KR101866894B1

KR101866894B1 - 비집중식 모터제어장치와 비집중식 모터제어방법 그리고 이것이 적용된 관절 로봇 시스템

Info

Publication number: KR101866894B1
Application number: KR1020160119143A
Authority: KR
Inventors: 우현수; 조장호; 이혁진
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2016-09-19
Filing date: 2016-09-19
Publication date: 2018-06-12
Also published as: KR20180031158A

Abstract

본 발명은 하나의 메인제어유닛과 하나 이상의 모터드라이브 간에 이더캣(EtherCAT) 통신을 구현하여 하나의 메인제어유닛에서 하나 이상의 모터드라이브 제어를 간편하게 함은 물론 제어동작을 간소화시키고, 모터제어장치의 설계를 간소화하며, 경량화를 구현할 수 있는 비집중식 모터제어장치와 비집중식 모터제어방법 그리고 이것이 적용된 관절 로봇 시스템에 관한 것이다.
이를 위해 비집중식 모터제어장치는 로봇암을 움직이기 위한 동작신호에 따라 기설정된 각도테이블에서 기준각도정보를 추출하고 기준각도정보에 대응하여 기설정된 임피던스테이블에서 댐핑정보와 스프링강성정보를 추출하는 메인제어유닛 및 구동모터와 1:1 대응으로 접속된 상태에서 메인제어유닛과 직렬로 연결되고 이더캣 통신을 기반으로 수신되는 기준각도정보와 댐핑정보와 스프링강성정보 그리고 구동모터로부터 피드백되는 동작각도정보를 이용하여 구동모터에 작용하는 외란이 제거된 상태에서 구동모터의 토크를 제어하기 위한 출력토크신호를 생성하는 모터드라이브를 포함한다.

Description

비집중식 모터제어장치와 비집중식 모터제어방법 그리고 이것이 적용된 관절 로봇 시스템{DECENTRALIZED DEVICE FOR CONTROLLING MOTOR AND DECENTRALIZED METHOD FOR CONTROLLING MOTOR AND ARTICULATION ROBOT SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 비집중식 모터제어장치와 비집중식 모터제어방법 그리고 이것이 적용된 관절 로봇 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하나의 메인제어유닛과 하나 이상의 모터드라이브 간에 이더캣(EtherCAT) 통신을 구현하여 하나의 메인제어유닛에서 하나 이상의 모터드라이브 제어를 간편하게 함은 물론 제어동작을 간소화시키고, 모터제어장치의 설계를 간소화하며, 경량화를 구현할 수 있는 비집중식 모터제어장치와 비집중식 모터제어방법 그리고 이것이 적용된 관절 로봇 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 모터를 제어하는 산업용 모터 제어기는 모터 드라이브에 펄스나 아날로그 신호 혹은 네트워크를 통한 데이터를 전송함으로써 모터를 제어한다. 근래에 들어 다축의 모터를 제어할 필요성이 커짐에 따라 배선이 용이한 네트워크를 통한 모터제어 솔루션이 확대되고 있다. 네트워크를 통하여 모터를 제어할 경우, 상위 기기인 모터 제어기는 모터 드라이브에 모터 제어에 필요한 정보를 제공하고, 현재 모터의 상태 등을 모터 드라이브로부터 읽을 수 있다. 이 통신은 보통 정주기로 이루어지며, 가능한 짧은 통신 주기로 데이터를 주고 받는 것이 모터 제어의 성능을 높이는데 필요하다.

한편, 다축을 제어할 경우, 여러 축에 동시에 정보를 전달하여 여러 축이 같은 데이터를 가지고 동시에 같은 제어가 수행될 수 있도록 하는 경우가 있다. 이 경우, 통신 주기 및 속도, 전달된 데이터가 모터 드라이브에 적용되는 시점이 성능을 좌우한다. 이더캣(EtherCAT)의 경우, 오픈 네트워크(open network)이며, 여러 축에 데이터를 동시에 전달하기에 적합한 하드웨어를 제공할 수 있다.

또한, 모터 드라이브의 제어를 위해 장치 구성이 복잡해지고, 이러한 복잡성 때문에 작은 수량의 제어만 가능할 뿐만 아니라 다수의 드라이버를 제어하기 위해서는 추가적인 PLC(Programmable Logic Controller)의 사용이 불가피하여 제어동작을 더욱 복잡하게 하는 문제점이 있었다.

또한, 구성요소 간 통신방식이 상이한 경우, 구성요소 간의 데이터 전송을 위해 컨버터의 존재가 필수적이므로 제어동작은 더욱 복잡해지게 된다.

대한민국 공개특허공보 제2012-0003695호(발명의 명칭 : 다축(관절)스윙장치의 통신제어시스템, 2012. 01. 11. 공개)

본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하나의 메인제어유닛과 하나 이상의 모터드라이브 간에 이더캣(EtherCAT) 통신을 구현하여 하나의 메인제어유닛에서 하나 이상의 모터드라이브 제어를 간편하게 함은 물론 제어동작을 간소화시키고, 모터제어장치의 설계를 간소화하며, 경량화를 구현할 수 있는 비집중식 모터제어장치와 비집중식 모터제어방법 그리고 이것이 적용된 관절 로봇 시스템을 제공함에 있다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 비집중식 모터제어장치는 관절 로봇의 로봇암을 움직이는 하나의 이상의 구동모터에 대한 토크를 제어하는 비집중식 모터제어장치이고, 상기 로봇암을 움직이기 위한 동작신호에 따라 기설정된 각도테이블에서 기준각도정보를 추출하고, 상기 기준각도정보에 대응하여 기설정된 임피던스테이블에서 댐핑정보와 스프링강성정보를 추출하는 메인제어유닛; 및 상기 구동모터와 1:1 대응으로 접속된 상태에서 상기 메인제어유닛과 직렬로 연결되고, 이더캣 통신을 기반으로 수신되는 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보 그리고 상기 구동모터로부터 피드백되는 동작각도정보를 이용하여 상기 구동모터에 작용하는 외란이 제거된 상태에서 상기 구동모터의 토크를 제어하기 위한 출력토크신호를 생성하는 모터드라이브;를 포함한다.

