KR100722857B1 - 속도프로파일생성장치 및 그 제어방법 - Google Patents

속도프로파일생성장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 속도프로파일생성장치는 프로파일 생성정보를 이용하여, 모터의 가속시간, 등속시간 및 감속시간의 산출 시, 가속시간과 감속시간이 각각 상이하도록 산출하는 전처리부; 전처리부로부터 산출된 가속시간, 등속시간, 감속시간을 구간별 정의된 다항식에 적용하여 다항식 속도프로파일을 생성하는 다항식프로파일생성부; 및 다항식프로파일생성부로부터 생성된 다항식 속도프로파일을 필터링하여 필터링 속도프로파일을 생성하는 필터링프로파일생성부를 포함한다. 이에 의해, 비대칭 속도프로파일을 쉽게 생성할 수 있으며, 사용자로부터의 인터럽트에 대한 대응이 용이하여 로봇의 성능이 향상될 수 있다.

Description

속도프로파일생성장치 및 그 제어방법{Velocity Profile Generating Device And Control Method Thereof}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 속도프로파일생성장치의 제어블록도이며,
도 2a는 본 발명의 실시예에 따라 생성된 다항식 속도프로파일을 도시한 도면이며,
도 2b는 본 발명의 실시예에 따라 생성된 필터링 속도프로파일을 도시한 도면이며,
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 생성된 다항식 속도프로파일을 미분한 다항식 가속도프로파일을 도시한 도면이며,
도 3b는 본 본 발명의 실시예에 따라 생성된 필터링 속도프로파일을 미분한 필터링 가속도프로파일을 도시한 도면이며,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 속도프로파일생성장치의 제어방법에 관한 흐름도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 전처리부 20 : 다항식프로파일생성부
30 : 필터링 프로파일생성부
본 발명은 속도프로파일생성장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로봇의 모터를 구동하기 위한 속도프로파일을 생성하는 속도프로파일생성장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
최근, 제조사업의 고도화로 인해 로봇을 활용한 고속, 초정밀 조립 및 가공공정이 증가하고 있다. 로봇의 움직임을 제어하는 로봇제어기는 사용자로부터 입력된 목표위치, 속도, 가감속시간 등의 정보를 가지고 매 제어주기(약, 0.01초)마다 로봇의 위치 및 속도, 가속도의 제어를 수행한다.
여기서, 로봇 각 관절의 모터는 속도프로파일에 따라 구동되며, 이에 의해 로봇의 이동시간, 진동, 감속기 수명 등 로봇 수명이 달라질 수 있다.
일반적으로, 속도프로파일을 생성하는 방법은 두 가지가 있다.
첫 번째 방법은 필터를 사용하는 것으로, 임펄스 응답(impulse response) h[n](여기서, n은 가감속 시간이다)을 가진 필터에 신호 v[n]을 입력시키면, 출력 w[n]은 선형시스템 이론에 의해 h[n]과 v[n]의 이산 시간 중첩(discrete time convolution)으로 표현되는 방법이다. 따라서, 매 제어주기마다 이동해야할 속도 v[n]만을 계산하여 필터 h[n]에 중첩시켜 속도프로파일 w[n]을 쉽게 구할 수 있다.
이러한, 필터를 사용한 속도프로파일의 생성법은 구현이 간단하며, 생성된 속도프로파일에 따른 모션 도중 사용자로부터 속도 오버라이딩(overriding), 일시정지 등의 인터럽트(interrupt)에 대응이 쉽다는 장점이 있다. 그러나, 가속시간과 감속시간이 동일하여 변형이 어려우며, 가속도와 저크(Jerk: 가속도변이도)의 제한이 어렵다는 단점이 있다.
두 번째 방법은 다항식 함수를 사용하는 것으로, 다항식으로 정의된 속도프로파일 함수를 사용하여 제어주기마다 속도를 계산하는 방법이다. 일반적으로, 다항식은 로봇의 모션 전체를 가속구간, 등속구간, 감속구간으로 나누어 각 구간의 경계에서 위치, 속도, 가속도 연속성 등을 고려하여 정의한다.
