KR20180038883A - 복수의 절대값 엔코더를 이용한 위치 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

복수의 절대값 엔코더를 이용한 위치 측정 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 절대값 엔코더를 이용한 위치 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 복수의 절대값 엔코더를 이용하여 모터, 감속기 또는 출력단 중 적어도 하나 이상을 포함하는 회전체의 회전을 측정하여, 복수의 절대값 엔코더가 각각 측정한 회전값을 이용하여 관계식을 통해 상기 회전체가 실제 회전한 각도를 측정하도록 제공하여, 정밀하고 소형화된 복수의 절대값 엔코더를 이용한 위치 측정 시스템 및 방법이다.

Description

복수의 절대값 엔코더를 이용한 위치 측정 시스템 및 방법{Position measurement system and method using plural absolute encoders}
본 발명은 복수의 절대값 엔코더를 이용한 위치 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부가적인 장치 없이 엔코더 신호 값만을 이용하여 회전체의 절대 위치를 확인할 수 있는 복수의 절대값 엔코더를 이용한 위치 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
엔코더들은 회전축의 기계적인 각도 위치를 측정하기 위한 것으로 증분형 엔코더(Incremental Encoder)와 절대값 엔코더(Absolute Encoder)가 사용되고 있다. 증분형 엔코더는 전원이 연결된 이후에 회전한 각도, 즉 상대적인 각도만을 측정하는 것으로, 회전체의 회전각도를 측정하는 도중에 전원이 차단되는 경우 전원이 다시 연결되더라도 회전체의 절대 위치를 측정할 수 없는 단점이 있다. 절대값 엔코더는 이진부호화된 회전 원판을 사용하고 있어 전원 투입 후 현재의 위치정보를 확인할 수 있으나 일반적인 절대값 엔코더의 경우 측정범위가 한 바퀴로 제한되는 단점이 있다. 또한 엔코더를 증속하지 않고 출력단과 1:1로 연결하는 경우 도 2에 도시된 바와 같이 전체적인 측정 시스템이 커지는 문제가 발생한다. 도 3 내지 도 5에 도시된 외골격 로봇, MRI 장치와 같이 회전축 상에 신체와 같은 다른 대상이 위치하고 있어 측정 장치를 회전축 상에 설치할 수 없고 측정을 위해 측정장치를 회전체 외부에 설치해야 하는 경우 1:1 혹은 감속하여 측정장치를 설치하는 것은 많은 공간이 필요한 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 기어식 멀티턴 엔코더의 경우에는 외부전원이 차단되어도 위치를 확인할 수 있지만, 기어식 멀티턴 엔코더는 전자식 멀티턴 엔코더에 비해 크고 내구성이 약한 문제가 있다.
한국공개특허 제2016-0078616호("구동축의 절대 위치 추정 장치 및 방법", 2016.07.05.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 복수의 절대값 엔코더를 이용하여 모터, 감속기 또는 출력단 중 적어도 하나 이상을 포함하는 회전체의 회전을 측정하여, 복수의 절대값 엔코더가 각각 측정한 회전값과 전달비를 이용하여 상기 회전체가 실제 회전한 각도를 측정할 수 있는 복수의 절대값 엔코더를 이용한 위치 측정 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복수의 절대값 엔코더를 이용한 위치 측정 시스템은, 모터, 감속기 또는 출력단 중 적어도 하나 이상을 포함하는 회전체(100); 상기 회전체(100)에 연결되어 회전체의 회전각도를 측정하며, 일정한 전달비(증속, 감속되는 경우 및 1:1로 연결되는 경우를 모두 포함함)를 가지는 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)를 포함하는 복수의 엔코더(200);를 포함하여 이루어질 수 있다.
이때 상기 위치 측정 시스템은 복수의 상기 엔코더(200)가 각각 검출한 각도 값을 통하여, 서로의 관계식을 통해 상기 회전체(100)의 실제 회전각도를 산출할 수 있다.
또한 상기 엔코더(200)는 상기 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)가 상기 회전체(100)의 일부분과 회전을 공유하도록 함께 부착될 수 있다.