여기서, 상기 모터드라이브는, 상기 이더캣 통신을 매개로 상기 메인제어유닛과 직간접으로 연결되는 이더캣통신부; 상기 구동모터로부터 상기 동작각도정보를 수신하는 각도수신부; 및 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보 그리고 상기 동작각도정보를 이용하여 상기 출력토크신호를 생성하는 모터제어부;를 포함한다.

여기서, 상기 모터제어부는, 상기 기준각도정보와 상기 동작각도정보 사이의 차이를 계산하여 출력각도정보를 생성하는 위치계산부; 상기 출력각도정보 그리고 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보를 이용하여 상기 구동모터의 토크 제어를 위한 명령토크정보를 생성하는 임피던스제어부; 및 상기 명령토크정보에서 상기 외란을 제거하기 위한 외란정보를 보상하여 상기 출력토크신호를 생성하는 토크컨트롤부;를 포함한다.

여기서, 상기 토크컨트롤부는, 상기 구동모터로부터 피드백되는 동작토크정보를 모니터링한다.

여기서, 상기 임피던스제어부는, 상기 출력각도정보를 기반으로 시간의 함수로 미분하여 미분정보를 생성하는 미분제어부; 상기 미분정보와 상기 댐핑정보를 합성하여 상기 구동모터의 구동에 필요한 제1임피던스정보를 생성하는 제1임피던스제어부; 상기 스프링강성정보를 이용하여 상기 구동모터의 구동에 필요한 제2임피던스정보를 생성하는 제2임피던스제어부; 및 상기 제1임피던스정보와 상기 제2임피던스정보를 합성하여 상기 명령토크정보를 생성하는 토크명령부;를 포함한다.

여기서, 상기 미분제어부는, 상기 출력각도정보를 시간의 함수로 미분하여 속도정보를 생성하는 속도제어부; 및 상기 속도정보를 시간의 함수로 미분하여 가속도정보를 생성하는 가속도제어부;를 포함한다.

여기서, 상기 모터드라이브는, 상기 출력토크신호를 변환 증폭시켜 상기 구동모터에 인가되는 출력전원을 조절하는 모터증폭부;를 더 포함한다.

본 발명에 따른 비집중식 모터제어방법은 관절 로봇의 로봇암을 움직이는 하나의 이상의 구동모터에 대한 토크를 제어하는 비집중식 모터제어방법이고, 상기 로봇암을 움직이기 위한 동작신호를 수신하는 동작신호수신단계와, 상기 동작신호에 따라 기설정된 각도테이블에서 기준각도정보를 추출하고 상기 기준각도정보에 대응하여 기설정된 임피던스테이블에서 상기 구동모터의 댐핑정보와 스프링강성정보를 추출하는 정보추출단계와, 상기 구동모터에 대응하여 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보를 상호 매칭시키는 정보매칭단계를 포함하는 메인제어단계; 이더캣 통신을 기반으로 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보를 상기 구동모터와 1:1 대응으로 접속된 모터드라이브에 전달하는 정보전달단계; 상기 정보전달단계에 대응하여 상기 모터드라이브가 상기 구동모터로부터 피드백되는 동작각도정보를 수신하는 동작각도수신단계; 및 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보 그리고 상기 동작각도정보를 이용하여 상기 구동모터에 작용하는 외란이 제거된 상태에서 상기 구동모터의 토크를 제어하기 위한 출력토크신호를 생성하는 모터제어단계;를 포함한다.

여기서, 상기 모터제어단계는, 상기 기준각도정보와 상기 동작각도정보 사이의 차이를 계산하여 출력각도정보를 생성하는 위치계산단계; 상기 출력각도정보 그리고 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보를 이용하여 상기 구동모터의 토크 제어를 위한 명령토크정보를 생성하는 임피던스제어단계; 및 상기 명령토크정보에서 상기 외란을 제거하기 위한 외란정보를 보상하여 상기 출력토크신호를 생성하는 토크컨트롤단계;를 포함한다.

여기서, 상기 모터제어단계에는, 상기 출력토크신호를 변환 증폭시켜 상기 구동모터에 인가되는 출력전원을 조절하는 모터증폭단계;가 포함된다.

본 발명에 따른 관절 로봇 시스템은 둘 이상의 로봇암과, 상호 인접한 두 로봇암이 상대 운동 가능하게 결합되는 관절연결부가 포함되는 관절유닛; 상호 인접한 두 로봇암이 상대 운동하도록 상기 관절연결부에 결합되는 구동모터; 및 상기 구동모터의 토크를 제어하는 관절구동제어유닛을 포함한다.

