KR20080057802A

KR20080057802A - 네트워크형 액츄에이터 모듈

Info

Publication number: KR20080057802A
Application number: KR1020060131526A
Authority: KR
Inventors: 김병수; 하인용
Original assignee: (주)로보티즈
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-06-25
Also published as: JP2008167644A; KR100846177B1

Abstract

본 발명은 네트워크형 액츄에이터 모듈에 관한 것이다. 상세하게는, 구동부, 센서부, 네트워크부, 제어부가 하나의 모듈 내에 일체형으로 구성된 액츄에이터 모듈이 멀티드롭 방식으로 연결되어 하나의 액츄에이터 모듈 네트워크를 구성하며, 효과적인 네트워크 통신을 위해 액츄에이터 모듈에 내장된 제어 테이블의 데이터 판독 및 기록 과정을 통해 액츄에이터 모듈이 제어되는 네트워크형 액츄에이터 모듈에 관한 것이다.

네트워크, 멀티드롭, 액츄에이터, 로봇

Description

네트워크형 액츄에이터 모듈 {NETWORK STRUCTURE BASED ACTUATOR MODULE}

도 1은 종래의 네트워크형 액츄에이터 모듈 제어 방식을 도시하고 있다.

도 2는 본 발명의 네트워크형 액츄에이터 모듈의 내부 구조를 도시하고 있다.

도 3은 본 발명에서 이용되는 RS485 통신 방식에서의 리턴 지연 시간을 도시하고 있다.

도 4는 본 발명에서 이용되는 RS485 통신 방식에서의 바이트 간격을 도시하고 있다.

도 5는 본 발명의 네트워크형 액츄에이터 모듈 제어 방식을 도시하고 있다.

도 6은 사용자가 본 발명의 네트워크형 액츄에이터 모듈을 제어하기 위한 시스템 구성을 도시하고 있다.

본 발명은 네트워크형 액츄에이터 모듈에 관한 것이다. 상세하게는, 구동부, 센서부, 네트워크부, 제어부가 하나의 모듈 내에 일체형으로 구성된 액츄에이터 모듈이 멀티드롭 방식으로 연결되어 하나의 액츄에이터 모듈 네트워크를 구성하 며, 효과적인 네트워크 통신을 위해 액츄에이터 모듈에 내장된 제어 테이블의 데이터 판독 및 기록 과정을 통해 액츄에이터 모듈이 제어되는 네트워크형 액츄에이터 모듈에 관한 것이다.

최근 로봇공학의 발달로 기존에 산업용으로 이용되던 로봇공학 메커니즘들이 타 산업 분야에 접목되고 있으며, 이에 따라 가정용 청소 로봇, 프로그래밍 교육용 로봇, 완구용 로봇 등과 같이 가정용, 교육용, 엔터테인먼트용 등 다양한 용도의 로봇들이 생산되고 있다.

이러한 로봇분야의 발전을 이루게 되는 핵심기술 중의 하나가 로봇에 채택된 구동용 모터 즉, 액츄에이터를 제어하는 기술이다. 하나의 로봇에 수개에서 수십개의 액츄에이터가 장착된 형태의 로봇의 경우, 각각의 액츄에이터를 정확하게 제어하는 동시에 전체 액츄에이터를 상호연관성 있게 유기적으로 제어하기 위해서는 고도의 제어 메커니즘이 필요하다.

특히, 다수의 액츄에이터를 하나의 중앙 제어기로 제어하는 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 각 액츄에이터 마다 액츄에이터 상태를 감지하는 센서부(즉, 엔코더 1,...,n; 21)와 액츄에이터에 구동 전압을 제공하기 위한 구동부(즉, 모터 1,...,n; 22)를 포함하므로, 액츄에이터 제어부와 구동부 사이에 4개의 배선이 필요하며 액츄에이터 제어부(즉, 모터 제어기; 20)와 센서부 사이에 별도로 6개 배선이 필요하게 된다. 따라서 n개의 액츄에이터가 액츄에이터 제어부에 연결된 경우 총 10n개의 배선이 필요하게 되므로, 로봇을 구성하는 액츄에이터의 수가 많아질수록 배선처리의 곤란성으로 인해 로봇의 구조를 다양화하는데 제한이 많았다. 또 한, 로봇의 설계변형으로 인해 액츄에이터 수를 증감해야 할 경우, 이에 따라 액츄에이터 제어기, 센서부, 구동부를 모두 변경해야 하는 문제점이 발생하였다.

한편, 종래에는 액츄에이터 센서부에서 피드백될 수 있는 정보의 종류가 모터의 회전 속도와 위치 등에 한정되어 있어서, 과전류의 발생, 내부의 과열 등 액츄에이터 동작에 문제가 발생하는 경우를 직접 파악하여 이에 대처하는 자동제어 메커니즘을 구현하기가 곤란하였다.

또한, 다수의 액츄에이터가 각각 액츄에이터 제어부와 직접 연결된 방식 하에서는, 다수의 액츄에이터를 상호 연관성 있게 제어하기 위해서는 복수개의 액츄에이터가 동시에 또는 순차적으로 매우 정확하게 제어되어야 하는데, 이러한 제어 프로세스에 따른 신호처리의 부하가 모두 하나의 액츄에이터 제어부에 집중됨으로써 다수의 액츄에이터로 구성된 로봇의 원활한 동작을 기대하기가 어려웠다.

