KR0120610B1 - 로보트 고속 위치 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로보트 고속 위치 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 공진 주파수가 부하의 위치에 따라 변하는 로봇의 고속 위치 제어 시스템에 있어서 기기의 공진으로 인한 시스템의 진동을 감쇄시킴으로써 로보트의 세틀링 타임을 줄이고, 시스템의 손상 및 안정된 동작을 구현하기 위한 로보트의 고속 위치 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명에 따른 로보트의 고속 위치 제어 장치 및 방법은 노치 피터를 이용하여 로보트 아암의 위치에 따른 로보트 시스템의 공진 주파수와 같은 주파수 성분을 고속 위치 제어 신호에서 제거하여 줌으로써, 로보트 시스템의 공진으로 인한 소음 및 진동을 없앨 수 있어 시스템의 안정성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 세틀링 타임이 빨라져 고속 작업을 가능하게 하는 장점이 있다.

[발명의 상세한 설명]

Description

로보트 고속 위치 제어 장치 및 방법

제1도는 종래의 고속 위치 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도.

제2도는 제1도의 위치 제어기의 블럭도.

제3도는 본 발명에 따른 고속 위치 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도.

제4도는 본 발명에 따른 고속 위치 제어의 순서를 나타내는 순서도.

제5도는 본 발명에 따른 또 다른 고속 위치 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도.

제6도는 트윈 XY 로보트의 구조도.

제7도는 측정 공진 주파수의 파형도.

제8도는 노치 필터 적용전의 진동 변위 및 공진 피크치의 그래프.

제9도는 노치 필터 적용후의 진동 변위 및 공진 피크치의 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 메인 제어기 12 : 위치 제어기

13 : 속도 제어기 21 : PID제어기

22 : 피드 포워드 제어기 31 : 메인 제어기

32 : 위치 제어기 33 : 노치 필터

34 : 속도 제어기 35 : 공진 주파수 색출기

51 : 메인 제어기 52 : 위치 제어기

53 : 속도 제어기 54 : 노치 필터

본 발명은 로보트 고속 위치 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 공진 주파수가 부하의 위치에 따라 변하는 로보트의 고속 위치 제어 시스템에 있어서 기기의 공진으로 인한 시스템의 진동을 감쇄시킴으로써 로보트의 세틀링 타임을 줄이고, 시스템의 손상 및 안정된 동작을 구현하기 위한 로보트의 고속 위치 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

제1도는 종래의 고속 위치 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다. 이 도면을 참조하여 그 구성을 살펴보면, 메인 제어기(11), 위치 제어기(12) 및 속도 제어기(13)로 구성되어 있음을 알 수 있다.

여기서, 메인 제어기(11)는 사용자와의 인터페이스를 담당하며, 이동 명령시에 위치 제어기(12)로 계산된 목표 위치값을 전달한다. 위치 제어기(12)는 시스템의 위치 제어를 실행하는 부분으로, 제2도에 도시된 바와 같이, 목표 위치와 현재 위치값의 차이인 위치 오차값을 이용하여 제어하는 비례적분미분(PID) 제어기(22)와, 목표 위치를 이용하는 피드포워드 제어기(21)로 구성되어 있다. 속도 제어기(13)는 위치 제어기(12)에서 받은 속도 명령을 입력으로 실제 시스템을 구동시켜주는 부분으로 속도 및 토오크 제어를 실시한다.

이상과 같이 구성된 로보트 고속 위치 제어 장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

메인 제어기(11)에서 사용자로부터 입력받은 목표 위치 데이터 값을 계산하여 목표 위치를 산출하고, 위치 제어기(12)의 입력으로 목표 위치를 전달하면 위치 제어기(12)에서는 속도 제어기(13)로부터 시스템의 현재 위치와 메인제어기(11)로부터 받은 목표 위치를 이용하여 PID 제어 및 피드포워드(feedforward)제어를 실시하여 D/A변화기를 통해 아날로그 전압으로 속도 제어기(13)로 명령을 보낸다. 속도 제어기(13)에서는 입력된 속도 명령을 따라 시스템의 구동 속도를 제어하여 원하는 목표 위치까지 도달할 수 있도록 한다.

