KR19990000690A - 탄소섬유 에폭시 복합재료 로봇 시스템 - Google Patents

Abstract

로봇 기계부 중 로봇암부를 고유 진동수가 낮고 진동에 대한 감쇠 특성이 뛰어나, 정적으로는 유연하면서 동적으로는 높은 강성을 유지할 수 있는 탄소섬유 에폭시 복합재료를 채택 제작하여, 로봇 구동원의 질량 관성 부하의 증가와 그로 인해 초래되는 작업 시간이 길어지는 것을 해결할 수 있고, 기계 요소류 및 동력 전달 요소를 구동원의 회전 중심 방향으로 재배치하여 질량 관성 부하의 저감을 통해 로봇암의 저관성화를 구축하고, 그러한 로봇의 작업시간을 단축시키기 위해 효과적인 궤도 궤적 방법을 사용한다.

Description

탄소섬유 에폭시 복합재료 로봇 시스템

본 발명은 탄소섬유 에폭시 복합재료 로봇 시스템에 관한 것으로, 특히 로봇 기계부 중 로봇암부를 탄소섬유 에폭시 복합재료를 채택하여 제작하고, 로봇의 작업시간을 단축시키기 위하여 로봇 제어부의 경로계획 알고리즘을 최적화한 시스템에 관한 것이다.

산업용 로봇 기술의 진보와 사용자의 다양한 고도의 필요에 부응하기 위하여 산업용 로봇 분야의 질적 향상을 위한 기술개발이 활발하게 진행되고 있다. 산업용 로봇의 기술 척도는 로봇이 가지고 있는 성능에 의하여 결정되며, 그 성능평가의 주요한 평가요소는 작업에 소요되는 작업시간이다.

본 발명은 산업용 로봇의 작업시간을 단축시키기 위하여, 고유 진동수가 낮고 진동에 대한 감쇠특성이 뛰어나 정적으로는 유연하면서 동적으로는 높은 강성을 유지할 수 있는 구동원의 질량관성 부하 측면의 저관성형 로봇암을 제작하고, 또 신개념의 작업시간 최적화 알고리즘을 개발 탑재하였다.

일반적으로 로봇 구동을 위해서는, 로봇의 동작을 지령하는 동작 궤적을 알고리즘으로 구성하여 순차적으로 동작을 지령해야 한다. 로봇을 구동시키기 위해서는 로봇을 일정 속도까지 올려야 하며, 또한 일정 속도까지 이른후 동일 속도로 일정 시간 동안 동작시켜야 하고, 로봇이 목적 위치까지 이르기 위해서는 감속이 필요하다. 상기한 '가속 구간', '등속 구간', '감속 구간' 동안에 로봇의 동작을 지령해 주는 것을 궤도 궤적 방법이라 하며, 이러한 궤도 궤적 방법은 롬(ROM)에 저장되어 동작 지령으로 사용된다.

종래 기술에 의한 로봇 기계부의 구성을 도 1을 참고하여 살펴보면, 로봇 기저부(1)에 기저암 모터(2) 및 기저암 감속기(3)가 장착되고, 기저암 감속기(3) 선단에 기저암(4)이 결합되며, 기저암(4) 내부에 장착된 2암 모터(5)와 이와 연결된 2암 감속기(6), 2암 감속기(6) 선단에 2암(7)이 결합되고, 2암(7) 상부에 3암 모터(8)와 분리형 직선·회전운동 유닛(9a)을 결합하며, 2암(7) 내부에 장착된 4암 모터(10)를 4암 동력 전달 유닛(11)을 경유하여 분리형 직선·회전운동 유닛(9a)에 연결시킨다. 상기한 기저암(4) 및 2암(7)은 알루미늄 주물로 제작된 통상의 로봇암이다.

또한 종래 기술에 의한 로봇 제어의 구조와 알고리즘을 도 3, 도 4를 참고하여 살펴보면, 현재 위치와 목적 위치를 입력받아 속도 곡선을 생성하는 궤도 작성기와 서보 구동기 제어기로 구성되고, 구체적인 알고리즘은 다음과 같다.

① 시작 위치와 목적 위치를 입력한다.

② 설정된 최대 속도와 최대 가속도를 읽는다.

③ 최대 속도까지 가속할 수 있는지 검사한다.

④ 최대 속도를 변경한다.

⑤ 주어진 속도와 가속도를 가지고 가·감속 시간 및 등속 시간을 계산한다.

⑥ 속도 곡선 함수를 만든다.

⑦ 속도 곡선을 출력한다.

이하, 종래 기술에 의한 로봇 시스템의 동작을 도면을 참고하여 설명하면, 기저암(4) 및 2암(7)은 통상의 알루미늄으로 제작된 통상의 로봇암이다. 기저암(4)과 기저암(4) 내부에 장착된 2암 모터(5), 감속기(6)의 질량 및 질량 관성 모멘트는 기저암 모터(2)가 회전 운동시켜야 하는 관성 부하로서, 기저암 모터(2)의 회전 중심에서 그 질량중심이 멀어질수록 회전축 방향의 질량 관성 부하가 증가하게 된다. 또한 알고리즘부의 동작은, 현재 위치와 목적 위치를 궤도 작성기에 입력하면 궤도 작성기는 주어진 제한 조건(최대 속도, 최대 가속도)을 고려하여 속도 곡선을 생성한다.