따라서, 본 발명의 목적은 센서부, 구동부, 제어부, 네트워크부가 모두 내장되어 배선처리의 곤란성 및 액츄에이터의 증감에 따른 설계변경 상의 불편이 해소된 액츄에이터 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 모터의 회전 속도나 위치 뿐만 아니라, 과전류의 발생여부, 액츄에이터 내부 온도, 액츄에이터의 기계적 부하 등을 감지하여 이를 이상발생시 이를 외부로 표시하고 자체적으로 모터의 동작을 중지시키는 등의 방식으로 이상상황에 대처하는 내장형 프로세서를 구비한 액츄에이터 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 액츄에이터에 부가되는 기계적 부하의 크기를 피드백할 수 있는 강제 피드백(force feedback)기능을 구비하여 액츄에이팅 시스템의 고질적인 돌발상황에 대처할 수 있으며, 가상 현실 상황에서 이용될 경우 외력측정을 위한 별도의 하중 측정 수단이 필요 없으며 외력의 기계적 부하의 크기에 따라 모터의 토크를 적절하게 제어할 수 있는 액츄에이터 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다수의 액츄에이터 모듈 상호간 및 다수의 액츄에이터 모듈과 메인 컨트롤러 사이의 신호전송이 가능하도록, 내부에 네트워크 기능을 포함하는 네트워크형 액츄에이터 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다수의 액츄에이터 모듈이 멀티드롭 방식으로 연결되어 복수의 액츄에이터 모듈이 동일한 물리적 링크를 공유함으로써 네트워크 토팔러지(topology)가 단순화될 수 있으며, 다수의 액츄에이터 모듈 상호간 및 다수의 액츄에이터 모듈과 메인 컨트롤러 사이에 동시에 병렬적인 신호전송이 가능하여 다수의 액츄에이터 모듈로 구성된 로봇 시스템, 가상현실 시스템, 햅틱(Haptic)시스템, 공장자동화 시스템 등에 적합한 네트워크형 액츄에이터 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 멀티드롭 방식으로 연결된 다수의 액츄에이터 모듈 상호간 및 다수의 액츄에이터 모듈과 메인 컨트롤러 사이의 신호전송이 간단하고 효율적인 방식으로 이루어져서 프로토콜의 오버헤드가 최소화되는 동시에 액츄에이터 모듈의 확장성이 증가될 수 있도록, 액츄에이터 모듈에 내장된 제어 테이블의 데이터 판독 및 기록 과정을 통해 액츄에이터 모듈이 제어되는 네트워크형 액츄에이터 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다수의 액츄에이터 모듈의 각 버퍼에 소정의 명령을 미리 등록해 두고 적당한 시점에서 동시에 각 명령을 실행시킴으로써 다수의 액츄에이터 모듈의 동작 시점에 시간차가 발생하게 되는 문제점을 개선한 네트워크형 액츄에이터 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 한 번의 패킷 명령 전송으로 다수의 액츄에이터 모듈을 동시에 제어할 수 있는 멀티드롭 방식의 네트워크형 액츄에이터 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 네트워크형 액츄에이터 모듈을 구현하기 위해서는, 네트워크 근간 기술로서 호스트와 슬레이브 간의 멀티드롭을 가정한 네트워크용 프로토콜 기술(CAN, RS485, Ethernet 등), 모터 제어 기술로서 적응제어 알고리즘의 탑재 및 이를 위한 RISC 베이스 하드웨어 플랫폼 구성과 분산제어 기술, 그리고 기어박스 설계 기술로서 다단기어 설계 및 하우징 설계를 위한 시뮬레이션과 3차원 실시간 설계시스템이 필요하다.

이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 발명의 네트워크형 액츄에이터 모듈은 도 2와 같이 모터 제어부와 이를 호스트와 인터페이스하기 위한 네트워크부로 구성된다. 또한 본 발명의 액츄에이터 모듈은 내부에 위치검출센서, 온도센서, 그리고 전원용센서로 구성된 센서부가 탑재되어 있어 각종 상황에 능동적인 대처가 가능하며, 따라서 퍼스널 로봇 구성에 적합한 형태로 구현된다.

도 2에서, 모터와 감속기어에 모터 구동부가 내장형 프로세서에 연결되어 적응형 제어 알고리즘에 따라 동작한다. 또한 센서부는 전압 센서와 위치 센서 외에 액츄에이터 모듈 내부의 온도를 감지하기 위한 온도센서, 모터에 걸리는 외부 기계 부하를 측정하기 위한 센서를 구비하고 있다.

센서부에서 감지된 각종 정보는 실시간으로 내장형 메인 프로세서에 입력된다. 입력된 센싱 값이 허용치를 초과하거나 예정된 값에 이르게 될 경우, 내장형 프로세서는 LED, 버저 등과 같은 상태 지시기를 통해 사용자에게 이를 통지할 수 있으며, 또 모터 구동부에 제어 신호를 보내어 동작을 중지시키거나 이상 상태를 완화하는 방향으로 동작하도록 할 수 있다.

