KR20010012899A - 로봇 제어방법 및 제어장치 - Google Patents

Abstract

각 축의 전기모터와 로봇아암 사이에 스프링부재를 갖는 기구가 형성된 다축로봇의 제어시에, 축들간의 역학적인 간섭으로 인한 진동 및 전기모터의 고주파 진동을 발생시키지 않고 툴선단의 궤적 정밀도가 향상된다. 모델 제어기 (1) 는, 전기모터에 대한 위치명령 (X_{ref_L}, X_{ref_U}) 을 입력받고, 모델모터위치명령 (θ_{Mm_L}, θ_{Mm_U}), 모델모터속도명령 ( _{Mm_L}, _{Mm_U}), 모델피드포워드명령 (U_{FF_L}, U_{FF_U}) 을, 전기모터와 로봇아암을 구동 및 제어하는 피드백 제어기 (10_L, 10_U) 로 출력한다. 모델 제어기 (1) 는 축들간에 작용하는 타축으로부터의 간섭력을 고려하여 보정량 (보정토크) 을 산출하여 상기 간섭력을 상쇄하는 보정량산출기 (3_L, 3_U) 를 구비한다. 모델 제어기 (1) 는 이 보정량을 갖는 모델피드포워드명령을 출력한다.

Description

로봇 제어방법 및 제어장치 {ROBOT CONTROL METHOD AND DEVICE}

기술 분야

본 발명은 산업용 로봇과 같은 다축 로봇을 제어하는 로봇 제어장치에 관한 것으로, 특히, 축들간의 역학적인 간섭에 의해 생성된 진동을 억제할 수 있는 로봇 제어방법 및 제어장치에 관한 것이다.

배경 기술

일반적으로, 전기모터에 의해 축이 제어되는 산업용 로봇은, 전기모터의 힘부족을 보충하거나 부하측으로부터의 외란력의 영향을 최소화하기 위하여, 감속비가 큰 하모닉 (harmonic) 드라이브 등의 기어를 통하여 부하측의 아암을 구동한다. 이와 같이 감속비가 큰 기어에 의하여, 지금까지는, 제어축들간의 역학적 간섭은 큰 문제가 아니었다. 그러나, 근래의 고속화 및 고정밀화된 로봇동작에 대한 요구가 높아지면서, PI (Proportional plus Integral) 제어 프로세스로서는 보상될 수 없는 역학적 영향이나, 고감속비로 아암이 구동되더라도 무시할 수 없는 외란에 의한 문제가 발생되고 있다.

본 출원인은, 이미, 각 축의 전기모터와 로봇 아암 사이에 감속기와 같은 스프링 부재를 갖는 기구가 형성된 다축 로봇에서 축간섭으로 의한 진동을 억제하는 방법을 출원하였으며, 그 내용은 일본특허출원 제9-222910호 공보에 개시되어 있다. 이 일본특허출원 제9-222910호 공보에 개시된 발명에 따르면, 다축 로봇의 축과 접속된 상태 관측기가 전동모터와 부하간의 비틀림각을 추정하고, 이 추정된 비틀림각을 이용하여 간섭력을 계산한다. 이 간섭력에 기초하여 보정토크가 결정된 후, 전기모터의 토크에 가산되어 출력된다.

그러나, 상술한 특개평 제9-222910호 공보에 개시된 제어방법에서는, 상태관측기에 의해 추정된 비틀림각을 미분하여 보정토크를 산출한다. 이 때, 보정토크에 잡음이 중첩되기 쉬운데, 그 경우 전기모터가 고주파진동을 일으키거나 동작시에 소리가 커지게 된다.

