KR20020097458A - 개방형 다축 로봇제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수개의 축을 갖는 로봇제어장치에 관한 것으로, 작업자로부터 로봇작업을 위한 동작계획을 입력받고, 동작계획에 따라 로봇끝단의 궤적이동에 필요한 로봇 관절의 위치를 계산하고, 로봇 관절에 위치한 모터가 계산결과를 추종하도록 모터의 위치, 속도 및 전류 제어신호를 생성하여 출력하는 중앙제어기; 모터 전력 제어신호에 따라 각각의 모터 구동 전력을 제공하고, 모터의 구동을 모니터링하여 모터 검출신호를 출력하는 전력변환기; 중앙제어기에서 출력된 제어신호를 모터 전력 제어신호로 변환하여 전력변환기에 제공하고, 전력변환기에서 출력되는 모터 검출신호를 중앙제어기에 전달하는 모터 인터페이스장치; 및 동작계획에 따른 로봇작업시 로봇 외부장치의 구동제어가 필요한 경우 중앙제어기와 외부장치 사이의 인터페이스를 제공하는 외부 입출력 인터페이스장치를 포함하여 구성된다. 따라서, 로봇동작과 관련한 각종 연산을 실시간으로 처리할 수 있음과 더불어 H/W, S/W 구성 부분을 단순화 할 수 있고, 또한 모터의 피드백 정보를 모두 이용할 수 있으므로써 로봇의 제어성능을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

개방형 다축 로봇제어장치{AN APPARATUS FOR CONTROLLING MULTI-AXIS ROBOT}

본 발명은 개방형 다축 로봇제어장치에 관한 것으로, 특히 서보제어의 개방성 확보를 통해 모터를 유연하게 제어하고 하나의 CPU를 가지고도 다축 로봇을 간단하게 제어할 수 있도록 한 개방형 다축 로봇제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 로봇을 제어하기 위해서는 로봇의 끝단을 원하는 곳에 위치시키기 위해 역기구학(Nominal Inverse Kinematics)을 풀어 각 관절의 위치를 계산해야 하고, 이렇게 계산된 각 관절의 위치값을 추종하도록 해당 모터를 제어해야 한다. 그리고, 작업내용에는 보통, 주변기기의 운용이 필요하므로 이의 제어도 로봇제어장치가 담당하게 된다.

이러한 종래의 다축 로봇제어장치는 도 1 에 도시된 바와 같이 로봇(101)의 각 관절에 해당하는 모터를 제어하기 위해 축별로 또는 두 축 내지 4축 별로 하나의 CPU블록을 갖는 독립된 모듈로된 서보제어기(110)가 구비되어 모터 구동과 관련된 각종 제어작업을 수행하도록 되어 있고, 로봇(120) 끝단의 궤적이동을 위한 역기구학 계산 및 각종 주변장치 제어를 위해 별도의 CPU블록을 갖는 중앙제어기(120)가 구비되어 로봇(101)의 모션제어 및 각종 작업지시를 하도록 되어 있다.

그리고, 용접 등과 같은 별도의 작업이 있을 경우 이에 따른 용접기 등 주변장치를 제어하는 별도의 제어장치를 포함해야 하기 때문에 로봇제어장치(102)는 이러한 모든 작업을 수행하기 위해 여러개의 CPU블록을 갖추고 있다.

도 2 에 도시된 바와 같이 서보제어기(110)는 모터로부터의 상전류 및 모터 회전축의 위치 및 속도정보 등과 같은 피드백정보를 받아 CPU블록(111)에서 서보제어 알고리즘을 수행하고 이를 통해 모터 구동을 위한 PWM(Pulse Width Modulation)신호를 출력한다. 이 신호는 전력용 반도체스위치구동을 위해 구동신호로 증폭되어 전력변환용 스위치 모듈(112)을 구동하여 가변전압-가변주파수의 교류전원을 모터에 공급해준다. 즉, 서보제어기(110)는 상위 제어기 역할을 하는 중앙제어기(120)로부터 위치 및 속도 정보를 받아 모터로 하여금 이를 추종하게 하는 역할만을 전담하여 수행하도록 되어 있다.

