KR20010003878A

KR20010003878A - 로봇 구동용 모터의 속도제어방법

Info

Publication number: KR20010003878A
Application number: KR1019990024365A
Authority: KR
Inventors: 홍용준
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2001-01-15
Also published as: US6278253B1; KR100342255B1; CN1284784A; JP2001022424A; CN1258125C

Abstract

본 발명은, 모터 속도제어방법에 관한 것으로, 로봇을 구동하기 위한 모터와, 상기 모터를 제어하는 위치제어기와, 사용자로부터 로봇 동작명령이 입력되면 이에 기초하여 상기 모터를 제어하기 위한 완만한 커브의 속도지령 프로파일을 생성하여 상기 위치제어기로 내보내는 주제어기를 포함하는 모터 속도제어장치의 모터 속도제어방법에 있어서, 상기 로봇을 실시간 제어할 수 있도록 소정 로봇제어간격 이내에 완만한 커브(smooth curve)의 가속도 프로파일을 갖는 속도지령 프로파일을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터속도 제어방법에 의해 달성된다. 이에 따라 모터의 진동 및 소음이 감소되어 제어신뢰성이 향상된다.

Description

로봇 구동용 모터의 속도제어방법{motor speed control method for robot}

본 발명은, 모터의 속도제어방법에 관한 것으로, 특히 산업용 로봇을 구동하기 위한 모터의 속도제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 산업용 로봇은, 목표물을 3차원 공간에서 이동시키거나 요구되는 작업을 수행하는 기계적인 부분으로, 로봇을 지탱하기 위한 중심대인 바디, 요구되는 작업에 필요한 도구가 끼워지는 엔드이펙터를 작업 영역의 특정한 위치로 보내는 아암을 포함하는 매니퓰레이터, 매니퓰레이터를 제어하는 제어기 및 이들에게 동력을 공급하는 동력공급원을 포함한다. 매니퓰레이터의 아암 등에는 각각 서보모터가 장착되어 있고 제어기는 이들 서보모터를 제어함으로써 할당된 작업을 수행시킨다.

통상, 제어기는 주제어기, 위치제어기 및 서보모터를 구동하는 서보드라이버를 포함하는 바, 주제어기는 현재위치와 사용자로부터 입력받은 목표위치 등 사용자의 동작명령에 기초하여 속도지령 프로파일을 생성시켜 위치제어기로 전달하고, 위치제어기는 전달받은 속도지령 프로파일에 기초하여 서보드라이버를 제어하여 서보모터를 구동시켜 아암을 한 지점에서 다른 지점으로 이동시키는 한편, 서보모터에 장착되어 있는 엔코더 등으로부터 현재위치를 입력받아 아암의 위치를 피드백제어한다.

도 1의 a 및 a'은 종래기술에 따른 사용자로부터 속도명령에 대한 궤적(path)을 도시한 그래프이고, 도 1의 b 및 b'은 각각 종래기술에 따른 도 1의 a 및 a'에 대한 속도지령 프로파일이고, 도 1의 c 및 c'은 각각 도 1의 b 및 b'에 대한 가속도 프로파일이다.

종래 로봇에 있어서, 주제어기는 사용자로부터의 이동명령에 따라 최종목표값을 계획한 속도궤적(path plan)을 생성하고(도1의 a 및 a'), 다시 상기 속도궤적에 기초하여 실제 가감속이 행해지는 속도지령 프로파일(trajectory plan profile)을 생성한다(도1의 b 및 b').

즉, 종래 로봇에 따르면, 매니퓰레이터를 구동하는 서보모터제어를 위해서 주제어기는 속도궤적을 생성하고 난 후 이에 기초하여 다시 속도지령 프로파일을 생성하여야 하므로, 사용자의 명령에 대한 대응이 신속하지 못하다. 더욱이, 속도지령 프로파일이 비록 완만한 커브(smooth curve)의 연속값으로 주어진다고 하더라도 도 1의 c 및 c'과 같이, 가속도 프로파일(jerk)은 미분불가능한 점이 다수 존재하며, 상기 미분불가능점 부근에서는 가속도 변화율이 급격히 변화하여 모터의 진동 및 소음이 발생하게 되고, 이들은 로봇 성능에 대한 신뢰성을 저하시키며 모터를 포함한 기계장치에 충격을 가하여 로봇의 수명을 단축시킨다. 이러한 진동은 특히 관성과 중력의 영향을 크게 받는 산업용 로봇 등 대형 기계장치에서 극명히 나타난다.

