KR101660064B1 - 사전 결정된 경로를 매니퓰레이터가 주행하게 하기 위한 방법, 및 이러한 방법을 실행하기 위한 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사전 결정된 경로 (x(s)) 를 매니퓰레이터 (1), 특히 로봇의 엔드 이펙터 (TCP) 가 주행하게 하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 매니퓰레이터는 상기 사전 결정된 경로와 관련하여, 동일한 엔드 이펙터 자세에 할당되어 있는 적어도 2 개의 매니퓰레이터 위치 (q, q') 를 가진 영공간을 구비하며, 본 발명에 따른 방법은 다음의 단계: 상기 영공간 안에서의 매니퓰레이터의 내려짐 (q - q') 을 검출하는 단계; 상기 검출된 내려짐에 상응하여 엔드 이펙터의 공정변수 (dx/dt) 를 변경시키는 단계를 포함한다.

Description

사전 결정된 경로를 매니퓰레이터가 주행하게 하기 위한 방법, 및 이러한 방법을 실행하기 위한 제어 장치 {METHOD FOR ALLOWING A MANIPULATOR TO COVER A PREDETERMINED TRAJECTORY, AND CONTROL DEVICE FOR CARRYING OUT SAID METHOD}

본 발명은 사전 결정된 경로를 매니퓰레이터, 특히 로봇의 엔드 이펙터 (end effector) 가 주행하게 하기 위한 방법, 이러한 방법을 실행하기 위한 제어 장치, 및 이러한 제어 장치를 가진 매니퓰레이터, 특히 로봇에 관한 것이다.

매니퓰레이터의 전형적인 과제는 사전 결정된 경로를 그의 엔드 이펙터를 갖고 주행하는 것이다. 경로는 예컨대 직접적인 프로그래밍 ('direct teaching'), 즉 학습 모드에서의 원하는 자세로의 엔드 이펙터의 수동 (manual) 안내를 통해, 또는 간접적인 프로그래밍 ('off-line programming'), 즉 원하는 엔드 이펙터 자세의 역 (inverse) 키네메틱스 (kinematics) 에 상응하는 관절 각도들의 목표-진행의 작성을 통해 사전 결정되어 있을 수 있다.

자세는 예컨대 차원 n 의 벡터 x ∈ Rⁿ 에 의해 묘사될 수 있는 엔드 이펙터의 위치 (position) 및/또는 방위 (orientation) 를 포함한다. 그러면 엔드 이펙터의 경로는 예컨대 경로 파라미터 s 를 통해 매개변수화될 수 있으며 (x = x(s)), 상기 경로 파라미터를 매니퓰레이터는 정상 작동시 시간 프로파일 ds/dt(t) 에 상응하여 처리하고, 따라서 엔드 이펙터는 상응하는 경로속도 dx/dt 를 갖고 상기 경로를 주행한다.

매니퓰레이터, 특히 독일항공우주센터 (DLR) 의 제품 시리즈 LBR I-IV 의 로봇과 같은 산업용 경량 로봇은 정상 작동시 매우 빨리 이동할 수 있기 때문에, 그리고 이는 경로의 직접적인 검사, 또는 오류가 있는 경로에 있어서 적시의 수동 (manual) 비상정지를 어렵게 하기 때문에, 특정한 경로 섹션들을 검사하기 위해 또는 다른 매니퓰레이터들과의 상호 작용을 검사하기 위해, 경로를 주행하는 동안 경로속도를 조작자에 의해 수동으로 (manually) 변경시키는 것, 예컨대 감소시키는 것이 기업 내부에 이미 알려져 있다. 다른 한편으로는, 정상 작동을 넘는 경로속도의 특정한 증대를 통해 바람직하게는 점진적으로 매니퓰레이터의 동적 한계가 검사될 수 있다.

기존에는 작동 동안의 경로속도의 이 변경 ('override') 은 제어 보드 (controll board) 에서의 조작 요소에 의해 매니퓰레이터의 제어 장치 안으로 수동으로 입력되었다. 하지만 이는 특히 조작자가 예컨대 로봇의 결합 공정을 근처에서 검사하고자 할 때, 그리고 이를 위해 경로속도를 상응하여 감소시키고자 할 때 번거롭다. 왜냐하면 이 경우 그는 수동으로 상기 조작 요소를 가동시켜야 하기 때문이다.

경로속도에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 매니퓰레이터의 및/또는 그에 의해 실행된 공정의 다른 공정변수 (process variable) 들을 변경시키는 것이 바람직할 수 있다. 이렇게 하여, 예컨대 결합 또는 용접 공정의 직접적인 프로그래밍시 매니퓰레이터의 가압력 또는 작업점에서의 용접 전류가 조작자에 의해 설정될 수 있어야 한다.

그러므로, 본 발명의 목적은 적어도 하나의 공정변수의 보다 편안한 변경을 가능하게 하는 것이다.

이 목적은 청구항 제 1 항의 방법을 통해 달성된다. 청구항 제 13 항은 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 장치를 보호하에 두고 있으며, 청구항 제 15 항은 이러한 제어 장치를 가진 매니퓰레이터를 보호하에 두고 있다.

