KR101901168B1 - 직렬 탄성 액추에이터 제어 방법 및 그를 이용한 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직렬 탄성 액추에이터 제어 방법 및 그를 이용한 시스템에 관한 것이다.
그 제어 방법은 구동 모터의 회전력을 부하에 전달하기 위해 서로 결합된 모터측 회전부 및 부하측 회전부와 탄성 부재를 포함하는 직렬 탄성 액추에이터를 제어하기 위한 것으로, 모터측 회전부와 부하측 회전부 사이의 상대적인 변위를 측정하는 단계; 측정된 변위와 탄성 부재의 강성(K)에 따라 부하측에 가해지는 외력에 의한 외부 토크를 구하는 단계; 외부 토크와 임계치 토크를 비교하는 단계; 및 비교 결과에 기초하여 직렬 탄성 액추에이터의 제어 모드를 토크 제어와 위치 제어 중 어느 하나로 전환시키는 단계;를 포함한다.

Description

직렬 탄성 액추에이터 제어 방법 및 그를 이용한 시스템{Method for controlling Series Elastic Actuator and System thereof}
본 발명은 직렬 탄성 액추에이터(SEA, Series Elastic Actuator)를 제어하는 방법에 관한 것이다.
최근 로봇 기술의 발달로 인해 산업 로봇 이외에도 인간을 대신하여 다양한 작업을 수행할 수 있는 지능형 로봇에 대한 필요성이 대두 되고 있으며, 이에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
지능형 로봇을 개발하기 위해서는 기계, 전자 등 전통 기술과 함께, 신소재, 반도체, 인공지능, 센서소프트웨어 등의 첨단 기술이 요구되며, 지능형 로봇은 기존 산업용 로봇과 달리 미래 시장에서 요구하는 기능과 성능을 가진 로봇이라고 할 수 있다.
또한, 지능형 로봇은 인간과 보다 가까운 곳에서 다양한 작업들을 수행할 수 있으며, 인간과의 협업 과정 등에서 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위해 직렬 탄성 액추에이터(SEA, Series Elastic Actuator) 기술이 로봇에 적용되는 것이 필요하다.
직렬 탄성 액추에이터(SEA)는 탄성을 이용해 힘과 위치를 함께 제어하기 위한 기술로서, 로봇 관절 등의 위치만을 제어하는 게 아니라 인간의 근육과 같이 위치와 힘을 함께 제어할 수 있도록 하여, 로봇이 울퉁불퉁한 바닥처럼 험난한 곳에서 작동하도록 하거나 또는 외압에 따라 적응적으로 동작하도록 할 수 있다.
직렬 탄성 액추에이터에는 여러 가지 종류가 있으나, 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 가지는 볼트구동형 직렬 탄성 액추에이터가 일반적으로 사용된다.
도 1을 참조하면, 종래의 볼트구동형 직렬 탄성 액츄에이터는, 구동모터(10)와 연결되어 회전하는 볼트스크류(20), 볼트스크류(20)의 회전 방향에 따라 좌 또는 우로 직선 운동하는 너트부(30), 너트부(30)를 지지하는 스프링(40)을 통해 좌 또는 우로 직선 운동하는 직선운동부(50) 및 이에 연결된 암(60)으로 구성된다.
볼트구동형 직렬 탄성 액추에이터는 구동모터(10)에 볼트스크류(20)가 직접 연결되어 회전하고, 볼트스크류(20)에 연결된 너트부(30)가 볼트스크류(20) 회전 방향에 따라 좌 또는 우로 직선 운동하게 된다.
볼트스크류(20)의 직선 운동이 있는 경우, 너트부(30)와 너트부를 지지하는 스프링(40)을 통해 직선운동부(50) 및 암(60)이 너트부(30)와 동일한 방향으로 직선 운동을 하게 된다.
위와 같은 종래의 직렬 탄성 액추에이터의 경우, 스프링을 포함한 직선운동부 전체가 이동하도록 설계되어야 하므로 그 구조가 복잡하고 크기가 커져야 하는 단점이 있었다.
또한, 회전 운동의 경우, 위와 같은 구조의 직렬 탄성 액추에이터를 적용하기 어려우며, 회전 운동에 적합한 직렬 탄성 액추에이터의 제어 방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회전 운동에 적합한 구조를 가지는 직렬 탄성 액추에이터를 제어하는 방법 및 그를 이용한 직렬 탄성 액추에이터 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터 제어 방법은 구동 모터의 회전력을 부하에 전달하기 위해 서로 결합된 모터측 회전부 및 부하측 회전부와 탄성 부재를 포함하는 직렬 탄성 액추에이터를 제어하며, 상기 모터측 회전부와 상기 부하측 회전부 사이의 상대적인 변위를 측정하는 단계; 상기 측정된 변위와 상기 탄성 부재의 강성(K)을 이용하여, 상기 부하측에 가해지는 외력에 의한 외부 토크(torque)를 구하는 단계; 상기 구해진 외부 토크와 임계치 토크를 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과에 기초하여, 상기 직렬 탄성 액추에이터의 제어 모드를 토크 제어와 위치(position) 제어 중 어느 하나로 전환시키는 단계;를 포함한다.