한편, 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 완만한 커브의 가속도 프로파일을 갖는 속도지령 프로파일을 생성하기 위한 많은 연구가 행하여지고 그 결과가 발표된 바 있으나, 학술적인 연구사례로 그쳤을 뿐, 속도지령 프로파일 생성을 위해 수행되어야 하는 계산량이 너무 많아 이의 계산에 통상 로봇의 제어간격인 10∼20msec를 초과하는 시간이 소요되어, 실제 로봇의 실시간 제어에 활용되지 못하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 속도지령 프로파일과 가속도 프로파일이 완만한 커브의 연속값을 가지도록 함과 동시에 속도변경이 실제 모터의 동작속도로 변경되는 시간을 감소시켜 실시간제어를 가능하도록 하는 모터의 속도제어방법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 사용자 명령 궤적(path), 이에 따른 속도지령 프로파일, 및 가속도 프로파일을 도시한 그래프이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 개략적인 블록도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 주제어기의 개략적인 블록도,

도 4는 속도지령 프로파일 및 가속도 프로파일 생성을 위한 소프트웨어 블록도,

도 5는 동작제어부의 속도지령 프로파일 및 가속도 프로파일 생성을 위한 플로우챠트,

도 6은 본 발명에 따른 등속구간에서의 속도지령 프로파일 및 가속도 프로파일의 그래프,

도 7은 등속구간에서 속도가 60%로 변경된 경우의 속도지령 프로파일 및 가속도 프로파일의 그래프,

도 8는 등속구간을 포함하지 않는 구간에서의 속도지령 프로파일 및 가속도 프로파일의 그래프,

도 9는 등속구간을 포함하지 않는 구간에서 속도가 60%로 변경된 경우의 속도지령 프로파일 및 가속도 프로파일의 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 주제어기 3 : 위치제어기

5 : 서보드라이버 7 : 서보모터

11 : 통신 모듈 13 : CPU

15 : ROM 16 : RAM

17 : DPRAM 2 : 사용자 인터페이스장치

상기 목적은, 본 발명에 따라, 로봇을 구동하기 위한 모터와, 상기 모터를 제어하는 위치제어기와, 사용자로부터 로봇 동작명령이 입력되면 이에 기초하여 상기 모터를 제어하기 위한 완만한 커브의 속도지령 프로파일을 생성하여 상기 위치제어기로 내보내는 주제어기를 포함하는 모터 속도제어장치의 모터 속도제어방법에 있어서, 상기 로봇을 실시간 제어할 수 있도록 소정 로봇제어간격 이내에 완만한 커브(smooth curve)의 가속도 프로파일을 갖는 속도지령 프로파일을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터속도 제어방법에 의해 달성된다.

여기서, 상기 속도지령 프로파일생성단계는, 다음식에 의해 상기 로봇의 위치변화량 ΔP, 최대 구간수 TP_max,및 가속구간 수 TA_max를 구하는 동작제어 준비단계를 포함하는 것이 바람직하다;

(단, A_p는 가속구간으로, 사용자의 동작명령에 의해 설정된 값)

그리고, 상기 동작제어 준비단계는, 최대구간수 TP_max가 가속구간수 TA_max보다 작은 경우에, 다음의 식을 이용하여 다시 최대구간수 TP_max,와 가속구간수 TA_max를 계산하는 것이 바람직하다;.

또한, 상기 동작제어 준비단계는, 상기 구해진 위치변화량 ΔP, 최대 구간수 TP_max,및 가속구간 수 TA_max값을 이용하여 다음식에 따라 1구간의 위치변화량 ΔP₁을 구하고, 초기속도S_i, 최대속도 S_m및 종료속도 S_f의초기값을 각각 0,1,0으로 설정하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다;

한편, 상기 속도지령 프로파일 생성단계는, 속도지령 프로파일이 생성될 때마다 1씩 증가되는 구간 계수기 TP_c의 초기값을 0으로 설정하며, 다음식에 의하여, 가속시 현재속도를 구하기 위한 값 Aa₀, Aa₁, Aa_2,감속시 현재속도를 구하기 위한 값 Da₀, Da₁및 가속구간수 T_acc, 감속구간수 T_cec, 가속 및 등속구간수 TP_i를 구하여 속도지령 프로파일 생성에 필요한 변수값을 구하는 것이 효과적이다;

