KR20030093643A

KR20030093643A - 로봇의 모션 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20030093643A
Application number: KR1020020031359A
Authority: KR
Inventors: 김선오
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2003-12-11

Abstract

본 발명은 로봇의 모션 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 로봇을 최대 허용 토크로 구동하여 목표 속도까지 가속시키고, 로봇이 목표 속도에 도달하면 로봇을 등속 운동시키며, 로봇이 목표 위치에 근접하면 로봇을 최대 토크로 감속하여 정지시킨다. 이와 같이 본 발명에 따른 로봇의 모션 제어 장치 및 방법은 모터를 최대 토크로 제어함으로써 별도의 복잡한 계산과정과 실험 과정 없이도 최대의 가속 및 감속 속도를 갖는 로봇의 모션 제어를 수행할 수 있도록 한다. 따라서 시스템의 구성이 매우 간단해지고, 시스템 개발에 소요되는 시간도 크게 단축할 수 있다.

Description

로봇의 모션 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MOTION CONTROL OF ROBOT}

본 발명은 로봇의 모션 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 두 지점 사이를 움직이는(point-to-point) 로봇의 가속 및 감속을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

로봇의 모션 제어 시스템은 크게 2지점 시스템(point-to-point system)과 연속 경로 시스템(continuous path system)으로 구분할 수 있다. 2지점 시스템은 로봇이 지정된 두 지점을 사이를 직접 이동하는 방식이며, 연속 경로 시스템은 미리 정해진 경로를 경유하는 방식이다.

이 가운데 연속 경로 시스템은 제품 가공 등의 정밀도가 요구되는 산업 분야에서 사용된다. 반면, 2점간 시스템은 모션 제어의 80% 이상을 차지하는데, 두 지점 사이의 최단 거리를 최단 시간 내에 이동하는 것을 목적으로 하는 시스템이다.

이와 같은 종래의 로봇의 2점간 모션 제어 개념을 도 1의 그래프를 통해 설명하면 다음과 같다. 2점간 시스템의 이상적인 속도 제어는 도 1의 (가)에 나타낸 그래프처럼 정지 상태에서 목표 속도에 즉시 도달하도록 하는 것이다. 그러나 이와 같은 이상적인 속도 제어에서는 가속 시점에서 순간적으로 매우 큰 부하가 걸리기 때문에 현실적으로는 모션이 이루어지지 않는다. 따라서 2점간 시스템의 속도 제어는 반드시 목표 속도에 도달하기 위한 가속 구간과 정지하기 위한 감속 구간이 필수적이다. 이와 같은 가속 구간과 감속 구간의 계산은 시스템의 동역학(Dynamics) 계산 결과 또는 실험을 통해 얻어진 최적 조건을 이용하는 것이 일반적이다.

도 1의 (나)에 나타낸 그래프는 2점간 시스템의 실제 속도 명령을 나타낸 것인데, 가속 구간과 등속 구간, 감소 구간의 그래프가 사다리꼴을 이룬다. 즉, 가속 구간에서는 일정 시간을 두고 서서히 목표 속도까지 도달하며, 이후 등속 운동이 지속되다가 목표 위치에 근접하면 서서히 감속하여 정지한다.

2점간 시스템의 속도 제어에서 각 구간별 토크의 변화를 도 1의 (다)에 나타내었다. 가속 구간에서는 정방향으로 일정 크기의 토크를 발생시키고, 등속 구간에서의 토크가 0이 된다(외력이 없음). 감소 구간에서는 가속 구간에서의 토크와 방향이 반대인 토크가 발생하여 속도를 감소시키고 결국 정지 상태에 이르도록 한다.

