KR102395225B1 - 토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 스마트 액추에이터는, 적층형으로 형성된 전자회로를 갖는 전장부; 모터 및 감속기를 구비하며, 중공의 내부 공간을 갖는 구동부; 상기 구동부의 일측에 설치되어 토크 값을 측정하는 토크센서부; 및 상기 토크센서부로부터 측정된 토크 값을 획득하여, 상기 모터에 대한 제어명령을 산출하는 제어부를 포함하는, 토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터를 제공한다.

Description

토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터{MODULAR ROBOTIC SMART ACTUATOR BASED ON TORQUE VALUE}

본 발명은 로봇용 스마트 액추에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일체형으로 구비된 토크센서로부터 측정된 토크 값을 기반으로 하여 임피던스의 감소가 이루어지는 방식의 알고리즘이 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터에 관한 것이다.

협동로봇(Collaborative Robot, COBOT)은 인간과 함께 작업하는 로봇으로 주로 생산현장에서 인간과 상호작용하도록 설계된 로봇을 의미한다. 종전 생산현장에서 사용되었던 산업용 로봇이 인간을 대체하는 역할로 인간과 분리된 작업공간에서 사용되었다면, 협동로봇은 인간을 보완하는 역할로 인간과 함께 일하며 작업의 효율을 높일 수 있다.

이때, 사용자와 긴밀한 협업이 가능한 협동로봇이 개발되기 위해서는 고출력을 가지면서도 저중량의 액추에이터가 사용되어야 한다. 이를 위해서는 고감속의 기어를 사용하는 것이 필수불가결적인 요소이며, 이외에 엔코더, 엔코더 보드, 전원공급 보드, 전류제어 보드 및 브레이크 등이 추가적으로 통합된 형태의 액추에이터가 필요하다.

도 1은 종래 로봇용 액추에이터의 사시도이다.

도 1을 통해 도시된 바와 같이, 종래 기술에 의한 로봇용 액추에이터는 물리적으로 구성될 수 있는 액추에이터의 무게가 한계가 있으므로 로봇과 사용자간 협업시 사용자가 느끼는 액추에이터의 임피던스를 효과적으로 줄이는 방법이 요구된다. 이를 위해 액추에이터의 유효 관성 모멘트(Effecitve moment of inertia)와 마찰을 감소시켜야 하며, 특히 액추에이터의 토크 값을 측정할 수 있는 소형 토크센서와 이에 모듈화된 알고리즘이 요구된다.

도 2는 종래 로봇용 액추에이터의 마찰보상 시스템을 개념적으로 도시한 블록도이다.

도 1 및 도 2을 통해 도시된 바와 같이, 액추에이터에 포함되는 종래의 토크센서는 협동로봇 등에 특화되어 개발되지 않았기 때문에, 토크 센서를 장착하기 위해 카플러, 마운트 또는 플랜지 등의 별도 장치를 요하게 되며, 이를 이용한 자체적인 마찰보상을 위한 알고리즘이 내장되지 않았다. 이에 따라, 로봇(A)의 액추에이터 별도로 장착된 토크센서의 측정값을 별도의 로봇 제어기(B)로 전달하여, 상기 로봇 제어기(B)에 내장된 마찰보상 알고리즘에 의해 계산된 값을 로봇(A)이 다시금 전달받는 방식으로 마찰보상이 이루어지게 된다.

즉, 위와 같은 기존의 마찰보상 방식이 적용되는 협동로봇의 액추에이터는 적절한 소형 모듈화가 이루어지지 않게 되어, 협동로봇 양산시 복잡한 조립 과정이 필요하게 된다는 문제점이 있다. 특히 사용자와 현장에서 협업이 가능하도록 협동로봇 제어 알고리즘을 구축하기 위해 많은 시간과 노력이 요구됨에 따라, 일관된 성능을 갖는 협동로봇의 양산 및 보급에 있어 큰 장애물이 된다.