{Aa}_{0}={S}_{i}

이 때,값이 소정 상수보다 큰 경우에는 다음 식에 따라 등속구간수 TP_i및 최대속도 S_m를 다시 구하는 것이 바람직하다;

그리고, 다음 조건에 따라 현재속도 V_c값을 계산하여 속도지령 프로파일을 생성하며, 상기 얻어진 현재 속도 V_c와 현재위치 P_c를 더함으로써 현재위치 P_c를 갱신하는 것이 효과적이다;

① TP_c＜ T_acc인 경우

② TP_c＜ TP_i인 경우

③ 나머지 경우

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 개략적인 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 주제어기의 개략적인 블록도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇은, 로봇의 전체 동작을 제어하는 주제어기(1), 주제어기(1)로부터의 속도지령 프로파일에 기초하여 서보드라이버(5)를 제어함과 동시에 로봇의 위치를 피드백제어하는 위치제어기(3), 위치제어기(3)로부터 지령을 받아 서보모터(7)를 구동하는 서보드라이버(5), 및 로봇에 장착되어 실제로 로봇을 구동시키는 서보모터(7)를 포함한다.

주제어기(1)는, 사용자가 로봇의 작동명령을 프로그램하는 사용자 인터페이스장치(2)와의 통신을 위한 통신모듈(11), 속도지령 프로파일을 생성하기 위한 CPU(13), 로봇 시스템 제어프로그램을 실행코드로서 저장하는 ROM(15), 사용자의 명령프로그램 및 CPU(13)의 속도 및 가속도프로파일 생성을 위한 연산에 필요한 가변정보를 저장하기 위한 RAM(16), 위치제어기(3)와의 속도지령 및 위치정보 통신을 위한 DPRAM(Dual Port RAM)(17)을 포함한다.

이상과 같은 구성에 의하여, 로봇에 전원이 공급되면 ROM(15)에 저장되어 있는 제어실행코드가 동작하게 되며, 제어실행코드의 실행에 필요한 데이터는 RAM(16)에 기록된다. 사용자가 사용자인터페이스 장치(2)를 사용하여 명령프로그램을 입력하면 CPU(13)는 이에 기초하여 속도지령 프로파일 및 가속도 프로파일을 생성한다.

도 4는 주제어기(1)에서 이루어지는 속도지령 프로파일 및 가속도 프로파일 생성을 위한 소프트웨어 블럭도이며, 도 5는 도 4의 동작제어부(120)의 속도지령 프로파일 및 가속도 프로파일 생성을 위한 플로우챠트이다.

이하에서는 도면을 참고하여 본 발명에 따른 로봇의 주제어기(1)에 의한 속도지령 프로파일 생성과정을 자세히 설명하기로 한다.

소정 로봇언어로 작성된 사용자의 명령프로그램이 사용자 인터페이스 장치(2)를 통해 주제어기(1)로 입력되면 로봇언어 해석부(110)에 의해 이의 의미가 해석되고 해석된 명령이 로봇의 동작명령인 경우 로봇언어 해석부(110)는 이를동작제어부(120)로 보낸다. 동작지시와 목표위치 P_g를 입력받은 동작제어부(120)는 목표위치 P_g와 기타 사용자가 설정 한 변수값을 이용하여 다음과 같은 연산을 수행함으로써 동작제어를 준비한다(S1). 즉, 동작제어 준비단계(S1)에서는 다음 식에 따라 현재위치 P_c와 목표위치 P_g와의 차이값에 해당하는 위치변화량 ΔP, 최대 구간수 TP_max, 가속구간 수 TA_max를 구한다.

여기서 A_p는 가속구간으로 사용자에 의해 기 설정된 변수값이다. 이 때, 최대구간수 TP_max가 가속구간수 TA_max보다 작으면 논리에 맞지 않으므로, 다음의 식을 이용하여 다시 최대구간수 TP_max,와 가속구간수 TA_max를 계산한다.

위에서 구한 각 값을 이용하여 다음식에 따라 1구간의 위치변화량 ΔP₁을 구한다.

초기속도S_i, 최대속도 S_m및 종료속도 S_f는 각각 0,1,0의 초기값을 지정한다.