발명의 개요

본 발명의 목적은, 축들간의 역학적인 간섭으로 인한 진동 및 전기모터의 고주파 진동을 유발시키지 않고, 툴선단 (tool tip) 의 궤적 정밀도를 향상시킬 수 있는 로봇 제어방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 축들간의 역학적인 간섭으로 인한 진동 및 전기모터의 고주파 진동을 유발시키지 않고, 툴선단의 궤적 정밀도를 향상시킬 수 있는 로봇 제어장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 첫번째 목적은, 각 축의 전기모터와 로봇아암 사이에 스프링 부재를 갖는 기구가 형성된 다축로봇을 제어대상으로서 제어하는 방법에 의해 달성될 수 있는데, 이 제어방법은, 제어대상의 의사모델 (pseudo-model) 및 제어대상에 대한 피드백 제어시스템을 제공하는 단계, 상기 각 전기모터에 대한 위치명령을 입력받아, 상기 의사모델을 이용하여 상기 각 축에 대한 모델모터위치명령, 모델모터속도명령 및 모델 피드포워드 (feed-forward) 명령을 출력하는 단계, 상기 의사모델을 이용하여 축들간에 작용하는 타축으로부터의 간섭에 의한 간섭토크를 구하고, 상기 간섭토크를 상쇄하는 모델보정토크를 산출하는 단계, 이 모델보정토크를 상기 모델피드포워드명령에 가산하여 최종적인 모델모터가속도명령을 얻는 단계, 및 상기 모델모터위치명령, 모델모터속도명령 및 최종적인 모델모터가속도명령에 기초하여 각 축에 대한 피드백 제어프로세스를 수행하는 단계로 구성된다.

본 발명의 두번째 목적은, 각 축의 전기모터와 로봇아암 사이에 스프링 부재를 갖는 기구가 형성된 다축로봇을 제어하는 장치에 의해 달성될 수 있는데, 이 제어장치는, 각 전기모터에 대한 위치명령을 입력받아 각 축에 대한 모델모터위치명령, 모델모터속도명령 및 모델피드포워드명령을 출력하는 모델 제어기, 상기 모델 제어기로부터 출력된 상기 각 명령에 기초하여 상기 전기모터 및 상기 로봇아암을 구동 및 제어하는 피드백 제어기를 구비하되, 상기 모델 제어기는, 상기 축들간에 작용하는 타축으로부터의 간섭에 의한 간섭토크를 구하여 상기 간섭토크를 상쇄하는 모델보정토크를 산출하는 보정량산출기를 구비함으로써 상기 모델보정토크가 가산된 상기 모델피드포워드명령을 출력한다.

본 발명에서는, 보정량을 산출할 때에, 모델모터와 모델로봇아암간의 위치편차인 모델 비틀림각으로부터 간섭토크를 산출할 수가 있다.

본 발명에 따르면, 로봇의 소정 축이 타축으로부터 받는 간섭력을 간섭토크로 산출하여 모델 제어기로 보정한다. 이 보정량 (보정토크) 에 기초한 표준 상태량을 피드백 제어기로 입력한다. 간섭력을 상쇄하기 위한 보정량의 산출에 모델에서의 양, 예를 들면, 모델의 비틀림각을 이용하기 때문에, 미분연산을 행하더라도 보정량에는 어떠한 잡음성분도 중첩되지 않는다. 따라서, 전기모터의 고주파진동이나 동작시의 소리가 커지게 되는 것이 방지되며, 로봇툴의 궤적 정밀도가 향상되게 된다.

도면의 간단한 설명

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇제어장치의 제어블록도이다.

도 2 는 모델 제어기의 제어블록도이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 설명한다.

설명을 쉽게 하기 위하여 2축 로봇의 경우로 본 실시예를 설명하지만, 당업자들이 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 3축이상의 로봇과 같은 다축 로봇에도 하기의 설명을 해당하는 축수만큼 확장함으로써 본 발명을 적용할 수 있다. 여기서, 2축은 L축과 U축으로 표시되며, L축에 관한 명령 및 양에 대해서는 접미어 "_L“이 첨부된 명령 및 양을 나타내는 변수로 표시되며, 이와 유사하게, U축에 관한 명령 및 양에 대해서는 접미어 "_U“가 첨부된 명령 및 양을 나타내는 변수로 표시된다.