상기 탄성 부재는 상기 모터측 회전부과 상기 부하측 회전부 사이 공간에 적어도 한 쌍으로 구비되며, 상기 모터측 회전부의 회전 방향에 따라 한 쌍의 탄성 부재들 중 어느 하나가 압축된다.
한편, 상기 제어 방법에 따른 단계들은, 본 발명의 일실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터 시스템에서 수행되도록, 컴퓨터 프로그램으로 구성될 수 있으며, 해당 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체에 저장될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터 시스템은, 구동 모터와 연결되어, 상기 구동 모터의 회전력에 의해 회전하는 모터측 회전부; 상기 모터측 회전부와 결합되어, 상기 구동 모터의 회전력을 부하에 전달하기 위한 부하측 회전부; 상기 모터측 회전부과 상기 부하측 회전부 사이 공간에 구비되는 적어도 한 쌍의 탄성 부재들; 상기 모터측 회전부와 상기 부하측 회전부 사이의 상대적인 변위를 측정하기 위한 센서부; 및 상기 측정된 변위를 이용하여 상기 부하측에 가해지는 외력에 의한 외부 토크(torque)를 구하고, 상기 구해진 외부 토크와 임계치 토크를 비교한 결과에 기초하여 토크 제어와 위치 제어 중 어느 하나로 제어 모드를 전환시키는 제어기;를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 구동 모터의 회전력에 의해 함께 회전하는 모터측 회전부와 부하측 회전부 중 어느 하나에 한 쌍의 탄성 부재들이 고정되기 위한 수용 공간을 가지는 프레임을 형성하여, 모터측 회전부의 상대적인 회전 방향에 따라 어느 하나의 탄성 부재가 압축되도록 함으로써, 회전 운동에 적합함과 동시에 단순한 구조를 가지는 직렬 탄성 액추에이터 장치를 제공할 수 있으며, 그에 따라 직렬 탄성 액추에이터를 작은 크기로 구현할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 모터측 회전부와 부하측 회전부 사이의 상대적인 변위에 따라 부하측에 가해지는 외력을 검출하고, 외력을 기준치와 비교한 결과에 따라 직렬 탄성 액추에이터의 제어 모드를 토크 제어와 위치 제어 중 어느 하나로 전환시킴으로써, 직렬 탄성 액추에이터가 상황에 따라 힘과 위치를 함께 안정적으로 제어할 수 있도록 한다.
도 1은 종래 직렬 탄성 액추에이터의 구성에 대한 일예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터 장치의 구성을 설명하기 위한 분해 사시도들이다.
도 4는 모터측 회전부와 부하측 회전부 사이 공간에 탄성 부재들이 고정되는 구조에 대한 일실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 직렬 탄성 액추에이터 장치의 동작에 대한 실시예들을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 직렬 탄성 액추에이터 장치에 구비되는 센서부의 구성 및 동작에 대한 일실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터 장치의 구성을 나타내는 사시도들이다.
도 9는 본 발명에 따른 직렬 탄성 액추에이터 제어 방법에 대한 일실시예를 나타내는 흐름도이다.
도 10은 부하에 외력이 가해지는 경우 직렬 탄성 액추에이터의 동작에 대한 일실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 토크 제어 방법에 대한 일실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 위치 제어 방법에 대한 일실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 토크 제어와 위치 제어 사이의 전환 방법에 대한 제1 실시예를 설명하기 위한 그래프이다.
도 14는 토크 제어와 위치 제어 사이의 전환 방법에 대한 제2 실시예를 설명하기 위한 그래프이다.
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예들 뿐 아니라 특정 실시예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 예를 들어, 본 명세서의 블럭도는 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 기능 블럭을 포함하는 도면에 도시된 다양한 소자의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 상기 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터 장치의 구성을 설명하기 위한 분해 사시도들로서, 직렬 탄성 액추에이터 장치는 모터측 회전부(100), 부하측 회전부(200) 및 탄성 부재들(310, 320)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 모터측 회전부(100)는 구동 모터(미도시)와 연결되어 구동 모터의 회전력에 의해 회전하며, 부하측 회전부(200)는 상기 구동 모터의 회전력을 부하에 전달하는 역할을 한다.
그를 위해, 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200)는 서로 결합되어, 부하측 회전부(200)는 모터측 회전부(100)의 회전에 따라 함께 회전하도록 구성될 수 있다.
모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200) 사이 공간에는, 적어도 한 쌍의 탄성 부재들(300)이 구비된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 구동 모터의 회전력에 의해 함께 회전하는 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200) 중 어느 하나에, 적어도 한 쌍의 탄성 부재들(300)이 고정되기 위한 수용 공간을 가지는 프레임이 형성된다.
또한, 모터측 회전부(100)과 부하측 회전부(200) 중 다른 하나에는, 상기 한 쌍의 탄성 부재들을 내측에서 지지하기 위한 프레임이 형성될 수 있다.
