KR100586994B1

KR100586994B1 - 로봇제어장치 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR100586994B1
Application number: KR1020040071259A
Authority: KR
Inventors: 조필주; 양승원
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2006-06-08
Also published as: US20060049790A1; US7042185B2; KR20060022439A

Abstract

본 발명은, 로봇이 동작 경로를 연속적으로 동작하도록 제어하기 위한 로봇제어장치에 관한 것으로서, 입력된 명령들에 대해 가감속 없는 단순속도신호들을 출력하는 단순보간처리기와, 상기 단순속도신호들이 하나의 입력값으로 섞이는 것을 방지하기 위해 마련되어 상기 단순보간처리기로부터 단순속도신호들을 전달받아 순차적으로 가감속을 수행하는 복수의 가감속처리기와, 상기 가감속처리기로부터 전달된 속도신호를 상기 로봇의 관절속도신호로 변환하는 역기구학처리기를 갖는 보간기와; 상기 보간기로부터 가감속된 속도신호를 전달받아 상기 로봇을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 로봇의 경로 정밀도를 향상시킬 수 있는 로봇제어장치를 제공할 수 있다.

Description

로봇제어장치 및 그 제어방법 { A ROBOT CONTROL APPARATUS AND THE CONTROL METHOD }

도 1은 종래 로봇제어장치의 작동과정을 도시한 그래프,

도 2는 본 발명에 따른 로봇제어장치의 제어블록도,

도 3은 본 발명에 따른 로봇제어장치를 적용하기 위해 일예로 마련된 경로도,

도 4는 본 발명에 따른 로봇제어장치를 도 3의 경로도에 적용하는 과정을 도시한 그래프,

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 로봇제어장치를 도 3의 경로도에 적용하여 순기구학을 통해 얻어진 경로 및 단일가감속필터를 도 2의 경로도에 적용하여 순기구학을 통해 얻어진 경로를 나타낸 그래프,

도 6a 및 도 6b는 각각 도 5a 및 도 5b의 경로오차를 나타낸 그래프,

도 7은 본 발명에 따른 로봇제어장치의 제어흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 로봇제어장치 10 : 플래너

20 : 보간기 21 : 단순보간처리기

23 : 제1가감속처리기 25 : 제2가감속처리기

27 : 역기구학처리기 29 : 중첩기

30 : 제어기 40 : 구동모터

본 발명은 로봇제어장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로봇의 동작 경로(PATH)를 제어하기 위해 이중 가감속처리기(ACC/DEC PROCESSOR)를 갖는 로봇제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 로봇제어장치는 산업용 등에 사용되는 로봇의 동작 경로를 유지하며 각 경로모드들 사이를 연속적으로 동작하도록 보간하는 보간기(INTERPOLATOR)를 포함한다.

보간(INTERPOLATION)은 직선경로(LINER PATH), 원호경로(CIRCULAR PATH) 및 동기동작경로(POINT-TO-POINT PATH)와 같이 사용자가 원하는 다양한 경로모드를 따라 로봇이 동작할 수 있도록 매 제어주기마다의 로봇에 마련된 각 관절의 위치를 계산하는 회로 혹은 소프트웨어 모듈을 가리킨다. 그리고, 이러한 보간기(INTERPOLATOR)에는 로봇의 관절에 마련된 모터를 가속 또는 감속시키도록 저역통과필터(LOW PASS FILTER)와 같은 가감속필터(ACCELERATION/DECELERATION FILTER)가 마련된다.