매니퓰레이터는 그의 엔드 이펙터의 사전 결정된 경로와 관련하여 해공간 (solution space) 을 구비하며, 상기 해공간은 동일한 엔드 이펙터 자세에 할당되어 있는 모든 매니퓰레이터 위치들을 포함한다. 매니퓰레이터가 엔드 이펙터 자세를 나타낼 수 없으면, 해공간은 비어 있는 집합으로 변질된다. 예컨대 공간 안에서의 엔드 이펙터의 3차원 위치 및 방위 (상기 위치 및 방위는 각각 3 개의 좌표, 예컨대 데카르트 좌표 (Cartesian coordinates) 또는 극좌표 또는 오일러 또는 카르단 각도들 (Euler- or Cardan angles) 에 의해 묘사될 수 있다) 가 6축 매니퓰레이터에 의해 일대일 대응으로 실현 가능하면, 해공간은 상응하여 단 하나의 위치를 얻는다.

하지만 매니퓰레이터의 자유도의 개수 f 가 엔드 이펙터의 사전 결정된 자세의 차원 n 을 적어도 1 (f > n) 만큼 초과하면, 이 매니퓰레이터는 이 사전 결정된 경로와 관련하여, 경우에 따라서는 여러 번, 리던던트하며 (redundant), 즉 그의 해공간은 동일한 엔드 이펙터 자세에 할당되어 있는 적어도 2 개의 매니퓰레이터 위치를 포함한다. 이하, 여러 위치들 둘레로 확대된 이러한 해공간은 '영공간 (null space)' 이라고 불리운다. 이는 한편으로는 매니퓰레이터가 상기 언급된 DLR 의 경량 로봇 LBR III 또는 IV 처럼 7 개 이상의 자유도를 가짐으로 인해 생긴다. 다른 한편으로는, 예컨대 6암 (arm) 산업용 로봇의 마지막 회전축의 방향으로 구멍을 뚫을 때 공간축과 관련된 엔드 이펙터의 방위가 중요하지 않은 경우에는, 엔드 이펙터의 사전 결정된 위치의 차원 n 은 6 개보다 작을 수도 있다. 즉, 이 경우 매니퓰레이터는 경로와 관련하여 태스크 리던던트하며, 그리고 끝없이 많은, 동일한 엔드 이펙터 자세 x ∈ R⁵ 에 할당되어 있는 매니퓰레이터 위치들을 얻는다.

이제 본 발명의 기본이 되는 아이디어는, 매니퓰레이터의 하나 또는 다수의 공정변수를 변경시키기 위해 또는 사전 결정하기 위해 매니퓰레이터의 이러한 리던던시 (redundancy) 를 이용하는 것이다.

이 경우, 매니퓰레이터에 의해 실행된 공정을 (함께) 결정하는 공정변수들에 관한 것일 수 있다. 예컨대 용접 공정 동안 매니퓰레이터에 의해 안내된 용접 집게의 용접 전류, 및 그의 경로속도는 용접 공정을 (함께) 결정하는 공정변수들이다. 결합 공정에 있어서, 예컨대 매니퓰레이터가 공작물을 결합하는데 이용되는 가압력은 결합 공정을 (함께) 결정하는 공정변수이다. 래커칠 공정에 있어서, 다시금 매니퓰레이터의 엔드 이펙터의 경로속도 및 컬러 분출은 래커칠 공정을 (함께) 결정하는 공정변수들이다. 이하, 본 발명은 변경될 수 있는 공정변수를 위한 예로서의 경로속도를 근거로 보다 상세히 설명된다. 하지만, 본 발명은 이에 제한되어 있지 않다 - 오히려 임의의 공정변수들이 변경될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 의미에서의 개념 '공정변수' 는 매니퓰레이터와 관련하여 조작자에 의해 설정 가능한 또는 변경 가능한, 특히 물리적 변수, 예컨대 매니퓰레이터에 의해 받쳐져 있는 및/또는 그의 작업영역을 비추는 광원의 광도, 매니퓰레이터의 작업셀 (working cell) 의 온도, 광학적 및/또는 음향적 디스플레이 등등을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시에서, 엔드 이펙터는 본 발명에 따른 제어 장치에 의해, 그 자체가 알려져 있는 방식으로, 사전 결정된 자세에서, 사전 결정된 경로에 상응하여 항상 움직여진다. 이를 위해, 제어 장치는 예컨대 엔드 이펙터를 위한 상응하는 자세 조절을 구비할 수 있다. 그러므로, 이 경우 '제어' 라는 개념은 조절, 즉 목표 크기 및 현재 크기, 및 이것들간의 조절 차이를 고려한 제어 변수들의 출력을 포함한다.

