KR101457642B1 - 산업용 로봇의 비상 정지방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 산업용 로봇의 비상 정지방법은, 산업용 로봇의 비상 전지방법에 있어서, 서보 제어수단을 이용하여 산업용 로봇 시스템을 구성하고 있는 모터들의 최대 감속 가능한 최대시간(Tm)과 최소시간(Ts) 범위를 산출하는 제1단계와, 비상정지 요청시 상기 로봇의 전 축에 대하여 그 위치에서 상기 산업용 로봇 시스템의 동역학을 기반한 감속 계획을 다시 작성하는 제2단계 및, 상기 감속 계획의 궤적을 이탈하지 않고 최대감속으로 정지할 수 있도록, 하여 각 축별 속도에 따라 최대시간(Tm)에서 최소시간(Ts) 시간 안에 정확한 궤도를 유지하면서 감속에 의해 필요한 제동거리 내에서 정지시키는 제3단계를 포함한다.

Description

산업용 로봇의 비상 정지방법{Emergency stop method of industrial robot}

본 발명은 산업용 로봇의 비상 정지방법에 관한 것으로, 특히 감속 제어를 통해 로봇에 과도한 부하를 주지않으면서 확실하게 비상정지시킬 수 있는 산업용 로봇의 비상 정지장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 공작기계나 산업용 로봇 등의 모터로 구동되는 기계는, 안전상 대책 등의 요청에 의하여 비상정지 스위치를 누르거나 알람 등을 발생시켜 로봇과 비구동체를 비상으로 정지시키고 있었다. 이러한, 종래의 피구동체의 비상 정지방법은, 다이나믹 브래이크용 저항(이하 DB저항이라고 한다)을 이용하여 피구동체를 구동하는 모터(Motor)를 비상정지시키는 방법이다.

도 1 내지 4를 참조로 하는 종래의 비상 정지방법은, 모터(motor)를 구동하는 앰프 내에 있는 마그넷 접촉기(Magnet Contactor)(MCC)를 사용하며, 마그넷 접촉기는 보통 앰프의 모터 제어전류 발생회로와 모터를 접속하고 있다.

즉, 비상정지 스위치가 온(ON) 상태가 되거나 알람 등이 점등되는 경우에, 비상정지 상태를 검출하며, 비상정지 상태가 검출되는 경우에 모터 제어전류 발생 회로와 접속을 자르고 모터 측을 DB 저항에 접속한다. 이때, 모터와 DB 저항이 접속되면, 모터가 갖고 있던 운동에너지는 DB 저항에 의해 열 에너지로 변환되면서 감소하게 되고, 운동에너지의 감소에 의해 모터가 정지하게 된다.

다른 방법은, 전류지령 값을 “0”으로 지령하여 급격하지만 감속구간을 둠으로써 정지거리를 줄이는 방법이 있다.

그러나 상기한 방법들은 중대형의 기계가 고속으로 주행할 때, 자체 무게에 따른 관성을 이기지 못하게 되므로 피구동체 자체(감속기 등)가 손상될 수 있고, 이재물이 손상될 수 있으며, 타주량에 의해 외부와의 충돌문제도 발생할 가능성이 있다.

이와 같은 종래의 로봇 비상 정지방법은, DB 저항에 의한 비상정지 방식을 사용하기 때문에 정지 토크가 작으며, 긴급정지 지령이 나오고 모터가 정지하기까지의 거리가 늘어진다는 문제점이 있다.

그리고 긴급정지 지령이 출력된 후 MCC가 끊기는 경우에, 모터 측의 단자가 NC 접점으로부터 DB 저항 측 접점으로 연결되어 DB 저항에 의해 운동에너지를 소비하면서 모터의 속도는 서서히 감속되면서 정지하게 된다. 이때, 긴급정지 지령이 출력된 후 DB 저항에 의한 운동에너지의 소비가 행해지기는 사이에 모터는 탈주를 행하게 되는 문제점이 있다.

