KR20100116545A

KR20100116545A - 매니퓰레이터를 조절하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20100116545A
Application number: KR1020100036833A
Authority: KR
Inventors: 안드레아스 하겐나우어
Original assignee: 쿠카 로보테르 게엠베하
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2010-11-01
Also published as: CN101890715B; EP2243602A3; US20100270272A1; US20100274388A1; US8395081B2; EP2243602A2; JP5971887B2; EP2243586B1; EP2243585A1; JP2010253676A; ES2424244T3; KR101683289B1; EP2243585B1; CN101890715A; EP2243602B1; US20100270271A1; US8249746B2; EP2243586A1

Abstract

다축 매니퓰레이터, 특히 로봇 (1) 의 조절을 위한 본 발명에 따른 방법으로서,
적어도 하나의 안내 축의 유연한 조절 단계 (S50), 및
적어도 하나의 추가적인 축의 고정식 조절 단계 (S50) 를 포함하는 방법에 있어서,
상기 적어도 하나의 추가적인 축의 소망 값 (q2_s, q5_s) 이 상기 안내 축의 실제 값 (q3_meas) 에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.

Description

매니퓰레이터를 조절하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE TO REGULATE A MANIPULATOR}

본 발명은 다축 (multi-axis) 매니퓰레이터, 특히 로봇을 조절하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

현대의 산업용 로봇은 우세하게 위치조절된다. 이를 위해, 원하는 조인트 위치가 보간기에서 생성되어 로봇의 개별적인 구동기의 개별적인 조인트 조절기에 의해 정해진다. 그러나, 예컨대, 장애물 또는 경로 계획에 있어서의 부정확한 환경 모델링으로 인해 원하는 위치가 도달되지 않으면, 순수한 위치 조절이 조정 가변 한계를 초과할 때까지 구동력을 증가시켜 제어장치의 비활성화를 초래하거나, 로봇이 원하는 위치에 강제적으로 도달하여 장애물, 구성요소, 공구 또는 그 자체를 손상시킬 수 있다.

실시예는 전극 홀더를 이용하는 스폿 용접이고, 이 전극 홀더는 구성요소의 소정의 지점에서 소정의 접촉 압력으로 눌려야 한다. 그러나, 상기 구성요소가 용접 자세의 기초가 되는 계획에 의한 위치에 있지 않고, 예컨대 전극 홀더의 폐쇄 방향으로 변위되는 경우, 단순 위치조절된 로봇이 용접 전극을 소정의 위치로 강제적으로 밀어 모듈 및 한 전극을 손상시키는 한편, 다른 전극은 구성요소와 접촉하지 않을 수 있다. 손상이 발생하지 않더라도, 실패 지점에 대한 용접 스폿의 품질을 감소시킬 수 있는 허용할 수 없는 힘이 발생된다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 예컨대 "Remote Center of Compliance" 로서 공지된 것을 통해 로봇 구조체에서 목표한 수동적 유연성을 제공하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 특화된 고정성 (rigidity) 및 유연성 (flexibility) 성향 (경향) 으로 인해, 이는 상이한 적용 케이스에 대해서는 유용하지 않다. 능동적으로 제어가능한 공구 연결, 예컨대 압축 공기 또는 서보모터에 의해 상이한 보상 위치에서 조정될 수 있는 플로팅 베어링을 구비하는 전극 홀더가 각각의 적용 케이스에 조화되어야 하고, 수동적 유연성처럼 추가의 장치 비용을 필요로 한다.

그러므로, 장시간 동안 연구에서 힘 조절이 실험되었으며, 여기서 일반적으로 병렬적이지 않은 힘 쌍 (즉, 토크) 이 힘으로써 또한 규정되고, 힘 모멘트 조절 ("KMR") 로서 공지된 것이 힘 조절로 이해되어야 할 것이다. 이에 관하여, "FTCtrl" ("힘 토크 제어") 로서 산업에서 사용되는 한가지 개념은 선택 행렬을 통해 위치조절 및 힘조절된 부분적인 공간으로의 분할이고, 다른 개념은 각각의 조종된 변수가 중첩되는 상태의 병렬적인 위치 및 힘 조절이며, 추가의 개념은 위치 및 힘이 힘 규칙, 특히 스프링-댐퍼 [쇼크업소버] 매스 모델 (spring-damper [shock absorber] mass model) 을 통해 연결되는 임피던스 조절이다. 예컨대, "Regelungsalgorithmen fuer rechnergesteuerte Industrieroboter" ["Regulation algorithms for computer-controlled industrial robots"], Rgelungstechnik, 1984, S. 215 - 226 에 H.-B. Kuntze 에 의한 또는 "Ein Beitrag zur kraftbasierten Mensch-Roboter-Interaktion" ["A contribution to force-based human-robot interaction"], Dissertation, TU Chemnitz, 2006 에 A. Winkler 에 의한 개요가 있다.

