KR100629469B1 - 로봇 제어장치 - Google Patents

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KR100629469B1
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이노우에야스유키
야스다겐이치
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가부시키가이샤 야스카와덴키
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Abstract

본 발명은 간단한 처리로 작업좌표계에 있어서 툴자세를 일정하게 유지하여 병진의 유연동작을 수행할 수 있는 로봇 제어장치를 제공하는 것이다.
관절을 구동하는 모터를 위치 및 속도의 상태피드백루프를 갖는 제어회로로 제어하는 로봇 제어장치에 있어서, 로봇의 관절각도를 계측하는 수단과, 로봇의 손끝에 장착한 툴의 초기자세를 기억하는 수단(11)과, 특정 관절축의 위치게인 또는 속도게인을 다른 관절축의 위치게인 또는 속도게인보다 작게 설정하는 수단(10)과, 상기 관절각도와 툴의 초기자세에서 로봇 베이스에 대한 툴자세를 일정하게 유지하도록 위치 또는 속도지령으로의 수정량을 연산하는 수단(12)을 구비한 로봇 제어장치.

Description

로봇 제어장치{Robot controller}
본 발명은 로봇 등의 제어방식에 관한 것으로서 로봇의 손끝에 장착한 툴의 자세를 일정하게 유지하면서 병진(竝進)의 유연동작이 가능한 로봇 제어장치 및 작업좌표계에서의 유연한 특성을 별도로 부가할 수 있는 로봇 제어장치에 관한 것이다.
종래의 로봇은 도 13에 도시한 바와 같이 위치속도제어계에서의 제어가 수행되어져 왔다. 즉, 위치지령과 위치검출기에서 검출된 위치피드백신호와의 편차에 위치게인(Kp)을 곱한 속도지령과 위치피드백신호를 미분하여 얻은 속도피드백신호와의 편차에 속도게인(Kv)을 곱하여 비례적분하고, 앰프로 증폭하여 관절모터를 구동시킨다는 제어계가 이용되어 왔다.
이러한 제어계에서 워크와의 접촉을 수반하는 작업을 수행할 때 워크의 위치어긋남이 있으면 강성을 높이기 위해 크게 설정된 게인(Kp), (Kv)이나 적분기의 작용에 의해 큰 토크를 발생하게 되어 작업의 수행이 어려워진다.
예를 들면 다이캐스트 성형품인 워크를 로봇의 툴로 파지하여 다이캐스트 머신에서 꺼내는 작업에 근거하여 설명하기로 한다.
종래의 로봇은 유압실린더로 워크가 다이캐스트 머신에서 강제로 밀려날 때 높은 게인의 제어계 로봇에서는 큰 토크가 발생하기 때문에 워크를 파지한 채로 꺼 낼 수 없다. 이와 같은 작업을 수행하는 로봇에는 적절한 유연성이 있는 컴플라이언스(compliance) 작용이 필요하다.
또한, 이와 같은 다이캐스트 핸들링 작업하는 로봇에는 작업좌표계에서 적절한 병진(竝進)의 유연동작이 필요하다. 이는 주로 외부 기기로부터의 외력이 직선적으로 사용되거나 접촉하는 대상물의 형상이 직선이나 평면으로 구성되어 있기 때문이다.
이러한 문제에 대해 예컨대 일본 특개소58-45891호 공보에 개시되어 있는 선행기술에서는 작용력을 흡수하기 위해 전용 컴플라이언스 툴을 이용하는 방법이 있다.
그밖에 일본 특개소63-139678호 공보에 개시되어 있는 선행기술에서는 힘센서를 이용하여 작용력을 검출하고 그 방향으로 힘제어를 하는 방법이 있다.
또한, 로봇에 특별한 장치를 부가하지 않고 유연하게 제어하는 방식으로서, 일본 특개평6-332538호 공보에 개시되어 있는 선행기술에는 관절좌표계에서 유연성의 설정이 가능한 제어방식이 개시되어 있다.
또한, 최근 작업좌표계에서 유연한 제어를 수행하는 방식으로서, 일본 특개평8-227320호 공보에 개시되어 있는 선행기술에는 작업좌표계에서 유연성을 설정할 수 있는 제어방식이 개시되어 있다.
더욱이 일본 특개평8-155868호 공보에 개시되어 있는 선행기술에는 툴좌표계에서 지정한 벡터성분의 현재 위치를 지령치로 순서대로 변환하는 방식이 개시되어 있다.
그런데 상기 선행기술에 있어서는 다음과 같은 문제가 있었다.
일본 특개소58-45891호 공보에 기재된 방식으로는, 각종 작업에 맞춰 전용 툴을 만들어야 하며 전용 툴의 중량만큼 로봇의 운반가능중량이 감소된다.
또한 일본 특개소63-139678호 공보에 기재된 방식으로는, 힘센서가 필요하며 힘센서를 부하함으로써 시스템이 복잡해진다. 또한 힘센서의 기계적 강도는 로봇에 비해 낮으며 힘센서의 허용토크를 초과하여 외력이 작용하면 힘센서의 파손을 초래할 위험성이 있다.
또한, 일본 특개평6-332538호 공보에 기재된 방식으로는, 관절좌표계에서의 유연성을 제어하는 방식을 개시하고 있는데, 게인저감에 의해 각 관절축이 독립적으로 유연하기 작동하기 때문에 종합적인 유연한 방향이나 유연성을 로봇의 교시작업자가 알기 어렵다. 또한 로봇이 외부기기에 의해 눌려서 자세가 바뀐 경우에 작업좌표계에 있어서 병진의 유연한 방향도 변화되기 때문에 툴자세를 일정하게 유지하는 동작이 불가능하다. 그 때문에 워크에 비틀림 등의 예기치 못한 힘이 작용하여 다이캐스트 성형품 등의 복잡한 형상에 저강성의 워크는 파손되는 등 문제가 있다. 더욱이 관절축마다 원호형으로 유연해지기 때문에 그들 유연동작을 합성해도 작업좌표계에서의 병진의 유연동작을 완전하게 수행할 수 없다.
또한, 일본 특개평8-227320호 공보에 기재된 방식으로는, 작업좌표계에서의 유연성을 제어하는 방식을 개시하고 있는데, 관절좌표계의 변위와 작업좌표계의 변위를 대응시킴으로서 게인을 구해야 하기 때문에 연산관계식이 매우 복잡해져 CPU에 대한 연산부하가 커서 로봇의 자세변화에 대해 연속적으로 게인을 구할 수 없 다. 특히 특이점 근방 등 관절각과 작업좌표 사이에서 변위의 대응관계 변화율이 큰 로봇 자세에서는 CPU의 연산부하가 커진다. 또한, 로봇의 자세변화에 대해 실시간 연산을 할 수 없어 연속적인 게인의 연산이 어렵기 때문에 로봇의 유연성이 로봇의 자세에 따라 대폭 바뀌는 문제가 있었다.