또한, DB 저항의 접속 후에도 DB 저항에 의한 정지 토크가 작아지게 되어, 모터의 정지 길이가 길어지게 되는데, 이 경우 피구동체가 충돌을 일으켜 파손의 원인이 될 수도 있다.

이와 같이, 서보제어 만으로 로봇을 제어하는 방법은, 로봇의 대형화와 고속화가 더욱 진행되는 경우에 더욱 문제가 될 수 있다. 즉, 서보제어에 의해 제동을 하게 되면 로봇에 큰 부하가 걸림에도 불구하고 대형화 고속화로 인해 로봇의 비상정지 시간을 유지시키게 되고, 짧게 하고자하면 그만큼 서보제어 시간을 길게 하거나 제동력을 늘릴 필요가 생긴다. 또한, 과도한 부하나 충격을 주어 경우에는 로봇 본체가 파괴될 염려가 있다. 그리고 대형화 고속화한 로봇에 대해 종래의 서보제어를 행하여 감속시간을 단축하는데 한계가 있으며, 서보제어 계에 있어서 일차전류를 차단한 경우에는 그만큼 길게 제어할 수 없는 문제도 있다.

아울러, 서보제어를 전혀 행하지 않도록 하는 경우도 긴 제동시간을 필요로 하게 되므로, 비상정지를 충분히 달성할 수 없게 되어 위험도가 늘어나는 문제도 발생할 수 있다. 하지만, 서보제어를 일체 행하지 않는 것은 현 상태에서 어려운 실정이다.

또 다른 종래의 기술로는 비상정지 요청시 서보계 비상정지 제어수단에 의해 로봇의 필요제동거리를 확보할 수 있도록 안전 속도까지 떨어뜨리며, 이후 서보계 비상정지 수단을 정지시키고 기계시스템 비상정지 수단에 의해 부하를 작용시켜 로봇을 필요 제동거리 내에서 비상정지 시키는 방법도 사용되고 있다.

즉, 비상정지 요청시 비상정지 신호와 동시에 서보전원(1차 전원)을 끄고, 그 후에는 잔류전하를 이용하여 로봇을 서보 제어 하에서 제동을 걸게 되며, 로봇은 일정한 제동부하를 받아 감속하게 된다. 단, 로봇의 속도가 안전속도(Vs)에 이른 시점에서 이상의 서보제어를 종료시키고, 속도지령을 해제하여 로봇에 대한 적극적인 제동처리를 멈추며, 대신에 기계시스템 비상정지 수단에 의한 메카브레이크를 작용시키게 된다.

그러나 이와 같은 로봇의 비상정지 방법은 다 축으로 구성된 로봇 시스템에서 각 축별 정지거리를 줄이는 것에는 효과가 있지만, 궤적이 이탈되는 문제점은 해결하기 힘들다. 왜냐하면 각축의 속도가 다르게 움직이고 있을 때 일괄적으로 어떤 안전속도로 바로 떨어뜨리는 것은 각축의 속도 차로 인해, 각축들의 정지시간이 달라지게 되므로 계획된 궤적으로의 주행이 불가능하게 된다. 즉 각 축의 정지시간 차로 인해 궤적을 이탈할 가능성이 높다.

대부분의 로봇 시스템은 다축으로 이루어지며, 각축의 Link길이, 감속비, Max 속도 등을 고려하여, 동작계획을 수립, 계획된 목적지까지 움직이게 된다.

