KR0183675B1 - 매니퓰레이터의 위치제어방법 - Google Patents

Abstract

산업용 로보트나 그밖의 위치제어 기능이 요구되는 각종 기계장치들에 적용가능한 매니퓰레이터의 위치제어방법이 개시되어 있다. 개시의 방법은 로보트의 조립공차나 매니퓰레이터의 주변환경 변화에 따른 위치제어의 오차발생 문제를 해결하기 위하여 힘센서로부터 현재의 접촉력을 측정하고 이를 목표접촉력과 비교하는 단계를 포함한다. 그리하여 그 접촉력이 목표접촉력에 이를때까지 매니퓰레이터의 이동을 지속시킨다. 따라서 매니퓰레이터는 어떤 환경변화에 관계없이 목표위치로 정확히 이동하게 된다. 개시의 방법은 고도한 기계가공을 비롯 각종 자동화기계의 정밀제어에 유효하다.

Description

매니퓰레이트의 위치제어방법

제1도는 본 발명의 일실시예에 따른 매니퓰레이터의 위치제어방법이 적용된 산업용 로봇의 측면도.

제2도의 제1도의 산업용 로봇의 주요부를 도시한 사시도.

제3도는 제2도의 제어기를 나타낸 회로 계통도.

제4도는 본 발명에 따른 위치제어방법을 설명하기 위한 플로우챠트.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 로봇 2 : 아암

3 : 회동레버 4 : 공구

5 : 힘센서 6 : 힘센서 제어기

7 : 로봇 제어기 8 : 공작물

본 발명은 예를 들어 산업용 로봇이나 그 밖의 위치제어 기능이 요구되는 각종 기계장치들에 적용 가능한 매니퓰레이터(manipulator)의 위치제어방법에 관한 것으로서, 상세하게는 대상물과의 접촉력 측정을 통해 정밀위치 이동이 가능한 매니퓰레이터의 위치제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 산업용 로봇은 각 관절에 힘을 내는 적어도 하나의 액튜에이터와 각 관절각을 측정하는 위치센서(혹은 타고메타와 같은 속도센서)를 가지고 있으며, 매니퓰레이터를 원하는 위치로 이동시키기 위하여 그 액튜에이터의 토오크 명령을 계산하는 알고리즘으로 그 위치(속도)센서를 추적하는 위치제어 시스템에 의해 운용되고 있다.

이와 같은 로봇을 사용하여 어떤 일을 하기 위해서는 사용자는 로봇 매니퓰레이터가 이동해야 할 경로를 미리 입력시키게 된다. 그런데, 디버링(deburring)이나 그라인딩(grinding) 등의 기계가공을 행하기 위하여, 매니퓰레이터가 강성을 갖는 공작물과 접촉하는 경우에는 그 위치제어에 있어서, 과다한 힘이 발생되거나 또는 접촉상태를 상실할 수 있는 등 그 위치제어에 곤란한 점이 수반된다. 이때, 매니퓰레이터는 동시에 모든 방향으로 구속되는 일이 거의 없다. 다라서, 일반적으로는 매니퓰레이터의 정밀위치제어를 위하여, 매니퓰레이터의 접촉력을 감안한 혼합제어(mixed or hybrid control) 시스템을 운용하게 된다.

혼합제어 시스템의 한 예로서, 종래에는 매니퓰레이터의 접촉력을 측정하는 힘센서를 구비하여, 매니퓰레이터가 공작물의 표면에 대해 수직으로 유지하여야 할 힘을 지정해 주고 그 위치를 제어하는 소위, 복합 위치/힘 제어시스템을 운용하였다. 잘 알려진 바와 같이 이러한 시스템은 매니퓰레이터의 말단효과장치(공구, 집게 등)와 공작물의 손상을 방지하고 소정의 기능을 원할히 수행하는 데만 주효하고, 로봇 부품의 조립공차, 공작물의 고정위치오차 등에 기인한 위치제어에러의 발생에 의한 매니퓰레이터의 정밀위치제어가 어렵고, 특히 기계가공의 경우 공구의 마모에 따른 오차의 발생 때문에 아무리 교시상자를 이용하더라도 매니퓰레이터의 이동위치와 그 자세를 정확히 지정할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, 고도한 기계가공 등을 가능케 하기 위한 것으로서, 매니퓰레이터의 접촉력을 측정하는 힘센서로부터 위치에러를 보상하여 정밀 위치의 이동할 수 있는 위치제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 위치센서로부터 현재위치를 측정하고 그 현재위치에 따라 액튜에이터의 토오크 명령을 계산하여 매니퓰레이터를 목표위치로 이동시키는 매니퓰레이터의 위치제어방법에 있어서:(a) 힘센서를 사용하여 이동 위치에서의 매니퓰레이터의 접촉력을 측정하는 단계; (b) 상기 측정된 접촉력이 설정된 목표 접촉력보다 크거나 같을 때까지 상기 매니퓰레이터를 이동시키는 단계; 를 포함한다.

즉, 본 발명에 의한 매니퓰레이터의 위치제어방법에 있어서는 종래 매니퓰레이터가 공작물의 접촉면에 대해 수직으로 유지되어야 할 힘을 지정하기 위하여 채용하였던 힘센서의 단순 기능을 넘어서, 그 힘센서의 측정값으로부터 기구공차 및 주변 환경변화에 따른 위치제어 에러를 보상하는 점에 그 특징이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위치제어방법을 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 매니퓰레이터의 위치제어방법이 적용되는 수직다관절 로봇(1)을 도시한 측면도이다. 이 로봇(1)의 매니퓰레이터는 제2도에서 단말의 아암(2)의 일단에 연결되어 X-Y평면을 움직일 수 있는 회동레버(3)와, 이 회동레버(3)의 자유단에 결합된 공구(4)를 포함한다. 그리고, 아암(2)과 회동레버(3) 사이에는 힘센서(5)가 설치되어 있다. 힘센서(5)는 예컨대, 여러 쌍의 스트레인 게이지(strain gauges)가 +자형으로 결합되어 전압분할(voltage divider) 방법으로 연결된 구조로서, X,Y,Z의 3차원 공간의 임의의 방향에 대한 회동레버(3)의 부하(F_x,F_y,F_z)를 측정하는 3차원 힘센서를 사용한다. 이 힘센서(5)는 힘센서 제어기(6)를 통하여 로봇 제어기(7)와 연결된다.