그런데 모든 기구적인 시스템은 그 자체의 고유 공진 주파수를 가지고 있는 바와 마찬가지로 이 시스템도 고유의 공진 주파수를 가진다. 따라서, 위치 제어기(12) 및 속도 제어기(13)에서 출력되는 제어 신호는 낮은 주파수대에서 고주파대에 이르기까지 대부분의 주파수 성분을 포함하고 있기 때문에 시스템의 공진 주파수를 가진시켜 시스템에 심한 소음을 발생시키거나, 시스템의 진동으로 인해 정확한 위치를 찾지 못하거나, 목표 위치까지 도달하는데 시간이 많이 소용되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 것으로, 로보트 의 고속 위치 제어 장치에서 발생되는 시스템의 공진 주파수와 같은 주파수 성분을 제거하여 주는 로보트의 고속 위치 제어 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 로보트의 고속 위치 제어 장치는, 사용자와의 인터페이스를 담당하여, 이동 명령시에 계산된 목표 위치값을 출력하는 메인 제어 수단 ; 이동 명령시 상기 메인 제어 수단으로부터 계산된 목표 위치값을 전달받아 시스템의 위치 제어를 실행하는 위치 제어 수단 ; 상기 메인 제어 수단으로부터 받은 로보트의 아암의 위치에 따라 소정의 공진 주파수를 찾아내어 출력하는 공진 주파수 색출 수단 ; 상기 공진 주파수 색출 수단에서 인가받은 공진 주파수와 상기 위치 제어 수단의 출력을 인가받아 상기 소정의 공진 주파수 성분을 제거한 제어 신호를 출력하는 노치 필터 ; 상기 노치 필터로부터 인가받은 상기 공진 주파수가 제거된 속도 명령 신호에 의해 로보트 시스템의 속도 및 토오크 제어를 하는 속도 제어 수단 ; 을 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 위치 제어 수단은 로보트 시스템의 목표 위치와 현재 위치값의 차이인 위치 오차값을 이용하여 제어하는 비례적분미분 제어 수단과 상기 목표 위치를 이용하는 피드포워드 제어 수단을 구비하여 된 것이 바람직하며, 상기 노치 필터와 상기 속도 제어 수단의 사이에 디지털/아날로그 변환기를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 로보트 고속 위치 제어 장치는, 사용자와의 인터페이스를 담당하여, 이동 명령시에 계산된 목표 위치값을 출력하는 메인 제어 수단 ; 이동 명령시 상기 메인 제어 수단으로부터 계산된 목표 위치값을 전달받아 시스템의 위치 제어를 실행하는 위치 제어 수단 ; 상기 위치 제어 수단으로부터 인가받은 속도 명령 신호에 의해 로보트 시스템의 속도 및 토오크 제어를 하는 속도 제어 수단 ; 그리고 상기 속도 제어 수단에서 인가받은 속도 및 토오크 제어 신호에서 로보트 아암의 위치에 따른 소정의 공진 주파수를 제거하여 주는 노치 필터 ; 를 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 위치 제어 수단은 로보트 시스템의 목표 위치와 현재 위치값의 차이인 위치 오차값을 이용하여 제어하는 비례적분미분 제어 수단과 상기 목표 위치를 이용하는 피드포워드 제어 수단을 구비하여 된 것이 바람직하다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 로보트 고속 위치 제어 방법은, 메인 제어 수단, 위치 제어 수단, 공진 주파수 색출 수단, 노치 필터 및 속도 제어 수단을 구비하여 된 로보트 고속 위치 제어 장치에서의 로보트의 고속 위치 제어 방법에 있어서, 상기 메인 제어 수단을 통하여 사용자로부터 입력받은 위치 데이타값을 계산하여 목표위치를 산출하는 목표위치 데이타 계산 단계 ; 상기 속도 제어 수단으로부터 로보트 시스템의 현재 위치와 상기 메인 제어 수단으로부터 받은 목표 위치를 이용하여 로보트 시스템의 위치 제어량을 결정하는 위치 제어 단계 ; 상기 메인 제어 수단으로부터 인가 받은 상기 목표 위치에 따른 상기 위치 제어량의 신호에서 공진주파수를 찾아내는 공진주파수 성분 색출 단계 ; 상기 메인 제어 수단으로부터 인가받은 상기 목표 위치에 따른 상기 위치 제어량의 신호에서 상기 색출된 공진주파수를 인가받아 해단 공진주파수를 제거하는 공진주파수 성분 제거 단계 ; 상기 공진주파수가 제거된 상기 위치 제어량의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환해 주는 디지털/아날로그 변환 단계 ; 상기 아날로그 신호를 이용하여 로보트 시스템의 속도 및 토오크를 제어하는 단계 ; 그리고 상기 속도 및 토오크 제어에 따라 로보트 시스템을 이동시키는 단계 ; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 위치 제어 단계는 비례적분미분 제어하는 단계와 피드포워드 제어하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 로보트 고속 제어 장치 및 방법을 설명한다.

