KR100969585B1 - 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈 - Google Patents

범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈 Download PDF

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박찬훈
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Abstract

본 발명은 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈에 관한 것으로, 일반의 범용 상용로봇시스템에 용이하게 적용되는 특징이 있다.
이를 위해 범용의 로봇 직접교시 모듈은 하나의 연산프로세서와 AD 모듈, 통신모듈, 2개의 힘/토크 센서로 구성되고, AD모듈을 통한 교시력 힘/토크 센서, 외력 힘/토크 센서의 입력값과, 통신모듈을 통한 상용 로봇제어기로부터의 현재 로봇의 위치값, 각도정보값을 정보로 연산프로세서에서 직접교시 알고리즘으로 처리하여 다시 통신모듈을 통해 상용 로봇제어기에 목표위치, 각도와 목표속도, 각속도를 송신하면 로봇의 직접교시가 가능하다.
로봇, 직접교시, 직접교시모듈, FT센서, 알고리즘

Description

범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈{Universal Direct teaching Module}
본 발명은 하나의 연산프로세서와 AD 모듈, 통신모듈로 구성되고, AD모듈을 통한 교시력 힘/토크 센서(교시력 FT 센서), 외력 힘/토크 센서(외력 FT 센서)의 입력값과, 통신모듈을 통한 상용 로봇제어기로부터의 현재 로봇의 위치값, 각도정보값을 정보로 연산프로세서에서 직접교시 알고리즘으로 처리하여 다시 통신모듈을 통해 상용 로봇제어기에 목표위치, 각도와 목표속도, 각속도를 송신하면 로봇의 직접교시를 가능하게 하는 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈에 관한 것이다.
로봇에 위치 자세의 교시를 행하는 전형적인 방법 중 하나로서, 로봇을 수동 조작으로 동작시키고 로봇에 교시를 희망하는 위치 자세를 취하게 하여, 그 때의 위치와 자세를 로봇에 교시하는 방식(티칭 플레이 팩 방식)이 있다. 여기서, 로봇을 수동 조작시키기 위해 종래부터 가장 일반적으로 이용되고 있는 방법은 로봇 제어 장치에 접속된 교시 조작반에 설치된 조작 키이(죠그 이동 키이)(key)의 키이 조작에 의한 방법이다.
그런데 이 방법은, 좌표축(예를 들어 로봇 베이스 좌표계의 X축, Y축, Z축)이나 로봇축(예를 들어 J1, J2, … J6축)에 대응한 복수의 조작 키이를 구분하여 사용하여 로봇의 이동 방향을 지정하는 것으로. 각 키이의 조작과 로봇의 동작 방향의 대응 관계를 기억하는 데 많은 시간을 필요로 하고, 익숙하지 않은 경우에는 오조작에 의해 로봇을 주변 물체나 오퍼레이터에 충돌시킬 위험성이 있다.
지금까지 상기한 종래 기술의 결점을 해소하고, 오퍼레이터가 로봇을 직접 조작하여 로봇에 위치 자세를 교시할 때에, 오퍼레이터가 직감하기 쉬운 형태로 로봇을 직접 이동시켜 교시를 행할 수 있도록 현재 상용 중인 로봇시스템에 적용되는 직접교시 모듈은 전무한 실정이다.
본 발명의 목적은 범용의 직접교시 모듈을 제공함으로써 거의 모든 상용 중인 로봇시스템에 직접교시가 가능하게 하여 종래에 상용 로봇시스템을 교시하기 위해 사용되었던 티칭 팬던트 등을 대체하고, 로봇의 움직임을 결정하기 위하여 로봇 프로그램을 사용자가 직접 수행하는 수고를 덜어주는 데 있다.
또한, 본 발명은 사용자에 의해서 입력된 교시력 즉, 힘을 위치변위 목표치의 증분으로 변환하고 이를 절대값으로 환산하여 역기구학(Closed Loop Inverse Kinematics) 알고리즘을 통해 리퍼런스 앵글(Reference angle; 목표회전각도, 로봇의 각각의 회전축이 회전해야 하는 각도)을 계산하여 로봇을 직접교시함으로써 안전한 직접교시를 이루도록 하는 알고리즘을 제공한다.
