KR200172908Y1 - 산업용 다관절 로봇 제어장치 - Google Patents

산업용 다관절 로봇 제어장치 Download PDF

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Abstract

로봇 팔에 회전각 위치 센서가 부착된 산업용 다관절 로봇 제어장치가 개시된다. 산업용 다관절 로봇 제어장치는 회전각 지령치와 제 2 엔코더/리졸버에서 출력되는 회전각의 차를 계산하는 제 1 연산기; 제 1 연산기의 출력에 대하여 감속 및 비례미분적분 제어를 수행하는 위치 제어부; 제 1 위치 제어부의 출력과 서보 모터에서 출력되는 회전각의 차를 계산하는 제 2 연산기; 제 2 연산기의 출력을 위치 제어한 값과 서보 모터의 회전각의 차에 대하여 속도 및 적분 제어를 수행하여 서보 모터의 토오크 지령치를 조정하는 위치/속도 제어부; 및 위치/속도 제어부에서 출력되는 서보 모터의 토오크 지령치로부터 서보 모터의 전달함수에 의해 상기 서보 모터의 회전각을 제어하고, 감속 제어된 서보 모터의 회전각과 제 2 엔코더/리졸버에서 출력되는 회전각의 차로 부터 로봇 팔의 전달함수에 의해 로봇 팔의 회전각을 제어하는 회전각 제어부로 구성된다. 따라서 제어 이득 조정이 용이하고, 로봇 손 끝에 부착된 부하의 변화 및 로봇의 위치에 따라 변하는 부하 관성 및 기타 외관에 강건하며, 고속, 고정밀도의 회전각 제어가 가능하도록 한다.

