KR100218106B1 - 듀얼-암 로봇의 충돌 방지 제어 방법 - Google Patents

듀얼-암 로봇의 충돌 방지 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 듀얼-암 로봇 시스템에 관한 것으로서, 특히 서로 다른 작업을 하는 두 암의 충돌을 검사하는 기능을 두어 암의 충돌이 발생하는지 판단하고, 충돌이 가능한 상태인 경우에는 암에 대한 상세한 모델링을 실시하여 충돌을 검출하는 단계를 수행함으로써, 로봇 암의 충돌 계산에 소요되는 시간을 단축시킨 듀얼-암 로봇의 충돌 방지 방법에 관한 것이다.

Description

듀얼-암 로봇의 충돌 방지 제어 방법
본 발명은 듀얼-암(Dual Arm) 로봇시스템에 관한 것으로서, 특히 두 대의 로봇이 하나의 베이스 위에 고정되어 있는 듀얼-암 로봇시스템을 제어하는 데 있어서, 두 로봇이 서로 충돌을 하지 않고 작업을 할 수 있도록 로봇 암의 충돌을 빠르게 검출하는 방법을 구현한 듀얼-암 로봇의 충돌 방지 제어 방법에 관한 것이다.
도 1 은 일반적인 듀얼-암 로봇시스템을 나타낸 도면으로서, 듀얼-암 로봇(10)과 시스템제어부(20)를 포함한다.
한편, 상기 듀얼-암 로봇(10)은, 각각 독립적인 작업을 수행하는 두 대의 로봇을 지지하는 지지부재(11)와, 상기 지지부재(11)에 설치되고 소정의 제어신호에 따라 각각 특정 작업을 수행하는 제 1 및 제 2 암(13,15)(17,19)으로 구성되어 있다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 암(13,15)(17,19)은 각각 지지부재(11)에 연결되어 소정의 궤적을 따라 작동하는 제 1 링크(13)(17)와, 상기 제 1 링크(13)(17)에 연결되어 작동되고 소정의 프로그램에 따라 특정의 작업을 수행하는 제 2 링크(15)(19)로 구성되어 있다.
또한, 시스템제어부(20)는 소정의 프로그램을 설정하고, 설정된 프로그램에 따라 듀얼-암 로봇의 제 1 및 제 2 암(13,15)(17,19)의 작동을 각각 독립적으로 제어하도록 구성되어 있고, 제 1 및 제 2 암의 이동궤적이 저장된 공유메모리를 통하여 제 1 및 제 2 암의 링크가 상호 충돌하지 않도록 제어한다.
상기와 같이 구성된 종래의 듀얼-암 로봇의 시스템제어부(20)는 지지부재(11)에 설치된 제 1 및 제 2 암(13,15)(17,19)을 독립적으로 제어하게 되는 데. 단위시간마다 각각의 암(13,15)(17,19)이 이동해야 할 궤적(Trajectory)을 생성한다.
이렇게 생성된 궤적에 대하여 각 암에 대한 직사각형 모델링을 한 후, 모델링된 정보가 다른 암의 직사각형 모델링 간에 중첩이 발생하지 않으면, 새 궤적에 대한 모델링 정보를 공유메모리에 저장한 후 로봇의 각 암을 구동하게 된다.
한편, 상기 모델링에 중첩이 발생하면, 새로 생성된 궤적을 무시하는 단계를 거쳐서 로봇을 감속 정지하게 된다.
이어서, 새로운 궤적을 생성하는 단계를 반복하여 새 궤적을 생성하게 되며, 이 궤적이 다른 암과 충돌이 일어나는지를 검사하는 것을 반복하여 로봇의 암이 충돌 상태에서 해제되면, 새로운 궤적을 따라 이동하게 된다.
상기 새로운 궤적이 목표위치인 경우 궤적 생성을 종료하게 된다.