대한민국 공개특허공보 제10-2018-0086550호 (2020.02.04)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 커버 일체형 소형 토크센서를 갖추어서 측정된 토크 값을 기반으로 한 마찰보상 제어 알고리즘이 내장되는 모듈 및 이와 같이 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 로봇용 스마트 액추에이터는, 모터 및 감속기를 구비하며, 중공의 내부 공간을 갖는 구동부; 상기 구동부의 일측에 설치되어 토크 값을 측정하는 토크센서부; 및 상기 토크센서부로부터 측정된 토크 값을 획득하여, 상기 모터에 대한 제어명령을 산출하는 제어부를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 토크센서부는, 상기 구동부의 중공의 내부 공간의 개방 부분을 덮을 수 있도록 형성되는 것일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 토크센서부는, 전선 케이블이 통과할 수 있도록 일측에 관통구가 형성되는 것일 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 구동부의 중공의 내부 공간을 관통하며, 일단이 상기 토크센서부와 상기 관통구를 통과하도록 연결되어 형성되는 파이프부를 더 포함하는 것일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 획득한 상기 토크 값 기반으로 임피던스를 감소시키는 참조토크 값을 산출하는 알고리즘이 내장된 토크제어유닛; 상기 토크제어유닛에서 산출된 참조토크 값을 참조전류 값으로 변환시키는 토크전류변환유닛; 및 변환된 상기 참조전류 값을 구현하기 위한 전류제어 알고리즘이 내장된 전류제어유닛을 더 포함하는 것일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기전류제어유닛은, 상기 참조전류 값을 피드백하여 자속기준제어(Field Oriented Control) 기반으로 전류를 제어하도록 설계된 알고리즘이 내장된 것일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 토크제어유닛은 제어입력 값과 측정되는 토크 값의 비율로 대역폭을 조절하여, 참조토크 값을 산출하는 제1토크제어유닛; 및 가상 스마트 액추에이터의 거동을 실제 스마트 액추에이터의 거동과 비교하여 보조 제어입력 값을 산출하는 제2토크제어유닛를 더 포함하는 것일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1토크제어유닛에 대한 제어입력 값은, 상기 제2토크제어유닛으로 부터 산출된 보조 제어입력 값을 포함하는 것일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2토크제어유닛은, 가상의 스마트 액추에이터의 거동을 모의 실험하는 시뮬레이션유닛; 및 상기 시뮬레이션유닛에 의해 생성된 모의 거동과 실제 스마트 액추에이터의 모션을 비교하여 최적화된 보조 입력을 생성하는 모델추종제어유닛를 더 포함하는 것일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 시뮬레이션유닛이 구현하는 가상의 스마트 액추에이터는, 상기 제1토크제어유닛에 의해 조절된 대역폭을 가지는 시스템에 대해 구현되는 것일 수 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.

기구적, 전기적, 토크제어 알고리즘적으로 모듈화된 소형의 액추에이터를 제공함으로써, 고출력 성능의 로봇용 스마트 액추에이터가 낮은 임피던스를 구현할 수 있도록 한다.

이를 통해 일관된 성능을 가지는 협동로봇의 양산 및 보급이 더욱 용이하게 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 종래 로봇용 액추에이터의 사시도이다.
도 2는 종래 로봇용 액추에이터의 마찰보상 시스템을 개념적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터의 사시도이다.
도 4는 도 3의 토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터를 다른 각도에서 바라본 사시도이다.
도 5는 본 발명에 의한 제어부에 의한 토크 값 기반의 로봇용 스마트 액추에이터의 소프트웨어 모듈화를 개념적으로 나타낸 블록도이다.
도 6은 도 5의 제어부에 의한 토크 값 기반의 로봇용 스마트 액추에이터의 소프트웨어 모듈화를 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 개략도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 또한, 본 발명에 도시된 각 도면에 있어서 각 구성 요소들은 설명의 편의를 고려하여 다소 확대 또는 축소되어 도시된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 로봇용 스마트 액추에이터는 사용자와의 긴밀한 협업이 가능한 협동로봇의 양상 및 보급을 용이하게 하기 위하여, 측정된 토크 값 기반으로 액추에이터를 모듈화하는 것을 특징으로 한다. 이때, 본 발명에 의한 상기 모듈화는 로봇용 스마트 액추에이터의 하드웨어 모듈화 및/또는 소프트웨어 모듈화를 통해 구현될 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하여, 우선적으로 본 발명의 일 실시예에 의한 토크 기반의 로봇용 스마트 액추에이터의 하드웨어 모듈화를 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터의 사시도를, 도 4는 도 3의 토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터를 다른 각도에서 바라본 사시도를 각각 도시한다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터는, 전장부(10), 구동부(20), 토크센서부(30) 및 제어부(40)를 발명의 기본 구조를 이루는 구성으로 포함할 수 있다.

