JP2011504144A

JP2011504144A - 組込型ロボット制御システム

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Publication number: JP2011504144A
Application number: JP2010533962A
Authority: JP
Inventors: ハ，ヨン−ユル; チェ，ソン−フン; キム，ミン−ソ; ウ，ギャップ−チュ
Original assignee: Samsung Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: Samsung Heavy Industries Co Ltd
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2028-11-13
Also published as: KR100945884B1; US20100262287A1; WO2009064125A2; JP5366964B2; CN101878459A; CN101878459B; KR20090049651A; US9086694B2; DE112008003042T5; WO2009064125A3

Abstract

【課題】拡張性に優れた分散制御方式の組込型ロボット制御システムを提供する。
【解決手段】本発明によるモータとセンサを備えた複数のロボット機構及び複数のロボット機構に接続されたロボットを制御する組込型ロボット制御システムは、ロボットに搭載され、ロボット機構のモータ及びセンサを制御するマスターコントローラと、ロボットに接続された他のロボットまたはロボット機構に搭載され、マスターコントローラからモータ及びセンサの制御信号を受信し、モータ及びセンサを制御するスレーブコントローラと、を含むことを特徴とする。

Description

本発明は組込型ロボット制御システムに関するもので、より詳しくは、分散制御方式の組込型ロボット制御システムに関する。

図１は、従来技術によるロボット制御システムを説明するための図面である。
図１を参照すると、従来技術によるロボット制御システムは、１つの外部中央制御装置１と、複数のロボット３，４，５，６にそれぞれ設置された外部ＤＳＰ（Digital Signal Processor）コントローラ２と、それぞれの外部ＤＳＰコントローラ２に接続された教示操作器９と、を含む。

外部中央制御装置１は、複数のロボット３，４，５，６とそれぞれの外部ＤＳＰコントローラ２を介して接続して複数のロボット３，４，５，６を制御する。

外部ＤＳＰコントローラ２は、外部中央制御装置１からロボットオペレーションに対する制御信号を受信したり、教示操作器９に命令が入力された場合、それぞれのロボット３，４，５，６のオペレーションに関する計算を行ったりして、ロボットを制御する。

外部ＤＳＰコントローラ２は、それぞれのロボット３，４，５，６を作動させるために多くの計算量を処理しなければならないため、外部中央制御装置１とは別途に設けられる。

また、それぞれの外部ＤＳＰコントローラ２は、外部中央制御装置１に接続するために、相対的に複雑かつ多くの回線７，８を必要とする。

教示操作器９は、それぞれのロボット３，４，５，６に外部ＤＳＰコントローラ２を介して接続され、ロボットオペレーションのための命令が入力される。

従来技術によるロボット制御システムでは、ロボットを制御するための別途の電子回路が必要であるため、コントローラの大きさが大きくなり、複数のロボットを制御するためには複数のコントローラを利用しなければならなかった。したがって、外部中央制御装置１または外部ＤＳＰコントローラ２をロボット３，４，５，６に搭載できないという問題があった。

また、ロボット制御システムにおいて、外部中央制御装置１、外部ＤＳＰコントローラ２、及びロボット３，４，５，６の間の信号伝送のために必要とされる多くのケーブルは故障の原因となるため、ロボット作業領域には限界があった。

こうした従来技術の問題点に鑑み、本発明は、ロボット機構毎にそれぞれ分散設置された組込型コントローラを備えた組込型ロボット制御システムを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、組込型ロボット制御システムが提供される。本発明の一実施例によるモータとセンサを備えた複数のロボット機構及び上記複数のロボット機構に接続されてロボットを制御する組込型ロボット制御システムは、上記ロボットに搭載され、上記ロボット機構のモータ及びセンサを制御するマスターコントローラと、上記ロボットに接続された他のロボットまたは上記ロボット機構に搭載され、上記マスターコントローラから上記モータ及びセンサの制御信号を受信し、上記モータ及びセンサを制御するスレーブコントローラと、を含むことができる。

本発明の実施例による組込型ロボット制御システムは、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）ベースのマスターコントローラを導入し、各ロボットから分散されるロボット機構毎にＦＰＧＡベースのスレーブコントローラを設けて直列ネットワークを含むことにより、ケーブル配線数を画期的に低減でき、狭い搭載空間の問題点を解決できるため、ロボット作業領域の限界を克服することができる。

また、本発明の実施例による組込型ロボット制御システムの直列ネットワークは、リアルタイム通信が可能でありながら、ネットワーク接続が切られたとき、自動で再構成されるという利点がある。