또한, 본 발명은 로봇의 진행이 불가능한 방향으로 로봇을 교시하는 힘을 효과적으로 변경해서 진행이 가능한 방향으로만 로봇을 진행시키도록 하고, 작업물의 위치의 변경이 발생하는 경우에는 로봇이 순간적으로 떨어지다 다시 밀착되는 현상을 방지하도록 로봇의 진행이 불가능한 방향이라 할지라도 작은 크기의 상호작용력을 지속적으로 발생시키게 하는 알고리즘을 제공한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 상용 로봇시스템을 직접교시 하도록 적용되는 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈에 있어서, 상기 상용 로봇시스템의 로봇의 끝단에 교시를 위한 교시력 힘/토크 센서와 외부 환경과 접촉하여 발생하는 외력을 측정하는 외력 힘/토크 센서를 구비하되, 교시력 힘/토크 센서와 외력 힘/토크 센서 는 각각 센싱하는 신호들이 서로 간섭되지 않도록 독립적으로 센싱하도록 구성하고; 상기 상용 로봇시스템에 구비된 로봇제어기의 통신모듈의 통신방식과 대응되는 통신모듈을 구비하고; 상기 상용 로봇시스템의 로봇제어기로부터 로봇제어기의 통신모듈을 통해 현재 로봇의 위치값과, 각도정보값 및 교시력 힘/토크 센서와 외력 힘/토크 센서로부터 센싱된 신호를 수신하는 AD모듈을 구비하고; 상기 AD모듈이 수신한 현재 로봇의 위치값과, 각도정보값 및 교시력 힘/토크 센서와 외력 힘/토크 센서로부터 센싱된 신호를 기초로 저장된 직접교시 알고리즘으로 연산하여 상기 통신모듈을 통해 로봇의 목표위치, 각도와 목표속도, 각속도를 로봇제어기의 통신모듈에 전달하는 연산프로세서를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈에 의해 달성된다.
본 발명에 의하면 거의 모든 상용 로봇시스템에 적용이 가능하여 상용 로봇시스템의 직접교시를 수행할 수 있는 특징이 있다. 따라서, 종래에 상용 로봇시스템을 교시하기 위한 티칭팬턴트 등이 불필요하고, 로봇의 움직임을 결정하기 위하여 로봇프로그램을 사용자가 직접 수행하는 수고를 덜어준다.
또한, 가상스프링의 변위를 제거하는 방향으로 로봇이 움직이는 것을 모델링하여 사용하고 있으므로 기본적으로 외부환경과의 접촉의 경우에 매우 안전하다. 즉, 외부환경과의 충돌의 발생한 경우, 로봇은 물리적으로 더 이상 진행하는 것이 불가능하므로 현재위치로부터 로봇이 더 진행하도록 하는 명령은 "가상변위"로 한정되고, 이러한 가상변위는 사용자의 교시력이 변동함에 따라서 변동되는 값을 갖지만 사용자의 교시력의 크기가 제한(bounded)되어 있으므로 위치 커멘드의 발생도 제한된 값(Bounded Value)을 갖게 됨으로써 외부환경과 로봇 사이에 발생하는 상호작용력이 제한되므로 매우 안전하다.
또한, 로봇의 진행이 불가능한 방향으로 로봇을 교시하는 힘을 효과적으로 변경해서 진행이 가능한 방향으로만 로봇을 진행시키도록 하고, 로봇의 진행이 불가능한 방향이라 할지라도 작은 크기의 상호작용력을 지속적으로 발생시켜 작업물의 위치의 변경이 발생하더라도 로봇이 순간적으로 떨어지다 다시 밀착되는 현상이 방지된다.