도 1 은 각 축에 대해 2관성계 (two-inertia system) 를 근사시킨 로봇제어시스템의 기본적인 배치를 나타낸다. 이 2질량계 (two-mass system) 는 전기모터 (11_L, 11_U), 감속기와 같은 스프링 부재 (12_L, 12_U) 및 로봇아암 (13_L, 13_U) 를 구비한다. 전기모터 (11_L, 11_U) 의 각 토크상수는 K_{t_L}, K_{t_U}로, 각 축의 전기모터 (11_L, 11_U) 의 각 실제위치는 θ_{m_L}, θ_{m_U}로, 전기모터의 각 실제속도는 _{m_L}, _{m_U}로, 감속기 (12_L, 12_U) 의 각 감속비는 N_{_L}, N_{_U}로, 감속기의 각 스프링상수는 K_{C_L}, K_{C_U}로, 아암 (13_L, 13_U) 의 각 관성모멘트는 J_{L_L}, J_{L_U}로, 아암의 각 실제위치는 θ_{L_L}, θ_{L_U}로, 아암의 각 가속도, 즉, 부하의 각 가속도는 _{L_L}, _{L_U}로 표시된다.

또한, U축과 L축간의 간섭을 표현하기 위하여, 로봇아암의 질량 및 양축간의 각도에 의해 결정되는 M_LU/M_O ²의 값이 L축의 부하토크에 승수되고 U축의 부하가속도에 작용하며, 이와 유사하게, M_UL/M_O ²의 값이 U축의 부하토크에 승수되고 L축의 부하가속도에 작용한다고 가정한다.

전기모터 (11_L, 11_U) 는 이 전기모터 (11_L, 11_U) 의 실제위치를 출력하는 각 센서 (도시되지 않음) 와 접속된다.

로봇제어장치는 각 축의 모터위치명령 (X_{ref_L}, X_{ref_U}) 에 따라서 L축 및 U축을 제어한다. 이 로봇제어장치는 L축 및 U축상에서 피드백 제어프로세스를 수행하기 위한 각 피드백 제어기 (10_L, 10_U), 이 피드백 제어기 (10_L, 10_U) 와 제어대상의 의사모델인 모델 제어기 (1) 를 구비한다. 모델 제어기 (1) 는, 모터위치명령 (X_{ref_L}, X_{ref_U}) 을 입력받아, 로봇의 역학관계를 고려하여 각 축의 피드포워드명령 (U_{FF_L}, U_{FF_U}) 을 계산하여 각 축의 전기모터 (11_L, 11_U) 의 가속도항에의 피드포워드보상을 수행함과 동시에, 표준 모델에서의 각 축의 모터위치 (θ_{Mm_L}, θ_{Mn_U}), 모터속도 ( _{Mm_L}, _{Mn_U}), 비틀림각 (θ_{Ms_L}, θ_{Ms_U}) 및 비틀림 각속도 ( _{Ms_L}, _{Ms_U}) 를 산출하여 출력한다. 이하, 모델 제어기 (1) 로부터 출력된 각 요소에는 접두어 "모델" 을 부가한다.

피드백 제어기 (10_L, 10_U) 에서, 각 축의 위치이득은 K_{p_L}, K_{p_U}로, 각 축의 속도이득은 K_{v_L}, K_{v_U}로 표시된다. 피드백 제어기 (10_L, 10_U) 는 각 전기모터 (11_L, 11_U) 로 주어지는 각각의 최종적인 가속도명령 (U_{ref_L}, U_{ref_U}) 을 출력하며, 이 가속도명령 (U_{ref_L}, U_{ref_U}) 은 각 구동회로 (14_L, 14_U) 에 의해 각 전류명령 (I_{ref_L}, I_{ref_U}) 으로 변환된다. 이 각 전류명령 (I_{ref_L}, I_{ref_U}) 에 의해 전기모터 (11_L, 11_U) 가 구동된다.