더욱이 일본 특개평8-155868호 공보에 기재된 방식으로는, 외력에 의해 위치변화된 각 축의 각도를 실시간으로 취합하여 지정한 툴좌표계에서의 위치/자세의 현재 위치를 연산하고(순변환), 지정한 벡터성분의 현재 위치만을 지령치로 변환하고 있다(역변환). 그러나 로봇의 모든 축에 대한 순변환과 갱신된 지령치의 역변환이 실시간으로 필요하기 때문에 연산량이 많아 처리시간이 많이 걸린다.
따라서 본 발명의 과제는 간단한 처리로 작업좌표계에 있어서 툴자세를 일정하게 유지하여 병진의 유연작업을 수행하는 로봇 제어장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 제1수단은, 관절을 구동하는 모터를 위치 및 속도의 상태피드백 루프를 갖는 제어회로로 제어하는 로봇 제어장치에 있어서,
로봇의 관절각도를 계측하는 수단과, 로봇의 손끝에 장착한 툴의 초기자세를 기억하는 수단과,
특정 관절축의 위치게인 또는 속도게인을 다른 관절축의 위치게인 또는 속도게인보다 작게 설정하는 수단과,
상기 관절각도와 툴의 초기자세에서 로봇 베이스에 대한 툴자세를 일정하게유지하도록 위치 또는 속도지령으로의 수정량을 연산하는 수단을 구비한 것이다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 제2수단은, 관절을 구동하는 모터를 위치 및 속도의 상태피드백 루프를 갖는 제어회로로 제어하는 로봇 제어장치에 있어서,
로봇의 관절각도를 계측하는 수단과,
로봇의 손끝에 장착한 툴의 초기자세를 기억하는 수단과, 상기 관절각도에 근거하여 좌표계 간의 정역학(靜力學) 대응관계를 연산하는 수단과,
상기 관절각도와 로봇의 작동좌표계에서의 위치지령에 근거하여 상기 제어회로와는 별도의 제2위치, 속도의 상태피드백을 제어하는 수단과,
상기 제2피드백 제어계에 있어서 특정 축의 위치게인 또는 속도게인을 다른 관절축의 위치게인 또는 속도게인보다 작게 설정하는 수단과,
상기 정역학 대응관계를 이용함으로써 상기 제2피드백 제어계의 출력치를 관절각 토크치로 변환하는 수단과,
상기 제2피드백 제어계의 관절각 토크치를 상기 제1피드백 제어계의 출력치에 가산하는 수단과,
상기 관절각도와 상기 툴의 초기자세에서 로봇 베이스에 대한 툴자세를 일정하게 유지하도록 위치 또는 속도지령으로의 수정량을 연산하는 수단을 구비한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 제3수단은, 로봇의 손목위치와 자세를 제어하는 모터의 제어장치에 있어서,
상기 손목 위치를 작업좌표의 제어계에서 제어하는 수단과, 상기 손목 자세를 관절좌표의 제어계로 제어하는 수단을 구비한 것이다.
이 제어장치를 구체화하는 제4수단으로는, 상기 작업좌표의 제어계는 로봇의 관절각도를 계측하는 수단과,
상기 관절각도에 근거하여 좌표계 간의 정역학 대응관계를 연산하는 수단과,
상기 관절각도와 로봇의 작업좌표계에서의 위치지령에 근거하여 작업좌표계에 있어서 위치와 속도의 상태피드백을 제어하는 수단과, 상기 정역학 대응관계를 이용함으로써 상기 피드백 제어계의 출력치를 관절좌표계의 관절각 토크지령으로 변환하는 수단을 구비한 것이다.
또한 제5수단으로는 상기 작업좌표의 제어계는,
로봇의 관절각도를 계측하는 수단과,
상기 관절각도에 근거하여 좌표계 간의 미소변위의 대응관계를 연산하는 수단과,
상기 관절각도와 로봇의 작업좌표계에서의 위치지령에 근거하여 작업좌표계에 있어서 위치의 상태피드백을 제어하는 수단과,
상기 미소변위의 대응관계를 이용함으로써 상기 위치의 피드백 제어계의 출력치를 관절좌표계의 속도지령으로 변환하는 수단과,
상기 속도지령과 상기 관절각도에 근거하여 관절좌표계에 있어서 속도의 상태피드백을 제어하는 수단을 구비한 것이다.
도 1은 본 발명의 제1기본구성을 도시한 블록도이고,
도 2는 본 발명의 제1구체적 실시예를 도시한 블록도이고,
도 3은 본 발명의 제1작용을 도시한 스켈톤도이고,
도 4는 본 발명의 제2수단의 기본구성을 도시한 블록도이고,
도 5는 본 발명의 제2구체적 실시예를 도시한 블록도이고,
도 6은 본 발명의 제2작용을 도시한 스켈톤도이고,
도 7은 본 발명의 어플리케이션 적용예를 도시한 설명도이고,
도 8은 본 발명의 제3수단의 기본구성을 도시한 블록도이고,
도 9는 본 발명의 제3기본구성을 도시한 블록도이고,
도 10은 본 발명의 제3구체적 실시예를 도시한 블록도이고,
도 11은 본 발명의 제4수단의 기본구성을 도시한 블록도이고,
도 12는 본 발명의 제4구체적 실시예를 도시한 블록도이고,
도 13은 종래의 제어방식을 도시한 블록도이다.
이하 본 발명의 실시형태에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 제1실시형태는 도 1에 도시한 바와 같이 관절을 구동하는 모터를 위치 및 속도의 상태피드백 루프를 갖는 제어회로(40)로 제어하는 로봇 제어장치에 있어서, 특정 관절축(Jm)의 위치게인 또는 속도게인을 게인저감수단(10)에 의해 다른 축(J1, J2, J3,‥‥ Jn)의 위치게인 또는 속도게인보다 작게 설정하거나 토크를 제한한다. 로봇이 외부기기에 눌려서 특정 관절축이 유연하게 동작하는 경우에 미리 툴초기자세 기억수단(11)에 기억된 툴의 초기자세를 유지하도록 역변환하고 수 정량 연산수단(12)에 의해 수정량을 연산하여 지령을 수정한다.
또한 도 4에 도시한 바와 같이 로봇의 관절축으로의 각도지령과 계측된 관절각도에서 관절좌표계의 제어회로와는 별도로 작업좌표계에 있어서 제2위치, 속도의 상태피드백 루프(13)를 구성한다. 이 제2위치, 속도의 제어계에 있어서 특정 축의 위치게인 또는 속도게인을 게인저감수단(10)에 의해 다른 축의 위치게인 또는 속도게인보다 작게 설정하거나 힘제한 및 토크제한을 실시한다. 계측된 관절각도에 근거하여 정역학 대응관계식 연산수단(14)에 의해 좌표계 간의 정역학 대응관계식을 연산하여 제2제어계의 출력을 관절각 토크로 변환하여 제1제어계에 가산한다. 로봇이 외부기기에 눌려 작업좌표계를 따라 특정 축방향 또는 축둘레로 유연하게 동작하는 경우에 미리 기억된 툴의 초기자세를 유지하도록 역변환하고 수정량을 연산하여 지령을 수정한다.