また、本発明の実施例による組込型ロボット制御システムは、直列ロボット、並列ロボット、直交ロボットのそれぞれに対応するロジックをマスターコントローラに有し選択的に使用可能にすることで、ロボットの種類を問わず、作動制御を行うことができる。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

従来技術によるロボット制御システムのブロック図である。本発明の一実施例による組込型ロボット制御システムのブロック図である。図２に示された実施例を第１ロボットと複数の第２ロボットに搭載した配置図である。図３に示された構成要素間のネットワーク接続関係を説明するためのブロック図である。

本発明は多様な変換を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、本願では特定実施例を図面に例示し、詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物及び代替物を含むものとして理解されるべきである。

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して詳しく説明するが、添付図面を参照して説明することにおいて、同一かつ対応する構成要素は同一の図面番号を付し、これに対する重複説明は省略する。

図２は、本発明の一実施例による組込型ロボット制御システムのブロック図である。

図２を参照すると、本発明による組込型ロボット制御システムは、マスターコントローラ１００と、マスターコントローラ１００にネットワークを介して接続する複数のスレーブコントローラ２００〜２６０と、を含む。

マスターコントローラ１００は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、マスタープロセッサＭ、マスターネットワークモジュール１５０、入出力モジュールＧ１、アプリケーションプログラムインターフェース１３０、及びアプリケーションモジュール１４０を含み、複数のロボット機構の多重オペレーションコントロールと多重センサコントロールを行う。

マスターコントローラ１００は、１つのＦＰＧＡがデジタル制御処理する範囲を示し、これによって本発明におけるコントローラの大きさが小さくなり、電力消耗が減少する。

複数の半導体素子を用いてコントローラを構成する場合、コントローラの大きさは近似的には素子数に比例し、素子数に近似的に比例する電力消耗が発生する。したがって、本発明は、これら素子数を減らすために、ＦＰＧＡにてロボット制御に必要とされる全てのデジタル処理が行われ、これによりコントローラが小さくなってロボット機構部内に搭載できるという長所がある。

マスターコントローラ１００は、例えば、リアルタイムオペレーティングシステムであるRT-LinuxまたはuCOSやxilkernelのような軽量化されたカーネルを用いて多重オペレーションコントロールと多重センサコントロールを行う。

ＦＰＧＡエレメント１１０，１１１，１１２は、ソフトプロセッサ（soft processor）とメモリまたは専用ハードウェアロジックとで構成され、ロボットまたはロボット機構を制御するためのオペレーションプランを算出する。ここで、ＦＰＧＡエレメントは１つのＦＰＧＡが処理する機能エレメントを示す。

ＦＰＧＡエレメント１１０，１１１，１１２は、例えば、エレメント拡張領域１２０を用いる方法またはＳＲＡＭメモリ（図示せず）によるＬＵＴ（ルックアップテーブル）からロジックを構成する方法により、数十から数百まで拡張できる。したがって、本発明において、ＦＰＧＡエレメント１１０，１１１，１１２の数は限定されず、ロボットの数、構成、種類、必要処理速度に応じて選択または拡張して使用することができる。

また、ＦＰＧＡエレメント１１０，１１１，１１２は、ロジックデザイン及び論理変更が容易であり、相対的にサイズが小さくて発熱量が減少する。また、ＦＰＧＡエレメント１１０，１１１，１１２は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）またはＰＣ（Personal Computer）でマルチテスク作業するためのメモリ及びＣＰＵのリソース消耗がなく、電力消耗量が小さいという特徴を有する。

ＦＰＧＡエレメント１１０，１１１，１１２は、複数のロボットをリアルタイムで制御するための軌道生成モジュール（Trajectory Generation module、以下、ＴＧとする）及びロボット運動学モジュール（Robot kinematics Module、以下、ＲＭとする）を含む。

また、ＦＰＧＡエレメント１１０，１１１，１１２は、応用対象のＴＧとＲＭの要求処理速度に応じて使用数が異なるため、ロボット制御システムのリソースを効率的に用いることができる。

ＴＧは、作業空間内で、それぞれのロボットツール座標系（TOOL COORDINATE SYSTEM）またはそれぞれのロボット・ベース座標系（ROBOT BASE COORDINATE SYSTEM）における経時的な空間オペレーション経路を生成する。