본 발명에 따른 비집중식 모터제어장치와 비집중식 모터제어방법 그리고 이것이 적용된 관절 로봇 시스템에 따르면, 하나의 메인제어유닛과 하나 이상의 모터드라이브 간에 이더캣(EtherCAT) 통신을 구현하여 하나의 메인제어유닛에서 하나 이상의 모터드라이브 제어를 간편하게 함은 물론 제어동작을 간소화시키고, 모터제어장치의 설계를 간소화하며, 경량화를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명은 기설정된 각도테이블과 기설정된 임피던스테이블을 기반으로 모터드라이브가 해당 구동모터를 개별 제어하기 때문에 각각의 구동모터를 분산 제어하면서도 구동모터 간의 상호 연동을 통한 로봇 동역학을 고려하지 않아도 되고, 구동모터의 토크 제어를 용이하게 할 수 있다.

또한, 본 발명은 이더캣 통신을 통해 각각의 구동모터에 대응하여 매칭된 임피던스 프로파일을 빠르게 전송할 수 있고, 각각의 모터드라이브는 임피던스 프로파일 및 외란정보를 기반으로 구동모터에 인가되는 외란(마찰력, 중력, 관성력 등)을 보상 또는 제거할 수 있고, 다수의 구동모터를 동시에 제어하면서도 구동모터의 응답성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 임피던스 프로파일 및 외란정보을 이용하여 구동모터의 구동에 간섭되는 외란을 보상하거나 제거하고, 구동모터의 동작을 원활하게 할 수 있다.

또한, 본 발명은 구동모터로부터 피드백되는 동작토크정보가 피드백됨에 따라 구동모터의 동작 상태를 안정되게 모니터링하고, 외란정보를 업데이트하며, 구동모터의 토크 제어를 명확하게 하고, 구동모터의 오동작을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 인간과의 상호 작용을 위한 관절 구동에 적용된 구동모터의 제어를 구현할 수 있고, 사용자가 관절 구동에 따른 저항 성분을 사용자가 느낄 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 로봇 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 로봇 시스템에서 비집중식 모터제어장치를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어장치에서 임피던스 프로파일을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어장치에서 모터드라이브의 모터제어부를 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어장치에서 모터제어부의 임프던스제어부를 도시한 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어방법을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어방법에서 모터제어단계를 도시한 순서도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 비집중식 모터제어장치와 비집중식 모터제어방법 그리고 이것이 적용된 관절 로봇 시스템의 일 실시예를 설명한다. 이때, 본 발명은 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위해 생략될 수 있다.

지금부터는 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 로봇 시스템에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 로봇 시스템을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 로봇 시스템은 하나의 메인제어유닛(1)과 하나 이상의 모터드라이브(2) 간에 이더캣(EtherCAT) 통신을 구현하여 하나의 메인제어유닛(1)에서 하나 이상의 모터드라이브(2) 제어를 간편하게 함은 물론 제어동작을 간소화시키고, 관절 로봇 시스템 및 관절구동제어유닛의 설계를 간소화하며, 경량화를 구현할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 관절 로봇 시스템은 관절유닛(A)과, 구동모터(M)와, 관절구동제어유닛을 포함한다.

상기 관절유닛(A)은 관절 로봇 시스템의 뼈대를 이루는 것으로, 둘 이상의 로봇암(L)과, 상호 인접한 두 로봇암(L)이 상대 운동 가능하게 결합되는 관절연결부(S)를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 로봇암(L)은 4개로 이루어지고, 상기 관절연결부(S)는 3개소에 형성되는 것으로 설명한다. 그러면, 상기 로봇암(L)은 베이스를 형성하는 제1로봇암(L1)과, 상기 제1로봇암(L1)에 링크 결합되는 제2로봇암(L2)과, 상기 제2로봇암(L2)에 링크 결합되는 제3로봇암(L3)과, 상기 제3로봇암(L3)에 링크 결합되는 제4로봇암(L4)으로 이루어진다. 도시되지 않았지만, 상기 제4로봇암(L4)에는 관절 로봇의 적용 목적을 달성하기 위한 말단장치가 결합될 수 있다.

또한, 상기 관절연결부(S)는 상기 제1로봇암(L1)과 상기 제2로봇암(L2)이 상대 운동 가능하게 결합되는 제1관절연결부(Sa)와, 상기 제2로봇암(L2)과 상기 제3로봇암(L3)이 상대 운동 가능하게 결합되는 제2관절연결부(Sb)와, 상기 제3로봇암(L3)과 상기 제4로봇암(L4)이 상대 운동 가능하게 결합되는 제3관절연결부(Sc)로 이루어진다.

상기 구동모터(M)는 상기 관절연결부(S)에 결합된다. 상기 구동모터(M)의 동작에 따라 상호 인접한 두 로봇암(L)이 상대 운동하게 된다. 상기 구동모터(M)에는 상대 운동에 따른 동작각도정보를 생성하는 엔코더(E)가 포함될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 구동모터(M)는 상기 제1관절연결부(Sa)와, 상기 제2관절연결부(Sb)와, 상기 제3관절연결부(Sc)에 각각 결합된다.

상기 관절구동제어유닛은 상기 상대 운동에 대응하여 상기 구동모터(M)의 토크를 개별로 제어한다. 상기 관절구동제어유닛은 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어장치로 이루어진다.

상기 관절구동제어유닛은 상기 구동모터(M)와 1:1 대응으로 접속된 모터드라이브(2)가 하나의 메인제어유닛(1)과 이더캣 통신을 매개로 직렬 연결되도록 한다.