본 발명은 상용 로봇시스템을 직접교시 하도록 적용되는 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈에 있어서, 상기 상용 로봇시스템의 로봇의 끝단에 교시를 위한 교시력 힘/토크 센서와 외부 환경과 접촉하여 발생하는 외력을 측정하는 외력 힘/토크 센서를 구비하되, 교시력 힘/토크 센서와 외력 힘/토크 센서는 각각 센싱하는 신호들이 서로 간섭되지 않도록 독립적으로 센싱하도록 구성하고; 상기 상용 로봇시스템에 구비된 로봇제어기의 통신모듈의 통신방식과 대응되는 통신모듈을 구비하고; 상기 상용 로봇시스템의 로봇제어기로부터 로봇제어기의 통신모듈을 통해 현재 로봇의 위치값과, 각도정보값 및 교시력 힘/토크 센서와 외력 힘/토크 센서로부터 센싱된 신호를 수신하는 AD모듈을 구비하고; 상기 AD모듈이 수신한 현재 로봇의 위치값과, 각도정보값 및 교시력 힘/토크 센서와 외력 힘/토크 센서로부터 센싱된 신호를 기초로 저장된 직접교시 알고리즘으로 연산하여 상기 통신모듈을 통해 로봇의 목표위치, 각도와 목표속도, 각속도를 로봇제어기의 통신모듈에 전달하는 연산프로세서를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 있어서, 상기 연산프로세서에 저장된 직접교시 알고리즘은 로봇과 외부환경과의 접촉이 발생되면
Figure 112010035217711-pat00001
와 같이 교시력을 변경(Reshaping)하는 알고리즘을 적용하고 상기 교시력 신호와 미소변위를
Figure 112010035217711-pat00002
와 같이 수식화하여 로봇의 위치를 제어하되, 교시력에 의해 측정된 교시력 신호를 위치변위 목표치의 증분으로 변환하고 이를 절대값으로 환산하여 역기구학(Closed Loop Inverse Kinematics) 알고리즘을 통해 목표회전각도(Reference angle)를 계산함으로서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 연산프로세서에 저장된 직접교시 알고리즘은 로봇과 외부환경과의 접촉이 발생되면
Figure 112010035217711-pat00003
와 같이 교시력을 변경(Reshaping)하는 알고리즘을 적용하고 상기 교시력 신호와 미소변위를
Figure 112010035217711-pat00004
와 같이 수식화하여 로봇의 위치를 제어하되, 교시력에 의해 측정된 교시력 신호를 위치변위 목표치의 증분으로 변환하고 이를 절대값으로 환산하여 역기구학(Closed Loop Inverse Kinematics) 알고리즘을 통해 목표회전각도(Reference angle)를 계산함으로서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 있어서, 상기 로봇의 끝단에 발행하는 교시력의 이동변위는 로봇의 끝단을 기준점으로 이 기준점이 이동되는 가상의 스프링으로 모델링 한다.
또한, 상기 힘/토크 센서에 의해 센싱된 교시력 신호에 포함된 리플(ripple)과 노이즈(noise)를 제거하는 것이 바람직한데, 이와 같이 상기 교시력 신호에 포함된 리플(ripple)과 노이즈(noise)의 제거는 힘/토크 센서에 의해 센싱된 교시력 신호를 바탕으로 신호 증폭 및 저주파 통과 필터(Low-pass filter)를 적용하여 컷오프 프리퀀시(Cutoff frequency) 분석을 통해 이루어지는 것이 특징이다.
이와 같은 신호처리 과정을 적용한 결과는 도 11과 같으며, FT 센서로부터 입력된 신호가 필터링을 통하여 리플(ripple)과 노이즈(noise)가 제거된 직접교시의 명령 신호로 변환되었음을 보여준다.
그리고, 본 발명에서의 직접교시 알고리즘은 다음과 같은 모션제어에 기반을 두고 있다. 즉, 위치제어를 위한 기구학 알고리즘 및 인터폴레이션(Interpolation)은 PC 상에서 연산되고 마이크로 인터폴레이션(Micro-Interpolation)을 비롯한 축제어 알고리즘은 모션보드(Motion board) 상에서 연산되며, 앞서 간략히 설명된바 대로 쿼터니온(Quaternion)을 이용한 역기구학(Closed Loop Inverse Kinematics) 알고리즘이 적용된다.
사용자가 로봇의 끝단을 잡고 당길 경우 힘이 발행하고, 측정된 힘을 기준으로 로봇의 움직임을 결정해야 한다. 이를 위해서는 다양한 방법이 동원될 수 있으나 본 발명에서는 도 5에 도시한 바와 같이 기준점이 이동되는 스프링으로 모델링 한다.