이 경우, 부하측 회전부(200)를 기준으로 한 모터측 회전부(100)의 상대적인 회전 방향에 따라 어느 하나의 탄성 부재가 압축되어, 회전 운동에 있어 힘 또는 토크(torque) 제어가 가능한 직렬 탄성 액추에이터 장치가 구현될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터 장치는 회전 운동에 적합함과 동시에 단순한 구조를 가지며, 그에 따라 작은 크기로 구현 가능한 장점이 있다.
상기 탄성 부재들(310, 320)은 실리콘 또는 우레탄 등의 탄성 소재로 구성될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 실리콘과 우레탄 이외에 다양한 탄성 물질 또는 2 이상의 탄성 물질들의 혼합물로 구성될 수 있다.
한편, 상기 탄성 부재들(310, 320)은 도 2에 도시된 바와 같이 원기둥의 형상을 가질 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 원기둥 이외에 다양한 형성을 가질 수도 있다.
여기서, 상기 탄성 부재들(310, 320)의 소재, 형상 또는 크기는 변경 가능할 수 있으며, 이의 변경에 따라 탄성 부재의 강성(K)이 가변될 수 있다.
도 2 및 도 3을 다시 참조하면, 모터측 회전부(100)에는 한 쌍의 탄성 부재들(300)을 내측에서 지지하기 위한 내측 프레임(150)이 형성되며, 부하측 회전부(200)에는 한 쌍의 탄성 부재들(300)을 외측에서 지지하기 위한 외측 프레임(250)이 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 부하측 회전부(200)에 형성된 외측 프레임(250)에 의해, 한 쌍의 탄성 부재들(300)이 수용되어 고정될 수 있는 수용 공간(S)이 부하측 회전부(200)에 마련될 수 있다.
상기한 바와 같이 모터측 회전부(100)의 내측 프레임(150)과 부하측 회전부(200)의 외측 프레임(250)에 의해 한 쌍의 탄성 부재들(300)이 내측 및 외측에서 지지됨에 의해, 서로 결합된 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200) 사이 공간에 탄성 부재들(310, 320)이 고정될 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 탄성 부재들(310, 320)이 모터측 회전부(100)의 내측 프레임(150)에 거치된 상태에서 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200)를 결합시키는 경우, 탄성 부재들(310, 320)은 부하측 회전부(200)의 외측 프레임(250)에 의해 형성된 수용 공간(S)으로 압축 고정될 수 있다.
상기와 같이, 탄성 부재들(310, 320)이 모터측 회전부(100)의 내측 프레임(150)과 부하측 회전부(200)의 외측 프레임(250)에 의해 지지되어 수용 공간(S)에 압축 고정됨으로써, 탄성 부재들(310, 320)은 별도의 고정 부재를 이용하여 모터측 회전부(100) 또는 부하측 회전부(200)에 고정될 필요가 없을 수 있다.
그에 따라, 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200)의 결합을 해제하는 경우 탄성 부재들(310, 320)이 자동 분리되도록 하여, 탄성 부재들(310, 320)의 교체가 용이하도록 할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터 장치는, 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200) 사이의 상대적인 변위를 측정하기 위한 센서부를 더 구비할 수 있다.
예를 들어, 상기 센서부는 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200)의 서로 대응되는 위치에 각각 형성되는 자성체(400)와 홀 센서(hall sensor, 410)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 4는 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200) 사이 공간에 탄성 부재들(310, 320)이 고정되는 구조에 대한 일실시예를 설명하기 위해 도시한 것으로, 도시된 구성들 중 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 것과 동일한 것에 대한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 4를 참조하면, 한 쌍의 탄성 부재들(300)은 모터측 회전부(100)의 내측 프레임(150)과 부하측 회전부(200)의 외측 프레임(250) 사이 공간에 압축된 상태로 고정될 수 있다.
한편, 직렬 탄성 액추에이터 장치의 외곽 영역에서, 모터측 회전부(100)의 내측 프레임(150)과 부하측 회전부(200)의 외측 프레임(250) 사이 이격된 공간(D)이 존재하며, 상기 이격된 공간을 통해 탄성 부재(310, 320)의 일부분이 외부로 노출될 수 있다.
탄성 부재(310, 320)가 압축되는 경우, 압축 방향과 수직한 방향으로 탄성 부재(310, 320)가 팽창할 수 있는데, 상기 이격된 공간(D)은 탄성 부재(310, 320)의 수직 방향 팽창을 위한 예비 공간으로 이용될 수 있다.
또한, 도 4에서는 직렬 탄성 액추에이터 장치에 4쌍의 탄성 부재들(총 8개)이 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라 3쌍 이하 또는 5쌍 이상의 탄성 부재들이 구비될 수도 있다.
상기한 바와 같은 구조를 가지는 직렬 탄성 액추에이터 장치에 외력이 가해지면, 탄성 부재가 압축되어 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200) 사이의 상대적인 변위가 발생한다.
