KR20100085685A

KR20100085685A - 다축 로봇 제어장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20100085685A
Application number: KR1020090005102A
Authority: KR
Inventors: 권영도
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2010-07-29
Also published as: US20100185325A1

Abstract

상위 제어기가 다축 로봇의 축에 설치된 복수의 액츄에이터에 대응하는 제어 명령을 생성하여 네트워크를 통하여 서보 제어기로 전달하며, 그 서보 제어기는 전달받은 제어 명령을 복수 액츄에이터로 전달하고 복수 액츄에이터의 상태를 측정한 센서 정보를 상위 제어기로 전달한다.

다축 로봇, CPU, FPGA, 서보 제어기

Description

다축 로봇 제어장치 및 그 방법{multi-axis robot control apparatus and method thereof}

본 발명은 다축 로봇 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다축 로봇의 제어기를 개선한 다축 로봇 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 휴머노이드 로봇은 인간과 유사한 관절 구조를 가지고 있다. 휴머노이드 로봇은 주어진 임무나 작업을 수행하기 위해 다리와 팔과 손발을 움직이는 대표적인 다축 로봇의 하나이다.

다축 로봇에는 각각의 축에 설치된 모터와 같은 액츄에이터를 구동 제어하는 각각의 서보 제어기를 가진다. 예를 들어 로봇 다리를 통제하는 서보 제어기에는 토크 제어에 적합한 펌웨어와 제어 알고리즘을 탑재하고, 로봇 핸드 또는 로봇 팔을 통제하는 서보 제어기에는 위치 제어에 적합한 펌웨어와 제어 알고리즘을 탑재하게 된다. 각각의 서보 제어기의 성능은 각 축에 구현된 서보 제어 알고리즘의 성능에 따라 정해지며, 각 서보 제어기는 해당 모터의 특성에 따라 개별적인 게인 조정(gain tuning) 작업 및 특화된 서보 제어 알고리즘의 운용이 필요하다.

로봇의 상위 제어기가 제어 명령을 각각의 서보 제어기에 제공하고 그 서보 제어기가 제어 명령에 따라 로봇 동작을 실행시킨다. 로봇 동작을 제어하거나 작업을 수행하는데 있어서 각 서보 제어기의 중앙처리장치(CPU)가 주도적으로 제어 명령을 처리한다. 서보 제어기의 중앙처리장치는 상위 제어기의 제어 명령을 말단 하드웨어로 전달하고 아울러 전달된 제어 명령이 제대로 수행되는지 추종하기 위해 센서를 통해 측정한 센서 정보를 상위 제어기로 전달하는 통신 기능을 관리한다. 특히 다축 로봇에 있어서 모터 토크를 실시간 제어하는 토크 제어 알고리즘과 모터 속도 또는 위치를 제어하기 위한 고성능 서보 제어 알고리즘을 이용하기 위해서 고속 연산 및 고속통신 처리가 가능한 중앙처리장치가 필수적으로 제공된다.

다축 로봇에 있어 각각의 서보 제어기에 대한 기능 개선이나 해당 제어기의 펌웨어나 제어 알고리즘을 업데이트할 때 각각의 서보 제어기의 중앙처리장치에 탑재된 펌웨어와 제어 알고리즘을 유지 관리하기 위한 관리 프로그램을 별도로 구비해야 하고 개별적으로 교체 또는 수정해야 하므로 번거롭고 불편하다.

본 발명의 일 측면은 제어기의 하드웨어 구성을 단순하게 구현하고 용이하게 유지 및 관리할 수 있는 다축로봇 제어장치 및 그 방법을 제시하는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 다축 로봇 제어장치는, 다축 로봇에 설치된 복수의 액츄에이터와; 상기 복수의 액츄에이터를 구동하는 복수의 서보 제어기와; 상기 복수의 액츄에이터에 대응하는 제어 명령을 생성하여 상기 복수의 서보 제어기에 제공하는 상위 제어기;를 포함한다.

상기 상위 제어기는 상기 복수의 액츄에이터에 대응하는 펌웨어와 제어 알고리즘을 관리하기 위한 중앙처리장치를 포함한다.

상기 상위 제어기의 중앙처리장치가 원하는 서보 제어기에 대한 기능을 개선하거나 펌웨어와 제어 알고리즘을 업데이트하기 위한 통합관리 프로그램을 구비한다.

