KR101979703B1

KR101979703B1 - 케이블 병렬 로봇 구동용 케이블의 보정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101979703B1
Application number: KR1020170083594A
Authority: KR
Inventors: 박경수; 최성현
Original assignee: 가천대학교 산학협력단
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-05-17
Also published as: KR20190003105A

Abstract

다양한 실시예에 따른 로봇의 케이블 특성 보정 방법은, 케이블에 관한 초기 정보를 수신하는 동작; 상기 수신한 초기 정보에 기반하여 상기 케이블의 크리프 특성에 따른 변형 정도를 산출하는 동작; 상기 수신한 초기 정보에 기반하여 상기 케이블의 히스테리시스 특성에 따른 변형 정도를 산출하는 동작; 상기 산출한 크리프 특성에 따른 변형 정도 및 히스테리시스 특성에 따른 변형 정도 중 적어도 하나를 이용하여 상기 케이블의 특성 정보를 보정하는 동작을 포함할 수 있다. 이 밖에 다른 실시예들이 가능하다.

Description

케이블 병렬 로봇 구동용 케이블의 보정 방법 및 장치 {Apparatus and method for calibrating cable of robot}

본 발명의 다양한 실시예들은 로봇의 케이블 특성을 보정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

케이블 병렬 로봇(cable driven parallel robot, CDPR)은 다수의 케이블이 end-effector에 병렬로 연결되어 구동되는 로봇을 말한다. 케이블 병렬 로봇은 낮은 관성에 의해 빠른 움직임을 구현할 수 있고 넓은 작업 공간을 확보할 수 있으며 상대적으로 큰 하중이 요구되는 구동 동작도 비교적 정확하게 구현할 수 있는 장점이 있다.

케이블 병렬 로봇에 이용되는 케이블은, 로봇 구동 시 케이블에 부여되는 하중에 따라 그 특성이 달라질 수 있다. 예를 들어 케이블에 외력이 가해지면 케이블 소재 특성에 따라 변형이 일어나 케이블의 길이가 길어지거나 짧아질 수 있다. 이러한 케이블 길이의 변화는 케이블 구동 로봇의 정확성을 떨어뜨리기 때문에, 케이블 특성 변화를 고려하지 않고 로봇을 구동할 경우, 케이블특성 변화가 로봇의 구동 동작에 오차 요인으로 작용하게 되어 정확한 동작을 구현할 수 없는 문제가 있다. 케이블 특성은 외력이 가해지거나 외력이 제거됨에 따라 수시로 변형될 수 있으므로 구동 시 직접 측정이 어려우므로, 로봇의 정밀한 구동을 위해서는 구동 상황에 따른 케이블의 특성을 정확히 반영할 수 있는 모델링 등의 방법으로 케이블 특성을 예측하여 로봇 동작에 반영할 필요가 있다.

다양한 실시예에 따른 로봇의 케이블 특성 보정 방법은, 케이블에 관한 초기 정보를 수신하는 동작; 상기 수신한 초기 정보에 기반하여 상기 케이블의 크리프 특성에 따른 변형 정도를 산출하는 동작; 상기 수신한 초기 정보에 기반하여 상기 케이블의 히스테리시스 특성에 따른 변형 정도를 산출하는 동작; 상기 산출한 크리프 특성에 따른 변형 정도 및 히스테리시스 특성에 따른 변형 정도 중 적어도 하나를 이용하여 상기 케이블의 특성 정보를 보정하는 동작을 포함할 수 있다.

다양한 실시예에 따른 로봇의 케이블특성 보정 방법은, 상기 수신한 초기 정보에 기반하여 상기 케이블의 복원 특성에 따른 변형 회복 정도를 산출하는 동작; 및 상기 산출한 복원 특성에 따른 변형 회복 정도를 이용하여 상기 케이블의 특성 정보를 보정하는 동작을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 히스테리시스 특성 또는 크리프 특성에 따른 케이블의 길이 변화를 정확히 예측함으로써, 케이블 특성 변화를 반영한 정밀한 로봇 구동을 구현할 수 있다.

또한, 케이블에 대한 하중 조건 변화에 따른 케이블 변형 복원 특성을 고려함으로써 보다 정확한 케이블 특성을 예측할 수 있고, 이를 이용하여 정밀하게 로봇을 구동할 수 있다.

도 1은 다양한 실시예에 따른 케이블이 가지고 있는 structural stretch 특성을 설명하기 위한 그래프를 도시한 도면이다.
도 2는 다양한 실시예에 따른 케이블의 히스테리시스 특성을 설명하기 위한 그래프를 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 케이블의 변형 추이를 크리프 특성 및 히스테리시스 특성을 이용하여 설명하기 위한 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 다양한 실시예에 따른 케이블의 복원 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 로봇의 케이블 길이 보정 방법에 관한 순서도이다.
도 6는 다른 실시예에 따른 로봇의 케이블 길이 보정 방법에 관한 순서도이다.
도 7은 다양한 실시예에 따른 로봇의 구성 블록도를 도시한 도면이다.
도 8은 다양한 실시예에 따른 로봇의 케이블 변형 특성을 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 본 개시의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 개시를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 실시예의 다양한 변경 (modification), 균등물 (equivalent), 및/또는 대체물 (alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.