또한, 로봇제어장치는, L축 및 U축에 대하여, 전기모터의 최종 가속도명령 (U_{ref_L}, U_{ref_U}) 및 전기모터의 실제위치 (θ_{m_L}, θ_{n_U}) 를 제공받아 실제의 비틀림각 (θ_{s_L}, θ_{s_U}), 비틀림 각속도 ( _{s_L}, _{s_U}) 를 추정하는 상태관측기 (2_L, 2_U) 를 구비한다. 상태관측기 (2_L, 2_U) 는 예를 들면 일본특허출원 제9-222910호 공보에 개시되어 있는 상태관측기를 포함하는 것이 바람직하다. 상태관측기 (2_L, 2_U) 에 의한 추정값은 피드백 제어기 (10_L, 10_U) 로 각각 출력된다.

피드백 제어기 (10_L, 10_U) 는 모델 제어기 (1) 로부터 출력된 모델모터위치 (θ_{Mm_L}, θ_{Mm_U}) 와 실제의 모터위치 (θ_{m_L}, θ_{m_U}) 간의 편차를 위치이득 (K_{p_L}, K_{p_U}) 으로 승수하여 각 축에 대한 속도명령을 얻는다. 이렇게 얻어진 각 속도명령에, 모델모터속도 ( _{Mm_L}, _{Mm_U}) 와 실제의 모터속도 ( _{m_L}, _{m_U}) 간의 편차를 가산한다. 그 후, 이 가산된 합에 속도이득 (K_{v_L}, K_{v_U}) 를 승수하여, 가속도명령을 얻는다. 이 가속도명령에 대하여, (a) 모델 제어기 (1) 로부터의 피드포워드명령 (U_{FF_L}, U_{FF_U}), (b) 모델비틀림각 (θ_{Ms_L}, θ_{Ms_U}) 과 상태관측기 (2_L, 2_U) 로부터 출력된 비틀림각 (θ_{s_L}, θ_{s_U}) 간의 편차와 피드백이득 (K_{1_L}, K_{1_U}) 의 곱, (c) 모델비틀림각속도 ( _{Ms_L}, _{Ms_U}) 와 상태관측기 (2_L, 2_U) 로부터 출력된 비틀림각속도 ( _{s_L}, _{s_U}) 간의 편차와 피드백이득 (K_{2_L}, K_{2_U}) 의 곱에 의해 각 축에 대한 최종적인 모터가속도명령 (U_{ref_L}, U_{ref_U}) 을 얻을 수 있게 된다.

상술한 로봇제어시스템에서는, 이렇게 얻어진 최종적인 모터가속도명령 (U_{ref_L}, U_{ref_U}) 에 기초하여 각 축의 전기모터 (11_L, 11_U) 가 구동되어, 감속비가 각각 N_{_L}, N_{_U}인 감속기를 통하여 각 축의 아암이 구동되게 된다. 이 때, 상술한 바와 같이, 축들간의 간섭력이 각 축의 부하가속도에 작용한다.

이하, 모델 제어기 (1) 의 구성을 설명한다. 도 2 는 피드백제어기, 전기모터, 감속기 및 로봇아암을 나타내는 의사모델로 구성된 모델 제어기 (1) 의 구성을 상세하게 나타낸다. 의사모델에 있어서의 각 축의 위치이득과 속도이득은 각각 모델위치이득 (K_{pM_L}, K_{pM_U}) 과 모델속도이득 (K_{vM_L}, K_{vM_U}) 이다. 이와 유사하게, 모델모터관성모멘트 (J_{mM_L}, J_{mM_U}), 모델아암관성모멘트 (J_{LM_L}, J_{LM_U}), 모델감속비 (N_{M_L}, N_{M_U}), 모델감속기스프링정수 (K_{cM_L}, K_{cM_U}) 가 모델파라미터로서 정해진다.