내장형 프로세서는 송수신 포트(TX/RX), 아날로그/디지털 변환을 위한 AD컨버터, 아날로그 신호의 크기에 따라 디지털 신호의 듀레이션을 조절하기 위한 PWM변조기, 디지털 펄스를 계수하기 위한 카운터, 플래쉬 ISP를 구비하고 있다.

액츄에이터 모듈은 또한 메인 컨트롤러로부터와 내장형 프로세서 사이의 통신 인터페이스를 위한 네트워크부를 더 구비하고 있어, 다수의 액츄에이터 모듈로 이루어진 액츄에이터 네트워크를 이용하는 경우에도 실시간으로 병렬제어가 가능한 네트워킹 기능을 제공하고 있다.

본 발명의 액츄에이터 모듈은 호스트 즉, 메인 컨트롤러와 슬레이브 즉, 액츄에이터 모듈 간에 멀티드롭 방식으로 연결된 물리적 네트워크에 적용된 것인데, 이러한 네트워크로는 CAN, RS485, Ethernet 등이 있다.

본 발명의 액츄에이터 모듈은, 바람직하게는, 하나의 노드에 여러개의 터미 널이 연결되어 있는 멀티 드롭 방식인 RS485[IEEE485]를 이용한다. RS485는 직렬통신에서 사용되는 물리 규격의 하나로 다수의 터미널이 하나의 라인에 버스 형태로 연결되어 운영되는 방식이다. 때문에 송신과 수신이 동시에 발생할 수 없으며, 하나의 터미널이 송신하는 동안 그 외의 다른 모든 터미널은 입력상태이어야 한다. 이를 위해, 액츄에이터 모듈을 제어하는 메인 컨틀롤러는 RS485 통신방향을 입력으로 설정하고 있다가 명령 패킷을 전송하는 동안만 통신방향을 출력으로 설정한다.

RS485 규격은 프로토콜에 대해 따로이 규정하고 있지는 않지만, RS485 통신 규격을 효율적으로 활용하기 위해서는 사용하는 프로토콜이 반드시 여러개의 터미널에 대해서 어드레싱과 버스제어 기능을 제공해야 한다. RS485 통신 규격의 가장 큰 장점 중의 하나는 모든 장치들이 동일한 라인에서 데이터를 전송 및 수신할 수 있다는 것이다. 다만, RS485 통신 규격에서 이용되는 프로토콜은 데이터를 전송할 수 있는 권한이 한 번의 하나의 터미널에만 부여되도록 구성되어야 한다.

즉, RS485 네트워크에서는 여러 군데에서 동시에 데이터를 송신하지 않도록 프로토콜이 운영되어야 한다. 여러 개의 액츄에이터 모듈이 동시에 패킷을 전송하면 패킷 충돌로 인해 통신에 문제가 발생한다. 그러므로 네트워크 노드 안에 ID가 동일한 액츄에이터 모듈이 존재하지 않도록 각 액츄에이터 모듈의 ID 설정이 이루어져야 한다.

도 3은 RS485 통신 방식에 관해 도시하고 있다.

RS485에서는 송신이 끝나는 타이밍을 잘 맞춰서 방향을 수신 모드로 바꾸어 주어야 한다. 메인 컨트롤러의 CPU에서는 일반적으로 범용 비동기화 송수신기 상 태(UART_STATUS)를 표시해 주는 레지스터 내에, 전송 데이터를 버퍼에 적재할 수 있는 상태임을 알려주는 TXD_BUFFER_READY_BIT와 전송 데이터가 모두 CPU 외부로 배출되었을 때 설정되는 TXD_SHIFT_REGISTER_EMPTY_BIT가 있다. RS485의 송신 모드와 수신 모드 사이에서, 본 발명의 액츄에이터 모듈이 명령 패킷(Instruction Packet)을 받은 후 상태 패킷(Status Packet)을 리턴하는데 걸리는 시간을 리턴 지연 시간(Return Delay Time)이라 한다. 디폴트 값은 160㎲이며, 제어 테이블을 이용하여 리턴 지연 시간을 변경할 수 있다.

한편, 도 4는 바이트 간격(byte-to-byte time)을 도시하고 있는데, 이는 명령 패킷을 전송할 때 바이트와 바이트 사이의 지연 시간을 의미한다. 이 시간이 100㎳이 넘을 경우 액츄에이터 모듈은 전송 장해가 발생한 것으로 간주하고, 다시 패킷의 헤더[Oxff Oxff]를 기다린다. 명령 패킷, 상태 패킷, 제어 테이블, 헤더 등에 대해서는 후술하기로 한다.

도 5은 위와 같은 조건을 만족하도록 설정된 네크워크 시스템에서의 네트워크형 액츄에이터 모듈 제어 방식을 도시하고 있다.

도 5에서는, N개의 액츄에이터 모듈이 멀티드롭 방식으로 하나의 메인 컨트롤러에 연결되어 있다. 메인 컨트롤러와 액츄에이터 모듈은 패킷을 주고 받으며 통신한다. 패킷의 종류로는 메인 컨트롤러에서 액츄에이터 모듈로 전송되는 명령 패킷과 액츄에이터 모듈에서 메인 컨트롤러로 전송되는 상태 패킷이 있다. 메인 컨트롤러가 ID = N 으로 설정된 명령 패킷을 전송할 경우 여러 개의 모터 중 ID가 N인 모터만이 상태 패킷을 리턴하고 그 명령을 수행한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 하나의 버스에 N개의 액츄에이터 모듈이 연결되어 있고, 메인 컨트롤러로부터의 제어 신호 즉, 명령 신호는 제어의 대상이 되는 액츄에이터 모듈의 ID를 포함하고 있어서 해당 ID를 가진 액츄에이터에만 작용하게 되며, 액츄에이터의 응답은 상태 신호로서 메인 컨트롤러로 전달된다.

