KR0160998B1 - 로보트의 구동경로 계획방법 - Google Patents

로보트의 구동경로 계획방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 로보트의 각축을 구동시키기 위한 속도명령을 부드럽게 발생시킴과 동시에 구동경로 발생시간을 단축시켜서 작업효율과 생산성을 증대시킬 수 있는 로보트의 구동경로 계획 방법에 관한 것으로써, 로보트의 아암의 종단부에 위치한 엔드-이펙터를 한 지점에서 다른 지점으로 이동시키도록 원하는 위치량 만큼 이동시키기 위해서 주어진 샘플링시간, 최대속도, 가감속시간, 이동해야 할 거리를 만족시키는 일정 형태의 속도명령 파형을 생성하는 속도명령파형 생성 단계와, 전체속도명령 지속시간을 구하고, 가감속구간에서의 매샘플링 시간마다의 필요속도 및 필요 이동량을 구하는 속도 및 이동량 연산 단계와, 상기 가감속구간에서의 매 샘플링 시간마다의 필요속도 및 필요이동량을 써보모터에 인가하여 로보트가 계획된 경로를 구동토록하는 로보트 구동단계를 이루어진 로보트의 구동경로계획 방법에 있어서, 상기 속도명령은 가감속시간에서 매 샘플링시간마다 사다리꼴형태의 속도명령에 대응하는 부드러운 형태의 속도명령비율을 미리 기억장치에 저장하여 우선 사다리꼴 형태의 속도명령을 생성한 후, 이 생성된 속도명령값에 상기 기억장치에 기억된 비율값을 승산하는 방법으로 생성하는 것을 특징으로 한다.

Description

로보트의 구동경로 계획방법
제1도는 종래의 사각형 형태의 속도 및 가속도 파형도.
제2도는 종래의 사다리꼴 형태의 속도 및 가속도 파형도.
제3도는 종래의 부드러운 사다리꼴 형태의 속도 및 가속도 파형도.
제4도는 로보트를 부드럽게 가감속하기 위한 구성블록도.
제5도는 본 발명이 일실시예에 적용되는 로보트시스템의 개략적인 블록도.
제6도는 제5도에 있어서의 로보트몸체중 1축을 제어하는 위치제어장치의 블록도.
제7도는 본 발명에 이용되는 사다리꼴 형태의 속도 파형도.
제8도는 본 발명에 의해 생성된 가속구간에서의 부드러운 형태의 속도 파형도.
제9도는 본 발명에 의해 생성된 가속 구간에서의 속도와 사다리꼴 형태의 속도와의 관계 그래프.
제10도는 본 발명의 다른 실시예에 이용되는 사다리꼴 형태의 속도 파형도.
제11도는 본 발명의 다른 실시예에 의해 생성된 가속 구간에서의 부드러운 형태의 속도 파형도.
제12도는 본 발명의 다른 실시예에 의해 생성된 가속 구간에서의 속도와 사다리꼴 형태의 속도와의 관계 그래프.
제13도는 본 발명에 이용되는 사다리꼴 형태의 속도 파형을 구하는 원리도.
제14도는 본 발명에 의한 부드러운 형태의 속도 파형을 구하는 원리도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 메인CPU 3 : 퍼스널콤퓨터
5 : 터미날 7 : 터칭펜던트
9 : ROM 10 : 위치제어장치
12 : 합산기 14 : 위치제어기
16 : 합산기 18 : 써보드라이버
20 : 적분기
본 발명은 로보트, 수치제어기기, 기타 정밀을 요하는 위치제어시스템에 있어서의 구동 경로를 계획하는 방법에 관한 것으로써, 특히 로보트의 각축을 구동시키기 위한 속도명령을 부드럽게(편의상, 이와같이 칭한다) 발생시킴과 동시에 구동경로 발생시간을 단축시켜서 작업효율과 생산성을 증대시킬 수 있는 로보트의 구동경로 계획 방법에 관한 것이다.
일반적으로 로보트는 다축(통상 아암이라 함)으로 구성되어 있으며 각각의 축에는 써보모터가 부착되어서 이 써보모터의 구동속도를 감지한 감지데이타를 토대로 한 중앙제어부의 제어명령에 의해 상기 써보모터가 조정 구동됨으로써 각각의 축에 할당된 작업을 행하도록 되어 있다.