그러면, 입력수단(IN)을 통해 입력되는 동작신호는 상기 메인제어유닛(1)에 전달되고, 상기 메인제어유닛(1)은 수신되는 상기 동작신호를 기반으로 해당 구동모터(M)에 접속된 상기 모터드라이브(2)에 제어정보를 전달하며, 상기 모터드라이브(2)는 수신되는 상기 제어정보를 기반으로 상기 구동모터(M)의 토크를 제어하게 된다.

지금부터는 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어장치에 대하여 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어장치는 상술한 관절 로봇 시스템에 적용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 로봇 시스템에서 비집중식 모터제어장치를 도시한 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어장치에서 임피던스 프로파일을 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어장치에서 모터드라이브의 모터제어부를 도시한 블럭도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어장치에서 모터제어부의 임프던스제어부를 도시한 블럭도이다.

도 1 및 도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어장치는 하나의 메인제어유닛(1)과 하나 이상의 모터드라이브(2) 간에 이더캣(EtherCAT) 통신을 구현하여 하나의 메인제어유닛(1)에서 하나 이상의 모터드라이브(2) 제어를 간편하게 함은 물론 제어동작을 간소화시키고, 모터제어장치의 설계를 간소화하며, 경량화를 구현할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어장치는 관절 로봇 시스템에서 상기 로봇암(L)을 움직이는 하나 이상의 상기 구동모터(M)에 대한 토크를 제어하는 것으로, 메인제어유닛(1)과, 모터드라이브(2)를 포함한다.

상기 메인제어유닛(1)은 상기 로봇암(L)을 움직이기 위한 동작신호에 따라 기설정된 각도테이블에서 기준각도정보를 추출하고, 상기 기준각도정보에 대응하여 기설정된 임피던스테이블에서 댐핑정보와 스프링강성정보를 추출한다. 여기서, 추출된 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보는 해당 구동모터(M)에 대응하여 매칭된다. 그러면, 해당 구동모터(M)에 대응하여 매칭되는 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보는 도 3에 도시된 바와 같이 해당 구동모터(M)의 임피던스 프로파일을 형성함으로써, 상기 구동모터(M)의 토크 제어에 필요한 정보를 모듈화하여 전송할 수 있다.

상기 메인제어유닛(1)은 입력수단(IN)을 통해 상기 로봇암(L)을 움직이기 위한 동작신호를 수신할 수 있다. 여기서, 상기 입력수단(IN)은 로봇 제어용 컴퓨터, 동작신호 생성을 위한 센서 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다.

상기 메인제어유닛(1)에는 이더캣 통신을 위한 정보통신부(11)가 구비된다.

상기 모터드라이브(2)는 상기 구동모터(M)와 1:1 대응으로 접속된 상태에서 상기 메인제어유닛(1)과 직렬로 연결된다. 상기 메인제어유닛(1)과 상기 모터드라이브(2) 사이에는 이더캣 통신이 이루어지도록 한다. 그러면, 상기 모터드라이브(2)는 상기 이더캣 통신을 기반으로 수신되는 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보 그리고 상기 구동모터(M)로부터 피드백되는 동작각도정보를 이용하여 상기 구동모터(M)에 작용하는 외란이 제거된 상태에서 상기 구동모터(M)의 토크를 제어하기 위한 출력토크신호를 생성한다.

상기 모터드라이브(2)는 이더캣통신부(10)와, 각도수신부(20)와, 모터제어부(30)를 포함할 수 있다.

상기 이더캣통신부(10)는 상기 이더캣 통신을 매개로 상기 메인제어유닛(1)과 직간접으로 연결된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 이더캣통신부(10)는 상기 제1관절연결부(Sa)에 대응하여 형성되는 제1이더캣통신부와, 상기 제2관절연결부(Sb)에 대응하여 형성되는 제2이더캣통신부와, 상기 제3관절연결부(Sc)에 대응하여 형성되는 제3이더캣통신부로 이루어진다.

그러면, 상기 정보통신부(11)는 통신케이블을 매개로 상기 제1이더캣통신부와 접속되고, 상기 제1이더캣통신부는 통신케이블을 매개로 상기 제2이더캣통신부와 접속되며, 상기 제2이더캣통신부는 통신케이블을 매개로 상기 제3이더캣통신부와 접속된다.

상기 각도수신부(20)는 상기 구동모터(M)로부터 상기 동작각도정보를 수신한다. 상기 각도수신부(20)는 상기 구동모터(M)에 구비된 상기 엔코더(E)와 제어선으로 연결되어 상기 동작각도정보를 수신할 수 있다.

상기 모터제어부(30)는 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보 그리고 상기 동작각도정보를 이용하여 상기 출력토크신호를 생성한다. 상기 모터제어부(30)에서 생성된 상기 출력토크신호는 상기 구동모터(M)에 전달되어 상기 구동모터(M)의 토크를 제어할 할 수 있다.

상기 모터제어부(30)는 상기 기준각도정보와 상기 동작각도정보 사이의 차이를 계산하여 출력각도정보를 생성하는 위치계산부(31)와, 상기 출력각도정보 그리고 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보를 이용하여 상기 구동모터(M)의 토크 제어를 위한 명령토크정보를 생성하는 임피던스제어부(32)와, 상기 명령토크정보에서 상기 외란을 제거하기 위한 외란정보를 보상하여 상기 출력토크신호를 생성하는 토크컨트롤부(33)를 포함할 수 있다.

상기 임피던스제어부(32)는 미분제어부(321)와, 제1임피던스제어부(322)와, 제2임피던스제어부(323)와, 토크명령부(324)를 포함할 수 있다.

