KR100850971B1

KR100850971B1 - 지능형 로봇용 움직임 제어 장치

Info

Publication number: KR100850971B1
Application number: KR1020070057832A
Authority: KR
Inventors: 고종선
Original assignee: 고종선
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-08-12

Abstract

높은 정밀도 및 빠른 응답 특성을 갖는 지능형 로봇용 움직임 제어 장치가 개시되어 있다. 움직임 보드는 모터로부터의 위치 값을 독출하고 카운팅하여 카운팅 값을 출력하고, 외란 및 파라미터 보상기에 강인한 알고리즘 처리된 12 비트 데이터 값을 선형 2차 제어 명령에 맞게 디지털/아날로그 변환 처리하여 모터 구동 전압을 출력하는 FPGA 보드를 포함한다. 디지털 신호 처리기는 상기 움직임 보드로부터의 상기 카운트된 값에 대한 외란 및 파라미터 보상기에 강인한 알고리즘 처리를 수행한 후, 상기 선형 2차 제어 명령을 상기 움직임 보드로 12 비트 데이터로 제공한다.

로봇, 제어 장치

Description

지능형 로봇용 움직임 제어 장치{Intelligent robot motion controller}

도1은 본 발명의 실시예에 따른 지능형 로봇용 움직임 제어 장치를 나타낸 블록도이다.

도2는 도1에 도시된 FPGA 보드의 일예를 나타낸 블록도이다.

도3은 도1에 도시된 FPGA 보드의 카운터에 의한 카운팅 값을 나타낸 타이밍도이다.

도4는 도1에 도시된 FPGA 보드의 디지털/아날로그 변환기의 일예를 나타낸 블록도이다.

도5는 도4에 도시된 FPGA 보드의 디지털/아날로그 변환기의 동작을 설명하는 타이밍도이다.

도6은 도1에 도시된 FPGA 보드와 디지털 신호 처리기의 인터페이스를 나타낸 도면이다.

도7은 본 발명의 실시예에 따른 외란 및 파라미터 보상기에 강인한 알고리즘을 나타낸 도면이다.

도8 내지 도10은 도7에 도시된 알고리즘에 의한 결과를 나타낸 도면이다.

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 모터 110 : 움직임 보드

112 : FPGA 보드 120 : 디지털 신호 처리기

130 : 모터 구동기 210 : 버스 인터페이스

220 : 카운터 230 : 디지털/아날로그 변환기

본 발명은 지능형 로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지능형 로봇용 제어 장치에 관한 것이다.

미래 산업사회는 IT, BT, ET에 이어 NT로 접어들고 있으며 이러한 기술들은 점점 상호 의존적이며 통합화되고 있다. 이에 필수적인 정밀 제어는 나도미터(Nano Meter)(nm)급 정밀도와 밀리세컨드(Milli Second)(ms)급 응답속도가 요구되며, 또한 사용 환경 변화에 대한 피드백(Feed-Back)이 필수적이다.

이러한 신 성장 동력 산업분야의 하나로 최근 로봇 테크놀러지(Robot Technology)(RT)가 확정 되었다. 크게는 정밀한 제품을 생산하는 산업용 로봇, 악조건의 일을 하는 필드 로봇, 그리고 일반인 생활에 밀접한 지능형 홈 로봇이다. 이러한 지능형 로봇을 개발하는데 있어서, 모든 로봇은 동일한 정밀 제어 구동부를 가지며 동일한 방법으로 운동학(Kinematics)과 역학(Dynamics) 문제를 푼다. 이 부분은 핵심 공통부분으로 서로 다르게 만들 필요가 없다. 제어기 칩은 동일하되 제어 알고리즘과 센서의 정밀도 그리고 액튜에이터의 등급을 달리할 뿐이다. 기타 응용 부분과 비젼 등의 센서 부분은 각각 따로 구현을 하면 된다. 물론 이 경우도 코 아를 H/W로 계산할 수 있으나 워낙 많은 다양한 접근이 있어 어렵다. 그러나 구동기 제어부, 로봇 제어기, 보간 기능 등은 모두 공용화할 수 있다. 따라서 서로 다른 구조의 메카니즘을 가지는 로봇에서 수학적 알고리즘을 계산하는 ASIC을 개발하고자 한다. 기존의 모션 제어에는 전동 액츄에이터, 선형 액츄에이터 등이 사용되고 있으나 마이크로 미터(um)급 정도의 정밀도를 갖고 있으며, 최근 급속하게 그 필요성이 높아지는 고집적 및 초 미세 조절용 장비의 경우 nm 급 정밀도를 필요로 하며 이에 대응하기 위해 압전 액츄에이터등의 사용이 예견되고 있다. 따라서 높은 정밀도(nm급)와 빠른 응답 특성(ms급)을 갖는 압전 선형 액츄에이터의 위치 제어기 개발이 절실하게 필요하다.

