 교시 기준 스텝을 5개에서 2개로 교시하여 교시 기준 궤적이 직선으로 설정한 상태이다.

이와 같이 스텝 2개로 교시하게 되면 스텝 5개로 교시할 때와는 달리 교시 기준 궤적과 추종하여야 할 실제 용접선 사이에 상당히 큰 차이가 있는 경우가 있을 수 있음을 볼 수 있다.

그러나 본 발명은 도 6과 같은 용접선도 교시 기준 궤적을 직선으로 설정하는 것이 가능한데, 그 이유로는 교시 기준 궤적의 접선 벡터

와 용접선의 방향이 예각을 이루는 경우에는 언제나 가장 인접한 P(n)을 찾을 수 있기 때문이다.

그러나 이와 같은 교시 기준 궤적과 실제 용접선과의 차이는 일정한 교시 속도를 유지할 수 없는 요인으로 작용하는데, 도 6에서와 같이 교시 기준 궤적과 차이가 나는 구간(dL)에서 생성한 이동거리가 dL일 경우 실제 용접선의 이동거리는 dL'로 길어진다.

따라서 일정한 지령 생성 주기(dt)에 의해 로봇 제어기(30)내의 속도 프로파일(velocity)로 생성하면 dL구간에서 속도는 dL/dL'의 비율만큼 늦어진다.

이와같이 본 발명에서는 이러한 문제를 극복하고자 현재의 트래킹 속도(v'_cmd)를 교시 기준 궤적 속도(v_cmd)에 맞추기 위해 교시 기준 궤적의 지령 생성 주기를 다음의 수학식11과 같이 보정한 식으로 계산한다.

dt'=dt ×dL/dL'

도 6에서 현 위치 지령 (x'_cmd),(y'_cmd),(z'_cmd)은 이전 위치까지의 이동시간(t )에 수학식11에서 계산한 보정 시간(dt')을 더해 재계산되며, 상기의 위치 및 자세 보정 프로세스를 한번 더 수행하면 교시 기준 궤적의 속도까지 교시 속도를 유지하는 방법이 구현될 수 있게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 로봇의 연속 용접선 추종 제어 시스템 및 그 제어방법은 다음과 같은 효과를 창출한다.

첫째, 직선보간, 원호보간, 코너링 구간의 트래킹이 가능하여 여러 스텝으로 이루어진 복잡한 형상의 연속 용접선 추종이 가능하다.

둘째, 용접선을 추종하는 동안 속도가 균일하게 유지될 수 있도록 하여 균일한 용접품질을 얻을 수 있다.

셋째, 연속 용접선을 추종하는 동안 용접선과 토치 사이에 상대적인 자세 제어가 이루어져 용접선 기준 궤적의 교시가 쉬어지고, 용접품질은 높아지는 효과를 제공할 수 있게 되는 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그 와같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (6)

1. 센서에 의해 용접선이 검출될 때 그 검출된 용접선 형상의 비전 형상을 해석하는 센서제어기, 상기 센서제어기로부터 해석된 정보를 토대로 로봇을 구동하는 로봇 제어기 및 로봇 본체로 구성되는 시스템에 있어서,

   상기 로봇 제어기에는, 센서제어기로부터 해석된 정보를 토대로 하여 용접선의 위치와 이동방향에 대한 회전량 변화를 계산하는 위치 계산부;

   상기 위치 계산부로부터 계산된 회전량의 변화 및 용접선의 위치를 작업 좌표계로 변환하는 좌표 변환부;

   상기 좌표 변환부로부터 변환된 작업 좌표계를 저장하는 메모리부;

   상기 위치 계산부로부터 계산된 정보를 토대로 교시 기준 궤적을 생성하는 모션 계획부;

   상기 모션 계획부에 의해 생성된 교시된 기준 궤적의 지령 위치 및 접선방향과 실제 용접선의 방향을 이용하여 용접선 기준 좌표계를 산출하는 용접선 기준 좌표계 설정부; 및,