그러나, 이런 접근법의 실현은 통상적으로 실제로 어려움에 놓인다. 예컨대, 하나의 데카르트 (Cartesian) 방향, 예컨대 상기 적용 케이스에 있어서 전극 홀더의 폐쇄 방향을 따라 유연성을 보여주기 위한 데카르트 공간에서의 힘 조절은 높은 연산 노력을 필요로 하고 조절 응답이 대응하게 느려진다. 한편, 모든 축을 힘 조절하는 경우에는, 연동 변환, 마찰 및 소음으로 인해 힘이 단지 부정확하게만 재구성될 수 있기 때문에, 모터 전류로부터 로봇에 작용하는 힘의 각각의 비율을 결정하는 것이 문제가 된다.

그러므로, 본 발명의 목적은 매니퓰레이터의 응답성을 실제로 향상시키는 것이다.

이런 목적은 청구항 1 의 특징을 가지는 방법을 통해 달성된다. 청구항 15 는 제어 장치를 보호하고, 청구항 16 또는 청구항 17 각각은 컴퓨터 프로그램 또는 컴퓨터 프로그램 제품 각각, 특히 청구항 1 에 따른 방법의 실행을 위한 데이터 매체 또는 저장 매체 각각을 보호한다. 종속 청구항은 바람직한 개량에 관련된다.

본 발명은 이하의 고려에 기초한다: 데카르트 공간 또는 작업 공간 각각에서의 산출 운동은 매니퓰레이터의 하나 이상의 운동 축선 (예컨대, 피벗 베어링 또는 선형 축선) 에서의 운동에 대응한다. 이런 축 중 적어도 한 축은 안내 축으로서 규정되고 유연하게 조절된다. 추가적인 축 (바람직하게는 모든 나머지 축) 은 고정식으로 조절되지만, 여기서 소망 값은 안내 축의 실제 값에 기초하여 규정된다. 말하자면, 데카르트 공간에서의 산출 운동은 안내 축을 통해 파라미터화된다. 한편, 유연성은 이런 안내 축의 유연한 조절에 의해 나타날 수 있으며, 다른 한편 데카르트 공간에서의 원하는 산출 운동은 산출 운동 축을 따르는 추가적인 축의 고정식 조절에 의해 보장될 수 있다.

본 발명에 따른 개념은 바람직하게는 안내 축 및 추가적인 축에 대해 더 간단하고, 더 견고하며, 더 효율적인 조절기의 사용을 가능하게 할 수 있으며, 따라서 더 복잡한 이론적인 접근법에 비해 상대적으로 신뢰성 있게 그리고 간단하게 실현될 수 있다.

지금, 산출 조절은 특히 장애물에 충돌시 힘 (예컨대 안내력 또는 접촉력) 하의 운동 (특히, 회피 [피하기]) 을 발생시키는 조절을 말하는 것이다. 이런 회피는 힘의 크기 및/또는 방향에 따라 일어나는 것이 바람직하다. 유연한 조절은 각각의 안내 축의 개별적인 조인트 조절로서 형성되는 것이 바람직하다.

특히, 유연한 조절이 힘 조절로서 형성될 수 있다. 이를 위해, 작용력이 예컨대 매니퓰레이터의 공구 플랜지에 있는 것이 바람직한 힘 또는 힘 모멘트 센서 각각에 의해 직접 검출될 수 있다. 부가적으로는 또는 대안적으로는, 작용력은 매니퓰레이터의 변형, 예컨대 매니퓰레이터의 요소의 곡률에 기초하여 간접적으로 검출될 수 있다. 부가적으로는 또는 대안적으로는, 작용력은 예컨대 매니퓰레이터에 배열된 힘 또는 힘 모멘트 센서 각각에 의해 매니퓰레이터의 구동기의 반작용력에 기초하여 검출될 수 있다. 반작용력은 또한 접촉에서 자유로운 경로 또는 힘에서 자유로운 경로 각각의 경우에 발생하는 힘, 예컨대 정적인 정지력 또는 동적인 회전 및 가속력 이외에, 구동기가 적용해야 하는 힘에 기초하여 결정될 수 있다. 이러한 힘은 특히 구동기 전기모터의 전류값에 기초하여 결정될 수 있다. 운동 조절을 위해 적용되고 중력, 관성 및 마찰 효과에 대해 보정된 모터 전류는 개별적인 축에서의 반작용력에 대해 본질적으로 선형적이다. 이와 관련하여, 지금 토크 또한 일반적으로 힘으로서 규정된다.