본 문서에서, “가진다,” “가질 수 있다,”“포함한다,” 또는 “포함할 수 있다” 등의 표현은 해당 특징 (예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.

본 문서에서, “A 또는 B,”“A 또는/및 B 중 적어도 하나,”또는 “A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상”등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, “A 또는 B,” “ A 및 B 중 적어도 하나,”또는 “ A 또는 B 중 적어도 하나”는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.

다양한 실시 예에서 사용된 “제 1,”“제 2,”“첫째,”또는“둘째,”등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 상기 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.

본 문서에서 사용된 표현 “~하도록 구성된 (또는 설정된)(configured to)”은 상황에 따라, 예를 들면, “~에 적합한 (suitable for),” “~하는 능력을 가지는 (having the capacity to),” “~하도록 설계된 (designed to),” “~하도록 변경된 (adapted to),” “~하도록 만들어진 (made to),”또는 “~를 할 수 있는 (capable of)”과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 “~하도록 구성 (또는 설정)된”은 하드웨어적으로 “특별히 설계된 (specifically designed to)”것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, “~하도록 구성된 장치”라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 “~할 수 있는” 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 “A, B, 및 C를 수행하도록 구성 (또는 설정)된 프로세서”는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서 (예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서 (generic-purpose processor)(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.

본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.

본 문서에서 기술된 구성요소들 각각은 하나 또는 그 이상의 부품(component)으로 구성될 수 있으며, 해당 구성요소의 명칭은 장치의 종류에 따라서 달라질 수 있다. 다양한 실시예에서, 장치는 본 문서에서 기술된 구성요소 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있으며, 일부 구성요소가 생략되거나 또는 추가적인 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다. 또한, 다양한 실시예에 따른 장치의 구성요소들 중 일부가 결합되어 하나의 개체(entity)로 구성됨으로써, 결합되기 이전의 해당 구성요소들의 기능을 동일하게 수행할 수 있다.

케이블 병렬 로봇은 다양한 산업 분야에서 이용될 수 있으며 특히 정밀한 동작이 요구되는 기술 분야에서 이용될 수 있다.

케이블 병렬 로봇에는 다양한 소재의 케이블이 이용될 수 있다. 예를 들면 케이블은 큰 하중을 커버할 수 있는 강철 소재로 구성되거나, 로봇 구동에 있어 높은 감도 특성을 통해 정밀한 구동을 구현할 수 있는 폴리머(polymer) 소재로 구성될 수 있다. 예를 들어 상기 폴리머 소재의 케이블은 Dyneema 폴리머 케이블을 포함할 수 있다.

로봇에 사용되는 케이블은 로봇 구동 시 가해지는 외력과 케이블의 초기길이에 따라 케이블 특성이 변형될 수 있어 변형된 케이블의 특성을 고려하지 않고 로봇을 제어할 경우 정밀한 로봇 구동에 어려움이 따를 수 있다. 이에 따라 케이블의 변형 정도를 미리 예측하고 케이블 특성 변화 값을 보정하여 로봇 동작을 제어할 필요가 있다.

도 1은 다양한 실시예에 따른 케이블의 크리프 특성의 일부인 structural stretch을 설명하기 위한 그래프이다.

도 1을 참조하면, 다양한 실시예에 따른 케이블의 초기 길이가 각각 100 mm, 200 mm, 300 mm인 케이블에 하중을 가하였을 때 상기 하중에 따라 변형되는 케이블의 길이 변화 추이를 확인할 수 있다.

도 1의 그래프에서 점선은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 모델링에 의해 도출된 시뮬레이션 결과를 도시한 것이고, 실선(101, 103, 105)은 실험에 의해 직접 측정된 결과를 도시한 것이다.

도 1의 그래프와 같이, 모델링 수식이 실제 실험 결과와 유사함을 확인할 수 있다. 즉 상기 수학 식을 이용하여 케이블의 길이 변형 정도를 모델링할 경우 실제 케이블이 변형되는 특성을 효과적으로 예측할 수 있다.

참조 부호 101은 케이블의 초기 길이가 100mm인 경우, 참조 부호 103은 케이블의 초기 길이가 200mm인 경우, 참조 부호 105는 케이블의 초기 길이가 300mm인 경우, 각 케이블에 부여되는 하중의 크기 별 길이 변화 측정값을 도시한 것이다.

도 1의 101, 103, 및 105에 도시된 바와 같이, 케이블은 외부로부터 하중이 부여되는 경우 케이블의 소재 특성에 따라 변형이 발생할 수 있다. 예를 들어 폴리머 소재의 케이블에 대해 하중이 부여됨에 따라 폴리머 체인에 변형이 발생하여 케이블의 길이 특성이 변화할 수 있다. 예를 들어 케이블이 폴리머 소재로 구성되는 경우, 폴리머 소재 특성에 따라 탄성 특성과 소성 특성이 공존할 수 있다.