"기준점이 이동되는 스프링"이라 함은 도 6에 도시한 바와 같이 스프링을 당길 때 변위가 발행하게 되는데 이때 스프링의 고정점이 되는 로봇끝단이 발생된 변위를 제거하는 방향으로 이동함을 의미한다. 이러한 로봇에 의한 기준점의 이동으로 스프링의 변위가 0이 되도록 하는 제어는 정해진 샘플링 타임(Sampling time)마다 수행된다.
Figure 112009011802151-pat00005
여기서,
Figure 112009011802151-pat00006
는 스프링 선단의 현재위치,
Figure 112009011802151-pat00007
는 스프링 선단의 목표위치,
Figure 112009011802151-pat00008
는 가상스프링의 변위.
강성이 큰 스프링으로 모델링 할 경우, 동일한 힘에 대해 작은 변위가 발생하므로 로봇은 이 변위를 제거하기 위하여 작은 양을 이동하는 것으로 충분하고, 이 때문에 로봇의 움직임은 매우 느려지게 된다. 즉, 강성이 큰 스프링으로 모델링 하는 경우는 로봇의 움직임을 저속/정교하게 할 경우 이용되고, 반대로 강성이 매우 작은 스프링으로 모델링 할 경우는 동일한 힘에 대해 큰 변위가 발생하므로 로봇은 이 변위를 제거하기 위하여 많은 거리를 이동하게 된다. 즉, 강성이 매우 작은 스프링으로 모델링 할 경우는 로봇의 움직임이 매우 신속해지는 특징이 있다.
이때 사용자 힘과 미소변위 명령은 다음과 같이 수식화될 수 있다.
Figure 112009011802151-pat00009
,
여기서, F는 교시력, M은 교시 모멘트,
Figure 112009011802151-pat00010
는 가상의 선형스프링 상수,
Figure 112009011802151-pat00011
는 가상의 토셔널 스프링 상수,
Figure 112009011802151-pat00012
는 로봇선단의 목표위치,
Figure 112009011802151-pat00013
는 로봇선단의 현재위치,
Figure 112009011802151-pat00014
는 로봇선단의 목표회전각도,
Figure 112009011802151-pat00015
는 로봇선단의 현재회전각도.
본 발명에서의 위치제어를 통한 제어 알고리즘은 도 3과 같이 나타낼 수 있다. 사용자에 의해서 입력된 힘을 위치변위 목표치의 증분으로 변환하고 이를 절대 값으로 환산하여 역기구학(Closed Loop Inverse Kinematics) 알고리즘을 통해 목표회전각도(Reference angle)를 계산한다.
이러한 직접교시 알고리즘은 도 4와 같은 방식으로 제어코드로써 구현된다. 이를 통하여 사용자가 직접 로봇의 몸체 즉, 로봇의 끝단을 잡고 힘을 가하여 로봇을 끌거나 밀어줌으로써 작업교시를 하는 것이 가능해진다. 사용자는 로봇의 위치와 자세를 임의로 결정할 수 있으며 로봇은 이를 기억하여 교시정보로 활용하게 된다.
외부환경과의 접촉이 발생하는 경우에 사용자가 이러한 상황을 인식하는 것 이 중요하다. 그러나 위치기반의 직접교시에서는 이러한 상황을 사용자가 인식하는 것이 불가능하다. 따라서 힘/토크 센서의 값을 도 1과 같이 적분하여 교시명령을 생성하는 것은 매우 위험하다.
본 발명에서는 상기에 언급한 대로 가상스프링의 변위를 제거하는 방향으로 로봇이 움직이는 것을 모델링하여 사용하고 있으므로 기본적으로 외부환경과의 접촉의 경우에 매우 안전하다. 즉, 외부 환경과의 충돌이 발생한 경우, 로봇은 물리적으로 더 이상 진행하는 것이 불가능하므로 현재위치로부터 로봇이 더 진행하도록 하는 명령은 "가상변위"로 한정된다. 이러한 가상변위는 사용자의 교시력이 변동함에 따라서 변동되는 값을 가지지만 사용자 교시력의 크기가 제한(bounded)되어 있으므로 도 2에 도시한 바와 같이 커멘드의 발생도 제한된 값(bounded value)을 가지게 된다. 따라서 작업물과 로봇사이에 발생하는 상호작용력이 제한되므로 매우 안전하다.