현재 사용되는 PMSM이나 IM의 제어기는 벡터 제어기를 기반으로 다음과 같이 복잡한 구조를 가진다. 따라서 DSP가 기본적으로 쓰이고 여러 부품이 필요하므로 가격이 높고 크기도 커진다. 또한 부품마다 구동을 위한 전압이 다양하여 여러 전원이 사용되므로 그 크기가 또 증가한다. 이러한 이유로 국내 업체의 지능형 로봇의 구동기는 수명이 작고 정밀제어가 어려운 DC 모터 사용 수준에 머물러 있다. 앞으로 지능형 홈 로봇 등으로 사용되려면 신뢰도가 높은 AC 서버(Servo)형 모터와 소형 제어기가 필요하다.

본 발명은 높은 정밀도 및 빠른 응답 특성을 갖는 지능형 로봇용 움직임 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지능형 로봇용 움직임 제어 장치는, 모터로부터의 위치 값을 독출하고 카운팅하여 카운팅 값을 출력하고, 외란 및 파라미터 보상기에 강인한 알고리즘 처리된 12 비트 데이터 값을 선형 2차 제어 명령에 맞게 디지털/아날로그 변환 처리하여 모터 구동 전압을 출력하는 FPGA 보드를 포함하는 움직임 보드; 및 상기 움직임 보드로부터의 상기 카운트된 값에 대한 외란 및 파라미터 보상기에 강인한 알고리즘 처리를 수행한후, 상기 선형 2차 제어 명령을 상기 움직임 보드로 12 비트 데이터로 제공하는 디지털 신호 처리기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 FPGA 보드는 데이터 16 비트 인터페이스로서 동작하여 상기 모터로부터의 위치 값 및 12 비트 데이터를 수신하는 버스 인터페이스; 상기 모터로부터의 위치 값을 카운팅하여 카운팅 값을 출력하는 카운터; 및 상기 버스 인터페이스에 의해 수신된 상기 12 비트 데이터를 디지털/아날로그 처리하여 출력하는 디지털/아날로그 변환기를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 상기 카운터는 2상 체배 카운터로서 상기 모터로부터 출력되는 A, B 상을 체크하여 4 체배 카운팅하고, 상기 디지털/아날로그 변환기는 디지털 디코딩 값을 인터페이스를 사용하여 10배의 전압으로 변환하여 외부 신호로 출력한다. 가장 바람직하게는, 상기 디지털 신호 처리기에서 A0 및 A1신호를 상기 FPGA 보드로 내보내서 모드 선택을 하고 그에 따라서 스트로브 신호와 동등한 /XCE1을 보내고 신호를 내보내면 16 비트 데이터를 독출하게 된다. 또한, 상기 디지털 신호 처리기는 DSP6416 프로세서 모듈이고, 상기 알고리즘은 과도 상태 및 정상 상태의 분석 결과에 따른 신경망을 응용한 외란 및 파라미터 보상기에 강인하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 지능형 로봇용 움직임 제어 장치를 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 지능형 로봇용 움직임 제어 장치는 움직임 보드(110) 및 디지털 신호 처리기(digital signal processor; 이하, DSP라 함; 120)를 포함한다.