예를 들면 케이블의 변형된 길이는, 외력이 가해지기 전 케이블의 초기 길이, 케이블에 가해지는 외력의 크기(예를 들면, 상기 케이블에 부여되는 하중의 크기), 및 외력이 가해지는 시간에 따라 변화하는 것으로 판단할 수 있다.

케이블의 길이는 도 1에 도시된 바와 같이 외력의 크기와 케이블의 최초 길이에 의존하여 변화할 수 있다.

일 실시예에 따라 상기 케이블의 변형 특성이 크리프 특성에 기인하는 것으로 판단하여 모델링한 케이블의 변형률(

) 및 변형된 길이 값(

)은 각각 아래의 수학식 1 내지 수학식 3과 같을 수 있다.

여기서 E1과 E2는 burger's model에서의 elastic parameter,

는 케이블의 응력(stress of the cable), t0는 지연 시간(retardation time), t는 하중이 가해지는 시간,

는 케이블의 점성(viscosity)을 나타낸다.

도 1의 점선 그래프는 각 케이블 길이에서 케이블의 변형된 길이 값을 상기 수학식 2 및 수학식 3을 이용하여 모델링한 결과를 도시한 것이다. 여기서 E1 및 E2는 각각

,

, t0는 23[s],

는 18000을 대입하였다.

도 1에 도시된 바와 같이 상기 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 획득한 시뮬레이션 결과(점선 도시)는 참조 부호 101, 103, 및 105의 실측 결과와 유사함을 확인할 수 있다.

도 2는 다양한 실시예에 따른 케이블의 히스테리시스 특성을 설명하기 위한 그래프를 도시한 도면이다.

다양한 실시예에 따른 로봇은 로봇의 구동에 의해 케이블에 대해 하중의 부여(loading)하고 부여한 하중의 제거(unloading)하는 동작을 반복적으로 수행할 수 있다.

예를 들어 케이블은 상기 하중의 부여 및 부여한 하중의 제거 동작에 따라 길이 특성이 변형될 수 있다.

다양한 실시예에 따른 로봇의 케이블은 탄성 특성을 갖는 소재로 구성될 수 있으므로, 상기 케이블의 길이 특성 변형은 히스테리시스(hysteresis) 특성을 따를 것으로 판단할 수 있다.

도 2를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 케이블의 초기 길이가 각각 100 mm, 200 mm, 300 mm인 케이블에 대해, 하중을 부여한 후 상기 하중을 제거하였을 때 하중 크기의 변화에 따른 각 케이블의 길이 변화 특성은 케이블 길이와 무관하게 일관된 경향(즉 히스테리시스 특성)을 띠는 것을 확인할 수 있다.

참조 부호 201은 케이블의 초기 길이가 100mm인 경우, 참조 부호 203은 케이블의 초기 길이가 200mm인 경우, 참조 부호 305는 케이블의 초기 길이가 300mm인 경우, 각 케이블에 부여되는 하중의 크기 변화에 따른 케이블의 길이 변화 측정값을 도시한 것이다.

도 2의 그래프에서 점선은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 모델링에 의해 도출된 시뮬레이션 결과를 도시한 것이고, 실선(201, 203, 205)은 실험에 의해 직접 측정된 결과를 도시한 것이다.

도 2의 그래프에 도시된 바와 같이, 모델링 수식이 실제 실험 결과와 유사함을 확인할 수 있다. 즉 상기 수학 식을 이용하여 케이블의 길이 변형 정도를 모델링할 경우 실제 케이블이 변형되는 특성을 효과적으로 예측할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 하중의 부여 및 부여된 하중의 제거에 따라 변화하는케이블의 길이는, 케이블의 탄성력에 기반하여 히스테리시스 특성이 나타나는 것으로 판단하여 훅의 법칙(Hook's law)을 이용하여 모델링할 수 있다. 예를 들어 상기 케이블은

의 식을 만족할 것으로 판단하여 케이블 길이 변화값에 대해 모델링할 수 있다. 여기서 x(t)는 케이블의 하중 부여에 따라 발생하는 elongation 양을 의미할 수 있다.

또한, 케이블에 대해 하중을 부여하거나 하중을 제거하는 경우에도, 케이블에 부여되는 하중에 의해 크리프 특성이 나타날 것이므로, 크리프 비선형 강성(nonlinear stiffness) 특성을 고려하여 변화하는 케이블의 길이를 모델링할 수 있다. 예를 들면 상기 케이블은

및

의 식을 만족할 것으로 판단하여 케이블 길이 변화값에 대해 모델링할 수 있다.

여기서 n은 반복 횟수(cyclic iteration),

은 강성 모델 파라미터(model parameter of the stiffness)를 나타낼 수 있다. 도 2의 모델링에서는

은

,

는 5,

은 0.36을 대입하였다.

일 실시예에 따라 케이블의 변형을 히스테리시스 특성에 따라 모델링하는 경우 상기 케이블의 길이 변화량(

)는 아래의 수학식 4와 같을 수 있다.