제3도는 본 발명에 따른 고속 위치 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다. 그 구성은, 메인 제어기(31), 위치 제어기(32), 노치(norch) 필터(33), 속도 제어기(34) 및 공진 주파수 색출기(35)로 이루어진다.

여기서, 메인 제어기(31)는 사용자와의 인터페이스를 담당하며, 이동 명령시에 위치 제어기(32)로 계산된 목표 위치값을 전달한다. 위치 제어기(12)는 로보트 시스템의 위치 제어를 실행하는 부분으로, 제2도에 도시된 바와 같이, 목표 위치와 현재 위치값의 차이인 위치 오차값을 이용하여 제어하는 비례적분미분(PID)제어기(21)와 목표 위치를 이용하는 피드포워드 제어기(22)로 구성된다. 노치 필터(33)는 공진 주파수 색출기(35)에서 전달한 주파수와 위치 제어기의 출력을 받아 해당 주파수 성분을 제거한 제어 신호를 출력한다. 속도 제어기(34)는 위치 제어기(32)에서 받은 속도 명령을 입력으로 실제 로보트 시스템을 구동시켜주는 부분으로 속도 및 토오크 제어를 실시한다. 공진 주파수 색출기(35)는 메인 주파수 제어기(31)로부터 받은 로보트 아암의 위치에 따라 해당 공진 주파수를 찾아내어 노치 필터(33)로 전달한다.

이상과 같이 구성된 로보트 고속 위치 제어 장치의 동작을 제4도를 참조하면서 살펴보면 다음과 같다.

제4도는 본 발명에 따른 고속 위치 제어의 순서를 나타내는 순서도이다. 메인 제어기(31)에서 사용자로부터 입력받은 위치 데이터 값을 계산하여 목표 위치를 산출하고, 위치 제어기(32)와 공진 주파수 색출기(35)의 입력으로 목표 위치를 전달하면(41), 위치 제어기(32)에서는 속도 제어기(34)로부터 로보트 시스템의 현재 위치와 메인 제어기(31)로부터 받은 목표 위치를 이용하여 PID 제어 및 피드포워드(feedforward)제어를 실시하여 노치 필터(33)로 출력한다(42). 공진 주파수 색출기(35)는 메인 제어기(31)에서 받은 위치에 따른 공진 주파수를 찾아 노치 필터(33)로 출력한다(43). 노치 필터(33)는 해당 주파수의 제어 신호 성분을 제거하여 D/A변환기로 출력한다(44). D/A변환기는 노치 필터(33)에서 나온 디지털 신호를 아날로그 신호 전압으로 변환하여 속도 제어기(34)로 명령을 보낸다(45). 속도 제어기(34)에서는 입력된 속도 명령에 따라 로보트 시스템의 구동 속도를 제어하여 원하는 목표 위치까지 도달할 수 있도록 한다(46).