이때, 구간이 나뉘는 개수에 따라 3구간 속도프로파일을 생성하는 방법과 7구간 속도프로파일을 생성하는 방법이 있다.
3구간 속도프로파일 생성법은 가감속 필터를 사용하는 방법에 비해, 가속시간과 감속시간이 상이한 비대칭 속도프로파일을 생성할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 가속도와 저크의 제한이 어려우며, 사용자로부터의 인터럽트에 대해 실시간으로 계산해야 하므로, 인터럽트의 대응이 어렵다는 단점이 있다.
7구간 속도프로파일 생성법은 비대칭 속도프로파일을 생성할 수 있으며, 가속도와 저크의 제한이 가능하다는 점에서 가장 바람직한 속도프로파일생성법이라고 할 수 있다. 그러나, 계산해야 하는 구간이 너무 많아 각 구간에 따라 정의된 다항식을 실시간으로 계산해야 하므로, 사용자 인터럽트의 대응이 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 사용자로부터의 인터럽트에 대응이 용이한 비대칭 속도프로파일을 쉽게 생성할 수 있는 속도프로파일생성장치 및 그 제어방법을 제공 하는데 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 소정의 프로파일 생성정보로부터 모터를 구동하기 위한 속도프로파일을 생성하는 속도프로파일생성장치에 있어서, 상기 프로파일 생성정보를 이용하여, 상기 모터의 가속시간, 등속시간 및 감속시간의 산출 시, 상기 가속시간과 상기 감속시간이 각각 상이하도록 산출하는 전처리부; 상기 전처리부로부터 산출된 상기 가속시간, 상기 등속시간, 상기 감속시간을 구간별 정의된 다항식에 적용하여 다항식 속도프로파일을 생성하는 다항식프로파일생성부; 및 상기 다항식프로파일생성부로부터 생성된 상기 다항식 속도프로파일을 필터링하여 필터링 속도프로파일을 생성하는 필터링프로파일생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도프로파일생성장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 입력된 프로파일 생성정보는 목표위치, 목표속도, 가감속시간, 최대 가속도, 최대 저크(Jerk) 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 전처리부는 상기 입력된 프로파일 생성정보의 최대 가속도 및 최대 저크를 초과하지 않도록 상기 가속시간, 상기 등속시간 및 상기 감속시간을 산출하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 다항식프로파일생성부는 1차 다항식 또는 지수함수일 수 있다.
또한, 상기 필터링프로파일생성부는 상기 다항식 속도프로파일을 적어도 한번 필터링하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 속도프로파일을 생성하는 속도프로파일생성장치의 제어방법에 있어서, 모터를 구동하기 위한 프로파일 생성정보를 입력받 는 단계; 상기 입력된 프로파일 생성정보를 이용하여 상기 모터의 가속시간, 등속시간 및 감속시간의 산출 시, 상기 가속시간과 상기 감속시간이 각각 상이하도록 산출하는 단계; 산출된 상기 가속시간, 상기 등속시간, 상기 감속시간을 구간별 정의된 다항식에 적용하여 다항식 속도프로파일을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 다항식 속도프로파일을 적어도 한번 필터링하여 필터링 속도프로파일을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도프로파일생성장치의 제어방법에 의해 달성될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 속도프로파일생성장치의 블록도이며, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따라 생성된 다항식 속도프로파일의 필터링 전후를 도시한 도면이며, 도 2c 및 도 2d는 본 발명의 실시예에 따라 생성된 다항식 속도프로파일을 미분한 다항식 가속도프로파일의 필터링 전후를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 속도프로파일생성장치는 전처리부(10)와, 다항식프로파일생성부(20)와, 필터링프로파일생성부(30)를 포함한다.
본 발명에 따른 전처리부(10)는 사용자로부터 입력된 프로파일 생성정보를 이용하여 모터의 가속시간, 등속시간, 감속시간(이하, '가속, 등속, 감속시간'이라 칭함)을 산출한다. 여기서, 프로파일 생성정보는 목표위치, 목표속도, 가감속시간, 최대 가속도, 최대 저크(Jerk: 가속도변이도) 등이 포함될 수 있다.