따라서, 상기와 같이 종래기술은 로봇 암의 충돌을 검출하기 위한 암의 모델링단계에서 각 암의 모델링을 직사각형 형태로 하고 있고, 충돌검출단계에서 직사각형 모델링 결과를 모두 비교하여 충돌 및 모델링 계산을 하므로, 충돌 계산 시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 서로 다른 작업을 하는 두 암의 충돌을 검사하는 기능을 두어 암의 충돌이 발생하는지 판단하고, 충돌이 가능한 상태인 경우에는 암에 대한 상세한 모델링을 실시하여 충돌을 검출하는 단계를 수행함으로써, 각 암의 궤적상에서 링크의 충돌계산시간을 단축시킨 듀얼-암 로봇의 충돌 방지 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 듀얼-암 로봇의 충돌 방지 방법은, 단위시간 후 이동될 각 암의 궤적을 생성하여 계산하고, 두 로봇 링크의 위치를 직각좌표계 상에서 구하는 단계와; 상기 좌표상에서 구한 각 암의 궤적 데이터는 링크의 중첩이 발생할 수 있는 위치 데이터인가를 판단하는 제 1 판단단계와; 상기 판단단계에서 각 링크가 중첩될 수 있는 데이터이면, 소정 링크의 끝과 다른 암의 링크와 충돌하는 위치데이터인가를 판단하는 제 2 판단단계와; 상기 판단단계에서 각 링크가 충돌하는 데이터가 아니면, 소정 암의 링크가 서로 중첩되어 교차되는 위치데이터인가를 판단하는 제 3 판단단계와; 상기 제 2 및 제 3 판단단계에서 각 암의 링크가 충돌 또는 교차되는 데이터이면, 새 궤적을 무시하고 로봇을 감속정지시키는 단계와; 상기 제 2 및 제 3 판단단계에서 각 암의 링크가 충돌 및 교차되는 데이터가 아니면, 소정의 궤적 프로그램에 따라 각 암의 링크를 구동시키는 단계; 및 상기 단계를 수행한 후, 각 암의 링크가 목표위치에 도달하였는가를 판단하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 한다.
도 1 은 일반적인 듀얼-암 로봇시스템을 나타낸 도면이다.
도 2 은 본 발명에 의한 듀얼-암 로봇의 충돌 방지 제어 과정을 나타낸 플로우챠트이다.
도 3 내지 도 6 은 상기 도 2 에 의한 각 암의 충돌 여부를 검출 및 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : XY 로봇. 11 : 지지부재.
13 : 제 1 암의 제 1 링크. 15 : 제 1 암의 제 2 링크.
17 : 제 2 암의 제 1 링크. 19 : 제 2 암의 제 2 링크.
20 : 시스템제어부.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2 은 본 발명에 의한 듀얼-암 로봇의 충돌방지 제어 과정을 나타낸 플로우챠트로서, 상기 도 1을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 기술하면 다음과 같다.
먼저, 시스템제어부(20)는 단위시간마다 이동할 로봇의 궤적을 생성하여 계산하고, 제 1 암(13,15)과 제 2 암(17,19)에 대한 각 링크의 위치를 직각좌표계 상에서 구하는 단계를 수행한다(S1).
상기 직각좌표계 상에서 구한 각 암(13,15)(17,19)의 궤적 데이터는 링크의 중첩이 발생할 수 있는 위치 데이터인가를 판단하는 제 1 판단단계를 수행한다(S2).
상기 제 1 판단단계에서 각 암(13,15)(17,19)의 링크가 중첩될 수 있는 데이터이면 소정 링크의 끝과 다른 암의 링크와 충돌하는 위치데이터인가를 판단하는 제 2 판단단계를 수행하고(S3), 상기 판단단계(S3)에서 각 링크가 충돌하는 데이터가 아니면 각 암의 링크가 서로 중첩되어 교차되는 위치데이터인가를 판단하는 제 3 판단단계를 단계를 수행한다(S4).
상기 제 2 및 제 3 판단단계(S3, S4)에서 각 암(13,15)(17,19)의 링크가 충돌 또는 교차되는 데이터이면, 새 궤적을 무시하고 로봇을 감속정지시킴으로써 링크의 충돌을 방지하고(S31,S32), 각 암의 궤적을 생성하는 단계(S1)부터 재수행한다.
상기 제 2 및 제 3 판단단계(S3, S4)에서 각 암(13,15)(17,19)의 링크가 충돌 및 교차되는 데이터가 아니면, 소정의 궤적 프로그램에 따라 각 암의 링크를 구동시키는 단계를 수행한다(S5).