유연한 조절은 간접적인 힘 조절로서, 특히 임피던스 조절로서 형성될 수 있다. 유사하게는, 유연한 조절은 또한 원하는 힘과 실제 힘 사이의 편차 및 원하는 위치와 실제 위치 사이의 편차의 양자가 고려되고, 예컨대 대응하는 조종된 변수가 중첩되는 직접적인 힘 조절로서, 특히 병렬적인 힘 및 위치 조절로서 형성될 수 있다.

힘 조절의 단순 가능성은 안내 축의 구동력의 한계 내에서 존재한다. 원칙적으로, 이를 위해 안내 축은 위치조절되고, 안내 축의 구동력은 (예컨대, 원하는 값과 실제 값 사이의 편차가 더 큰 경우에도, 카스케이드 (cascade) 조절기의 전류 조절 회로의 최대 소망 모터 전류의 제한을 통해) 소정의 한계값을 초과할 수 없다. 이와 같이 힘 조절되는 축이 소정의 한계값을 초과하지 않는 저항을 겪는 한, 축은 그 원하는 위치에 도달하기 위해 시도한다. 예컨대, 장해물과의 충돌로 인해, 저항이 이런 한계값을 초과하면, 축은 변위될 수 있고 한계값에 대응하는 힘만으로 장해물에 대항할 수 있으며, 따라서 축은 유연하게 조절된다.

따라서, 고정식 조절은, 특히, 본질적으로 방해하는 힘에 관계없이 소정의 원하는 위치에 도달하거나, 최선으로는 힘 (예컨대, 장애물을 칠 때의 안내력 또는 접촉력) 하의 일탈 운동을 일으키지 않는 조절을 말한다. 그러므로, 이를 위해 필요한 구동력에 대한 상한은 자연적으로 손상을 방지하도록 고려될 수 있다. 고정식 조절은 각각의 추가적인 축의 개별적인 조인트 조절로서 형성되는 것이 바람직하다.

특히, 고정식 조절이 (순수한) 위치 조절로서 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 위치 조절 또는 베어링 조절 각각은 특히 조종된 변수 (예컨대 모터 전류) 가 원하는 위치와 실제 위치 사이, 원하는 위치의 적분과 실제 위치의 적분 사이, 및/또는 원하는 위치의 시간 미분과 실제 위치의 시간 미분 사이의 차에 기초하여 결정되는 조절, 예컨대 예를 들어 바람직하게는 속도 및/또는 가속 파일럿 제어에 의한 카스케이드 조절 형태의, 싱글 또는 멀티플 비례항 (P), 미분항 (D) 및/또는 적분항 (I) 조절 (P, PD, PI, PID) 을 말한다.

바람직한 실시형태에서, 예컨대 공간적으로 고정된 관성 시스템의 대응하는 벡터를 통해, 매니퓰레이터가 유연하게 회피해야 하는 힘 및/또는 매니퓰레이터가 유연하게 회피해야 할 때 따르는 적용선이 데카르트 공간 또는 작업 공간 각각에 (바람직하게는 미리) 제공된다.

예컨대, 소정의 힘은 매니퓰레이터가 적용선을 따라 가해야 하는 접촉력 (예컨대, 전극 홀더의 폐쇄 방향을 따르는 전극 홀더의 접촉 압력) 일 수 있고, 이 접촉력을 초과할 때, 상기 매니퓰레이터는 적용선을 따라 회피해야 한다.

소정의 적용선은 예컨대 TCP 의 일련의 위치 및 배향일 수 있다. 예컨대, 파라미터화된 6 차원 벡터를 통해 데카르트 공간에서 3 개의 위치 좌표 및 3 개의 각 좌표가 제공될 수 있다. 유사하게는, 예컨대 TCP 의 위치 또는 배향만을 규정하는 적용선이 가능하며, 따라서 이 적용선은 파라미터화된 3 차원 벡터를 통해 미리정해질 수 있다. 한편, 예컨대 평면 또는 다른 초곡면을 따른, 또는 층 및/또는 배향의 공간에서의 초공간 또는 조인트 좌표의 구성 공간 내에서의 더 복잡한 공간적인 유연성의 열거 (specification) 또한 가능하다. 이런 직선, 곡선, 표면, 초곡면 및 초공간 모두는 간략화를 위해 후속하여 일반적으로 적용선으로 규정된다. 예컨대, 매니퓰레이터의 TCP 가 배향을 유지하거나 유지하지 않는 동안 유연하게 회피해야 하는 데카르트 공간의 평면, 또는 유연한 회피가 주어졌을 때 TCP 가 유지되어야 하는 구 (sphere) 가 본 발명의 의미에서 작용선의 열거를 통해 제공될 수 있다.