또한, 전처리부(10)는 가속, 등속, 감속시간의 산출 시, 가속시간과 감속시간이 상이하도록 산출하여 비대칭 속도프로파일이 생성될 수 있도록 한다.
뿐만 아니라, 전처리부(10)는 산출된 가속, 등속, 감속시간으로부터 가속도와 저크를 검사하여, 가속도와 저크가 입력된 프로파일 생성정보의 최대 가속도와, 최대 저크를 초과하지 않도록 가속, 등속, 감속시간을 산출한다.
구체적으로, 최대 가속도와 최대 저크가 각각 Amax, Jmax로 주어진다면 가속시간 ta와 감속시간 td는 다음의 수학식 1을 만족한다.
<수학식 1>
Figure 112006002209014-pat00001
(여기서, Vp는 입력된 목표속도를 나타낸다.)
ta와 td 중 작은 값을 tf로 정의한다면, 산출된 가속, 등속, 감속시간에 의한 최대 가속도 A와 최대 저크 J는 다음의 수학식 2를 통해 산출될 수 있다.
<수학식 2>
Figure 112006002209014-pat00002
그리고, 산출된 최대 저크 J와 사용자로부터 입력된 최대 저크 Jmax를 비교하여 산출된 최대 저크 J가 입력된 최대 저크 Jmax를 초과하는 경우, 가속시간 tr을 증가시키면 속도의 변화 없이 Jmax를 초과하지 않을 수 있다. 이때, 전처리부(10)는 ta 또는 td가 2tr 보다 작다면, 2tr이 되도록 수정한다.
그리고, 수정된 ta, td, tr로부터 최대 가속도 A를 산출하고, 산출된 최대 가속도 A와 입력된 최대 가속도 Amax를 비교한다. 만약, A가 Amax를 초과하는 경우, ta 또는 td의 변화없이 tr만을 줄이거나, tr을 유지한 상태에서 ta 또는 td를 증가시켜 입력된 최대 가속도 Amax를 초과하지 않도록 할 수 있다.
그리하여, 제한 조건을 만족하지 않는 구간의 시간 증가를 통해 주어진 제한 조건을 만족하는 속도프로파일을 생성할 수 있다.
다항식프로파일생성부(20)는 전처리부(10)로부터 산출된 가속, 등속, 감속시간을 가속, 등속, 감속구간별로 정의된 다항식에 적용하여 다항식 속도프로파일을 생성하는 것으로, 구간별 정의된 다항식은 1차 다항식 또는 지수함수로 구현될 수 있다.
이때, 생성된 다항식 속도프로파일은 가속구간, 등속구간, 감속구간, 3개의 구간으로 나뉜 3구간 속도프로파일이며, 전처리부(10)로부터 산출된 가속시간과 감속시간이 서로 상이하므로, 가속구간과 감속구간은 서로 비대칭적으로 생성된다.
필터링프로파일생성부(30)는 다항식프로파일생성부(20)로부터 생성된 다항식 속도프로파일을 필터링하여 필터링 속도프로파일을 생성하는 것으로, 임펄스 응답(impulse response) h[n](여기서, n은 필터의 길이로, 가속구간의 경우 가속시간, 감속구간의 경우 감속시간을 나타낸다)을 가진 필터를 포함한다.
그리고, 필터를 통과한 다항식 속도프로파일은 가속구간과 감속구간이 각각 3구간, 즉 가속구간은 급가속구간, 등가속구간, 완가속구간으로, 감속구간은 완감속구간, 등감속구간, 급감속구간으로 나뉜 7구간 속도프로파일로 생성된다. 이때, 필터링 속도프로파일의 가속구간과 감속구간은 비대칭적으로 생성된다.