그러나, 상기와 같이 이루어진 종래의 다축 로봇제어장치는 서보제어기 및 중앙제어기 내에 다수개의 CPU블록을 통해 제어가 이루어짐으로써 각 CPU블록간의 데이터교환을 위해 H/W와 S/W 구조상의 복잡성을 증가시키고, 특히 모터제어가 전적으로 서보제어기를 통해 이루어져 상위의 모션제어를 위한 CPU블록은 로봇 각 축에 해당하는 모터 및 서보제어기에 대한 피드백 정보를 이용하는데 제한이 있으므로 유연한 로봇제어장치를 구성하는데 한계가 있다는 문제점이 있었다.

즉, 종래에는 모터 구동을 전담하는 서보제어기와 로봇 끝단 궤적에 따라 로봇 관절의 위치값을 계산하여 서보제어기에 지령하는 중앙제어기로서 그 제어구조가 이분되어 있어 로봇 관절 위치값, 모터 구동, 외부 인터페이스를 모두 구현하는 중앙제어기가 없었다.

이에 본 발명은 상기한 제문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 종래의 기술인 모터 구동을 전담하는 서보제어기와 로봇 끝단 궤적에 따라 로봇 관절의 위치값을 계산하여 서보제어기에 지령하는 중앙제어기로서 그 제어구조가 이분되어 있던 로봇제어장치 대신 로봇 관절 위치값, 모터 구동, 외부 인터페이스를 모두 구현하는 강력한 중앙제어기를 가지는 개방형 다축 로봇제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 서보제어기를 개방형으로 하여 모터제어에 필요한 정보를 상위 제어장치도 이용할 수 있으므로써 하나의 CPU블록을 구성하여 H/W와 S/W 구조를 단순하게 할 수 있음과 더불어 유연하게 로봇을 제어할 수 있도록 함에 있다.

도 1 는 종래의 다축 로봇제어장치의 구성도,

도 2 는 종래의 로봇제어장치의 서보제어기를 나타낸 구성도,

도 3 는 본 발명에 따른 다축 로봇제어장치의 구성도이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 로봇 20 : 중앙제어기

30 : 전력변환기 40 : 모터 인터페이스장치

50 : 외부 입출력 인터페이스장치

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 개방형 다축 로봇제어장치는, 작업자로부터 로봇작업을 위한 동작계획을 입력받고, 동작계획에 따라 로봇끝단의 궤적이동에 필요한 로봇 관절의 위치를 계산하고, 로봇 관절에 위치한 모터가 계산결과를 추종하도록 모터의 위치, 속도 및 전류 제어신호를 생성하여 출력하는 중앙제어기; 모터 전력 제어신호에 따라 각각의 모터 구동 전력을 제공하고, 모터의 구동을 모니터링하여 모터 검출신호를 출력하는 전력변환기; 중앙제어기에서 출력된 제어신호를 모터 전력 제어신호로 변환하여 전력변환기에 제공하고, 전력변환기에서 출력되는 모터 검출신호를 중앙제어기에 전달하는 모터 인터페이스장치; 및 동작계획에 따른 로봇작업시 로봇 외부장치의 구동제어가 필요한 경우 중앙제어기와 외부장치 사이의 인터페이스를 제공하는 외부 입출력 인터페이스장치를 포함하여 구성된다.

