KR0160693B1 - 2중 로봇 시스템에서의 최소 토크 부하 분배방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2중 로봇 시스템에서의 최소 토크 부하 분배 방법에 관한 것이다.

본 발명은 물체의 이동 경로 및 속도가 주어질 때, 물체를 이동하는데 요구되는 힘을 구하는 단계; 원하는 비중행렬 및 이동경로로부터 필요한 Pi와 Mi를 결정하는 단계; 최적 부하 분배 계수를 결정하는 단계; 상기 최적 부하 분배 계수에 의해 소정 로봇이 필요로하는 최소의 토오크를 결정하는 단계; 및 상기 토오크를 로봇의 모터에 공급하는 단계를 포함하여 된 점에 특징이 있다.

이와 같이, 최적 부하 분배계수를 구해 시스템에 적용하게 되므로, 로봇 구동부에서의 토오크를 최소화시켜 불필요한 에너지의 손실을 방지할 수 있는 장점이 있다.

Description

2중 로봇 시스템에서의 최소 토크 부하 분배 방법

제1도는 2중 로봇 시스템을 개략적으로 나타내 보인 시스템 구성도.

제2도는 제1도의 2중 로봇 시스템에 있어서, 물체에 작용하는 힘의 상호관계를 개념적으로 나타내 보인 힘의 분배도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 물체 11 : 제1로봇

12 : 제2로봇 F : 물체를 이동시키는데 필요한 힘

F1 : 제1로봇이 물체에 가하는 힘

F2 : 제2로봇이 물체에 가하는 힘

본 발명은 2중 로봇 시스템에서의 최소 토크 부하 분배 방법에 관한 것으로서, 특히 2대의 로봇을 이용하여 물체를 이동시키는 협동작업 시에 최소한의 토오크로 물체를 이동시킬 수 있는 알고리즘을 사용함으로써 에너지의 효율적 이용을 가능하게 하는 2중 로봇 시스템에서의 최소 토크부하 분배 방법에 관한 것이다.

오늘날, 산업 현장에서의 로봇에 의한 제품의 조립 및 제작이 점차 증가되어가는 추세와 함께, 로봇을 제어하는 시스템에 있어서도 점차 그 기능이 다양화 및 고도화되어 가고 있는 실정이다. 이러한 현상은 멀티태스킹(multitasking)을 통한 다중 로봇 제어 시스템을 요구하게 되었고, 그와 같은 요구에 부응하여 고성능 마이크로프로세서(microprocessor)를 이용하여 하나의 제어 시스템으로 여러 대의 로봇을 동시에 제어하는 다중 로봇 제어 시스템이 등장하게 되었다.

한편, 이와 같은 로봇 제어 시스템에 있어서, 2대의 로봇을 이용하여 하나의 물체를 이동하는 경우 2대의 로봇이 하나의 물체를 동시에 잡고서 이동하려면, 각 로봇이 어떻게 물체에 힘을 가해야 하는가를 결정해야 한다. 여기에는 수많은 힘의 분배 방법이 있을 수 있으며, 그 수많은 방법중에서 각 로봇이 필요로 하는 토오크를 최소화하면서 이동가능한 부하 분배 계수를 찾는 것이 2중 로봇 제어 시스템에서의 추구하는 목표이자 해결과제라고 할 수 있다.

2중 로봇 시스템은 물체가 크거나 무거워서 한 대의 로봇으로는 움직이기 힘들 경우 또는 정교한 작업을 위하여 상호간에 협동작업이 필요한 경우에 이용된다. 그러나, 종래에는 이와 같이 2중 로봇 시스템에 의해 하나의 물체를 이동시켜야 할 경우 최소 토오크의 부하 공급방법이 제시되지 않아 임의의 공급 방법이 적용되어 왔고, 따라서 불필요한 에너지 손실이 있었다. 이에 대한 방안으로 종래에는 로봇의 엔드 이펙터(end effector)에서 필요한 힘을 최소화하는 알고리즘을 사용해 왔다. 그러나, 그와 같은 방법은 엔드 이펙터가 필요로 하는 힘은 최소화 시킬 수 있었으나, 로봇의 동적 특성을 고려하지 않아 그것이 로봇을 구동시키는 토오크를 최소화하는 것이라고는 보기 어려웠다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 진정한 의미의 로봇 구동부에서의 토오크를 최소화시킬 수 있는 이중 로봇 시스템에서의 최소 토크 부하 분배 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이중 로봇 시스템에서의 최소 토크 부하 분배 방법은, 물체의 이동 경로 및 속도가 주어질 때, 물체를 이동하는데 요구되는 힘을 구하는 단계; 원하는 비중행렬 및 이동경로로부터 필요한 Pi와 Mi를 결정하는 단계; 최적 부하 분배 계수를 결정하는 단계; 상기 최적 부하 분배 계수에 의해 소정 로봇이 필요로하는 최소의 토오크를 결정하는 단계; 및 상기 토오크를 로봇의 모터에 공급하는 단계를 포함하여 된 점에 그 특징이 있다.

