KR100374133B1 - 수평 다관절 로봇의 모션 제어방법 - Google Patents

Abstract

개시된 발명에 따르면 수평 다관절 로봇의 이동 궤적을 생성시 로봇 기구의 회전축과 직동축의 가감속 시간을 다르게 설정함으로써 대상물을 목표 위치로 이동하는데 걸리는 전체 동작시간을 단축할 수 있다.

이러한, 본 발명은 부품 조립 작업과 같은 흐름작업 공정 라인에 투입되는 수평 다관절 로봇에 적용함으로써 단위 시간당 작업 시간을 단축하여 작업 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

수평 다관절 로봇의 모션 제어방법{MOTION CONTROL METHOD OF A SCARA}

본 발명은 수평 다관절 로봇의 모션 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수평 다관절 로봇의 이동 궤적을 생성시 회전축의 가감속 시간과 직동축의 가감속 시간을 다르게 설정함으로써 대상물을 목표 위치로 이동하는데 걸리는 전체 동작시간을 단축할 수 있도록 한 수평 다관절 로봇의 모션 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 수평 다관절 로봇(SCARA; Sele1ctive Compliance Assembly Robot Arm)은 전기 부품을 조립하는 공정 라인에 투입되고 있다.

수평 다관절 로봇은 몸체를 이루는 베이스에 다관절의 링크들이 연결되고 그 끝단에 로봇 핸드가 장착되어 있다. 그리고, 링크의 연결 부위에는 선회 이동하기 위한 회전축과 그 회전축을 작동시키기 위한 회전축 모터가 마련되며, 로봇 핸드에는 상승 또는 하강 이동하기 위한 직동축과 그 직동축을 작동시키기 위한 직동축 모터가 마련되어 있다.

이러한 수평 다관절 로봇은 로봇 콘트롤러에 의하여 이재 및 적재 작업을 수행하게 되는데, 도 1과 같이 주변 기구물과 충돌을 피하기 위해 아치(Arch) 모션의 이동 궤적에 따라 작업을 수행한다. 즉, 로봇 핸드로 전기 부품 등과 같은 대상물(M)을 잡고 상승 이동한 후 목표 지점의 근방으로 선회 이동한 다음 로봇 핸드를 하강시켜 목표 지점에 대상물(M)을 옮기게 된다. 여기서, 로봇의 상승 이동과 하강 이동시에는 직동축 모터를 구동시켜 그 직동축 모터에 결합된 볼 스크류에 의해 직동축을 작동시키게 되고, 로봇의 선회 이동시에는 회전축 모터를 구동시켜 그 회전축 모터에 결합된 기어 뭉치에 의해 회전축을 작동시키게 된다. 따라서, 수평 다관절 로봇의 운전 패턴은 상승 이동과 선회 이동과 하강 이동이 조합된 형태를 이루게 되며, 작업 시간의 단축을 위해 휴지(休止) 구간이 배제된 이상적인 운전 패턴 일예로, 도 2와 같이 제1이동시간(Us)의 상승 이동과 제2이동시간(Ss)의 선회 이동 및 제3이동시간(Ds)의 하강 이동이 연속적으로 진행되게 하고 있다.

조립 작업을 위해 상하강 이동과 선회 이동을 연속 진행하기 위해서는 회전축 모터와 직동축 모터를 번갈아 작동시켜야 하기 때문에 실제 운전 패턴은 도 3과 같이 된다. 다시 말해, 제1이동시간(Us)의 상승 이동시 도시하지 로봇 콘트롤러의 구동 명령에 따라 직동축 모터를 기동하고(A1) 기동 후 정격 운전하고 직동축 모터를 제동시키며(A2), 제2이동시간(Ss)의 선회 이동시 로봇 콘트롤러의 구동 명령에 따라 회전축 모터를 기동하고(A1) 기동 후 정격 운전하고 회전축 모터를 제동시키며(A2), 제3이동시간(Ds)의 하강 이동시 로봇 콘트롤러의 구동 명령에 따라 직동축 모터를 기동하고(A1) 기동 후 정격 운전하고 직동축 모터를 제동시킨다(A2).

그런데, 종래 기술에서는 회전축 모터에 의해 작동되는 회전축과 직동축 모터에 의해 작동되는 직동축의 응답특성이 다름에도 불구하고 회전축의 가감속 시간과 직동축의 가감속 시간을 일률적으로 설정하여 이동 궤적을 생성하고 이를 바탕으로 회전축 모터와 직동축 모터를 제어하여 부품의 조립 작업을 수행하였기 때문에 전체 작업 시간을 단축하는데 한계가 있었다.

본 발명의 목적은 회전축과 직동축의 응답특성에 따라 회전축의 가감속 시간과 직동축의 가감속 시간을 다르게 설정함으로써 전체 동작 시간을 단축할 수 있도록 한 수평 다관절 로봇의 모션 제어방법을 제공함에 있다.