여기서, 중앙제어기는 하나의 CPU블록으로 구성되어 로봇동작과 관련한 각종 연산을 실시간으로 처리할 수 있음과 더불어 H/W, S/W 구성 부분을 단순화 할 수 있고, 또한 모터의 피드백 정보를 모두 이용할 수 있으므로써 로봇의 제어성능을 향상시킬 수 있게 된다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 다축 로봇제어장치는 모터제어에 필요한 정보를 중앙제어기도 이용할 수 있도록 서보제어장치를 개방형 구조로 제작하고, 모터 제어만을 담당했던 CPU블록의 기능을 중앙제어기에 포함시키는 것이다. 이것은 그 동안 서보제어장치를 시제품을 이용하여 구성하는 과정에서는 할 수 없었던 부분이기도 하지만, CPU 성능의 문제 때문에 하나의 CPU로 구현하는데는 한계가 있었다. 그러나, 근래 들어 이러한 작업은 CPU의 성능 향상으로 충분히 가능해 졌기 때문에 여러 개의 CPU가 필요했던 구조에서 탈피하여 하나의 CPU블록으로 로봇의 모든 작업 즉, 주변장치 제어, 동작계획 및 모터의 직접제어 등을 하는 구조로 로봇 제어장치를 제작할 경우 H/W 및 S/W 구조의 단순화가 가능하게 되었다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시 예에 대해 상세히 설명한다.

도 3 은 본 발명에 따른 개방형 다축 로봇제어장치의 구성도로서, 본 발명의 장치는 작업자로부터 로봇작업을 위한 동작계획을 입력받고, 동작계획에 따라 로봇(10) 끝단의 궤적이동에 필요한 로봇 관절의 위치를 계산하고, 로봇 관절에 위치한 모터가 계산결과를 추종하도록 모터의 위치, 속도 및 전류 제어신호를 생성하여 출력하는 중앙제어기(20), 모터 전력 제어신호에 따라 각각의 모터 구동 전력을 제공하고, 모터(10)의 구동을 모니터링하여 모터 검출신호를 출력하는 전력변환기(30), 중앙제어기(20)에서 출력된 제어신호를 모터 전력 제어신호로 변환하여 전력변환기(30)에 제공하고, 전력변환기(30)에서 출력되는 모터 검출신호를 중앙제어기(20)에 전달하는 모터 인터페이스장치(40) 및 동작계획에 따른 로봇작업시 로봇 외부장치의 구동제어가 필요한 경우 중앙제어기(20)와 외부장치 사이의 인터페이스를 제공하는 외부 입출력 인터페이스장치(50)를 포함하여 구성된다.

즉, 중앙제어기(20)는 하나의 CPU 블록을 갖추고 있고, 로봇(10) 끝단의 궤적이동을 위해 각 관절의 위치를 계산하며, 이에 따라 로봇(10) 관절에 위치한 모터가 계산된 위치를 추종하도록 각종 피드백 데이터를 처리하고 알고리즘을 수행하여 모터를 서보제어하는 한편, 로봇 작업수행을 위해 필요한 주변장치를 제어하는 등의 기능을 수행한다.

그리고, 전력변환기(30)는 모터 인터페이스장치(40)로부터 모터제어신호를 입력 받아 모터를 구동할 수 있도록 증폭한 다음 모터에 전원을 공급해 주는 역할을 하며, 또한 이 과정에서 발생할 수 있는 에러 및 모터로부터의 각종 센서신호 즉, 위치, 속도, 전류 등과 같은 정보를 검출하여 모터 인터페이스장치(40)로 출력하도록 되어 있다.

모터 인터페이스장치(40)는 피드백 데이터 및 모터 구동과 관련하여 발생할 수 있는 여러 가지 에러신호를 전력변환기(30)로부터 받아 처리한 다음 상기 중앙제어기(20)에 출력하고, 중앙제어기(20)로부터 PWM 모터제어신호를 받아 절연하여전력변환기(30)에 출력하도록 되어 있다.

한편, 입력 및 출력 인터페이스장치(50)는 용접 등과 같은 별도의 작업이 있을 경우 이에 따른 용접기 등 주변장치를 중앙제어기(20)에 의해 제어되도록 하기 위해 중앙제어기(20)와 외부장치 사이의 인터페이스를 제공하게 된다.