상기 미분제어부(321)는 상기 출력각도정보를 기반으로 시간의 함수로 미분하여 미분정보를 생성한다. 상기 미분정보는 속도정보와 가속도정보로 구분할 수 있다. 이에 따라, 상기 미분제어부(321)는 상기 출력각도정보를 시간의 함수로 미분하여 속도정보를 생성하는 속도제어부(321a)와, 상기 속도정보를 시간의 함수로 미분하여 가속도정보를 생성하는 가속도제어부(321b)를 포함할 수 있다.

상기 제1임피던스제어부(322)는 상기 미분정보와 상기 댐핑정보를 합성하여 상기 구동모터(M)의 구동에 필요한 제1임피던스정보를 생성한다. 상기 제1임피던스정보에는 상기 구동모터(M)의 동작에 작용하는 질량(또는 하중) 성분을 포함하는 상기 댐핑정보와 상기 미분정보를 통해 계산되는 1차 동작성분(상기 구동모터(M)에 작용하는 하중, 마찰력, 관성력 등)이 포함될 수 있다.

상기 제2임피던스제어부(323)는 상기 스프링강성정보를 이용하여 상기 구동모터의 구동에 필요한 제2임피던스정보를 생성한다. 상기 제2임피던스정보에는 상기 스프링강성정보를 통해 획득되는 2차 동작성분(탄성복원력, 회전력 등)이 포함될 수 있다.

상기 토크명령부(324)는 상기 제1임피던스정보와 상기 제2임피던스정보를 합성하여 상기 명령토크정보를 생성한다.

상기 토크컨트롤부(33)에서 상기 외란정보는 상기 메인제어유닛(1)으로부터 수신하거나 외란관측부(50)로부터 수신할 수 있다.

일예로, 상기 외란정보는 상기 구동모터(M) 및 상기 구동모터(M)에 의해 움직이는 상기 로봇암(L)에 대응하여 기설정되어 상기 메인제어유닛(1)에 외란테이블의 형태로 형성될 수 있다. 그러면, 상기 외란정보는 상기 동작신호 또는 상기 명령토크정보에 따라 기설정된 외란테이블에서 추출되고, 상기 구동모터(M)에 대응하는 임피던스 프로파일(기준각도정보, 댐핑정보, 스프링강성정보)과 함께 매칭되어 상기 모터드라이브(2)에 전송될 수 있다.

다른 예로, 상기 외란정보는 상기 구동모터(M) 및 상기 구동모터(M)에 의해 움직이는 상기 로봇암(L)에 대응하여 외란관측부(50)에서 관측되는 정보로 형성될 수 있다.

상기 외란관측부(50)는 상기 구동모터(M)에 작용에 작용하는 외란을 관측하는 것으로, 마찰력, 중력, 관성력 등 다양한 외란을 관측할 수 있다.

그러면, 상기 토크컨트롤부(33)에서는 상기 명령토크정보와 함께 상기 외란정보를 수신하여 상기 명령토크정보에서 상기 외란정보를 보상함으로써, 상기 출력토크신호를 생성할 수 있다.

여기서, 상기 토크컨트롤부(33)는 상기 구동모터(M)로부터 피드백되는 동작토크정보를 모니터링할 수 있다. 이때, 상기 모터제어부(30)는 상기 구동모터(M)와 제어선으로 연결되어 상기 동작토크정보를 수신할 수 있다. 더불어, 상기 토크컨트롤부(33)에서는 상기 명령토크정보와 상기 구동모터(M)로부터 피드백되는 상기 동작토크정보를 비교하여 상기 외란정보를 업데이트함으로써, 상기 명령토크정보와 상기 동작토크정보 사이의 오차를 최소화하거나 예방하여 상기 구동모터(M)의 동작을 명확하게 할 수 있다.

상기 명령토크정보는 상기 구동모터(M)의 동작에 필요한 순수 토크에 대한 정보를 나타낼 수 있다. 그리고 상기 출력토크신호는 상기 명령토크정보에서 상기 외란정보를 보상하여 상기 구동모터(M)의 실제 동작에 필요한 실제 토크에 대한 정보를 나타낼 수 있다. 이에 따라, 외란이 존재하더라도 상기 명령토크정보와 상기 동작토크정보 사이의 오차가 최소화되거나 예방할 수 있게 되는 것이며, 상기 구동모터(M)의 응답성을 향상시키고, 상기 구동모터(M)의 동작 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.

상기 모터드라이브(2)는 모터증폭부(40)를 더 포함할 수 있다.

상기 모터증폭부(40)는 상기 출력토크신호를 변환 증폭시켜 상기 구동모터(M)에 인가되는 출력전원을 조절한다.

지금부터는 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어방법에 대하여 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어방법은 상술한 비집중식 모터제어장치를 사용할 수 있고, 상술한 관절 로봇 시스템에 적용될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어방법을 도시한 순서도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어방법에서 모터제어단계를 도시한 순서도이다.

도 1과 도 2 내지 도 5 및 도 6과 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어방법은 하나의 메인제어유닛(1)과 하나 이상의 모터드라이브(2) 간에 이더캣(EtherCAT) 통신을 구현하여 하나의 메인제어유닛(1)에서 하나 이상의 모터드라이브(2) 제어를 간편하게 함은 물론 제어동작을 간소화시키고, 모터제어장치의 설계를 간소화하며, 경량화를 구현할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 비집중식 모터제어방법은 관절 로봇 시스템에서 상기 로봇암(L)을 움직이는 하나 이상의 상기 구동모터(M)에 대한 토크를 제어하는 것으로, 메인제어단계(S1)와, 정보전달단계(S2)와, 동작각도수신단계(S3)와, 모터제어단계(S4)를 포함한다.