여기서, 상기 직렬 탄성 액추에이터 장치에 가해지는 외력은, 구동 모터의 회전력에 의해 발생하는 토크, 부하 측에 가해지는 힘에 의해 발생하는 토크 또는 그 둘 사이의 가감에 따른 토크 등을 의미할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 부하측 회전부(200)를 기준으로 한 모터측 회전부(100)의 상대적인 회전 방향(또는, 모터측 회전부(100)를 기준으로 한 부하측 회전부(200)의 상대적인 회전 방향)에 따라 한 쌍의 탄성 부재들(300) 중 어느 하나가 압축되며, 탄성 부재가 압축된 만큼의 상대적인 변위가 발생할 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 직렬 탄성 액추에이터 장치의 동작에 대한 실시예들을 보다 상세히 설명하기로 한다. 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200)에 형성된 프레임들은 회전하나, 도 5에서는 편의상 직선과 유사한 변위를 가지는 것으로 도시하였다.
직렬 탄성 액추에이터 장치에 토크가 가해지지 않는 상태에서는, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 기준 위치(R)를 중심으로 탄성 부재들(310, 320)이 내측 프레임(150)과 외측 프레임(250) 사이 공간에 고정되어 있을 수 있다.
부하측 회전부(200)가 회전하지 않도록 부하 측이 고정된 상태에서 구동 모터의 회전력에 의해 시계 반대 방향의 토크가 직렬 탄성 액추에이터에 가해지는 경우, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 한 쌍의 탄성 부재들(310, 320) 중 좌측의 탄성 부재(310)가 압축되어, 기준 위치(R)에 대한 좌측 방향(시계 반대 방향)으로의 상대적 변위(Δθ)가 모터측 회전부(100)에 발생하게 된다.
이 경우, 상기 구동 모터의 회전력에 의한 토크는 다음의 수학식 1을 이용하여 계산될 수 있다.
Figure 112017042740852-pat00001
수학식 1에서, τ는 구동 모터의 회전력에 의한 토크이고, K는 탄성 부재의 강성을 나타내며, Δθ는 기준 위치(R)에 대한 상대적인 변위이다.
직렬 탄성 액추에이터 장치에 구비되는 센서부(예를 들어, 자성체(400)와 홀 센서(410))를 이용하여 상대적인 변위(Δθ)가 검출되면, 상기의 수학식 1에 따라 구동 모터의 회전력에 의한 토크(τ)가 구해질 수 있다.
한편, 부하 측이 고정된 상태에서 구동 모터의 회전력에 의해 시계 방향의 토크가 직렬 탄성 액추에이터에 가해지는 경우, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 한 쌍의 탄성 부재들(310, 320) 중 우측의 탄성 부재(320)가 압축되어 기준 위치(R)에 대한 우측 방향(시계 방향)으로의 상대적 변위(Δθ)가 모터측 회전부(100)에 발생하게 된다.
이 경우에도, 상기 구동 모터의 회전력에 의한 토크는 센서부에 의해 검출되는 상대적인 변위(Δθ)에 따라 상기 수학식 1을 이용하여 계산될 수 있다.
상기 도 5의 (b) 및 (c)에 도시된 경우에 있어서, 상기 수학식 1을 이용하여 계산되는 토크(τ)는 구동 모터의 회전력에 의해 부하에 전달되는 토크를 나타낼 수 있다.
상기에서는 도 5를 참조하여 부하 측이 고정된 상태에서 구동 모터의 회전력에 의해 토크가 가해지는 경우를 예로 들어 본 발명에 따른 직렬 탄성 액추에이터 장치의 동작에 대해 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 부하 측에 가해지는 힘에 의해 직렬 탄성 액추에이터 장치에 토크가 가해지는 경우에도 본 발명에 따른 직렬 탄성 액추에이터 장치는 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이 동작할 수 있다.
예를 들어, 부하 측에서 시계 방향의 토크가 직렬 탄성 액추에이터에 가해지는 경우, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 한 쌍의 탄성 부재들(310, 320) 중 좌측의 탄성 부재(310)가 압축되어, 기준 위치(R)에 대한 우측 방향(시계 방향)으로의 상대적 변위(Δθ)가 부하측 회전부(200)에 발생하게 된다.
한편, 부하 측에서 시계 반대 방향의 토크가 직렬 탄성 액추에이터에 가해지는 경우, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 한 쌍의 탄성 부재들(310, 320) 중 우측의 탄성 부재(320)가 압축되어, 기준 위치(R)에 대한 좌측 방향(시계 반대 방향)으로의 상대적 변위(Δθ)가 부하측 회전부(200)에 발생하게 된다.
이 경우, 상기 부하 측에 가해지는 토크(τ)는 센서부에 의해 검출되는 상대적인 변위(Δθ)에 따라 상기 수학식 1을 이용하여 계산될 수 있다.