모델 제어기 (1) 는 각 축의 모터위치명령 (X_{ref_L}, X_{ref_U}) 을 입력받아, 이 모터위치명령 (X_{ref_L}, X_{ref_U}) 과 모델모터위치 (θ_{Mm_L}, θ_{Mm_U}) 간의 편차에 모델위치이득 (KpM_L, KpM_U) 을 승수하여 각 축에 대한 모델속도명령을 얻는다. 또한, 모델 제어기 (1) 는 이들 모델속도명령으로부터 각 축의 모델모터속도 ( _{Mm_L}, _{Mm_U}) 를 감산한 값에, 모델속도이득 (K_{vM_L}, K_{vM_U}) 을 승수하여, 각 축에 대한 모델가속도명령을 얻는다. 그 다음, 모델 제어기 (1) 는 이 모델가속도명령으로부터, 모델감속기로부터 얻은 모델비틀림각 (θ_{Ms_L}, θ_{Ms_U}) 에 모델피드백이득 (K_{1M_L}, K_{1M_U}) 을 승수한 값과, 모델비틀림각 (θ_{Ms_L}, θ_{Ms_U}) 을 미분하여 얻은 모델비틀림각속도 ( _{Ms_L}, _{Ms_U}) 에 모델피드백이득 (K_{2M_L}, K_{2M_U}) 을 승수한 값을 감함으로써 모델가속도명령 (U_{Mref_L}, U_{Mref_U}) 을 얻는다. 이 모델가속도명령 (U_{Mref_L}, U_{Mref_U}) 은 모델전기모터로 입력된다. 따라서, 모델가속도명령 (U_{Mref_L}, U_{Mref_U}) 은 다음식,

으로 표현될 수 있다.

그러나, 상술한 바와 같이 이 실시예에서의 2축 로봇에서는, 간섭때문에, L축의 부하토크가 로봇아암의 질량 및 축들사이의 각도에 의해 결정되는 값 (M_LUM/M_oM ²) 에 의해 승수되고 U축의 부하가속도에 작용하며, 이와 유사하게, U축의 부하토크가 값 (M_LUM/M_oM ²) 에 의해 승수되고 L축의 부하가속도에 작용한다. 이러한 간섭을 아암측에 작용하는 외란으로서 간주하면, L축에 대해서는, 다음식 3 으로 표현되는 모델보정토크 (T_{comp_L}) 를 모델모터가속도명령 (U_{Mrcf_L}) 에 가산함으로써 간섭에 의한 아암의 진동을 감소시킬 수 있다.

여기서, D_{is_UL}은 U축으로부터 L축상에 작용하는 간섭토크로서, 다음식,

으로 표현될 수 있다.

따라서, 최종적인 모델모터가속도명령 (U_{FF_L}) 은 다음식,

U_{FF_L}= U_{Mref_L}+ T_{comp_L}

으로 표현되며, 전기모터의 가속도항에 피드포워드 보상을 한다. 모델 제어기 (1) 는, 모델비틀림각 (θ_{Ms_U}) 을 입력으로 하여 상기 식 (3), (4) 에 따라서 모델보정토크 (T_{comp_L}) 를 산출하는 보정량산출기 (3_L) 를 구비한다. 이 보정량산출기 (3_L) 로부터의 모델보정토크 (T_{comp_L}) 는 모델모터가속도명령 (U_{Mref_L}) 에 가산된다.

이와 유사하게, U축에 대하여, 모델보정토크 (T_comp-U) 는 다음식,

으로 표현된다.

여기서, D_{is_LU}는 L축으로부터 U축상에 작용하는 간섭토크로서, 다음식,

으로 표현된다.

모델 제어기 (1) 는, 모델비틀림각 (θ_{Ms_L}) 을 입력으로 하여 상기 식 (6), (7) 에 따라서 모델보정토크 (T_{comp_U}) 를 산출하는 보정량산출기 (3_U) 를 구비한다. 결론적으로, 최종적인 모델모터가속도명령 (U_{FF_U}) 은 다음식,

U_{FF_U}= U_{Mref_U}+ T_{comp_U}

으로 표현된다.

이렇게 구해진 모델보정토크 (T_{comp_L}, T_{comp_U}) 는, 피드백제어기 (10_L, 10_U) 의 속도루프가 비례적인 (P) 제어루프인 경우이다. 그러나, 비례적분 (proportion-plus-integral; PI) 제어루프에 따라서 보정토크를 구하여 보상하는 것도 가능하다.