또한, 제2과제를 해결하기 위한 수단으로는, 도 8에 도시한 바와 같이 로봇의 손목 위치와 자세를 제어하는 모터의 제어장치에 있어서, 로봇의 각 축의 제어를, 손목의 위치를 제어하는 작업좌표의 제어계와 손목의 자세를 제어하는 관절좌표의 제어계로 나눈다. 작업좌표계의 구성수단으로는 다음의 2종류가 있다.
제1수단은, 로봇의 관절각도와 로봇의 작업좌표계에서의 위치지령에 근거하여 작업좌표계에 있어서 위치와 속도의 상태피드백 제어를 구성한다. 이 피드백 제어계의 출력치는 관절각도에서 연산된 좌표계 간의 정역학 대응관계를 이용하여 관절좌표계의 관절각 토크지령으로 변환할 수 있다.
제2수단은, 로봇의 관절각도와 로봇의 작업좌표계에서의 위치지령에 근거하 여 작업좌표계에 있어서 위치의 상태피드백 제어를 구성한다. 이 피드백 제어계의 출력치는 관절각도에서 연산된 좌표계 간의 미소변위의 대응관계를 이용하여 관절좌표계의 관절각 속도지령으로 변환할 수 있다. 이 관절각 속도지령과 관절각도에 근거하여 관절좌표계에 있어서 속도의 상태피드백 제어를 구성한다.
각각의 작업 좌표계에서의 상태피드백 제어에 있어서 게인을 저감하거나 각 제어계의 출력을 제한함으로서 작업좌표계에서의 병진의 유연동작을 실현할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
도 2는 제1구체적 실시예를 도시하는 것으로서, 통상의 관절좌표계에서의 위치속도제어계에 본 발명의 제어를 적용한 제어블럭선도를 나타내고 있다. 관절좌표계에서의 위치속도제어의 내부 루프는 통상 비례적분제어가 실시되는데, 정상적으로 작용하는 힘은 정적보상요소에 의해 보상되는 것으로 한다.
통상의 위치속도제어상태에서는 고게인의 위치제어루프 및 속도제어루프의 작용에 의해 외부에서 작용하는 힘에 대해 각 관절축이 유연하게 변위되지 않는다. 여기에서 위치루프게인 및 속도루프게인을 저감시킴으로써 외력에 대해 각 관절축이 유연하게 변위될 수 있다. 그러나 로봇의 각 관절이 개별적으로 불규칙하게 유연동작하게 되면 유연한 방향을 임의로 선택할 수 없다. 그 때문에 로봇의 손끝에 장착한 툴의 자세를 일정하게 유지하는 병진의 유연동작은 어려워진다.
그래서 본 발명의 제어는, 각 관절의 제어계를 종래의 고강성의 위치속도루프와 저강성의 위치속도루프로 나누어 저강성의 관절축에서 계측된 관절각도와 툴 의 초기자세에서 로봇 베이스에 대한 툴자세를 일정하게 유지하도록 고강성의 관절축의 제어계로의 각도 수정량을 실시간으로 연산하는 것이다. 즉 유연한 축의 변위량에 따라 기타 축을 변위시킴으로써 툴초기자세를 유지한 채로 병진의 유연동작이 가능해진다. 이하에 각 관절의 위치속도제어루프의 구성을 설명하기로 한다.
로봇의 관절 자유도는 n개 있으며 m번째 축(Jm)(l ≤m ≤n)의 제어계를 저강성으로 설정한다. 여기에서 저강성으로 하는 축을 2축 이상으로 설정해도 아무 문제 없다. 저강성으로 하는 수단으로서 게인저감수단(10)에 의해 Jm축의 제어계의 위치루프게인 및 속도루프게인을 다른 축의 위치게인 또는 속도게인보다 저감시킨다. 또는 제어계의 후단에 토크 리미트를 설치하여 토크지령 자체를 작게 축소해도 좋다. 이와 같이 제어계를 저강성으로 하는 경우 중력 등 정적 부하는 별도로 보상해둔다.
다음에 로봇이 실제 작업에서 사용하는 작업좌표계에서의 툴자세각도(RX, RY, RZ)를 툴초기자세 기억수단(11)에 기억 또는 설정한다. 이것은 실제로 유연동작에 수행하기 직전의 툴자세각도를 툴초기자세로서 기억하거나 작업내용을 미리 알고 있는 경우에는 그 자세각도를 수치입력해도 좋다.
실제 작업에 있어서, 로봇의 손끝에 장착된 툴에 외력이 작용하면 유연한 축인 Jm축만이 외력을 따르도록 변위된다. 기타 축은 높은 루프게인에 의해 제어계가 고강성이기 때문에 변위되지 않는다. 여기에서 관절각도 계측수단을 이용하여 Jm축 의 각도FB의 값(θfbm)을 계측해 간다(FB: 피드백이라 한다). 계측된 Jm축의 각도FB값(θfbm), 작업 실행시에 기억 또는 설정된 툴자세각도(RX, RY, Rz ) 및 Jl ∼Jn축의 각도지령(θrefl∼θrefnn, θfbm 제외)을 이용하여 Jm축 이외의 Jl ∼Jn축으로의 각도지령 수정량(Δθrefl∼Δθrefnn)을 구한다. 이때 Jl ∼Jn축(J m 제외)은 고강성이고 각도지령에 대한 각도FB는 거의 같은 값을 취하기 때문에 각도지령 대신에 각도FB(θfbl∼θfbn)를 이용해도 좋다.
수정량 연산수단(12)에 의해 각도지령 수정량(Δθrefl∼Δθrefn)을 구하는 구체적 방법으로는 일반적으로 역변환 또는 역운동학이라 불리우는 변환식을 이용한다. 이는 통상 로봇 손끝의 툴위치와 자세에서 각 관절의 각도를 구하는 변환식이다. 이 변환식에 대해서는 다양한 문헌(예컨대 「로봇제어기초론」: 요시카와 츠네오(吉川恒夫) 저)에 기재되어 있기 때문에 여기에서는 생략한다.
각도지령 수정량(Δθrefl ∼ Δθrefn)을 구하는 수단을 이하에 순서대로 도시한다.
(1) 각도지령(θrefl∼θrefn)과 각도FB(θfbm)에 의해 일반적으로 순변환 또는 순운동학이라 불리우는 변환식을 이용하여 작업좌표계에서의 손목축의 중심점인 점(이후에는 P점이라 칭함)의 위치를 구한다.
(2) 구해진 P점의 위치(TX, TY, TZ)와 작업실행전에 기억된 툴자세각도(R X, RY, RZ)에서 역변환식을 이용하여 Jl ∼Jn축의 새로운 각도지령(θref l∼θrefn)을 구한다.
(3) 현재의 각도지령(θrefl∼θrefn)과 차분함으로써 각도지령 수정량(Δθrefl∼Δθrefn)을 구하고, 각도지령 수정량을 Jl ∼Jn 축의 각도지령에 가산한다.