상기 메인제어단계(S1)는 상기 로봇암(L)을 움직이기 위한 동작신호를 기반으로 상기 구동모터(M)에 대응하는 임피던스 프로파일을 생성한다. 상기 메인제어단계(S1)는 상기 메인제어유닛(1)의 동작에 따라 실시될 수 있다.

상기 메인제어단계(S1)는 상기 로봇암(L)을 움직이기 위한 동작신호를 수신하는 동작신호수신단계(S11)와, 상기 동작신호에 따라 기설정된 각도테이블에서 기준각도정보를 추출하고 상기 기준각도정보에 대응하여 기설정된 임피던스테이블에서 상기 구동모터(M)의 댐핑정보와 스프링강성정보를 추출하는 정보추출단계(S12)와, 상기 구동모터(M)에 대응하여 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보를 상호 매칭시키는 정보매칭단계(S13)를 포함한다.

그러면, 해당 구동모터(M)에 대응하여 매칭되는 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보는 도 3에 도시된 바와 같이 해당 구동모터(M)의 임피던스 프로파일을 형성함으로써, 상기 구동모터(M)의 토크 제어에 필요한 정보를 모듈화하여 전송할 수 있다.

일예로, 상기 정보추출단계(S12)에서는 상기 동작신호에 대응하여 기설정된 외란테이블에서 외란정보를 추출하고, 상기 정보매칭단계(S13)에는 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보와 함께 상기 외란정보를 상호 매칭시킬 수 있다. 그러면, 상기 모터제어단계(S4)에서 상기 토크컨트롤단계(S46)는 상기 정보전달단계(S2)를 통해 상기 외란정보를 획득할 수 있다.

다른 예로, 상기 모터제어단계(S4)에서 상기 토크컨트롤단계(S46)는 별도의 외란관측부(50)를 통해 상기 구동모터(M)에 작용하는 외란을 관측함으로써, 상기 외란정보를 획득할 수 있다.

상기 정보전달단계(S2)는 이더캣 통신을 기반으로 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보를 상기 구동모터(M)와 1:1 대응으로 접속된 상기 모터드라이브(2)에 전달한다. 상기 정보전달단계(S2)는 상기 메인제어유닛(1)의 동작에 따라 실시될 수 있다.

상기 동작각도수신단계(S3)는 상기 정보전달단계(S2)에 대응하여 상기 모터드라이브(2)가 상기 구동모터(M)로부터 피드백되는 동작각도정보를 수신한다. 상기 동작각도수신단계(S3)는 상기 모터드라이브(2)에 구비된 상기 각도수신부(20)의 동작에 따라 실시될 수 있다.

상기 모터제어단계(S4)는 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보 그리고 상기 동작각도정보를 이용하여 상기 구동모터(M)에 작용하는 외란이 제거된 상태에서 상기 구동모터(M)의 토크를 제어하기 위한 출력토크신호를 생성한다. 상기 모터제어단계(S4)에서 생성된 상기 출력토크신호는 상기 구동모터(M)에 전달되어 상기 구동모터(M)의 토크를 제어할 할 수 있다. 상기 모터제어단계(S4)는 상기 모터드라이브(2)에 구비된 상기 모터제어부(30)의 동작에 따라 실시될 수 있다.

상기 모터제어단계(S4)는 상기 기준각도정보와 상기 동작각도정보 사이의 차이를 계산하여 출력각도정보를 생성하는 위치계산단계(S41)와, 상기 출력각도정보 그리고 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보를 이용하여 상기 구동모터(M)의 토크 제어를 위한 명령토크정보를 생성하는 임피던스제어단계와, 상기 명령토크정보에서 상기 외란을 제거하기 위한 외란정보를 보상하여 상기 출력토크신호를 생성하는 토크컨트롤단계(S46)를 포함할 수 있다.

상기 임피던스제어단계는 미분제어단계(S42)와, 제1임피던스제어단계(S43)와, 제2임피던스제어단계(S44)와, 토크명령단계(S45)를 포함할 수 있다.

상기 미분제어단계(S42)는 상기 출력각도정보를 기반으로 시간의 함수로 미분하여 미분정보를 생성한다. 상기 미분정보는 속도정보와 가속도정보로 구분할 수 있다. 이에 따라, 상기 미분제어단계(S42)는 상기 출력각도정보를 시간의 함수로 미분하여 속도정보를 생성하는 속도제어단계(S421)와, 상기 속도정보를 시간의 함수로 미분하여 가속도정보를 생성하는 가속도제어단계(S422)를 포함할 수 있다.

상기 제1임피던스제어단계(S43)는 상기 미분정보와 상기 댐핑정보를 합성하여 상기 구동모터(M)의 구동에 필요한 제1임피던스정보를 생성한다. 상기 제1임피던스정보에는 상기 구동모터(M)의 동작에 작용하는 질량(또는 하중) 성분을 포함하는 상기 댐핑정보와 상기 미분정보를 통해 계산되는 1차 동작성분(상기 구동모터(M)에 작용하는 하중, 마찰력, 관성력 등)이 포함될 수 있다.

상기 제2임피던스제어단계(S44)는 상기 스프링강성정보를 이용하여 상기 구동모터(M)의 구동에 필요한 제2임피던스정보를 생성한다. 상기 제2임피던스정보에는 상기 스프링강성정보를 통해 획득되는 2차 동작성분(탄성복원력, 회전력 등)이 포함될 수 있다.