상기 액츄에이터는 로봇 축에 설치된 모터이다.

상기 복수의 서보 제어기와 상기 상위 제어기 사이를 연결하는 네트워크와, 상기 모터의 구동 상태를 측정하는 센서부를 더 포함하고; 상기 서보 제어기는 상기 네트워크를 통해 전달받은 상기 제어 명령과 상기 센서부를 통해 측정된 센서 정보를 전달하는 로직부를 포함한다.

상기 서보 제어기는 통신 모듈과 모터 드라이버를 더 포함하고, 상기 로직부는 상기 통신 모듈로부터 받은 데이터를 상기 모터 드라이버에 전달하거나 상기 모터 드라이버로부터 받은 데이터를 상기 통신 모듈로 전달하는 인터페이스 로직을 포함한다.

상기 인터페이스 로직은 상기 제어 명령에 대응하는 명령 데이터와 상기 센서 정보에 대응하는 피드백 데이터를 각각 전달하기 위한 복수의 레지스터를 구비한다.

본 발명의 실시 예에 따른 다축 로봇 제어방법은, 상위 제어기가 복수의 액츄에이터에 대응하는 제어 명령을 생성하고; 상기 생성된 제어 명령을 상기 복수의 액츄에이터에 대응하는 서보 제어기로 전송하며; 상기 서보 제어기가 제어 명령을 해당하는 액츄에이터로 전달하고 상기 복수의 액츄에이터의 상태를 측정한 센서부의 센서 정보를 상위 제어기로 전달하는 것;을 특징으로 한다.

상기 액츄에이터는 로봇 축에 설치된 모터이고, 상기 제어 명령은 상기 상위 제어기의 중앙처리장치가 상기 복수의 모터에 대응하는 펌웨어와 제어 알고리즘을 이용하여 생성한다.

상기 서보 제어기가 데이터를 일정 크기로 임시 저장하고, 일정한 데이터만큼 채워지면 전송한다.

이상과 같은 본 발명은 다축 로봇의 서보 제어기에서 중앙처리장치를 제거함으로서 서보 제어기를 간단하게 구현하고, 상위 제어기에서 각각의 서보 제어기에 대한 기능을 개선하거나 펌웨어나 제어 알고리즘을 업데이트하는 작업을 일괄적으로 수행할 수 있어 제어기에 대한 유지 및 관리가 용이하다.

이하 본 발명의 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 로봇 제어장치는 상위 제어기(100)와 복수의 서보 제어기(300)가 네트워크(200)를 통해 연결된다. 복수의 서보 제어기(300)는 로봇 다리와 팔과 손발 등에 설치된 각각의 모터(400)를 구동 제어한다. 복수의 서보 제어기(300)는 토크 제어방식 또는 위치 제어 방식을 적용할 수 있으며, 이 점에서 기존의 서보 제어기와 유사하다.

상위 제어기(100)와 각각의 서보 제어기(300) 상호간 제어 명령과 그 제어 명령의 결과를 추종하기 위해 센서로 측정한 센서 정보를 네트워크(200)를 통하여 실시간으로 전달한다. 본 실시예에서 네트워크(200)가 고속 통신을 지원하는 이더넷(ethernet)으로 구현하였지만, 이에 한정된 것은 아니며, 상위 제어기(100)와 각각의 서보 제어기(300) 사이에 고용량 데이터를 실시간으로 전달할 수 있는 통신 프로토콜을 채용할 수 있음은 물론이다.

상위 제어기(100)는 각각의 서보 제어기(300)에서 바로 실행할 수 있는 실행 목적의 제어 명령을 제공한다. 여기서 실행 목적의 제어 명령이란 서보 제어기(300)에서 제어 알고리즘을 이용하지 않고 모터 구동시킬 수 있는 것을 의미한다. 이는 본 실시예에 따른 서보 제어기(300)에서 중앙처리장치(CPU)를 제외시키기 위함이다.