이 연산을 실시간으로 구함으로써 Jm축이 외력에 의해 이동해도 로봇베이스에 대해 초기의 툴자세를 유지하도록 Jm축 이외의 축이 동작한다.
도 3에 6자유도의 로봇에 본 제어방법을 적용한 예를 도시하여 설명한다. 유연하게 설정하는 축은 J3축으로 하고 기타 J1, J2, J4, J5 , J6축은 높은 루프게인으로 하여 제어계를 고강성으로 한다. 외부로부터의 힘이 로봇 손끝에 장착된 툴에 연직하향으로 작용한다고 가정한다.
툴에 연직하향의 힘이 더해지면 유일하게 유연한 J3축이 아랫방향(지면상에서 시계방향)으로 변위된다. 그 외의 축은 제어계가 고강성이기 때문에 변위되지 않는다. 따라서 툴은 점선으로 표시된 자세를 취하며 결과적으로 툴의 자세가 아래쪽으로 변화한다.
그래서 이하의 연산을 수행함으로써 J5축의 자세를 수정하여 툴자세를 일정하게 유지한 채로 거의 병진의 유연동작을 수행할 수 있다.
(1) 위치지령(θrefl∼θrefn)과 위치FB(θfb3)에 의해 손목축 중심의 P점에 대한 순변환식을 연산하여 작업좌표계에 있어서 P점의 위치(TX, TY, TZ)를 구한다.
(2) 구해진 P점의 위치(TX, TY, TZ)와 작업실행전에 기억된 툴자세각도(R X, RY, Rz)에서 역변환식을 이용하여 J5축의 새로운 각도지령(θref5 )을 구한다. 처음에 툴각도자세(RX, RY, Rz)에서 (3,3)의 회전병렬 ROT를 구한다. XYZ고정각 등의 표현을 이용하면 다음과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112002016902419-pct00001
여기에서 cR = cosR, sR = sinR이다.
다음에 역정접(逆正接)에 의해 새로운 각도지령(θref5)을 구한다.
Figure 112002016902419-pct00002
여기에서 θα는 J3∼J5까지의 링크 수평면에 대한 각도에서 J2와 J3에서 구할 수 있다.
c θrefn = cos θrefn, s θrefn = sin θrefn 이다.
(3) 현재의 각도지령 θref5 와 차분함으로써 각도지령 수정량(Δθref5)을 구할 수 있으며 이 각도지령 수정량을 J5축의 각도지령에 가산한다.
여기에서 P점의 변위량이 J8에서 툴의 외력작용점까지의 거리에 대해 충분히 작은 경우에는 병진의 유연제어로 생각할 수 있는데 보다 긴 스트로크를 희망하는 경우에는 다음에 설명하는 방법을 취한다.
본 발명의 제2 구체적 실시예를 도 4를 도시하여 설명한다.
제어방법으로는 제1 구체적 실시예와 동일하지만 툴의 병진 유연동작을 확실히 수행하는 것을 목적으로 하고 있다. 툴의 병진동작을 수행하기 위해서는 손목 중심의 P점이 병진동작하면 된다. 작업좌표계에서 P점의 병진동작을 수행하기 때문에 통상의 관절좌표계 위치속도루프 외에 작업좌표계 위치속도루프(13)를 병용하는 방법을 취한다.
본 실시예에서는 Jl∼Jm축에 대해서는 작업좌표계 위치속도루프(13)를 구성하여 이 작업좌표계 위치속도루프(13)로 유연한 동작을 수행함으로써 확실한 병진의 유연동작이 가능해진다. Jm+1∼Jn축에 대해서는 종래의 관절좌표계 위치속도루프로 제어한다.
직교 3축과 회전 3축에 대한 작업좌표계 위치속도루프(13)의 구성방법에 대하여 설명하기로 한다.
관절좌표계에 있어서 위치속도제어루프 상에서의 각도지령과 각도FB의 정보를 일반적으로 순변환 또는 순운동학이라 불리우는 관절변위와 로봇의 작업위치의 관계식을 이용하여(블럭 15) 작업좌표계에서의 제어점에 대한 위치지령과 위치FB를 구한다. 이들 위치지령과 위치FB에 근거하여 작업좌표계의 XYZ축방향과 XYZ축둘레에 위치속도제어루프(13)를 구성시킨다. 여기에서 이 작업좌표계의 위치속도제어루프(13)의 출력치는 작업좌표계에서의 XYZ축방향으로의 힘지령과 XYZ축둘레의 토크지령이다. 작업좌표계의 위치속도제어루프(13)는 게인저감수단(10)에 의해 XYZ축 중 어느 제어계의 위치루프게인 및 속도루프게인을 다른 축의 위치게인 또는 속도게인보다 저감시킨다. 또는 제어계의 후단에 리미트를 설치하여 힘지령 또는 토크지령 자체를 작게 축소해도 좋다.
따라서 외부에서 작용하는 힘에 대해 작업좌표계 상에서 특정 축방향으로만 P점의 병진의 유연동작을 수행하는 경우에는 그 제어계의 게인을 저감시키거나 리미트에 의해 힘을 제한한다. 이로써 특정 축방향에 대해서는 위치편차를 허용하고 그 외의 축방향 및 축둘레로는 위치편차를 허용하지 않도록 할 수 있다.
다음에 로봇의 현재 상태에서 일반적으로 야코비안이라 불리우는 행렬식의 전치행렬인 관절좌표계와 작업좌표계의 정역학 대응관계식을 블록 14에서 구하고 작업좌표계의 힘지령 및 토크지령에서 관절좌표계에서의 토크지령을 산출할 수 있다.
예컨대 3자유도의 로봇에서 야코비안(Jacobian)의 전치행렬의 산출식은 하기 수학식으로 표시된다.
Figure 112002016902419-pct00003
여기에서
J = 야코비안
OSi: 제i관절좌표의 회전방향 벡터(로봇의 베이스좌표계 기준)
OPi: 제i관절 위치벡터(로봇의 베이스좌표 기준)
×: 벡터의 외적(外積)을 나타냄
r : 로봇의 작업위치벡터
T : 행렬의 전치를 나타냄
따라서 작업좌표계의 출력치를
Figure 112002016902419-pct00004
여기에서
F : 힘벡터
FX, FY, FZ : 작업좌표계에서의 힘
관절좌표계로 변환된 관절각 토크값을
Figure 112002016902419-pct00005
여기에서
τ: 관절좌표계에서의 토크벡터
τi : 제i축 관절좌표계의 토크
로 해두면 관절좌표계에서의 토크는 다음의 관계로 구할 수 있다.
Figure 112002016902419-pct00006
따라서 로봇의 자세 변화에 대해 수학식 3, 수학식 6의 연산을 수행하여 관절제어계에서의 토크지령에 수학식 5에 도시되는 토크지령을 가산함으로써 로봇의 전 동작영역에서 작업좌표 위의 병진의 유연동작이 가능한 로봇의 유연제어계를 구성할 수 있다.