그러나 매우 큰 강성의 가상 스프링을 사용하지 않는 한 로봇이 작업물에 가하는 힘이 매우 크게 되어 작업물 혹은 로봇이 기계적인 손상을 받게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 로봇이 단독으로 환경과 접촉하는 작업에서는 로봇 스스로 컴플라이언스를 가지게 하는 방법이 유익하게 적용될 수 있다. 이 경우 로봇은 환경과의 접촉이 발생할 경우 이러한 접촉에 순응하여 주어진 궤적으로부터 벗어나서 로봇이 손상되는 것을 막을 수 있다. 그러나 직접교시의 경우에 있어서는 로봇이 컴플라이언스를 가지게 할 경우에 로봇이 작업자의 의도와 다르게 동작하는 것처럼 사용자가 느끼게 되어 직접교시가 불편할 수 있다. 이러한 이유로 본 발명에서는 작업자의 직접교시력을 적절히 조절하여 로봇과 환경이 충돌하는 알 고리즘을 제공한다.
본 발명에서 제공되는 알고리즘에서는 사용자의 교시의도를 파악하기 위한 "교시센서"와 로봇과 환경의 충돌상황을 파악하기 위한 "환경센서"를 동시에 사용한다. 즉, 로봇의 끝단에 교시를 위한 교시력 힘/토크 센서는 "교시센서"와 대응되고, 외부 환경과 접촉하여 발생하는 외력을 측정하는 외력 힘/토크 센서는 "환경센서"에 대응된다. 그리고 교시력 힘/토크 센서와 외력 힘/토크 센서는 각각 센싱하는 신호들이 서로 간섭되지 않도록 독립적으로 센싱하도록 구성한다.
도 7은 로봇과 환경과의 충돌 상황을 나타낸 도면이다. 기본적으로 로봇과 환경과의 접촉이 발생된 경우 이 접촉에 의해 야기되는 힘의 방향으로는 로봇이 진행하는 것은 바람직하지 못하다. 따라서 이러한 상황을 대처하기 위해 교시력을 적절히 변경(Reshaping)하는 알고리즘은 아래와 같다.
Figure 112009011802151-pat00016
여기서,
Figure 112009011802151-pat00017
,
Figure 112009011802151-pat00018
는 각각 원래의 교시력과 Reshaping된 교시력,
Figure 112009011802151-pat00019
는 로봇과 외력 사이의 상호작용력.
또한, 이와 같은 교시력 변경 알고리즘을 그림으로 설명하면 도 8과 같이 표현된다. 따라서 로봇과 외력 사이의 상호작용력을 측정하고
Figure 112009011802151-pat00020
교시력은 이를 바탕으로 변경된다. 즉, 측정된 교시력의
Figure 112009011802151-pat00021
방향의 단위벡터 방향의 성분을 구하고, 이를 원래의 교시벡터와 더해줌으로써 이루어진다. 이들을 통해 사용자의 교시력 중에서 로봇과 충돌이 발행하여 움직임을 방해하는 벽면방향으로 움직이고자 하는 성분을 효과적으로 제거하는 것이 가능하다.
상기와 같은 알고리즘은 진행이 불가능한 방향으로 로봇을 교시하는 작업력을 효과적으로 변경해서 진행이 가능한 방향으로만 로봇을 진행시키게 된다. 그러나 작업물의 위치의 변경이 발생하는 경우(테이블의 작은 진동 등)에는 작업물과 로봇이 순간적으로 떨어졌다가 다시 밀착되는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 진행이 불가능한 방향이라 할지라도 작은 크기의 상호작용력이 지속적으로 발생할 수 있도록 해주는 것이 유익하며 이것은 상기 수학식3을 아래와 같이 변경하는 것으로 가능하다.
Figure 112009011802151-pat00022
여기서,
Figure 112010035217711-pat00023
,
Figure 112010035217711-pat00024
는 각각 원래의 교시력과 변경(Reshaping)된 교시력,
Figure 112010035217711-pat00075
는 교시력 변경의 정도를 결정하며 0≤
Figure 112010035217711-pat00025
≤1의 범위를 가지는 변수,
Figure 112010035217711-pat00026
는 로봇과 외력 사이의 상호작용력,
Figure 112010035217711-pat00076
는
Figure 112010035217711-pat00077
의 크기.
