KR100342256B1 - 로봇제어시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

로봇제어시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 로봇제어시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 로봇구동용 모터와, 상기 모터를 구동제어하는 서보드라이브와, 상기 서보드라이브에 사용자지령을 입력하는 상위제어기를 포함하는 로봇제어시스템에 있어서, 상기 상위제어기는, 상기 로봇의 목표위치를 결정하고 상기 목표위치까지의 경로를 계획하여 사용자지령프로파일을 생성하기 위한 플래너; 상기 로봇이동시 발생되는 진동을 감소시키기 위해 상기 로봇의 소정 축에 대한 반공진주파수에 기초하여 보정지령프로파일을 생성하기 위한 프로파일생성부; 상기 생성된 보정지령프로파일과, 상기 사용자지령프로파일을 입력받아 디지틀컨벌루션을 수행하여 상기 서보드라이브에 인가될 입력지령프로파일을 생성하기 위한 컨벌루션부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 동작상태에 따라 다이나믹하게 공진주파수가 변경되는 산업용 로봇에 대해서도, 반공진주파수를 자동으로 생성할 수 있으며, 이에 기초하여 잔류진동의 영향을 보상해 줌으로써 잔류진동을 억제할 수 있도록 입력쉐이핑필터(ISF)를 채용한 산업용 로봇제어시스템 및 그 제어방법이 제공된다.

Description

로봇제어시스템 및 그 제어방법{robot control system and control method thereof}
본 발명은, 로봇제어시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 특히 산업용 로봇제어시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
컨베이어 벨트의 일종으로 이동시키고자 하는 대상물을 x축 또는 y축방향으로 이동시킬 수 있는 xy테이블 등 산업용 로봇이 동작을 시작하거나 또는 정지하는 경우 필연적으로 잔류진동이 유발된다. 이와 같은 잔류진동은 로봇을 정밀하게 제어하는데 장애가 되며, 따라서 이러한 잔류진동을 줄이기 위한 다양한 방법이 제안되고 있다.
입력쉐이핑필터(ISF:Input Shaping Filter)를 채용한 로봇제어시스템은, xy테이블 등 산업로봇 제어시 잔류진동에 의한 영향을 줄이기 위해 제안된 로봇제어시스템의 하나로, 로봇의 잔류진동주파수를 파악하여 이와 반대의 위상을 갖는 주파수성분을 포함시킨 소정 보정프로파일을 초기 사용자의 지령프로파일에 부가하여 주는 방법을 통해 잔류진동의 크기와 지속시간을 감소시킨다.
도 1은 잔류진동억제를 위해 ISF(Input Shaping Filter)를 채용한 종래 로봇제어시스템의 제어블럭도이다.
도시된 바와 같이, 종래 로봇제어기는, 제어대상인 로봇(11), 사용자에 의해 입력설정된 로봇(11)의 반공진주파수에 대한 보정지령프로파일을 생성하여 사용자로부터 입력된 사용자지령프로파일(input)에 부가한 다음 이를 로봇(11)에 인가하는 쉐이퍼(Shaper)(10), 로봇(11)의 출력(output)으로부터 반공진주파수에 대한 보정지령프로파일의 영향을 제거하는 인버스쉐이퍼(Inverse Shaper)(14), 인버스쉐이퍼(Inverse Shaper)(14)로부터 사용자지령프로파일에 대한 로봇의 응답특성을 입력받아 사용자지령편차를 생성하는 콘트롤러(15), 및 사용자지령프로파일과 콘트롤러(15)의 사용자지령편차를 더해주는 가산기(16)를 포함한다.
상기와 같은 구성에 의해, 사용자가 제어대상인 로봇(11)에 도 2에 도시된 바와 같은 사용자지령프로파일을 입력신호로서 제공한다. 입력신호는 구동제어대상이 무엇인지에 따라 달라질 수 있는 바, 산업용 로봇일 경우 목표위치, 모터일 경우 목표속도가 된다.