   상기 용접선 기준 좌표계 설정부에 의해 산출된 용접선 기준 좌표계를 이용하여 교시 기준 궤적의 지령 위치를 중심으로 메모리부에 저장된 작업 좌표계의 전후 데이터를 검색하여 용접선의 위치와 각도(pitch, yaw angle)의 보정량을 산출하여 보정 위치와 자세를 구한 후 이를 로봇 각 축의 위치로 환산하여 로봇의 액추에이터인 서보 모터를 제어하는 용접선 추적 보간부; 를 더 포함하여 구성함을 특징 으로 하는 로봇의 연속 용접선 추종 제어 시스템.
2. 로봇의 툴 선단에 부착되어 있는 용접선의 위치 검출이 가능한 센서를 이용하여 로봇 툴 끝이 이동할 위치를 주기적으로 선 검출이 가능한 시스템에서 용접선 궤적의 모양에 따라 기준 궤적을 교시하여 용접선을 추종 하는 로봇의 제어 방법에 있어서,

   센서의 주기적인 용접선 검출 위치를 로봇 제어기가 실시간으로 수신하고 작업 좌표계로 변환하여 제어기내의 메모리부에 저장하는 단계;

   교시된 기준 궤적의 지령 위치와 접선 방향 벡터를 이용하여 메모리부에 저장되어 있는 데이터 중에 현 위치 지령에 대응하는 것을 선정하는 단계;

   선정한 데이터를 이용해 현 지령 위치의 보정량을 산출하는 단계;

   교시된 기준 위치 궤적에 보정량을 반영하여 보정된 지령위치를 계산하는 단계; 및,

   보정된 지령위치를 각축의 액추에이터 위치로 환산하여 로봇을 제어하는 단계; 진행함을 특징으로 하는 로봇의 연속 용접선 추종 제어 방법.
3. 로봇의 툴 선단에 부착되어 있는 용접선의 위치 검출이 가능한 센서를 이용하여 로봇 툴 끝이 이동할 위치와 진행방향의 회전각도를 주기적으로 선 검출이 가능한 시스템에서 용접선 궤적의 모양에 따라 기준 궤적을 교시하여 용접선을 추종 하는 로봇의 제어 방법에 있어서,

   센서의 주기적인 용접선 검출 위치와 진행방향 회전각도를 로봇제어기가 실시간으로 수신하고 작업 좌표계로 변환하여 로봇 제어기내의 메모리부에 저장하는 단계;

   교시된 기준 궤적의 지령 위치와 접선 방향 벡터를 이용하여 메모리부에 저장되어 있는 데이터 중에 현 위치 지령에 대응하는 것을 선정하는 단계;

   선정한 데이터를 이용해 실제 용접선의 진행 방향과 회전각도를 계산하는 단계;

   실제 용접선의 방향과 교시된 용접 기준 궤적의 접선방향을 이용하여 각도의 추종 성분 보정량을 산출하는 단계;

   교시된 기준 궤적에 각도의 추종 성분 보정량을 반영하여 산출된 로봇 툴 끝의 지령 보정된 자세를 계산하는 단계; 및,

   보정된 로봇 툴 끝의 지령위치와 자세를 각축의 액추에이터 위치로 환산하여 로봇의 자세를 제어하는 단계; 로 진행함을 특징으로 하는 로봇의 연속 용접선 추종 제어 방법.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   기준 궤적에 대한 보정량의 반영으로 인해 로봇 툴 끝의 속도가 변화되는 것을 방지하여 교시된 속도를 유지하기 위해, 지령 위치에 대한 보정량을 미리 계산한 후 교시된 기준 궤적의 이동거리와 보정량을 반영한 이동거리와의 비율을 반영하여 보정량을 재계산하는 단계; 를 더 포함하여 진행함을 특징으로 하는 로봇의 연속 용접선 추종 제어 방법.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 각도의 추종 성분은,

   회전각도(roll angle), 피치 각(pitch angle), 요 각(yaw angle)을 포함함을 특징으로하는 로봇의 연속 용접선 추종 제어방법.
6. 제 3 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 회전각도는,

   센서에서 수신한 진행방향 각도 변화량을 선형 보간을 누적하여 추종함을 특징으로 하는 로봇의 연속 용접선 추종 제어방법.

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