조작자에 의해 영공간 안에서의 매니퓰레이터 위치를 변경할 때에도, 사전 결정된 경로를 계속해서 따라갈 수 있다. 이를 위해, 조작자에 의한 매니퓰레이터의 운동을 가능하게 하는 어드미턴스 조절 (admittance regulation) 및 임피던스 조절 (impedance regulation) 의 여러 가지 실시가 알려져 있다. 예컨대 6암 산업용 로봇이 그의 엔드 이펙터를 갖고 경로 (상기 경로에 있어서 로봇의 마지막 회전축과 관련된 엔드 이펙터의 방위가 사전 결정되어 있지 않다) 를 따라가야 하면, 이 회전축을 위한 위치조절은 순 (pure) 비례 조절기의 비례상수의 상응하는 선택을 통해, 조작자가 수동으로 엔드 이펙터를 이 축 둘레로 회전시킬 수 있도록 부드럽게 작동될 수 있다. 상기 언급된 7축 LBR III 가 경로를 따라가면, 조작자는 상응하는 어디미턴스 조절에 있어서 예컨대 엘보우 (elbow) 를 수동으로 그의 위치 밖으로 누를 수 있으며, 이때 어드미턴스 조절은 엔드 이펙터를 계속해서, 3 개의 위치 및 3 개의 각도 좌표에 의해 명백히 사전 결정된 위치에서, 사전 결정된 경로를 따라 안내한다. 그러므로, 조작자에 의한 매니퓰레이터의 이러한 운동은 항상 그의 영공간 안에서의 매니퓰레이터의 내려짐 (putting down), 즉 영공간의 2 개의 매니퓰레이터 위치들간의 차이를 초래한다.

본 발명에 따르면, 이제 사전 결정된 경로를 매니퓰레이터 (상기 매니퓰레이터는 사전 결정된 경로와 관련하여, 동일한 엔드 이펙터 자세에 할당되어 있는 적어도 2 개의 매니퓰레이터 위치를 가진 영공간을 구비한다, 즉 사전 결정된 경로와 관련하여 리던던트하다) 의 엔드 이펙터가 주행할 때, 영공간 안에서의 매니퓰레이터의 내려짐이 검출되며, 그리고 적어도 하나의 공정변수, 예컨대 엔드 이펙터의 경로속도는 상기 검출된 내려짐에 상응하여 변경된다.

즉, 이로 인해 영공간 안에서의 매니퓰레이터의 내려짐이 원하는 공정변수의 척도로서 이용됨으로써, 주행되어야 하는 경로와 관련된 엔드 이펙터의 자세를 변경시키기 않으면서 공정변수는 간단한, 그리고 직접적인 방식으로 변경될 수 있다. 조작자는 매니퓰레이터를 직접 붙잡을 수 있고, 그리고 공정변수 변경을 위해 제어 보드 등등의 조작 요소를 가동시킬 필요가 없다.

이러한 명령 입력은 바람직하게는 직관적으로 (intuitively) 조작될 수 있다. 예컨대, 경로 방향으로의 매니퓰레이터의 움직임은 속도를 상승시킬 수 있으며, 경로 방향과 반대 방향으로는 감소시킬 수 있고, 또는 심지어 그의 부호 (sign) 를 변경시킬 수 있으며, 따라서 엔드 이펙터는 사전 결정된 경로에서, 뒤쪽으로 주행한다. 마찬가지로, 예컨대 LBR III 의 엘보우를 누르기 또는 한 방향으로의 그의 마지막 회전 관절에서의 산업용 로봇의 엔드 플랜지 (end flange) 의 회전은 속도 또는 가압력 증가를 초래할 수 있으며, 반대 방향으로의 끌어당김 또는 회전은 경로속도 또는 가압력의 감소를 초래할 수 있다.

경로속도 dx/dt 의 변경은 여러 가지 방식으로 실현될 수 있다. 예컨대, 사전 결정된 속도 사다리꼴 프로파일 ds/dt(s) 는 속도 상승을 위해서는 시간축의 방향으로 비례적으로 짧아질 수 있으며, 속도 감소를 위해서는 연장될 수 있다. 마찬가지로, 속도를 상승시키기 위해 또는 감소시키기 위해, 간단한 비례-미분-조절부에게는 사전 결정된 경로의 다가가야 하는 다음번 위치가 보다 이르게 또는 보다 늦게 목표값으로서 공급될 수 있다.

바람직하게는, 사전 결정된 경로의 각각의 엔드 이펙터 자세에 대해, 영공간의 매니퓰레이터 위치들 중 하나가 목표-매니퓰레이터 위치로서 사전 결정되어 있다. 이를 위해, 예컨대 경로 계획시 영공간의 매니퓰레이터 위치들 중 하나는 적합한 기준에 상응하여 선택될 수 있으며, 예컨대 주행이 최소의 시간 또는 에너지 비용을 요구하거나, 또는 선행하는 위치에 대한 그의 차이가 가장 적은 매니퓰레이터 위치가 선택될 수 있다. 마지막에 언급된 기준은 예컨대 다음번 위치로 다가갈 때 여러 가지 로봇위치들간의 원치 않은 도약을 저지할 수 있다. 매니퓰레이터의 수동 안내에 의한 직접적인 프로그래밍에 있어서, 목표 위치는 조작자가 매니퓰레이터를 티칭시 데려가는 각각의 위치로부터 저절로 발생한다.