또한, 이와 같은 교시력 변경 알고리즘을 그림으로 설명하면 도 9와 같이 표현된다. 즉 작업교시력의 변경시에 충돌표면에서 작용하는 힘을 제거할 때, 전체를 다 제거하지 않고 일부의 힘을 남겨둠으로써 로봇이 작업면을 일정크기의 힘으로 눌러주도록 한다. 이를 통해 작업면과 로봇이 안정된 상태로 접촉을 유지하면서 교시되는 것이 가능하게 된다.
한편, 이와 같은 설명으로 인해 교시력 뿐만 아니라 교시 모멘트에 대해서도 적용하는 것이 가능한데, 이를 요약하면 다음과 같이 표현된다.
Figure 112009011802151-pat00027
여기서,
Figure 112009011802151-pat00028
,
Figure 112009011802151-pat00029
는 각각 원래의 교시력과 Reshaping된 교시력,
Figure 112009011802151-pat00030
,
Figure 112009011802151-pat00031
는 각각 원래의 교시모멘트와 Reshaping된 교시모멘트.
그리고 본 발명에서의 전체 알고리즘은 도 10과 같이 요약된다. 도 10의 오른쪽은 로봇과 작업환경과의 충돌이 없는 경우와 동일한 것이고, 외력 힘/토크 센서로부터 측정된 값을 통해 교시력 힘/토크의 값을 Reshaping하는 알고리즘이 적용된다. 또한, 교시력 신호값의 급격한 변화를 방지하기 위하여 저주파 통과필터를 추가로 배치.
이하에서는 상기와 같은 알고리즘이 내장된 연산프로세서와, AD모듈, 통신모듈, 2개의 힘/토크 센서 및 직접교시 알고리즘으로 구성되는 범용의 직접교시 모듈을 상세히 설명한다.
전술한 바와 같은 직접교시 알고리즘은 일반의 범용 상용 로봇시스템에 쉽게 적용될 수 있도록 본 발명은 연산프로세서와, AD모듈, 통신모듈로 구성된다.
즉, AD모듈을 통하여 외력 힘/토크센서와, 교시력 힘/토크센서의 입력값을 읽고 상용 로봇 제어기로부터 통신모듈을 통하여 현재 로봇의 위치, 각도정보를 읽어들인 후 연산프로세서에서 직접교시 알고리즘을 처리하여 통신모듈을 통해 목표위치, 각도와 목표속도, 각속도를 상용 로봇제어기로 보내줌으로써 상용 로봇시스템을 직접교시 하게 한다.
도 12의 좌측은 싱글 암 로봇용 모듈이고, 우측은 두 대의 로봇의 직접교시를 동시에 진행할 수 있는 모듈이다. 즉, 본 발명은 상용 중인 로봇시스템이 싱글 암 형태이거나 듀얼 암 형태이더라도 이에 제약을 받지 않고 직접교시가 가능하다.
연산프로세스의 구성방법, AD모듈의 구성 방법, 통신모듈의 구성방법은 도 12와 같은 구조만 만족한다면 모든 방법이 가능하다. 이러한 범용의 직접교시 모듈이 상용 로봇시스템의 로봇제어기와 결합된 모습은 도 13에 표현하였다.
도 13은 거의 모든 산업용 로봇제어기에서 가능하므로 대부분의 티칭 팬던트로 동작하는 로봇제어기에 적용하여 매우 편리한 직접교시가 가능하도록 할 수 있다. 다만, 상용 로봇제어기별로 외부전장과의 통신방식이 다르므로 통신모듈부분은 제품별 통신방식에 맞추어 구성된다.
도 14는 도 13에 알고리즘이 적용된 예를 도시한 도면이다. 연산프로세스에서 계산될 직접교시 알고리즘은 약 10ms의 샘플링으로 연산되면 충분하나, 외부입력을 읽어들이는 샘플링 타임이 다른 상용 로봇시스템의 경우에는 이에 맞추어야 한다. 예컨대, 일부 KUKA 로봇의 경우에는 외부 입력 샘플링이 약 12ms이다. 따라서, 이 경우에는 직접교시 알고리즘의 목표위치, 속도 연산주기를 12ms로 하여야 한다.