매니퓰레이터의 하나 이상의 운동 축이 이러한 적용선을 따른 제어 능력 및/또는 이런 힘의 관찰 능력에 기초하여 안내 축으로서 결정될 수 있다. 도입부에 설명된 바와 같이, 데카르트 공간에서의 작용선을 따른 힘 또는 운동 각각은 매니퓰레이터의 개별적인 축에 있어서 대응하는 힘 성분 또는 운동을 각각 만들어낸다. 이런 성분 또는 운동 각각의 크기는 예컨대 적용선을 따른 제어 능력 또는 힘의 관찰 능력 각각의 척도를 나타낸다. 이는 매니퓰레이터의 운동학 (특히, 유효 레버 아암, 연동 변환 등) 으로 인해 엑츄에이터에서 더 큰 성분을 부여하는 힘이 이 축에서 더 우수하게 관찰될 수 있다는 것을 의미한다. 엑츄에이터의 운동이 있을 때 적용선을 따라 매니퓰레이터가 더 큰 거리에 걸쳐 이동하는 경우, 이런 적용선은 이 축에 의해 더 우수하게 제어될 수 있다. 그러므로, 예컨대 가중 합계 또는 페널티 함수로서 제어 능력 및/또는 관찰 능력의 고려하에 안내 축이 선택되는 경우, 매니퓰레이터가 산출해야 할 때 관련되는 힘 또는 매니퓰레이터가 산출해야 할 때 따르는 작용선 각각은 이 안내 축에 의해 특히 충분히 파라미터화될 수 있다.

힘 성분 또는 운동 각각 (및 그러므로 제어 능력 또는 관찰 능력 각각) 은 매니퓰레이터의 현재 자세에 따라 변할 수 있기 때문에, 바람직한 실시형태에서 매니퓰레이터의 자세에 따라 상이한 안내 축을 선택하게 된다.

특히, 힘 성분 또는 운동 각각 (및 그러므로 제어 능력 또는 관찰 능력 각각) 을 산정할 수 있기 위해서, 바람직한 실시형태에서 힘 및/또는 작용선은 데카르트 공간 또는 작업 공간 각각으로부터 개별적인 축의 수치 범위에 의해 규정되는 조인트 공간으로 변환될 수 있다.

이런 변환 역시 매니퓰레이터의 자세에 의존한다. 기준 자세로부터의 작은 변화의 범위에 있는 모든 경우에, 변환은 선형적인 TAYLOR 팽창에 가깝다. 이러한 선형적인 변환은 실행하기가 계산적으로 효율적이기 때문에, 바람직한 실시형태에 있어서 변환은 특히 매니퓰레이터의 특정 자세에 대하여 국부적으로 선형화된다. 이러한 선형화는 통상적으로는 국부적으로 단지 충분히 근사화되기 때문에, 변환이 상이한 자세에 대해 실행될 수 있다. 변환은 또한 대응하는 선형적인 변환의 전환 또는 보간을 거쳐 매니퓰레이터의 더 큰 작업 범위에 대해 갱신될 수 있다.

바람직한 실시형태에서, 추가적인 축의 소망 값은 안내 축의 실제값에 선형적으로 의존한다. 특히, 선형화된 변환이 있는 경우, 데카르트 작용선은 선형적인 함수에서 조인트 좌표로 변환되고, 따라서 안내 축의 조인트 좌표에 의한 파라미터화는 추가적인 축에서 선형적인 함수를 초래한다. 그러나, 안내 축의 실제값과 추가적인 축의 소망 값 사이에서 비선형적인 함수도 유사하게 선택될 수 있다. 예컨대, 이것은 표로 저장될 수 있으며, 표 값 사이에서 보간하는 것이 가능하다. 가능하게는, 적용에 의해 미리정해지는 적용선의 형상으로 인해, 다항식, 스플라인, 유한 푸리에 급수 (finite Fourier series) 등과 같은 적절한 무한차원 함수 공간에서의 특별히 바람직한 표시 역시 적절하다.