이때 정밀한 궤적추종을 위하여 각 축의 시상수를 동일하게 맞춘다. 즉 각축 모터의 속도는 다르지만, 각 모터가 움직이는 시간을 동일하게 가져간다. 그렇게 함으로서 궤적 정도가 향상 된다. 그렇지만 상기의 일정속도까지 떨어뜨리는 방법으로 비상정지하는 기술은 궤적오차를 유발하게 될 수밖에 없다. 이로 인해 좁은 환경에서 작업하는 로봇은 비상정지시 외부 기기와의 충돌 가능성이 내재되어 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 비상정지 신호가 들어오면, 전 축에 대하여 그 위치에서 시스템의 동력학에 기반 한 감속계획을 다시 작성함으로써, 주어진 궤적을 이탈하지 않고, 최대 감속으로 정지할 수 있도록 하기 위한 산업용 로봇의 비상 정지방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 산업용 로봇의 비상 정지방법은, 산업용 로봇의 비상 전지방법에 있어서, 서보계 비상정지 수단을 이용하여 산업용 로봇 시스템을 구성하고 있는 모터들의 최대 감속 가능한 속도(Vs), 최대시간(Tm)과 최소시간(Ts) 범위를 산출하는 제1단계(S100)와, 비상정지 요청시 상기 로봇의 전 축에 대하여 그 위치에서 상기 산업용 로봇 시스템의 동역학을 기반한 감속 계획을 다시 작성하는 제2단계(S200) 및, 상기 감속 계획의 궤적을 이탈하지 않고 최대감속으로 정지할 수 있도록, 하여 각 축 별 속도에 따라 최대시간(Tm)에서 최소시간(Ts) 시간 안에 정확한 궤도를 유지하면서 감속에 의해 필요한 제동거리 내에서 정지시키는 제3단계(S300)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1단계(S100)는, 시스템에서 가장 감속시간이 긴 모터를 중심으로 최대시간(Tm)을 산출하는 것이 바람직하다.

상기 제1단계(S100)에서 각 축의 감속은, 각축에 걸리는 이너셔, 최대 토크, 로봇의 자세 등을 고려하여 작성하는 것이 바람직하다.

상기 제1단계(S100)는, 확실한 최대시간(Tm) 보장을 위해 비상정지 시 PN간 전압저하 에러(Error)는 무시하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 비상 정지신호가 발생한 시점부터 각축들의 감속계획을 동력학에 의거하여 재수립하고, 재수립된 동작계획으로 서보제어를 통해 각 축의 모터를 정지시킴으로써, 로봇에 대한 과도한 충격없이, 계획된 궤적을 벗어나지 않는 상태로, 로봇을 최소 거리내에서 정지시키기 때문에 로봇동작에서의 안전성이 확보되는 장점이 있다.

도 1은 종래의 산업용 로봇의 비상 정지장치에서 비상정지 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 산업용 로봇의 비상 정지방법에서 모터의 속도 변화도를 도시한 도면이다.
도 3은 종래의 산업용 로봇의 비상 정지방법에서 감속 없이 바로 DB 제어에 의한 모터의 속도 변화도를 도시한 도면이다.
도 4는 종래의 산업용 로봇의 비상 정지방법에서 감속에 의한 정지방식을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 산업용 로봇의 비상 정지방법에 대한 각 단계를 순차적으로 도시한 도면이다.
도 6은 산업용 로봇의 비상 정지방법에서 다양한 비상정지 입력시점에서 감속을 표시한 도면이다.
도 7은 산업용 로봇의 비상 정지방법에 대한 감속구간을 예로든 도면이다.
도 8은 산업용 로봇의 비상 정지방법에서 로봇 시스템에 적용된 모터들의 최대 감속 시간을 예로든 도면이다.
도 9는 산업용 로봇의 비상 정지방법에서 경로추적 형태를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 산업용 로봇의 비상 정지방법에서 최대 토토크(Torque)를 고려한 동작계획을 예로든 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 산업용 로봇의 비상 정지방법에서 로봇 시스템에 적용된 모터중 가장 긴 감속 프로파일에 다른 모터들의 프로파일을 맞춘 예를 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 산업용 로봇의 비상 정지방법에서 임의의 비상정지 시점의 모터별 감속 프로파일을 계산하여 정지하는 예를 도시한 설명이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명에 따른 산업용 로봇의 비상 정지방법은, 비상정지 신호가 들어오면, 전 축에 대하여 그 위치에서 시스템의 동력학에 기반 한 감속계획을 다시 작성함으로써, 주어진 궤적을 이탈하지 않고, 최대 감속으로 정지할 수 있도록 하기 위한 것이다.

