KR100292354B1 - 디지털콘벌루션을이용한입력쉐이핑필터링방법및그장치 - Google Patents

디지털콘벌루션을이용한입력쉐이핑필터링방법및그장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 방법은, (a) 로봇의 동작이 수행되기 전에 로봇의 이동에 있어서의 가감속 구간수, 가감속 구간에서의 진동주파수 및 가감속 구간에서 사용될 콘벌루션 패턴을 설정하여 시스템에 입력시키는 단계; (b)입력된 데이터를 바탕으로 로봇의 가(감)속 구간에서 사용될 콘벌루션 패턴을 생성하는 단계; (c)생성된 가(감)속 구간용 콘벌루션 패턴을 이용하여 ISF를 수행하는 단계; (d)시스템에 속도 명령이 입력되면, ISF가 수행된 콘벌루션 패턴을 이용하여 순차적으로 디지털 콘벌루션을 수행하는 단계; (e)디지털 콘벌루션이 수행된 속도값을 위치값으로 변환하여 서보(모터) 드라이브에 입력시키는 단계; 및 (f)가속 구간이 지난 후, 감속 구간에 대하여 상기 단계 (b)∼(e)를 수행하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 콘벌루션 출력에 있어서 콘벌루션 패턴에서만 진동주파수 성분을 감쇄시키므로, 짧은 시간내에 간단히 전체에서 ISF를 수행한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있고, 진동주파수가 서로 다른 가감속 구간에서도 ISF를 수행할 수 있어 진동주파수를 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 속도 명령을 받아놓고 다시 계산하지 않고도 ISF를 수행시킬 수 있어 종래와 같은 시간지연을 방지할 수 있다.

Description

디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 방법 및 그 장치{Method for filtering input shaping using digital convolution and an apparatus therof}
본 발명은 로봇 제어 시스템 등에 채용되는 입력 쉐이핑 필터(input shaping filter)에 관한 것으로서, 특히 로봇의 이동에 있어서의 잔류진동 및 시간지연을 제거할 수 있는 디지털 콘벌루션(digital convolution)을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 중량이 작은 로봇을 제어할 때보다 중량이 큰 로봇을 제어할 때, 로봇의 가동부의 가감속시 잔류 진동에 의한 영향이 크게 나타난다. 이러한 잔류 진동은 로봇이 다음 동작을 위해 대기하는 시간을 연장시키고, 그에 따라 로봇의 전체적인 동작 시간이 길어지게 된다.
이와 같은 잔류 진동에 대처하기 위한 하나의 방법이 미국특허 제5,638,267호에 개시되어 있다. 이 방법은 먼저 대상 시스템의 고유진동수와 감쇠상수(damping ratio)를 구하고, 그 값들로부터 공진주파수(resonant frequency)를 구한다. 그런 후, 대상 시스템에 입력신호(예컨대, 서보 드라이브에 공급되는 명령)를 인가한 뒤, 그 공진주파수의 주기의 중반 이후의 시간에 동일한 입력신호를 인가함으로써 시스템에서 발생된 진동을 감쇠할 수 있는 또 다른 진동을 인위적으로 만들어주는 것이다. 이와 관련하여 도 1을 참조하면서 좀 더 설명을 부연해 보기로 한다.
도 1은 종래 입력 쉐이핑 필터 시스템을 개략적으로 나타내 보인 블록구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래 입력 쉐이핑 필터 시스템은 경로 설계(path plan)가 끝난 후, 서보 드라이브에 주어지는 명령으로서의 입력신호(101)와 피드백 입력신호를 연산하는 연산기(102)와, 연산기(102)의 연산결과를 입력받아 그것을 주어진 공진주파수 만큼 주기를 지연시켜 임펄스 트레인(impulse train)과 콘벌루션을 수행하고, 그 결과를 대상 플랜트(plant)(104)에 입력시키는 쉐이퍼(shaper)(103)와, 대상 플랜트(104)로부터의 출력신호(105)를 피드백 입력받아 공진주파수에 해당하는 지연이 적합한지를 판별하여 적합하지 않을 경우, 거부시키는 주파수 대역을 넓히는 인버스(inverse) 쉐이퍼(106)와, 그 인버스 쉐이퍼(106)의 주파수 대역을 넓히는 일을 도와주는 콘트롤러(107)로 구성되어 있다.