바람직한 실시형태에서, 다수의 가능한 적용선이 바람직한 실시형태에서 초기에 결정된다. 예컨대, TCP 가 그 배향을 유지하면서 산출해야할 때 따르는 데카르트 공간의 평면 또는 직선 이외에, TCP 가 그 배향의 변화하에 산출해야할 때 따르는 동일 직선형의 직선 또는 동일 평면형의 평면 각각이 추가적인 가능한 적용선으로서 결정될 수 있다. 이런 가능한 적용선 중 한 선은 바람직하게는 작용선을 따른 제어 능력 및/또는 힘의 관찰 능력에 기초하여 선택될 수 있고, 매니퓰레이터가 유연하게 회피해야할 때 따르는 적용선으로서 제공될 수 있다. 예컨대, TCP 의 배향의 변화되는 경우의 직선을 따른 회피 운동은 한 축에서 더 우수하게 제어될 수 있고, 바람직한 실시형태에서 이 축이 예컨대 옵티마이저 (optimizer) 를 통해 안내 축으로서 선택된다.

안내 축의 수는 제공된 유연성 또는 이 유연성을 설명하는 적용선의 치수 각각의 자유도의 수에 대응하는 것이 바람직하다. 매니퓰레이터의 TCP 가 예컨대 데카르트 공간에서 직선을 따라 그 배향을 유지하면서 유연해야 하는 경우, 이는 1 차원 작용선이고, TCP 는 1 자유도를 갖는다. 운동 축이 안내 축으로서 선택될 수 있고, 나머지 축은 이 축에 의해 파라미터화된다. 이에 반해, TCP 가 데카르트 공간에서 평면을 따라 그 배향을 유지하면서 유연해야 하는 경우, 이는 각각 2 차원 작용선 또는 초곡면이고, TCP 는 2 자유도를 갖는다. 2 개의 운동 축이 안내 축으로서 선택될 수 있고, 나머지 축은 이 축들에 의해 파라미터화된다.

어떤 적용 케이스에 있어서, 매니퓰레이터는 단지 구간에서만 유연해야 한다. 예컨대, 산업용 로봇은 (예컨대, 초기 자세를 취하기 위해) 고정식으로 그리고 높은 정밀도로 무접촉 경로를 실행해야 하고, (예컨대, 전극 홀더의 폐쇄에 의해) 주위와 접촉할 때 단지 소정의 방향으로 유연하게 거동해야 한다. 그러므로, 바람직한 실시형태는 적어도 하나의 안내 축의 유연한 조절과 모든 운동 축의 고정식 조절 사이에서 선택적으로 전환된다.

추가의 이점 및 특징은 종속 청구항 및 예시적인 실시형태로부터 나온다.

도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제어 장치를 구비하는 로봇이다.
도 2 는 도 1 에 따른 제어 장치에 의한 본 발명의 실시형태에 따른 방법의 실행이다.

도 1 은 기본 위치에 있는 6 축 관절식 아암 로봇 (1) 을 나타내며, 이 기본 위치에서 로봇의 6 개의 축 또는 조인트 각 (q1, q2, ..., q6) 은 각각 0 의 값을 갖는다. 간략화를 위해, 축 (1, 4, 6) 에서는 운동이 나타나지 않는 것으로 가정하며, 따라서 이하에서는 각각의 연동 변환을 통해 구동 모터의 대응하는 회전 위치를 규정하는 조인트 좌표 (q2, q3 및 q5) 및 평면 운동만을 고려한다. 고정기부 관성계 (I) 에서, 축 간격 (x1, ..., y6) 이 도 1 에 도시된 상태일 때, 2 개의 플레이트 (3) 를 스폿 용접해야 하는 전극 홀더 (2) 의 공구 기준 계 (TCP) 의 벡터 ( x ) 는 이하와 같다.

(1)

이 식은 TCP 에 대한 공간 벡터 ( r ) 의 성분 (r_x, r_y) 및 x-축선을 중심으로 하는 오일러 각 (EULER angle) (

) 을 갖는다. 도 1 에 도시된 기본 자세에 있어서, 야코비언 행렬 (Jacobian matrix) 은 국부적으로 이하와 같다.

(2)

로봇 (1) 은, 전극 홀더 (2) 가 용접 전극과 함께 판 (3) 에 다가갈 때 관성계의 y 방향 (y) 에서 중심에 올 수 있도록 이 방향에서 유연해야 한다. 이를 위해, 이하의 데카르트 직선 (Cartesian straight line) 을 따라,

(3)

로봇의 TCP 는 최대치에서 힘 ( F _max) 을 적용해야 한다.

