KR20090114890A - 로봇의 충돌검지 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 로봇의 충돌검지 방법은 외란 관측기를 통해 로봇의 외란을 추정하는 제1단계와, 상기 추정된 외란에서 충돌로 발생한 순수외란을 계산하는 제2단계와, 순수외란의 최대 크기와 최대 변화량에 따른 문턱 값을 설정하는 제3단계와, 충돌이 발생했다고 판단되면, 에러 처리 및 후속 조치를 취하는 제4단계를 포함한다.

로봇, 외란, 추정, 관측기

Description

로봇의 충돌검지 방법{DETECTION METHODE FOR COLLISION OF ROBOT}

본 발명은 로봇의 충돌검지 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 외부에 추가적인 센서 없이 외란관측기를 통해 추정된 외란을 이용하여 로봇의 충돌을 검지할 수 있도록 하는 로봇의 충돌검지 방법에 관한 것이다.

일반적으로 로봇을 사용하여 작업하는 공간에서는 항상 작업물 및 작업자와의 충돌 위험이 존재한다.

만약 작업 중인 로봇과 작업자 또는 작업물(이하 작업자 또는 작업물을"작업물"이라 칭함)의 충돌이 발생하게 되면 작업물의 파손은 물론, 로봇에도 충격으로 파손되어 공장 라인을 재가동하게 되는데 있어서 막대한 비용 및 시간을 소비하게 된다.

그러므로 로봇과의 충돌이 발생할 경우 로봇 제어기에서 이를 빠르게 검지하여 작업물 혹은 작업자의 피해를 최소화하고, 로봇의 손상도 최소화하여 충돌 발생 후 정상적 작업으로 복구하는데 걸리는 시간을 최소화 할 수 있는 기능이 반드시 필요하다.

그러나 종래 로봇의 충돌검지 방법은 로봇에 추가적인 힘센서 등을 부착하 여 이러한 센서 정보를 바탕으로 충돌을 검지하는 방법과, 센서를 사용하지 않고 외란을 추정하여 충돌을 검지하는 방법이 있다.

그리고 종래의 외란 추정에 의한 충돌 검지 방법은 로봇을 강성체로 모델링하여 모터 및 링크를 하나의 강성체로 가정하고 외란관측기를 구성하고 있다.

그 결과 추정된 외란은 충돌에 의한 외란 이외에도 실제 로봇과 모델의 오차에 의해 발생된 외란이 포함되어 있어서 정확한 외란 추정이 되지 않는 문제점이 있었다.

또한 추정된 외란을 그대로 충돌 판단에 사용하였는데 이러한 경우 마찰에 의한 외란에 의해 실제 충돌이 발생하지 않았음에도 불구하고 충돌로 잘못 판단하여 로봇이 정지되고, 이로 인해 공장 라인 전체가 정지되는 경우가 발생하는 문제가 있다. 즉, 허위경보(False Alarm)의 확률이 높은 문제가 있었다.

또한 실제 충돌이 발생한 순간부터 충돌 검지까지의 검지시간이 길어서 충돌 검지가 제대로 작동하더라도 로봇 및 작업물의 파손 정도가 심한 문제를 가지고 있다.

본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 외부에 추가적인 센서 없이 외란관측기를 통해 추정된 외란을 이용하여 로봇의 충돌을 검지할 수 있도록 하는 로봇의 충돌검지 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 로봇의 충돌검지 방법은 외란 관측기를 통해 로봇의 외란을 추정하는 제1단계와, 상기 추정된 외란에서 충돌로 발생한 순수외란을 계산하는 제2단계와, 순수외란의 최대 크기와 최대 변화량에 따른 문턱 값을 설정하는 제3단계와, 충돌이 발생했다고 판단되면, 에러 처리 및 후속 조치를 취하는 제4단계를 포함한다.

여기서 제4단계는 충돌 판단조건은 순수외란의 크기가 순수외란 크기에 대한 문턱 값의 이상인 경우 충돌로 판단하는 제1조건과, 순수외란의 변화량이 순수외란 변화량에 대한 문턱 값의 이상인 경우 충돌로 판단하는 제2조건 중에 어느 하나가 만족될 경우 충돌로 판단하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 외란 관측기를 통해 외란을 추정하되, 별도의 추가적인 센서 없이 추정된 외란에서 충돌에 의한 순수외란을 계산하고, 순수외란에 따른 최대 크기와 최대 변화량에 여유를 두어 충돌을 판단하여 충돌 시 발생될 수 있는 작업물 및 로봇의 피해를 최소화 하면서 생산에 따른 복구시간을 최소화 할 수 있는 효 과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 충돌검지 방법을 도시한 순서도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 충돌검지 방법의 외란 추정을 설명하기 위한 2관성계 모델의 개념도이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 충돌검지 방법의 충돌 판단 조건을 보인 예시도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 충돌검지 방법의 에러 처리를 보인 블록도이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이 본 발명의 로봇의 충돌검지 방법은 외란 관측기를 통해 외란을 추정하는 제1단계와, 상기 외란에서 발생한 순수외란을 계산하는 제2단계와, 충돌 판단을 위해 문턱 값을 설정하는 제3단계와, 충돌이 발생했다고 판단되면, 에러 처리 및 후속 조치를 취하는 제4단계를 포함한다.