그러면, 내려짐으로서는 실제의 매니퓰레이터 위치에 대한 이 목표-매니퓰레이터 위치의 차이가 검출될 수 있다. 매니퓰레이터가 조작자에 의해 그의 목표 위치 밖으로 움직여지면, 이는 매니퓰레이터가 다시 상기 목표 위치에 있지 않은 동안은 상응하여 지속적인 내려짐을 초래한다. 예컨대 6축 로봇의 엔드 이펙터의 특정한, 일정한 각위치 (angular position) 가 그의 마지막 회전축과 관련하여 목표 위치로서 사전 결정되어 있으면, 조작자에 의한 이 회전축에서의 엔드 이펙터의 영구적인 비틀림은 일정한 내려짐, 및 공정변수의, 예컨대 경로속도의 상응하는 변경을 초래한다.

본 발명의 제 1 실시에서 공정변수는 검출된 내려짐에 상응할 수 있으며, 예컨대 이것에 대해 비례적일 수 있다. 이를 위해, 내려짐의 특정한 크기, 예컨대 매니퓰레이터의 관절 각도들의 차이 벡터 (difference vector) 의 양 (amount) 에는 상응하여 공정변수가 할당될 수 있다. 상기 언급된 예에서, 예컨대 경로속도는 엔드 이펙터의 각위치에 의해 사전 결정될 수 있으며, 즉 각각의 각도에는 특정한 속도 dx/dt 가 상응한다.

제 2 실시에서, 내려짐의 특정한 크기에는 그 대신 공정변수의 변경이 할당될 수 있으며, 따라서 매니퓰레이터는 조작자가 내려짐을 발생시키는 동안은 예컨대 그의 속도를 상승시킨다. 여기에서도 변경은 내려짐에 대해 비례적으로 수행될 수 있으며, 즉 보다 큰 내려짐은 공정변수를 더 심하게 변경시킬 수 있다. 이 경우, 본래의 공정변수로의 복귀는 제 1 실시와는 달리 내려짐의 취소 뿐만 아니라 추가로 반대 방향에서의 후속하는 내려짐을 요구한다.

특히 조작자에게 알려져 있지 않은 목표 위치로부터의 내려짐은 상기 조작자에 의해 직관적으로 인식되기가 어렵기 때문에, 내려짐을 감소시키기 위한 조절이 실행되는 것이 바람직하다. 조작자가 매니퓰레이터를 놓아주면, 이것은 조절 때문에 그 후 독자적으로 영공간 안에서의 그의 목표 위치로 되돌아간다. 이는 한편으로는, 목표 위치들이 예컨대 리던던트 매니퓰레이터의 충돌 저지를 위해 사전 결정되면 바람직하다. 다른 한편으로는, 상기 기술되어 있는 제 2 실시를 간단하게 하는데, 왜냐하면 조작자가 힘을 더 이상 매니퓰레이터에게 가하지 않으면 매니퓰레이터는 영공간 안에서의 그의 목표 위치로 되돌아가기 때문이며, 따라서 공정변수는, 조작자가 매니퓰레이터를 능동적으로 영공간 안에서, 그의 목표 위치 밖으로 움직이는 동안은, 그리고 후속하여 매니퓰레이터가 변경된 공정변수를 갖고 계속 주행하는 동안은 변경된다.

대안적으로, 새로운 목표값으로서의, 조작자에 의해 변경된, 영공간 안에서의 위치를 기초로 하는 조절이 실행될 수도 있다. 이는 특히 상기 기술되어 있는 제 1 실시와 관련하여 바람직하며, 상기 실시에서 조작자는 영공간 안에서의 가능한 매니퓰레이터 위치들 중 하나를 선택함으로써 공정변수를 사전 결정할 수 있다. 이를 위해, 예컨대 매니퓰레이터의 수학적 대체모델 (substitution modell), 및 조작자에 의해 사전 결정된 매니퓰레이터 위치를 근거로 모터 모멘트 (motor moment) 가 계산될 수 있고, 그리고 힘 조절의 목표값들로서 공급될 수 있고, 상기 목표값들은 무게력, 마찰력 및/또는 동적 힘을 본질적으로 보상하고, 그리고 이렇게 하여 매니퓰레이터를 새로운, 사전 결정된 위치에 유지시킨다.

바람직하게는, 공정변수, 예컨대 경로속도는 검출된 내려짐의 크기 및/또는 방향에 상응하여 변경된다. 양적 크기, 예컨대 관절 각도들에서의 차이 벡터의 양에 상응하는 변경은, 조작자에 의해 직관적으로 보다 큰 또는 보다 작은 내려짐를 통해 사전 결정될 수 있는 여러 가지 속도를 갖고 경로를 주행하는 것을 가능하게 한다. 방향에 상응하는 변경은 특히 정반대 방향에서의 사전 결정된 경로를 주행하는 것을 가능하게 한다.

매니퓰레이터는 사전 결정된 경로를 자세가 조절되어 주행할 수 있다. 이를 위해, 예컨대 영공간 안에서의 목표 위치들은 사전 결정되어 있을 수 있으며, 그리고 비례-미분-적분-(PID)-조절기에 의해 잇달아 주행될 수 있다.