(4)

(2) 내지 (4) 및 로봇공학에서 일반적으로 공지된 항등식 Q = J^T * F 및 J * dq = dx 에 따르면, 이런 직선 ( s + λ k ) 및 최대 접촉력 ( F _max) 은 조인트 좌표 ( q = [q2, q3, q5]^T) 의 공간에서 지점 (s) 주위에서 국부적으로 변환될 수 있다:

(5)

도시되지 않은 레버 아암으로 인해, 직선 ( s + λ k ) 을 따른 힘 ( F ) 은 토크를 발생시키지 않고 (Q_z = 0), 따라서 힘 모멘트 조절을 위한 제 5 축은 저조한 관찰 능력으로 인해 적절하지 않다. 한편, 제 2 축은 이동하지 않으며, 따라서 제 3 축은 적용 선 ( s + λ k ) 에 대해 더 우수한 제어 능력을 나타낸다.

그러므로, 제 3 축이 안내 축으로서 선택되고, 로봇 (1) 이 유연해야 할 때 따르는 데카르트 직선은 조인트 각 (q3) 으로 파라미터화 된다. 한편, 충분히 큰 안내 변수가 이와 같이 달성된다. 다른 한편, 제 3 축의 엑츄에이터 모터에서 발생된 토크에 기초하여 접촉력이 충분히 검출될 수 있다.

TCP 를 구비하는 로봇 (1) 이 도 1 에 도시된 시작 자세를 취하면, 제 3 축은 유연하게 조절된다. 이는, 예컨대, 기어박스 출력부에서 발생된 토크가 중력의 보상을 위한 토크와 최대 ±x3·F_max 까지 차이가 나고, 따라서 로봇은 최대 x3·F_max 의 토크로 제 3 축에서 시작 자세로부터의 붕괴 운동에 대항하도록, 원하는 위치로서 q3_s = 0 의 시작 위치를 유지시키려고 하는 카스케이드 위치 조절에서 제 3 축의 원하는 전류가 제한될 때 일어난다. 자연적으로, 제 3 축선의 다른 유연성 조절, 예컨대 힘 및 위치 조절기의 조작된 변수가 중첩되는 병렬적인 힘 위치 조절 또는 임피던스 조절 또한 가능하다. 소정의 데카르트 직선을 따라 TCP 에서 작용하는 힘의 실제값은, 예컨대 그 힘이 제 3 축의 엑츄에이터에 가하는 토크로부터 결정될 수 있고, 예컨대 (예컨대 로봇 (1) 의 공구 플랜지에 있는) 대응하는 힘 센서 또는 힘 모멘트 센서를 거치는 모터 전류 또는 예컨대 로봇의 아암의 탄성 변형으로부터 결정될 수 있다.

대조적으로, 다른 축 (특히, 예시적인 실시형태에 있어서 제 2 축 및 제 5 축) 은 고정되거나 또는 각각 위치조절된다. 예컨대, 이를 위해, 조인트 각 (q2) 또는 (q5) 각각, 및/또는 조인트 각 속도 (dq2/dt) 또는 (dq5/dt) 각각이 (예컨대, 타코제너레이터 (tachogenerator), 리졸버 (resolver), 또는 증가식 로터리 앤코더 (incremental rotary encoder) 에 의해) 검출되고 귀착되며, 소망 값 (q2_s) 또는 (q5_s) 각각이 위치-속도-전류 카스케이드 조절에서 갱신될 수 있다.

본 발명에 따르면, 위치조절된 제 2 축 및 제 5 축에 대한 이런 소망 값은 유연하게 조절되는 제 3 축의 실제 값 (q3_meas) 에 기초하여 결정된다. (5) 에 따르면, 소망 값 (q2_s) 및 (q5_s) 은 예컨대 이하와 같이 제공될 수 있다.

(6)

도 1 에 도시된 시작 위치로부터 시작해서, 로봇 (1) 이 플레이트 (3) 를 스폿용접하기 위해 로봇의 전극 홀더 (2) 를 폐쇄시키는 경우, 예컨대 플레이트 (3) 의 부정확한 지탱, 전극 홀더의 TCP 의 부정확한 위치지정, 또는 플레이트 두께 공차로 인해, 적절한 장소가 전극 홀더 (2) 의 작업 지점 (TCP) 에 놓이지 않을 수 있다. 이는, 전극 홀더의 폐쇄시에, 데카르트 직선 ( s + λ k ) 을 따라, 즉 전극 홀더 (2) 의 폐쇄 방향에서 반작용력 ( F ) 을 일으킨다.