본 실시예에 따른 상위 제어기(100)는 각각의 서보 제어기(300)에 대응하는 펌웨어와 제어 알고리즘을 관리하기 위한 고성능의 중앙처리장치(101)를 구비하고, 그 중앙처리장치(101)에 원하는 서보 제어기(300)에 대한 기능을 개선하거나 펌웨 어와 제어 알고리즘을 업데이트하기 위한 통합관리 프로그램이 탑재되어 있다. 이에 따라 상위 제어기(100)에서 제공하는 통합관리 프로그램을 이용하여 원하는 서보 제어기(300)에 대한 펌웨어와 제어 알고리즘을 사용자가 교체하거나 수정하는 작업을 용이하게 처리할 수 있다.

각각의 서보 제어기(300)는 상위 제어기(100)로부터 실행 목적의 제어 명령을 전달받고, 일련의 데이터 중계 과정을 거처서 모터(400)를 구동시킨다.

도 2에 도시한 바와 같이, 서보 제어기(300)가 모터(400)에 구동신호를 인가하고, 센서부(410)에 의해 측정된 모터 위치 또는 속도와 전류에 대한 측정값을 각각 제공받는다. 서보 제어기(300)는 네트워크(200)에 접속된 통신 모듈(310)과, 그 통신 모듈(310)과 데이터 통신하는 로직부(320)와 모터를 구동시키는 모터 드라이버(330)를 포함한다. 로직부(320)는 인터페이스 로직(321)과 PWM 로직(322)과, 엔코더 로직(323)과, 디지털 입출력 모듈(324)을 포함한다.

통신 모듈(310)이 네트워크(200)에 접속되어 상위 제어기(100)의 제어 명령을 전달받고, 그 제어 명령을 디지털 변환한 명령 데이터를 로직부(320)에 전달한다. 로직부(320)의 인터페이스 로직(321)은 통신 모듈(310)로부터 전달받은 명령 데이터를 임시 저장한 후 PWM 로직(320)으로 전송한다. 이러한 명령 데이터의 전송 동작은 도 3에 따라 후술한다. PWM 로직(320)은 명령 데이터에 따라 펄스폭 변조된 구동신호를 모터 드라이버(330)에 출력한다. 그 구동신호가 모터 드라이버(330)의 증폭기(331)에 의해 적정 레벨로 증폭된 후 모터(400)에 인가됨에 의해 모터(400)가 구동되고 그 모터 속도가 변한다. 모터 구동 시 센서부(410)가 엔코더 등을 이 용하여 모터 위치 또는 속도와 전류를 각각 측정하여 모터 드라이버(330)에 제공한다.

모터 드라이버(330)의 카운터(332)가 모터 위치 또는 속도의 측정값을 카운트할 수 있는 신호로 바꾸어 로직부(320)의 엔코더 로직(323)에 제공한다. 또한 모터 드라이버(330)의 A/D 변환기(333)가 모터 전류의 측정값을 디지털 변환 후 엔코더 로직(323)에 제공한다. 엔코더 로직(323)은 모터 위치 또는 속도를 카운트하고 그 카운트값에 대응하는 피드백 데이터를 인터페이스 로직(321)에 제공하고 또한 모터 전류값에 대응하는 피드백 데이터를 인터페이스 로직(321)에 제공한다. 인터페이스 로직(321)은 제공받은 피드백 데이터를 복수의 레지스터에 임시 저장한 후 통신 모듈(310)로 전달한다.

디지털 입출력 모듈(324)은 로직부(320)에서 데이터 입력 또는 출력 동작을 담당한다.