이러한 종래의 로봇제어장치는 대한민국특허출원번호 10-1997-0080191호(US 6,046,564)의 로봇 제어를 위한 경로계획(PATH PLANNING)장치 및 경로계획방법에 개시되어 있다. 종래의 로봇 제어를 위한 경로계획장치는 하나의 저역통과필터(LOW PASS FILTER)로 형성되며 목표에 대한 위치신호로부터 계산된 속도프로파일(Va)을 입력받아 경로 보간(INTERPOLATION)을 수행하여 평활한된 속도프로파일(Vb)을 출력하는 보간기(INTERPOLATOR)와, 상기 보간기의 출력을 받아 서보모터의 가감속을 제어하는 서보제어부를 포함한다. 이에, 종래의 로봇 제어를 위한 경로계획장치는 하나의 저역통과필터(LOW PASS FILTER)로 형성된 보간기를 통해 서보모터의 동작을 부드럽게 하여 로봇의 손상을 줄일 수 있다.

그러나, 이러한 종래의 로봇제어장치에 마련된 보간기는 저역통과필터와 같은 가감속필터를 하나만 사용하므로 로봇이 직선경로 및 원호경로와 같이 다양한 경로모드를 연속적으로 동작할 때 입력된 명령경로에 대해 비교적 큰 경로오차를 발생하게 된다.

도 1은 종래 로봇제어장치의 작동과정을 도시한 그래프를 나타낸 것으로, 종래의 로봇제어장치에 의해 로봇이 직선경로(LP) 및 원호경로(CP)를 순차적으로 동작하는 경우를 설명한다.

우선, 입력된 직선경로(LP) 및 원호경로(CP)로부터 위치신호를 출력하여 직선속도(ΔX) 및 원주각속도(ΔΨ)를 계산한다. 그리고, 직선경로(LP)의 경우에는 직선속도(ΔX)가 가감속필터(120)의 입력값이 될 수 있으며, 원호경로(CP)의 경우에는 원주각속도(ΔΨ)가 가감속필터(120)의 입력값이 될 수 있다. 그러나, 직선속도(ΔX) 및 원주각속도(ΔΨ)는 서로 다른 차원의 값이며, 이러한 서로 다른 차원의 입력값들이 가감속필터(120)에서 섞이는 것을 방지하기 위해 직선속도(ΔX) 및 원주각속도(ΔΨ)를 가감속필터(120)에 입력하기 전에 미리 역기구학(INVERSE KINEMATICS)을 통해 관절속도(Δθ)들로 변환시킨다. 그리고, 이렇게 변환된 각 관절속도(Δθ,Δθ')들을 순차적으로 가감속필터(120)의 입력값으로 사용하게 된다.

이와 같이, 종래의 로봇제어장치는 하나의 가감속필터(120)를 마련함에 따라 서로 다른 경로모드간의 연속동작의 경우, 역기구학(식 1 참조)을 가감속필터(120)전에 사용해야만 한다. 이때 직선속도(ΔX) 및 관절속도(Δθ)는 서로 비선형관계이므로 가감속과정에서 큰 경로오차를 발생하게 된다. 즉, 역기구학(식 1 참조)에 의해 구해진 관절속도(Δθ)를 가감속필터(120)를 적용하여 가감속시킨 후 역기구학 전의 직선속도(ΔX)와 일치하는지 여부를 확인하기 위해 순기구학(FORWARD KINEMATICS, 식 2 참조)을 적용시켜보면 입력된 명령경로와 비교적 큰 경로오차가 발생함을 알 수 있다.

(식 1)

(식 2)

여기서, J(θ)는 야코비안 행렬(JACOBIAN MATRIX)이다.

이에, 종래의 로봇제어장치가 하나의 가감속필터를 사용함으로써 로봇이 설정된 실제경로에 대해 큰 경로오차를 발생하지 않고 동작하도록 개선하는 것이 필요하다.

따라서 본 발명의 목적은, 로봇의 경로 정밀도를 향상시킬 수 있는 로봇제어장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 로봇이 동작 경로를 연속적으로 동작하도록 제어하기 위한 로봇제어장치에 있어서, 입력된 명령들에 대해 가감속 없는 단순속도신호들을 출력하는 단순보간처리기와, 상기 단순속도신호들이 하나의 입력값으로 섞이는 것을 방지하기 위해 마련되어 상기 단순보간처리기로부터 단순속도신호들을 전달받아 순차적으로 가감속을 수행하는 복수의 가감속처리기와, 상기 가감속처리기로부터 전달된 속도신호를 상기 로봇의 관절속도신호로 변환하는 역기구학처리기를 갖는 보간기와; 상기 보간기로부터 가감속된 속도신호를 전달받아 상기 로봇을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇제어장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 보간기는 역기구학처리기에 변환된 상기 각 관절속도신호를 중첩하는 중첩기를 더 포함할 수 있다.