상기 토크명령단계(S45)는 상기 제1임피던스정보와 상기 제2임피던스정보를 합성하여 상기 명령토크정보를 생성한다.

상기 토크컨트롤단계(S46)에서 상기 외란정보는 상기 정보전달단계(S2)를 거쳐 수신하거나 외란관측부(50)로부터 수신할 수 있다.

다른 예로, 상기 외란정보는 상기 구동모터(M) 및 상기 구동모터(M)에 의해 움직이는 상기 로봇암(L)에 대응하여 상기 외란관측부(50)에서 관측되는 정보로 형성될 수 있다.

이에 따라, 상기 외란관측단계(S48)는 상기 외란관측부(50)를 통해 상기 구동모터(M)에 작용에 작용하는 외란을 관측하는 것으로, 마찰력, 중력, 관성력 등 다양한 외란을 관측할 수 있다.

그러면, 상기 토크컨트롤단계(S46)에서는 상기 명령토크정보와 함께 상기 외란정보를 수신하여 상기 명령토크정보에서 상기 외란정보를 보상함으로써, 상기 출력토크신호를 생성할 수 있다.

여기서, 상기 토크컨트롤단계(S46)는 상기 구동모터(M)로부터 피드백되는 동작토크정보를 모니터링할 수 있다. 더불어, 상기 토크컨트롤단계(S46)에서는 상기 명령토크정보와 상기 구동모터(M)로부터 피드백되는 상기 동작토크정보를 비교하여 상기 외란정보를 업데이트함으로써, 상기 명령토크정보와 상기 동작토크정보 사이의 오차를 최소화하거나 예방하여 상기 구동모터(M)의 동작을 명확하게 할 수 있다.

상기 모터제어단계(S4)는 모터증폭단계(S47)를 더 포함할 수 있다.

상기 모터증폭단계(S47)는 상기 출력토크신호를 변환 증폭시켜 상기 구동모터(M)에 인가되는 출력전원을 조절한다.

상술한 비집중식 모터제어장치와 비집중식 모터제어방법 그리고 이것이 적용된 관절 로봇 시스템에 따르면, 하나의 메인제어유닛(1)과 하나 이상의 모터드라이브(2) 간에 이더캣(EtherCAT) 통신을 구현하여 하나의 메인제어유닛(1)에서 하나 이상의 모터드라이브(2) 제어를 간편하게 함은 물론 제어동작을 간소화시키고, 모터제어장치의 설계를 간소화하며, 경량화를 구현할 수 있다.

또한, 기설정된 각도테이블과 기설정된 임피던스테이블을 기반으로 상기 모터드라이브(2)가 해당 구동모터(M)를 개별 제어하기 때문에 각각의 구동모터(M)를 분산 제어하면서도 상기 구동모터(M) 간의 상호 연동을 통한 로봇 동역학을 고려하지 않아도 되고, 상기 구동모터(M)의 토크 제어를 용이하게 할 수 있다.

또한, 이더캣 통신을 통해 각각의 구동모터(M)에 대응하여 매칭된 임피던스 프로파일을 빠르게 전송할 수 있고, 각각의 모터드라이브(2)는 임피던스 프로파일 및 외란정보를 기반으로 상기 구동모터(M)에 인가되는 외란(마찰력, 중력, 관성력 등)을 보상 또는 제거할 수 있고, 다수의 구동모터(M)를 동시에 제어하면서도 상기 구동모터(M)의 응답성을 향상시킬 수 있다. 또한, 임피던스 프로파일 및 외란정보을 이용하여 상기 구동모터(M)의 구동에 간섭되는 외란을 보상하거나 제거하고, 상기 구동모터의 동작을 원활하게 할 수 있다.

또한, 상기 구동모터(M)로부터 피드백되는 동작토크정보가 피드백됨에 따라 상기 구동모터(M)의 동작 상태를 안정되게 모니터링하고, 상기 외란정보를 업데이트하며, 상기 구동모터(M)의 토크 제어를 명확하게 하고, 상기 구동모터의 오동작을 방지할 수 있다.

또한, 인간과의 상호 작용을 위한 관절 구동에 적용된 상기 구동모터(M)의 제어를 구현할 수 있고, 사용자가 관절 구동에 따른 저항 성분을 사용자가 느낄 수 있도록 한다.

상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.

IN: 입력수단 M: 구동모터
E: 엔코더 A: 관절유닛
L: 로봇암 S: 관절연결부
1: 메인제어유닛 11: 정보통신부
2: 모터드라이브 10: 이더캣통신부
20: 각도수신부 30: 모터제어부
31: 위치계산부 32: 임피던스제어부
321: 미분제어부 321a: 속도제어부
321b: 가속도제어부 322: 제1임피던스제어부
323: 제2임피던스제어부 324: 토크명령부
33: 토크컨트롤부 40: 모터증폭부
S1: 메인제어단계 S11: 동작신호수신단계
S12: 정보추출단계 S13: 정보매칭단계
S2: 정보전달단계 S3: 동작각도수신단계
S4: 모터제어단계 S41: 위치계산단계
S42: 미분제어단계 S421: 속도제어단계
S422: 가속도제어단계 S43: 제1임피던스제어단계
S44: 제2임피던스제어단계 S45: 토크명령단계
S46: 토크컨트롤단계 S47: 토크증폭단계