(

=loading, unloading exponent,

=experiment number (hardening factor))

도 2에 도시된 바와 같이 상기 수학식을 이용하여 획득한 시뮬레이션 결과(점선 도시)는 참조 부호 201, 203, 305의 실측 결과와 유사함을 확인할 수 있다.

도 3은 일 실시예에 따른 케이블의 변형 추이를 크리프 특성 및 히스테리시스 특성을 이용하여 설명하기 위한 그래프이다.

도 3은 길이가 300 mm인 폴리머 소재 케이블에 대해 소정 크기의 하중을 부여한 후(loading), 다시 상기 하중을 제거(unloading)하는 동작을 10회 반복할 때 케이블의 하중 크기에 따른 길이 변형 특성을 도시한 그래프이다.

도 3을 참조하면, 케이블은 케이블에 가해지는 하중의 크기가 커질수록 크리프 특성에 따라 그 길이가 점차 증가하고, 하중의 크기가 줄어들면 히스테리시스 특성에 따라 다시 케이블의 길이가 줄어들되 상기 하중을 가하기 이전의 길이보다는 긴 길이를 가질 수 있다.

이와 같이 케이블에 하중을 부여하고 제거하는 동작을 반복하면, 도 3에 도시된 바와 같이 케이블의 길이는, 상기 동작의 반복 횟수가 증가할수록, 하중을 최대로 가하였을 때의 길이와 상기 하중을 제거하였을 때의 길이가 각각 점차 증가함을 확인할 수 있다.

여기서 케이블에 대한 로딩과 언로딩 동작의 반복 횟수가 증가할수록 변형되는 길이가 도 3의 화살표 방향으로 점차 이동하는 특성은, 케이블의 크리프 특성에 기인하는 것으로 예측할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 케이블 특성 보정을 위한 모델링에서는 도 3에 도시된 바와 같이 케이블에 대해 하중을 부여하고 부여한 하중을 제거하는 것과 같은 로봇의 반복 구동 시, 케이블의 길이 특성이 히스테리시스 특성뿐 아니라 크리프 특성도 함께 따르는 것으로 판단하여 변형된 케이블 길이(

)를 아래의 수학식 5와 같이 결정할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따라 로봇의 케이블 특성 시 상기 수학식 1 내지 수학식 5에 의해 모델링할 경우 효과적으로 케이블의 길이 변화 특성을 예측할 수 있다.

도 4a 내지 4c는 다양한 실시예에 따른 케이블의 복원 특성을 설명하기 위한 그래프이다.

전술한 바와 같이 케이블은 로봇 구동 시 하중이 가해짐에 따라 특성 변형이 일어날 수 있다. 그러나 변형된 케이블에 하중을 제거하면 케이블은 다시 초기 상태로 복원되는 특성을 보이는데 이와 같은 케이블의 복원 특성을 함께 고려해야 정확한 케이블 특성을 예측하여 로봇 구동에 반영할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 케이블의 복원 특성은, 케이블에 대한 하중 제거와 동시에 즉각적으로 발생하는 복원(이하 “제1복원”)과, 케이블에 대한 하중을 제거한 후 시간이 흐름에 따라 점차적으로 나타나는 복원(이하 “제2복원”)을 포함하는 것으로 판단할 수 있다.

도 4a는 일 실시예에 따른 케이블에 하중을 부여하다가 200[s] 지점에서 하중을 제거하였을 때 변화되는 케이블의 길이를 도시한 그래프이다.

도 4a에 도시된 바와 같이 케이블에 대한 하중을 제거하는 경우 상기 하중을 제거하는 즉시 불연속적으로 케이블의 길이가 회복되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 제1회복은 케이블에 대한 장력 감소와 동시에 발생하는 것으로 케이블의 탄성 특성에 기인하는 것으로 예측할 수 있다. 따라서 케이블의 복원 특성이 시간에만 의존하는 것으로 판단하여 케이블 특성을 예측할 경우 실제 결과를 정확히 반영하지 못할 수 있다.

도 4b는 일 실시예에 따른 케이블에 대해 하중을 부여하고 부여한 하중을 제거하는 동작을 10회 반복하는 로봇의 로딩 테스트 결과를 도시한 그래프이다.

도 4b에서, 참조부호 401은 케이블에 대해 로딩 테스트를 수행하였을 때의 변형되는 케이블의 길이를 도시한 그래프이고, 참조부호 403은 상기 401의 로딩 테스트를 수행한 직후 다시 바로 동일한 로딩 테스트를 수행하였을 때 변형되는 케이블의 길이 변화를 상대적 수치로 도시한 그래프이며, 참조부호 405는 상기 403의 로딩 테스트를 수행한 직후 다시 동일한 로딩 테스트를 수행하였을 때 변형되는 케이블 길이 변화를 상대적 수치로 도시한 그래프이다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 케이블은 로딩 테스트 시 히스테리시스 특성 및 크리프 특성에 따라 길이 특성이 변형될 수 있으며, 도 4b의 로딩 테스트는 시간 간격을 두지 않고 수행되었으므로 각 로딩 테스트에서 하중을 제거하였을 때 확인되는 길이 변화(411, 413, 415)는 케이블의 탄성 회복 특성에 기인하는 것으로 판단할 수 있다.