이하, 본 발명의 각 단계를 도시한 도 5와, 이를 뒷받침하기 위한 도 6 내지 12를 참조로 하여 본 발명에 따른 산업용 로봇의 비상 정지방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제1단계(S100)에서는 산업용 로봇의 비상 정지방법에 있어서, 서보제어 수단을 이용하여 산업용 로봇 시스템을 구성하고 있는 모터들의 최대 감속 가능한 최대시간(Tm)과 최소시간(Ts) 범위를 산출하는 과정을 진행한다.

그리고 서보 제어수단은, 비상정지 요청시 로봇의 각축에 대하여 최적의 정지계획을 수립하고, 로봇이 원래 진행하던 궤적을 추종하고 잔류전하를 이용하여 필요한 제동거리 내에서 로봇의 구동을 정지시키는 기능을 갖는다.

제1단계(S100)에서 최대시간(Tm) 산출은, 서보 제어수단을 이용해 시스템에서 가장 감속시간이 긴 모터를 중심으로 한다. 그리고 상기 제1단계(S100)에서는 각 축의 감속시간은 각축에 걸리는 이너셔, 최대토크, 로봇의 자세 등을 고려하여 작성할 수 있다.

또한, 제1단계(S100)는 확실한 최대시간(Tm) 보장을 위해 비상정지 시 PN간 전압저하 에러(Error)는 무시하는 것이 바람직하다.

다음으로, 제2단계(S200)에서는 비상정지 요청시 로봇의 전 축에 대하여 그 위치에서 상기 산업용 로봇 시스템의 동역학을 기반한 감속 계획을 다시 작성하는 과정을 진행한다.

즉, 상기 서보 제어수단에서 산업용 로봇 시스템의 동역학적 특성을 기반으로 감속을 하기 위한 계획을 설정하는 것이다.

최종적으로, 제3단계(S300)에서는 상기 감속 계획의 궤적을 이탈하지 않고 최대감속으로 정지할 수 있도록 함으로써, 각 축별 속도에 따라 최대시간(Tm)에서 최소시간(Ts) 시간 안에 정확한 궤도를 유지하면서 감속하면서 정지되도록 한다.

이에 따라, 본 발명이 적용되는 로봇은 갑작스런 브레이크의 작용이 없기 때문에, 로봇 몸체에 큰 충격이 가해지지 않게 되며, 인접하는 구조물과의 충돌도 발생하지 않게 된다

이상에서 본 발명에 따른 산업용 로봇의 비상 정지방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

따라서 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 치수 및 모양 그리고 구조 등의 다양한 변형 및 모방할 수 있음은 명백한 사실이며 이러한 변형 및 모방은 본 발명의 기술 사상의 범위에 포함된다.

Claims (4)

1. 산업용 로봇의 비상 정지방법에 있어서,
   서보 제어수단을 이용하여 산업용 로봇 시스템을 구성하고 있는 모터들의 최대 감속 가능한 최대시간(Tm)과 최소시간(Ts) 범위를 산출하되, 산출된 상기 최대시간(Tm) 보장을 위해 비상정지시 PN간 전압저하 에러(Error)는 무시하는 제1단계(S100);
   비상정지 요청시 상기 로봇의 전 축에 대하여 그 위치에서 상기 산업용 로봇 시스템의 동역학을 기반한 감속 계획을 다시 작성하는 제2단계(S200); 및
   상기 감속 계획의 궤적을 이탈하지 않고 최대감속으로 정지할 수 있도록, 하여 각 축별 속도에 따라 최대시간(Tm)에서 최소시간(Ts) 시간 안에 정확한 궤도를 유지하면서 감속에 의해 필요한 제동거리 내에서 정지시키는 제3단계(S300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 비상 정지방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1단계(S100)는, 시스템에서 가장 감속시간이 긴 모터를 중심으로 최대시간(Tm)을 산출하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 비상 정지방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1단계(S100)에서 각 축의 감속은, 각축에 걸리는 이너셔, 최대토크, 로봇의 자세 등을 고려하여 작성하는 것을 특징으로 하는 산업용 로봇의 비상 정지방법.
4. 삭제

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