마찬가지로, 매니퓰레이터는 힘이 조절될 (force-controlled) 수도 있다. 이를 위해, 예컨대 매니퓰레이터의 수학적인 대체모델을 근거로, 사전 결정된 경로를 주행하기 위해 필요한, 매니퓰레이터의 모터들에서의 토크가 계산될 수 있고, 그리고 목표값들로서 모터들의 힘 조절기들에게 공급될 수 있다.

자세가 조절된, 또한 힘이 조절된 매니퓰레이터들에 있어서, 이것들을 유연성 있게 조절하는 것이 바람직하며, 따라서 조작자는 수동으로 영공간 안에서의 매니퓰레이터의 위치를 변경시킬 수 있다. 이는 예컨대 PID-개별 관절 조절을 구비한 통상적인 산업용 로봇들에 있어서 비례 부분의 감소 및 적분 조절기의 비활성화를 통해 실현될 수 있다. 힘이 조절된 매니퓰레이터들에 있어서, 모터들의 힘 조절기들에게는 목표값들이 사전 결정될 수 있으며, 상기 목표값들은 본질적으로 매니퓰레이터의 관성력, 마찰력 및 무게력만을 보상한다.

내려짐은 매니퓰레이터의 관절들에서의 운동들 및/또는 힘들을 근거로 검출될 수 있다. 일반적으로 매니퓰레이터의 운동축들은 위치 검출 장치, 예컨대 회전 엔코더 (rotary encoder) 등등을 구비한다. 그 후, 개별 관절들에서의 변경을 근거로, 영공간 안에서의 매니퓰레이터의 내려짐이 검출될 수 있다. 마찬가지로, 상응하는 힘센서들이 존재하는 한, 매니퓰레이터를 그의 영공간 안에서 움직이기 위해 조작자가 매니퓰레이터에게 가하는 힘들이 측정될 수 있다. 이 경우, 반대 방향의 힘의 쌍들 (pairs of forces), 예컨대 토크들은 일반적으로 마찬가지로 힘들이라고 불리운다.

본 발명의 바람직한 실시에서, 가이드 핸들 (guide handle) 이 제공되어 있으며, 상기 가이드 핸들은 고정식으로 또는 탈착 가능하게 매니퓰레이터에 고정되어 있다. 이 가이드 핸들에서, 조작자가 매니퓰레이터를 상기 가이드 핸들을 수단으로 움직임으로써 그의 영공간 안에서의 매니퓰레이터의 내려짐을 특정하게 초래할 수 있다. 이러한 가이드 핸들에 의해 붙잡기 가능성이 마련되며, 상기 붙잡기 가능성은 내려짐을 발생시키기 위해 어디에서, 그리고 어느 방향으로 조작자가 매니퓰레이터를 움직여야 하는 지를 조작자에게 직관적으로 분명하게 한다. 바람직하게는, 상기 가이드 핸들 안에는 조작 요소들, 예컨대 안전 요소가 제공되어 있을 수 있으며, 상기 안전 요소는, 매니퓰레이터의 이동, 조작자에 의한 영공간 안에서의 매니퓰레이터의 운동, 또는 공정변수의 수동 (manual) 변경을 가능하게 하기 위해 능동적으로 조작되어야 한다.

그 밖의 과제들, 특징들 및 이점들은 종속항들 및 하기의 실시예들에 나타나 있다. 도면은 이를 위해 부분적으로 개략화되어 있다.

도 1 은 본 발명의 실시에 따른 6축 매니퓰레이터를 나타내는 도면이다.
도 2 는 본 발명의 그 밖의 실시에 따른 7축 매니퓰레이터를 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 그 밖의 실시에 따른 경량 로봇을 나타내는 도면이다.
도 4 는 본 발명의 실시에 따른 방법의 흐름도를 나타내는 도면이다.

도 1 은 본 발명의 실시에 따른 6축 로봇 (1) 형태의 매니퓰레이터를 보이고 있다. 그의 위치는 관절 각도 (q = [q1, q2,...q6]) 에 의해 묘사된다.

Tool center point (TCP) 에 의해 상징화되어 있는 로봇 (1) 의 엔드 이펙터는 도 1 에 파선으로 암시되어 있는, 사전 결정된 수평 경로 (x(s)) 를 주행해야 한다. 이 경우, 엔드 이펙터 (TCP) 의 각도 (q6) 는 사전 결정되어 있지 않은데, 왜냐하면 그것에 고정되어 있는 공구 (도시되어 있지 않음) 는 로봇 (1) 의 마지막 제 6 운동축에 대해 회전 대칭적이기 때문이다. 그러므로, 엔드 이펙터 (TCP) 의 자세 x ∈ R⁵ 는 예컨대 3 개의 데카르트 좌표 (Cartesian coordinates), 및 도면 평면에 대한 또는 도 1 의 도면 평면에서의 수평선에 대한 두 각도에 의해 묘사될 수 있다.