また、ＴＧは、センサなどの外部事件に対してリアルタイムで応答するために、ロボットツール座標系またはロボット・ベース座標系を回転させることも可能である。

ＲＭは、ツール取り付け座標系（TOOL MOUNT COORDINATE SYSTEM）、該当するロボットの機構パラメータ（例えば、DH Parameter）などを用いて、ロボットに含まれたモータの作動位置を算出する。ここで、ツール取り付け座標系及び機構パラメータは、ロボットの種類に応じてＴＧから得られたロボットツール座標系及びベース座標系と共に決められる。

また、ＲＭは、ロボットの各リンクの同一の特性パラメータ（例えば、摩擦力、慣性）、重力方向、ロボットに印加される外部力を用いて、各ジョイントに必要とされるトルクを算出する。

ＲＭは算出されたモータの作動位置のうちの目標位置と、算出されたトルクのうちの目標トルクとをネットワークを介して各モータドライバに伝達する。ここで、目標位置と目標トルクは各モータのフィードフォワード制御に用いられる。

また、ＲＭは、各ロボットに含まれたモータの作動位置から現在作業空間上の座標系を算出することができる。

マスタープロセッサＭは、それぞれのＦＰＧＡエレメント１１０，１１１，１１２に接続されてロボット機構のオペレーションプランによりモータ及び複数のセンサを動作させるための制御信号を生成し、制御信号により作動するロボット機構の作動状態を管理する。

すなわち、マスタープロセッサＭは、オペレーションプランのような作業単位のプログラムを実行させて作動エラーなどをモニタリングする。

また、マスタープロセッサＭは、ＦＰＧＡエレメント１１０，１１１，１１２の相互間の接続管理、モニタリング管理、入出力管理を行う。

また、マスタープロセッサＭは、マスターネットワークモジュール１５０に接続して通信を行うことにより、それぞれのスレーブコントローラ２００〜２６０とＦＰＧＡエレメント１１０，１１１，１１２との間の信号送受信を制御する。

また、マスタープロセッサＭは、アプリケーションプログラムインターフェース１３０（Application Programming Interface、ＡＰＩ）を介してアプリケーションモジュール１４０（ＡＰＰ）に接続している。

アプリケーションモジュール１４０は、直列ロボット、並列ロボット、直交ロボット毎の所定のロボット作業用ロジック、ロボット初期化作動（例えば、キャリブレーション）、及びその他のロボットに係る応用プログラムを含む。ここで、ロボット作業用ロジックは、ユーザのロジック選択により活性化され、その後、該当する軌道生成モジュール（ＴＧ）により、複数のロボット機構が作動する作業空間上で、ロボットの制御及びロボット移動中の経路移動をリアルタイムで制御する。

アプリケーションプログラムインターフェース１３０には、各種センサの入出力を担当したり、様々な信号の入出力を担当する入出力モジュールＧ１（General Purpose Input Output、ＧＰＩＯ）が接続される。例えば、入出力モジュールＧ１は、第１ロボットのロボット機構及びその周囲に設けられた各種センサに接続される。

マスターネットワークモジュール１５０は、ケーブルを介してスレーブコントローラ２００〜２６０にそれぞれ設けられたスレーブネットワークモジュール２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５と通信を行う。また、それぞれのスレーブネットワークモジュール２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５もケーブルを介して相互通信を行う。

ここで、マスターネットワークモジュール１５０及びスレーブネットワークモジュール２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５は、ケーブル接続を拡張するために該当する通信規格に従う複数の通信ポートを有することが好ましい。

マスターネットワークモジュール１５０と複数のスレーブネットワークモジュール２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５はケーブルを介して直列ネットワークを形成する。これにより、本発明は、従来技術に比べて相対的に小さくて簡素なケーブル配線を有することになる。

スレーブコントローラ２００〜２６０は、スレーブプロセッサＳ１〜Ｓ７、スレーブネットワークモジュール２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５、及びモータ駆動を担当するためのそれぞれのモータドライバＤ１〜Ｄ６を含む。スレーブコントローラ２００〜２６０は、第２ロボットのロボット機構及びその周囲に設けられた各種センサと信号を入出力する入出力モジュールＧ２をさらに含むことができる。

スレーブコントローラ２００〜２６０は、該当するスレーブネットワークモジュール２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５及びマスターネットワークモジュール１５０を介してマスターコントローラ１００と連動して、複数のロボット乃至ロボット機構の分散制御を実現する。

スレーブプロセッサＳ１〜Ｓ７は、該当するスレーブネットワークモジュール２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５に接続してマスターコントローラ１００のＦＰＧＡエレメント１１０，１１１，１１２と連動する。