상기 중첩기는 상기 각 관절속도신호의 감속구간 및 가속구간을 상호 중첩할 수 있다.

상기 복수의 가감속처리기는 제1가감속처리기 및 제2가감속처리기를 포함할 수 있다.

상기 제1가감속처리기는 상기 단순보간처리기로부터 홀수 번째 단순속도신호들을 전달받아 순차적으로 가감속을 수행하며, 상기 제2가감속처리기는 상기 단순보간처리기로부터 짝수 번째 단순속도신호들을 전달받아 순차적으로 가감속을 수행할 수 있다.

상기 로봇의 동작에 대해 입력된 명령을 해석하여 위치정보를 출력하여 상기 보간기로 전달하는 플래너를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 로봇이 동작 경로를 연속적으로 동작하도록 제어하기 위한 로봇제어장치의 제어방법에 있어서, 입력된 명령들에 대해 가감속 없는 단순속도신호들을 출력하는 단계와; 상기 단순속도신호들이 하나의 입력값으로 섞이는 것을 방지하기 위해 복수의 가감속처리기를 마련하여 상기 단순속도신호들을 전달받아 순차적으로 가감속을 수행하는 단계와; 상기 각 가감속처리기로부터 전달된 속도신호들을 상기 로봇의 관절속도신호로 변환하는 단계와; 가감속된 상기 속도신호를 전달받아 상기 로봇을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇제어장치의 제어방법에 의해 달성될 수 있다.

상기 각 관절속도신호를 중첩하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 복수의 가감속처리기는 제1가감속처리기 및 제2가감속처리기를 포함하며, 상기 제1가감속처리기 및 상기 제2가감속처리기에 의해 각각 순서대로 홀수번째 및 짝수번째로 전달되는 상기 단순속도신호들을 가감속하는 단계를 포함할 수 있다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇제어장치(1)는 로봇(미도시)의 동작 경로를 제어하기 위한 로봇의 동작 경로를 유지하며 각 경로모드들 사이를 연속적으로 동작하도록 보간하는 보간기(INTERPOLATOR)(20)와, 보간기(20)로부터 신호를 전달받아 로봇을 제어하는 제어기(CONTROLLER)(30)를 포함한다. 본 발명에 따른 로봇제어장치는 로봇의 동작에 대해 입력된 명령을 해석하여 위치정보를 출력 하여 보간기(20)로 전달하는 플래너(PLANNER)(10)를 더 포함할 수 있다.

플래너(10)는 사용자 등에 의해 입력되는 로봇의 동작 경로에 관련된 명령을 전달받아 해석하여 위치정보 등을 보간기(20)에 전달한다.

보간기(20)는 입력된 명령들에 대해 가감속 없는 단순속도신호들을 출력하는 단순보간처리기(ROUGH INTERPOLATION PROCESSOR)(21)와, 단순보간처리기(21)로부터 단순속도신호들을 전달받아 순차적으로 가감속을 수행하도록 마련된 복수의 가감속처리기(ACC/DEC PROCESSOR)(23,25)와, 가감속처리기(23,25)로부터 전달된 속도신호를 로봇의 관절속도신호로 변환하는 역기구학처리기(INVERSE KINEMATICS PROCESSOR)(27)를 포함한다. 보간기(20)는 역기구학처리기(27)에서 변환된 각 관절속도신호를 중첩(SUPERPOSITION)하는 중첩기(SUPERPOSITION PROCESSOR)(29)를 더 포함할 수 있다.