Description

산업용 다관절 로봇 제어장치(Apparatus for controlling industrial multi-joint robot)
본 고안은 산업용 로봇 제어장치에 관한 것으로서, 특히 로봇 팔에 회전각 위치 센서를 부착하고, 회전각 위치 센서에 의해 검출된 실제 회전각 위치를 입력으로 하는 엔코더/리졸버를 별도로 구비함으로써, 서보 모터의 회전각 뿐만 아니라 로봇 팔의 실제 회전각을 피드백시켜 로봇 팔의 회전각 제어에 이용하는 산업용 다관절 로봇 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 다관절 로봇은 여러 각도로 움직일 수 있는 축(팔:arms)들의 결합으로 임의의 위치에 있는 가공물에 대해 작업을 할 수 있도록 되어 있는데, 대부분의 다관절 로봇은 회전팔을 가지고 있다.
도 1 은 이러한 다관절 로봇 회전팔의 주변부를 나타낸 것으로서, 엔코더/리졸버(encoder/resolver;11), 서보 모터(12), 감속기(13)와 로봇 팔(14)로 이루어진다.
도 2 는 도 1 과 같은 구성을 갖는 다관절 로봇 회전팔의 제어 알고리즘을 나타낸 것으로서, 중앙처리장치(미도시)로부터 인가된 회전각 지령치(θcmd)와 피드백된 서보 모터(12)의 회전각(θm)의 차를 계산하는 제 1 연산기(21), 제 1 연산기(21)의 출력에 대하여 소정의 비례 요소에 따라 비례 제어를 수행하는 위치 제어기(22), 위치 제어기(22)의 출력과 미분기(26)에서 출력되는 피드백된 속도치와의 차를 계산하는 제 2 연산기(23), 제 2 연산기(23)의 출력에 대하여 소정의 비례 요소와 미분 요소에 따라 비례 미분 제어를 수행하는 속도 제어기(24), 서보 모터(12)의 전달함수(θm(s))를 속도 제어기(24)에서 출력되는 토오크(τ)의 라플라스 변환한 값(τ(s))으로 나누는 제 3 연산기(25), 및 피드백된 서보 모터(12)의 회전각(θm)을 미분하여 속도치를 출력하는 미분기(26)로 이루어진다.
도 1 및 도 2 에 있어서, 로봇 팔(14)을 움직이기 위해서는 각 관절에 부착된 서보 모터(12)의 회전각 위치를 이용하여 도 2 의 제어 알고리즘에 의해 로봇 팔의 위치를 제어하게 된다. 여기서, 엔코더/리졸버(11)는 서보 모터(12)의 회전각 위치를 측정하는데 사용된다.
그런데, 도 2 와 같은 제어 알고리즘에 따르면, 로봇 팔(14)과 서보 모터(12) 사이에 위치하며, 서보 모터(12)의 출력 토오크(torque)를 증폭하기 위한 감속기(13)에 기계적 유연성이 존재할 경우, 로봇 팔(14)이 움직일 때 서보 모터(12)의 움직임에는 떨림이 없더라도 감속기(13)의 기계적 강성 부족으로 인하여 로봇 팔(14)의 움직임에 떨림(진동)이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 중력의 영향을 받는 수직 다관절 로봇인 경우, 서보 모터(12)가 제어기에 지령된 위치에 정확히 추종하더라도 감속기(13)의 기계적 유연성으로 인한 변형으로 로봇 팔(14)의 위치를 정확하게 추종할 수 없어 위치 정밀도의 저하를 초래하는 문제점이 있다.
따라서 본 고안의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 로봇 팔에 부착된 회전각 위치 센서로부터 출력되는 로봇 팔의 실제 회전각 위치를 피드백시켜 로봇 팔의 회전각 제어에 이용함으로써, 제어 이득 조정이 용이한 제어장치를 제공하는데 있다.
본 고안의 다른 목적은 로봇 팔에 회전각 위치 센서를 부착하고, 회전각 위치 센서에 의해 검출된 실제 회전각 위치를 입력으로 하는 엔코더/리졸버를 별도로 구비하여 서보 모터의 회전각 뿐만 아니라 로봇 팔의 실제 회전각을 피드백시켜 로봇 팔의 회전각 제어에 이용함으로써, 로봇 손 끝에 부착된 부하의 변화 및 로봇의 위치에 따라 변하는 부하 관성 및 기타 외관에 강건한 제어장치를 제공하는데 있다.
본 고안의 또 다른 목적은 로봇 팔에 부착된 회전각 위치 센서로부터 출력되는 로봇 팔의 실제 회전각 위치를 피드백시켜 로봇 팔의 회전각 제어에 이용함으로써, 고속 및 고정밀도의 회전각 제어가 가능한 제어장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여 본 고안에 의한 산업용 다관절 로봇 제어장치는, 회전각 위치 센서가 부착된 로봇 팔, 소정의 회전각 지령치에 따라 상기 로봇 팔을 구동하기 위한 토오크와 회전각을 발생시키는 서보 모터, 상기 서보 모터의 구동에 따라 발생되는 로봇 팔의 회전각을 감지하는 제 1 엔코더/리졸버, 상기 서보 모터의 출력을 저속으로 변환하는 감속기, 상기 로봇 팔의 회전각 위치 센서에서 검출된 상기 로봇 팔의 실제 회전각을 입력으로 하는 제 2 엔코더/리졸버를 구비하는 산업용 다관절 로봇 제어장치에 있어서,
상기 회전각 지령치와 상기 제 2 엔코더/리졸버에서 출력되는 회전각의 차를 계산하는 제 1 연산기;
상기 제 1 연산기의 출력에 대하여 감속 및 비례미분적분 제어를 수행하는 위치 제어부;
상기 제 1 위치 제어부의 출력과 상기 서보 모터에서 출력되는 회전각의 차를 계산하는 제 2 연산기;
상기 제 2 연산기의 출력을 위치 제어한 값과 상기 서보 모터의 회전각의 차에 대하여 속도 및 적분 제어를 수행하여 상기 서보 모터의 토오크 지령치를 조정하는 위치/속도 제어부; 및
상기 위치/속도 제어부에서 출력되는 상기 서보 모터의 토오크 지령치로부터 상기 서보 모터의 전달함수에 의해 상기 서보 모터의 회전각을 제어하고, 감속 제어된 상기 서보 모터의 회전각과 상기 제 2 엔코더/리졸버에서 출력되는 회전각의 차로 부터 상기 로봇 팔의 전달함수에 의해 상기 로봇 팔의 회전각을 제어하는 회전각 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1 은 종래의 산업용 로봇 회전팔의 주변부를 나타낸 도면,
도 2 는 도 1 에 도시된 산업용 로봇 회전팔 제어 알고리즘을 나타낸 도면,
도 3 은 본 고안에 따른 산업용 로봇 회전팔의 주변부를 나타낸 도면,