입력신호는 쉐이퍼(10)에 인가되고, 쉐이퍼(10)는 사용자에 의해 입력설정된 로봇(11)의 반공진주파수에 대한 보정지령프로파일을 생성하여 사용자로부터의 사용자지령프로파일에 부가함으로써 실제 제어대상인 로봇에 입력되는 입력지령프로파일을 생성한다.
도 3은 비교를 위해 도 2의 사용자지령프로파일과 함께 보정지령프로파일을 도시한그래프이고, 도 4는 도 3의 사용자지령프로파일과 보정지령프로파일을 더한 입력지령프로파일을 도시한 그래프이다. 여기서, 도 3의 a는 사용자지령프로파일이고, b는 보정지령프로파일을 나타낸다.
도 3과 같은 입력지령프로파일을 인가받은 로봇은 입력에 대한 출력으로서, 입력지령프로파일에 따른 동작을 수행한다.
한편, 인버스쉐이퍼(14)는 로봇(11)의 출력으로부터 반공진주파수에 대한 반응을 제거하여 최초 사용자지령프로파일에 대한 로봇(11)의 응답을 추출해낸다. 추출된 응답은 콘트롤러(15)에 입력되고 이에 기초하여 콘트롤러(15)는 제어대상 시스템을 제어하기 위한 제어신호로서, 보정지령프로파일을 생성하며, 이는 가산기(16)에 인가된다.
종래, xy테이블과 같이 잔류진동주파수가 고정된 값을 갖는 산업용로봇에 있어서는 사용자가 로봇을 구동시켜 반공진주파수를 측정하여 세이퍼(10)에 입력설정해 줌으로써 세이퍼(10)는 보정지령프로파일을 생성부가하여 반공진주파수에 의해 야기되는 사용자지령프로파일 상의 오차를 보정할 수 있었다.
그러나, 잔류진동주파수는 관성(Inertia)에 직접적인 영향을 받으며, 특히 용접토치가 고정되어 소정지점을 용접하기 위한 스팟용접로봇(spot welding robot)이나 중량품 등을 이동시키기 위한 팰러타이징로봇(palletizing robot)과 같은 다관절 로봇의 경우 매니퓰레이터의 동작과 자세에 따라 이 값이 수시로 변동된다.
이에 따라, 잔류진동주파수가 변동되는 산업용 로봇에는 입력쉐이핑필터를 채용한 제어시스템을 그대로 적용할 수 없는 문제점이 있었다.
더욱이, 종래 xy테이블과 같이 입력쉐이핑필터를 채용한 제어시스템에 있어서도, 사용자가 실제로 측정하거나 별도의 계산식에 기초하여 잔류진동주파수값을 구한 후, 이를 입력설정해주어야 했다.
따라서, 본 발명의 목적은, 잔류진동주파수값이 변동하는 로봇에도 적용할 수 있는 입력쉐이핑필터를 채용한 로봇제어시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 잔류진동억제를 위해 ISF(Input Shaping Filter)를 채용한 종래 로봇제어시스템의 제어블럭도,
도 2는 입력신호로서 사용자지령프로파일을 도시한 그래프,
도 3은 도 2의 사용자지령프로파일과 함께 보정지령프로파일을 도시한 그래프,
도 4는 도 3의 사용자지령프로파일과 보정지령프로파일을 더한 입력지령프로파일을 도시한 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 로봇제어시스템의 블록도,
도 6은 본 발명에 따른 로봇제어시스템의 로봇제어방법을 나타낸 플로우챠트이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 쉐이퍼 11 : 로봇
14 : 인버스쉐이퍼 15 : 콘트롤러
16 : 가산기 40 : 상위제어기
41 : 서보드라이브 42 : 모터
44 : 플래너 45 : 반공진주파수생성부
46 : 프로파일생성부 48 : 가산기
49 : 컨벌루션부
상기 목적은, 본 발명에 따라, 로봇구동용 모터와, 상기 모터를 구동제어하는 서보드라이브와, 상기 서보드라이브에 사용자지령을 입력하는 상위제어기를 포함하는 로봇제어시스템에 있어서, 상기 상위제어기는, 상기 로봇의 목표위치를 결정하고 상기 목표위치까지의 경로를 계획하여 사용자지령프로파일을 생성하기 위한 플래너; 상기 로봇이동시 발생되는 진동을 감소시키기 위해 상기 로봇의 소정 축에 대한 반공진주파수에 기초하여 보정지령프로파일을 생성하기 위한 프로파일생성부; 상기 생성된 보정지령프로파일과, 상기 사용자지령프로파일을 입력받아 디지틀컨벌루션을 수행하여 상기 서보드라이브에 인가될 입력지령프로파일을 생성하기 위한 컨벌루션부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇제어시스템에 의해 달성된다.