본 발명의 로봇용 스마트 액추에이터는 상기한 바와 같이 크게 4개의 부분으로 개념적으로 분리되어 구성되며, 각부를 상호간에 결합하는 방식 및 각부의 형상을 다양화함에 따라 매우 다양한 형태의 다관절 로봇을 구성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 구동부(20)는, 회전축을 갖는 모터(21, 미도시) 및 상기 모터(21)와 기어로 연결되는 감속기(22, 미도시)를 포함하며, 이에 대한 브레이크를 추가적으로 포함할 수 있다. 이 때, 상기 구동부(20)는 스마트 액추에이터 본체의 일측에 설치되되, 중공의 내부 공간을 갖는 중공형으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 상기 모터(21)는 후술하는 본 발명의 전장부(10)에 의해 전력을 제공받아 회전축에 회전력을 제공한다. 상기 감속기(22)는 벨트와 풀리 구조체, 하모닉 드라이브, 기어 구조체 등의 다양한 형태를 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 구동부(20)는 중공의 내부공간을 통해 후술하는 파이프부(50)가 관통될 수 있어, 필요한 전선 케이블들에 대한 배선이 손쉽게 이루어 지도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 전장부(10)는 액추에이터의 본체 프레임의 외주면을 따라 전자회로가 적층되는 형태로 구성되는 것일 수 있다. 또한, 상기 전자회로에는 구동부(20)의 회전 각도 등 동작 상태를 측정하여 피드백하기 위한 엔코터(Encoder) 및 엔코더 드라이브가 내장될 수 있으며, 모터(21)에 전력을 제공하는 전원공급부 및 상기 모터(21)에 제공되는 전류를 제어하는 전류제어부를 포함할 수 있다.

또한, 전장부(10)에는 후술하는 토크센서부(30) 및 제어부(40)가 상기 전자회로에 내장 설치될 수 있으며, 이와 달리 상기 토크센서부(30) 및 상기 제어부(40)가 외부에 별도로 설치되는 경우에는 전기적 연결을 위한 외부 포트가 내장되는 것일 수 있다.

앞서 설명한 일 실시예에 구동부(20) 및 전장부(10)는, 로봇용 스마트 액추에이터의 본체를 이루는 프레임에 일체로 결합된 형태 또는 상호 독립적으로 분리 가능하게 결합되는 형태로 각각 선택되어 설치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 토크센서부(30)는, 본 발명의 구동부(20)의 일측에 형성되는 토크센서 구성에 해당한다. 보다 구체적으로는 모터(21)가 회전력을 제공함에 따라 회전축에 발생하는 비틀림을 검출하여 토크를 측정하는 센서일 수 있다. 상기 토크센서부(30)는 특정한 형태 또는 측정 방식에 한정되지 않으며 다양한 형태의 토크 센서가 적용될 수 있다. 토크 센서에 대한 자세한 설명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것으로서 자세한 설명은 생략한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 제어부(40)는, 측정변수로서 전술한 토크센서부(30)가 측정하는 토크 값을 포함하여, 모터(21)의 각도 값 및 전장부(10)의 전류 값 등을 획득하고, 이를 기초로 상기 모터(21)의 회전을 제어하는 명령을 산출하는 구성이다. 보다 구체적으로는 상기 제어부(40)는 전장부(10)에 설치된 전류제어보드에 대해 제어명령을 생성하여 전달하는 것일 수 있다.