상기 제1단계(S10)는 외란 관측기를 이용하여 로봇에 작용하는 충돌을 판단하는 기준인 외란을 추정하는 단계이다. 이때 외란을 추정하기 위한 외란 관측기는 도 2에 도시한 바와 같이 로봇의 각 축을 2관성계로 모델링 한 것으로

는 제어 입력,

은 각각 모터 이너셔, 링크 이너셔를 나타낸다.

그리고

는 로봇 관절의 강성을 나타내고,

은 각각 모터와 링크의 동적 마찰계수를 나타내며,

은 모터와 링크의 각속도를 나타낸다.

또한, 관절의 비틀림 각은

이고, 로봇의 각 축에 작용하는 외란은

이다.

에는 타 축의 운동에 의한 간섭력, 중력, 충돌에 의해 발생한 토크 등이 포함되어 있다.

따라서 위의 2관성계 모델을 수식으로 표현하면 수학식 1과 같다.

여기서 수학식 1의 2관성계 모델에서 마찰항

은 무시할 수 있는 정도이므로 마찰항

을 무시하여 수학식 2와 같은 2관성계 모델로 단순화 한다.

그리고 수학식 2의 관성계 모델을 이용하여 최소차원 외란 관측기를 수학식 3과 같이 구성한다.

여기서

는 최소차원 외란관측기의 상태변수를 나타내고,

은 각각 외란관측기에 의해 추정된 관절의 비틀림 각과, 링크 각속도 및 외란을 각각 나타낸다.

또한

은 수학식 2의 2관성계 모델과 외란관측기의 특성방정식을 통해 계산되는 파라미터들이다.

이 때 안정한 외란 관측기를 설계하기 위해 외란관측기의 특성 방정식을 다음과 같이 선정한다. 여기서 외란관측기가 적절한 응답성을 갖도록 특성 방정식의 계수

를 결정한다.

이 때 수학식 3을 이용하여 표현한 아래의 외란관측기의 특성방정식이 설계한 특성방정식 수학식 4와 동일한 특성방정식을 갖도록 수학식 5와 같이 외란관측기의 파라미터들을 선정한다.

특성방정식을 통하여 계산한 외란관측기 파라미터

들은 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.

여기서 외란 관측기의 토크 입력인

는 실제 로봇에 인가되는 토크 입력에서 동력학 제어기에서 계산된 타축에 의한 간섭력 보상토크, 중력 보상토크를 제거한 토크를 입력으로 넣어준다.

이와 같이 외란관측기의 토크 입력을 만들어 줌으로써 추정된 외란

은 다축 로봇에서 항상 존재하는 외란인 타축에 의한 간섭 토크 및 중력에 의한 토크가 제거된 형태의 토크를 얻을 수 있다.

여기서

는 각각 타축에 의한 간섭토크 및 중력에 의한 토크를 나타낸다.

이후, 제2단계(S20)는 외란관측기 에서 추정된 외란에는 충돌에 의해 발생한 순수 외란 외에도 모터 측 마찰 및 링크 측의 마찰이 포함되어 있으므로 충돌에 의한 외란 관측을 보다 정확하게 해주기 위해서는 추정된 외란에서 모터 측 마찰 및 링크 측 마찰을 제거하여 충돌에 의해 발생한 순수 외란을 계산해야 한다.

외란관측기에서 추정된 외란에서 충돌에 의한 순수외란을 계산하는 방법은 수학식 8과 같다.

수학식 8에서 순수 충돌에 의한 외란

를 구하기 위해서는 모터와 링크 측에 작용하는 마찰력(

)을 제거해 준다. 이때 모터 측 마찰 및 링크 측 마찰은 각각 정지마찰력 및 각속도에 비례하는 동적 마찰력으로 구분할 수 있다. 그 리고 정지 마찰력 및 동적 마찰계수는 로봇에 입력되어 있는 값을 사용한다.

여기서 모터 측 각속도는 센서에 의해 계측가능하나 링크측에는 센서가 없으므로 속도를 계측할 수 없다. 그러므로 제1단계의 외란관측기에서 추정한 링크 각속도를 사용하여 동적 마찰력을 수학식 9를 통해 계산한다.

수학식 9에 의해 계산된 마찰력을 수학식 8에 대입하여 충돌에 의한 순수외란 항만을 얻는다.

이후, 제3단계(S30)는 충돌검지 판단을 위한 문턱 값(threshold value)을 설정한다.