단순보간처리기(21)는 플래너(10)로부터 전달되는 로봇의 동작 경로에 관련된 위치정보를 전달받아 단순속도신호를 출력하며, 출력된 단순속도신호를 가감속처리기(23,25)로 전달한다. 단순보간처리기(21)에 의해 출력된 단순속도신호는 대개 초속과 종속이 일정한 속도프로파일을 갖게 되며, 이러한 단순속도신호가 직접 제어기(30)에 전달될 경우 로봇의 관절에 마련된 구동모터(40) 등에 손상이 발생할 수 있다.

가감속처리기(23,25)는 로봇의 관절의 구동모터(40)를 가속 또는 감속시키도록 저역통과필터(LOW PASS FILTER)와 같은 가감속필터(ACC/DEC FILTER)로 마련될 수 있다. 그러나, 이러한 가감속처리기(23,25)는 가감속필터(ACC/DEC FILTER)에 한정되지 않고 구동모터(40)를 가속 또는 감속시키도록 수식화된 다양한 소프트웨어 등으로 마련될 수도 있다. 복수의 가감속처리기(23,25)는 제1가감속처리기(23) 및 제2가감속처리기(25)를 포함한다. 그러나, 복수의 가감속처리기(23,25)는 한 쌍의 제1가감속처리기(23) 및 제2가감속처리기(25)를 포함하는 것에 한정되지 않고 제3가감속처리기 등 더 많은 것을 포함할 수도 있다.

제1가감속처리기(23)는 단순보간처리기(21)로부터 홀수 번째 단순속도신호들을 전달받아 순차적으로 가감속을 수행한다. 즉, 제1가감속처리기(23)는 단순보간처리기(21)로부터 전달되는 첫 번째, 세 번째, 다섯 번째 등 홀수 번째 단순속도신호들을 순차적으로 처리하여 역기구학처리기(27)로 전달하게 된다.

제2가감속처리기(25)는 단순보간처리기(21)로부터 짝수 번째 단순속도신호들을 전달받아 순차적으로 가감속을 수행한다. 즉, 제2가감속처리기(25)는 단순보간처리기(21)로부터 전달되는 두 번째, 네 번째, 여섯 번째 등 짝수 번째 단순속도신호들을 순차적으로 처리하여 역기구학처리기(27)로 전달하게 된다.

역기구학처리기(27)는 제1 및 제2가감속처리기(23,25)로부터 가감속되어 전달된 속도신호를 로봇의 관절속도신호로 변환시키게 된다. 즉, 역기구학처리기(27)는 전술한 식 1에 의해 직선경로(LINER PATH), 원호경로(CIRCULAR PATH) 및 동기동작경로(POINT-TO-POINT PATH)와 같이 사용자가 원하는 다양한 경로모드에 대한 속도신호를 관절속도신호로 변환하며, 이렇게 변환된 관절속도신호를 중첩기(29)로 전달하게 된다. 역기구학처리기(27)는 제1가감속처리기(23) 및 제2가감속처리기(25)에 각각 대응하도록 한 쌍으로 마련될 수도 있고, 하나로 마련되어 제1가감속 처리기(23) 및 제2가감속처리기(25)로부터 전달되는 속도신호를 로봇의 관절속도신호로 변환시킬 수 있다. 역기구학처리기(27)는 가감속처리된 신호를 역기구학처리하도록 하드웨어적으로 구성될 수도 있으며, 가감속처리된 신호를 역기구학처리하도록 보간기(20)에 소프트웨어적으로 구성될 수도 있다.

중첩기(29)는 역기구학처리기(27)로부터 전달된 관절속도신호들을 순차적으로 중첩하게 된다. 중첩기(29)는 먼저 전달된 관절속도신호의 감속구간 및 다음에 전달된 관절속도신호의 가속구간을 상호 중첩시킬 수 있다. 즉, 중첩기(29)는 먼저 전달된 관절속도신호의 감속이 시작되는 시점과 다음에 전달된 관절속도신호의 가속이 시작되는 시점이 일치하도록 관절속도신호들을 중첩시킬 수 있다. 그러나, 중첩기(29)는 각 관절속도신호를 전술한 방법에 한정하지 않고 다양한 방법으로 중첩시킬 수 있다. 중첩기(29)는 역기구학처리된 신호를 중첩하도록 하드웨어적으로 구성될 수도 있으며, 역기구학처리된 신호를 중첩하도록 보간기(20)에 소프트웨어적으로 구성될 수도 있다.