로직부(320)의 인터페이스 로직(321)이 통신 모듈(310)과 모터 드라이버(330) 사이에 연결되어 데이터를 상호간 전달하는 동작을 자세히 설명한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 통신 모듈(310)과 인터페이스 로직(321)은 상호 연결되어 데이터를 4비트씩 고속으로 입력하거나 또는 출력한다. 통신 모듈(310)의 데이터를 입력받는 경우의 예를 들면, 통신 모듈(310)에서 제공되는 4비트 명령 데이터가 제1출력 레지스터(R01)에 처음 임시 저장되고, 그 다음 4비트 명령 데이터가 입력되는 시기에 맞추어 제1출력 레지스터(R01)의 명령 데이터가 제2출력 레지스터(R02)로 이동함과 동시에 새로운 4비트 명령 데이터가 제1출력 레지스터(R01) 에 임시 저장된다. 이렇게 4비트씩 명령 데이터가 제1 내지 제4출력 레지스터(R01, R02, R03, R04)에 차례로 모두 채워지고 나서 총 16비트의 명령 데이터가 PWM 로직(320)으로 전송된다. 또 다른 예를 들면, 센서부(410)에 의해 측정된 센서 정보로서 상위 제어기(100)로 피드백하기 위한 4비트의 피드백 데이터가 제1입력 레지스터(R11)에 임시 저장되고, 그 다음 4비트 피드백 데이터가 입력되는 시기에 맞추어 제1입력 레지스터(R11)의 피드백 데이터가 제2입력 레지스터(R12)로 이동함과 동시에 새로운 4비트 피드백 데이터가 제1입력 레지스터(R11)에 임시 저장된다. 이렇게 4비트씩 피드백 데이터가 제1 내지 제4입력 레지스터(R11, R12, R13, R14)에 모두 채워지고 나서 총 16비트의 피드백 데이터가 통신 모듈(310)로 전송된다. 이러한 피드백 데이터 즉 센서 정보는 통신 모듈(310)에 의해 네트워크(200)를 통해 상위 제어기(100)에 전달된다. 이와 같이 상위 제어기(100)와 각각의 서보 제어기(300) 상호간 통신을 수행함으로서 각 축에 설치된 모터(400)를 적절하게 구동 시킬 수 있다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 로봇 제어방법을 설명한다.

상위 제어기(100)가 로봇에게 주어진 임무를 수행하기 위한 실행 목적의 제어 명령을 만들고 네트워크(200)를 통해 각각의 서보 제어기(300)에 전송한다(500). 여기서 상위 제어기(100)가 제공하는 실행 목적의 제어 명령이란 서보 제어기(300)에서 제어 알고리즘을 이용하지 않고 모터 구동할 수 있는 것을 의미한다.

서보 제어기(300)의 통신 모듈(310)은 상위 제어기(100)의 제어 명령을 명령 데이터로 변환한 후 로직부(320)의 인터페이스 로직(321)으로 전달한다(502).

도 6에서, 인터페이스 로직(321)은 통신 모듈(310)을 통해 처음 4비트 명령 데이터를 입력받아 제1출력 레지스터(R01)에 임시 저장하고(600), 제1 내지 제4 출력 레지스터(R01, R02, R03, R04)에 명령 데이터가 모두 채워지지 않으면(602의 아니오) 처음 4비트 명령 데이터를 제2출력 레지스터(R02)로 이동함과 동시에 다음 입력되는 4비트의 명령 데이터를 제1출력 레지스터(R01)에 임시 저장한다(604). 이러한 동작을 반복하여 제1 내지 제4 출력 레지스터(R01, R02, R03, R04)에 명령 데이터가 모두 채워지면(602의 예) 총 16비트의 명령 데이터를 PWM 로직(322)으로 전송한다(606). 그 다음 600으로 진행하여 명령 데이터의 전송을 계속 수행한다. 이 상위 제어기(100)의 명령 데이터가 PWM 로직(320)에 의해 펄스폭 변조되고 증폭기(331)에 의해 증폭된 후 모터(400)에 인가되어 모터가 구동된다(504).

센서부(410)에서 제공되는 모터 위치 또는 속도에 대한 측정값이 카운터(332)에 의해 카운트할 수 있는 신호로 바꾸어 엔코더 로직(323)에 제공하고, 모터 전류의 측정값은 A/D 변환기(333)에 의해 디지털 변환된 후 엔코더 로직(323)에 제공된다. 엔코더 로직(323)은 모터 위치 또는 속도를 카운트하고 그 카운트값에 대응하는 피드백 데이터와 모터 전류값에 대응하는 피드백 데이터를 인터페이스 로직(321)에 제공한다. 인터페이스 로직(321)은 제공받은 피드백 데이터를 복수의 레지스터에 임시 저장한 후 통신 모듈(310)로 전달한다(506). 도 7을 참고하면, 센서부(410)에 의해 측정된 센서 정보로서 상위 제어기(100)로 전송하기 위한 처음 4비트의 피드백 데이터가 제1입력 레지스터(R11)에 임시 저장되고(700), 제1 내지 제4 입력 레지스터(R11, R12, R13, R14)에 피드백 데이터가 모두 채워지지 않으면(702의 아니오) 처음 4비트 피드백 데이터를 제2 입력 레지스터(R12)로 이동함과 동시에 다음 입력되는 4비트의 피드백 데이터를 제1 입력 레지스터(R11)에 임시 저장한다(704). 이러한 동작을 반복하여 제1 내지 제4입력 레지스터(R11, R12, R13, R14)에 피드백 데이터가 모두 채워지면(702의 예) 총 16비트의 피드백 데이터가 통신 모듈(310)로 전송된다.