또한 상기 회전체(100)의 출력단은 제1출력단(110) 및 제2출력단(120)으로 구성되고, 상기 제1엔코더(210)가 제1출력단(110)과 회전을 병행하도록 결합되며, 상기 제2엔코더(220)가 제2출력단(120)과 회전을 병행하도록 결합될 수 있다.
또한 본 발명의 위치 측정 시스템을 이용한 위치 측정 방법은, 상기 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)에서 읽은 각도 값을 하기의 식에 대입하여 증속된 상기 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)가 360° 회전한 카운터 값(a, b), 즉 회전한 바퀴 수를 산출할 수 있다.
Figure pat00001
(여기에서,
Figure pat00002
: 제1엔코더에서 읽은 각도 값
Figure pat00003
: 제2엔코더에서 읽은 각도 값
Figure pat00004
: 제1엔코더의 전달비
Figure pat00005
: 제2엔코더의 전달비
a : 제1엔코더가 360° 회전한 카운터 값
b : 제2엔코더가 360° 회전한 카운터 값)
상기 위치 측정 방법은 제1엔코더(210)의 전달비 및 제2엔코더(220)의 전달비가 모두 정수인 경우, 제1엔코더(210)의 전달비 및 제2엔코더(220)의 전달비의 최대 공약수가 1인 것을 특징으로 할 수 있다.
이때 상기 위치 측정 방법은 선형 디오판토스 방정식을 통해 상기 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)가 360° 회전한 카운터 값(a, b)을 산출할 수 있다.
이때 상기 위치 측정 방법은 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(22)의 전달비 중 하나 이상이 정수가 아닌 경우, 유클리드 호제법을 이용하여 구한 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(22)의 최대공약수(Greatest Common Factor)가 1이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
이어 상기 위치 측정 방법은 상기 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)가 360° 회전한 카운터 값(a, b)을 하기의 식에 대입하여 상기 회전체(100)가 실제 회전한 각도(
Figure pat00006
)를 산출할 수 있다.
Figure pat00007
(여기에서,
Figure pat00008
= 회전체가 실제 회전한 각도
Figure pat00009
: 제1엔코더에서 읽은 각도 값
Figure pat00010
: 제2엔코더에서 읽은 각도 값
Figure pat00011
: 제1엔코더의 전달비
Figure pat00012
: 제2엔코더의 전달비
a : 제1엔코더가 360° 회전한 카운터 값
b : 제2엔코더가 360° 회전한 카운터 값)
또한 본 발명의 위치 측정 시스템을 포함한 외골격 형태의 로봇 암은, 상기 회전체(100)와 복수의 엔코더(200)의 회전을 공유하도록 풀리형식으로 체결하는 벨트(300);를 포함하고, 상기 회전체(100)는, 외부에서 입력된 제어에 따라 길이가 조절되는 길이조절부(12); 및 상기 복수의 엔코더(200)와 벨트(300)를 통해 함께 체결되며, 상기 길이조절부(12)의 일부와 연결되는 베어링(11);을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 회전체와 엔코더의 연결은 풀리 이외에도 기어, 체인과 같이 회전을 공유하는 어떤 기계 장치도 사용할 수 있다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 복수의 절대값 엔코더를 이용한 위치 측정 시스템 및 방법은, 복수의 절대값 엔코더 간의 관계식을 통하여 축의 위치를 측정할 수 있기 때문에, 외부전원 또는 기억장치와 같은 부가적인 장치 없이 엔코더 값만을 이용하여 축의 위치를 측정할 수 있는 장점이 있다.
증속을 하는 경우 또는 회전체가 다회전하는 경우에도 위치 측정이 가능하므로 작은 직경의 풀리를 사용할 수 있어 전체적인 크기가 작아진다. 따라서 감속기, 모터 또는 출력단 등의 출력위치와 같이 다양한 부분에 본 발명을 적용할 수 있어, 로봇암과 같이 소형이지만 정밀도가 필요한 장치에 적용하기가 수월해진다.