한편, 도 6에 의하면, 본 발명의 액츄에이터는 메인 컨트롤러로부터의 명령에 의해 제어되고, 메인 컨트롤러는 다시 PC, 유무선 리모콘과 같은 사용자 단말기에 연결된다. 사용자가 로봇의 동작을 제어하기 위해 각 액츄에이터를 제어하기 위한 프로그램을 사용자 단말을 통해 입력하게 되면 사용자 단말로부터의 제어 신호는 예컨대 RS232방식의 버스를 통해 액츄에이터 제어용 메인 컨트롤러로 전송되고, 메인 컨트롤러는 상기 제어 신호를 액츄에이터 제어에 적합한 RS485 방식의 명령 패킷으로 변환하여 멀티드롭 방식으로 각각의 또는 전체 액츄에이터 모듈로 전송한다.

메인 컨트롤러에 다수의 액츄에이터 모듈이 연결된 본 발명의 멀티드롭 방식의 네트워크에서는, 다수의 액츄에이터 모듈 상호간 및 다수의 액츄에이터 모듈과 메인 컨트롤러 사이의 신호전송이 간단하고 효율적인 방식으로 이루어질 수 있도록 제어 신호와 데이터 신호의 입출력 및 전송을 위한 통신 프로토콜이 지원되어야 한다.

제어 테이블

본 발명의 액츄에이터 모듈은 액츄에이터 모듈을 제어하기 위한 제어 테이블을 이용한다. 제어 테이블은 액츄에이터 모듈의 상태와 구동에 관한 데이터로 구 성되어 있다. 제어 테이블에 값들을 기록(Writing)함으로써 액츄에이터 모듈을 구동시키고, 제어 테이블의 값을 판독(Reading)함으로써 액츄에이터 모듈의 상태를 파악하게 된다. 예시적인 제어 테이블은 도 7에 도시되어 있다. 이하, 도 7을 참조하여 설명한다.

제어 테이블은 RAM영역과 EEPROM영역으로 구성되는데, RAM영역의 데이터는 전원이 인가될 때마다 초기값으로 설정되지만, EEPROM영역의 데이터는 설정된 값이 전원의 오프시에도 보존된다. 제어 테이블은 번지(Address), 아이템(Item), 액세스방식(Access), 초기값(Initial Value)과 같은 항목들을 포함하고 있다.

번지는 값을 기록, 판독하게될 메모리의 번지를 의미한다.

아이템은 각 번지에 지정된 데이터의 종류를 의미한다.

액세스방식은 해당 아이템에 대한 기록, 판독 가능여부를 표시한다.

초기값은 EEPROM영역의 데이터인 경우 공장 디폴트값이고 RAM영역의 데이터인 경우에는 전원인가시 갖는 초기값을 의미한다.

이하에서는 각 번지에 지정된 데이터의 의미를 설명한다. 먼저, EEPROM영역이다.

OXOO, OXO1 : 모델 번호

OXO2 : 펌웨어 버전

OXO3 : 액츄에이터 모듈 식별을 위한 고유번호(ID)이다. 링크된 각 액츄에이터 모듈에는 서로다른 ID가 할당되어야 한다.

0X04 : 통신속도를 결정하는 보드율로서, 산출공식은 "Speed[BPS] = 2000000/[Address4 + 1]"이다. 예시적으로, 주요 보드율별 데이터 값은 다음과 같다. UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, 범용 비동기화 송수신기)의 경우 보드율 오차가 3% 이내이면 통신에 지장이 없다.

0X05 : 리턴 지연 시간 즉, 명령 패킷 전송 후 상태 패킷이 리턴되기까지 걸리는 지연 시간을 의미한다.

0X06, 0X07, 0XO8, OXO9 : 동작 각도 제한. 액츄에이터 모듈의 동작이 허용되는 각도 구간을 설정한다.

OXOB : 최대 제한 온도. 액츄에이터 모듈의 동작 제한 온도를 의미한다.

OXOC, OXOD : 최저/최고 제한 전압. 액츄에이터 모듈의 동작 전압 범위의 상한선과 하한선을 의미한다.

OXOE, OXOF : 최대 토크. 액츄에이터 모듈의 최대 토크 출력값이다. 이 값을 '0'으로 설정할 경우 토크가 없는 프리런(Free Run) 상태가 된다. 최대 토크(Max Torque/Torque Limit)는 EEPROM영역(OXOE, OXOF)과 RAM영역(OX22, OX23)의 두 곳에 할당되어 있는데, 전원이 온될 때 EEPROM영역의 값이 RAM으로 복사된다. 액츄에이터 모듈의 토크는 RAM에 위치한 값(OX22, OX23)에 의해 제한된다.