한편, 필터링프로파일생성부(30)는 적어도 하나의 필터를 포함할 수 있으며, 필터의 개수가 증가할수록 각 구간의 경계가 완만한 필터링 속도프로파일이 생성될 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 다항식 속도프로파일은 필터링프로파일생성부(30)의 필터링을 통해 필터링 속도프로파일이 생성된다. 그리고, 필터링 속도프로파일은 도 2b에 도시된 바와 같이 생성될 수 있다.
이때, 다항식 속도프로파일 x[k]과, 다항식 속도프로파일을 필터링하여 생성된 필터링 속도프로파일 x0[k]의 상관관계는 다음의 수학식 3과 같다.
<수학식 3>
Figure 112006002209014-pat00003
(여기서, k는 가속시간 또는 감속시간, s[k]는 필터내부의 중간합을 나타낸다.)
이하에서는, 도 3a 및 도 3b를 참조하여, 다항식프로파일생성부(20)로부터 생성된 다항식 속도프로파일을 필터링하여 필터링 속도프로파일을 생성하는 과정을 상세히 설명한다.
다항식 속도프로파일의 가속구간과 감속구간이 1차 다항식으로 정의되었으므로, 다항식 속도프로파일을 미분한 다항식 가속도프로파일은 도 3a에 도시된 바와 같이, 각 구간에서 각각 상수항 Aa, Ad (Aa>0, Ad<0)으로 정의된다.
그리고, 도 3b에 도시된 바와 같이, 필터링을 통과하여 생성된필터링 가속도프로파일은 [0, k1] 구간에서 s[0]=0 이며, x[k]=k1 이며, x[k-n]=0이다. (여기서, n은 가속구간이므로 가속시간을 나타낸다.)
이를 수학식 3에 대입하면, 다항식 가속도프로파일이 필터를 통과한 후의 필터링 가속도프로파일은 다음의 수학식 4와 같이 나타난다.
<수학식 4>
Figure 112006002209014-pat00004
따라서, [0, k1] 구간에서 Aa/k1의 기울기를 갖는 1차식이 되고, 필터링 가속도프로파일의 적분항인 필터링 속도프로파일은 2차식으로 표현될 수 있다.
[k1, k2] 구간을 상기와 동일한 방법으로 산출하면, 다음의 수학식 5과 같이 표현될 수 있다. 그리고, x[k-n]=Aa 이므로, 필터링 가속도프로파일은 상수 Aa가 되며, 필터링 속도프로파일은 1차식으로 표현될 수 있다.
<수학식 5>
Figure 112006002209014-pat00005
또한, [k2, k3] 구간은 입력값 x[k]=0 이므로, [k0, k1] 구간과 반대로 -Aa/k1의 기울기를 갖는 1차식이 되어, 필터링 속도프로파일은 2차식으로 표현될 수 있다.
그리고, [k3, k4] 구간은 기울기가 0이므로, 필터링 속도프로파일은 상수로 표현된다.
동일한 방법으로 [k4, k5] 구간의 필터링 속도프로파일은 2차식이며, [k5, k6] 구간의 필터링 속도프로파일은 1차식, [k6, k7] 구간의 필터링 속도프로파일은 2차식으로 표현된다.
이와 같이, 3구간으로 표현된 다항식 속도프로파일을 필터링하여 7구간으로 표현된 필터링 속도프로파일을 쉽게 생성할 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 속도프로파일생성장치의 제어방법을 도 4의 흐름도를 이용하여 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전처리부(10)는 사용자로부터 모터를 구동하기 위한 프로파일 생성정보가 입력되었는지 판단한다(S1). 전술한 바와 같이, 입력된 프로파일 생성정보는 목표위치, 목표속도, 가감속시간, 최대 가속도, 최대 저크 등이 포함될 수 있다.
그리고, 프로파일 생성정보가 입력되면, 전처리부(10)는 입력된 프로파일 생성정보를 이용하여 가속, 등속, 감속시간을 산출한다(S3). 이 때, 전처리부(10)는 비대칭적인 속도프로파일이 생성되도록 가속시간과 감속시간이 상이하게 산출한다.