도 4 는 도 3 에 도시된 산업용 로봇 회전팔에 대한 제어 알고리즘을 나타낸 도면,
도 5 는 유연 관절 부위에 대한 모델링 도면, 및
도 6 는 도 4 에 도시된 제어 알고리즘이 포함된 산업용 다관절 로봇 제어장치를 나타낸 구성도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
31 ... 제 1 엔코더/리졸버 32 ... 서보 모터
33 ... 감속기 34 ... 로봇 팔
35 ... 제 2 엔코더/리졸버
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
도 3 은 본 고안에 따른 산업용 로봇 회전팔의 주변부를 나타낸 도면으로서, 제 1 엔코더/리졸버(31), 서보 모터(32), 감속기(33), 로봇 팔(34) 및 제 2 엔코더/리졸버(35)로 이루어진다.
도 3 에 있어서, 제 1 엔코더/리졸버(31)는 서보 모터(32)의 구동에 따라 발생되는 로봇 팔(34)의 회전각 위치를 감지한다. 서보 모터(32)는 고속 저토오크의 특성을 가지며, 중앙처리장치(미도시)로부터 인가되는 회전각 지령치(θcmd)에 따라 구동된다. 감속기(33)는 서보 모터(32)의 출력을 저속 고토오크로 변환하여 관절을 갖는 로봇 팔(34)을 구동하는데 요구되는 적당한 토오크를 발생시켜 관절을 갖는 로봇 팔(34) 혹은 그 부재 등을 구동한다. 제 2 엔코더/리졸버(35)는 감속기(33) 출력 측의 회전각을 직접 측정하기 위하여 로봇 팔(34)의 회전축에 직접 연결되어 있다.
그러면, 도 3 에 도시된 본 고안의 동작을 설명하기로 한다.
먼저, 제어 대상인 유연 관절 부위는 도 4 와 같이 모델링할 수 있는데, 이로부터 다음 수학식 1 및 수학식 2를 얻을 수 있다.
Jlθl+k(θl-θm)=0
상기 수학식 1 과 수학식 2 에 있어서, τm은 서보 모터(32)에 인가되는 토오크 지령치, Jm은 서보 모터(32)의 회전축 관성, Jl은 로봇 팔(34)의 부하 회전 관성, k 는 감속기(33)의 비틀림 스프링 상수, μ는 감속기(33)의 감속비, R 은 감속기(33)의 효율, θm은 서보 모터(32)의 회전각, θl은 로봇 팔(34)의 회전각을 각각 나타낸다.
상기 수학식 1 및 수학식 2를 도식화하면 도 5와 같이 나타낼 수 있다.
도 6 은 본 고안에 의한 산업용 다관절 로봇 제어장치를 나타낸 구성도로서, 회전각 지령치와 제 2 엔코더/리졸버(35)에서 출력되는 회전각의 차를 계산하는 제 1 연산기(611), 제 1 연산기(611)의 출력에 대하여 감속 및 비례미분적분 제어를 수행하는 위치 제어부(613), 제 1 회전각 제어부(613)의 출력과 서보 모터(32)에서 출력되는 회전각의 차를 계산하는 제 2 연산기(615), 제 2 연산기(615)의 출력을 위치 제어한 값과 서보 모터(32)의 회전각의 차에 대하여 속도 및 적분 제어를 수행하여 상기 서보 모터(32)의 토오크를 발생시키는 위치/속도 제어부(617), 및 위치/속도 제어부(617)에서 출력되는 서보 모터(32)의 토오크에 대하여 도 5와 같은 제어 알고리즘에 의해 로봇 팔(34)의 회전각을 제어하는 회전각 제어부(619)로 이루어진다.
도 6를 참조하면, 제 1 연산기(611)에서는 중앙처리장치(미도시)로부터 인가된 회전각 지령치와 제 2 엔코더/리졸버(35)에서 출력되는 로봇 팔(34)의 실제 회전각의 차를 계산하여 위치 제어부(613)로 출력한다.
위치 제어부(613)에서는 제 1 연산기(611)의 출력에 대하여 감속기(33)의 감속비(R)에 의해 감속 제어를 수행한 다음, 비례 요소(kp l)에 의해 비례 제어한다. 비례 제어된 값은 미분 요소(kp l)와 적분 요소(ki l)에 의해 각각 미분 및 적분 제어된 다음 제 2 연산기(615)로 출력된다.
제 2 연산기(615)에서는 위치 제어부(613)에서 비례미분적분된 값과 서보 모터(32)에서 출력되는 회전각(θm)의 차를 계산하여 위치/속도 제어부(617)로 출력한다.
위치/속도 제어부(617)에서는 제 2 연산기(615)의 출력에 대하여 위치 요소(kp)에 의해 위치 제어하고, 위치 제어된 값과 서보 모터(32)의 회전각(θm)의 차에 대하여 속도 요소 및 비례 요소(kv, ki)에 의해 각각 속도 및 적분 제어를 수행하여 서보 모터(32)의 토오크 지령치(τm)를 조정하여 회전각 제어부(619)로 출력한다.
회전각 제어부(619)에서는 위치/속도 제어부(617)에서 출력되는 서보 모터(32)의 토오크 지령치(τm)로부터 서보 모터(32)의 전달함수에 의해 서보 모터(32)의 회전각(θm)을 제어하고, 감속 제어된 서보 모터(32)의 회전각(θm)과 제 2 엔코더/리졸버(35)에서 출력되는 로봇 팔(34)의 실제 회전각(θl)의 차로 부터 로봇 팔(34)의 전달함수에 의해 로봇 팔(34)의 회전각(θl)을 제어한다.
여기서, 제어 변수 kp, kv, ki은 일반적인 방법으로 조정이 가능하고, kp l, kd l, ki l은 제어 시스템의 주파수 응답시험 등을 통해 먼저 kp l, k이을 조정한 다음 ki l을 조정한다. 따라서, 본 고안에 따른 제어장치는 사전에 시스템의 특성을 나타내는 정확한 모델이 없이도 제어 변수의 시험 조정이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 고안은 산업용 다관절 로봇에 있어서 로봇 팔에 회전각 위치 센서를 부착하고, 회전각 위치 센서에 의해 검출된 실제 회전각 위치를 입력으로 하는 엔코더/리졸버를 별도로 구비하여, 서보 모터의 회전각 뿐만 아니라 로봇 팔의 실제 회전각을 피드백시켜 로봇 팔의 회전각 제어에 이용함으로써, 기존의 제어 구조에 대하여 큰 변경없이 간단한 제어 루프의 추가만으로 응답속도를 향상시키며, 별도의 필터를 구비하지 않고도 로봇의 진동을 효율적으로 제어할 수 있다. 또한, 제어 이득 조정이 용이하고, 로봇 손 끝에 부착된 부하의 변화 및 로봇의 위치에 따라 변하는 부하 관성 및 기타 외관에 강건하며, 고속, 고정밀도의 회전각 제어가 가능하도록 한다.