이와 같은 구성의 종래 입력 쉐이핑 필터 시스템에 있어서, 입력신호(101)로서 도 2에 도시된 바와 같은 파형을 갖는 속도 명령이 연산기(102)를 거쳐 쉐이퍼(103)에 제공되면, 쉐이퍼(103)는 도 3에 도시된 바와 같이 콘벌루션을 수행하여, 도 4에 도시된 바와 같은 파형을 갖는 명령을 만들어준다. 이와 같은 일련의 과정을 위치 명령면에서 보면, 입력 쉐이핑 필터링(ISF:Input Shaping Filtering) 시스템의 역할을 잘 알 수 있다. 즉, 상기 도 2와 같은 파형의 속도 명령을 곧바로 플랜트(104)에 입력시키면, 도 5와 같은 위치 응답특성이 생긴다. 이때, 도 6과 같이 진동주파수의 반주기 이후에 동일한 속도 명령을 플랜트(104)에 입력하면, 도 7과 같은 위치 응답 특성을 나타내게 된다. 이 도 7의 응답 특성을 통해 잔류 진동이 두 번째 입력되는 속도 명령에 의해 거부됨을 알 수 있다. 이를 수학적으로 해석해 보면, 속도 명령을 v(t)라 하고, 콘벌루션 패턴을 p(t)라 할 때, 콘벌루션의 출력은 f(t) = v(t)*p(t)와 같은 함수식으로 표시될 수 있다. 이를 푸리에(Fourier) 변환하여 주파수 영역에서 살펴보면, 상기 함수식은 F(ω) = V(ω)P(ω)로 표시될 수 있는 바, 이 F(ω)값, 즉 콘벌루션 출력의 전체에서 진동주파수를 감쇄시킨다는 의미가 된다.
그런데, 이상과 같은 종래 ISF를 이용한 진동 제거방법은 진동을 제거하는데효과가 있기는 하나, 도 4에서 볼 수 있듯이, 입력측에서 진동주파수의 반(1/2)주기에 해당하는 시간만큼 지연이 발생됨을 알 수 있다. 그리고, 입력(속도 명령)을 미리 계산해 두었다가 원하는 시간 이후에 입력시켜주어야 하는 바, 중간에 동작 조건이 변화되었을 경우에는 대응하지 못하게 되는 문제점이 있다. 이때, 시간지연을 고려하여 가감속 구간을 조정하더라도 복잡한 연산과정을 거쳐 가감속 구간을 조정해야 하고, 가감속시 서로 다른 진동주파수에 의한 입력 쉐이핑 필터링을 할 수 없다는 것이 문제점으로 지적되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 진동을 제거하는 동시에 그와 관련된 시간지연도 제거할 수 있는 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 방법 및 그 장치 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 입력 쉐이핑 필터 시스템을 개략적으로 나타내 보인 블록구성도.
도 2는 도 1의 시스템에 입력되는 입력(속도 명령) 파형도.
도 3은 도 1의 시스템의 쉐이퍼에 의해 속도 명령에 대한 콘벌루션을 수행한 것을 나타내 보인 콘벌루션 파형도.
도 4는 도 1의 시스템의 쉐이퍼에 의해 콘벌루션을 수행한 후, 쉐이퍼로부터 출력되는 최종 신호에 대한 파형도.
도 5는 도 2의 입력(속도 명령) 파형을 도 1의 시스템의 플랜트에 입력했을 때의 위치 응답 특성 파형도.
도 6은 도 5의 위치 응답 특성 파형에서 주파수의 반주기 이후에 동일한 입력(속도 응답)을 플랜트에 입력한 것을 나타내 보인 위치 응답 특성 파형도.
도 7은 도 6의 결과 2차로 입력된 속도 명령에 의해 잔류진동이 거부되는 것을 나타내 보인 위치 응답 특성 파형도.
도 8은 본 발명에 따른 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터 시스템을 개략적으로 나타내 보인 블록구성도.