외부전원이 차단되는 상황 하에서도, 복수의 절대값 엔코더 값과 전달비만을 이용하여 언제든지 출력단의 최종 위치를 확인할 수 있어 엔코더에 전원을 항시 공급할 수 없는 상황에서는 유용하게 사용될 수 있다.
저분해능 엔코더를 증속하여 출력단의 각도를 더 높은 분해능으로 측정할 수 있기 때문에 경제적인 장치를 제공한다는 장점이 있다.
모터축과 출력축에 증분형 엔코더가 아닌 절대값 엔코더를 부착하는 경우 측정 정밀도를 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 구동축의 절대 위치 추정 장치를 구비한 구동 모듈을 보여주는 도면
도 2는 1:1의 비율로 출력단과 엔코더를 연결한 형태의 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 암의 사시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 암의 부분확대도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 엔코더 및 출력단의 평면도
도 6 내지 도 11는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 표
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실험장치의 평면도
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실험 표
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실험 결과 도표
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복수의 절대값 엔코더가 부착된 기어드 모터의 사시도
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 따른 복수의 절대값 엔코더를 이용한 위치 측정 시스템 및 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 2는 종래 기술에 따른 출력단 및 엔코더의 사시도이다. 도 2를 참조하면, 기존의 절대값 엔코더는 출력단 각도 측정을 위해 회전체(100)의 출력단에 고분해능엔코더(400)와 1:1 풀리방식을 이용하여 벨트로 결합함으로써, 출력단의 실제 회전 각도를 측정하는 방법을 사용하였다. 하지만 1:1 방식으로 결합함으로써 출력단의 회전 각도를 측정하면, 도 3과 같은 외골격 로봇 또는 외골격형 마스터 장치를 제작하거나 MRI 장치와 같이 큰 직경의 장치를 사용하는 경우 측정장치의 크기가 회전체의 직경과 동일하게 되어 많은 공간을 차지하는 단점이 발생한다. 이에 최근 들어서 많은 개발을 하고 있는, 로봇이나 소형 정밀장치에 적용하기에 어려운 점이 많다.
도 3은 본 발명인 위치 측정 시스템 및 방법이 적용된 로봇 암의 사시도를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 본 발명인 복수의 절대값 엔코더를 이용한 위치 측정 시스템 및 방법은 외골격 로봇시스템(1000)의 로봇암(10) 등과 같이 측정 장치의 설치가 쉽지 않으면서도, 정밀한 측정을 요구하는 장치에 접목할 수 있다. 또한 상기 로봇암(10)은 정밀도와 더불어 소형화 및 심미관도 요구되기 때문에, 도 2에 나타난 것과 같이 1:1 비율 회전체와 절대값 엔코더를 동일한 직경의 풀리로 연결하는 경우 장치가 너무 커지는 문제가 발생한다. 이에 복수의 엔코더를 이용한 위치 측정 시스템을 해당 장치에 설치하여 해당 과제를 해결하도록 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명인 위치 측정 시스템 및 방법이 적용된 로봇 암의 부분확대도를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 복수의 엔코더(200)는 상기 로봇암(10)의 일부에 설치될 수 있다. 이를 좀 더 상세하게 설명하면, 상기 로봇암(10)의 길이조절부(12)에 회전을 지지하는 베어링을 부착하여 상기 로봇암(10)의 회동을 측정할 수 있다. 또한 상기 구조와 같이 하나의 베어링으로 힘과 모멘트를 지지해야하는 구조에는 5축의 힘과 모멘트를 지지할 수 있는 크로스롤러베어링을 사용하는 것이 바람직하다. 이때 상기 베어링(11) 및 복수의 엔코더(200)를 벨트(300)로 결합하여 회전운동을 병행하도록 하여, 상기 로봇암(10)의 정밀한 측정이 가능해진다. 상기 로봇암(10)에 대한 위치 측정 시스템 및 방법은 도 5부터 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명인 위치 측정 시스템 및 방법이 적용된 도 5는 복수의 엔코더 및 출력단의 평면도를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 상기 복수의 엔코더(200)는 각각 상이한 전달비를 가지는 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)를 포함할 수 있다. 이때 상기 엔코더(200)가 각각 검출한 각도 값을 통하여, 서로의 관계식을 통해 베어링(11)의 실제 회전각도를 산출할 수 있다. 또한 도 5에서 도시된 바와 같이, 상기 엔코더(200)는 상기 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)가 상기 베어링(11)과 회전을 공유하도록 연결될 수 있다.