Claims (1)

  1. 회전각 위치 센서가 부착된 로봇 팔(34), 소정의 회전각 지령치에 따라 상기 로봇 팔(34)을 구동하기 위한 토오크와 회전각을 발생시키는 서보 모터(32), 상기 서보 모터(32)의 구동에 따라 발생되는 로봇 팔(34)의 회전각을 감지하는 제 1 엔코더/리졸버(31), 상기 서보 모터(32)의 출력을 저속으로 변환하는 감속기(33), 상기 로봇 팔(34)의 회전각 위치 센서에서 검출된 상기 로봇 팔(34)의 실제 회전각을 입력으로 하는 제 2 엔코더/리졸버(35)를 구비하는 산업용 다관절 로봇 제어장치에 있어서,
    상기 회전각 지령치와 상기 제 2 엔코더/리졸버(35)에서 출력되는 회전각의 차를 계산하는 제 1 연산기(611);
    상기 제 1 연산기(611)의 출력에 대하여 감속 및 비례미분적분 제어를 수행하는 위치 제어부(613);
    상기 제 1 위치 제어부(613)의 출력과 상기 서보 모터(32)에서 출력되는 회전각의 차를 계산하는 제 2 연산기(615);
    상기 제 2 연산기(615)의 출력을 위치 제어한 값과 상기 서보 모터(32)의 회전각의 차에 대하여 속도 및 적분 제어를 수행하여 상기 서보 모터(32)의 토오크 지령치를 조정하는 위치/속도 제어부(617); 및
    상기 위치/속도 제어부(617)에서 출력되는 상기 서보 모터(32)의 토오크로부터 상기 서보 모터(32)의 전달함수에 의해 상기 서보 모터(32)의 회전각을 제어하고, 감속 제어된 상기 서보 모터(32)의 회전각과 상기 제 2 엔코더/리졸버(35)에서 출력되는 회전각의 차로 부터 상기 로봇 팔(34)의 전달함수에 의해 상기 로봇 팔(34)의 회전각을 제어하는 회전각 제어부(619)를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 다관절 로봇 제어장치.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101842422B1 (ko) * 2016-07-26 2018-03-28 한국원자력연구원 고방사선 내 작업용 매니퓰레이터

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