スレーブプロセッサＳ１〜Ｓ７はＦＰＧＡベースで製作される。

スレーブプロセッサＳ１〜Ｓ７は、該当するモータドライバＤ１〜Ｄ６（motor driver）または入出力モジュールＧ２（ＧＰＩＯ）に接続される。

スレーブネットワークモジュール２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５は、マスターネットワークモジュール１５０に接続してマスターコントローラ１００と連動するための信号を送受信する。

スレーブネットワークモジュール２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５は、マスターネットワークモジュール１５０と７階層のＯＳＩ（Open System Interconnection）を本発明に合わせて変更修正したネットワーク技術を実現することにより、リアルタイム通信が可能でありながらも、ネットワーク接続が切られたとき、自動で再構成されることができる。

モータドライバＤ１〜Ｄ６は、スレーブプロセッサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７にそれぞれ１：１で接続してモータを駆動する。

モータドライバＤ１〜Ｄ６は、マスターコントローラ１００のＲＭから受けた目標位置と目標トルクにより各モータのサーボ制御を行うことができ、それぞれのモータのサーボ制御を独立して行うことも可能である。

したがって、モータドライバＤ１〜Ｄ６は、モータドライバの入力電圧、モータドライバの入力電流、各モータへの印加電流、各モータの絶対または相対エンコーダ値をモニタリングして各モータのスイッチング操作が可能であり、各モータを制御するためのリミット及びブレーキ処理機能を有する。

入出力モジュールＧ２はデジタルまたはアナログセンサの入出力を担当する。

入出力モジュールＧ２は、第２ロボットのロボット機構及びその周囲に設けられた各種センサに接続される。

図２に示すように、組込型ロボット制御システムは、１つのマスターコントローラ１００と複数のスレーブコントローラ２００〜２６０を２つのロボット、例えば第１ロボットと第２ロボットに搭載する場合、マスターコントローラ１００及びこれと直列通信可能に接続している３つのスレーブコントローラ２００，２１０，２２０は第１ロボットに搭載され、残り４つのスレーブコントローラ２３０，２４０，２５０，２６０は第２ロボットに搭載可能である。

図３は、本発明の一実施例による組込型ロボット制御システムが第１ロボット及び複数の第２ロボットに搭載された例示図である。

図３を参照すると、マスターコントローラ１００は、第１ロボット１０のロボット機構１６に接続されるように、第１ロボット１０の基底部に搭載される。

次に、スレーブコントローラ２００，２１０，２２０は、第１ロボット１０に分散されているそれぞれ該当するロボット機構１７，１８，１９にそれぞれ接続されるように搭載される。

このとき、マスターコントローラ１００は、ケーブル３００を介して一番目のスレーブコントローラ２００に接続し、その後、２つのスレーブコントローラ２１０，２２０に順次ケーブル３００を介して接続することになる。

この場合、マスターコントローラ１００は、僅かのケーブル３００を用いて３つのスレーブコントローラ２００，２１０，２２０と直列ネットワークを形成し、これにより、従来技術のロボットコントローラに比べて分散配置されて、小型化された構造が得られる。

一方、残り４つのスレーブコントローラ２３０，２４０，２５０，２６０も同様に、上述したマスターコントローラ１００及びスレーブコントローラ２００，２１０，２２０のように、第２ロボット２０に搭載され、該当するロボット機構２６，２７，２８，２９に接続される。

他の第２ロボット２０ａの場合も、上記第２ロボット２０と同様の内部構成要素及び搭載方法により構成可能であり、直列通信規格及びマスターコントローラ１００が許す限り、接続を拡張し続けることが可能である。

そして、第１ロボット１０のマスターコントローラ１００と第２ロボット２０の４番目のスレーブコントローラ２３０は直列ネットワーク方式のケーブル３００を介して接続し、他の第２ロボット２０ａもケーブル３００を介して上記第２ロボット２０に接続して使用することができる。

図４は、図３に示された構成要素間のネットワーク接続関係を説明するためのブロック図である。

図４に示す構成要素間のネットワーク接続関係を参照すると、マスターコントローラ１００と他の構成要素は物理的にケーブル３００を介して相互接続しているが、図４の一点鎖線で示すように、論理的にもそれぞれのモータドライバＤ１〜Ｄ６、入出力モジュールＧ２を制御できるようにリンクされている。

また、スレーブプロセッサＳ１〜Ｓ７は、ロボットを駆動するときに発生する安全処理のような緊急状況に対応するために、図４の点線のような論理接続により入出力モジュールＧ１及び入出力モジュールＧ２を直接制御することができる。