움직임 보드(110)는 FPGA 보드(112)를 포함한다. FPGA 보드(112)는 모터(100)로부터의 위치 값을 독출하고 카운팅하여 카운팅 값을 출력한다. FPGA 보드(112)는 외란 및 파라미터 보상기에 강인한 알고리즘 처리된 12 비트 데이터 값을 선형 2차 제어(linear quadratic control; LQC) 명령에 맞게 디지털/아날로그 변환 처리하여 모터 구동 전압을 모터 구동기(130)로 출력한다.

도2는 도1에 도시된 FPGA 보드의 일예를 나타낸 블록도이다.

상기 FPGA 보드(112)는 버스 인터페이스(210), 카운터(220), 및 디지털/아날로그(digital/analog; 이하 D/A라 함) 변환기(230)를 포함한다. 버스 인터페이스(210)는 데이터 16 비트 인터페이스로서 동작하여 상기 모터(100)로부터의 위치 값 및 12 비트 데이터를 수신한다.

카운터(220)는 상기 모터(100)로부터의 위치 값을 카운팅하여 카운팅 값을 출력한다. 도 3은 도 1에 도시된 FPGA 보드의 카운터(220)인 인코더 카운터에 의한 카운팅 값을 나타낸 타이밍도이다. 상기 인코더 카운터(220)는 2상 체배 카운터로서 상기 모터(100)로부터 출력되는 A, B 상을 체크하여 4 체배 카운팅하여 도 3에 도시된 카운팅 신호를 DSP(120)로 출력한다.

D/A 변환기(230)는 상기 버스 인터페이스(210)에 의해 수신된 상기 12 비트 데이터를 D/A 처리하여 출력한다.

도4는 도1에 도시된 FPGA 보드의 D/A 변환기(230)의 일예를 나타낸 블록도이다.

도5는 도4에 도시된 FPGA 보드의 D/A 변환기(230)의 동작을 설명하는 타이밍도이다.

상기 D/A 변환기(230)는 디지털 디코딩 값을 인터페이스를 사용하여 10배의 전압으로 변환하여 외부 신호로 출력한다.

파워-온에 의해서 리셋이 가능하고 REFIN에 의해서 기준 출력 레퍼런스를 조절할 수가 있다. 상기 D/A 변환기(230)는 12 비트 데이터를 보내려고 하면 먼저 /CS가 로우 레벨로 떨어져야 하고, /L1이 로우 레벨로 떨어져 있고 LDAC는 로우(low)를 유지하고 있을 때 12 비트 데이터를 DAC 처리를 통해 출력할 수 있다.

DSP(120)는 상기 움직임 보드(110)로부터의 상기 카운트된 값에 대한 외란 및 파라미터 보상기에 강인한 알고리즘 처리를 수행한 후, 상기 선형 2차 제어 명령을 상기 움직임 보드(110)로 12 비트 데이터로 제공한다.

본 발명에서는 상기 디지털 신호 처리기로서 DSP6000 계열 중에 가장 빠른 처리속도를 가지고 있는 PM6416(DSP6416 프로세서 모듈)를 사용한다.

도6은 도 1에 도시된 FPGA 보드(112)와 DSP(120)의 인터페이스를 나타낸 것으로 DSP(120)의 동작을 설명하는 도면이다. 디지털 입력 데이터를 수신하는 경우, 먼저 DSP(120)에서 A0 및 A1신호를 FPGA 보드(112)로 내보내서 모드 선택을 하고 그에 따라서 스트로브 신호와 동등한 /XCE1을 보내고 신호를 내보내면 16 비트 데이터를 독출하게 된다. DSP 6416(120)에서 상기 16 비트 데이터를 독출하여 알고리즘 처리 후 D/A 변환기(230)로 내보내게 된다.