이때, 상기 제어부(40)는 후술하는 바와 같이 임피던스의 감소를 구현하는 토크제어 및 전류제어 알고리즘이 내장되도록 소프트웨어가 모듈화되며, 이를 기초로 하여 전기적으로 본 발명의 로봇용 스마트 액추에이터의 모터제어, 전원공급 등을 조절하는 제어명령을 생성한다.

도 1에 도시된 바와 같이 기존의 통상적인 로봇용 스마트 액추에이터는, 기구부(1)를 구성하는 하모닉 드라이브 등에서 발생하는 윤활유 등의 이물질이 외부로 방출되는 것을 막기 위한 덮개 역할을 하는 별도의 기어 커버(Gear cover)(2) 구성을 요한다. 이때, 통상 기어 커버(2)는 연접식 협동로봇을 제작하는 경우에 구동기 내부의 전선 케이블이 순차적으로 통과할 수 있도록, 일측이 관통되어 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 의해 하드웨어의 모듈화가 된 로봇용 스마트 액추에이터는, 토크센서부(30)가 구동부(20)의 개방부분을 덮는 커버 역할을 수행하도록 형성되어, 상기 토크센서부(30)를 장착하여 사용하기 위해 필요한 추가적인 장치를 요하지 않게 되는 것일 수 있다. 다시 말해, 상기 토크센서부(30)가 상기 구동부(20)의 커버와 일체로 형성되도록 하여, 소형의 모듈화된 스마트 액추에이터를 구현할 수 있게 된다.

이를 보다 상세히 도시한 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 토크센서부(30)는 구동부(20)와 분리 가능하도록 결합되되, 상기 구동부(20) 내부 중공 공간의 개방부분을 덮을 수 있도록 형성되는 것일 수 있다.

다시 말해 본 발명에 의한 로봇용 스마트 액추에이터는, 토크센서부(30)가 구동부(20)의 개방부분을 막는 덮개 역할을 수행할 수 있도록 커버 일체형으로 형성됨으로써, 기존의 통상적인 구동기와 달리 별도의 커버 구성을 요하지 않게 될 뿐만 아니라, 상기 토크센서부(30)를 장착시키기 위한 별도의 커플러, 마운트, 플랜지 등의 장치가 생략될 수 있다. 이를 통해 기구적으로 토크센서를 포함하되 소형으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터를 제공할 수 있게 된다.

이때, 토크센서부(30)는 커버일체형으로 형성됨과 동시에, 구동부(20)의 내부를 관통하는 전선 케이블이 통과할 수 있도록 일측에 관통구(30a)가 형성되는 것일 수 있다. 또한, 일 실시예에 있어서 상기 관통구(30a)는 로봇 제어 유무 등 필요에 따라 개폐가 가능하도록 형성될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 로봇용 스마트 액추에이터는, 액추에이터의 본체를 관통하며, 내부에는 전선 케이블이 내장될 수 있는 파이프부(50)를 더 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 파이프부(50)는 일단이 토크센서부(30)와 관통구(30a)를 통과하도록 연결되어 형성되는 것일 수 있다.

위와 같이, 본 발명에 의한 로봇용 스마트 액추에이터는 전장부(10) 및 구동부(20)를 관통하는 파이프부(50)를 이용하여 연접식의 협동로봇을 제작할 시에, 내부로 케이블을 순차적으로 통과시킴으로써 추가적인 외부 배선 없이 다자유도 협동로봇을 용이하게 구성할 수 있게 된다.

이하, 도 5 및 도 6를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 토크 기반의 로봇용 스마트 액추에이터의 소프트웨어 모듈화를 설명한다.

이하에서 설명하는 본 발명의 다양한 실시예는, 전술한 하드웨어 모듈화된 본 발명의 다양한 실시예에 의한 로봇용 스마트 액추에이터가 적용되는 것일 수 있다.