이상 본 발명이 양호한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 로봇의 직접교시 알고리즘을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 알고리즘의 일예를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 로봇의 위치제어를 통한 제어 알고리즘을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 알고리즘에서 제어코드의 일예를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 알고리즘에서의 로봇 위치제어를 가상의 스프링으로 모델링함을 나타낸 개략적인 도면,
도 6은 도 5에 따른 일예를 나타낸 도면,
도 7은 로봇과 외부환경과의 충돌 상황을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 알고리즘에서의 교시력 변경 알고리즘인
Figure 112009011802151-pat00059
을 그림으로 표현한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 알고리즘에서의 교시력 변경 알고리즘인
Figure 112009011802151-pat00060
을 그림으로 표현한 도면,
도 10은 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 알고리즘에서의 전체 알고리즘을 표현한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 알고리즘에서 힘/토크 센서로부터 입력된 신호를 교시신호로 이용하기 위한 필터링 결과를 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명에 따른 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈의 일예 및 다른 예를 도시한 도면,
도 13은 본 발명에 따른 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈을 상용 로봇제어기에 적용한 모습을 나타낸 도면,
도 14는 도 13에 본 발명에 따른 로봇의 직접교시 알고리즘을 적용한 예를 나타낸 도면.

Claims (8)

  1. 일반의 상용 로봇 시스템의 직접교시를 위하여 연산프로세서, 직접교시 알고리즘, AD 모듈, 통신모듈, 힘/토크 센서 모듈로 구성되고,
    상기 힘/토크 센서 모듈은 상기 상용 로봇시스템의 로봇의 끝단에 교시를 위한 교시력 힘/토크 센서와 외부 환경과 접촉하여 발생하는 외력을 측정하는 외력 힘/토크 센서를 구비하되, 교시력 힘/토크 센서와 외력 힘/토크 센서는 각각 센싱하는 신호들이 서로 간섭되지 않도록 독립적으로 센싱하도록 구성하고;
    AD모듈을 통한 힘/토크 센서의 입력값과, 통신모듈을 통한 상용 로봇 제어기의 위치, 각도, 토크 정보를 연산프로세서에서 직접교시 알고리즘으로 처리하여 다시 통신모듈을 통해 상용 로봇제어기에 목표위치, 각도와 목표속도, 각속도를 송신함으로 이루어지는 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈.
  2. 상용 로봇시스템을 직접교시 하도록 적용되는 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈에 있어서,
    상기 상용 로봇시스템의 로봇의 끝단에 교시를 위한 교시력 힘/토크 센서와 외부 환경과 접촉하여 발생하는 외력을 측정하는 외력 힘/토크 센서를 구비하되, 교시력 힘/토크 센서와 외력 힘/토크 센서는 각각 센싱하는 신호들이 서로 간섭되지 않도록 독립적으로 센싱하도록 구성하고;
    상기 상용 로봇시스템에 구비된 로봇제어기의 통신모듈의 통신방식과 대응되는 통신모듈을 구비하고;
    상기 상용 로봇시스템의 로봇제어기로부터 로봇제어기의 통신모듈을 통해 현재 로봇의 위치값과, 각도정보값 및 교시력 힘/토크 센서와 외력 힘/토크 센서로부터 센싱된 신호를 수신하는 AD모듈을 구비하고;
    상기 AD모듈이 수신한 현재 로봇의 위치값과, 각도정보값 및 교시력 힘/토크 센서와 외력 힘/토크 센서로부터 센싱된 신호를 기초로 저장된 직접교시 알고리즘으로 연산하여 상기 통신모듈을 통해 로봇의 목표위치, 각도와 목표속도, 각속도를 로봇제어기의 통신모듈에 전달하는 연산프로세서;
    를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 연산프로세서에 저장된 직접교시 알고리즘은 로봇과 외부환경과의 접촉이 발생되면
    Figure 112010035217711-pat00032
    와 같이 교시력을 변경(Reshaping)하는 알고리즘을 적용하고 상기 교시력 신호와 미소변위를
    Figure 112010035217711-pat00033
    와 같이 수식화하여 로봇의 위치를 제어하되, 교시력에 의해 측정된 교시력 신호를 위치변위 목표치의 증분으로 변환하고 이를 절대값으로 환산하여 역기구학(Closed Loop Inverse Kinematics) 알고리즘을 통해 목표회전각도(Reference angle)를 계산함으로서 이루어지는 것을 특징으로 하는 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈.