통신 모듈(310)이 피드백 데이터를 네트워크(200)를 통해 상위 제어기(100)에 전달한다(508). 이렇게 상위 제어기(100)와 각각의 서보 제어기(300) 상호간 통신을 수행함으로서 각 축에 설치된 모터(400)를 적절하게 구동 시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 로봇 제어장치의 블록도이다.

도 2는 도 1의 주요 구성에 대한 블록도이다.

도 3은 도 2의 서보 제어기의 데이터 전송 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 로봇 제어방법의 흐름도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 명령 데이터의 전송 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백 데이터의 전송 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

100 : 상위 제어기

200 : 네트워크

300 : 서보 제어기

400 : 모터

410 : 센서부

Claims

다축 로봇에 설치된 복수의 액츄에이터와;

상기 복수의 액츄에이터를 구동하는 복수의 서보 제어기와;

상기 복수의 액츄에이터에 대응하는 제어 명령을 생성하여 상기 복수의 서보 제어기에 제공하는 상위 제어기;를

포함하는 다축 로봇 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 상위 제어기는 상기 복수의 액츄에이터에 대응하는 펌웨어와 제어 알고리즘을 관리하기 위한 중앙처리장치를 포함하는 다축 로봇 제어장치.
제2항에 있어서,

상기 상위 제어기의 중앙처리장치가 원하는 서보 제어기에 대한 기능을 개선하거나 펌웨어와 제어 알고리즘을 업데이트하기 위한 통합관리 프로그램을 구비한 다축 로봇 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 액츄에이터는 로봇 축에 설치된 모터인 다축 로봇 제어장치.
제2항에 있어서,

상기 복수의 서보 제어기와 상기 상위 제어기 사이를 연결하는 네트워크와, 상기 모터의 구동 상태를 측정하는 센서부를 더 포함하고;

상기 서보 제어기는 상기 네트워크를 통해 전달받은 상기 제어 명령과 상기 센서부를 통해 측정된 센서 정보를 전달하는 로직부를 포함하는 다축 로봇 제어장치.
제5항에 있어서,

상기 서보 제어기는 통신 모듈과 모터 드라이버를 더 포함하고,

상기 로직부는 상기 통신 모듈로부터 받은 데이터를 상기 모터 드라이버에 전달하거나 상기 모터 드라이버로부터 받은 데이터를 상기 통신 모듈로 전달하는 인터페이스 로직을 포함하는 다축 로봇 제어장치.
제6항에 있어서,

상기 인터페이스 로직은 상기 제어 명령에 대응하는 명령 데이터와 상기 센서 정보에 대응하는 피드백 데이터를 각각 전달하기 위한 복수의 레지스터를 구비하는 다축 로봇 제어장치.
상위 제어기가 복수의 액츄에이터에 대응하는 제어 명령을 생성하고;

상기 생성된 제어 명령을 상기 복수의 액츄에이터에 대응하는 서보 제어기로 전송하며;

상기 서보 제어기가 제어 명령을 해당하는 액츄에이터로 전달하고 상기 복수의 액츄에이터의 상태를 측정한 센서부의 센서 정보를 상위 제어기로 전달하는 것;을 특징으로 하는 다축 로봇의 제어 방법에 있어서
제8항에 있어서,

상기 액츄에이터는 로봇 축에 설치된 모터이고,

상기 제어 명령은 상기 상위 제어기의 중앙처리장치가 상기 복수의 모터에 대응하는 펌웨어와 제어 알고리즘을 이용하여 생성하는 다축 로봇의 제어 방법.
제9항에 있어서,

상기 서보 제어기가 데이터를 일정 크기로 임시 저장하고, 일정한 데이터만큼 채워지면 전송하는 것을 특징으로 하는 다축 로봇의 제어 방법.