따라서, 로봇 구동부에서의 토오크를 최소화시킴으로써 불필요한 에너지의 손실을 방지할 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

제1도는 2중 로봇 시스템을 개략적으로 나타내 보인 시스템 구성도이다.

이를 참조하면, F는 물체(10)를 이동시키는데 필요한 힘을 나타내며, F₁과 F₂는 제1로봇(11)과 제2로봇(12)이 각각 물체(10)에 가하는 힘을 나타낸다. 여기서, F, F₁, F₂는 모두 6차원 백터를 나타내는데, 이중 처음 3벡터는 선형적인 힘을 나타내고 마지막 3벡터는 3개의 모멘트를 나타낸다. 그리고, F, F₁, F₂는 모두 물체의 중심에 위치한 0좌표계로 표시한다고 가정한다. 제2도에 나타난 바와 같이, F, F₁, F₂의 관계는 다음과 같다.

즉, 제1로봇(11)과 제2로봇(12)이 물체에 가하는 힘의 합은 물체(10)를 이동시키는데 필요한 힘 F와 같아야 한다는 것을 의미한다. 다양한 로봇 응용분야에 있어서(특히, 2중 로봇 시스템에 있어서) 물체에 과다한 내부부하가 걸리는 것은 방지되어야 한다. 여기서, 내부부하라함은 물체를 이동시키는데에는 전혀 관여됨이 없이 다만 로봇 간에 상호 상쇄되는 힘을 의미한다. 다시 말해서 내부부하는 물체를 서로 밀거나 잡아당기는 힘을 의미한다.

본 발명에서는 이와 같은 내부부하는 일단 배제하기로 한다. 이렇게 되면, F₁, F₂는 크기는 다르지만 방향은 모두 F의 방향과 같아야만 된다.

따라서, F₁, F₂는 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서, α는 0과 1 사이의 상수이다.

상기 식(2)와 같이 표현될 때, α값에 따라 무한히 많은 가능한 경우가 존재하게 된다. 원하는 α를 결정하기 위하여 아래와 같은 토오크에너지 함수(X)를 도입한다.

여기서, τ1는 로봇 i의 필요한 토오크이고, W₁및 W₂는 각각 6×6의 비중 매트릭스이다. 그리고 특히, W₁및 W₂는 포지티브 한정 행렬이 되어야 하며, 그 원소들은 사용자가 편리한 대로 정하면 된다.

한편, 로봇의 동적 관계를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서, D_i는 관성항, q_i'는 가속도, h_i는 코리올리(Coriolis)의 중력항, J_i는 자코비안(Jacobian:함수행렬식), 그리고 F_i는 i번째 로봇이 물체에 미치는 힘이다.

상기 식(4)를 변형하여 간단히 하면 다음과 같다.

여기서, M_i= D_iq_i' + h_i, F_i= α_iF이다.

상기 식(5)를 더 간단히 하면 다음과 같다.

여기서, P_i= J_i ^TF이다.

따라서, 상기 식(3)의 첫째항 및 둘째항을 일반항으로 표현하면 다음과 같다.

이와 같은 수식 관계에 의해 상기 식(3)의 토오크 에너지 함수 X는 다음과 같이 표현될 수 있다.

한편, 상기 식(8)이 α에 대한 2차식이므로 토오크 에너지 함수 X를 최소화하는 α는가 되는 점이 된다. 이를 수식으로 표현해 보면 다음과 같다.

따라서, 식(10)은 토오크 에너지 함수를 나타내는 식(8)이 최소가 되는 최적 부하 분배계수가 된다. 그러므로, 이 분배계수를 로봇시스템에 적용하면 최소의 부하 토오크로 시스템을 운용할 수 있게 된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 2중 로봇 시스템의 최소 토크 부하 분배방법은 최적 부하 분배계수를 구해 시스템에 적용하게 되므로, 로봇 구동부에서의 토오크를 최소화시켜 불필요한 에너지의 손실을 방지할 수 있는 장점이 있다.

Claims (2)

1. 물체의 이동 경로 및 속도가 주어질 때, 물체를 이동하는데 요구되는 힘을 구하는 단계; 원하는 비중행렬 및 이동경로로부터 필요한 Pi와 Mi를 결정하는 단계; 최적 부하 분배 계수 α를 결정하는 단계; 상기 최적 부하 분배 계수에 의해 소정 로봇이 필요로하는 최소의 토오크를 결정하는 단계; 및 상기 토오크를 로봇의 모터에 공급하는 단계를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 2중 로봇 시스템에서의 최소 토크 부하 분배 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 최적 부하 분배 계수(α)는

   의 수식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 2중 로봇 시스템에서의 최소 토크 부하 분배 방법.