위와 같이 증속된 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)를 사용하여 각도를 측정하는 경우 실제 출력축의 회전각과 증속된 각각의 엔코더(200)의 관계식은 아래와 같다.
Figure pat00013
(1)
(여기에서,
Figure pat00014
= 회전체가 실제 회전한 각도
Figure pat00015
: 제1엔코더에서 읽은 각도 값
Figure pat00016
: 제2엔코더에서 읽은 각도 값
Figure pat00017
: 제1엔코더의 전달비
Figure pat00018
: 제2엔코더의 전달비
a : 제1엔코더가 360° 회전한 카운터 값
b : 제2엔코더가 360° 회전한 카운터 값)
(단, 0
Figure pat00019
a<
Figure pat00020
, 0
Figure pat00021
b<
Figure pat00022
,
Figure pat00023
<
Figure pat00024
, a
Figure pat00025
b)
위의 식에서 출력축의 실제 회전 각도를 계산하기 위해서는 a, b의 값이 필요하다. a, b를 구하기 위해 식 (1)을 정리하면,
Figure pat00026
(2)
와 같다.
위의 수식에서
Figure pat00027
값은 엔코더의 측정값과 전달비로부터 계산되는 값(이하 인덱스 값이라고 함)으로, 인덱스 값과 식 (2)로부터 카운터 값 a, b를 판단할 수 있다.
카운터 값 a, b는,
식 2에서 전달비
Figure pat00028
,
Figure pat00029
가 모두 정수인 경우, 카운터 값인 a, b도 정수이므로
Figure pat00030
는 정수 값이 되고 이에 따라서
Figure pat00031
값도 정수가 되므로 , 식 (2)는 부정 방정식(선형 디오판토스 방정식)이 된다. 이때
Figure pat00032
,
Figure pat00033
가 서로소인 경우에는 a, b는 하나의 해만이 존재하게 되므로, a, b의 값을 구할 수 있다. 물론 실제로는 엔코더(200)에서 발생하는 전기 노이즈, 메커니즘 백러시 등에 의해 정확히 정수가 되지 않을 수도 있으나, 이는 문제가 되지 않는다.
다만, 설계의 제약 조건 혹은 기어 잇수의 제한 조건 등으로 인해 전달비를 정수로 하는 것이 쉽지 않은 경우도 있어 전달비가 정수가 아닌 경우에는
Figure pat00034
,
Figure pat00035
의 최대 공약수가 1 또는 1이하인 것을 만족해야 한다. 이 경우 전달비가 정수가 아닌 경우 약수의 개념이 존재하지 않으므로 유클리드 호제법(Euclidean Algorithm)을 이용하여 구한 최대공약수(Gretest Common Factor)의 값이 1과 같거나 작아야 한다. 이 조건을 만족하는 경우 측정할 수 있는 회전 범위는 360/최대공약수가 된다.
상기 조건의 도출과정을 살펴보면,
조건 1. 식 (1) 및 식 (2)로부터 회전각도를 판단하기 위해서는 원하는 회전 범위{주로 0~360도 또는 0~360/(최대공약수)}에서 하나의 인덱스 값은 하나의 카운터 값(a,b)의 조합에 일대일로 대응되어야 한다.
조건 2. 인덱스 값들은 인덱스 값들을 구분할 수 있는 최소한의 차이가 있어서 엔코더 측정과정에서 발생하는 오차에도 불구하고 인덱스 값들을 구분할 수 있어야 한다.