전술한 바와 같이 이루어진 본 발명의 다축 로봇제어장치의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 로봇제어장치 운영자가 로봇작업을 위한 동작 계획을 교시조작기 등의 입력수단(60)을 통해 입력시키면, 중앙제어기(20)는 이에 따라 로봇기구의 궤적에 해당하는 각 관절의 위치를 실시간으로 계산한다.

그 다음 중앙제어기(20)는 관절위치의 계산된 결과를 위치 목표치로 하여 모터 인터페이스장치(40)로부터 받은 현재 로봇기구 각 관절의 모터 위치정보를 기초로 모터의 위치를 실시간 제어하기 위해 위치제어, 속도제어, 전류제어 등의 제어 알고리즘을 수행하고, 모터를 서보구동하기 위한 제어신호를 만들어 내어 모터 인터페이스장치(40)로 출력한다.

이와 동시에 중앙제어기(20)는 로봇기구가 계획된 궤적에 따라 이동하면서 예정된 작업수행에 외부 제어장치에서 입력된 각 모터에 대응하는 PWM데이터를 해당 전력용 반도체스위치 ON/OFF를 위한 신호로 변환하고, 전력변환기(30)로부터의 각종 모터에 관련된 피드백 데이터 및 에러신호를 처리하여 중앙제어기(20)에 출력한다.

그리고, 전력변환기(30)는 모터를 구동하기 위한 파워앰프로서 모터를 구동하면서 모터로부터의 각종 감지신호(위치, 속도 및 전류 등) 및 구동 중에 발생하는 각종 에러를 검출하여 모터 인터페이스장치(40)로 출력한다.

한편, 외부 입출력 인터페이스장치(50)는 외부장치 입출력수단과의 인터페이스를 담당하는 장치로서 중앙제어기가 외부장치를 제어할 수 있도록 하는 입력 및 출력 인터페이스를 제공한다.

본 발명은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 다축 로봇제어장치에 따르면, 중앙제어기는 하나의 CPU블록으로 구성되어 로봇동작과 관련한 각종 연산을 실시간으로 처리할 수 있고, 또한 모터의 피드백 정보를 모두 이용할 수 있으므로써 더욱 유연하게 로봇을 제어할 수 있게 된다.

그리고, 로봇제어장치 내의 대부분의 H/W 구성을 단순히 입출력만을 갖는 장치로 구성할 수 있으므로 로봇제어장치내의 대부분의 H/W구조를 단순화시킬 수 있게 된다.

또한, 서보제어, 모션제어, 동작계획 및 주변장치제어와 같은 복잡한 S/W모듈들을 하나의 CPU안에서 처리할 수 있으므로써 여러 개의 CPU가 처리할 때 필요했던 CPU상호간의 데이터 교환을 위한 부가적인 H/W, S/W 구성 부분을 없앨 수 있게 된다.

Claims (1)

1. 작업자로부터 로봇작업을 위한 동작계획을 입력받고, 상기 동작계획에 따라 로봇끝단의 궤적이동에 필요한 로봇 관절의 위치를 계산하고, 상기 로봇 관절에 위치한 모터가 상기 계산결과를 추종하도록 상기 모터의 위치, 속도 및 전류 제어신호를 생성하여 출력하는 중앙제어기(20);

   모터 전력 제어신호에 따라 상기 각각의 모터 구동 전력을 제공하고, 상기 모터의 구동을 모니터링하여 모터 검출신호를 출력하는 전력변환기(30);

   상기 중앙제어기에서 출력된 제어신호를 상기 모터 전력 제어신호로 변환하여 상기 전력변환기(30)에 제공하고, 상기 전력변환기(30)에서 출력되는 모터 검출신호를 상기 중앙제어기(20)에 전달하는 모터 인터페이스장치(40); 및

   상기 동작계획에 따른 로봇작업시 상기 로봇 외부장치의 구동제어가 필요한 경우 상기 중앙제어기(20)와 상기 외부장치 사이의 인터페이스를 제공하는 외부 입출력 인터페이스장치(50)를 포함하여 구성된 개방형 다축 로봇제어장치.