도 1은 아치 모션의 이동 궤적을 보인 도면,

도 2는 수평 다관절 로봇의 이상적인 운전 패턴을 보인 도면,

도 3은 종래 기술에 따른 수평 다관절 로봇의 운전 패턴을 보인 도면,

도 4는 본 발명에 적용하는 수평 다관절 로봇의 제어 시스템을 보인 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 수평 다관절 로봇의 운전 패턴을 보인 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 명령실행부 2 : 이동궤적 생성부

3 : 위치콘트롤러 4 : 서보앰프

10 : 로봇 콘트롤러 20 : 로봇 본체

상기와 같은 본 발명에 따른 수평 다관절 로봇의 모션 제어방법은 선회 이동을 위한 회전축과 상승 또는 하강 이동을 위한 직동축을 구비한 수평 다관절 로봇의 모션 제어방법에 있어서, 대상물을 이동하기 위한 작업 명령을 출력하는 단계; 상기 회전축 및 직동축에 대한 가감속 시간을 설정하되, 상기 회전축의 응답특성이 상기 직동축보다 느리면 그 응답특성의 차이만큼 상기 직동축의 가감속시간을 상기 회전축보다 짧게 설정하는 단계; 설정된 회전축과 직동축의 가감속 시간에 따라 상기 작업 명령을 수행하기 위한 로봇의 이동 궤적을 생성하는 단계; 생성된 이동 궤적에 따라 대상물을 목표 위치로 이동시키기 위한 위치 제어 명령을 출력하는 단계; 및 상기 위치 제어 명령에 따라 상기 회전축을 작동시키기 위한 회전축 모터와 상기 직동축을 작동시키기 위한 직동축 모터를 구동하는 단계에 의하여 달성된다.

상기 가속 시간은 정지 상태에서 기동하여 정격 속도에 이르는 시간이며, 상기 감속 시간은 정격 속도에서 정지할 때까지의 걸리는 시간인 것을 특징으로 한다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 적용되는 수평 다관절 로봇의 제어 시스템을 보인 구성도로서, 대상물을 이동하기 위한 동작을 제어하는 로봇 콘트롤러(10)와 그 제어 대상이 되는 로봇 본체(20)로 구성되며, 상기 로봇 본체(20)는 몸체를 이루는 베이스에 링크들이 연결되고 그 링크의 연결 부위에 선회 이동하기 위한 회전축과 그 회전축을 작동시키기 위해 기어뭉치에 연결되는 회전축 모터가 마련되며, 로봇 핸드에는상승 또는 하강 이동하기 위한 직동축과 그 직동축을 작동시키기 위해 볼 스크류에 연결된 직동축 모터가 마련되어 있다.

상기 로봇 콘트롤러(10)는 작업 스케줄에 따라 작성된 프로그램에 따라 작업 명령을 출력하는 명령실행부(1)와, 상기 명령실행부(1)의 작업 명령에 따라 로봇의 이동 궤적을 생성하는 이동궤적 생성부(2)와, 상기 이동궤적 생성부(2)에 의해 생성된 로봇의 이동 궤적에 따라 회전축 모터와 직동축의 모터를 제어하기 위한 위치 제어명령을 출력하는 위치 콘트롤러(3)와, 상기 위치 콘트롤러(3)의 위치 제어명령에 따라 회전축 모터와 직동축의 모터를 구동시키기 위해 적정 레벨로 증폭된 구동신호를 출력하는 서보앰프(4)로 구성된다.

상기 서보앰프(4)는 로봇의 선회 이동시 회전축 모터를 작동시키며, 로봇의 상승 또는 하강 이동시 직동축 모터를 작동시킨다. 그리고, 상기 위치 콘트롤러(3)는 회전축 모터와 직동축 모터에 각각 설치된 엔코더(미도시)의 검출신호를 입력받아 이동궤적 생성부(3)에 의해 생성된 이동 궤적을 정확하게 추종하고 있는지를 판단하며 그 판단 결과 주어진 이동 궤적을 벗어나는 오차가 발생되면 상기 서보앰프(4)로 수정된 위치 제어명령을 출력하는 피드백(feedback) 제어를 수행한다.

본 발명의 실시예서는 회전축과 직동축의 응답특성을 고려하여 회전축과 직동축의 가감속 시간을 다르게 설정하여 전체 동작시간을 단축하게 된다.

상기 로봇 콘트롤러(10)가 로봇 핸드로 대상물을 목표 위치로 이동하기 위해 상승 이동-선회 이동-하강 이동을 순차적으로 진행하는 경우, 회전축 모터에 연결된 기어 뭉치를 통해 동력을 전달받아 작동하는 회전축이 응답하는 시간과 직동축 모터에 연결된 볼 스크류를 통해 동력을 전달받아 작동하는 직동축의 응답하는 시간은 차이가 있으며, 통상 수평 다관절 로봇에서 직동축의 응답특성이 회전축의 응답특성 보다 빠르다.

이에 따라, 상기 이동궤적 생성부(2)에서는 주어진 작업 명령에 따라 상하강 이동과 선회 이동이 조합된 아치 모션에 대응하는 이동궤적을 생성하기 이전에 회전축과 직동축의 응답특성에 따라 회전축과 직동축의 가감속 시간을 설정한다.