위와 같은 종래 기술에 의한 로봇 시스템에서는, 로봇암의 재질을 통상적으로 사용되는 알루미늄을 채택하여 주물화하므로서 로봇암 자체의 질량을 상승시킴과 동시에 기계 요소류 및 동력 전달 요소를 구동원의 회전 중심에서 멀리 배치하여 구동원의 질량 관성 부하를 증가시키고, 이로 인하여 작업 시간이 길어진다는 문제가 있고, 종래의 궤도 작성기의 최대 가속도는 최악 부하 조건에서도 기계부에 무리를 주지 않도록 설정되어 있으나, 이러한 최악의 부하 조건이 문제가 되는 경우는 그리 많지 않으며, 동역학적으로 향상된 가·감속을 할 수 있음에도 사용하지 못하는 경우가 많다.

상기한 것을 고려하여 본 발명은, 종래 기술상의 문제점으로 언급된 로봇 구동원의 질량 관성 부하의 증가와 그로 인해 초래되는 작업 시간의 장기화를 해결하기 위해 로봇암의 재질을 탄소섬유 에폭시 복합재료를 채택하여 경량화하고, 기계 요소류 및 동력 전달 요소를 구동원의 회전 중심 방향으로 재배치하여 질량 관성 부하의 저감을 통해 로봇암의 저관성화를 구축하고, 또한 이에 알맞는 산업용 로봇의 작업시간 최적화 알고리즘을 채택하였다.

도 1은, 종래 기술에 의한 로봇 기계부의 구성을 나타내는 개략도.

도 2는, 본 발명에 의한 로봇 기계부의 구성을 나타내는 개략도.

도 3은, 종래 기술에 의한 로봇 제어 구조를 나타내는 블록도.

도 4는, 종래 기술에 의한 로봇 제어 플로우차트.

도 5는, 본 발명에 의한 로봇 제어 플로우차트.

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

(1) ------------------------- 로봇 기저부,

(2) ------------------------- 기저암 모터,

(3) ----------------------- 기저암 감속기,

(4) ------------------------------ 기저암,

(5) ---------------------------- 2암 모터,

(6) -------------------------- 2암 감속기,

(7) --------------------------------- 2암,

(8) ---------------------------- 3암 모터,

(9a) --------- 분리형 직선 회전 운동 유닛,

(9b) --------- 일체형 직선 회전 운동 유닛,

(10) --------------------------- 4암 모터,

(11) ----------------- 4암 동력 전달 유닛,

(12) ----------------- 2암 동력 전달 유닛,

(13) ----------------- 3암 동력 전달 유닛.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 도면(도 2, 도 5)을 참고하여 상세히 설명한다.

먼저 기계부는, 로봇 기저부(1)에 기저암 모터(2) 및 기저암 감속기(3)가 장착되고, 기저암 감속기(3) 선단에 기저암(4)이 결합되며, 기저암(4) 상부 회전 중심상에 장착된 2암 모터(5)와 이와 연결된 2암 감속기(6), 2암 감속기(6) 선단에 2암 동력 전달 유닛(12)이 기저암(4) 내부를 통하여 2암(7)에 결합되고, 2암(7) 상부의 회전 중심상에 3암 모터(8)가 장착되며, 이것은 3암 동력 전달 유닛(13)을 통하여 일체형의 직선·회전 운동 유닛(9b)과 결합하며, 2암(7) 내부에 장착된 4암 모터(10)를 4암 동력 전달 유닛(11)을 경유하여 일체형 직선·회전 운동 유닛(9b)에 연결시킨다. 상기한 기저암(4) 및 2암(7)은 탄소섬유 에폭시 복합재료로 제작된 로봇암이다.

상기한 구성을 갖는 기계부의 동작은, 로봇암의 경량화 및 저관성화를 위하여, 먼저 알루미늄 재질의 동일 강성 대비 비중이 ⅓수준으로 낮은 탄소섬유 에폭시 복합재료를 이용하여 기저암(4) 및 2암(7)을 제작하고, 기저암(4) 선단에 설치되었던 2암 모터(5) 및 2암 감속기(6)를 기저암 모터(2)의 회전 중심상으로 배치하고, 2암(7) 선단 상부에 설치되었던 3암 모터(8)를 2암 회전 중심상으로 배치하며, 2암(7) 선단 내부에 설치되었던 4암 모터(10)를 2암(7)의 회전 중심에 가깝게 설치하고, 일체형 직선·회전운동 유닛(9b)을 분리형에 대치하여 장착하였다.

또한 산업용 로봇의 작업 시간 단축을 위한 최적화 알고리즘을 개발, 탑재하여 작업시간을 단축시키는 경로계획을 구축하였다.

일반적인 로봇암의 동역학 방정식은 다음과 같이 표현된다.