즉, 로보트를 이용하여 주어진 작업을 수행하기 위해서는 로보트의 아암의 종단부에 위치한 엔드-이펙터(통상 이 엔드-이펙터에 작업도구가 끼워져서 작업토록 되어있다)를 한 지점에서 다른 지점으로 이동시켜야 하며 이를 위해서는 각각의 축에 부착된 써보모터가 구동되어야 하는 것이다. 로보트의 구동경로 계획이란 각 축의 가감속 시간과 최대속도가 정해지고 이동해야 할 거리가 주어졌을 때 이를 달성하기 위한 속도명령을 중앙 제어부로부터 얻어내는 것으로써 이 얻어내는 속도명령이 부드럽지 못하면 구동경로 주행시 특히 구동개시점과 종료점에서 갑작스럽게 동작함으로써 로보트 몸체에 기계적인 충격이 가해지게 된다.
즉, 제1도에 도시한 바와같이 사각형 형태의 속도명령이 주어지거나 제2도에 도시한 바와같이 사다리꼴 형태의 속도명령이 주어지면 구동경로중 가속도가 크게 불연속적으로 변하는 부분이 있게 되므로 로보트 몸체에 무리가 가해지는 것이다. 이를 방지하기 위해서는 제3도에 도시한 바와같이 로보트의 구동 경로에 대한 부드러운 속도명령이 필요하게 되며, 이와같은 부드러운 임의의 속도 명령을 하드웨어적으로 생성하기 위한 종래의 장치가 제4도에 도시한 바와같다.
제4도에 도시한 바와같은 장치에 의하여 속도명령을 소프트웨어적으로 발생시키는 방법은 다음과 같다. 로보트의 구동 경로 주행시 매순간마다의 이동량fo(k)는
Σap=1로 정규화시키면
가 된다.
그런데, 상기 식(1)(2)에서 각 ap의 값이 다르면 매순간마다의 이동량 fo(k)를 얻기 위해 여러번의 곱셈과 덧셈이 필요로 하게 되므로 장시간이 소요될 수밖에 없었다.
따라서, 본 발명은 이와같은 종래의 단점을 감안해서 이루어진 것으로써, 본 발명의 목적은 로보트의 구동경로에 대한 속도명령을 부드럽게 발생시켜서 로보트의 몸체에 가해지는 충격을 방지함은 물론, 속도명령 발생시간을 대폭 단축시켜서 작업 효율성을 향상시킬 수 있는 로보트의 구동경로 계획 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 로보트의 구동경로 계획방법은 로보트의 아암의 종단부에 위치한 엔드-이펙터를 한 지점에서 다른 지점으로 이동시키기 위하여 각각의 축에 부착된 써보모터를 구동시키기 위한 속도명령을 생성하는 로보트 이동방법에 있어서, 원하는 위치량 만큼 이동시키기 위해서 주어진 샘플링시간, 최대속도, 가감속시간, 이동해야 할 거리를 만족시키는 일정 형태의 속도명령 파형을 생성하는 속도명령파형 생성 단계와, 전체속도명령 지속시간을 구하고, 가감속구간에서의 매샘플링 시간마다의 필요속도 및 필요 이동량을 구하는 속도 및 이동량 연산 단계와, 상기 가감속구간에서의 매 샘플링 시간마다의 필요속도 및 필요이동량을 써보모터에 인가하여 로보트가 계획된 경로를 구동토록하는 로보트 구동단계를 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 일실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제5도는 본 발명의 일실시예에 적용되는 로보트시스템의 개략적인 블록도이고, 제6도는 제5도에 있어서의 로보트의 1축을 제어하는 위치제어장치의 블록도이며, 제7도는 본 발명에 이용되는 사다리꼴 형태의 속도파형도, 제8도는 본 발명에 의해 생성된 가속구간에서의 부드러운 형태의 속도 파형도, 제9도는 본 발명에 의해 생성된 가속구간에서의 속도와 사다리꼴 형태의 속도와의 관계 그래프, 제10도는 본 발명의 다른 실시예에 이용되는 사다리꼴 형태의 속도 파형도, 제11도는 본 발명의 다른 실시예에 의해 생성된 가속구간에서의 부드러운 형태의 속도 파형도, 제12도는 본 발명의 다른 실시예에 의해 생성된 가속구간에서의 속도와 사다리꼴 형태의 속도와의 관계 그래프, 제13도는 본 발명에 이용되는 사다리꼴 형태의 속도와의 관계 그래프, 제13도는 본 발명에 이용되는 사다리꼴 형태의 속도 파형을 구하는 원리도, 제14도는 본 발명에 의한 부드러운 형태의 속도 파형을 구하는 원리도이다.