    여기서, 위에 식의
    Figure 112010035217711-pat00034
    ,
    Figure 112010035217711-pat00035
    는 각각 원래의 교시력과 변경(Reshaping)된 교시력,
    Figure 112010035217711-pat00036
    는 로봇과 외력 사이의 상호작용력이고,
    아래 식의 F는 교시력, M은 교시 모멘트,
    Figure 112010035217711-pat00037
    는 가상의 선형스프링 상수,
    Figure 112010035217711-pat00038
    는 가상의 토셔널 스프링 상수,
    Figure 112010035217711-pat00039
    는 로봇선단의 목표위치,
    Figure 112010035217711-pat00040
    는 로봇선단의 현재위치,
    Figure 112010035217711-pat00041
    는 로봇선단의 목표회전각도,
    Figure 112010035217711-pat00042
    는 로봇선단의 현재회전각도.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 연산프로세서에 저장된 직접교시 알고리즘은 로봇과 외부환경과의 접촉이 발생되면
    Figure 112010035217711-pat00043
    와 같이 교시력을 변경(Reshaping)하는 알고리즘을 적용하고 상기 교시력 신호와 미소변위를
    Figure 112010035217711-pat00044
    와 같이 수식화하여 로봇의 위치를 제어하되, 교시력에 의해 측정된 교시력 신호를 위치변위 목표치의 증분으로 변환하고 이를 절대값으로 환산하여 역기구학(Closed Loop Inverse Kinematics) 알고리즘을 통해 목표회전각도(Reference angle)를 계산함으로서 이루어지는 것을 특징으로 하는 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈.
    여기서, 위에 식의
    Figure 112010035217711-pat00045
    ,
    Figure 112010035217711-pat00046
    는 각각 원래의 교시력과 변경(Reshaping)된 교시력, 0≤
    Figure 112010035217711-pat00047
    ≤1,
    Figure 112010035217711-pat00048
    는 로봇과 외력 사이의 상호작용력이고,
    아래 식의 F는 교시력, M은 교시 모멘트,
    Figure 112010035217711-pat00049
    는 가상의 선형스프링 상수,
    Figure 112010035217711-pat00050
    는 가상의 토셔널 스프링 상수,
    Figure 112010035217711-pat00051
    는 로봇선단의 목표위치,
    Figure 112010035217711-pat00052
    는 로봇선단의 현재위치,
    Figure 112010035217711-pat00053
    는 로봇선단의 목표회전각도,
    Figure 112010035217711-pat00054
    는 로봇선단의 현재회전각도.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 로봇의 끝단에 발행하는 교시력의 이동변위는 로봇의 끝단을 기준점으로 이 기준점이 이동되는 가상의 스프링으로 모델링한 것을 특징으로 하는 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 기준점이 이동되는 가상의 스프링 모델링은 아래의 수학식으로 이루어지는 것이 특징인 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈.
    <수학식>
    Figure 112009011802151-pat00055
    여기서,
    Figure 112009011802151-pat00056
    는 스프링 선단의 현재위치,
    Figure 112009011802151-pat00057
    는 스프링 선단의 목표위치,
    Figure 112009011802151-pat00058
    는 가상스프링의 변위.
  7. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 힘/토크 센서에 의해 센싱된 교시력 신호에 포함된 리플(ripple)과 노이즈(noise)를 제거하는 것을 특징으로 하는 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 교시력 신호에 포함된 리플(ripple)과 노이즈(noise)의 제거는 힘/토크 센서에 의해 센싱된 교시력 신호를 바탕으로 신호 증폭 및 저주파 통과 필터(Low-pass filter)를 적용하여 컷오프 프리퀀시(Cutoff frequency) 분석을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 범용의 로봇 직접교시를 위한 모듈.
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