도 1에 나타낸 2점간 시스템은 속도 제어 시스템이기 때문에 목표 속도를 구현하기 위한 속도 명령에 따라 토크의 크기가 변화한다. 이와 같은 속도 제어 시스템에서 외란 토크가 발생하여 토크의 크기가 증가할 수 있다. 만약 최대 토크로 구동하는 상태에서 외란 토크에 의해 토크가 증가하면 토크가 최대 허용 토크를 초과하여 모터가 소손되거나 시스템이 다운될 수 있기 때문에 가속 구간에서의 토크는 최대 허용 토크보다 작게 약간의 여유를 두고 운영한다.

2점간 시스템의 가속 구간에서 최대 토크로 가속하면 가속 시간이 감소하여 전체 이동 시간을 단축시킬 수 있다. 그러나 도 1의 (다)에 나타낸 것처럼 실제 토크를 최대 허용 토크보다 작게 운영함으로써 가속 시간이 길어질 수밖에 없다.

도 1의 (라)와 (마)에 나타낸 것과 같은 S 커브 속도 명령의 경우에도 목표 속도에 도달하기까지의 가속이 사다리꼴보다 부드럽게 이루어지는 것을 제외하면 외란 토크에 대비하여 실제 토크를 최대 허용 토크보다 작게 운용해야 하는 문제와 가속 시간이 길어지는 문제가 여전히 남아있다.

로봇의 모션 시스템에서, 가감속 속도를 개선하기 위해서는 시스템의 운동 역학(Dynamics)을 계산하여 그에 따라 가감속 속도를 제어하는 방법과 실험을 통해 최적의 제어 값을 구하는 방법이 있다. 그러나 시스템의 운동 역학을 계산하기 위해서는 대단히 복잡한 계산이 요구되며, 실험을 통한 방법은 많은 시간과 노력이 요구된다.

본 발명에 따른 로봇의 모션 제어 장치 및 방법은 모터를 최대 토크로 제어함으로써 별도의 복잡한 계산과정과 실험 과정 없이 최대 속도의 가속 및 감속이 이루어지도록 로봇의 모션 제어를 수행하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 로봇의 모션 제어 개념을 나타낸 그래프.

도 2는 본 발명에 따른 로봇의 모션 제어 개념을 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명에 따른 로봇의 모션 제어 장치를 나타낸 블록도.

도 4는 본 발명에 따른 로봇의 모션 제어 방법을 나타낸 순서도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

302 : 토크명령 발생부

304 : 토크 제어부

306 : 모터(로봇)

308 : 최대토크 제어부

310 : 외부 토크 명령

312 : 실제 토크 명령

314 : 토크 제어 신호

316 : 최대토크 제어 신호

이와 같은 목적의 본 발명에 따른 로봇의 모션 제어 장치는 최대 허용 크기의 토크 명령을 발생시키는 토크 명령 발생부와, 토크 명령을 입력받아 토크 제어 신호를 발생시켜 최대 허용 토크로 로봇을 가속 또는 감속시키는 토크 제어부를 포함하여 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 로봇의 모션 제어 방법은, 로봇을 최대 허용 토크로 구동하여 목표 속도까지 가속하는 단계와, 로봇이 목표 속도에 도달하면 로봇을 등속 운동시키는 단계, 로봇이 목표 위치에 근접하면 로봇을 최대 토크로 감속하여 정지시키는 단계를 포함하여 이루어진다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 로봇의 모션 제어 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 2는 본발명에 따른 로봇의 모션 제어 개념을 나타낸 그래프이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇의 모션 제어 개념은 실제 토크 명령을 최대 허용 토크에 도달하도록 제어하고, 이 실제 토크에 따라 속도가 변화하도록 한다. 도 2의 (가)에서 실제 토크 명령이 내려지면 (나)와 같이 실제 토크 명령에 따른 가속과 감속이 이루어진다. 이때 (다)와 같이 가속 구간에서 외란 토크가 입력되면 속도는 (라)에 나타낸 그래프처럼 일시적으로 변화한다. 그러나 본 발명에 따른 로봇의 모션 제어에서는 토크가 주 제어 대상이기 때문에 외란 토크를 고려한 토크의 제어가 이루어져 항상 최대 허용 토크로 모션 제어를 수행할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 로봇의 모션 제어 장치를 나타낸 블록도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 토크 명령 발생부(302)는 외부 토크 명령(310)과 부하토크 검출부(308)에서 출력되는 최대토크 제어신호(318)를 입력받아 실제 토크 명령(312)을 발생시킨다. 토크 제어부(304)는 실제 토크 명령(312)을 입력받아 토크 제어 신호(314)를 발생시켜 최대 토크로 모터(306)를 구동한다. 이 모터(306)는 로봇을 구동하는 서보 모터이다. 부하토크 검출부(308)는 모터(306)의 실제 토크를 검출하여 최대토크 제어신호(316)를 발생시켜서 토크명령 발생부(302)로 출력한다. 토크명령 발생부(302)는 외부 토크 명령(310)과 최대토크 제어신호(316)에 따라 최대 허용 토크와 동일한 크기의 실제 토크 명령을 발생시킨다. 따라서 외란 토크가 발생하더라도 토크 명령 발생부(302)의 실제 토크 명령(312)은 항상 최대 허용 토크와 일치하도록 제어된다.