한편, 본 발명에 따른 또 다른 고속 위치 제어 장치의 구성이 제5도에 도시된다. 이와같은 구성의 로보트 고속 위치 제어 장치는 속도 제어기(53)의 출력을 노치 필터(54)를 통과시켜 해당 공진 주파수 성분을 제거하도록 한다. 각각의 동작은 앞서의 실시예의 동작과 같다.

이상 설명한 로보트 고속 제어 장치를, 제6도에 도시된 바와 같은, 트윈 XY 로보트에 적용했을 경우의 효과를 알아보기로 한다. 본 효과의 비교를 위해 트윈XY로보트의 X축에 레이저 반사판을 부착하여 X축의 구동후 정지시에 X축이 흔들리는 변위를 레이저 장비로 측정하였다. 본 측정을 위해서 먼저 X축의 위치에 따른 공진 주파수를 모델 테스트를 통해 측정하면, 제7도에 도시된 바와 같은 X축의 중앙을 중심으로 대칭형의 1차 기울기를 가지는 식을 유도해 낼 수 있다. 공진 주파수 제어기에서는 이 식을 이용하여 로보트의 위치에 따른 공진 주파수를 계산해 내어 해당 공진 주파수를제거할 수 있다. 여기서는 부하가 X축의 가운데 있을때 측정된 117.2KHz의 공진 주파수를 제거했을 때 시스템에 나타나는 현상 및 효과에 대해 설명한다.

제7도에서 공진 주파수(L)에 관한 식을 유도해 보면,

과 같이 된다.

그리고 117.2㎐의 노치 필터를 디자인하며 아래와 같다.

식(2)를 디지털 시스템에 적용하기 위하여 bilinear 변화법을 사용하여 z변환을 하면 아래 식(3)과 같아진다.

식(3)의 노치필터를 제3도에 도시된 바와 같은 로보트 고속 위치 제어 장치에 적용했을 때 트윈 XY로보트의 X축 공진 주파수 자체는 없어지지 않았으나 공진 주파수의 진폭이 약 60% 정도 줄어들었다. 이로인해 X축의 변위가 ±10㎛ 이내로 들어오는 시간도 약 25msec정도 줄어들었다. 이것은 노치 필터를 이용하여 117.2㎐의 신호 성분을 제거하여 공진 주파수를 가진시키지 않음으로 인해 얻게되는 효과로 판단된다. 본 발명의 기술은 고속, 고정도의 위치 제어에 있어 필수 기술에 해당하며, 이를 이용함으로써 공진으로 인한 시스템의 소음 및 진동 성분을 없앨 수 있기 때문에 시스템의 안정성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 세틀링 타임이 빨라져 고속 작업이 가능하게 된다. 노치 필터 적용전과 적용후의 진동 변위 및 공진 피크치의 실험 결과는 각각 제8도 및 제9도에 잘 나타나 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 로보트의 고속 위치 제어 장치 및 방법은 노치 피터를 이용하여 로보트 아암의 위치에 따른 로보트 시스템의 공진 주파수와 같은 주파수 성분을 고속 위치 제어 신호에서 제거하여 줌으로써, 로보트 시스템의 공진으로 인한 소음 및 진동을 없앨 수 있어 시스템의 안정성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 세틀링 타임이 빨라져 고속 작업을 가능하게 하는 장점이 있다.