다음에 도 5에 실제 로봇에 적용한 제어계의 구성을 도시하여 각 요소의 작용을 설명하기로 한다. 로봇 관절의 자유도를 6으로 하여 J1∼J3축과 J4∼J 6축에서 동작시키는 제어방법을 분류한다. 작업좌표계에서의 손목축 중심의 P점 위치를 제어하는 J1∼J3축에서는 작업좌표계의 위치속도루프(13)를 구성한다. 작업좌표계에서의 손목축 중심의 P점에 대한 툴의 자세를 제어하는 J4∼J6축에서는 관절좌표계의 위치속도루프를 구성한다. 이와 같이 위치와 자세의 제어를 분류함으로써 병진의 유연동작을 위치의 제어로 실행하고 툴의 자세변화의 수정을 자세의 제어로 실행할 수 있다.
(1) 작업좌표계의 위치속도루프를 구성하기 위해 J1∼J3축의 각속도지령(θref1∼ θref3)과 각도FB(θfb1∼ θfb3)를 각각 순변환식 15를 이용하여 작업좌표계에서의 P점에 대한 위치지령 및 위치FB를 구한다.
(2) 작업좌표계에서의 위치지령과 위치FB에 근거하여 작업좌표계의 XYZ축방향으로 위치속도제어루프를 구성한다. 여기에서 작업좌표계의 위치속도제어루프의 출력치는 작업좌표계에서의 XYZ축방향으로의 힘지령이 된다. 작업좌표계의 위치속도제어루프는 게인저감수단(10)에 의해 XYZ의 어느 축에 관해 제어계의 위치루프게인 및 속도루프게인을 다른 축의 위치게인 또는 속도게인보다도 저감시킨다. 또는 제어계의 후단에 리미트를 설치하여 힘지령 자체를 작게 축소해도 좋다.
여기에서 작업좌표계의 X축방향으로 P점의 병진의 유연동작을 수행한다고 가정한다. 작업좌표계의 X축 제어계의 위치루프게인 및 속도루프게인을 게인저감수단(10)에 의해 다른 축의 위치게인 또는 속도게인보다 저감시킨다. 이에 따라 P점의 위치는 외력에 의해 X축방향으로는 유연하게 동작할 수 있는데 YZ축방향으로는 작업좌표계의 위치속도루프가 고강성이기 때문에 편차가 발생하지 않도록 힘을 발생시켜서 작동이 제한되도록 한다.
(3) 다음에 블록 14에 의해 로봇의 각도FB(θfb1∼ θfb3)에서 관절좌표계와 작업좌표계의 정역학 대응관계식을 구하고 그 전치행렬식을 이용함으로써 작업좌표 계의 힘지령에서 관절좌표계에서의 토크지령을 산출한다.
(4) 이 토크지령을 J1∼J3축의 관절좌표계의 토크지령에 가산함으로써, 작업좌표계에서의 P점의 X축방향으로의 병진의 유연동작과 YZ축방향으로의 고강성의 동작이 가능해진다. 이 때 J1∼J3축의 관절좌표계의 위치속도루프(13)로부터의 토크지령을 0으로 함으로써 토크지령의 간섭을 방지할 수 있다. 중력 등의 정적 부하는 별도로 보상해둔다.
실제로 로봇 손끝의 툴에 외력이 작용한 경우의 연산방법을 이하에 도시한다. P점의 위치가 X축방향으로 유연동작함으로써 J1∼J3축의 각도가 각각 변화한다. 이들 축의 각도FB(θfb1∼ θfb3)와 손목축 J4∼J6축의 각도FB(θfb 4∼ θfb6)를 관절각도 계측수단에 의해 계측한다.
외력이 작용하기 전에 기억된 툴의 초기자세각도(RX, RY, RZ)와 각도FB(θfb 1∼ θfb3)에서 역변환식을 이용함으로써 툴자세가 초기 자세를 유지하는 손목축의 각도지령(θref4∼ θref6)을 새롭게 구할 수 있다. 이 새로운 각도지령(θref4 ∼ θref6)과 현재의 손목각도 FB(θfb4∼ θfb6)(또는 각도지령(θref4 ∼ θref6)에서 차분을 취함으로써 각도지령 수정량(Δθref4 ∼ Δθref6)을 구할 수 있다. 이 각도지령 수정량(Δθref4 ∼ Δθref6)을 각도지령(θrefb4∼ θrefb6 )에 가산한다.
J5축의 각도지령(θref5)에 관해서는 수학식 1에서 구할 수 있다. J4축과 J6 축의 각도지령(θref4)과 (θref6)에 관해서는 이하의 수학식에서 구할 수 있다.
Figure 112002016902419-pct00007
Figure 112002016902419-pct00008
이상의 연산량은 매우 적기 때문에 실시간으로 풀 수 있다.
도 6에 6자유도의 로봇에 본 제어방법을 적용한 동작예를 도시하여 설명하기로 한다.
유연하게 설정하는 축은 작업좌표계의 Z축으로 하고 기타 XY축 및 손목축의 J4∼J6축은 높은 루프게인으로 하여 제어계를 고강성으로 한다. 외부로부터의 힘이 로봇 손 끝에 장착된 툴에 연직하향으로 작용한다고 가정한다.
손목축의 중심인 P점은 작업좌표계의 위치속도루프의 작용에 의해 외력이 작용함으로써 연직방향(Z축방향)으로만 유연하게 동작하기 때문에 도면 중의 점선상을 이동하게 된다. P점이 아래로 이동함으로써 손목축의 각도(여기에서는 J5축)는 점선으로 도시하게 된다. 그러나 P점의 이동에 맞춰 ΔJ5를 연산하여 J5축이 변화함 으로서 로봇 베이스에 대한 툴의 초기자세를 유지한 채로 J5축은 실선으로 도시한 바와 같으며 툴은 연직방향으로 평행이동한다. 즉 툴도 도면 중의 점선상을 이동하게 된다. 이 때 손목축에 대해서는 초기의 툴자세를 교시하는 것만으로 P점의 병진동작에 맞춰 툴자세가 일정해지도록 로봇을 동작시킬 수 있게 된다.
예컨대 본 발명을 다이캐스트 핸들링에 적용한 경우를 도 7에 도시하여 설명하기로 한다. 다이캐스트 핸들링은 다이캐스트 성형품인 워크(23)를 로봇(21)의 툴(22)로 파지하여 다이캐스트 머신에서 꺼내는 작업이다. 로봇(21)은 손(24)으로 워크(23)를 파지한 채로 피스톤(25)에 의해 주형(26)에서 눌리는 힘(F)을 작업좌표계의 Y축을 따른 방향(a)으로 설정하고 로봇(21)은 방향(a)를 따라 이동해야 한다. 이 때 방향(b)으로 조금이라도 움직이면 뒤틀림의 힘이 워크(23)에 작용하여 주형(26) 안에서 변형되거나 손상된다. 종래에는 손(24) 부분에 슬라이더 등의 메카니즘적인 기구를 장착하여 힘을 흡수했기 때문에 로봇의 운반가능중량이 감소되어 슬라이더의 동작방향으로 외력의 방향을 정확히 교시해야만 하는 번거로움이 있었다.