실험 결과에 따르면, 케이블의 즉각적인 복원 특성(제1복원)은 이전 로딩 테스트에서의 히스테리시스 탄성 특성으로부터 유추 가능한 것으로 판단할 수 있다.

예를 들어 두 번째 로딩 테스트(403)에서의 케이블의 제1복원 특성, 즉 즉각적인 복원 특성은, 첫 번째 로딩 테스트(401)에서의 케이블의 히스테리시스 탄성 특성으로부터 유추 가능하며, 세 번째 로딩 테스트(405)에서의 케이블의 제1복원 특성은 두 번째 로딩 테스트(403)에서의 케이블의 히스테리시스 탄성 특성으로부터 유추 가능하다.

예를 들어 케이블의 복원 특성 중 탄성 특성에 기인하는 제1회복에 따른 케이블 길이 변화량(

)은 아래의 수학식 6으로 표현할 수 있다.

여기서

은 케이블에 부여되는 최대 하중의 크기(장력)이며

은 상기 케이블에 부여되는 하중을 제거하는 경우 하중의 크기(장력)이다. 또한,

는 히스테리시스 특성에 따른 케이블 길이 변화량(

)에 관한 수학식 4로부터 도출할 수 있다.

도 4c는 일 실시예에 따른 케이블에 대해 하중을 부여하고 부여한 하중을 제거하는 동작을 일정 시간 간격을 두고 10회씩 반복하는 로봇의 로딩 테스트를 도시한 그래프이다.

도 4b에서는 각 로딩 테스트의 종료 후 시간 간격을 두지 않고 다음 로딩 테스트가 진행된 것과 달리, 도 4c에서는 첫 번째 로딩 테스트 후 시간 간격을 두고 각각 참조 부호 402, 404, 406의 로딩 테스트를 진행하였다.

참조 부호 402는 첫 번째 로딩 테스트(케이블에 대한 하중 부여 및 하중 제거 동작을 10회 반복 실험) 후 1일이 경과된 후 다시 로딩 테스트를 수행한 결과이고, 참조 부호 404는 첫 번째 로딩 테스트 후 2일이 경과된 후 로딩 테스트를 수행한 결과이며, 참조 부호 406은 첫 번째 로딩 테스트 후 3일이 경과된 후 로딩 테스트를 수행한 결과를 도시한 그래프이다.

도 4c를 참조하면, 동일하게 첫 번째 로딩 테스트를 수행한 케이블의 경우에도 다시 동일한 로딩 테스트를 수행하기까지 대기한 기간이 길수록, 더 큰 복원 특성을 보였음을 확인할 수 있다.

이와 같이 케이블의 복원 특성은 상기 즉각적인 복원 특성을 제외하고는 회복 시간에 의존적인 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면 버거 모델(Burger's model)에 기반하여 상기 시간 의존적 복원 특성(이하 “제2복원”)을 모델링 할 수 있다. 여기서 제2 복원 특성을 예측하기 위한 케이블 초기 길이는, 상기 케이블의 크리프 특성 및 히스테리시스 특성을 고려한 수학식 5의 케이블 길이(

)를 반영함으로써 보다 실제 결과에 가깝게 모델링할 수 있다.

예를 들어, 케이블의 복원 특성 중 시간 의존적인 제2회복 특성에 따른 케이블 길이 변화량(

)은 아래의 수학식 7 및 수학식 8로 표현할 수 있다.

여기서 t1은 회복 지연 시간(retardation time of recovery),

및

는 지연 시간 계수(coefficient of the retardation time)(예를 들어

는

,

는

)이다.

최종적으로 케이블의 복원 특성은 제1복원 및 제2복원을 모두 고려하여 예측할 수 있다. 예를 들어 상기 수학식 6 및 수학식 8의 결과에 따라, 케이블의 복원 특성에 따른 케이블 길이 변화량은

와

를 더한 값으로 결정할 수 있다. (

)

도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 케이블 특성 보정 방법에 관한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 다양한 실시예에 따른 로봇의 케이블 특성 보정 장치는 동작 501에서 케이블에 관한 초기 정보를 수신할 수 있다.

여기서 수신하는 케이블에 관한 초기 정보는 케이블의 특성 변형 정도를 산출하기 위한 것으로, 예를 들면 케이블의 초기 길이 정보 및 케이블에 부여되는 하중에 관한 정보를 포함할 수 있다.

예를 들어 케이블에 부여되는 하중에 관한 정보는, 케이블에 부여되는 하중의 크기, 하중이 부여된 시간, 및 하중이 부여된 횟수 중 적어도 하나에 관한 정보를 포함할 수 있다.

상기 케이블에 관한 초기 정보는 로봇에 포함되는 센서에 의해 자동으로 측정되어 수신되거나, 사용자에 의해 직접 수신될 수 있으며, 메모리에 저장된 정보로부터 수신될 수도 있다.