조건 1은, 증속된 엔코더는 ‘360/전달비’의 각도를 주기로 동일한 값이 반복되고, 두 개의 증속된 엔코더를 이용하여 각도를 판단하는 경우 360도 범위에서 동일한 엔코더 값의 조합이 나타나지 않기 위해서는
Figure pat00036
과
Figure pat00037
의 최소 공배수가 360 또는 360도 이상인 것을 의미하므로
Figure pat00038
,
Figure pat00039
가 최대 공약수가 1 또는 1 이하인 것을 만족해야 한다. 이 경우 전달비가 정수가 아닌 경우 약수의 개념이 존재하지 않으므로 유클리드 호제법(Euclidean algorithm)을 이용하여 구한 최대공약수(greatest common factor)의 값이 1과 같거나 작아야 한다.
예를 들어 전달비 3.2와 8은 공통 인수가 1.6으로 225도(360/1.6)의 주기로 인덱스 값이 반복되어 0 도에서 225도의 범위까지만 인덱스 값을 이용하여 회전 각도를 계산할 수 있어 0 도에서 360도 범위에서는 측정하는 경우에는 적용할 수 없는 전달비의 조합이다. 다른 예로 전달비 2.4와 8은 공통인수가 0.8로 360/0.8=450도를 주기로 인덱스 값이 반복되어 제안된 인덱스 값을 이용하여 0도에서 450도까지 각도를 판단할 수 있다.
또한 최대공약수(greatest common factor)의 값은 인덱스 값들의 조합을 결정하는 요소로 그 크기가 너무 작은 경우 인덱스 값의 차이가 작아져서 엔코더의 측정 값에 측정장치의 오차나 엔코더의 기계적 오차, 기구의 오차 등이 포함되는 경우 어ㄸㄴ 카운터 값에 대응되는 인덱스 값인지를 특정할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 즉, 최대공약수는 측정되는 인덱스 값들의 오차 범위보다 커야 한다. 일반적인 메카트로닉스(mechatronic) 시스템에서 실제로 측정한 결과로부터 계산된 인덱스 값은 이론 값과 0.01 이내의 오차를 가지므로, 최대공약수의 값을 0.01 이상인 것으로 하는 것이 바람직하다. 그러나 계산의 편리성과 충분히 큰 안전 계수를 고려하여 0.1 이상으로 할 수도 있다.
일례로 전달비 4, 2.02인 경우 공통 인수가 0.02로 0 도에서 18000도(360/0.02), 즉 50 바퀴의 범위에서 회전체의 절대위치를 측정할 수 있다.시뮬레이션 결과 인덱스 값들은 ­1.98과 5.98 사이에서 0.02 또는 0.04의 간격으로 배열되어 있어 간격의 최소값이 최대공약수와 같음을 확인할 수 있다.
결론적으로 두 개의 엔코더를 이용하여 절대 위치를 측정하기 위해서는 두 엔코더 전달비의 최대공약수 값이 1 이하인 것이 바람직하고, 그 값이 작아질수록 측정 가능한 범위가 확장된다. 다만 최대공약수의 최소 값은 기계 장치의 정밀도에 따라 결정되는 것으로 정밀한 장치의 경우 그 값을 충분히 작게 할 수도 있으나 일반적인 기계장치의 경우 0.01 이상인 것이 바람직하고, 0.1 이상인 경우도 가능하다.
도 6 내지 도 11은 본 발명인 위치 측정 시스템 및 방법을 이용한 시뮬레이션의 일 실시예로서, 도 6 내지 도 11은 상기한 장치들을 이용한 시뮬레이션 과정 및 결과를 나타내기 위한 표이다. 이하 도 6 내지 도 11을 차례대로 설명하면서 본 발명의 작용을 상세히 기술한다.