OX10 : 상태 리턴 레벨. 명령 패킷이 전송된 후 액츄에이터 모듈이 상태 패킷을 리턴해 줄지 여부를 결정하는 것으로, 아래와 같은 값을 갖는다. 한편, 브로드캐스트 ID(OXFE)의 명령 패킷의 경우에는 상태 리턴 레벨 값에 상관없이 상태 패킷이 리턴되지 않는다.

OX11 : 알람 LED. 에러가 발생했을 때 각 명령에 대한 해당 에러 비트가 1로 설정되어 있으면 LED가 깜박인다. 각 명령에 대한 해당 에러 대응표는 다음과 같다.

각 비트의 기능은 'OR'논리로 작동된다. 즉, OXO5로 설정되었을 경우 입력 전압 에러가 발생해도 LED는 깜박이며, 오버히팅 에러가 발생해도 LED는 깜박이게 된다. 에러가 발생한 후 정상상황으로 복귀하면 2초 후에 LED는 깜박임을 멈추게 된다.

OX12 : 알람 셧다운. 에러가 발생했을 때 각 명령에 대한 해당 에러 비트가 1로 설정되어 있을 경우 액츄에이터 모듈이 토크오프 즉, 동작중지된다. 각 명령에 대한 해당 에러 대응표는 다음과 같다.

각 비트의 기능은 'OR'논리로 작동된다. 그러나 알람 LED와는 달리 에러가 발생한 후 정상 상황으로 복귀해도 토크오프 상태는 계속된다. 따라서 셧다운 상태에서 벗어나려면 토크 인에이블[0X18]을 1로 재설정해야 한다.

OX14, OX15, OX16, OX17 : 교정(Callibraion). 포텐셔미터 제품간의 편차를 보상하기 위한 데이터로서 사용자가 변경할 수 없다.

이하의 번지는 RAM영역이다.

OX18 : 토크 인에이블. 디지털 모드에서 액츄에이터 모듈에 전원을 인가하면 토크가 발생하지 않는 프리런 상태가 된다. 이 때 OX18번지에 1을 설정하면 토크 인에이블 상태로 된다.

OX19 : LED. 1로 설정되어 있으면 LED가 켜지고 0으로 설정되어 있으면 LED가 꺼진다.

OX1A, OX1B, OX1C, OX1D : 컴플라이언스 마진(compliance margin) 및 슬로 프. 마진과 슬로프를 설정하여 액츄에이터의 컴플라이언스를 조절한다. 컴플라이언스를 잘 활용하면 충격 흡수를 하는 효과를 낼 수 있다. 도 8의 위치 에러에 따른 출력 곡선에서 A, B, C, D의 길이가 컴플라이언스 값이다.

OX1E, OX1F : 목표 위치. 액츄에이터 모듈이 이동하고자 하는 위치를 의미한다. 도 9에서 값을 최대값인 Ox3ff로 설정하면 300°로 이동한다.

OX20, OX21 : 이동 속도. 목표 위치로 이동하는 속도를 의미한다. 최대값인 Ox3ff로 설정하면 70rpm의 속도로 움직이다. 참고로, 속도가 1로 설정될 경우가 최저속이며 0으로 설정된 경우는 현재 인가 전압상에서 낼 수 있는 최대속도로 움직이게 된다. 즉, 속도제어를 하지 않는 것이다.

OX22, OX23 : 최대 토크. 액츄에이터 모듈의 최대 토크 출력값이다. 이 값을 '0'으로 설정할 경우 토크가 없는 프리런(Free Run) 상태가 된다. 최대 토크(Max Torque/Torque Limit)는 EEPROM영역(OXOE, OXOF)과 RAM영역(OX22, OX23)의 두 곳에 할당되어 있는데, 전원이 온될 때 EEPROM영역의 값이 RAM으로 복사된다. 액츄에이터 모듈의 토크는 RAM에 위치한 값(OX22, OX23)에 의해 제한된다.

OX24, OX25 : 현재 위치. 액츄에이터 모듈의 현재 위치

OX26, OX27 : 현재 속도. 액츄에이터 모듈의 현재 속도

OX28, OX29 : 현재 부하. 액츄에이터 모듈의 현재 구동하는 부하의 크기. 아래 표에서 비트 10은 부하가 걸려있는 방향이다.

OX2A : 현재 전압. 액츄에이터 모듈에 현재 인가되고 있는 전압. 이 값은 실제 전압의 10배이다. 즉, 10V일 경우 100[OX64]이 읽혀진다.

OX2B : 현재 온도. 액츄에이터 모듈 내부의 섭씨 온도.

OX2C : 등록 명령. REG_WRITE명령에 의해 명령이 등록되어 있을 때 1로 설정되고, ACTION명령에 의해 등록된 명령이 수행완료된 후에는 0으로 된다.

OX2E : 이동. 액츄에이터 모듈이 자체 동력에 의한 이동 상태일 때 1로 설정된다.

OX2F : 로크(Lock). 1로 설정되면 0X18~0X23번지의 값만 기록할 수 있고 나머지 영역은 기록이 금지된다. 한번 로크되면 전원오프로만 해제할 수 있다.

OX30, OX31 : 펀치(Punch). 구동시에 모터에 공급되는 최소전류량. 초기값은 OX20이며 최고 0X3FF까지 설정할 수 있다.