도 9는 본 발명에 따른 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 방법의 실행과정을 나타내 보인 플로우 챠트.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
103...쉐이퍼 104...플랜트
106...인버스 쉐이퍼 107...콘트롤러
801...주제어부 802...콘벌루션 패턴 생성부
803...플래너 805...콘벌루션부
806...서보(모터) 드라이브
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 방법은, (a) 로봇의 동작이 수행되기 전에 로봇의 이동에 있어서의 가감속 구간수, 가감속 구간에서의 진동주파수 및 가감속 구간에서 사용될 콘벌루션 패턴을 설정하여 시스템에 입력시키는 단계; (b) 입력된 데이터를 바탕으로 로봇의 가(감)속 구간에서 사용될 콘벌루션 패턴을 생성하는 단계; (c) 생성된 가(감)속 구간용 콘벌루션 패턴을 이용하여 입력 쉐이핑 필터링(ISF)을 수행하는 단계; (d) 시스템에 속도 명령이 입력되면, ISF가 수행된 콘벌루션 패턴을 이용하여 순차적으로 디지털 콘벌루션을 수행하는 단계; (e) 디지털 콘벌루션이 수행된 속도값을 위치값으로 변환하여 서보(모터) 드라이브에 입력시키는 단계; 및 (f) 가속 구간이 지난 후, 감속 구간에 대하여 상기 단계 (b)∼(e)를 수행하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 장치는, 시스템을 전체적으로 제어하며, 모터의 가감속 구간수, 진동주파수 및 콘벌루션 패턴을 제공하는 주제어부; 상기 주제어부로부터 제공된 데이터를 바탕으로 가(감)속 구간용 콘벌루션 패턴을 생성하는 콘벌루션 패턴 생성부; 모터의 서보 드라이브에 제공될 속도 명령을 생성하는 플래너(planner); 및 상기 콘벌루션 패턴 생성부 및 플래너로부터의 출력을 입력받아 디지털 콘벌루션을 수행하고, 속도 명령을 위치 명령으로 변환하여 상기 서보 드라이브에 제공하는 콘벌루션부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 바람직하게는 상기 콘벌루션 패턴 생성부 내에는 ISF를 수행시키기 위한 명령을 생성하는 ISF 명령 생성부가 마련된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 콘벌루션 출력에 있어서 콘벌루션 패턴에서만 진동주파수 성분을 감쇄시키므로, 짧은 시간내에 간단히 전체에서 ISF를 수행한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있고, 진동주파수가 서로 다른 가감속 구간에서도 ISF를 수행할 수 있어 진동주파수를 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 속도 명령을 받아놓고 다시 계산하지 않고도 ISF를 수행시킬 수 있어 종래와 같은 시간지연을 방지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 장치의 구성을 다음과 같이 설명한다.
도 8은 본 발명에 따른 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 장치를 개략적인 블록도로서, 주 제어부(801), 콘벌루션 패턴 생성부(802), 플래너(803), 가산기(804), 콘벌루션부(805) 및 서보 드라이브(806)로 구성된다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 장치는 시스템을 전체적으로 제어하며, 사용자에 의해 미리 설정되어 입력된모터의 가감속 구간수, 그 가감속 구간에서의 진동주파수 및 가감속 구간에서 사용될 콘벌루션 패턴 등을 제공하는 주제어부(801)와, 그 주제어부(801)로부터 제공된 데이터를 바탕으로 콘벌루션 패턴을 생성하는 콘벌루션 패턴 생성부(802)와, 모터의 서보 드라이브(806)에 제공될 속도 명령을 생성하는 플래너(803) 및 상기 콘벌루션 패턴 생성부(802) 및 플래너(803)로부터의 출력을 입력받아 콘벌루션을 수행하고, 속도 명령을 위치 명령으로 변환하여 상기 서보 드라이브(806)에 제공하는 콘벌루션부(805)를 구비한다. 도 8에서 참조번호 804는 가산기를 나타낸다.
여기서, 바람직하게는 상기 주제어부(801) 내에는 사용자에 의해 설정된 모터의 가감속 구간수, 그 가감속 구간에서의 진동주파수 및 가감속 구간에서 사용될 콘벌루션 패턴 등의 데이터를 저장하기 위한 메모리(미도시)와, 모터의 가감속 구간수를 카운팅하기 위한 타이머(미도시)가 마련된다. 그리고, 상기 콘벌루션 패턴 생성부(802) 내에는 ISF를 수행시키기 위한 ISF 명령 생성부가 마련된다.
이하, 전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 장치의 동작 및 그에 의해 입력 쉐이핑 필터링이 수행되는 과정에 대해 도 8 및 도 9를 참조하면서 설명해 보기로 한다.