그러므로, 6축 로봇 (1) 은 사전 결정된 경로 (x(s)) 와 관련하여 리던던트하다. 즉, 상기 로봇은 관절 각도들 (q1,...q5) 에 의해서만 정해져 있는 엔드 이펙터 (TCP) 의 사전 결정된 자세 (x(s)) 를 끝없이 많은 여러 가지 매니퓰레이터 위치들 ([q1,...q5, q6 ∈ [0, 2π]) 에 의해 실현할 수 있으며, 상기 매니퓰레이터 위치들은 제 6 운동축 둘레의 엔드 이펙터 (TCP) 의 회전을 통해 서로로부터 유래하고, 그리고 함께, 사전 결정된 경로 (x(s)) 와 관련된 로봇 (1) 의 영공간을 형성한다.

모두 동일한 엔드 이펙터 자세에 할당되어 있는 이 매니퓰레이터 위치들 중 2 개가 도 1 에 도시되어 있다. 제 1 위치 (q) 는 실선으로 표시되어 있고 제 2 위치 (q') 는 파선으로 표시되어 있다. 각각의 위치는 관절 각도들의 벡터에 의해 묘사된다: q =[q1, q2,...q6=0] ; q' = [q1', q2',...q6' = π].

영공간 안에서의 목표 위치 (q-목표) 로서는 도 1 에 실선으로 표시된 위치 (q6 = 0) 이 사전에 결정되어 있는데, 왜냐하면 엔드 이펙터 (TCP) 는 티칭시 상응하여 안내되었기 때문이다.

통상적으로 로봇은 작동 동안 그의 엔드 이펙터 (TCP) 와 함께 일정 속도 (dx/dt = v) 를 갖고, 사전 결정된 경로 (x(s)) 를 주행한다. 이를 위해, 제 1 다섯 개의 운동축들을 위한 비례-적분-조절기들 (도시되어 있지 않음) 에게는 10 ms 마다 새로운 목표값들 (q1-목표,..q5-목표) 이 공급되며, 따라서 로봇 (1) 은 각각의 경우에 있어 새로운 위치 (q) 로 이동하고, 그리고 이때 그의 엔드 이펙터 (TCP) 를 경로 (x(s)) 를 따라 움직인다.

제 6축에는, 순 비례 조절기 (도시되어 있지 않음) 가 적용되어 있으며, 그의 비례상수 (proportionality constant) 는 조작자가 엔드 이펙터 (TCP) 를 수동으로 제 6 운동축 둘레로 비틀 수 있도록 작게 선택되어 있다.

로봇 (1) 의 제어 장치 안에서는 무엇보다도 관절 각도 (q6-실제) 가 검출된다. 로봇 (1) 이 경로 (x(s)) 를 주행하는 동안 조작자가 이제 엔드 이펙터 (TCP) 를 비틀면, 상기 제어 장치는 실시예에서 벡터 ([0,...0, q6-실제 - q6목표]) 를 형성하는 내려짐 (q-실제 - q-목표) 을 검출한다. 그의 양 (｜q6-실제 - q6-목표｜) 은, 0°만큼의 목표 위치로부터의 비틀림이 인자 (factor) (K = 1) 에 상응하고, +180°만큼의 비틀림이 인자 (K = 2) 에 상응하며, 그리고 -180°만큼의 비틀림이 인자 (K = 0) 에 상응하도록 선형으로 (linear) 스케일되어 있다 (scaled). 이제 상기 제어 장치는, 예컨대 K = 2 에 있어서 제 1 다섯 개의 운동축들을 위한 조절기들에게 5 ms 마다 다음번 목표값들 (q1-목표,..q5-목표) 이 공급됨으로써 일정 속도 (K x v) 를 갖고 엔드 이펙터를 움직인다. 상응하여 조작자가 엔드 이펙터를 -180°만큼 비틀면, 로봇 (1) 은 엔드 이펙터 (TCP) 를 일시적으로 완전히 정지시킨다. 조작자가 엔드 이펙터를 아직 계속해서 예컨대 통틀어 -360°만큼 비틀면, 엔드 이펙터 (TCP) 는, 이제 제 1 다섯 개의 운동축들을 위해 10 ms 마다 이미 지나간 목표 위치들이 정반대 순서로 계속적으로 새로운 목표값들로서 사전 결정됨으로써, 사전 결정된 경로 (x(s)) 를 속도 (-v) 를 갖고 뒤쪽으로 주행한다.

조작자가 엔드 이펙터 (TCP) 를 놓아주면, 제 6축을 위한 비례 조절기는 엔드 이펙터를 다시 목표 위치 (q6-목표 = 0) 안으로 회전시키며, 제어 장치는 경로속도를 상응하여 다시 v 로 변경시키는데, 왜냐하면 인자 K 가 1 로 되돌아가기 때문이다.

도 2 는 도 1 에 상응하는 도면으로, 본 발명의 그 밖의 실시에 따른 7축 로봇 (1) 형태의 매니퓰레이터를 보이고 있다. 그의 위치는 상응하여 관절 각도들 (q = [q1, q2,...q7]) 에 의해 묘사된다. 이 경우, 도 1 에 따른 실시에 상응하는 요소들은 동일한 참조 부호로 표시되어 있으며, 따라서 그에 관한 설명은 상기 실시를 참조해도 되고, 하기에서는 차이점들만 다루워진다.