도 4는 본 발명에 따른 로봇의 모션 제어 방법을 나타낸 순서도이다. 도 4에나타낸 바와 같이, 모터(306)를 목표 속도에 도달할 때까지 최대 토크로 가속시킨다(S402). 모터(306)가 목표 속도에 도달하면 속도 제어를 실시하여 모터(306)가 등속 운동을 하도록 한다(S406). 모터(306)의 등속 운동이 진행하여 로봇이 목표 위치에 접근하면(S408) 최대 토크로 감속시켜(S410) 모터(306)를 정지시킨다(S412).

이와 같이, 최대 토크로 모터(306)를 구동하기 때문에 시스템이 낼 수 있는 최고 속도로 가속과 감속이 이루어지는 모션 제어가 가능하다. 뿐만 아니라 외란 토크가 발생하더라도 모터(306)가 소손되거나 시스템이 다운되지 않는다.

본 발명에 따른 로봇의 모션 제어 장치 및 방법은 모터를 최대 토크로 제어함으로써 별도의 복잡한 계산과정과 실험 과정 없이도 최대의 가속 및 감속 속도를 갖는 로봇의 모션 제어를 수행할 수 있도록 한다. 따라서 시스템의 구성이 매우 간단해지고, 시스템 개발에 소요되는 시간도 크게 단축할 수 있다.

Claims

로봇의 모션 제어 장치에 있어서,

최대 허용 크기의 토크 명령을 발생시키는 토크 명령 발생부와;

상기 토크 명령을 입력받아 토크 제어 신호를 발생시켜 최대 허용 토크로 상기 로봇의 가속 및 감속이 이루어지도록 하는 토크 제어부를 포함하는 로봇의 모션 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 로봇의 부하 토크를 검출하여 최대토크 제어신호를 발생시키는 부하토크 검출부를 더 포함하고;

상기 토크명령 발생부가 외부 토크 명령과 상기 최대토크 제어신호에 따라 상기 최대 허용 크기의 토크 명령을 발생시키는 로봇의 모션 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 로봇이 미리 설정된 두 지점 사이를 최대 속도로 이동하도록 제어되는 2점간 시스템인 로봇의 모션 제어 장치.
로봇의 모션 제어 방법에 있어서,

상기 로봇을 최대 허용 토크로 구동하여 목표 속도까지 가속하는 단계와;

상기 로봇이 상기 목표 속도에 도달하면 상기 로봇을 등속 운동시키는 단계와;

상기 로봇이 목표 위치에 근접하면 상기 로봇을 상기 최대 토크로 감속하여 정지시키는 단계를 포함하는 로봇의 모션 제어 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 로봇이 미리 설정된 두 지점 사이를 최대 속도로 이동하도록 제어되는 2점간 시스템인 로봇의 모션 제어 방법.