τ_i= J_ij(q)q_j+ C_ijk(q)q_j'q_k'

여기서 τ_i는 팔에 작용하는 토크를, q_i는 경로의 좌표를, J_ij는 관성 행렬을, C_ijk는 콜리오리힘을, q'은 속도를 나타낸다.

또한, q_i를 매개변수 λ로 표현하면,

q_i= f_i(λ), 단, 0≤λ≤λ_max

매개 변수 λ에 의해 매개화된 q_i를 시간에 대해 미분하면,

q_i' = (df_i/dλ)(dλ/dｔ)= (df_i/dλ)λ' = (df_i/dλ)μ

위와 같은 식에 의해 기하학적인 경로상에서의 운동 방정식은,

λ' = μ

τ_i= J_ij(λ) (df_j/dλ)μ'+ [J_ij(d²f_j/dλ²) + C_ijk(λ)_j(df_j/dλ)(df_k/dλ)]μ²

로 주어진다.

상기한 식을 참고하여 종래 기술과 대비되는 알고리즘부의 동작을 살펴보면,

① 경로를 선정한다.

시작 위치와 목적 위치가 주어지면, 두 점을 연결하는 기하학적 경로를 가·감속 구간은 측지 가속도를 최소가 되도록 하고, 최대 속도로 회전하는 구간은 거리를 최소로 하는 방향으로 만들어 낸다.

② 경로를 추적한다.

i) λ=0, μ=μ₀에서 시작하여 최대 가속도 값을 갖는 궤적을 구성한다. 이 곡선을 위상 평면의 허용 범위를 넘어가거나 λ=λ_max, μ=μ_f에서 시작하여 거꾸로 나아가는 궤적을 구성하여 감속하는 곡선을 이루게 한다. 이 곡선 역시 허용 범위를 넘어가거나 λ=0를 지날 때까지 진행되어야 한다.

ii) 상기한 단계에서 궤적이 교차하면 알고리즘은 끝나게 된다. 두 궤적이 교차하는 점이 전환점이다. λ=0으로부터 전환점까지의 가속 곡선과 λ=λ_max로부터 전환점까지의 감속 곡선으로 이루어 진다. 상기 두 곡선이 교차하지 않는 경우, 경계 곡선 μ=ｇ(λ)와 가속 곡선이 바뀌는 지점이 발견될 때까지 경계 곡선을 따라간다. 이 지점이 다음 전환점 λ_d이다. λ_d로부터 가속하는 궤적과 만날 때까지 거꾸로 진행하는 감속 궤적을 구성한다. 이때 만나는 지점이 또 하나의 전환점이다.

③ λ_d로부터 가속하는 궤적을 구성하여 마지막 감속하는 궤적과 만나거나 허용 범위를 넘어설 때까지 진행한다. 이 궤적이 감속하는 궤적과 만난 경우의 교차점이 또 하나의 변환 지점이 되며, 구하고자 하는 최적의 궤적이 완성된다. 이 궤적이 허용 범위를 넘어선 경우에는 ②로부터 시작하여 변환 지점을 찾아야 한다.

알루미늄 재질의 동일 강성 대비 비중이 ⅓수준으로 낮은, 고유 진동수가 낮고 진동에 대한 감쇠특성이 뛰어나 정적으로는 유연하면서 동적으로는 높은 강성을 유지할 수 있는 탄소섬유 에폭시 복합재료를 사용하여 로봇암을 제작하므로서, 로봇 구동원의 질량 관성 부하의 증가와 그로 인해 초래되는 작업 시간의 장기화를 해결할 수 있고, 기계 요소류 및 동력 전달 요소를 구동원의 회전 중심 방향으로 재배치하여 질량 관성 부하의 저감을 통해 로봇암의 저관성화를 구축하고, 또한 이에 알맞는 최적화 알고리즘을 채택하여 로봇의 작업 시간을 단축시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 기저부와,

   상기한 기저부에 장착되어 동력을 전달하는 기저 모터와,

   상기한 기저부에 연결되어 회전축을 중심으로 구동하는 기저암과,

   상기한 기저암의 그 회전축 반대쪽 단부에 연결되는 적어도 하나의 암과,

   상기한 기저암 또는 암에 그 회전축과 동일 축선상에 장착되어, 상기한 기저암 또는 암의 단부에 연결된 암을 구동하는 적어도 하나의 모터로 구성되는 로봇 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기한 암은 탄소섬유 에폭시 복합재료인 것을 특징으로 하는 로봇 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기한 암은 일체형의 직선·회전 운동 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 에폭시 복합재료 로봇 시스템.
4. 시작위치와 목적위치의 두점을 연결하는 최소의 가속도 경로를 성정하는 단계와,

   임의의 최대가속도 궤적을 구성하여 이것의 감속궤적을 구성하는 단계와,

   상기 최소 가속도 경로와 최대 가속도의 감속궤적과의 교차지점을 찾아내는 단계와, 그리고

   교차지점까지의 가속곡선과 교차점 이후의 감속곡선에 의해 속도곡선을 출력하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 로봇시스템.