Claims (7)

1. 사용자와의 인터페이스를 담당하여, 이동 명령시에 계산된 목표 위치값을 출력하는 메인 제어 수단 ; 이동 명령시 상기 메인 제어 수단으로부터 계산된 목표 위치값을 전달받아 시스템의 위치 제어를 실행하는 위치 제어수단 ; 상기 메인 제어 수단으로부터 받은 로보트 아암의 위치에 따라 소정의 공진 주파수를 찾아내어 출력하는 공진 주파수 색출 수단 ; 상기 공진 주파수 색출 수단에서 인가받은 공진 주파수와 상기 위치 제어 수단의 출력을 인가받아 상기 소정의 공진 주파수 성분을 제거한 제어 신호를 출력하는 노치 필터 ; 노치 필터로부터 인가받은 상기 공지 주파수가 제거된 속도 명령 신호에 의해 로보트 시스템의 속도 및 토오크 제어를 하는 속도 제어 수단 ; 을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 로보트 고속 위치 제어장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 위치 제어 수단을 로보트 시스템의 목표 위치와 현재 위치값의 차이인 위치 오차값을 이용하여 제어하는 비례적분미분 제어 수단과 상기 목표 위치를 이용하는 피드포워드 제어 수단을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 로보트 고속 위치 제어 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 노치 필터와 상기 속도 제어 수단의 사이에 디지털/아날로그 변환기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 로보트 고속 위치 제어 장치.
4. 사용자와 인터페이스를 담당하여, 이동 명령시에 계산된 목표 위치값을 출력하는 메인 제어 수단 ; 이동 명령시 상기 메인 제어 수단으로부터 계산된 목표 위치값을 전달받아 시스템의 위치 제어를 실행하는 위치 제어 수단 ; 상기 위치 제어 수단으로부터 인가받은 속도 명령 신호에 의해 로보트 시스템의 속도 및 토오크 제어를 하는 속도 제어 수단 ; 그리고 상기 속도 제어 수단에서 인가받은 속도 및 토오크 제어 신호에서 로보트 아암의 위치에 따른 소정의 공진 주파수를 제거하여 주는 노치 필터 ; 를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 로보트 고속 위치 제어 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 위치 제어 수단은 로보트 시스템의 목표 위치와 현재 위치값의 차이인 위치 오차값을 이용하여 제어하는 비례적분미분 제어 수단과 상기 목표 위치를 이용하는 피드포워드 제어 수단을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 로보트 고속 위치 제어 장치.
6. 메인 제어 수단, 위치 제어 수단, 공진 주파수 색출 수단, 노치 필터 및 속도 제어 수단을 구비하여 된 로보트 고속 위치 제어 장치에서의 로보트의 고속 위치 제어 방법에 있어서, 상기 메인 제어 수단을 통하여 사용자로부터 입력받은 위치 데이터값을 계산하여 목표위치를 산출하는 목표위치 데이터 계산 단계 ; 상기 속도 제어 수단으로부터 로보트 시스템의 현재 위치와 상기 메인 제어 수단으로부터 받은 목표 위치를 이용하여 로보트 시스템의 위치 제어량을 결정하는 위치 제어 단계 ; 상기 메인 제어 수단으로부터 인가받은 상기 목표 위치에 따른 상기 위치 제어량의 신호에서 공진주파수를 찾아내는 공진주파수 성분 색출 단계 ; 상기 메인 제어 수단으로부터 인가받은 상기 목표 위치에 따른 상기 위치 제어량의 신호에서 상기 색출된 공진주파수를 인가받아 해당 공진 주파수를 제거하는 공진주파수 성분 제거 단계 ; 상기 공진주파수가 제거된 상기 위치 제어량의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환해 주는 디지털/아날로그 변환 단계 ; 상기 아날로그 신호를 이용하여 로보트 시스템의 속도 및 토오크를 제어하는 단계 ; 그리고 상기 속도 및 토오크 제어에 따라 로보트 시스템을 이동시키는 단계 ; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 로보트 고속 위치 제어 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 위치 제어 단계는 비례적분미분 제어하는 단계와 피드포워드 제어하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 로보트 고속 위치 제어 방법.