상기 단계(S5)를 수행한 후, 각 암의 링크가 사용자가 원하는 기준점 즉, 프로그램한 정확한 목표위치에 도달하였는가를 판단하는 단계를 수행하고, 각 링크가 정확한 목표위치에 도달하였으면 종료한다(S6).
한편, 상기 제 1 판단단계(S2)에서 각 링크가 중첩되지 않는 데이터이면, 각 링크의 궤적 데이터를 시스템제어부의 공유메모리에 저장하고, 상기 프로그램에 따라 각 암의 링크를 구동시키는 단계(S5)부터 수행한다(S21).
즉, 상기와 같은 방법으로 듀얼-암 로봇의 각 링크(13,15)(17,19)의 충돌을 검출하고 판단하고, 상기 제 1 판단단계(S2)에서 충돌이 발생하지 않는다면, 더 이상의 링크 충돌을 검출하지 않으므로 충돌검출에 대한 계산 시간을 줄일 수 있게 된다.
도 3 내지 도 6 은 상기 도 2 에 의한 각 암의 충돌 여부를 검출 및 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 상기 도 1 및 도 2를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 도 3 은 본 발명에 의한 듀얼-암 로봇의 암을 XY좌표계에 도시한 도면으로서, 제 1 및 제 2 암(13,15)(17,19)의 제 1 링크(13)(17)와 제 2 링크(15)(19)를 각각 나타낸 것이다.
상기 제 1 및 제 2 암(13,15)(17,19)이 X-Y 평면상에 있을 때 각 링크의 양끝 조인트의 표시는 (Xmin,Xmax) (Ymin,Ymax)로 표시될 수 있다.
도 4 는 상기 도 2의 제 1 판단단계(S2)의 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 제 1 암(13,15)의 2링크(15) 및 제 2 암(17,19)의 2링크(19)의 영역이 XY좌표상에 표시되고 각각의 위치를 X11, X12, X21, Y11, Y12, Y21, 및 X22, Y22라고 할 때 다음 식 1의 조건인 경우에는 제 1 단계 충돌이 일어난다고 판단을 한다.
식 1
(X21≥X12)∩(X22≥X11)∩(Y21≥Y12)∩(Y22≥Y11)
(단, Xx : X축의 임의의 좌표값, Yy : Y축의 임의의 좌표값)
즉, 시스템제어부(20)는 각 암의 링크(15)(19)의 끝이 이루는 영역을 식 1과 같이 비교하여 각 암의 충돌이 발생하는지를 판단한다.
다음으로, 도 5 는 상기 도 2의 제 2 판단단계(S3)의 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 한 링크(15)가 다른 링크(19)에 근접하게 된 경우 두 링크의 충돌이 발생하는지를 판단하기 위한 것이다.
이때, 두 링크(15)(19)의 두께의 1/2을 각각 R1, R2라고 하는 경우 충돌의 조건은 다음 식 2와 같이 표현되어 진다.
식 2
d = R1 + R2
(단, d : 제 1 암의 두께 중심과 제 2 암의 두께 중심 간의 수직거리, R1 : 제 1 암의 링크 두께의 절반두께, R2 : 제 2 암의 링크 두께의 절반두께를 의미.)
d = Δx·sinθ = Δy·cosθ
(단, Δx : 제 2 암의 링크 중심과 제 1 암으로 링크 중심과의 X축거리, Δy : 제 2 암의 링크 중심과 제 1 암으로 링크 중심과의 Y축거리, θ : 제 1 암의 두께 중심선과 Δy 선과 만나는 사이각.)
즉, 제 1 판단단계에서 각 암이 충돌할 수 있는 경우에는 식 2와 같이 2단계 충돌검사를 수행한다.
마지막으로, 도 6 은 상기 도 2의 제 3 판단단계(S4)의 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 상기 식 1 및 식 2와 같이 충돌검사를 수행한 후, 각 암의 링크(15)(19)가 충돌되지 않는다고 판단될 경우 다시 각 링크가 중첩되지 않는지를 판단하는 방법을 수행한다.