동작 503에서, 다양한 실시예에 따르면 로봇의 케이블 특성 보정 장치는 수신한 케이블에 관한 초기 정보에 기반하여 크리프 특성에 따른 케이블의 변형 정도를 산출할 수 있다. 상기 케이블의 변형 정도는 미리 설정된 수학식에 기반하여 근사값으로 산출될 수 있다. 예를 들면, 케이블 특성 보정 장치는 상기 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 크리프 특성에 따른 변형 정도를 산출할 수 있다.

동작 505에서, 다양한 실시예에 따르면 로봇의 케이블 특성 보정 장치는 수신한 케이블에 관한 초기 정보에 기반하여 히스테리시스 특성에 따른 케이블의 변형 정도를 산출할 수 있다. 상기 케이블의 변형 정도는 미리 설정된 수학식에 기반하여 근사값으로 산출될 수 있으며, 예를 들면 상기 수학식 4을 이용하여 히스테리시스 특성에 따른 변형 정도를 산출할 수 있다.

예를 들어 동작 501에서 수신하는 케이블에 관한 초기 정보는, 동작 503 및 동작 505에서의 변형 정도 산출에 요구되는 다른 특성 정보를 더 포함할 수 있다.

다음으로, 동작 507에서, 케이블 특성 보정 장치는 산출한 변형 정도를 이용하여 케이블의 특성 정보를 보정할 수 있다. 예를 들면 상기 케이블의 특성 정보는 케이블의 길이 정보를 포함할 수 있다.

다양한 실시예에 따르면 상기 케이블 특성 보정 장치는 동작 503 및 동작 505의 산출 동작 중 어느 하나만을 수행할 수도 있고, 동작 503 및 동작 505를 모두 수행할 수도 있다.

도 6는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 케이블 특성 보정 방법에 관한 순서도이다.

도 6에서, 동작 601 내지 동작 605는 상기 동작 501 내지 동작 505의 동작과 유사할 수 있다.

동작 601에서, 다양한 실시예에 따르면 케이블에 관한 초기 정보는 케이블의 초기 길이 정보 및 케이블에 부여되는 하중에 관한 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 하중에 관한 정보는 상기 케이블에 부여되는 하중의 크기, 상기 하중이 부여되는 시간, 상기 하중이 부여된 횟수, 및 상기 하중이 제거되고 소요된 시간 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 하중이 제거되더라도 케이블에 부여되는 하중의 크기가 0이 아닌 경우에는, 상기 하중에 관한 정보는 상기 하중이 제거된 후의 하중의 크기를 더 포함할 수도 있다.

동작 603 및 동작 605에서, 로봇의 케이블 특성 보정 장치는 상기 수신한 초기 정보를 이용하여 크리프 특성에 따른 변형 정도 및 히스테리시스 특성에 따른 변형 정보 중 적어도 하나를 산출할 수 있다.

다양한 실시예에 따르면 로봇의 케이블 특성 보정 장치는, 동작 607에서, 케이블의 복원 특성에 따른 변형 회복 정도를 산출할 수 있다.

상기 케이블의 변형 회복 정도는 미리 설정된 수학식에 기반하여 근사값으로 산출될 수 있다. 예를 들면, 케이블 특성 보정 장치는 상기 수학식 5 내지 수학식 8을 이용하여 변형 회복 정도를 산출할 수 있다.

동작 609에서, 케이블 특성 보정 장치는 산출한 변형 정도를 이용하여 케이블의 특성 정보를 보정할 수 있다. 예를 들면 상기 케이블의 특성 정보는 케이블의 길이 정보를 포함할 수 있다.

다양한 실시예에 따르면 상기 케이블 특성 보정 장치는 동작 603, 605, 및607의 산출 결과 중 적어도 하나에 기반하여 변형된 케이블의 길이 정보를 예측하여 로봇의 구동을 위한 보정 정보에 반영할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 로봇의 케이블 특성 보정 장치에 관한 구성 블록도를 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 다양한 실시예에 따른 케이블 특성 보정 장치(700)는 구동부(710), 제어부(720), 입력부(730), 및 메모리(740)을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면 상기 케이블 특성 보정 장치(700)는 로봇을 의미할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면 로봇은 구동부(710)를 포함할 수 있으며, 구동부(710)의 구동을 위해 링크 역할을 하는 케이블(715)을 적어도 하나 포함할 수 있다.

다른 실시예에 따르면 로봇과 별개로 케이블의 특성 정보만을 산출하도록 동작하는 전자 장치를 의미할 수 있다. 이 경우 케이블 특성 보정 장치(700)는 상기 구동부(710)를 포함하지 않을 수도 있다.

다양한 실시예에 따르면 입력부(730)는 외부로부터 케이블에 관한 초기 정보 입력를 수신할 수 있다. 예를 입력부(730)는 사용자에 의해 입력되는 케이블에 관한 초기 정보를 수신하거나, 외부 장치와 통신하여 상기 케이블에 관한 초기 정보를 수신할 수 있다.