제5도 내지 제6도에 있어서, (1)은 로보트의 전체동작을 제어하는 메인CPU이고, (3)은 사용자가 로보트의 작동 명령을 프로그램으로 작성함과 동시에 후술하는 ROM에 기억되어 있는 로보트제어프로그램을 세이브하거나 백업하는 퍼스널콤프터이고, (5)는 상기 퍼스널콤퓨터(3)의 작동명령의 세이브기능 및 백업기능을 제외한 사용자가 로보트의 작동명령만을 프로그램으로 작성하는 터미날이며, (7)은 로보트가 이동해야 할 지점(또는 위치)를 원하는 위치에 교시하고, 그 교시점을 숫자로 변환하는 티칭팬던트이고, (9)는 상기 퍼스널콤퓨터(3) 혹은 터미날(5)에서 사용자의 작동명령을 제어프로그램으로 작성된 것을 저장하는 ROM(9)이다. 그리고, (10)은 상기 ROM(9)에 저장된 로보트의 제어프로그램을 메인CPU(1)에서 판독해서 로보트(구체적으로 엔드이펙터)의 위치를 제어하는 위치제어장치이다.
상기 위치제어장치(10)는 제6도에 상세히 도시한 바와같이 메인CPU(1)로부터의 로보트위치제어 신호를 받음과 동시에 도시하지 않은 엔코더 혹은 리졸버로부터 출력되는 모터(M)의 위치신호를 모터(M)의 현위치피드백 신호로 받아서 합산기(12)에서 합산하여, 모터(M)의 위치보상신호를 출력하고, 상기 합산기(12)의 출력신호는 위치제어기(14)에서 모터(M)의 속도제어명령을 출력한다. 상기 위치제어기(14)의 출력신호는 합산기(16)에서 모터(M)의 현재 속도신호를 피이드백 받아서 신호와 합산하여 써보드라이버(18)에 출력하며, 이 써보드라이버(18)에 의해서 모터(M)를 구동한다.
본 발명에서는 메인CPU(1)에 의해서 매 순간마다의 속도명령 fo(k)를 계산하기 위한 필요한 연산횟수를 감소시키기 위해서 다음과 같은 방법으로 속도명령을 생성한다.
즉, 예를 들어서 샘플링시간(Ts)이 1msec이고 최대속도(Vmax)가 0.05rad/msec, 가감속도(Ta)이 5msec, 이동해야할 거리(D)가 0.5rad일 경우, 우선 이를 구현할 수 있는 제7도에 도시한 바와같은 사다리꼴 형태의 속도파형을 구하며 이는 다음과 같은 방법으로 구한다. 즉, 로보트의 구동경로에 대한 전체 속도명령 지속시간(Te)이 Te=D/Vmax + Ta=0.5/0.05+5=15msec이므로, 매 샘플링 시간마다의 필요속도는
V(1) = 0.01 rad/sec = 1 × V(1)
V(2) = 0.02 rad/sec = 2 × V(1)
V(3) = 0.03 rad/sec = 3 × V(1)
V(4) = 0.04 rad/sec = 4 × V(1)
V(5) = V(6) = V(7) = V(8) = V(9) = V(10) =0.05 rad/sec = 5 X V(1) = Vmax
V(11) = 0.04 rad/sec = 4 × V(1)
V(12) = 0.03 rad/sec = 3 × V(1)
V(13) = 0.02 rad/sec = 2 × V(1)
V(14) = 0.01 rad/sec = 1 × V(1)
V(15) = 0.00 rad/sec가 되고,
매 샘플링시간 마다의 필요 이동량은
L(1) = 0.01/2 rad = 0.005 rad = 1 × L(1)
L(2) = (0.01+0.02)/2 rad = 0.015 rad = 3 × L(1)
L(3) = (0.02+0.03)/2 rad = 0.025 rad = 5 × L(1)
L(4) = (0.03+0.04)/2 rad = 0.035 rad = 7 × L(1)
L(5) = (0.04+0.05)/2 rad = 0.045 rad = 9 × L(1)
L(6) = L(7) = L(8) = L(9) = L(10) = 0.05 rad = 10 × L(1)
L(11) = (0.04+0.05)/2 rad = 0.045 rad = 9 × L(1)
L(12) = (0.03+0.04)/2 rad = 0.035 rad = 7 × L(1)
L(13) = (0.02+0.03)/2 rad = 0.025 rad = 5 × L(1)
L(14) = (0.01+0.02)/2 rad = 0.015 rad = 3 × L(1)
L(15) = 0.01/2 rad = 0.005 rad = 1 × L(1)
가 된다.
이후, 제8도에 도시한 바와같이 가감속 구간(감속구간에도 마찬가지임)에서 다음식이 만족되도록 한다.