다만, 부하 측에 가해지는 토크와 구동 모터의 회전력에 따른 토크가 서로 반대 방향인 경우, 상기 수학식 1을 이용하여 계산되는 토크(τ)는 상기 부하 측에 가해지는 토크 값과 상기 구동 모터의 회전력에 따른 토크 값을 합한 값을 나타낼 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기한 바와 같은 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200) 사이 상대적 변위(Δθ)를 측정하기 위해, 모터측 회전부(100)에는 자기장을 발생시키는 자성체(400)가 위치하고, 자성체(400)와 마주보는 부하측 회전부(200)의 위치에는 홀 센서(410)가 배치될 수 있다.
홀 센서(410)는 전류가 흐르는 도체에 자기장을 걸어 주면 전류와 자기장에 수직 방향으로 전압이 발생하는 홀 효과를 이용하여 자기장의 방향과 크기를 알아낼 수 있다.
그에 따라, 홀 센서(410)의 출력 신호를 이용하여 자성체(400)로부터 발생하는 자기장의 방향과 크기가 측정되며, 검출 결과에 따라 모터측 회전부(100)의 상대적 회전 방향 및 변위(또는, 부하측 회전부(200)의 상대적 회전 방향 및 변위)가 검출될 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터 장치의 구성을 사시도들로 도시한 것으로, 도시된 직렬 탄성 액추에이터 장치의 구성 및 동작들 중 도 2 내지 도 6을 참조하여 설명한 것과 동일한 것에 대한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 7을 참조하면, 직렬 탄성 액추에이터의 모터측 회전부(100)에는 구동 모터(700)가 연결되며, 추가적으로 감속기(720)와 감속기 고정단(730)이 결합될 수 있다.
또한, 도 7에는 도시되지 않았으나, 구동 모터(700)의 회전력을 모터측 회전부(100)에 전달하기 위한 벨트(또는 체인)과 풀리 등이 직렬 탄성 액추에이터 장치에 구비될 수 있다.
또한, 직렬 탄성 액추에이터의 부하측 회전부(200)에는 베어링(bearing, 710)이 결합될 수 있다.
도 8을 참조하면, 도 7에 도시된 바와 같이 결합된 직렬 탄성 액추에이터 장치에 베어링 고정단(800)과 베어링 커버(810)가 결합될 수 있다.
도 7 및 도 8은 구동 모터와 결합되는 직렬 탄성 액추에이터 장치의 구성에 대한 일실시예를 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 직렬 탄성 액추에이터 장치는 이에 한정되지 아니하며, 도시된 구성 요소들 중 일부가 생략되거나 또는 필요에 따라 추가적인 구성 요소가 부가될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 도 2 내지 도 8을 참조하여 설명한 바와 같은 구조를 가지는 직렬 탄성 액추에이터 장치를 이용하여 로봇의 관절이나 기타 산업용 기계 등의 힘(또는 토크)와 위치를 함께 제어하는 것이 가능할 수 있다.
예를 들어, 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200) 사이의 상대적 변위(Δθ)를 이용하여 구해지는 토크(τ)에 따라 로봇 관절의 움직임을 제어하도록 할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200) 사이의 상대적인 변위에 따라 부하측에 가해지는 외력을 검출하고, 외력을 기준치와 비교한 결과에 따라 직렬 탄성 액추에이터의 제어 모드를 토크 제어와 위치 제어 중 어느 하나로 전환시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 직렬 탄성 액추에이터 시스템은, 도 2 내지 도 8을 참조하여 설명한 바와 같은 구조를 가지는 직렬 탄성 액추에이터와, 직렬 탄성 액추에이터를 제어하기 위한 제어기를 포함하여 구성될 수 있다.
이 하, 도 9 내지 도 14를 참조하여, 직렬 탄성 액추에이터를 제어하는 방법에 대한 실시예들을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명에 따른 직렬 탄성 액추에이터 제어 방법에 대한 일실시예를 흐름도로 도시한 것으로, 본 발명에 따른 직렬 탄성 액추에이터 시스템에 구비되는 제어기가 직렬 탄성 액추에이터의 동작을 제어하는 방법을 나타낸 것이다.
도 9를 참조하면, 제어기는 직렬 탄성 액추에이터의 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200) 사이의 상대적인 변위를 측정한다(S900 단계).
상기한 바와 같이, 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200)의 서로 대응되는 위치에 각각 형성된 자성체(400)와 홀 센서(410)를 이용하여, 상기 S900 단계에서 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200) 사이의 상대적인 변위가 측정될 수 있다.
제어기는, 상기 S900 단계에서 측정된 변위와 직렬 탄성 액추에이터에 구비된 탄성 부재의 강성(K)에 따라, 부하측에 가해지는 외력에 의한 외부 토크(torque)를 구한다(S910 단계).
도 10을 참조하면, 부하측 회전부(200)에 연결된 부하(1000)에 외부로부터 힘(Fl)이 가해지는 경우, 외력(Fl)에 의해 부하(1000)를 회전시키는 토크(τl)가 발생하게 된다.