본 실시예에서는 작업좌표계의 위치속도루프를 방향(a)를 따라 구성하고 Y축방향을 유연하게 설정(게인저감이나 힘제한)함으로써 P점이 방향(a)으로만 유연하게 동작하게 된다. 로봇(21)의 P점이 피스톤(25)에 의해 압출되는데 작업좌표계에서의 손(24)의 자세를 일정하게 유지하도록 손목부분으로의 수정량이 연산되기 때문에 워크(23)는 주형(26)에서 똑바로 압출된다. 이때 관절축 단위가 아닌 작업좌표계에서 로봇의 유연한 방향이나 유연성을 설정할 수 있기 때문에 교시작업을 매 우 쉽게 수행할 수 있다.
다음에 본 발명의 제3구체적 실시예를 도 9에 도시하여 설명하기로 한다.
도 9는 통상의 관절좌표계에서의 위치속도제어계에 본 발명의 제어를 적용한 제어블럭선도를 나타낸 것이다.
상술한 실시예에서는 P점 위치의 제어계를 작업좌표계의 위치속도루프와 관절좌표계의 위치속도루프를 병용해 왔다.
그래서 본 실시예의 제어는 로봇의 각 관절의 제어계를 손목축의 중심점 위치(이하 P점)를 제어하는 직교좌표계의 위치속도제어계(30)와 툴의 자세를 제어하는 관절좌표계의 위치속도제어계(40)로 완전히 분류하고 직교좌표계의 위치속도제어의 특정 축을 유연하게 함으로써 작업좌표계에서의 병진의 유연동작을 가능하게 한다. 회전을 제외한 병진만을 축소하여 직교좌표계만으로 위치속도루프를 구성함으로써 연산량을 줄일 수 있다.
이하 본 실시예에 있어서 각 관절의 위치속도제어루프의 구성을 설명하기로 한다. 로봇 관절의 자유도를 n개로 한다. 그 중에 로봇의 베이스에서 m번째까지의 축(이하 기본축)의 제어계를 직교좌표계의 제어계를 관절좌표계의 위치속도루프(41)로 구성한다. 직교좌표계의 구성수단은 기본축의 각 관절의 각도검출치에서, 일반적으로 순변환 또는 순운동학이라 불리우는 관절변위와 로봇의 작업위치의 관계식을 이용하여 작업좌표계에서의 손목중심점(이하 P점)에 대한 위치FB를 구한다. 이 위치FB와 작업좌표계에서의 P점의 위치지령에 근거하여 작업좌표계의 XYZ축방향으로 위치속도제어루프를 구성시킨다. 여기에서 작업좌표계의 위치속도제어루프의 출력치는 작업좌표계에서의 XYZ축방향으로의 힘지령이 된다. 작업좌표계의 위치속도제어루프는 게인저감수단(32)에 의해 XYZ축의 어느 제어계의 위치루프게인 및 속도루프게인을 다른 축의 위치게인 또는 속도게인보다 저감시킨다. 또는 도시되지 않았으나 속도제어계의 후단에 리미트를 설치하여 힘지령을 작게 축소해도 좋다. 이와 같이 제어계를 저강성으로 하는 경우 중력 등의 정적 부하는 별도로 보상해 둔다.
다음에 로봇의 현재 상태에서 일반적으로 야코비안이라 불리우는 행렬의 전치행렬인 관절좌표계와 작업좌표계의 정역학 대응관계식을 구하여 작업좌표계의 힘지령에서 관절좌표계에서의 토크지령을 산출할 수 있다. 여기에서는 상술한 수학식 3∼ 수학식 6을 이용하여 로봇의 자세변화에 대해 수학식 3, 수학식 6의 연산을 수행하여 관절제어계에서의 토크지령에 수학식 5에 도시된 토크지령을 가산함으로써 로봇의 전 동작영역에서 작업좌표상에서의 병진의 유연동작이 가능한 로봇의 유연제어계를 구성할 수 있다.
손목축의 관절좌표계의 위치제어루프에서는 통상의 위치루프게인, 속도루프게인으로 고강성으로 위치를 제어하거나, 위치루프게인, 속도루프게인을 다른 축의 위치게인 또는 속도게인보다 작게 함으로써 저강성으로 유연제어한다. 또한 저강성의 수단으로는 미도시된 게인저감 대신에 속도제어기의 후단에 리미트를 설치해도 좋다.
다음에 도 10에 실제 로봇에 적용한 제어계의 구성을 도시하여 각 요소의 작용을 설명하기로 한다.
로봇 관절의 자유도를 6으로 하여 J1∼J3축과 J4∼J6축에서 동작시키는 제어방법을 분류한다. 작업좌표계에서의 P점의 위치를 제어하는 J1∼J3축에서는 작업좌표계(30)의 위치속도루프(31)를 구성한다. 작업좌표계에서의 툴의 자세를 제어하는 J4∼J6축에서는 관절좌표계(40)의 위치속도루프(41)를 구성한다. 이와 같이 위치와 자세의 제어를 분류함으로써 병진의 유연동작을 위치제어로 실행하고 툴의 자세변화의 수정을 자세의 제어로 실행할 수 있다.
(1) 작업좌표계의 위치속도루프(41)를 구성하기 위해 J1∼J3축의 각속도 검출치(θfb1∼ θfb3)에서 순변환식을 이용하여 작업좌표계에서의 P점에 대한 위치(각도)FB(검출치)를 구한다.
(2) 작업좌표계에서의 위치지령과 위치FB에 근거하여 작업좌표계의 XYZ축방향으로 위치속도제어루프(31)를 구성한다. 여기에서 작업좌표계의 위치속도제어루프(31)의 출력치는 작업좌표계에서의 XYZ축방향으로의 힘지령[FX, FY, FZ]이 된다. 작업좌표계의 위치속도제어루프(31)는 게인저감수단(32)에 의해 XYZ의 어느 축에 관해 제어계의 위치루프게인 및 속도루프게인을 다른 축의 위치게인 또는 속도게인보다도 저감시킨다. 또는 제어계의 후단에 리미트를 설치하여 힘지령 자체를 작게 축소한다.
(3) 다음에 로봇의 각도FB(θfb1∼ θfb3)에서 관절좌표계와 작업좌표계의 정역학 대응관계식을 구하고 그 전치행렬식을 이용함으로써 XYZ축의 작업좌표계의 힘 지령에서 J1∼J3축의 관절좌표계에서의 토크지령을 산출한다.
(4) 이 토크지령을 이용하여 각 관절의 모터를 제어함으로써, 작업좌표계에서의 P점의 병진의 유연동작이 가능해진다. 이 때 중력 등의 정적 부하는 별도로 보상해둔다.