도 6은 본 발명의 위치 측정 시스템 및 방법을 이용한 시뮬레이션의 실험조건을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 작동 원리에 따라 제안한 방법을 이용하여 각도를 0 에서 359까지 1도씩 변화 시키며 각 엔코더에서 측정한 값을 바탕으로 제안한 방법을 검증하고, 각 각도에서 실제 값과 측정값의 오차값을 계산하여 다양한 조건에서 오차 값들의 평균을 비교하였다. 이론적으로는 제안된 식 1, 2만을 이용하여 위치를 확인할 수 있으나, 실제 엔코더에는 instrument error, quadrature error, interpolation error, quantization error 등의 다양한 에러가 존재하므로 이러한 오차들 중 시뮬레이션에서는 이론적으로 구현이 가능한 quantization error만을 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다. 실험 조건은 table 1에 기재된 바와 같다.
도 7은 도 6의 엔코더 전달비를 식 (2)에 대입하여 부정방정식을 풀이한 값을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 위치 측정 시스템 및 방법을 통한 시뮬레이션 결과를 나타낸 표이다. 증속을 통한 부가적인 효과로 도 8에서 나타내는 바와 같이, 12bit/rev encoder를 5배(2.3 bit) 증속한 제1엔코더(210)의 경우 15bit/rev encoder를 단독으로 사용하는 경우와 유사한 정도의 정밀도를 보여주었다.
도 9는 본 발명의 위치 측정 시스템 및 방법을 이용한 다른 시뮬레이션의 실험조건을 나타낸다. 도 6의 경우에는 전달비를 정수로 한정하였지만, 도 9의 경우에는 전달비가 정수가 아닌 경우에도 사용가능한 것을 알 수 있다. 이때 최대공약수(Greatest common factor)는 0.17이다.
도 10은 도 9의 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)의 전달비를 식 (2)에 대입하여 부정방정식을 풀이한 값을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 위치 측정 시스템 및 방법을 통한 시뮬레이션 결과를 나타낸 표이다. 도 11에서 나타내는 바와 같이, 15bit/rev encoder 를 4배 증속한 제2엔코더(220) 경우 15bit/rev encoder를 단독으로 사용하는 경우보다 4배가량 오차가 줄어든 것을 확인할 수 있다. 또한 12bit/rev encoder를 3.13배 증속한 제1엔코더(210)의 경우에도 12bit/rev encoder를 단독으로 사용한 것보다 3배가량 오차가 줄어든 것을 확인할 수 있기 때문에, 본 발명을 적용하면 보다 정밀한 측정이 가능한 것을 알 수 있다.
도 12는 복수의 엔코더 및 출력단의 평면도를 나타낸다. 도 12에서 도시된 바와 같이 실험 장치(20)는 제1엔코더(210), 제2엔코더(220) 및 고분해능엔코더(400)로 구성될 수 있다. 고분해능엔코더(400)는 회전축의 절대값을 측정하여 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)를 이용하여 측정한 값과 비교하기 위한 것이다. 이때 상기 실험 장치(20)는 제1엔코더(210), 제2엔코더(220) 및 고분해능엔코더(400)는 하나의 벨트(300)를 통해 서로 회전을 병행하도록 형성될 수 있다.
도 13은 본 발명의 위치 측정 시스템 및 방법을 이용한 실험조건을 나타낸다. 도 13의 조건은 도 9의 조건과 동일하게 12bit/rev encoder를 3.13배 증속하였고, 15bit/rev encoder를 4배 증속한 상태에서 시뮬레이션을 진행하였다. 또한 각도를 비교하기 위해 출력축에는 19bit/rev encoder 사양의 고분해능엔코더(400)를 설치하여 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)로부터 계산되는 각도 값과 각도를 비교하였다.
도 14는 본 발명의 위치 측정 시스템 및 방법을 이용한 실험결과를 나타낸다. 도 14는 다양한 각도로 회전시키며 다양한 각도에서 엔코더 값을 측정하여 엔코더 값과 실제 출력축의 회전각을 계산하여 고분해능엔코더(400)와 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)를 이용하여 계산한 회전각 간의 오차를 비교하였다. 도 14에 나타난 실험결과는 다양한 오차 요소들(예: 회전전달 메커니즘의 백러시, 가공공차로 인한 엔코더축 회전중심과 풀리축 회전중심의 차이, 전기적 노이즈, 엔코더 회전축의 비정상적 마찰 등)에 의해 quantization error만을 고려한 시뮬레이션 결과 보다는 큰 오차를 나타내고 있으나, 이는 출력단 엔코더 하위 1-4 비트 (12 bit/rev 엔코더, 15 bit/rev 엔코더로 환산할 경우 하위 1-2 비트)에 해당하는 값으로 간이 실험장치에 의한 실험결과임을 감안하면 충분히 납득할만한 수치이다.