예를 들어, 회전하지 않고 현재 위치를 유지하고 있는 부하(1000)에 외력(Fl)이 가해져 토크(τl)가 발생하거나, 특정 위치에 도달할 때까지 회전하고 있는 부하(1000)에 회전 방향과 반대 방향의 외력(Fl)이 가해져 토크(τl)가 발생할 수 있다.
또는, 회전하고 있는 부하(1000)에 회전 방향과 동일한 방향의 외력(Fl)이 가해져 토크(τl)가 발생할 수도 있다.
상기와 같이 부하(1000) 측에 가해지는 외력(Fl)에 의한 외부 토크(τl)는 한 쌍의 탄성 부재들(310, 320) 중 어느 하나를 압축시키며, 그로 인해 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200) 사이의 상대적인 변위가 발생할 수 있다.
따라서 모터측 회전부(100)와 부하측 회전부(200) 사이의 상대적인 변위(Δθ)와 탄성 부재의 강성(K)에 따라, 상기 수학식 1을 이용하여, 외력(Fl)에 의해 발생하는 외부 토크(τl)가 계산될 수 있다.
그 후, 제어기는 상기 S910 단계에서 계산된 외부 토크와 미리 설정된 임계치 토크를 비교하여(S920 단계), 비교 결과에 따라 직렬 탄성 액추에이터의 제어 모드를 토크 제어와 위치 제어 중 어느 하나로 전환시킨다(S930 단계).
여기서, 상기 토크 제어는 직렬 탄성 액추에이터의 부하측 회전부(200)에 연결된 부하(1000)가 일정 토크(또는 힘)을 내도록 구동 모터를 제어하는 것으로서, 도 11에 도시된 바와 같이 컨트롤러(제어기)가 부하측으로 전달되는 토크(τe)를 피드백 받아 기준 토크(τr)와 비교하여 구동 모터를 제어할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(제어기)는 아래의 수학식 2를 이용해 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행하여, 부하(1000) 측에 기준 토크(τr)가 계속하여 전달되도록 구동 모터를 제어하는 토크 제어를 수행할 수 있다.
Figure 112017042740852-pat00002
수학식 2에서, F(s)는 PID 컨트롤러의 토크 제어 함수를 나타내며, KP, KD 및 KF는 PID 제어를 위한 파라미터들을 의미한다.
상기에서는 도 11 및 수학식 2를 참조하여 제어기가 토크 제어를 수행하는 방법을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 다양한 공지의 토크 제어 방법들을 이용하여 구동 모터를 제어할 수 있다.
한편, 상기 위치 제어는 직렬 탄성 액추에이터의 부하측 회전부(200)에 연결된 부하(1000)가 일정 회전 각도(또는 위치) 만큼 이동하도록 구동 모터를 제어하는 것으로서, 도 12에 도시된 바와 같이 컨트롤러(제어기)가 모터측 출력단의 회전 각도(θm)를 피드백 받아 기준 각도(θr)와 비교하여 구동 모터를 제어할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(제어기)는 아래의 수학식 3을 이용해 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행하여, 부하(1000) 측이 기준 각도(θr) 만큼 회전하도록 구동 모터를 제어하는 위치 제어를 수행할 수 있다.
Figure 112017042740852-pat00003
수학식 3에서, P(s)는 PID 컨트롤러의 위치 제어 함수를 나타내며, KP 및 KD는 PID 제어를 위한 파라미터들을 의미한다.
상기에서는 도 12 및 수학식 3을 참조하여 제어기가 위치 제어를 수행하는 방법을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 다양한 공지의 위치 제어 방법들을 이용하여 구동 모터를 제어할 수 있다.
아래의 수학식 4는, 상기 S930 단계에서 제어기가 외부 토크(τl)와 임계치 토크(τth)를 비교한 결과에 따라 토크 제어와 위치 제어 사이를 전환시키는 방법에 대한 일실시예를 나타낸다.
Figure 112017042740852-pat00004
수학식 4를 참조하면, 외부 토크(τl)가 임계치 토크(τth) 이하인 경우, 제어기는 직렬 탄성 액추에이터의 제어 모드를 위치 제어로 전환할 수 있다.
한편, 외부 토크(τl)가 임계치 토크(τth) 보다 큰 경우, 제어기는 직렬 탄성 액추에이터의 제어 모드를 토크 제어로 전환할 수 있다.
예를 들어, 부하(1000)가 회전하지 않는 위치 제어 중 외력(Fl)에 의한 토크(τl)가 발생하는 경우, 외부 토크(τl)가 임계치 토크(τth)에 도달할 때까지는 구동 모터가 반대 방향의 토크를 발생시켜 위치 제어가 유지되며, 외부 토크(τl)가 임계치 토크(τth)를 초과하는 경우에는 위치 제어를 포기하고 토크 제어로 전환될 수 있다.
그 후, 외력(Fl)이 제거되어 외부 토크(τl)가 임계치 토크(τth) 이하로 떨어지면, 다시 위치 제어로 전환되어, 구동 모터의 회전에 의해 부하(1000)가 원래의 위치로 돌아오게 된다.