다음에 6자유도의 로봇에 본 제어방법을 적용한 동작예를 상기 도 6에 의해 설명하기로 한다.
작업좌표계의 Z축방향으로 P점의 병진의 유연동작을 실시한다고 가정한다. 작업좌표계의 Z축 제어계의 위치루프게인 및 속도루프게인을 게인저감수단에 의해 다른 축의 위치게인 또는 속도게인보다 저감시킨다. 이로써 P점의 위치는 외력에 의해 Z축방향으로는 유연하게 동작할 수 있지만 XY축방향으로는 작업좌표계의 위치속도루프가 고강성으로 작용하기 때문에 편차가 생기지 않도록 힘을 발생시켜 동작이 제한된다.
손목축의 중심인 P점은 작업좌표계의 위치속도루프의 작용에 의해 외력이 작용함으로써 연직방향(Z축방향)으로만 유연하게 동작하기 때문에 도면 중의 점선 위를 이동하게 된다. P점이 아래쪽으로 이동함으로써 손목축의 각도(여기에서는 J5축)는 점선으로 도시한 바와 같이 된다. 그러나 P점의 이동속도에 맞춰 ΔJ5를 교시해 둠으로써 로봇 베이스에 대한 툴의 초기자세를 유지한 채로 툴은 연직방향으로 평행이동한다. 즉, 툴도 도면 중의 점선 위를 이동하게 된다.
다음에 본 발명의 제4구체적 실시예를 도 11에 도시하여 설명하기로 한다.
처음에 본 발명의 각 관절의 위치속도제어루프의 구성을 설명한다.
로봇 관절의 자유도를 n개로 한다. 그 중에 로봇의 베이스에서 m번째까지의 축(Jl∼Jm; 이하 기본축)의 제어계(50)를 직교좌표계의 위치루프(51)와 관절좌표계에서의 속도루프(52)로 구성한다. 또한 m+l∼n번째의 축(Jm+1∼Jn; 이하 손목축)의 제어계(60)를 관절좌표계의 위치속도루프(61)로 구성한다.
직교좌표계의 구성수단은 제3구체적 실시예와 마찬가지로 기본축의 각 관절의 각도검출치에서 작업좌표계에서의 P점에 대한 위치(각도)FB를 구한다. 이 위치FB와 작업좌표계에서의 P점의 위치지령에 근거하여 작업좌표계의 XYZ축방향으로 위치제어루프(51)를 구성시킨다. 여기에서 작업좌표계의 위치제어루프(51)의 출력치는 작업좌표계에서의 XYZ축방향으로의 속도지령이 된다. 작업좌표계의 위치제어루프(51)는 게인저감수단(53)에 의해 XYZ축의 어느 제어계의 위치루프게인을 다른 축의 위치게인보다 저감시킨다. 또는 도시되지 않았으나, 위치제어계의 후단에 리미트를 설치하여 속도지령을 작게 축소해도 좋다. 이와 같이 제어계를 저강성으로 하는 경우 중력 등의 정적 부하는 별도로 보상해둔다.
다음에 로봇의 현재 상태에서 일반적으로 야코비안이라 불리우는 행렬식의 역행렬인 관절좌표계와 작업좌표계의 미소변위의 대응관계식을 구해 작업좌표계의 속도지령에서 관절좌표계에서의 속도지령을 산출할 수 있다.
예컨대, 3자유도의 로봇으로 야코비안의 역행렬의 산출식은 이하의 수학식으로 표시된다.
Figure 112002016902419-pct00009
작업좌표계의 속도지령을
Figure 112002016902419-pct00010
여기에서
V : 속도지령벡터
VX, VY, VZ : 작업좌표계에서의 속도지령
관절좌표계로 변환된 관절각 속도지령을
Figure 112002016902419-pct00011
여기에서
V : 관절좌표계에서의 속도지령벡터
Vi : 제i축 관절좌표계의 속도지령
으로 해두면 관절좌표계에서의 토크는 다음의 관계로 구할 수 있다.
Figure 112002016902419-pct00012
따라서 로봇의 자세 변화에 대해 수학식 9, 수학식 12의 연산을 수행하여 수학식 11에 도시되는 관절제어계에서의 속도지령과, 각 관절의 각도검출에서 구해진 속도FB에 근거하여 관절좌표계의 속도피드백을 제어하고 관절좌표계에서의 토크지령을 구한다. 손목축의 관절좌표계의 위치제어루프는 제3의 구체적 실시예와 동일하게 한다.
다음에 도 12에 실제 로봇에 적용한 제어계의 구성을 도시하여 각 요소의 작용을 설명하기로 한다.
로봇 관절의 자유도를 6으로 하여 J1∼J3축과 J4∼J6축에서 동작시키는 제어방법을 분류한다. 작업좌표계에서의 P점 위치를 제어하는 J1∼J3축에서는 작업좌표계의 위치루프(51)와 관절좌표계에서의 속도루프(52)를 구성한다. 작업좌표계에서의 툴의 자세를 제어하는 J4∼J6축에서는 관절좌표계의 위치속도루프(61)를 구성한다. 이와 같이 위치와 자세의 제어를 분류함으로써 병진의 유연동작을 위치의 제어로 실행하고 툴의 자세변화의 수정을 자세의 제어로 실행할 수 있다.
(1) 작업좌표계의 위치속도루프를 구성하기 위해 J1∼J3축의 각속도검출치(θfb1∼ θfb3)에서 순변환식을 이용하여 작업좌표계에서의 P점에 대한 위치FB(검출치)를 구한다.
(2) 작업좌표계에서의 위치지령과 위치FB에 근거하여 작업좌표계의 XYZ축방향으로 위치제어루프를 구성한다. 여기에서 작업좌표계의 위치제어루프의 출력치는 작업좌표계에서의 XYZ축방향으로의 속도지령[VX, VY, VZ]이 된다. 작업좌표계의 위치제어루프는 게인저감수단(53)에 의해 XYZ의 어느 축에 관해 제어계의 위치루프게인을 다른 축의 위치게인보다도 저감시킨다. 또는 위치제어계의 후단에 리미트를 설치하여 속도지령 자체를 작게 축소한다.
(3) 다음에 로봇의 각도FB(θfb1∼ θfb3)에서 관절좌표계와 작업좌표계의 미소변위의 대응관계식을 구하고 그 역행렬식을 이용함으로써 XYZ축의 작업좌표계의 속도지령에서 J1∼J3축의 관절좌표계에서의 속도지령을 산출한다.