여기서, 상기 상위제어기는, 상기 사용자지령프로파일과 상기 보정지령프로파일을 가합하기 위한 가산기를 더 포함하며, 상기 가산기에서 가합된 상기 사용자지령프로파일과 상기 보정지령프로파일은 상기 컨벌루션부로 입력되고, 상기 상위제어기는, 사용자가 입력설정한 로봇의 현재위치 및 목표위치에 기초하여 다음 수학식에 따라 상기 반공진주파수를 생성하는 반공진주파수생성부를 더 포함하는 것이 바람직하다;
여기서, ωr은 상기 소정 축의 공진주파수이고, ωa는 상기 소정 축의 반공진주파수이며, JL은 상기 모터측에서 본 상기 로봇제어시스템의 관성이고, JM은 상기 모터의 관성이고, Ks는 비례상수이다.
그리고, 상기 보정지령프로파일은, 상기 반공진주파수와 함께, 사용자가 입력설정한 가감속 구간수 및 가속도 프로파일에 기초하여 생성되는 것이 효과적이다.
한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기 목적은, 로봇구동용 모터와, 상기 모터를 구동제어하는 서보드라이브와, 상기 서보드라이브에 사용자지령을 입력하는 상위제어기를 포함하는 로봇제어시스템의 로봇제어방법에 있어서, 상기 로봇의 목표위치를 결정하고 상기 목표위치까지의 경로를 계획하여 사용자지령프로파일을 생성하는 단계; 상기 로봇이동시 발생되는 진동을 감소시키기 위해 상기 로봇의 소정 축에 대한 반공진주파수에 기초하여 보정지령프로파일을 생성하는 단계; 상기 생성된 보정지령프로파일과, 상기 사용자지령프로파일을 가합하는 단계; 상기 가합된 사용자지령프로파일과 보정지령프로파일 디지틀컨벌루션을 수행하여 상기 서보드라이브에 인가될 입력지령프로파일을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇제어방법에 의해서도 달성된다.
여기서, 상기 반공진주파수를 생성하는 단계는, 사용자가 입력설정한 로봇의 현재위치 및 목표위치에 기초하여 다음 수학식에 따라 생성하는 것이 바람직하다;
[수학식 1]
여기서, ωr은 상기 소정 축의 공진주파수이고, ωa는 상기 소정 축의 반공진주파수이며, JL은 상기 모터측에서 본 상기 로봇제어시스템의 관성이고, JM은 상기 모터의 관성이고, Ks는 비례상수이다.
또한, 상기 보정지령프로파일을 생성하는 단계는, 상기 반공진주파수와 함께, 사용자가 입력설정한 가감속 구간수 및 가속도 프로파일에 기초하여 생성하는 것이 효과적이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 로봇제어시스템의 블록도이고, 도 6은 본 발명에 따른 로봇제어시스템의 로봇제어방법을 나타낸 플로우챠트이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇제어시스템은, 다관절 로봇(도시않음)의 각 관절에 마련되어 관절을 원하는 위치로 이동시키기 위한 모터(42)와, 모터(42)를 구동제어하는 서보드라이브(41), 및 서보드라이버(41)로 입력지령프로파일을 인가하는 상위제어기(40)를 포함한다.