한편, 부하(1000)가 일정 각도만큼 회전하는 위치 제어 중 외력(Fl)에 의해 반대 방향의 토크(τl)가 발생하는 경우, 외부 토크(τl)가 임계치 토크(τth)에 도달할 때까지는 구동 모터가 부하(1000)를 계속 회전시켜 위치 제어가 유지되며, 외부 토크(τl)가 임계치 토크(τth)를 초과하는 경우에는 위치 제어를 포기하고 토크 제어로 전환될 수 있다.
그 후, 외력(Fl)이 제거되어 외부 토크(τl)가 임계치 토크(τth) 이하로 떨어지면, 다시 위치 제어로 전환되어, 구동 모터에 의해 부하(1000)가 원하는 각도만큼 회전하게 된다.
또한, 부하(1000)가 일정 각도만큼 회전하는 위치 제어 중 외력(Fl)에 의해 같은 방향의 토크(τl)가 발생하는 경우, 외부 토크(τl)가 임계치 토크(τth)에 도달할 때까지는 구동 모터가 부하(1000)를 계속 회전시켜 위치 제어가 유지되며, 외부 토크(τl)가 임계치 토크(τth)를 초과하는 경우에는 위치 제어를 포기하고 토크 제어로 전환될 수 있다.
그 후, 외력(Fl)이 제거되어 외부 토크(τl)가 임계치 토크(τth) 이하로 떨어지면, 다시 위치 제어로 전환되어, 구동 모터에 의해 부하(1000)가 원하는 각도만큼 회전하게 된다.
다만, 상기한 바와 같이 임계치 토크(τth)를 기준으로 위치 제어와 토크 제어 사이를 전환시키는 경우, 임계치 토크(τth) 근처의 전환 영역(transition region)에서 진동(oscillation)이 발생할 수 있다.
도 13을 참조하면, 외부 토크(τl)가 증가하여 임계치 토크(τth)를 초과하는 시점(t1)에 위치 제어에서 토크 제어로 전환되며, 토크 제어로 전환된 이후에는 토크(τl)가 감소할 수 있다.
한편, 토크(τl)가 감소하여 임계치 토크(τth)에 도달하는 시점(t2)에서는 토크 제어에서 다시 위치 제어로 전환되며, 위치 제어로 전환된 이후에는 토크(τl)가 증가할 수 있다.
위와 같이, 임계치 토크(τth) 근처의 전환 영역(transition region)에서 위치 제어와 토크 제어 사이의 전환이 반복되어, 부하 측에 진동이 발생될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기한 바와 같은 전환 영역(transition region)에서의 진동(oscillation)을 감소시키기 위해, 외부 토크(τl)가 임계치 토크(τth)에서 일정 토크(τhys)를 뺀 값 이하로 감소하는 경우에 토크 제어에서 위치 제어로 전환되도록 제어기가 동작할 수 있다.
Figure 112017042740852-pat00005
수학식 5를 참조하면, 외부 토크(τl)가 임계치 토크(τth)에 도달하는 경우 위치 제어에서 토크 제어로 전환되며, 외부 토크(τl)가 임계치 토크에서 일정 토크를 뺀 값(τth-τhys) 까지 감소하는 경우 토크 제어에서 위치 제어로 전환될 수 있다.
도 14를 참조하면, 외부 토크(τl)가 증가하여 임계치 토크(τth)를 초과하는 시점(T1)에 위치 제어에서 토크 제어로 전환되며, 토크 제어로 전환된 이후에는 토크(τl)가 감소할 수 있다.
한편, 토크(τl)가 감소하여 임계치 토크(τth)에 도달하는 시점에서 제어 모드가 전환되지 않고 토크 제어를 유지하여, 부하(1000) 측에 전달되는 토크(τl)가 원하는 기준 토크 값을 유지할 수 있다.
그 후, 외력(Fl)이 제거되어 외부 토크(τl)가 임계치 토크에서 일정 토크를 뺀 값(τth-τhys)에 도달하는 시점(T2)에서, 토크 제어에서 위치 제어로 전환될 수 있다.