데이터 유효영역(Range)

각 데이터들은 유효한 범위가 정해져 있다. 이를 벗어난 기록(WRITE)명령이 전송될 경우 에러가 리턴된다. 도 10의 표에 사용자가 기록할 수 있는 데이터의 길이와 범위가 정리되어 있다. 16비트 데이터는 [L]과 [H], 두 바이트로 표시된다. 이 두 바이트는 하나의 명령 패킷으로 동시에 기록되어야 한다.

패킷 구조

본 발명에서 이용되는 명령 패킷(INSTRUCTION PACKET)은 메인 컨트롤러가 액츄에이터 모듈에게 동작을 지시하는 패킷으로서, 그 구조는 다음과 같다.

명령 패킷을 이루는 각 바이트들의 의미는 다음과 같다.

OXFF OXFF : 가장 선두에 위치한 두 개의 OXFF는 패킷의 시작을 알리는 신호이다.

ID : 명령 패킷에 의해 제어될 액츄에이터 모듈의 ID이다. 액츄에이터 모듈의 ID는 OXOO ~ OXFD 까지 254개가 가능하다.

브로드캐스팅(Broadcasting)ID : 연결되어 있는 액츄에이터 모듈 전체를 지정하는 ID이다. ID를 OXFE로 설정한 브로드캐스팅 ID 패킷은 연결된 모든 액츄에이터 모듈에 유효하다. 그러므로 브로드캐스팅 ID로 전달된 패킷의 경우는 상태 패킷이 리턴되지 않는다.

LENGTH(길이) : 명령 패킷의 길이로서 그 값은 "파라미터 개수[N] +2"이다.

INSTRUCTION(명령) : 액츄에이터 모듈에게 수행하라고 지시하는 명령이다.

PARAMETER 0...N : INSTRUCTION 외에 추가 정보가 더 필요할 경우 사용된다.

CHECK SUM(체크섬) : 체크섬의 계산 방법은 다음과 같다.

CHECK SUM = ~{ID + LENGTH + INSTRUCTION + PRAMETER 1 + ... + PRAMETER N}, 체크섬으로 계산된 값이 255보다 클 경우 결과값의 하위 바이트가 CHECKSUM이다. "~"는 Not Bit 연산자이다.

본 발명에서 이용되는 상태 패킷(STATUS PACKET)은 액츄에이터 모듈이 명령 패킷을 전송받은 후 그 응답으로 메인 컨트롤러로 리턴하는 패킷이며, 그 구조는 다음과 같다.

상태 패킷을 이루는 각 바이트의 의미는 다음과 같다.

ID : 상태 패킷을 리턴하는 액츄에이터 모듈의 ID이다. 액츄에이터 모듈의 ID는 OXOO ~ OXFD 까지 254개가 가능하다.

LENGTH(길이) : 상태 패킷의 길이로서 그 값은 "파라미터 개수[N] +2"이다.

ERROR(에러) : 액츄에이터 모듈의 동작 중에 발생된 에러 상태를 나타내는 것으로 각 비트별 의미는 다음 표와 같다.

PARAMETER 0...N : ERROR 외에 추가 정보가 더 필요할 경우 사용된다.

CHECK SUM(체크섬) : 체크섬의 계산 방법은 다음과 같다.

CHECK SUM = ~{ID + LENGTH + ERROR + PRAMETER 1 + ... + PRAMETER N}, 체크섬으로 계산된 값이 255보다 클 경우 결과값의 하위 바이트가 CHECKSUM이다. "~"는 Not Bit 연산자이다.

명령 세트

본 발명의 액츄에이터 모듈에서 사용되는 명령 세트에는 다음과 같은 종류가 있다.

1. WRITE_DATA

기능 : 액츄에이터 모듈 내부의 제어 테이블에 데이터를 기록하는 명령이다.

길이 : 기록하고자 하는 데이터가 N개일 경우, 길이는 N + 3 이다.

명령 : OXO3

파라미터1 : 데이터를 기록하는 곳의 시작 번지

파라미터2 : 기록하고자 하는 첫번째 데이터

파라미터3 : 기록하고자 하는 두번째 데이터

파라미터N+1 : 기록하고자 하는 N번째 데이터

예컨대, 연결된 액츄에이터 모듈의 ID를 1로 설정하고 하는 경우, 제어 테이블의 번지 3에 1을 기록하는 명령을 전송하면 된다. 이를 브로드캐스팅ID(OXFE)로 전송하는 경우의 명령 패킷은 다음과 같다.

위와 같은 경우, 브로드캐스팅ID로 전송되었으므로 상태 패킷은 리턴되지 않는다.

2. READ_DATA

기능 : 액츄에이터 모듈 내부의 제어 테이블의 데이터를 판독하는 명령

길이 : OXO4

명령 : OXO2

파라미터1 : 판독하고자 하는 데이터의 시작 번지

파라미터2 : 판독하고자 하는 데이터의 길이

예컨대. ID가 1인 액츄에이터 모듈의 현재 내부 온도를 판독하고 하는 경우, 제어 테이블의 번지 OX2B 값에서 1바이트를 판독하면 된다. 이 경우의 명령 패킷은 다음과 같다.

이에 대해 리턴되는 상태 패킷은 다음과 같다.