도 15는 실험장치의 실험 결과를 도표를 나타낸 것이다. 도 15는 x축에 출력축 회전각도, y축에 12 bit/rev 엔코더의 회전각도, 15 bit/rev 엔코더의 회전각도, 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)의 값과 식 (1), (2)에 의해 계산된 카운터 값을 이용하여 계산한 출력축 회전각도, 및 19 bit/rev 엔코더의 회전각도를 나타내고 있다. 물론 실제로는 도 14에 나타난 것과 같은 오차가 있으나, y축 전체 스케일에 비해서는 매우 작은 값이므로, 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)를 이용하여 계산된 값들과 출력축에 설치된 19 bit/rev 엔코더의 출력값은 겹쳐진 하나의 선형 그래프로 나타나고 있음을 알 수 있다. 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)의 회전수를 누적하여 식 (1), (2)로 계산된 값들은 도표에 각각 Measured by 12bit/rev encoder 및 Measured by 15bit/rev encoder로 표기되어 있다.
도 16은 본 발명인 위치 측정 시스템 및 방법의 또 다른 실시예로서, 도 16은 복수의 절대값 엔코더가 부착된 기어드 모터의 사시도를 나타낸다. 도 16을 참조하면, 본 발명의 복수의 엔코더(200)는 하나의 출력단에 함께 부착되는 것이 아니라, 각기 다른 위치에 부착되어 그 위치 상의 회전 수 차이를 관계식에 대입하여 실제 회전수를 산출할 수 있다. 즉 모터, 감속기 또는 출력단 중 적어도 하나 이상을 포함하는 회전체에 있어서, 제1엔코더(210)는 모터에 부착하고 제2엔코더(220)는 출력단에 부착하는 등 다양한 변형을 통해 적용할 수 있다. 또한 도 16에서 도시된 바와 같이 상기 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)는 다른 잇수의 기어들 사이에서 서로 다른 위치에 부착될 수 있다. 이때는 각 잇수와 회전수 간의 상관관계를 통한 식을 더 추가함으로써, 본 발명인 위치 측정 시스템 및 방법이 더욱 폭넓은 사용이 가능하도록 제공할 수 있다. 즉, 제1출력단(110) 및 제2출력단(120)을 더 포함하는 회전체(100)에, 상기 제1엔코더(210)가 제1출력단(110)과 회전을 병행하도록 결합되며, 상기 제2엔코더(220)가 제2출력단(120)과 회전을 병행하도록 결합되어 각각의 회전력의 상관관계를 통해 치환하여 관계식에 접목하는 것이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 로봇암
11 : 베어링 12 : 길이조절부
20 : 실험 장치
100 : 회전체
110 : 제1출력단 120 : 제2출력단
200 : 엔코더
210 : 제1엔코더 220 : 제2엔코더
300 : 벨트 400 : 고분해능엔코더
1000 : 외골격 로봇시스템

Claims (12)

  1. 모터, 감속기 또는 출력단 중 적어도 하나 이상을 포함하는 회전체(100); 및
    상기 회전체(100)에 부착되어 회전각도를 측정하며, 일정한 전달비를 가지는 제1엔코더(210), 및 상기 제1엔코더(210)와 일정간격 이격되어 형성되는 제2엔코더(220),를 포함하는 엔코더(200);
    를 포함하는 이용한 위치 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 위치 측정 시스템은
    상기 제1엔코더(210)와 제2엔코더(220)가 각각 검출한 각도 값과 서로의 관계식을 통해 상기 회전체(100)의 절대 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 위치 측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 엔코더(200)는
    상기 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)가 상기 회전체(100)의 일부분과 회전을 공유하도록 함께 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 위치 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 엔코더(200)는
    상기 제1엔코더(210)와 제2엔코더(22)는 절대값 엔코더인 것을 특징으로 하는 위치 측정 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 엔코더(200)는
    상기 제1엔코더(210)가 모터축과 회전을 병행하도록 결합되며,
    상기 제2엔코더(22)가 출력단과 회전을 병행하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 위치 측정 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 회전체(100)의 출력단은
    제1출력단(110) 및 제2출력단(120)으로 구성되고,
    상기 제1엔코더(210)가 제1출력단(110)과 회전을 병행하도록 결합되며,
    상기 제2엔코더(220)가 제2출력단(120)과 회전을 병행하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 위치 측정 시스템.