상술한 본 발명의 일실시예에 따른 방법들은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작될 수 있으며, 상기 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
100 : 모터측 회전부 150 : 내측 프레임
200 : 부하측 회전부 250 : 외측 프레임
300 : 탄성 부재 400 : 자성체
410 : 홀 센서 700 : 구동 모터
710 : 베어링 720 : 감속기
730, 800 : 고정단 810 : 베어링 커버
1000 : 부하

Claims (15)

  1. 구동 모터의 회전력을 부하에 전달하기 위해 서로 결합된 모터측 회전부 및 부하측 회전부와, 탄성 부재를 포함하는 직렬 탄성 액추에이터(SEA, Series Elastic Actuator)를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 탄성 부재의 압축에 의해 발생하는 상기 모터측 회전부와 상기 부하측 회전부 사이의 상대적인 변위를 측정하는 단계;
    상기 측정된 변위와 상기 탄성 부재의 강성(K)에 따라 상기 부하측에 가해지는 외력에 의한 외부 토크(torque)를 구하는 단계;
    상기 구해진 외부 토크와 임계치 토크를 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 기초하여, 상기 직렬 탄성 액추에이터의 제어 모드를 토크 제어와 위치(position) 제어 중 어느 하나로 전환시키는 단계;를 포함하는 직렬 탄성 액추에이터 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 변위는
    상기 모터측 회전부과 상기 부하측 회전부의 서로 대응되는 위치에 각각 형성된 자성체와 홀 센서(hall sensor)를 이용하여 측정되는 직렬 탄성 액추에이터 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구해진 외부 토크가 상기 임계치 토크보다 큰 경우, 상기 부하측에 전달되는 토크를 제어하기 위한 토크 제어로 상기 제어 모드가 전환되는 직렬 탄성 액추에이터 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구해진 외부 토크가 상기 임계치 토크 이하인 경우, 상기 부하측의 회전 각도를 제어하기 위한 위치 제어로 상기 제어 모드가 전환되는 직렬 탄성 액추에이터 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    피드백되는 상기 모터측의 회전 각도를 이용하여, 상기 부하측의 회전 각도가 제어되는 직렬 탄성 액추에이터 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 외부 토크가 상기 임계치 토크보다 큰 값으로 증가하는 경우 상기 제어 모드가 위치 제어에서 토크 제어로 전환되며, 상기 외부 토크가 상기 임계치 토크에서 일정 토크를 뺀 값 이하로 감소하는 경우 상기 제어 모드가 토크 제어에서 위치 제어로 전환되는 직렬 탄성 액추에이터 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 탄성 부재는
    상기 모터측 회전부과 상기 부하측 회전부 사이 공간에 적어도 한 쌍으로 구비되는 직렬 탄성 액추에이터 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 모터측 회전부의 회전 방향에 따라, 상기 한 쌍의 탄성 부재들 중 어느 하나가 압축되는 직렬 탄성 액추에이터 제어 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  10. 구동 모터와 연결되어, 상기 구동 모터의 회전력에 의해 회전하는 모터측 회전부;
    상기 모터측 회전부와 결합되어, 상기 구동 모터의 회전력을 부하에 전달하기 위한 부하측 회전부;
    상기 모터측 회전부과 상기 부하측 회전부 사이 공간에 구비되는 적어도 한 쌍의 탄성 부재들;
    상기 탄성 부재의 압축에 의해 발생하는 상기 모터측 회전부와 상기 부하측 회전부 사이의 상대적인 변위를 측정하기 위한 센서부; 및
    상기 측정된 변위를 이용하여 상기 부하측에 가해지는 외력에 의한 외부 토크(torque)를 구하고, 상기 구해진 외부 토크와 임계치 토크를 비교한 결과에 기초하여 토크 제어와 위치 제어 중 어느 하나로 제어 모드를 전환시키는 제어기;를 포함하는 직렬 탄성 액추에이터 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제어기는
    상기 외부 토크가 상기 임계치 토크보다 큰 값으로 증가하는 경우 상기 제어 모드를 위치 제어에서 토크 제어로 전환시키며, 상기 외부 토크가 상기 임계치 토크에서 일정 토크를 뺀 값 이하로 감소하는 경우 상기 제어 모드를 토크 제어에서 위치 제어로 전환시키는 직렬 탄성 액추에이터 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제어기는
    상기 제어 모드가 위치 제어인 경우, 피드백되는 상기 모터측의 회전 각도를 이용하여 상기 부하측의 회전 각도를 제어하는 직렬 탄성 액추에이터 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 모터측 회전부과 상기 부하측 회전부 중 어느 하나에 상기 한 쌍의 탄성 부재들이 고정되기 위한 수용 공간을 가지는 프레임이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직렬 탄성 액추에이터 시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 모터측 회전부의 회전 방향에 따라, 상기 한 쌍의 탄성 부재들 중 어느 하나가 압축되는 직렬 탄성 액추에이터 시스템.
  15. 제10항에 있어서, 상기 센서부는
    상기 모터측 회전부과 상기 부하측 회전부의 서로 대응되는 위치에 각각 형성된 자성체와 홀 센서(hall sensor)를 포함하여 구성되는 직렬 탄성 액추에이터 시스템.
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KR1020170056191A KR101901168B1 (ko) 2017-03-24 2017-05-02 직렬 탄성 액추에이터 제어 방법 및 그를 이용한 시스템

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111693040A (zh) * 2020-06-17 2020-09-22 苏州恒辉科技有限公司 基于串联弹性驱动器的机械臂碰撞检测方法

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CN111693040A (zh) * 2020-06-17 2020-09-22 苏州恒辉科技有限公司 基于串联弹性驱动器的机械臂碰撞检测方法
CN111693040B (zh) * 2020-06-17 2023-08-11 苏州恒辉科技有限公司 基于串联弹性驱动器的机械臂碰撞检测方法

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