표1에는 전류 명령에 따라 상기 D/A 변환기(230)의 출력값이 설명되어 있다.

전류 명령	아날로그 신호	D/A 변환기 출력
- 2.7	O V	10 V
0	1.5 V	0 V
+ 2.7	3 V	-10 V

DSP 6416(120)에서 12 비트 데이터 값(0~FFF)을 FPGA 보드(112)에 보내고 FPGA 보드(112)에 포함된 AD669 DAC 칩(230)에서 D/A 변환을 하여 -10V~+10V 출력을 한다.

도7은 본 발명의 실시예에 따른 와란 및 파라미터 보상기에 강인한 알고리즘을 나타낸 도면이다. 도8 내지 도10은 도7에 도시된 알고리즘에 의한 결과를 나타낸 것으로, 관성 부하의 회전자 위치에 대한 실험 결과를 0.7rad∼0.8rad 스케일로 확대한 도면이다. 과도 상태와 정상 상태를 좀더 자세히 분석하여 제안된 알고리즘이 외란과 파라미터 변화에 더욱 강인한 제어가 됨을 알 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 알고리즘인 도 10은 기존의 단순 파라미터 보상기 보다 더욱 빨리 안정해짐을 보인다.

본 발명에 따른 지능형 로봇용 움직임 제어 장치는 높은 정밀도(nm급)와 빠른 응답 특성(ms급)을 갖는다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

Claims

모터로부터의 위치 값을 독출하고 카운팅하여 카운팅 값을 출력하고, 외란 및 파라미터 보상기에 강인한 알고리즘 처리된 12 비트 데이터 값을 선형 2차 제어 명령에 맞게 디지털/아날로그 변환 처리하여 모터 구동 전압을 출력하는 FPGA 보드를 포함하는 움직임 보드; 및

상기 움직임 보드로부터의 상기 카운트된 값에 대한 외란 및 파라미터 보상기에 강인한 알고리즘 처리를 수행한 후, 상기 선형 2차 제어 명령을 상기 움직임 보드로 12 비트 데이터로 제공하는 디지털 신호 처리기;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 로봇용 움직임 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 FPGA 보드는 데이터 16 비트 인터페이스로서 동작하여 상기 모터로부터의 위치 값 및 상기 12 비트 데이터를 수신하는 버스 인터페이스;

상기 모터로부터의 위치 값을 카운팅하여 카운팅 값을 출력하는 카운터; 및

상기 버스 인터페이스에 의해 수신된 상기 12 비트 데이터를 디지털/아날로그 처리하여 출력하는 디지털/아날로그 변환기;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 로봇용 움직임 제어장치.
제2항에 있어서,

상기 카운터는 2상 체배 카운터로서 상기 모터로부터 출력되는 A, B 상을 체크하여 4 체배 카운팅하는 것을 특징으로 하는 지능형 로봇용 움직임 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 디지털/아날로그 변환기는 디지털 디코딩 값을 인터페이스를 사용하여 10배의 전압으로 변환하여 외부 신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 지능형 로봇용 움직임 제어장치.
제2항에 있어서,

상기 디지털 신호 처리기에서 A0 및 A1신호를 상기 FPGA 보드로 내보내서 모드 선택을 하고 그에 따라서 스트로브 신호와 동등한 /XCE1을 보내고 신호를 내보내면 16 비트 데이터를 독출하게 되는 것을 특징으로 하는 지능형 로봇용 움직임 제어장치.
제2항에 있어서,

상기 디지털 신호 처리기는 DSP6416 프로세서 모듈인 것을 특징으로 하는 지능형 로봇용 움직임 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 알고리즘은 과도 상태 및 정상 상태의 분석 결과에 따른 신경망을 응용 한 외란 및 파라미터 보상기에 강인한 것을 특징으로 하는 지능형 로봇용 움직임 제어장치.