H1= H4= 0.008 rad/msec
H2= H3= 0.01 rad/msec
이렇게 하면, 제9도에 도시한 바와같이 두 빗금친 부분(W1)(W2)의 면적이 동일하므로 본 발명의 부드러운 속도명령에 의해 로보트가 이동되는 량은 제7도에 도시한 바와 같은 사다리꼴 형태의 속도명령과 동일하다는 것을 알 수 있다.
실제 상기와 같은 부드러운 형태의 속도명령을 생성하기 위해서는 가감속시간에서 매 샘플링 시간마다 사다리꼴 속도명령에 대한 부드러운 형태의 속도명령 비율을 미리 기억장치(일반적으로 롬을 사용한다)에 기억하여 사다리꼴 속도명령을 생성한 후 이 생성된 속도명령값에 상기 기억장치에 기억된 비율값을 승산하여 이 승산된 값으로 속도명령을 생성한다.
상기 기억장치에 저장된 비율값은 r1=0.2, r2=0.5, r3=1.33, r4=1.20, r5= 1이므로
샘플링 시간 Ts=1mse, 최대속도 Vmax=0.05rad/msec
가감속 시간 Ta=5msec, 이동해야할 거리 D=0.5rad
를 만족할 수 있는 부드러운 형태의 속도명령으로 사다리꼴 형태의 속도명령을 생성한 후 다음과 같이 미리 저장된 비율값을 승산하면 된다.
매 샘플랭 시간마다의 필요속도는,
V(1) = 0.2 × 0.01 rad/sec = 0.002 rad/sec
V(2) = 0.5 × 0.02 rad/sec = 0.010 rad/sec
V(3) = 1.33 × 0.03 rad/sec = 0.0399 rad/sec
V(4) = 1.20 × 0.04 rad/sec = 0.048 rad/sec
V(5) = V(6) =V(7) =V(8) =V(9) =V(10) =1 × 0.05 rad/sec = Vmax
V(11) = 1.20 × 0.04 rad/sec = 0.046 rad/sec
V(12) = 1.33 × 0.03 rad/sec = 0.037 rad/sec
V(13) = 0.5 × 0.02 rad/sec = 0.010 rad/sec
V(14) = 0.2 × 0.01 rad/sec = 0.002 rad/sec
V(15) = 0.00 rad/sec이다.
다른 실시예로써, 만일, 샘플링 시간 Ts=1msec, 최대속도 Vmax=0.06rad/msec, 가감속 시간 Ta=6msec, 이동해야할 거리 D=0.66rad라 하면, 이를 구현할 수 있는 제10도에 도시한 바와같은 사다리꼴 형태의 속도파형은 다음과 같이 주어진다.
전체 속도명령 지속시간 Te=D/Vmax+Ta=0.66/0.06+6=17msec이므로, 매 샘플링 시간마다의 필요속도는
V(1) = 0.01 rad/sec = 1 × V(1)
V(2) = 0.02 rad/sec = 2 × V(1)
V(3) = 0.03 rad/sec = 3 × V(1)
V(4) = 0.04 rad/sec = 4 × V(1)
V(5) = 0.05 rad/sec = 5 × V(1)
V(6) = V(7) = V(8) = V(9) + V(10) = V(11) = 0.06 rad/sec = 6XV(1)=Vmax
V(12) = 0.05 rad/sec = 5 × V(1)
V(13) = 0.04 rad/sec = 4 × V(1)
V(14) = 0.03 rad/sec = 3 × V(1)
V(15) = 0.02 rad/sec = 2 × V(1)
V(16) = 0.01 rad/sec = 1 × V(1)
V(17) = 0.00 rad/sec
제11도에 도시한 바와같이 가감속 구간에서 다음식이 만족되도록 한다.
H1= H4= 0.008 rad/msec
H2= H3= 0.1 rad/msec
이렇게 하면, 제12도에 도시한 바와같이 두 빗금친 부분(W3)(W4)의 면적이 동일하므로 본 발명의 부드러운 속도명령에 의해 로보트가 이동되는 량은 제10도에 도시한 바와 같은 사다리꼴 형태의 속도명령과 동일하다는 것을 알 수 있다.
이때, 제1 실제예에서와 마찬가지로 부드러운 형태의 속도명령 비율을 미리 기억장치에 저장하여 사다리꼴 형태의 속도명령을 생성한 후 이 생성된 속도명령값에 상기 비율값을 승산해서 속도명령을 생성한다. 여기에서, 속도명령은 가감속시간이 같은 사다리꼴형태의 속도명령을 이용해도 되며, 또 가감속시간이 다른 속도명령을 이용해도 되는 것은 물론이다. (제8도 내지 제14도 참조).