판독된 데이터 값은 OX20이며, 현재 액츄에이터 모듈의 내부 온도가 약 32℃[OX20]임을 알 수 있다.

3. REG_WRITE

기능 : REG_WRITE명령은 WRITE_DATA명령과 유사하나 명령이 수행되는 시점이 다르다. REG_WRITE 명령 패킷이 도착하면 그 값은 버퍼에 저장되고 WRITE 동작은 대기 상태로 남아 있게 된다. 이 때, Registered Instruction[OX2C]이 1로 설정된다. 이후에 ACTION 명령 패킷이 도착하면 비로소 등록되어 있던 REG_WRITE 명령이 실행된다.

길이 : N + 3

명령 : OXO4

파라미터1 : 데이터를 기록하고자 하는 곳의 시작 번지

파라미터2 : 기록하고자 하는 첫번째 데이터

파라미터3 : 기록하고자 하는 두번째 데이터

파라미터N+1 : 기록하고자 하는 N번째 데이터

4. ACTION

기능 : REG_WRITE명령으로 등록된 WRITE 동작을 수행하라는 명령

길이 : OXO2

명령 : OXO5

파라미터 : 없음

여기서, ACTION 명령은 다수의 액츄에이터 모듈을 동시에 정확하게 동작시켜야 하는 경우에 유용하다. 여러 개의 액츄에이터 모듈을 명령 패킷으로 제어할 때, 맨 처음에 명령을 받는 액츄에이터 모듈과 맨 마지막에 명령을 전달받는 액츄에이터 모듈은 동작 시점에 약간의 시간차가 발생하게 된다. 그러나, REG_WRITE와 ACTION 명령을 사용하게 되면 이와 같은 문제가 해결된다. 한편, 두개 이상의 액츄에이터 모듈에 ACTION 명령을 전송할 경우 브로드캐스팅ID(OXFE)를 사용해야 하는데, 이 때 상태 패킷은 리턴되지 않는다.

5. PING

기능 : PING 명령은 아무 것도 지시하지 않는다. 단지, 상태 패킷을 받고자 할 때나 특정 ID를 갖는 액츄에이터 모듈의 존재를 확인하기 위해 사용된다.

길이 : OXO2

명령 : OXO1

파라미터 : 없음

예컨대, ID가 1인 액츄에이터 모듈의 상태 패킷을 얻고 싶을 때 다음과 같이 PING 명령을 이용할 수 있다.

이에 대응하여 리턴되는 상태 패킷은 다음과 같다.

브로드캐스팅ID가 지정되거나 상태 리턴 레벨[OX10]이 0이더라도, PING 명령에 대해서는 상태 패킷이 리턴된다.

6. RESET

기능 : 액츄에이터 모듈의 제어 테이블을 공장 디폴트 상태로 되돌려 놓는다.

길이 : OXO2

명령 : OXO6

파라미터 : 없음

예컨대, ID가 0인 액츄에이터 모듈을 리셋하고자 할 경우의 명령 패킷은 다음과 같다.

위와 같은 RESET 명령에 대해 리턴되는 상태 패킷은 다음과 같다.

여기서, RESET 명령 수행 이후에는 ID가 1로 바뀌게 된다.

7. SYNC_WRITE

기능 : 한 번의 명령 패킷 전송으로 다수의 액츄에이터 모듈을 동시에 제어하고자 할 때 사용되는 명령이다. Sync Write 명령을 사용하면 여러 개의 명령을 한번에 전달하므로 다수의 액츄에이터 모듈을 제어할 때 통신 시간이 줄어든다. 단, 각각의 액츄에이터 모듈에 기록하고자 하는 제어 테이블의 번지와 길이가 모두 동일해야 하며, ID는 브로드캐스팅ID로 전송되어야 한다.

ID : OXFE

길이 : [L + 1] * N + 4, 여기서 L은 액츄에이터 모듈의 데이터 길이이며, N은 액츄에이터 모듈의 개수이다.

명령 : OX83

파라미터1 : 데이터를 기록하고 하는 곳의 시작 번지

파라미터2 : 기록하고자 하는 데이터의 길이 [L]

파라미터3 : 첫번째 액츄에이터 모듈의 ID

파라미터4 : 첫번째 액츄에이터 모듈의 첫번째 데이터

파라미터5 : 첫번째 액츄에이터 모듈의 두번째 데이터

...

파라미터L+3 : 첫번째 액츄에이터 모듈의 L번째 데이터

파라미터L+4 : 두번째 액츄에이터 모듈의 ID

파라미터L+5 : 두번째 액츄에이터 모듈의 첫번째 데이터

파라미터L+6 : 두번째 액츄에이터 모듈의 두번째 데이터

...

파라미터2L+4 : 두번째 액츄에이터 모듈의 L번째 데이터

...

예컨대, 4개의 액츄에이터 모듈에 대하여 각각 아래와 같이 위치와 속도를 정한다고 하자.

ID 0 인 액츄에이터 모듈 : OX010위치로 속도 0X150 으로 이동

ID 1 인 액츄에이터 모듈 : OX220위치로 속도 0X360 으로 이동

ID 2 인 액츄에이터 모듈 : OX030위치로 속도 0X170 으로 이동

ID 3 인 액츄에이터 모듈 : OX220위치로 속도 0X380 으로 이동

이러한 동작을 지시하기 위한 명령 패킷은 다음과 같이 이루어진다.