また、マスターコントローラ１００は、入出力モジュールＧ１とＧ２に論理的にリンクされており、スレーブプロセッサＳ１〜Ｓ７も、該当する入出力モジュールＧ１またはＧ２にそれぞれ論理的にリンクされているため、複数のスレーブコントローラ２００〜２６０を制御することができる。

また、マスターコントローラ１００とスレーブコントローラ２００〜２６０は、外形的または物理的にリングトポロジー（ring topology）形式によりケーブル３００を介して全て接続されている。

例えば、マスターネットワークモジュール１５０とスレーブネットワークモジュール２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５は、全二重（Full-Duplex）方式（例えば、送信と受信が分離されている方式）で構成される。

マスターネットワークモジュール１５０は、若しケーブル３００の一部回線に断線または短絡が発生したときは、該ケーブル３００に係るスレーブネットワークモジュール２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５から断線または短絡の情報を受信する。

この場合、マスターネットワークモジュール１５０及び全てのスレーブネットワークモジュール２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５は、通信方式をリングトポロジー形式からライントポロジー（line topology）形式に切り替えることにより、一部回線に断線または短絡が発生しても全二重方式を運用することができる。

すなわち、マスターネットワークモジュール１５０は、スレーブネットワークモジュール２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５から受信したデータ伝送経路の変更情報により、１つの経路に伝送していたデータを２つの経路に伝送することで、システムが停止することなく通信できるようにする。

また、マスターネットワークモジュール１５０は、一部回線に断線または短絡していた該ケーブルが正常の状態に戻った場合、スレーブネットワークモジュール２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５から正常に接続されたという情報を受信して、再び１つの経路にデータを伝送することになる。すなわち、ライントポロジー形式からリングトポロジー形式に切り替えることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１００マスターコントローラ、
１１０，１１１，１１２ＦＰＧＡエレメント、
１２０エレメント拡張領域、
１３０アプリケーションプログラムインターフェース、
１４０アプリケーションモジュール、
１５０マスターネットワークモジュール、
２００〜２６０スレーブコントローラ、
２０５，２１５，２２５，２３５，２４５，２５５，２６５スレーブネットワークモジュール、
３００ケーブル。

Claims

モータとセンサを備えた複数のロボット機構及び前記複数のロボット機構に接続されたロボットを制御する組込型ロボット制御システムであって、
前記ロボットに搭載され、前記ロボット機構のモータ及びセンサを制御するマスターコントローラと、
前記ロボットに接続された他のロボットまたは前記ロボット機構に搭載され、前記マスターコントローラから前記モータ及びセンサの制御信号を受信し、前記モータ及びセンサを制御するスレーブコントローラと、
を含む組込型ロボット制御システム。
前記マスターコントローラが、
前記他のロボットまたは前記ロボット機構を制御するためのオペレーションプランを算出するＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）エレメントと、
前記オペレーションプランにより前記モータ及びセンサを動作させるための制御信号を生成するマスタープロセッサと、
前記センサと信号を入出力するマスター入出力部と、
前記制御信号を出力するマスターネットワークモジュールと、
をさらに含む請求項１に記載の組込型ロボット制御システム。
前記マスターコントローラが、
アプリケーションプログラムインターフェースを介して、ロボット作業用ロジックに対する応用プログラムを備えたアプリケーションモジュールをさらに含む請求項２に記載の組込型ロボット制御システム。
前記ＦＰＧＡエレメントが、
前記他のロボットまたは前記ロボット機構のオペレーション経路を生成する軌道生成モジュール及び前記モータの作動位置を算出するロボット運動学モジュールを含む請求項２に記載の組込型ロボット制御システム。
前記スレーブコントローラが、
前記マスターコントローラと通信する少なくとも１つのスレーブネットワークモジュールと、
前記スレーブネットワークモジュールを介して前記マスターコントローラから前記モータ及びセンサの制御信号を受信し、前記モータ及びセンサを制御するスレーブプロセッサと、
前記制御信号に応じて該当するモータを制御するモータドライバと、
を含む請求項１に記載の組込型ロボット制御システム。
前記センサと信号を入出力するスレーブ入出力モジュールをさらに含む請求項５に記載の組込型ロボット制御システム。
前記マスターコントローラと前記スレーブコントローラが、ケーブルでリングトポロジー形式にて接続されており、
一部回線に断線または短絡が発生したときは、ライントポロジー形式に切り替えられて全二重方式の通信を行う請求項５に記載の組込型ロボット制御システム。