상기 기억장치에 저장된 비율값은 r1=0.2, r2=0.5, r3=1, r4=1.25, r5= 1.16, r6=1이므로
샘플링 시간 Ts=1mse, 최대속도 Vmax=0.06rad/msec
가감속 시간 Ta=6msec, 이동해야할 거리 D=0.66rad을 만족할 수 있는 부드러운 형태의 속도명령으로 사다리꼴 형태의 속도명령을 얻은 후 다음과 같은 방법으로 구한다.
매 샘플랭 시간마다의 필요속도는,
V(1) = 0.2 × 0.01 rad/sec = 0.002 rad/sec
V(2) = 0.5 × 0.02 rad/sec = 0.010 rad/sec
V(3) = 1 × 0.03 rad/sec = 0.03 rad/sec
V(4) = 1.25 × 0.04 rad/sec = 0.05 rad/sec
V(5) = 1.16 × 0.05 rad/sec = 0.058 rad/sec
V(6) =V(7) =V(8) =V(9) =V(10) =V(11) =1 × 0.06 rad/sec = Vmax
V(12) = 1.16 × 0.05 rad/sec = 0.058 rad/sec
V(13) = 1.25 × 0.04 rad/sec = 0.05 rad/sec
V(14) = 0.2 × 0.03 rad/sec = 0.03 rad/sec
V(15) = 0.5 × 0.02 rad/sec = 0.010 rad/sec
V(16) = 0.2 × 0.01 rad/sec = 0.002 rad/sec
V(15) = 0.00 rad/sec가 된다.
이상 설명한 로보트의 구동경로 계획방법을 정리하면 다음과 같다.
샘플링 타임 Ts, 최대속도 Vmax, 가감속시간 Ta, 이동해야할 거리 D가 주어지면 우선 이에 대응되는 사다리꼴 형태의 속도 파형을 제13도에 도시한 바와같이 구한다.
이때, 전체 속도명령 지속시간
순간 속도 명령
이후, 제14도에 도시한 바와같이 부드러운 형태의 속도파형을 생성한다.
즉, 제14도에 도시한 바와같이 가감속 구간에서 그 구간에 해당되는 비율값이 미리 기억장치에 저장되어 있으므로 이 저장된 비율값을 다음과 같이 승산하여 얻어내는 것이다.
이상 설명한 바와같이 본 발명의 실시예에서는 가감속 시간이 동일한 사다리꼴 형태의 속도 명령을 기준으로 설명하였으나, 가감속 시간이 다른 사다리꼴 형태의 속도명령 생성에도 마찬가지로 적용이 가능함은 물론이다.
이와같이 본 발명의 로보트 구동경로 계획방법에 의하면, 로보트의 구동경로에 대한 속도명령을 부드럽게 발생시키므로 로보트의 몸체에 가해지는 충격을 방지하여 기기 손상을 방지함은 물론, 속도명령 발생시간을 대폭 단축시키는 등의 커다란 효과가 있는 것이다.

Claims (3)

  1. 로보트의 아암의 종단부에 위치한 엔드-이펙터를 한 지점에서 이동시키기 위하여 각각의 축에 부착된 써보모터를 구동시키도록 원하는 위치량 만큼 이동시키기 위해서 주어진 샘플링 시간, 최대속도, 가감속시간, 이동해야 할 거리를 만족시키는 일정 형태의 속도명령 파형을 생성하는 속도명령파형 생성 단계와, 전체속도명령 지속시간을 구하고, 가감속 구간에서의 매 샘플링 시간마다의 필요속도 및 필요이동량을 구하는 속도 및 이동량 연산 단계와, 상기 가감속구간에서의 매 샘플링 시간마다의 필요속도 및 필요이동량을 써보모터에 인가하여 로보트가 계획된 경로를 구동토록하는 로보트 구동단계를 이루어진 로보트의 구동경로 계속방법에 있어서, 상기 속도명령은 가감속시간에서 매 샘플링시간마다 사다리꼴 형태의 속도명령에 대응하는 부드러운 형태의 속도명령 비율을 미리 기억장치에 저장하여 우선 사다리꼴 형태의 속도명령을 생성한 후 이 생성된 속도명령값에 상기 기억장치에 기억된 비율값을 승산하는 방법으로 생성하는 것을 특징으로 하는 로보트의 구동경로 계획방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 속도명령은 가감속시간이 같은 사다리꼴형태 속도명령을 이용하는 것을 특징으로 하는 로보트의 구동경로 계획방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 속도명령은 가감속시간이 다른 사다리꼴형태의 속도명령을 이용하는 것을 특징으로 하는 로보트의 구동경로 계획방법.
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