이와 같이, 위치변화량 ΔP, 최대구간수 TP_max, 가속구간수 TA_max, 1구간의 위치변화량 ΔP₁을 구한 후, 초기속도S_i, 최대속도 S_m및 종료속도 S_f를 설정함으로써 동작제어 준비단계(S1)는 완성된다.

다만, 동작제어 준비단계(S1)에서 구해진 위치변화량 ΔP가 ROM(15)에 저장된 로봇 시스템 제어프로그램에 설정된 상수값인 최소위치이동량 MINPOSITION 보다 작은 경우에는 이미 로봇이 목표위치에 있다고 판단하고 동작제어를 종료한다.

동작제어 준비가 완료되면, 동작제어부(120)는 속도지령 프로파일을 생성하기 위해 필요한 변수값을 구한다(S2). 이 단계에서는 가속시 현재속도를 구하기 위한 값 Aa₀, Aa₁, Aa_2,감속시 현재속도를 구하기 위한 값 Da₀, Da₁및 가속구간수 T_acc, 감속구간수 T_cec, 가속 및 등속구간수 TP_i를 구한다.

먼저, 다음 식을 이용하여 T_acc및 T_cec를 구한다.

다음으로 TP_i를 구한다.

이 때,의 값이 ROM(15)에 저장된 로봇 시스템 제어프로그램에 설정된 상수값인 속도보정기준값 VELCOMPENSATION 보다 큰 경우에는 로봇 생산자가 설정한 신뢰성 제어범위를 벗어나므로, TP_i및 S_m값을 다음식에 의해 다시 계산한다.

이어, 다음 식에 의해 Aa₀, Aa₁, Aa_2,Da₀, Da₁을구한다.

{Aa}_{0}={S}_{i}

한편, TP_c는 구간 계수기로서 초기값을 0으로 설정하며, 속도지령 프로파일이 생성될 때마다 1씩 증가된다.

다음은 상기 계산결과를 가지고 속도지령 프로파일을 생성하는 단계이다(S3). 속도지령 프로파일을 생성하기 위하여 현재속도 V_c값을 계산한다. 이 때, V_c값은 다음과 같이 조건에 따라 선택적으로 계산된다.

① TP_c＜ T_acc인 경우는 다음 식에 의한다.

② TP_c＜ TP_i인 경우는 다음식에 의한다.

③ 나머지 경우에는 다음식에 의한다.

위에서 얻어진 현재 속도 V_c는 단위시간당 현재이동거리를 의미하므로 현재위치 P_c에 더해져서 현재위치 P_c가 갱신된다.

다음으로, 속도명령전송부(130)는 P_c값을 DPRAM(17)에 저장한 후, 위치제어기(3)로 현재위치가 갱신되었음을 알려준다.

다시, 동작제어부(120)는 처음 입력받은 목표위치 P_g와 갱신된 현재위치P_c와의 위치변화량 ΔP과 최소이동위치량 MINPOSITION을 비교하여 위치변화량이 최소이동위치량보다 작은 경우에는 목표위치에 도달하였다고 판단하여(S5), 동작제어를 종료한다. 그러나, 위치변화량이 최소이동위치량보다 같거나 큰 경우에는 목표위치에 도달하지 못하였다고 판단하여(S5), 사용자의 명령속도 S가 변경되었는지 여부를 검사하고(S6), 이의 변경이 없는 경우에는 목표위치에 도달할 때까지 속도지령 프로파일 생성단계로 되돌아 간다(S3).

사용자명령속도 S가 변경된 경우에는(S6), 속도지령 프로파일 생성에 필요한 변수값을 다시 계산하고(S2), 이에 기초하여 속도지령 프로파일을 다시 생성한다(S3).

이와 같은 과정을 거쳐 목표위치에 도달하면(S5), 동작제어부(120)는 동작제어를 종료한다.

도 6에서 도 9까지는 상기와 같은 과정을 거쳐 생성된 속도지령 프로파일과 가속도 프로파일을 도시한 그래프로, 보다 상세하게는 도 6는 등속구간, 도 7는 등속구간에서 속도지령 프로파일 생성 중 속도가 60%로 변경된 경우, 도 8는 등속구간을 포함하지 않는 구간, 및 도 9는 등속구간을 포함하지 않는 구간에서 속도지령 프로파일 생성 중 속도가 60%로 변경된 경우를 나타낸다. 도시된 그래프는, 등속구간에서는 물론 속도변화가 발생하는 경우에도 이의 속도지령 프로파일 및 가속도 프로파일이 완만한 커브의 연속적인 변화량을 갖는다. 따라서, 급격한 속도변화 및 가속도 변화점이 존재하지 않음을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 속도지령 프로파일 및 가속도 프로파일이 연속적인 변화량을 갖는 모터제어방법이 제공되며, 이에 따라 모터의 진동 및 소음이 감소되어 제어신뢰성이 향상된다.