제 3 축의 유연한 (flexible) 조절로 인해, 로봇은 이러한 방향에서 회피할 수 있다. 반작용력 ( F ) 으로 인해 제 3 축에서 작용한 토크가 허용가능한 값 (±x3 F_max) 을 초과하자마자, 모터 조절기의 원하는 전류는 위치 편차가 있어도 더 이상 추가적으로 증가하지 않으며, 로봇 (1) 은 반작용력 하의 그 제 3 축에서 회피한다.

로봇의 고정식 (rigid) 위치 조절로 인해, 이런 회피 운동 (즉, 조인트 각의 측정된 실제값 (q3_meas)) 은 제 2 축 및 제 5 축에서 대응하는 트랙킹 (tracking) 을 초래한다. 이로 인해, 제 2 축 및 제 5 축은, TCP 가 데카르트 직선 ( s + λ k ) 을 따라, 즉 전극 홀더 (2) 의 폐쇄 방향에서 변위되도록, 제 3 축의 회피 운동을 따른다. 이와 같이, 전극 홀더 (2) 는 간단하고, 견고하며 신속한 조절기에 의해 그 자체를 중심에 오게 한다.

예시적인 실시형태로부터 명확한 바와 같이, (6) 에 따라 안내 축의 실제값에 대해 위치조절되는 축의 소망 값이 선형적인 경향을 가지는 경우, TCP 는 일반적으로 데카르트 공간 또는 작업 공간 각각에서 직선을 따라 대략적으로만 변위된다. 그러나, 이는 대응하는 작은 이송 이동 (통상적으로 1 cm 내지 2 cm) 을 가지는 스폿 용접의 적용 케이스인 경우에는 이미 충분할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법은 일반적으로, 예컨대 선형화, 특히 (2) 에 따른 야코비언 행렬의 계산이 로봇 (1) 의 상이한 자세에 대해 또는 구간마다 각각 반복되고 변경된 운동학 (altered kinematics) 에 조화된다는 점에서 더 큰 경로에 대해서도 유사하게 사용될 수 있다. 또한, 이에 따라 가능하게는 안내 축은 변경될 수 있다. 더 큰 경로에 대한 추가적인 가능성은, 안내 축을 통해 파라미터화되는 조인트 공간에서의 직선에 의한 작용선의 근사 대신에 조인트 공간에서의 더 높은 순위의 근사를 통해 데카르트 공간에서 소망의 적용선을 보여줄 수 있으며 (즉, 예시적인 실시형태에서 나타낸 선형화), 여기서 다시 바람직하게는 종속하는 축이 안내 축의 함수로서 나타나는 표시가 보여져야 한다.

도 2 는 예컨대 제어 캐비닛 (4) 에 배열되는 로봇 제어장치에서 실시될 수 있는 대응하는 조절을 나타낸다.

제 1 단계 (S10) 에서, 로봇이 유연해야 할 때 따르는 데카르트 직선 ( s + λ k ) 및 조절 파라미터 (예컨대 로봇이 회피해야 하는 최대 힘 (F_max)) 가 (바람직하게는, 오프라인으로 미리) 제공된다.

이것들로부터 단계 S20 에서, 가능하게는 다수의 자세에 대해 그리고 바람직하게는 선형화된 형태로, 관련된 조인트 각 ( q _k) 및 토크 ( Q ) 가 결정된다. 데카르트 직선을 따른 힘의 관찰 능력, 즉 엑츄에이터 모터에서 이 힘에 의해 발생하는 토크의 크기, 및 제어 능력, 즉 데카르트 직선을 따른 운동시의 각각의 축의 조정 이동의 크기에 기초하여 안내 축 (현재는 제 3 축) 이 선택된다.

모든 축 (2, 3, 5) 의 순수 위치 조절로 로봇 (1) 은 그 시작 자세를 취한다. 이를 위해, 비례 위치 조절기, 속도 파일럿 제어, PID 조절기 및 비례 적분 모터 조절기, 또는 전류 조절기 각각에 의한 개별적인 축 (i = 2, 3, 5) 에 대한 카스케이드 조절이 단계 S30 에 나타나 있다.

로봇 (1) 이 그 시작 자세를 취하자마자, 본 발명에 따른 조절은 전환된다 (S40 : "Y").

여기서는, 제 3 축이 유연하게 조절된다. 이를 위해, 단계 S50 에서, 원하는 전류 한계 (10) 가 나타나 있다. 나머지 축 (i = 2, 5) 은 위치조절되고, 이때 나머지 축의 소망 값은 더 이상 로봇 제어장치 (4) 의 보간기로부터 정해지지 않고, 단계 S50 에서 요소 (20) 로 나타내는 바와 같이 제 3 축의 실제 값으로부터 정해진다.