상위제어기(40)는, 로봇(도시않음) 목표위치를 설정하고, 목표위치에 도달하기 위한 경로계획(pathplaning)을 하는 플래너(planner)(44), 로봇이 동작개시하기 이전에 현재위치와 목표위치에서의 로봇의 관성(inertia)를 계산하고, 계산된 관성에 기초하여 반공진주파수를 생성하는 반공진주파수생성부(45), 생성된 반공진주파수와 사용자가 입력설정한 가속도프로파일과 가감속구간에 기초하여 컨벌루션프로파일(convolution profile)을 생성하는 프로파일생성부(46), 플래너(44)와 프로파일생성부(46)의 출력을 가산하는 가산기(48), 및 가산기(48)로부터의 입력에 기초하여 컨벌루션프로파일을 생성하는 컨벌루션부(49)를 포함한다.
이와 같은 구성에 의하여, 사용자의 지령에 기초하여 플래너(planner)(44) 가 로봇의 목표위치를 결정하고(501), 목표위치에 도달하기 위한 경로계획(pathplaning)을 수행하고(502), 이에 따른 사용자지령프로파일을 생성한다(503). 한편, 반공진주파수생성부(45)는 로봇의 현재위치와 목표위치로부터 상기 로봇의 이동기준이 되는 소정 축에 대해 각각 관성을 계산하고, 계산된 관성에 기초하여 다음 수학식에 의해 반공진주파수를 생성한다(504).
[수학식 1]
여기서, ωr은 상기 소정 축의 공진주파수이고, ωa는 상기 소정 축의 반공진주파수이며, JL은 상기 모터측에서 본 상기 로봇제어시스템의 관성이고, JM은 상기 모터의 관성이고, Ks는 비례상수이다.
반공진주파수생성부(45)에 의해 생성된 반공진주파수와, 사용자가 입력설정한 가감속 구간의 수 및 가속도프로파일에 기초하여 프로파일생성부(46)는 컨벌루션(convolution)을 실행하여 보정지령프로파일을 생성한다(505).
가산기(48)는 플래너(44)로부터 출력된 사용자지령프로파일과 프로파일생성부(46)로부터 출력된 보정지령프로파일을 가합하고, 이는 컨벌루션부(49)로 인가된다.
컨벌루션부(49)는 가합된 지령프로파일을 입력받아 디지틀 컨벌루션 실행하여 입력지령프로파일을 생성하여 서보드라이브(41)에 인가한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇제어시스템은, 동작상태에 따라 다이나믹하게 공진주파수가 변경되는 산업용 로봇에 대해서도, 현재위치와 이동하고자 하는 목표위치에 따라 각축의 관성을 계산하고 반공진주파수를 생성하며 이에 기초한 보정지령프로파일을 사용자지령프로파일에 가합해주는 입력쉐이핑필터(ISF)방식을 채용함으로써 잔류진동의 영향을 보상해준다.
이처럼, 잔류진동의 영향이 감안된 입력지령프로파일을 인가받은 서보드라이브(41)는 대응 축의 진동이 거의 발생되지 않도록 모터(42)를 구동제어할 수 있게 된다.
한편, 종래 고정된 공진주파수를 갖는 로봇제어시스템이라 하더라도 잔류진동의 영향을 보상하기 위해서는 사용자가 제어대상인 로봇의 반공진주파수를 입력설정해주어야 하는 것과 달리, 본 발명에 따른 로봇제어시스템에 의하면 반공진주파수생성부가 현재위치와 목표위치에 기초하여 자동으로 이값을 생성해주므로, 사용자의 편의가 도모된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 동작상태에 따라 다이나믹하게 공진주파수가 변경되는 산업용 로봇에 대해서도, 반공진주파수를 자동으로 생성할 수 있으며, 이에 기초하여 잔류진동의 영향을 보상해 줌으로써 잔류진동을 억제할 수 있도록 입력쉐이핑필터(ISF)를 채용한 로봇제어시스템 및 그 제어방법이 제공된다.