예를 들어, 직동축의 응답특성이 회전축의 응답특성 보다 빠르면 직동축의 가속시간(기동) 및 감속시간(제동)을 회전축의 가속시간(기동) 및 감속시간(제동) 보다 짧게 설정하는데, 도 5의 운전 패턴과 같이 직동축 모터를 구동하는 상승이동 또는 하강이동시 직동축의 가감속 시간(B1,B2)은 회전축 모터를 구동하는 선회 이동시 회전축의 가감속 시간(A1,A2) 보다 짧아지며, 결국 상기 로봇 본체(20)가 1사이클의 상승-선회-하강 이동을 수행하는데 걸리는 전체 동작시간(Tc)는 기존 보다 짧아지므로 작업 공정이 지속됨에 따라 작업 시간을 크게 단축할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 수평 다관절 로봇의 모션 제어방법을 설명한다.

먼저, 로봇의 설치되는 조립 공정 라인의 설치 환경을 감안한 작업 스케줄에 따라 작업 프로그램을 사전에 작성하고 이 작업 프로그램에 따라 명령실행부(1)는 작업 명령을 출력하게 된다(S10).

상기 이동궤적 생성부(2)는 상기 명령실행부(1)로부터 작업 명령을 입력받으면, 회전축과 직동축의 응답특성에 따라 회전축과 직동축의 가감속 시간을 설정하는데, 실시예서와 같이 회전축은 회전축 모터에 연결된 기어뭉치에 의하여 작동되고 직동축은 직동축 모터에 연결된 볼 스크류에 의하여 작동됨에 따라 회전축에 비하여 직동축의 응답특성이 빠르면 직동축의 가감속 시간에 대해서는 상대적으로 짧게 설정한다(S20).

그리고, 상기 이동궤적 생성부(2)는 설정된 회전축과 직동축의 가감속 시간에 기초하여 상기 명령실행부(1)로부터 주어진 작업 명령에 따른 이동 궤적을 생성하여 상기 위치 콘트롤러(3)로 출력한다(S30).

상기 위치 콘트롤러(3)는 생성된 이동 궤적에 따라 로봇 본체(20)를 이동시킬 수 있도록 직동축 모터와 회전축 모터를 제어하기 위한 위치 제어명령을 상기 서버앰프(4)로 출력하되, 주어진 이동 궤적을 정확하게 추종하도록 회전축 모터와 직동축 모터에 각각 설치된 엔코더의 검출신호에 입력받아 오차를 보상하기 위한 수정된 위치 제어명령을 출력하는 피드백(feedback) 제어를 수행한다(S40).

상기 서보앰프(4)는 상기 위치 콘트롤러(3)로부터의 위치 제어명령에 따라 모터 구동신호를 출력하되, 선회 이동시 모터 구동신호를 회전축 모터로 출력하여 대상물을 목표 위치 근방으로 이동시키며, 상승 이동 또는 하강 이동시 모터 구동신호를 직동축 모터로 출력하여 대상물을 목표 위치로 이송시킨다(S50).

이상과 같이 본 발명은 회전축과 직동축의 응답특성에 따라 회전축과 직동축의 가감속 시간을 설정하여 이동 궤적을 생성하므로 기존과 같이 일률적으로 가감속 시간을 설정하는 것에 비하여 전체 동작시간을 단축할 수 있다.

이러한, 본발명은 조립 공정 라인에서 부품의 이송과 조립을 반복적으로 수행하는 분야에 적용시 대상물을 집고 상하강 이동하기 위해 작동되는 직동축의 가감속 시간이 기존 보다 짧아지기 때문에 단위 시간당 작업 시간이 줄어들어 작업효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 선회 이동을 위한 회전축과 상승 또는 하강 이동을 위한 직동축을 구비한 수평 다관절 로봇의 모션 제어방법에 있어서,

   대상물을 이동하기 위한 작업 명령을 출력하는 단계;

   상기 회전축 및 직동축에 대한 가감속 시간을 설정하되, 상기 회전축의 응답특성이 상기 직동축보다 느리면 그 응답특성의 차이만큼 상기 직동축의 가감속시간을 상기 회전축보다 짧게 설정하는 단계;

   설정된 회전축과 직동축의 가감속 시간에 따라 상기 작업 명령을 수행하기 위한 로봇의 이동 궤적을 생성하는 단계;

   생성된 이동 궤적에 따라 대상물을 목표 위치로 이동시키기 위한 위치 제어 명령을 출력하는 단계; 및

   상기 위치 제어 명령에 따라 상기 회전축을 작동시키기 위한 회전축 모터와 상기 직동축을 작동시키기 위한 직동축 모터를 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 다관절 로봇의 모션 제어방법.
2. 삭제
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 가속 시간은 정지 상태에서 기동하여 정격 속도에 이르는 시간이며, 상기 감속 시간은 정격 속도에서 정지할 때까지의 걸리는 시간인 것을 특징으로 하는 수평 다관절 로봇의 모션 제어방법.