도 9는 본 발명에 따른 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 방법의 실행과정을 나타내 보인 플로우 챠트이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 방법에 따라, 먼저 로봇의 동작이 수행되기 전에 로봇의 이동에 있어서의 가감속 구간수, 가감속 구간에서의 진동주파수 및 가감속 구간에서 사용될 콘벌루션 패턴을 설정하여 시스템에 입력시키게 된다(단계 901). 즉, 사용자는 로봇구동용 모터(미도시)의 가감속구간의 수와 그 가감속 구간에서의 진동주파수 및 가감속 구간에서 사용될 콘벌루션 패턴을 미리 설정하여 주제어부(801)의 메모리(미도시)에 저장시켜 놓게 된다. 그러면, 주제어부(801)는 로봇구동용 모터의 서보 드라이브(806)의 구동에 의한 모터의 동작 이전에, 모터의 가(감)속구간의 수와 그 가(감)속 구간에서의 진동주파수를 샘플링 구간 수로 환산한 값과, 그 가(감)속구간에서 사용될 콘벌루션 패턴을 콘벌루션 패턴 생성부(802)에 알려주게 된다. 그러면, 콘벌루션 패턴 생성부(802)는 입력된 데이터를 바탕으로 로봇의 가(감)속 구간에서 사용될 콘벌루션 패턴을 생성한다(단계 902). 즉, 콘벌루션 패턴 생성부(802)는 가속구간에서 진동주파수의 구간치를 뺀 값을 바탕으로 소정의 콘벌루션 패턴을 생성하고, 콘벌루션 패턴 생성부(802) 내의 ISF 명령 생성부는 ISF를 수행시키기 위한 명령을 생성하여 출력한다. 이때, 콘벌루션 패턴 생성부(802)로부터 출력되는 콘벌루션 패턴은 전술한 도 3의 콘벌루션 파형과 유사한 파형을 가지게 된다. 이렇게 하여 가속구간용 콘벌루션 패턴이 생성되면, 그 가속구간용 콘벌루션 패턴을 이용하여 입력 쉐이핑 필터링(ISF)을 수행한다(단계 903).
한편, 플래너(803)는 모터의 서보 드라이브(806)에 제공될, 주어진 조건에 맞는 속도 명령을 생성하여 출력하고, 가산기(804)는 그 속도 명령과 상기 콘벌루션 패턴 생성부(802)로부터 출력된 콘벌루션 패턴을 입력받아 가산하여 그 결과를 출력한다. 가산기(804)로부터의 출력을 입력받은 콘벌루션부(805)는 ISF가 수행된 콘벌루션 패턴을 가지고 있다가, 속도 명령이 입력되면 그것을 이용하여 순차적으로 디지털 콘벌루션을 수행하게 된다(단계 904). 그리고, 디지털 콘벌루션이 수행된 속도값을 위치값으로 변환하여 서보(모터) 드라이브(806)에 입력시키게 된다(단계 905). 그러면, 서보 드라이브(806)는 입력된 위치 명령에 상응하여 구동하고, 그에 따라 모터가 동작한다. 일정 시간이 경과된 후, 주제어부(801)는 가속 구간이 지났는지의 여부를 판별한다(단계 906). 즉, 주제어부(801)는 내부에 마련되어 있는 타이머(미도시)를 이용하여 미리 설정되어 입력된 가속 구간수를 카운팅하여 가속 구간이 지났는지의 여부를 판별하게 된다. 이 판별에서, 가속 구간이 지나지 않았으면, 상기 단계 902로 프로그램을 진행한다. 그리고, 가속 구간이 지났으면, 감속 구간에서의 상기 단계 902부터 905까지의 과정을 수행한다(단계 907). 즉, 주제어부(801)는 모터의 감속구간의 수와 그 감속 구간에서의 진동주파수를 샘플링 구간 수로 환산한 값과, 그 감속구간에서 사용될 콘벌루션 패턴을 콘벌루션 패턴 생성부(802)에 알려주게 된다. 그러면, 콘벌루션 패턴 생성부(802)는 입력된 데이터를 바탕으로 로봇의 감속 구간에서 사용될 콘벌루션 패턴을 생성한다(단계 902). 그리고, 이후에는 전술한 바와 같은 동일한 과정이 반복된다.