Claims (7)

  1. 로봇구동용 모터와, 상기 모터를 구동제어하는 서보드라이브와, 상기 서보드라이브에 사용자지령을 입력하는 상위제어기를 포함하는 로봇제어시스템에 있어서, 상기 상위제어기는,
    상기 로봇의 목표위치를 결정하고 상기 목표위치까지의 경로를 계획하여 사용자지령프로파일을 생성하기 위한 플래너;
    상기 로봇이동시 발생되는 진동을 감소시키기 위해 상기 로봇의 소정 축에 대한 반공진주파수에 기초하여 보정지령프로파일을 생성하기 위한 프로파일생성부;
    상기 생성된 보정지령프로파일과, 상기 사용자지령프로파일을 입력받아 디지틀컨벌루션을 수행하여 상기 서보드라이브에 인가될 입력지령프로파일을 생성하기 위한 컨벌루션부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇제어시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상위제어기는, 상기 사용자지령프로파일과 상기 보정지령프로파일을 가합하기 위한 가산기를 더 포함하며, 상기 가산기에서 가합된 상기 사용자지령프로파일과 상기 보정지령프로파일은 상기 컨벌루션부로 입력되는 것을 특징으로 하는 로봇제어시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 상위제어기는, 사용자가 입력설정한 로봇의 현재위치 및 목표위치에 기초하여 다음 수학식에 따라 상기 반공진주파수를 생성하는 반공진주파수생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇제어시스템;
    [수학식 1]
    여기서, ωr은 상기 소정 축의 공진주파수이고, ωa는 상기 소정 축의 반공진주파수이며, JL은 상기 모터측에서 본 상기 로봇제어시스템의 관성이고, JM은 상기 모터의 관성이고, Ks는 비례상수이다.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 보정지령프로파일은, 상기 반공진주파수와 함께, 사용자가 입력설정한 가감속 구간수 및 가속도 프로파일에 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는 로봇제어시스템.
  5. 로봇구동용 모터와, 상기 모터를 구동제어하는 서보드라이브와, 상기 서보드라이브에 사용자지령을 입력하는 상위제어기를 포함하는 로봇제어시스템의 로봇제어방법에 있어서,
    상기 로봇의 목표위치를 결정하고 상기 목표위치까지의 경로를 계획하여 사용자지령프로파일을 생성하는 단계;
    상기 로봇이동시 발생되는 진동을 감소시키기 위해 상기 로봇의 소정 축에 대한 반공진주파수에 기초하여 보정지령프로파일을 생성하는 단계;
    상기 생성된 보정지령프로파일과, 상기 사용자지령프로파일을 가합하는 단계;
    상기 가합된 사용자지령프로파일과 보정지령프로파일 디지틀컨벌루션을 수행하여 상기 서보드라이브에 인가될 입력지령프로파일을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇제어방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반공진주파수를 생성하는 단계는, 사용자가 입력설정한 로봇의 현재위치 및 목표위치에 기초하여 다음 수학식에 따라 생성하는 것을 특징으로 하는 로봇제어방법;
    [수학식 1]
    여기서, ωr은 상기 소정 축의 공진주파수이고, ωa는 상기 소정 축의 반공진주파수이며, JL은 상기 모터측에서 본 상기 로봇제어시스템의 관성이고, JM은 상기모터의 관성이고, Ks는 비례상수이다.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 보정지령프로파일을 생성하는 단계는, 상기 반공진주파수와 함께, 사용자가 입력설정한 가감속 구간수 및 가속도 프로파일에 기초하여 생성하는 것을 특징으로 하는 로봇제어방법.
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