상기 그 밖의 실시에서 엔드 이펙터 (TCP) 는 경로 (x(s)) 를 주행해야 하며, 하지만 이번에는 그의 방위는, 예컨대 그라인딩 디스크 (grinding disk) (도시되어 있지 않음) 를 표면을 따라 안내하기 위해 파선으로 표시되어 있는 경로 둘레로 사전 결정되어 있다. 그러므로, 엔드 이펙터 (TCP) 의 자세 x ∈ R⁶ 는 예컨대 공간 안에서의 엔드 이펙터의 위치 및 그의 방위 (3 개의 오일러 각도 (Euler angle) 들에 의해 정의되어 있음) 에 의해 묘사된다.

하지만 로봇 (1) 은 7 개의 관절을 구비하고 있기 때문에, 그는 리던던트하며, 즉 엔드 이펙터의 사전 결정된 자세 (x) 는 끝없이 많은 여러 가지 매니퓰레이터 위치들에 의해 묘사될 수 있고, 상기 매니퓰레이터 위치들은 관성에 의해 고정된 베이스 (base) 에 있어서 꽉 잡힌 엔드 이펙터 (6) 의 마지막 운동축을 둘레로 하는 남아 있는 로봇 (1) 의 회전을 통해 서로로부터 유래하며, 그리고 함께 영공간을 형성한다. 영공간 안에서의 목표 위치로서는 경로 계획시 에너지 최적 위치가 정해지며, 상기 에너지 최적 위치에서 로봇 (1) 은 가장 적은 정적 및 동적 힘을 가해야만 한다.

로봇 (1) 은 어드미턴스 조절을 구비하며, 상기 어드미턴스 조절은 관절 각도 (q3) 를 가진 제 4 관절에 의해 형성되는 엘보우를 수동으로 움직이는 것을 가능하게 하고, 이때 엔드 이펙터 (TCP) 는 그의 사전 결정된 자세 (x) 를 유지시킨다.

조작자가 이제 상기 엘보우를 사전 결정된 경로의 방향으로, 즉 도 2 에서 오른쪽으로 움직이면, 제어 장치는 위에서 설명한 바와 같이 내려짐에 상응하여, 즉 차이 벡터의 양 (q-실제 - q-목표) 에 상응하여, 엔드 이펙터가 사전 결정된 경로 (x(s)) 를 주행하는데 이용되는 속도를 상승시킨다. 조작자가 상기 엘보우를 놓아주면, 어드미턴스 조절은 그를 목표 위치로 복귀시키며, 이로 인해 경로속도는 다시 초기값으로 감소된다. 이에 반해 조작자가 엘보우를 사전 결정된 경로의 반대 방향으로 (도 2 에서 왼쪽으로) 움직이면, 즉 경로를 주행하는 로봇을 엘보우에서 '붙잡으면', 제어 장치는 위에서 설명한 바와 같이 내려짐에 상응하여, 즉 차이 벡터의 양 (q-실제 - q-목표) 에 상응하여, 엔드 이펙터가 사전 결정된 경로 (x(s)) 를 주행하는데 이용되는 속도 (dx/dt) 를 감소시킨다. 이 경우 조작자가 사전 결정된 경로의 반대 방향으로 상응하여 멀리 움직이면, 로봇 (1) 은 완전히 멈추고, 즉 그의 속도를 영 (zero) 으로 감소시키거나 또는 이미 지나간 경로 (x(s)) 를 심지어 뒤쪽으로 주행한다.

그러므로, 본 발명을 통해, 사전 결정된 경로와 관련하여 리던던트 로봇이 상기 경로를 주행하는데 이용되는 속도를 간단하게, 그리고 직접, 그리고 이로써 상응하여 편안하게 변경시키는 것이 가능해진다.

도 3 은 매우 개략적인 투시도로 독일항공우주센터의 경량 로봇 (LBR) 이 사전 결정된 경로 (x(s)) 를 그의 그립퍼 (gripper) 의 Tool Center Point 를 갖고 주행하는 것을 보이고 있다. 도시되어 있는 그립퍼 자세를 상기 LBR 은 다수의 매니퓰레이터 위치들을 통해 실현할 수 있으며, 상기 위치들은 각각의 경우에 있어 그의 관절 각도에 의해 명백히 결정되어 있고, 그 중 도 3 에는 관절 각도 (q) 에 의해 정의된 제 1 매니퓰레이터 위치는 파선으로 표시되어 있으며, 관절 각도 (q') 에 의해 정의된 제 2 매니퓰레이터 위치는 실선으로 표시되어 있고, 관절 각도 (q'') 에 의해 정의된 제 3 매니퓰레이터 위치는 점선으로 표시되어 있다.

내려짐으로서는, 이 실시예에서는 수직선과, LBR 의 엘보우로부터 어깨 관절과 손목 관절 사이의 연결선으로의 수직선 사이의 각도 (a) 가 선택되어 있으며, 상기 각도는 도 3 에서의 제 1 매니퓰레이터 위치에서는 0°이고, 제 2 매니퓰레이터 위치에서는 30°이고, 그리고 제 3 매니퓰레이터 위치에서는 180°이다.