더불어, 종래 모터 제어방법은 사용자의 구동명령에 기초하여 먼저 목표값의 속도궤적(path plan)을 생성하고 이에 따라 다시 속도지령 프로파일을 생성하는 2단계를 거쳤던 것에 비해 본 발명에 따른 모터 제어방법은 목표값에 따라 곧바로 속도지령 프로파일을 생성한다. 따라서, 속도지령 프로파일 생성 도중에 사용자의 속도명령이 변경되더라도 속도지령 프로파일을 즉시 생성할 수 있기 때문에 속도변화에 대한 대응이 매우 빨라 실시간 제어가 가능하다.

Claims

로봇을 구동하기 위한 모터와, 상기 모터를 제어하는 위치제어기와, 사용자로부터 로봇 동작명령이 입력되면 이에 기초하여 상기 모터를 제어하기 위한 완만한 커브의 속도지령 프로파일을 생성하여 상기 위치제어기로 내보내는 주제어기를 포함하는 모터 속도제어장치의 모터 속도제어방법에 있어서,

상기 로봇을 실시간 제어할 수 있도록 소정 로봇제어간격 이내에 완만한 커브(smooth curve)의 가속도 프로파일을 갖는 속도지령 프로파일을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터속도 제어방법.
제 1 항에 있어서,

상기 속도지령 프로파일생성단계는, 다음식에 의해 상기 로봇의 위치변화량 ΔP, 최대 구간수 TP_max,및 가속구간 수 TA_max를 구하는 동작제어 준비단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 속도제어방법;

[수학식 1]

(단, A_p는 가속구간으로, 사용자의 동작명령에 의해 설정된 값)
제 2 항에 있어서,

상기 동작제어 준비단계는,

최대구간수 TP_max가 가속구간수 TA_max보다 작은 경우에, 다음의 식을 이용하여 다시 최대구간수 TP_max,와 가속구간수 TA_max를 계산하는 것을 특징으로 하는 모터속도 제어방법;.

[수학식 2]
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 동작제어 준비단계는, 상기 구해진 위치변화량 ΔP, 최대 구간수 TP_max,및 가속구간 수 TA_max값을 이용하여 다음식에 따라 1구간의 위치변화량 ΔP₁을 구하고, 초기속도S_i, 최대속도 S_m및 종료속도 S_f의초기값을 각각 0,1,0으로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터속도 제어방법;

[수학식 3]
제 4 항에 있어서,

상기 속도지령 프로파일 생성단계는,

속도지령 프로파일이 생성될 때마다 1씩 증가되는 구간 계수기 TP_c의 초기값을 0으로 설정하며, 다음식에 의하여, 가속시 현재속도를 구하기 위한 값 Aa₀, Aa₁, Aa_2,감속시 현재속도를 구하기 위한 값 Da₀, Da₁및 가속구간수 T_acc, 감속구간수 T_cec, 가속 및 등속구간수 TP_i를 구하여 속도지령 프로파일 생성에 필요한 변수값을 구하는 것을 특징으로 하는 모터 속도제어방법;

[수학식 4]

[수학식 5]

[수학식 7]

{Aa}_{0}={S}_{i}
제 5 항에 있어서,

값이 소정 상수보다 큰 경우에는 다음 식에 따라 등속구간수 TP_i및 최대속도 S_m를 다시 구하는 것을 특징으로 하는 모터 속도제어방법;

[수학식 6]
제 6 항에 있어서,

다음 조건에 따라 현재속도 V_c값을 계산하여 속도지령 프로파일을 생성하며, 상기 얻어진 현재 속도 V_c와 현재위치 P_c를 더함으로써 현재위치 P_c를 갱신하는 것을 특징으로 하는 모터 속도 제어방법;

① TP_c＜ T_acc인 경우

② TP_c＜ TP_i인 경우

③ 나머지 경우