도 5는 본 발명에 의한 제어부에 의한 토크 값 기반의 로봇용 스마트 액추에이터의 소프트웨어 모듈화를 개념적으로 나타낸 블록도를, 도 6은 도 5의 제어부에 의한 토크 값 기반의 로봇용 스마트 액추에이터의 소프트웨어 모듈화를 보다 상세하게 나타낸 블록도를 각각 도시한다.

도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 제어부(40)는 앞서 설명한 바와 같이 토크센서부(30)에서 측정된 토크 값을 포함하는 측정변수를 기반으로 한 고성능 전류제어 및 임피던스 감소 알고리즘이 내장되는 것을 특징으로 한다.

보다 상세하게 상기 제어부(40)는 획득한 토크 값을 기반으로 기계 임피던스 감소시키기 위한 알고리즘을 갖는 토크제어유닛(100)과, 상기 토크제어유닛(100)에서 계산된 참조토크 값을 참조전류 값으로 변환시키는 토크전류변환유닛(200) 및 변환된 상기 참조전류 값을 구현하기 위한 알고리즘을 갖는 전류제어유닛(300)을 포함하는 제어 시스템을 갖춘 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 전류제어유닛(300)은 참조전류 값을 피드백하여 자속기준제어(Field Oriented Control, FOC) 기반으로 전류를 제어하도록 설계된 알고리즘이 모듈화된 것일 수 있다. 벡터제어라고 알려진 FOC는 자속을 기준으로 3상 공간상에서 전류의 크기와 방향을 제어하는 기법이다. 이와 같은 제어기법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

이에 따라, 전류제어유닛(300)은 토크전류변환유닛(200)으로부터 변환된 참조전류값을 획득하고 이를 구현하기 위해, 전류의 크기와 방향을 제어하는 알고리즘이 모듈화된 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 토크제어유닛(100)은 토크센서 값을 피드백하여 임피던스를 감소시키기 위한 알고리즘이 내장되어 있어, 전술한 전류제어유닛(300)과 통합하여 반응속도가 빠르면서 고출력 성능을 갖는 액추에이터 구현이 가능하도록 한다.

보다 상세하게 본 발명의 일 실시예에 의한 토크제어유닛(100)은 측정된 토크값 기반으로 관성모멘트 감소를 위한 알고리즘이 내장된 제1토크제어유닛(110)과, 마찰 보상을 위한 알고리즘이 내장된 제2토크제어유닛(120)이 별도로 독립되어 구성되는 것일 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 제1토크제어유닛(110)에 내장되는 모터(21)의 관성모멘트를 줄이기 위한 알고리즘을 우선 설명한다.

모터(21)의 관성모멘트를 줄이는 알고리즘은 제어입력과 피드백되는 토크 값의 비율을 조절함으로써 구현된다. 아래의 식 1을 참조하면, 참조토크 값 제어입력(

)이 정확하게 구현된다면 모터(21)의 관성모멘트를 제어이득

배만큼 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

[식 1]

이때,

,

,

는 각 참조값 제어입력, 원하는 토크 제어입력, 보조 제어입력을 나타낸다. 또한,

는 본 발명의 토크센서부(30)로부터 측정된 토크 값을,

는 제어이득을 각각 나타낸다.

도 5 및 도 6을 통해 나타난 바와 같이, 상기 토크제어유닛(100)은 원하는 토크 제어입력 값(

)과 토크센서부(30)로부터 획득한 측정토크 값(

)을 획득한다. 여기서, 제1토크제어유닛(110)에 후술하는 제2토크제어유닛(120)으로부터의 산출된 보조 제어입력 값(

)과 함께 입력되면, 상술한 식 1에 의해 참조토크 값(

)을 산출할 수 있다.

이를 통해 본 발명에 의한 로봇용 스마트 액추에이터는 관성모멘트가 줄어든 높은 대역폭을 가지는 시스템을 구현할 수 있으므로, 협동로봇의 협업제어 알고리즘의 성능을 극대화할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 제2토크제어유닛(120)에 내장되는 마찰력보상을 위한 알고리즘을 설명한다.