제3도를 참조하면, 힘센서(5)가 읽어들인 측정값은 힘센서 제어기(6)를 통하여 통상의 로봇 제어기(7)의 입출력부(71)를 경유하여 중앙처리부(72)를 비롯한 각부로 전달된다. 참고로 도면에는 도시되어 있지 않으나 로봇의 관절 부위에는 매니퓰레이터의 공구(4)가 제2도에서 보는 바와 같이, 공작물(8)과 접촉하는 위치로 이동할 수 있도록 아암들을 움직이는 적어도 하나의 액튜에이터와, 그 위치를 측정하는 위치센서가 설치된다.

상기 로봇 제어기(7)는 본 발명에 따른 위치제어방법의 소정 수순에 따라 로봇의 액튜에이터를 제어하며, 그 위치제어방법의 수순을 제4도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 힘센서 제어기(6)를 초기화한 상태에서, 매니퓰레이터의 공구(4)와 공작물(8)과의 사이에 설정된 목표접촉력(F)을 설치하고, 위치센서로부터 읽어들인 공구(4)의 현재위치(P₁=X₁,Y₁,Z₁)와, 목표위치(P₂=X₂,Y₂,Z₂)를 설정한다. 그리고, 그 현재위치(P₁)로부터 목표위치(P₂)까지의 전체 이동거리에 대한 이동방향과 샘플링 시간 동안의 이동량(△X,△Y,△Z)을 구하여 현재위치(P₁)에 그 이동량(△X,△Y,△Z)을 더한 이동위치(P₃)를 결정한다. 그런 다음 로봇 제어기(7)는 그 현재위치(P₁)의 공구(4)가 설정된 이동위치(P₃)로 이동하도록 액튜에이터에 토오크 명령을 보낸다. 그러면, 매니퓰레이터의 공구(4)는 그 이동위치(P₃)로 이동하게 된다. 여기서, 로봇의 운동 영역은 크기와 방향이 주어지는 실질적인 벡터장인 반면, 힘센서(5)에 의한 목표값과의 비교 등은 그 힘센서의 성능, 종류 등에 따라 달라질 수도 있다. 따라서, 본 실시예에서 설명되는 모든 힘은 기본적으로 벡터값이며 다만, 계산상의 편의를 위해 벡터량의 절대값으로 계산될 수도 있다.

다음, 로봇 제어기(7)는 그 입출력부(71)와 연결되어 있는 힘센서 제어기(6)를 통하여 그 이동위치에서의 공구(4)를 구속하는 힘센서(5)의 접촉력(F')을 측정한 후, 그 접촉력(F')과 상기 설정된 목표접촉력(F)을 비교하고, 이동위치(P₃)의 접촉력(F')이 목표접촉력(F)보다 작을 경우에 상기 현재 이동위치(P₃)로부터 샘플링 시간 동안의 이동량(△X,△Y,△Z)을 재차 더한 다른 이동위치로 더 이동하도록 액튜에이터에 새로운 토오크 명령을 보낸다. 이러한 동작은 그 이동위치의 접촉력이 목표접촉력과 같거나 그보다 클 때까지 반복되는 것이다. 무릇 그 접촉력(F')이 목표접촉력(F)과 같거나 클 경우(F'≥F)에는 공구(4)가 목표위치(P₂)에 이동한 것으로 판단하여 그 이동을 정지시키는 것이다.

즉, 본 발명에 따른 위치제어는 매니퓰레이터 공구의 위치 이동중에 그 공구와 공작물간의 접촉력을 순시적으로 측정하고 측정된 접촉력이 목표접촉력과 같거나 커질 때까지 그 이동을 지속함으로써 매니퓰레이터의 공구 이동을 제어하는 것이다. 따라서, 본 발명에 있어서는 로봇 자체의 조립공차나 공구의 기계적 마모 등의 주변 환경 변화에 영향을 받지 않고 매니퓰레이터의 정밀한 이송 위치제어를 행할 수 있다.

이상 설명된 바와 같이, 본 발명은 산업용 로봇이나 그 밖의 위치제어가 요구되는 각종 기계장치의 매니퓰레이터에 대한 정밀한 위치제어를 가능케 하는 발명으로서, 기계가공을 위한 매니퓰레이터의 경우 고도의 기계가공을 수행할 수 있는 등 지극히 효과적인 발명이다.

Claims (2)

1. 위치센서로부터 현재위치를 측정하고 그 현재위치에 따라 액튜에이터의 토오크 명령을 계산하여 매니퓰레이터를 목표위치로 이동시키는 매니퓰레이터의 위치제어방법에 있어서:(a) 힘센서를 사용하여 이동 위치에서의 매니퓰레이터의 접촉력을 측정하는 단계; (b) 상기 측정된 접촉력이 설정된 목표 접촉력보다 크거나 같을 때까지 상기 매니퓰레이터를 이동시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터의 위치제어방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 (b)단계는, 상기 현재위치로부터 상기 목표위치까지 전체 이동거리에 대한 샘플링 시간 동안의 이동량을 설정하여 상기 현재위치에 그 이동량을 더한 만큼 이동시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터의 위치제어방법.