OXFF OXFF OXFE OX18 OX83 OX1E OXO4 OXOO OX1O OXOO OX50 OX01 OX01 OX20 OX02 OX60 OX03 OX02 OX30 OX00 OX70 OX01 OX03 0X20 0X02 0X80 OX03 OX12

이 때, 브로드캐스팅ID로 전송되기 때문에 상태 패킷은 리턴되지 않는다.

본 발명에 따라, 센서부, 구동부, 제어부, 네트워크부가 모두 내장되어 배선 처리의 곤란성 및 액츄에이터의 증감에 따른 설계변경 상의 불편이 해소된 액츄에이터 모듈이 제공된다.

본 발명에 따라, 모터의 회전 속도나 위치 뿐만 아니라, 과전류의 발생여부, 액츄에이터 내부 온도, 액츄에이터의 기계적 부하 등을 감지하여 이를 이상발생시 이를 외부로 표시하고 자체적으로 모터의 동작을 중지시키는 등의 방식으로 이상상황에 대처하는 내장형 프로세서를 구비한 액츄에이터 모듈이 제공된다.

본 발명에 따라, 액츄에이터에 부가되는 기계적 부하의 크기를 피드백할 수 있는 강제 피드백(force feedback)기능을 구비하여 액츄에이팅 시스템의 고질적인 돌발상황에 대처할 수 있으며, 가상 현실 상황에서 이용될 경우 외력측정을 위한 별도의 하중 측정 수단이 필요 없으며 외력의 기계적 부하의 크기에 따라 모터의 토크를 적절하게 제어할 수 있는 액츄에이터 모듈이 제공된다.

본 발명에 따라, 다수의 액츄에이터 모듈 상호간 및 다수의 액츄에이터 모듈과 메인 컨트롤러 사이의 신호전송이 가능하도록, 내부에 네트워크 기능을 포함하는 네트워크형 액츄에이터 모듈이 제공된다.

본 발명에 따라, 다수의 액츄에이터 모듈이 멀티드롭 방식으로 연결되어 복수의 액츄에이터 모듈이 동일한 물리적 링크를 공유함으로써 네트워크 토팔러지(topology)가 단순화될 수 있으며, 다수의 액츄에이터 모듈 상호간 및 다수의 액츄에이터 모듈과 메인 컨트롤러 사이에 동시에 병렬적인 신호전송이 가능하여 다수의 액츄에이터 모듈로 구성된 로봇 시스템, 가상현실 시스템, 햅틱(Haptic)시스템, 공장자동화 시스템 등에 적합한 네트워크형 액츄에이터 모듈이 제공된다.

본 발명에 따라, 멀티드롭 방식으로 연결된 다수의 액츄에이터 모듈 상호간 및 다수의 액츄에이터 모듈과 메인 컨트롤러 사이의 신호전송이 간단하고 효율적인 방식으로 이루어져서 프로토콜의 오버헤드가 최소화되는 동시에 액츄에이터 모듈의 확장성이 증가될 수 있도록, 액츄에이터 모듈에 내장된 제어 테이블의 데이터 판독 및 기록 과정을 통해 액츄에이터 모듈이 제어되는 네트워크형 액츄에이터 모듈이 제공된다.

본 발명에 따라, 다수의 액츄에이터 모듈의 각 버퍼에 소정의 명령을 미리 등록해 두고 적당한 시점에서 동시에 각 명령을 실행시킴으로써 다수의 액츄에이터 모듈의 동작 시점에 시간차가 발생하게 되는 문제점을 개선한 네트워크형 액츄에이터 모듈이 제공된다.

본 발명에 따라, 한 번의 패킷 명령 전송으로 다수의 액츄에이터 모듈을 동시에 제어할 수 있는 멀티드롭 방식의 네트워크형 액츄에이터 모듈이 제공된다.

Claims

모터, 감속기, 제어기, 통신부, 구동 상태 피드백을 위한 센서부, 과온, 과전압등의 이상 유무를 감지하는 유닛이 모두가 일체형으로 구성되어있는 액츄에이터 모듈에 있어서,

구동 모터 및 상기 구동 모터를 구동 및 제어하기 위한 모터 구동부를 포함하는 모터부;

상기 엑츄에이터 모듈의 동작 상황을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서로 구성되는 센서부;

상기 모터부와 센서부에 연결되어 상기 모터부와 센서부의 동작을 인식 및 제어하는 제어부; 및

상기 제어부와 외부 컨트롤러와의 인터페이스를 위한 네트워크부를 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크형 액츄에이터 모듈.
제 1 항에 있어서,

상기 센서부는 상기 구동 모터의 회전 속도, 과전류 발생여부, 외부 부하 및 상기 액츄에이터 모듈의 내부온도를 감지하여 이상 발생시 이를 상기 제어부로 통지하며, 상기 제어부를 상기 이상 발생을 상기 외부 컨트롤러와 통지하는 동시에 상기 모터부의 동작을 중지시키는 것을 특징으로 하는 네트워크형 액츄에이터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 액츄에이터 모듈은 한 번의 패킷 명령 전송으로 다수의 액츄에이터 모듈이 동시에 제어되는 멀티드롭 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 네트워크형 액츄에이터 모듈.