다양한 실시예에 따르면 메모리(740)는 로봇에 관한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어 메모리(740)는 입력부(730)로부터 수신한 초기 정보를 저장하거나 케이블 특성 보정 장치(700)에 포함된 별도의 센서(미도시)로부터 측정되는 정보를 저장할 수 있다. 메모리(740)는 케이블의 특성 정보를 보정하기 위해 요구되는 수학식을 저장할 수 있다. 메모리(740)는 로봇의 구동 동작에 관한 정보 또는 제어부(720)로부터 산출한 케이블의 보정에 관한 정보를 저장할 수도 있다.

다양한 실시예에 따르면, 제어부(720)는 상기 케이블 특성 보정 장치(700)를 전반적으로 제어할 수 있다. 예를 들면 제어부(720)는 입력부(730) 또는 메모리(740)로부터의 초기 정보를 이용하여 케이블의 변형 정도를 산출할 수 있고, 산출한 변형 정도에 기반하여 케이블의 길이 정보를 보정하여 구동부(710)를 제어할 수 있다.

도 8은 다양한 실시예에 따른 로봇의 케이블 변형 특성을 설명하기 위한 그래프이다.

도 8을 참조하면, 케이블에 가하는 하중의 변화에 따라 변화하는 케이블의 길이 특성을 확인할 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 개시된 수학 식을 이용하여 케이블의 길이 변형 정도를 모델링하는 경우 실제 케이블의 길이 변화 특성을 효과적으로 예측할 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 케이블 특성 보정 장치(700)는 히스테리시스 특성 및/또는 크리프 특성에 따른 케이블의 길이 변화를 정확히 예측함으로써, 케이블 특성 변화를 반영한 정밀한 로봇 구동을 구현하도록 할 수 있다.

본 문서에서 사용된 용어 “부” 또는 “모듈”은, 예를 들면, 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어 (firmware) 중 하나 또는 둘 이상의 조합을 포함하는 단위 (unit)를 의미할 수 있다. “부” 또는 “모듈”은, 예를 들면, 유닛 (unit), 로직 (logic), 논리 블록 (logical block), 부품 (component), 또는 회로 (circuit) 등의 용어와 바꾸어 사용 (interchangeably use)될 수 있다. “부” 또는 “모듈”은, 일체로 구성된 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있으며, 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는 최소 단위 또는 그 일부가 될 수도 있다. “부” 또는 “모듈”은 기계적으로 또는 전자적으로 구현될 수 있다. 예를 들면, “부” 또는 “모듈”은, 알려졌거나 앞으로 개발될, 어떤 동작들을 수행하는 ASIC (application-specific integrated circuit) 칩, FPGAs (field-programmable gate arrays) 또는 프로그램 가능 논리 장치 (programmable-logic device) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

다양한 실시 예에 따른 장치 (예: 모듈들 또는 그 기능들) 또는 방법 (예: 동작들)의 적어도 일부는, 예컨대, 프로그램 모듈의 형태로 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장매체 (computer-readable storage media)에 저장된 명령어로 구현될 수 있다. 상기 명령어는, 프로세서 (예: 프로세서 120)에 의해 실행될 경우, 상기 하나 이상의 프로세서가 상기 명령어에 해당하는 기능을 수행할 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장매체는, 예를 들면, 상기 메모리 130가 될 수 있다.

상기 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체는, 하드디스크, 플로피디스크, 마그네틱 매체 (magnetic media)(예: 자기테이프), 광기록 매체 (optical media)(예: CD-ROM (compact disc read only memory), DVD (digital versatile disc), 자기-광 매체 (magneto-optical media)(예: 플롭티컬 디스크 (floptical disk)), 하드웨어 장치 (예: ROM (read only memory), RAM (random access memory), 또는 플래시 메모리 등) 등을 포함할 수 있다. 또한, 프로그램 명령에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 상술한 하드웨어 장치는 다양한 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지다.

다양한 실시 예에 따른 모듈 또는 프로그램 모듈은 전술한 구성요소들 중 적어도 하나 이상을 포함하거나, 일부가 생략되거나, 또는 추가적인 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다. 다양한 실시 예에 따른 모듈, 프로그램 모듈 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적, 병렬적, 반복적 또는 휴리스틱 (heuristic)한 방법으로 실행될 수 있다. 또한, 일부 동작은 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 다른 동작이 추가될 수 있다.