(4) 이 속도지령과 각도검출치를 이용하여 관절좌표계(50)에서의 속도제어루프(52)를 구성하고 토크지령을 연산한다. 이 토크지령으로 각 관절의 모터를 제어함으로써 작업좌표계에서의 P점의 병진의 유연동작이 가능해진다. 이 때 중력 등의 정적 부하는 별도로 보상해둔다. 이상의 연산은 로봇을 구성하고 있는 축에 대해, 손목의 위치에 대해 작업좌표계를 구성하여 병진의 유연동작을 수행하도록 했기 때문에 연산량이 적어 실시간으로 풀 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 하기의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 각 관절의 제어계를 종래의 고강성 위치속도루프와 저강성 위치속도루프로 분류하고 외력에 의해 저강성의 관절축으로 변위한 관절각도와 미리 기억된 툴의 초기 자세에서, 로봇 베이스에 대한 툴자세를 일정하게 유지하도록 고강성의 관절축으로의 각도 수정량을 실시간으로 연산함으로써 전용 툴이나 힘센서가 불필요고 연산량도 현저히 적어서 바람직하며, 작업좌표계에서의 툴 자세를 일정하게 유 지한 병진의 유연제어를 수행할 수 있다.
(2) 종래에는 필요했던 힘센서나 슬라이더 등의 메카니즘적인 구성이 불필요해져 로봇의 운반가능 중량을 감소시키지 않으면서 교시작업 및 작업좌표계에서의 병진의 유연제어를 매우 간단히 실현할 수 있다.
(3) 관절좌표계와 작업좌표계에서 각각 위치, 속도의 상태피드백 루프를 구성하고, 각관절 위치의 정보를 이용한 관절좌표계와 작업좌표계의 정역학 대응관계식을 이용하여 양 제어계의 출력을 짜맞춤으로써 외부에서 작용하는 힘에 대해 작업좌표계 상에서 특정 방향으로만 선단의 작업위치의 동작을 정확히 제한할 수 있으며 로봇 베이스에 대한 툴의 초기자세를 유지한 채로 병진의 유연제어를 매우 간단한 연산을 처리함으로써 용이하게 실현할 수 있다.
(4) 또한 로봇의 각 관절의 제어계를 손목 위치를 제어하는 작업좌표계에서의 피드백루프와 손목의 자세를 제어하는 관절좌표계에서의 피드백루프로 분류하고 작업좌표계에서의 특정 축의 게인을 저감시키거나 또는 리미트를 설치함으로써 전용 루프나 힘센서가 불필요하고 연산량도 매우 적어 바람직하며, 작업좌표계에서의 병진의 유연제어를 수행할 수 있다.
본 발명은 간단한 처리로 작업좌표계에서의 툴자세를 일정하게 유지하여 병진의 유연동작을 수행하는 로봇 제어장치로서 유용하다.

Claims (10)

  1. 관절을 구동하는 모터를 위치 및 속도의 상태피드백 루프를 갖는 제어회로로 제어하는 로봇 제어장치에 있어서,
    로봇의 관절각도를 계측하는 수단과,
    로봇의 손끝에 장착한 툴의 초기자세를 기억하는 수단(11)과,
    특정 관절축의 위치게인 또는 속도게인을 다른 관절축의 위치게인 또는 속도게인보다 작게 설정하는 수단(10)과,
    상기 관절각도와 툴의 초기자세에서 로봇 베이스에 대한 툴자세를 일정하게유지하도록 위치 또는 속도지령으로의 수정량을 연산하는 수단(12)을 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어장치.
  2. 관절을 구동하는 모터를 위치 및 속도의 상태피드백루프를 갖는 제어회로로 제어하는 로봇 제어장치에 있어서,
    로봇의 관절각도를 계측하는 수단과,
    로봇의 손끝에 장착한 툴의 초기자세를 기억하는 수단(11)과,
    상기 관절각도에 근거하여 좌표계 간의 정역학 대응관계를 연산하는 수단(14)과,
    상기 관절각도와 로봇의 작동좌표계에서의 위치지령에 근거하여 상기 제어회로와는 별도의 제2위치, 속도의 상태피드백을 제어하는 수단과,
    상기 제2피드백 제어계에 있어서 특정 축의 위치게인 또는 속도게인을 다른 관절축의 위치게인 또는 속도게인보다 작게 설정하는 수단(10)과,
    상기 정역학 대응관계를 이용함으로써 상기 제2피드백 제어계의 출력치를 관절각 토크치로 변환하는 수단과,
    상기 제2피드백 제어계의 관절각 토크치를 상기 제1피드백 제어계의 출력치에 가산하는 수단과,
    상기 관절각도와 상기 툴의 초기자세에서 로봇 베이스에 대한 툴자세를 일정하게 유지하도록 위치 또는 속도지령으로의 수정량을 연산하는 수단(12)을 구비한 것을 특징으로 하는 로봇 제어장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 특정 관절각의 위치게인 또는 속도게인을 작게 설정하는 대신에 속도제어기의 후단에 토크리미트를 설치하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 로봇 제어장치.
  4. 로봇의 손목위치와 자세를 제어하는 모터의 제어장치에 있어서,
    상기 손목 위치를,
    로봇의 관절각도를 계측하는 수단과,
    상기 관절각도에 근거하여 좌표계 간의 정역학 대응관계를 연산하는 수단과,
    상기 관절각도와 로봇의 작업좌표계에서의 위치지령에 근거하여 작업좌표계에 있어서 위치와 속도의 상태피드백을 제어하는 수단(31)과,
    상기 정역학 대응관계를 이용함으로써 상기 피드백 제어계의 출력치를 관절좌표계의 관절각 토크지령으로 변환하는 수단을 구비한 작업좌표의 제어계로 제어하는 수단과,
    상기 손목 자세를,
    로봇의 관절각도를 계측하는 수단과,
    상기 관절각도에 근거하여 좌표계 간의 미소변위의 대응관계를 연산하는 수단과,
    상기 관절각도와 로봇의 작업좌표계에서의 위치지령에 근거하여 작업좌표계에 있어서 위치의 상태피드백을 제어하는 수단(31)과,
    상기 미소변위의 대응관계를 이용함으로써 상기 위치의 피드백 제어계의 출력치를 관절좌표계의 속도지령으로 변환하는 수단과,
    상기 속도지령과 상기 관절각도에 근거하여 관절좌표계에 있어서 속도의 상태피드백을 제어하는 수단(52)을 구비한 관절좌표의 제어계로 제어하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 로봇 제어장치.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서, 상기 작업좌표의 위치, 속도의 상태피드백 제어에 있어서 특정 축의 위치게인 또는 속도게인을 다른 축의 위치게인 또는 속도게인보다 작게 설정하는 수단(32)을 구비한 것을 특징으로 하는 로봇 제어장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 작업좌표의 위치, 속도의 상태피드백 제어에 있어서 특정 축의 위치게인 또는 속도게인을 작게 설정하는 대신에 속도제어기의 후단에 리미트를 설치하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 로봇 제어장치.
  8. 삭제
  9. 제4항에 있어서, 상기 작업좌표계의 위치상태피드백 제어에 있어서 특정 관절축의 위치게인을 다른 축의 위치게인보다 작게 설정하는 수단(53)을 구비한 것을 특징으로 하는 로봇 제어장치.
  10. 제4항에 있어서, 상기 작업좌표계의 위치상태피드백 제어에 있어서 특정 관절축의 위치게인을 작게 설정하는 대신에 위치제어기의 후단에 리미트를 설치하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 로봇 제어장치.
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