마찰력을 보상하는 알고리즘은 마찰이 작용하지 않는 가상의 스마트 액추에이터를 구현하고, 이를 통해 획득한 가상 스마트 액추에이터의 거동을 실제 스마트 액추에이터의 거동과 비교하는 방식으로 구현되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 제2토크제어유닛(120)은 가상의 스마트 액추에이터의 거동을 모의 실험하는 시뮬레이션유닛(121)과, 상기 시뮬레이션유닛(121)에 의해 생성된 모의 거동과 실제 스마트 액추에이터의 모션을 비교하여 최적화된 보조 입력을 생성하는 모델추종제어유닛(122)을 포함할 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 의한 시뮬레이션유닛(121)이 구현하는 가상의 스마트 액추에이터는 전술한 제1토크제어유닛(110)의 관성모먼트 감소 알고리즘에 의해 증가한 대역폭을 가지는 시스템에 대하여 구현된다. 즉, 제어이득

는 스마트 액추에이터의 본래 질량(

)과 목표 관성모멘트(

)의 비율로 주어지므로 목표 관성모멘트(

)를 가지는 시스템에 대한 가상 시스템을 생성한다.

그리고 모델추종제어유닛(122)은 가상 시뮬레이션 시스템을 이용하여 생성된 가상 거동을 실제 스마트 액추에이터의 모션과 비교하여, 아래의 식 2와 같이 최적화하여 보조 제어입력 값(

)을 생성한다. 이때, 생성된 보조 제어입력 값(

)은 전술한 제1토크제어유닛(110)에 내장된 관성모멘트 감소 알고리즘의 입력으로 사용한다.

[식 2]

여기서,

,

은 각각 실제 시스템의 모션과 시뮬레이션 시스템의 모션이며

은 최적화 알고리즘(또는 기계학습)으로부터 얻어지는 고차의 함수를 나타낸다.

도 6을 참조하여 설명하면, 본 발명에 의한 시뮬레이션유닛(121)에 원하는 토크 제어입력 값(

)에 대하여 토크센서부(30)로부터 획득한 측정 토크 값(

)의 차이 값(

-

)이 입력된다. 이에 따라, 획득된 가상 모션의 각가속도 값을 적분하여 얻은 각속도 값이

값으로 나타난다. 이와 동일하게 실제 모션의 각가속도 값을 적분하여 얻은 각속도 값이

값으로 나타난다. 본 발명에 의한 모델추종제어유닛(122)은 이들을 최적화 알고리즘(또는 기계학습)으로부터 얻어지는 고차의 함수

의 변수로 하여 최적화된 보조입력 값(

)을 생성할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 전류제어유닛(300)에 내장되는 전류 제어를 위한 알고리즘을 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 토크전류변환유닛(200)은 토크제어유닛(100)으로부터 계산된 참조토크 값(

)을 전달받아 이를 참조전류 값(

)으로 변환하여, 상기 전류제어유닛(300)에 전달한다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 의한 전류제어유닛(300)은 전술한 바와 같이 FOC 기반의 전류제어기가 적용되는 것일 수 있다. 상기 전류제어유닛(300)은

으로 가정할 때, 아래의 식 3과 같이 전류를 제어하여 관성 질량이 감소된 스마트 액추에이터에 원하는 제어입력 토크 값(

)을 정확하게 제공할 수 있도록 한다.

[식 3]

식 3에 있어서, 왼쪽의 식은 전술한 본 발명의 일실시예에 따른 모듈화된 알고리즘에 의해 보상이 이루어기 지기 전 로봇용 스마트 액추에이터의 동역학을 나타내며,

는 마찰력을 나타낸다. 기존의 로봇용 스마트 액추에이터는 큰 관성모멘트 때문에 높은 대역폭의 토크제어를 수행하기 어렵고 마찰력에 의해서 원하는 토크 출력이 어렵다.