제 3 단계 충돌검사는 두 개의 링크(15)(19)가 서로 교차되는가를 판단하는 단계로서 두 개의 링크의 양끝(Joint)을 X-Y 좌표의 원점 0에 대한 벡터로 표시하게 되면 a, b와 같이 표시할 수 있다. 이때, 다음 식3과 같은 판단 조건이 만족하는 경우 두 개의 링크가 교차되게 된다.
식 3
sign(e12·e11 × e12·e22) ≠ sign(e12·e21 × e12·e22)
(단, sign(x) : x≥0 이면 1, x＜0 이면 -1을 표시함.)
따라서, 상술한 바와 같이 듀얼-암 로봇 시스템의 제어에 있어서, 두 개의 암이 서로 독립적인 작업을 하면서 서로 충돌이 발생하는지를 판단하기 위한 과정을 3단계의 충돌검출 알고리즘을 통하여 각 암의 충돌 여부를 보다 빠르게 판단 및 계산할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 단위시간 후 이동될 각 암의 궤적을 생성하여 계산하고, 두 로봇 링크의 위치를 직각좌표계 상에서 구하는 단계와; 상기 좌표상에서 구한 각 암의 궤적 데이터는 링크의 중첩이 발생할 수 있는 위치 데이터인가를 판단하는 제 1 판단단계와; 상기 판단단계에서 각 링크가 중첩될 수 있는 데이터이면, 소정 링크의 끝과 다른 암의 링크와 충돌하는 위치데이터인가를 판단하는 제 2 판단단계와; 상기 판단단계에서 각 링크가 충돌하는 데이터가 아니면, 소정 암의 링크가 서로 중첩되어 교차되는 위치데이터인가를 판단하는 제 3 판단단계와; 상기 제 2 및 제 3 판단단계에서 각 암의 링크가 충돌 또는 교차되는 데이터이면, 새 궤적을 무시하고 로봇을 감속정지시키는 단계와; 상기 제 2 및 제 3 판단단계에서 각 암의 링크가 충돌 및 교차되는 데이터가 아니면, 소정의 궤적 프로그램에 따라 각 암의 링크를 구동시키는 단계; 및 상기 단계를 수행한 후, 각 암의 링크가 목표위치에 도달하였는가를 판단하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 듀얼-암 로봇의 충돌 방지 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 판단단계에서, 각 링크가 중첩되지 않는 데이터이면, 각 링크의 궤적 데이터를 시스템제어부의 공유메모리에 저장하고, 상기 프로그램에 따라 각 암의 링크를 구동시키는 단계부터 수행하는 것을 특징으로 하는 듀얼-암 로봇의 충돌 방지 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 판단단계는, 직각좌표계 상에서 각 링크의 끝이 이루는 영역을 아래 수식과 같이 비교하는 방법을 사용하여 각 링크의 충돌 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 듀얼-암 로봇의 충돌 방지 제어 방법.
    식
    (X21≥X12)∩(X22≥X11)∩(Y21≥Y12)∩(Y22≥Y11)
    (단, Xx : X축의 임의의 좌표값, Yy : Y축의 임의의 좌표값)
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 판단단계는, 아래 수식과 같은 방법을 사용하여 각 링크의 충돌 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 듀얼-암 로봇의 충돌 방지 제어 방법.
    식
    d = R1 + R2
    (단, d : 제 1 암의 두께 중심과 제 2 암의 두께 중심 간의 수직거리, R1 : 제 1 암의 링크 두께의 절반두께, R2 : 제 2 암의 링크 두께의 절반두께를 의미.)
    d = Δx·sinθ = Δy·cosθ
    (단, Δx : 제 2 암의 링크 중심과 제 1 암으로 링크 중심과의 X축거리, Δy : 제 2 암의 링크 중심과 제 1 암으로 링크 중심과의 Y축거리, θ : 제 1 암의 두께 중심선과 Δy 선과 만나는 사이각.)
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 판단단계는, 아래 수식과 같은 방법을 사용하여 각 링크의 중첩 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 듀얼-암 로봇의 충돌 방지 제어 방법.
    식
    sign(e12·e11 × e12·e22) ≠ sign(e12·e21 × e12·e22)
    (단, sign(x) : x≥0 이면 1, x＜0 이면 -1을 표시함.)
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