Claims

관절 로봇의 로봇암을 움직이는 하나의 이상의 구동모터에 대한 토크를 제어하는 비집중식 모터제어장치이고,
상기 로봇암을 움직이기 위한 동작신호에 따라 기설정된 각도테이블에서 기준각도정보를 추출하고, 상기 기준각도정보에 대응하여 기설정된 임피던스테이블에서 댐핑정보와 스프링강성정보를 추출하는 메인제어유닛; 및
상기 구동모터와 1:1 대응으로 접속된 상태에서 상기 메인제어유닛과 직렬로 연결되고, 이더캣 통신을 기반으로 수신되는 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보 그리고 상기 구동모터로부터 피드백되는 동작각도정보를 이용하여 상기 구동모터에 작용하는 외란이 제거된 상태에서 상기 구동모터의 토크를 제어하기 위한 출력토크신호를 생성하는 모터드라이브;를 포함하고,
상기 모터드라이브는 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보 그리고 상기 동작각도정보를 이용하여 상기 출력토크신호를 생성하는 모터제어부;를 포함하고,
상기 모터제어부는,
상기 기준각도정보와 상기 동작각도정보 사이의 차이를 계산하여 출력각도정보를 생성하는 위치계산부;
상기 출력각도정보 그리고 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보를 이용하여 상기 구동모터의 토크 제어를 위한 명령토크정보를 생성하는 임피던스제어부; 및
상기 명령토크정보에서 상기 외란을 제거하기 위한 외란정보를 보상하여 상기 출력토크신호를 생성하는 토크컨트롤부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비집중식 모터제어장치.
제1항에 있어서,
상기 모터드라이브는,
상기 이더캣 통신을 매개로 상기 메인제어유닛과 직간접으로 연결되는 이더캣통신부; 및
상기 구동모터로부터 상기 동작각도정보를 수신하는 각도수신부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비집중식 모터제어장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 토크컨트롤부는,
상기 구동모터로부터 피드백되는 동작토크정보를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 비집중식 모터제어장치.
제1항에 있어서,
상기 임피던스제어부는,
상기 출력각도정보를 기반으로 시간의 함수로 미분하여 미분정보를 생성하는 미분제어부;
상기 미분정보와 상기 댐핑정보를 합성하여 상기 구동모터의 구동에 필요한 제1임피던스정보를 생성하는 제1임피던스제어부;
상기 스프링강성정보를 이용하여 상기 구동모터의 구동에 필요한 제2임피던스정보를 생성하는 제2임피던스제어부; 및
상기 제1임피던스정보와 상기 제2임피던스정보를 합성하여 상기 명령토크정보를 생성하는 토크명령부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비집중식 모터제어장치.
제5항에 있어서,
상기 미분제어부는,
상기 출력각도정보를 시간의 함수로 미분하여 속도정보를 생성하는 속도제어부; 및
상기 속도정보를 시간의 함수로 미분하여 가속도정보를 생성하는 가속도제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비집중식 모터제어장치.
제2항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모터드라이브는,
상기 출력토크신호를 변환 증폭시켜 상기 구동모터에 인가되는 출력전원을 조절하는 모터증폭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비집중식 모터제어장치.
관절 로봇의 로봇암을 움직이는 하나의 이상의 구동모터에 대한 토크를 제어하는 비집중식 모터제어방법이고,
상기 로봇암을 움직이기 위한 동작신호를 수신하는 동작신호수신단계와, 상기 동작신호에 따라 기설정된 각도테이블에서 기준각도정보를 추출하고 상기 기준각도정보에 대응하여 기설정된 임피던스테이블에서 상기 구동모터의 댐핑정보와 스프링강성정보를 추출하는 정보추출단계와, 상기 구동모터에 대응하여 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보를 상호 매칭시키는 정보매칭단계를 포함하는 메인제어단계;
이더캣 통신을 기반으로 상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보를 상기 구동모터와 1:1 대응으로 접속된 모터드라이브에 전달하는 정보전달단계;
상기 정보전달단계에 대응하여 상기 모터드라이브가 상기 구동모터로부터 피드백되는 동작각도정보를 수신하는 동작각도수신단계; 및
상기 기준각도정보와 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보 그리고 상기 동작각도정보를 이용하여 상기 구동모터에 작용하는 외란이 제거된 상태에서 상기 구동모터의 토크를 제어하기 위한 출력토크신호를 생성하는 모터제어단계;를 포함하고,
상기 모터제어단계는,
상기 기준각도정보와 상기 동작각도정보 사이의 차이를 계산하여 출력각도정보를 생성하는 위치계산단계;
상기 출력각도정보 그리고 상기 댐핑정보와 상기 스프링강성정보를 이용하여 상기 구동모터의 토크 제어를 위한 명령토크정보를 생성하는 임피던스제어단계; 및
상기 명령토크정보에서 상기 외란을 제거하기 위한 외란정보를 보상하여 상기 출력토크신호를 생성하는 토크컨트롤단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비집중식 모터제어방법.
삭제
제8항에 있어서,
상기 모터제어단계에는,
상기 출력토크신호를 변환 증폭시켜 상기 구동모터에 인가되는 출력전원을 조절하는 모터증폭단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 비집중식 모터제어방법.
둘 이상의 로봇암과, 상호 인접한 두 로봇암이 상대 운동 가능하게 결합되는 관절연결부가 포함되는 관절유닛;
상호 인접한 두 로봇암이 상대 운동하도록 상기 관절연결부에 결합되는 구동모터; 및
상기 구동모터의 토크를 제어하기 위해 제1항, 제2항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 비집중식 모터제어장치를 포함하는 관절구동제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 로봇 시스템.