이 실시예에서는, 모델 제어기 (1) 로 간섭토크를 보정한 후에, 표준 상태량을 명령으로서 피드백 제어기 (10_L, 10_U) 로 입력한다. 따라서, 로봇아암이 타축으로부터의 간섭에 의한 영향을 받지 않게 된다.

산업상 이용가능성

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 각 축의 전기모터와 로봇아암 사이에 스프링부재를 갖는 기구가 형성된 다축로봇의 제어에 사용되는 로봇제어장치에서, 타축으로부터 받는 간섭력을 모델 제어기로 보정하고, 이 보정된 간섭력에 기초하여 표준 상태량을 피드백 제어기로 입력함으로써, 보정토크에 잡음성분이 중첩되지 않게 되고 로봇아암이 간섭에 의한 진동을 받지 않게 되어, 툴선단의 궤적 정밀도가 향상되게 된다.

Claims (5)

1. 각 축의 전기모터와 로봇아암 사이에 스프링 부재를 갖는 기구가 형성된 다축로봇을 제어대상으로서 제어하는 방법으로서,

   상기 제어대상의 의사모델 및 상기 제어대상에 대한 피드백 제어시스템을 제공하는 단계;

   상기 각 전기모터에 대한 위치명령을 입력받아, 상기 의사모델을 이용하여 상기 각 축에 대한 모델모터위치명령, 모델모터속도명령 및 모델피드포워드명령을 출력하는 단계;

   상기 의사모델을 이용하여 축들간에 작용하는 타축으로부터의 간섭에 의한 간섭토크를 구하고, 상기 간섭토크를 상쇄하는 모델보정토크를 산출하는 단계;

   상기 모델보정토크를 상기 모델피드포워드명령에 가산하여 최종적인 모델모터가속도명령을 얻는 단계; 및

   상기 모델모터위치명령, 상기 모델모터속도명령 및 상기 최종적인 모델모터가속도명령에 기초하여 상기 축에 대한 피드백 제어프로세스를 수행하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 제어방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 간섭토크는 모델전기모터와 모델로봇아암간의 위치편차인 모델비틀림각으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 로봇 제어방법.
3. 각 축의 전기모터와 로봇아암 사이에 스프링 부재를 갖는 기구가 형성된 다축로봇을 제어하는 장치로서,

   상기 각 전기모터에 대한 위치명령을 입력받아 상기 각 축에 대한 모델모터위치명령, 모델모터속도명령 및 모델피드포워드명령을 출력하는 모델 제어기; 및

   상기 모델 제어기로부터 출력된 상기 명령에 기초하여 상기 전기모터 및 상기 로봇아암을 구동 및 제어하는 피드백 제어기를 구비하되,

   상기 모델 제어기는, 상기 축들간에 작용하는 타축으로부터의 간섭에 의한 간섭토크를 구하여 상기 간섭토크를 상쇄하는 모델보정토크를 산출하는 보정량산출기를 구비함으로써, 상기 모델보정토크가 가산된 상기 모델피드포워드명령을 출력하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어장치.
4. 제 3 에 있어서,

   상기 보정량산출기는 모델전기모터와 모델로봇아암간의 위치편차인 모델비틀림각으로부터 상기 간섭토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어장치.
5. 제 3 에 있어서,

   상기 피드백제어기로부터 출력된 모터가속도명령 및 실제모터위치에 기초하여 비틀림각 및 비틀림각속도를 추정하는, 상기 각 축과 접속된 상태관측기를 더 구비하되,

   상기 모델제어기는 모델비틀림각 및 모델비틀림각속도를 산출하며,

   상기 피드백제어기는 상기 추정된 비틀림각과 상기 모델비틀림각간의 편차 및 상기 추정된 비틀림각속도와 상기 모델비틀림각속도간의 편차를 고려하여 상기 모터가속도명령을 출력하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어장치.