오른쪽의 식은 전술한 본 발명의 일실시예에 따른 모듈화된 알고리즘에 의해 보상이 이루어진 후 로봇용 스마트 액추에이터의 동역학을 나타내며 원하는 토크 출력을 관성질량이 줄어든 스마트 액추에이터에 인가할 수 있음을 나타낸다.

전술한 바와 같이 본 발명에 다양한 실시예에 의한 로봇용 스마트 액추에이터는, 소형 토크센서 및 알고리즘이 통합된 토크센서 기반의 모듈화를 통해 액추에이터의 유효 관성모멘트(effective moment of inertia)와 마찰을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

이를 통해, 사용자와 기민한 협업이 가능한 협동로봇의 제작을 가능하게 하며, 제작되는 협동로봇의 품질의 일관성을 보장할 수 있으므로 추가적인 로봇 제어기 구성에 많은 시간과 노력을 요구하지 않게 된다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이지 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

A: 로봇
B: 로봇 제어기
1: 기구부
2: 기어커버
10: 전장부
20: 구동부
21: 모터
22: 감속기
30: 토크센서부
30a: 관통구
40: 제어부
50: 파이프부
100: 토크제어유닛
110: 제1토크제어유닛
120: 제2토크제어유닛
121: 시뮬레이션유닛
122: 모델추종제어유닛
200: 토크전류변환유닛
300: 전류제어유닛

Claims (10)

1. 적층형으로 형성된 전자회로를 갖는 전장부;
   모터 및 감속기를 구비하며, 중공의 내부 공간을 갖는 구동부;
   상기 구동부의 일측에 설치되어 토크 값을 측정하는 토크센서부; 및
   상기 토크센서부로부터 측정된 토크 값을 획득하여, 상기 모터에 대한 제어명령을 산출하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는,
   획득한 상기 토크 값 기반으로 임피던스를 감소시키는 참조토크 값을 산출하는 알고리즘이 내장된 토크제어유닛;
   상기 토크제어유닛에서 산출된 참조토크 값을 참조전류 값으로 변환시키는 토크전류변환유닛; 및
   변환된 상기 참조전류 값을 구현하기 위한 전류제어 알고리즘이 내장된 전류제어유닛;을 더 포함하며,
   상기 토크제어유닛은,
   제어입력 값과 측정되는 토크 값의 비율로 대역폭을 조절하여 참조토크 값을 산출하는 제1토크제어유닛; 및
   가상 스마트 액추에이터의 거동을 실제 스마트 액추에이터의 거동과 비교하여 보조 제어입력 값을 산출하는 제2토크제어유닛;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 토크센서부는, 상기 구동부의 중공의 내부 공간의 개방 부분을 덮을 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 토크센서부는, 전선 케이블이 통과할 수 있도록 일측에 관통구가 형성되는 것을 특징으로 하는, 토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터.
4. 제3항에 있어서,
   상기 구동부의 중공의 내부 공간을 관통하며, 일단이 상기 토크센서부와 상기 관통구를 통과하도록 연결되어 형성되는 파이프부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 전류제어유닛은, 상기 참조전류 값을 피드백하여 자속기준제어(Field Oriented Control) 기반으로 전류를 제어하도록 설계된 알고리즘이 내장된 것을 특징으로 하는, 토크 값 기반으로 하여 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1토크제어유닛에 대한 제어입력 값은, 상기 제2토크제어유닛으로부터 산출된 보조 제어입력 값을 포함하는 것을 특징으로 하는, 토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제2토크제어유닛은,
   가상의 스마트 액추에이터의 거동을 모의 실험하는 시뮬레이션유닛; 및
   상기 시뮬레이션유닛에 의해 생성된 모의 거동과 실제 스마트 액추에이터의 모션을 비교하여 보조 입력을 생성하는 모델추종제어유닛를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터.
10. 제9항에 있어서,
    상기 시뮬레이션유닛이 구현하는 가상의 스마트 액추에이터는, 상기 제1토크제어유닛에 의해 조절된 대역폭을 가지는 시스템에 대해 구현되는 것을 특징을 하는, 토크 값 기반으로 모듈화된 로봇용 스마트 액추에이터.

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