그리고 본 문서에 개시된 실시 예는 개시된, 기술 내용의 설명 및 이해를 위해 제시된 것이며, 본 개시의 범위를 한정하는 것은 아니다. 따라서, 본 개시의 범위는, 본 개시의 기술적 사상에 근거한 모든 변경 또는 다양한 다른 실시 예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

로봇의 케이블 특성 보정 방법에 있어서,
케이블에 관한 초기 정보를 수신하는 동작;
상기 수신한 초기 정보에 기반하여 상기 케이블의 크리프 특성에 따른 변형 정도를 산출하는 동작;
상기 수신한 초기 정보에 기반하여 상기 케이블의 히스테리시스 특성에 따른 변형 정도를 산출하는 동작;
상기 산출한 크리프 특성에 따른 변형 정도 및 히스테리시스 특성에 따른 변형 정도 중 적어도 하나를 이용하여 상기 케이블의 특성 정보를 보정하는 동작을 포함하는 로봇의 케이블 특성 보정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 수신한 초기 정보에 기반하여 상기 케이블의 복원 특성에 따른 변형 회복 정도를 산출하는 동작; 및
상기 산출한 복원 특성에 따른 변형 회복 정도를 이용하여 상기 케이블의 특성 정보를 보정하는 동작를 더 포함하는 로봇의 케이블 특성 보정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 케이블의 변형 정도는, 미리 설정된 수학 식에 기반하여 근사값으로 산출되는 것을 특징으로 하는 로봇의 케이블 특성 보정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 초기 정보는, 상기 케이블의 초기 길이 정보 및 상기 케이블에 부여되는 하중에 관한 정보를 포함하는 로봇의 케이블 특성 보정 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 하중에 관한 정보는, 상기 케이블에 부여되는 하중의 크기, 상기 하중이 부여되는 시간, 및 상기 하중이 부여되는 횟수 중 적어도 하나를 포함하는 로봇의 케이블 특성 보정 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 초기 정보는, 상기 케이블의 초기 길이 정보 및 상기 케이블에 부여되는 하중에 관한 정보를 포함하고,
상기 하중에 관한 정보는, 상기 케이블에 부여되는 하중의 크기, 상기 하중이 부여되는 시간, 상기 하중이 부여된 횟수, 및 상기 하중이 제거되고 소요된 시간 중 적어도 하나를 포함하는 로봇의 케이블 특성 보정 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 케이블의 크리프 특성에 따른 변형 정도는,
제1식:
; 및
제2식:

(
: 케이블의 변형률,
: 변형된 케이블의 길이, E1, E2: burgur's model의 elastic parameter,
: 케이블의 응력,
: 지연 시간, t: 하중이 가해진 시간,
: 케이블의 점성)
에 기반하여 산출되는 것을 특징으로 하는 로봇의 케이블 특성 보정 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 케이블의 히스테리시스 특성에 따른 변형 정도는,
제 3 식:

(
: loading, unloading exponent, N: experiment number(hardening factor), T: 하중 크기,
: 케이블의 길이 변화량)
에 기반하여 산출되는 것을 특징으로 하는 로봇의 케이블 특성 보정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 케이블 특성은 상기 케이블의 길이 특성인 것을 특징으로 하는 로봇의 케이블 특성 보정 방법.
로봇의 케이블 특성 보정 장치에 있어서,
케이블에 관한 초기 정보에 관한 입력을 수신할 수 있는 입력부;
상기 케이블에 관한 초기 정보를 저장할 수 있는 메모리; 및
제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 입력부에 의해 수신되거나 상기 메모리에 저장된 초기 정보에 기반하여 상기 케이블의 크리프 특성에 따른 변형 정도 및 상기 케이블의 히스테리시스 특성에 따른 변형 특성을 산출하고, 상기 산출한 변형 특성을 이용하여 상기 로봇의 케이블 특성 정보를 보정하도록 설정된 로봇의 케이블 특성 보정 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 초기 정보에 기반하여 상기 케이블의 복원 특성에 따른 변형 회복 정도를 산출하고, 상기 변형 정보 및 변형 회복 정도를 이용하여 상기 로봇의 케이블 특성 정보를 보정하도록 설정된 로봇의 케이블 특성 보정 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 케이블의 변형 정도는, 미리 설정된 수학식에 기반하여 근사값으로 산출되는 것을 특징으로 하는 로봇의 케이블 특성 보정 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 초기 정보는, 상기 케이블의 초기 길이 정보 및 상기 케이블에 부여되는 하중에 관한 정보를 포함하는 로봇의 케이블 특성 보정 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 로봇의 구동 시 보정된 로봇의 케이블 특성 정보 및
상기 로봇의 구동 이후 다시 구동되기까지의 시간 정보 중 적어도 하나를
상기 케이블에 관한 초기 정보로서 상기 메모리에 저장하도록 설정된 로봇의 케이블 특성 보정 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 케이블의 크리프 특성에 따른 변형 정도는,
제1식:
; 및
제2식:

(
: 케이블의 변형률,
: 변형된 케이블의 길이, E1, E2: burgur's model의 elastic parameter,
: 케이블의 응력,
: 지연 시간, t: 하중이 가해진 시간,
: 케이블의 점성)
에 기반하여 산출되는 것을 특징으로 하는 로봇의 케이블 특성 보정 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 케이블의 히스테리시스 특성에 따른 변형 정도는,
제 3 식:

(
: loading, unloading exponent, N: experiment number(hardening factor), T: 하중 크기,
: 케이블의 길이 변화량)
에 기반하여 산출되는 것을 특징으로 하는 로봇의 케이블 특성 보정 장치.