한편, 이와 같은 감속 구간에서의 동작수행에 있어서, 상기 단계 904에서 속도 명령이 입력되지 않고 '감속하라'는 명령이 입력되면, 콘벌루션부(805)는 감속구간용 콘벌루션 패턴을 가지고 속도 명령을 생성하고, 그 속도 명령을 위치 명령으로 변환하여 서보 드라이브(806)에 입력시키게 된다.
전술한 바와 같이 종래의 시스템에 의해서는 주파수 영역에서 고려한 푸리에 변환된 콘벌루션의 출력, F(ω) = V(ω)P(ω)에 있어서, F(ω)(전체값)에서 진동주파수 성분을 줄이는 것에 반해, 본 발명의 시스템에서는 P(ω), 즉 콘벌루션 패턴에서만 진동주파수 성분을 줄임으로써 전체적으로 진동주파수 성분을 줄이게 됨을의미한다. 이상의 사항을 종합적으로 고찰할 때, 물론 수학적 관점에서는 종래의 방식이 옳다고 할 수 있다. 그러나, 그 응용적인 측면, 즉 산업용 제어기에서는 두 가지 방식에 의한 주파수 특성이 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있는 바, 이는 곧 본 발명의 시스템 방식을 산업용 제어기에 채용함에 있어서 별다른 문제점이 없음을 의미한다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 방법은 콘벌루션 출력에 있어서 콘벌루션 패턴에서만 진동주파수 성분을 감쇄시키므로, 짧은 시간내에 간단히 전체에서 ISF를 수행한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있고, 진동주파수가 서로 다른 가감속 구간에서도 ISF를 수행할 수 있어 진동주파수를 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 속도 명령을 받아놓고 다시 계산하지 않고도 ISF를 수행시킬 수 있어 종래와 같은 시간지연을 방지할 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. (a) 로봇의 동작이 수행되기 전에 로봇의 이동에 있어서의 가감속 구간수, 가감속 구간에서의 진동주파수 및 가감속 구간에서 사용될 콘벌루션 패턴을 설정하는 단계;
    (b) 상기 설정된 데이터를 바탕으로 로봇의 가(감)속 구간에서 사용될 콘벌루션 패턴을 생성하는 단계;
    (c) 생성된 가(감)속 구간용 콘벌루션 패턴을 이용하여 입력 쉐이핑 필터링(ISF)을 수행하는 단계;
    (d) 시스템에 속도 명령이 입력되면, ISF가 수행된 콘벌루션 패턴을 이용하여 순차적으로 디지털 콘벌루션을 수행하는 단계;
    (e) 디지털 콘벌루션이 수행된 속도값을 위치값으로 변환하여 서보(모터) 드라이브에 제공하는 단계; 및
    (f) 가속 구간이 지난 후, 감속 구간에 대하여 상기 단계 (b)∼(e)를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 (d)에서 속도 명령이 아니라 감속하라는 명령이 입력되면, 감속구간용 콘벌루션 패턴을 이용하여 속도 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 방법.
  3. 시스템을 전체적으로 제어하며, 모터의 가감속 구간수, 진동주파수 및 콘벌루션 패턴을 제공하는 주제어부;
    상기 주제어부로부터 제공된 데이터를 바탕으로 가(감)속 구간용 콘벌루션 패턴을 생성하는 콘벌루션 패턴 생성부;
    모터의 서보 드라이브에 제공될 속도 명령을 생성하는 플래너; 및
    상기 콘벌루션 패턴 생성부 및 플래너로부터의 출력을 입력받아 디지털 콘벌루션을 수행하고, 속도 명령을 위치 명령으로 변환하여 상기 서보 드라이브에 제공하는 콘벌루션부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 주제어부는
    사용자에 의해 설정된 모터의 가감속 구간수, 그 가감속 구간에서의 진동주파수 및 가감속 구간에서 사용될 콘벌루션 패턴 등의 데이터를 저장하기 위한 메모리; 및
    모터의 가감속 구간수를 카운팅하기 위한 타이머를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 장치.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 콘벌루션 패턴 생성부는 ISF를 수행시키기 위한 명령을 생성하는 ISF 명령 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 콘벌루션을 이용한 입력 쉐이핑 필터링 장치.
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