조작자는 LBR 를 이제 유연성 조절에 있어서 엘보우에서 붙잡을 수 있고, 그리고 그를 엔드 이펙터 자세가 변하지 않으면서 도 3 에 파선으로 도시되어 있는 곡선을 따라 그의 영공간 안에서 움직일 수 있다.

이제 LBR 의 제어 장치 (2) 안에서는, 사전 결정된 경로 (x(s)) 를 주행하는 동안 단계 (S10) 에서, 매니퓰레이터 위치 (상기 매니퓰레이터 위치로 조작자가 LBR 을 움직인다) 안에서 발생하는 관절 각도 (q') 가 검출된다. 이로 부터, 제어 장치 (2) 는 LBR 의 알려져 있는 키네메틱스를 기초로 각도 (a) 를 계산하며, 그리고 각도 (a) 가 조작자에 의해 미리 설정되어 있는 상수 (k) 와 곱해짐으로써 발생하는 내부 폭 (A) 으로 그립퍼를 개방시킨다. 즉, 조작자가 LBR 을 엘보우에서, 그의 영공간 안에서의 파선으로 도시되어 있는 곡선을 따라, 변함없는 엔드 이펙터 자세에 있어서 제 1 매니퓰레이터 위치로부터 제 2 매니퓰레이터 위치로 움직이면, 우선 닫혀 있는 그립퍼가 열린다. 조작자가 LBR 을 엘보우에서, 파선으로 도시되어 있는 곡선을 따라, 변함없는 엔드 이펙터 자세에 있어서 계속 제 2 매니퓰레이터 위치로부터 제 3 매니퓰레이터 위치로 움직이면, 그립퍼는 더욱 넓게 열린다. 그립퍼 개방에 대해 대안적으로, 공정변수로서 물론 상기 실시예들에서처럼 속도는 경로 (x(s)) 를 따라 변경될 수도 있다.

1 : 로봇
2 : 제어 장치
LBR : 경량 로봇
q1, q2,...q7 : 관절 각도
TCP : Tool Center Point
x(s) : 목표 경로

Claims (15)

1. 사전 결정된 경로 (x(s)) 를 매니퓰레이터의 엔드 이펙터 (TCP) 가 주행하게 하기 위한 방법으로서, 상기 매니퓰레이터는 상기 사전 결정된 경로와 관련하여, 동일한 엔드 이펙터 자세에 할당되어 있는 적어도 2 개의 매니퓰레이터 위치 (manipulator position, q, q', q'') 를 가진 영공간을 구비하며, 다음의 단계:
   - 상기 영공간 안에서의 상기 매니퓰레이터의 내려짐 (q - q'; a) 을 검출하는 단계 (S10, S20);
   - 상기 검출된 내려짐에 상응하여 적어도 하나의 공정변수 (dx/dt; A) 를 변경시키는 단계 (S30) 를 갖는,
   사전 결정된 경로를 매니퓰레이터의 엔드 이펙터가 주행하게 하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 영공간 안에는 각각의 엔드 이펙터 자세에 대해 목표-매니퓰레이터 위치 (q-목표) 가 사전 결정되며, 그리고 내려짐으로서는 실제의 매니퓰레이터 위치에 대한 상기 목표-매니퓰레이터 위치의 차이 (q-실제 - q-목표) 가 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 내려짐을 감소시키기 위한 조절이 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 공정변수는 상기 검출된 내려짐의 크기 및 방향 중 하나 이상에 상응하여 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 공정변수는 상기 검출된 내려짐에 대해 비례적으로 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 매니퓰레이터는 자세가 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 매니퓰레이터는 힘이 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 매니퓰레이터는 유연성 있게 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 내려짐은 상기 매니퓰레이터의 관절들에서의 운동들 및 힘들 중 하나 이상에 근거하여 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 내려짐은 상기 매니퓰레이터의 수학적 대체모델을 근거로 한 상기 매니퓰레이터의 관절들에서의 힘들을 근거로 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 1 항에 있어서, 경로속도는 내려짐에 의해 본질적으로 영 (zero) 으로 감소될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 사전 결정된 경로의 주행 방향은 내려짐에 의해 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한, 엔드 이펙터 (TCP) 를 가진 매니퓰레이터를 위한 제어 장치 (2) 로서,
    - 상기 영공간 안에서의 상기 매니퓰레이터의 내려짐 (q - q'; a) 을 검출하기 위한 검출 장치; 및
    - 상기 검출 장치에 의해 검출된 상기 내려짐에 상응하여 공정변수 (dx/dt; A) 를 변경시키기 위한 변경 장치를 가진 제어 장치.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 영공간 안에서의 매니퓰레이터 (1) 를 한 매니퓰레이터 위치로부터, 동일한 엔드 이펙터 자세에 할당되어 있는 다른 매니퓰레이터 위치로 움직이기 위해 가이드 핸들을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
15. 제 13 항에 따른 제어 장치를 가진 매니퓰레이터 (1) 에 있어서, 상기 매니퓰레이터는 적어도 7 개의 자유도를 가진 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터 (1).

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