제어기(30)는 중첩기(29)로부터 중첩된 속도신호를 전달받아 로봇의 구동모터(40)를 제어하게 된다.

이러한 구성에 의해, 본 발명에 따른 로봇제어장치의 작동과정을 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 로봇제어장치(1)를 적용하기 위해 일예로 마련된 경로도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 로봇제어장치를 테스트하기 위해 마련된 경로도(도 3의 점선)는 직선경로(LP1:P1-P2, LP2:P3-P4, LP3:P5-P6, LP4:P7-P1)와 원호경로(CP1:P2-P3, CP2:P4-P5, CP3:P6-P7)가 교대로 배치되어 있다.

도 4는 본 발명의 로봇제어장치를 도 3의 경로도에 적용하는 과정을 도시한 그래프이며, 도 7은 본 발명에 따른 로봇제어장치의 제어흐름도이다.

우선, 사용자 등에 의해 입력된 명령에 따라 플래너(10)가 위치정보를 출력한다(S1). 그러면, 직선경로(LP1), 원호경로(CP1) 및 직선경로(LP2)에 대응하여 단순보간처리기(21)에 의해 순차적으로 단순직선속도(ΔX1), 단순원주각속도(ΔΨ1) 및 단순직선속도(ΔX2) 등이 출력된다(S3). 그리고, 단순보간처리기(21)로부터 출력되는 단순직선속도(ΔX1), 단순원주각속도(ΔΨ1) 및 단순직선속도(ΔX2)가 홀수 번째 인지를 확인한다(S5). 그런 후, 홀수 번째로 출력된 단순직선속도(ΔX1) 및 단순직선속도(ΔX2)는 제1가감속처리기(23)로 전달되어 가감속된 후 출력되고(S7), 짝수 번째로 출력된 단순원주각속도(ΔΨ1)는 제2가감속처리기(25)로 전달되어 가감속되어 출력된다(S9). 그리고, 가감속된 직선속도 및 원주각속도는 역기구학처리기(27)에 의해 각각 관절속도(Δθ1, Δθ2, Δθ3)들로 변환되며(S11), 이렇게 변환된 각 관절속도(Δθ1, Δθ2, Δθ3)들은 중첩기(29)에 의해 중첩되어 중첩속도(Δθt)로 변환된다(S13). 이러한 중첩속도(Δθt)는 제어기(30)로 전달되어 구동모터(40)를 제어하게 된다(S15).

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 로봇제어장치를 도 3의 경로도에 적용하여 순기구학을 통해 얻어진 경로 및 단일가감속필터를 구비한 로봇제어장치를 도 3의 경로도(도 3, 도 5a 및 도 5b의 점선)에 적용하여 순기구학을 통해 얻어진 경로를 나타낸 그래프이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 도 5a는 본 발명에 따 른 로봇제어장치가 전술한 작동과정을 통해 얻어진 그래프(도 5a의 실선)이며, 도 5b는 단일가속도필터를 구비하여 가감속필터처리 전에 역기구학을 먼저 수행하는 종래의 로봇제어장치에 의해 구해진 그래프(도 5b의 실선)이다. 그리고, 도 6a 및 도 6b는 각각 도 5a 및 도 5b의 경로오차를 나타낸 그래프이다. 도 5a 및 도 5b와, 도 6a 및 도 6b에 도시된 테스트 결과는 경로 이동속도 : 1000mm/sec이며, 가감속 시간 : 320msec, 보간주기 : 4msec으로 설정된 경우이다. 이에, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇제어장치의 경로오차는 최대 2mm 정도 인데 비해 종래의 로봇제어장치의 경로오차는 최대 22mm 정도이므로, 본 발명에 따른 로봇제어장치는 종래의 방식에 비해 로봇의 경로 정밀도를 상당히 향상시킬 수 있다. 그리고, 도 3 내지 도 6b는 본 발명에 따른 로봇제어장치(1)를 적용한 일실시예에 불과할 뿐이며, 본 발명에 따른 로봇제어장치(1)는 도 3 내지 도 6b에 도시된 내용 및 그 테스트 조건들에 한정되지 않고 다양하게 적용될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 로봇제어장치는 복수의 가감속처리기를 마련하며, 복수의 가감속처리기에 의해 가감속된 속도신호를 역기구학으로 처리함으로써, 로봇의 관절의 경로를 보다 정밀도하게 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 로봇의 경로 정밀도를 향상시킬 수 있는 로봇제어장치를 제공할 수 있다.