여기서, 전처리부(10)는 산출된 가속시간과 감속시간으로 최대 가속도와 최대 저크를 검사하여 입력된 최대 가속도와 최대 저크를 초과하지 않도록 가속시간과 감속시간을 조절한다.
그리고, 다항식프로파일생성부(20)는 전처리부(10)로부터 산출된 가속, 등속, 감속시간을 구간별 정의된 다항식에 적용하여 다항식 속도프로파일을 생성한다(S5).
그리고, 필터링프로파일생성부(30)는 생성된 다항식 속도프로파일을 필터링하여 필터링 속도프로파일을 생성한다(S7).
이에 의해, 1차 다항식에 기초하므로 구간 경계에서 가속도 연속 조건을 고려할 필요가 없으므로, 비대칭 속도프로파일을 쉽게 생성할 수 있다. 또한, 속도프로파일의 구현이 간단하므로, 사용자로부터의 인터럽트에 대응하기 쉬우며, 최대 가속도와 최대 저크를 제한할 수 있다.
전술한 실시예에서는 본 발명에 따른 속도프로파일이 전처리부(10)로부터 산출된 가속, 등속, 감속시간을 각 구간별로 정의된 다항식에 적용한 후, 필터링을 하는 것을 일예로 설명하였다. 그러나, 이 외에도, 전처리부(10)로부터 산출된 가속, 등속, 감속시간을 필터링 한 후, 구간별로 정의된 다항식에 적용하여 속도프로파일을 생성할 수 있음은 물론이다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 비대칭 속도프로파일을 쉽게 생성할 수 있으며, 사용자로부터의 인터럽트에 대응이 용이하여 로봇의 성능이 향상될 수 있는 속도프로파일생성장치 및 그 제어방법이 제공된다.
또한, 속도프로파일의 생성 시, 사용자로부터 입력받은 최대 가속도와 최대 저크를 초과하지 않을 수 있는 속도프로파일생성장치 및 그 제어방법이 제공된다.

Claims (5)

  1. 목표위치, 목표속도, 가감속시간, 최대 가속도, 최대 저크(Jerk) 중 적어도 하나를 포함하는 프로파일 생성정보로부터 모터를 구동하기 위한 속도프로파일을 생성하는 속도프로파일생성장치에 있어서,
    상기 프로파일 생성정보를 이용하여 상기 모터의 가속시간, 등속시간 및 감속시간의 산출 시, 상기 최대 가속도 및 상기 최대 저크를 초과하지 않으며, 상기 가속시간과 상기 감속시간이 각각 상이하도록 산출하는 전처리부;
    상기 전처리부로부터 산출된 상기 가속시간, 상기 등속시간, 상기 감속시간을 구간별 정의된 다항식에 적용하여 다항식 속도프로파일을 생성하는 다항식프로파일생성부; 및
    상기 다항식프로파일생성부로부터 생성된 상기 다항식 속도프로파일을 적어도 한번 필터링하여 필터링 속도프로파일을 생성하는 필터링프로파일생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도프로파일생성장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다항식프로파일생성부는 1차 다항식 또는 지수함수를 사용하는 것을 특징으로 하는 속도프로파일생성장치.
  4. 삭제
  5. 속도프로파일을 생성하는 속도프로파일생성장치의 제어방법에 있어서,
    모터를 구동하기 위한 목표위치, 목표속도, 가감속시간, 최대 가속도, 최대 저크(Jerk) 중 적어도 하나를 포함하는 프로파일 생성정보를 입력받는 단계;
    상기 입력된 프로파일 생성정보를 이용하여 상기 모터의 가속시간, 등속시간 및 감속시간의 산출 시, 상기 최대 가속도 및 상기 최대 저크를 초과하지 않으며, 상기 가속시간과 상기 감속시간이 각각 상이하도록 산출하는 단계;
    산출된 상기 가속시간, 상기 등속시간, 상기 감속시간을 구간별 정의된 다항식에 적용하여 다항식 속도프로파일을 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 다항식 속도프로파일을 적어도 한번 필터링하여 필터링 속도프로파일을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도프로파일생성장치의 제어방법.
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