스폿 용접 공정이 끝나자마자, 조절은 모든 축에 대해 순수 위치 조절로 복귀된다 (S40 : "N"). 이로써, 축 위치의 원하는 실제 보상이 바람직하게 실시된다.

상기 예시적인 실시형태에 있어서, 산출시에, 직선 ( s + λ k ) 을 따라, TCP 는 국부적으로 그 배향을 (

= q2 + q3 + q5 = 0) 에서 유지한다. 이런 요건이 포기되는 경우, (2) 에서의 제 3 선의 중지로 인해, 상이한 적용선이 예컨대 이하를 통해 파라미터화될 수 있다.

(7)

이런 점에 있어서 축이 (6) 과 관련한 제 3 축보다 더 우수한 제어 및/또는 관찰 능력을 나타내는 경우, 이 축, 예컨대 (7) 의 제 2 축은 예컨대 제어 및 관찰 능력을 품질 척도로서 고려하는 옵티마이저에 의해 안내 축으로서 규정될 수 있고, 적용선이 (7) 에 따라 제공될 수 있다.

1 로봇
2 전극 홀더
3 플레이트
4 제어 캐비닛
q1, ..., q6 조인트 각
I 관성계
TCP 공구 중심 점 (Tool Center Point) (공구 기준 계)
x1, ..., x6 축 간격

Claims

다축 매니퓰레이터, 특히 로봇 (1) 의 조절을 위한 방법으로서,
적어도 하나의 안내 축의 유연한 조절 단계 (S50), 및
적어도 하나의 추가적인 축의 고정식 조절 단계 (S50) 를 포함하는 방법에 있어서,
상기 적어도 하나의 추가적인 축의 소망 값 (q2_s, q5_s) 이 상기 안내 축의 실제 값 (q3_meas) 에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 매니퓰레이터가 유연하게 회피해야 하는 힘 ( F _max) 및/또는 매니퓰레이터가 유연하게 회피해야 할 때 따르는 적용선 ( s + λ k ) 이 특히 작업 공간에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2 항에 있어서, 다수의 가능한 적용선이 결정되며, 특히 적용선을 따른 제어 능력 및/또는 힘의 관찰 능력에 기초하여, 이 적용선 중 하나의 적용선이 매니퓰레이터가 유연하게 회피해야 할 때 따르는 적용선 ( s + λ k ) 으로서 선택되고 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 매니퓰레이터의 적어도 한 운동 축이, 제공된 적용선을 따른 제어 능력 및/또는 힘의 관찰 능력에 기초하여 안내 축으로서 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 힘 및/또는 적용선은 조인트 공간으로 변환되는 (S20) 것을 특징으로 하는 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 변환은 국부적으로 선형화 및/또는 조화되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 유연한 조절이 힘 조절로서 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 7 항에 있어서, 유연한 조절이 간접적인 힘 조절, 특히 임피던스 조절로서 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 7 항에 있어서, 유연한 조절이 직접적인 힘 조절, 특히 병렬적인 힘 및 위치 조절로서 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 매니퓰레이터에 작용하는 힘이 적어도 하나의 안내 축의 엑츄에이터에서의 반작용력, 특히 엑츄에이터 전기모터의 전류값에 기초하여 힘 조절을 위해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 고정식 조절이 위치 조절로서 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적인 축의 소망 값이 적어도 하나의 안내 축의 실제값에 선형적으로 또는 비선형적으로 의존하는 ((q2_s = 0·q3_meas, q5_s = -q3_meas); (q3_s = -q2_meas; q5_s = (y2/y6)q2_meas)) 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 조절은 유연한 조절과 고정식 조절 사이에서 교대로 전환되는 (S40) 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상이한 안내 축이 매니퓰레이터의 자세에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
매니퓰레이터, 특히 로봇 (1) 을 위한 제어 장치 (4) 로서,
적어도 하나의 안내 축을 위한 유연한 조절기, 및
적어도 하나의 추가적인 축을 위한 고정식 조절기를 구비하는 제어 장치 (4) 에 있어서,
상기 조절기는 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 제어 장치 (4).
제 15 항에 따른 제어 장치 (4) 에서 작동되는 경우, 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하는 컴퓨터 프로그램.
기계판독가능한 매체에 저장되는 프로그램 코드를 구비하고 제 16 항에 따른 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품.