Claims

로봇이 동작 경로를 연속적으로 동작하도록 제어하기 위한 로봇제어장치에 있어서,

입력된 명령들에 대해 가감속 없는 단순속도신호들을 출력하는 단순보간처리기와, 상기 단순속도신호들이 하나의 입력값으로 섞이는 것을 방지하기 위해 마련되어 상기 단순보간처리기로부터 단순속도신호들을 전달받아 순차적으로 가감속을 수행하는 복수의 가감속처리기와, 상기 가감속처리기로부터 전달된 속도신호를 상기 로봇의 관절속도신호로 변환하는 역기구학처리기를 갖는 보간기와;

상기 보간기로부터 가감속된 속도신호를 전달받아 상기 로봇을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇제어장치.
제1항에 있어서,

상기 보간기는 역기구학처리기에 변환된 상기 각 관절속도신호를 중첩하는 중첩기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇제어장치.
제2항에 있어서,

상기 중첩기는 상기 각 관절속도신호의 감속구간 및 가속구간을 상호 중첩하는 것을 특징으로 하는 로봇제어장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 복수의 가감속처리기는 제1가감속처리기 및 제2가감속처리기를 포함하 는 것을 특징으로 하는 로봇제어장치.
제4항에 있어서,

상기 제1가감속처리기는 상기 단순보간처리기로부터 홀수 번째 단순속도신호들을 전달받아 순차적으로 가감속을 수행하며,

상기 제2가감속처리기는 상기 단순보간처리기로부터 짝수 번째 단순속도신호들을 전달받아 순차적으로 가감속을 수행하는 것을 특징으로 하는 로봇제어장치.
제1항에 있어서,

상기 로봇의 동작에 대해 입력된 명령을 해석하여 위치정보를 출력하여 상기 보간기로 전달하는 플래너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇제어장치.
로봇이 동작 경로를 연속적으로 동작하도록 제어하기 위한 로봇제어장치의 제어방법에 있어서,

입력된 명령들에 대해 가감속 없는 단순속도신호들을 출력하는 단계와;

상기 단순속도신호들이 하나의 입력값으로 섞이는 것을 방지하기 위해 복수의 가감속처리기를 마련하여 상기 단순속도신호들을 전달받아 순차적으로 가감속을 수행하는 단계와;

상기 각 가감속처리기로부터 전달된 속도신호들을 상기 로봇의 관절속도신호로 변환하는 단계와;

가감속된 상기 속도신호를 전달받아 상기 로봇을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇제어장치의 제어방법.
제7항에 있어서,

상기 각 관절속도신호를 중첩하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇제어장치의 제어방법.
제7항 또는 제8항에 있어서,

상기 복수의 가감속처리기는 제1가감속처리기 및 제2가감속처리기를 포함하며,

상기 제1가감속처리기 및 상기 제2가감속처리기에 의해 각각 순서대로 홀수번째 및 짝수번째로 전달되는 상기 단순속도신호들을 가감속하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇제어장치.