이때 두 가지 문턱 값(threshold value)을 설정한다. 즉, 제2단계에서 구한 순수외란은 로봇이 실제로 작업물과 충돌하지 않더라도 로봇 모델의 부정확성에 의해 0이 아닌 값으로 계산될 수 있다. 따라서 로봇 모델의 부정확성에 기인한 순수외란의 오차에 대해 충돌 판단 시에 민감도를 줄이기 위해서 목표로 삼는 작업공정에 대해 순수외란의 최대 크기와 최대 변화량을 측정, 계산한다.

여기서 로봇은 실제로 충돌 없이 운전되어야 하며 순수외란의 최대 크기와 최대 변화량은 이후 충돌 판단 여부를 결정하는 문턱 값으로 설정된다. 이때 사용자는 순수외란의 최대 크기와 최대 변화량에 여유를 두어 적용함으로써 충돌 판단의 민감도를 필요에 따라 조정할 수 있다.

또한, 문턱 값이 설정되지 않을 경우 제1단계의 외란을 추정하여 제2단계의 순수외란을 계산하여 문턱 값을 설정한다.

그리고 제4단계서의 충돌 발생 판단은 두 가지 조건을 가지고 판단한다(S40). 즉, 제1조건으로 순수외란의 크기가 순수외란 크기에 대한 문턱 값의 이상인 경우 충돌로 판단하고, 제2조건으로 순수외란의 변화량이 순수외란 변화량에 대한 문턱 값의 이상인 경우 충돌로 판단한다. 여기서 순수외란 크기와 변화량에 대한 문턱 값은 앞서 제3단계에서 구한 결과이다.

그리고 순수외란의 크기가 순수외란 크기에 대한 문턱 값의 이상인 경우 충돌로 판단하는 조건만을 가지고 충돌검지를 수행할 경우 로봇이 저속으로 동작할 때 실제 충돌 발생 후 검지까지 걸리는 시간이 길어질 수도 있는 문제가 있다.

그러므로 순수외란의 크기가 순수외란 크기에 대한 문턱 값의 이상인 경우 충돌로 판단하는 제1조건에 순수외란의 변화량이 순수외란 변화량에 대한 문턱 값의 이상인 경우 충돌로 판단하는 제2조건을 추가하여 제1조건과 제2조건 중에 하나라도 만족하면, 충돌로 판단한다.

이때 순수외란의 크기가 순수외란 크기에 대한 문턱 값의 이상인 경우 충돌로 판단하는 제1조건과, 순수외란의 변화량이 순수외란 변화량에 대한 문턱 값의 이상인 경우 충돌로 판단하는 제2조건 중에 하나가 작다면, 제1단계에서 제3단계까지를 반복하여 문턱 값을 재설정한다.

따라서 제1조건과 제2조건을 통한 판단으로 실제 충돌 발생에서 판단까지의 검지시간을 최소한으로 단축할 수 있다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

충돌 판단 영역을

으로 구성된 충돌 검지 영역을 표현하면 도 3과 같이 도시할 수 있다.

그리고 도 4에 도시한 바와 같이 충돌이 발생되었다고 판단되면 로봇의 동작 지령을 생성하는 상위 제어기에 에러코드를 송신하고 서보 제어기는 동작을 멈춘다(S50). 서보 제어기로부터 충돌 검지 에러를 수신한 상위 제어기는 동작 지령 생성을 멈추고 모터의 전원을 차단하고, 모터 브레이크를 작동해 충돌 대상물 및 로봇의 피해를 최소화 한다.

이상에서 본 발명의 로봇의 충돌검지 방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

따라서 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 치수 및 모양 그리고 구조 등의 다양한 변형 및 모방할 수 있음은 명백한 사실이며 이러한 변형 및 모방은 본 발명의 기술 사상의 범위에 포함된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 충돌검지 방법을 도시한 순서도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 충돌검지 방법의 외란 추정을 설명하기 위한 2관성계 모델의 개념도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 충돌검지 방법의 충돌 판단 조건을 보인 예시도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇의 충돌검지 방법의 에러 처리를 보인 블록도.

Claims (2)

1. 외란 관측기를 통해 로봇의 외란을 추정하는 제1단계;

   상기 추정된 외란에서 충돌로 발생한 순수외란을 계산하는 제2단계;

   순수외란의 최대 크기와 최대 변화량에 따른 문턱 값을 설정하는 제3단계;

   충돌이 발생했다고 판단되면, 에러 처리 및 후속 조치를 취하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 충돌검지 방법.
2. 제1항에 있어서,

   제4단계는 충돌 판단조건은 순수외란의 크기가 순수외란 크기에 대한 문턱 값의 이상인 경우 충돌로 판단하는 제1조건과,

   순수외란의 변화량이 순수외란 변화량에 대한 문턱 값의 이상인 경우 충돌로 판단하는 제2조건 중에 어느 하나가 만족될 경우 충돌로 판단하는 것을 특징으로 하는 로봇의 충돌검지 방법.

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