  7. 제3항 내지 제6항 중 선택된 어느 한 항의 위치 측정 시스템을 이용한 위치 측정 방법에 있어서,
    상기 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)에서 읽은 각도 값을 하기의 식에 대입하여 상기 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)가 360° 회전한 회전수인 카운터 값(a, b)을 산출하는 것을 특징으로 하는 위치 측정 방법.
    Figure pat00040

    (여기에서,
    Figure pat00041
    : 제1엔코더에서 읽은 각도 값
    Figure pat00042
    : 제2엔코더에서 읽은 각도 값
    Figure pat00043
    : 제1엔코더의 전달비
    Figure pat00044
    : 제2엔코더의 전달비
    a : 제1엔코더가 360° 회전한 카운터 값
    b : 제2엔코더가 360° 회전한 카운터 값)
  8. 제7항에 있어서, 상기 위치 측정 방법은
    제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)의 전달비 중 하나 이상이 정수가 아닌 경우, 유클리드 호제법을 이용하여 구한 제1엔코더(210)의 전달비 및 제2엔코더(220)의 전달비의 최대공약수(Greatest Common Factor)가 1 이하인 것을 특징으로 하는 위치 측정 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 위치 측정 방법은
    제1엔코더(210)의 전달비 및 제2엔코더(220)의 전달비가 모두 정수인 경우, 제1엔코더(210)의 전달비 및 제2엔코더(220)의 전달비의 최대 공약수가 1인 것을 특징으로 하는 위치 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 위치 측정 방법은
    선형 디오판토스 방정식을 통해 상기 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)가 360° 회전한 카운터 값(a, b)을 산출하는 것을 특징으로 하는 위치 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 위치 측정 방법은
    상기 제1엔코더(210) 및 제2엔코더(220)가 360° 회전한 카운터 값(a, b)을 하기의 식에 대입하여 상기 회전체(100)가 실제 회전한 각도(
    Figure pat00045
    )를 산출하는 것을 특징으로 하는 위치 측정 방법.
    Figure pat00046

    (여기에서,
    Figure pat00047
    = 회전체가 실제 회전한 각도
    Figure pat00048
    : 제1엔코더에서 읽은 각도 값
    Figure pat00049
    : 제2엔코더에서 읽은 각도 값
    Figure pat00050
    : 제1엔코더의 전달비
    Figure pat00051
    : 제2엔코더의 전달비
    a : 제1엔코더가 360° 회전한 카운터 값
    b : 제2엔코더가 360° 회전한 카운터 값)
  12. 제1항 내지 제6항 중 선택된 어느 한 항의 위치 측정 시스템을 포함한 외골격 형태의 로봇 암에 관한 것으로,
    상기 로봇 암은,
    상기 회전체(100)와 복수의 엔코더(200)의 회전을 공유하도록 기어 또는 풀리형식으로 체결하는 벨트(300);
    를 포함하고,
    상기 회전체(100)는,
    외부에서 입력된 제어에 따라 길이가 조절되는 길이조절부(12); 및
    상기 복수의 엔코더(200)와 벨트(300)를 통해 함께 체결되며, 상기 길이조절부(12)의 일부와 연결되는 베어링(11);
    을 더 포함하는 로봇 암.
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