KR20110008907A - 다관절 로봇 제어방법 및 제어 시스템 - Google Patents

다관절 로봇 제어방법 및 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

다관절 로봇 제어방법 및 제어 시스템이 개시된다. 사용자가 의도하는 기준 자세를 바탕으로 다관절 로봇을 제어하는 방법으로서, 미리 설정된 상기 로봇의 캘리브레이션 자세에 대한 제1 엔코더 데이터를 취득하는 단계; 상기 기준 자세에 대한 상기 캘리브레이션 자세의 상대적인 오프셋 데이터를 취득하는 단계; 상기 로봇의 현재 자세에 대한 제2 엔코더 데이터를 취득하는 단계; 및 상기 제1 엔코더 데이터와, 상기 제2 엔코더 데이터 및 상기 오프셋 데이터를 이용하여, 상기 기준 자세에 대한 상기 현재 자세의 상대적인 위치 데이터를 취득하는 단계를 포함하는 다관절 로봇 제어방법은, 절대치 엔코더 데이터의 1회 사용으로 위치 제어를 가능케 할 수 있다.
다관절, 로봇, 캘리브레이션, 제어

Description

다관절 로봇 제어방법 및 제어 시스템{Controlling Method and System for Multi-Joint Robot}
본 발명은 다관절 로봇 제어방법 및 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 산업용 로봇은 구동원에 의해 구동된 관절 및 암부의 위치 정보를 검출하는 위치검출기로서 절대위치검출기(absolute encorder)의 채택이 보편화되어 가고 있는 실정이다. 이러한 절대위치검출기가 장착된 로봇은 조립생산 직후 및 사용중 작업자의 필요에 따라 로봇의 기준이 되는 자세를 교정하여야 하고, 조립된 상태의 각각의 암 파라메터를 실제의 값으로 보정(calibration)하는 기구학적 보정을 해주어야만 정밀한 작업을 수행할 수 있다.
그러나 종래의 기준 자세 및 위치 교정 방법에서는 미리 정해진 위치와 자세로 로봇의 암들을 움직이면서 그 위치와 자세에 상응하는 미리 계산된 관절 변수를 이용하여 위치검출기의 재조정을 수행하는 것이므로 그 과정에서 많은 시행 착오와 노력 및 작업시간을 요구하게 되는 등 매우 비능률적으로 되며, 로봇의 정밀도를 저하시키는 결과를 초래하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 절대치 엔코더 데이터의 1회 사용으로 위치 제어를 가능케 할 수 있는 다관절 로봇 제어방법 및 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 사용자가 의도하는 기준 자세를 바탕으로 다관절 로봇을 제어하는 방법으로서, 미리 설정된 상기 로봇의 캘리브레이션 자세에 대한 제1 엔코더 데이터를 취득하는 단계; 상기 기준 자세에 대한 상기 캘리브레이션 자세의 상대적인 오프셋 데이터를 취득하는 단계; 상기 로봇의 현재 자세에 대한 제2 엔코더 데이터를 취득하는 단계; 및 상기 제1 엔코더 데이터와, 상기 제2 엔코더 데이터 및 상기 오프셋 데이터를 이용하여, 상기 기준 자세에 대한 상기 현재 자세의 상대적인 위치 데이터를 취득하는 단계를 포함하는 다관절 로봇 제어방법이 제공된다.
상기 제1 엔코더 데이터를 취득하는 단계는, 직교좌표계에 따른 상기 로봇의 캘리브레이션 좌표 데이터에 상응하여, 상기 로봇의 각 관절들을 거동하는 단계를 포함하고, 상기 오프셋 데이터를 취득하는 단계는, 직교좌표계에 따른 상기 로봇의 기준 좌표 데이터에 상응하여, 캘리브레이션 자세의 상기 로봇의 각 관절들을 거동 하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상기 로봇이 목표 자세를 갖도록, 상기 로봇에 목표 자세 데이터를 제공하는 단계를 더 포함하며, 상기 목표 자세 데이터는 증분 엔코더 데이터일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 사용자가 의도하는 기준 자세를 바탕으로 다관절 로봇을 제어하는 로봇 제어 시스템으로서, 각각 엔코더를 구비하는 복수의 관절을 구비하는 로봇; 상기 각각의 엔코더들로부터 데이터를 제공 받아 상기 로봇의 거동을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 미리 설정된 상기 로봇의 캘리브레이션 자세에 대한 제1 엔코더 데이터와, 상기 기준 자세에 대한 상기 캘리브레이션 자세의 상대적인 오프셋 데이터, 및 상기 로봇의 현재 자세에 대한 제2 엔코더 데이터를 이용하여 상기 기준 자세에 대한 상기 현재 자세의 상대적인 위치 데이터를 취득하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 시스템을 제공할 수 있다.
상기 제어부는, 직교좌표계에 따른 상기 로봇의 캘리브레이션 좌표 데이터에 상응하여, 상기 로봇의 각 관절들을 거동하여 상기 제1 엔코더 데이터를 취득하고, 직교좌표계에 따른 상기 로봇의 기준 좌표 데이터에 상응하여, 캘리브레이션 자세의 상기 로봇의 각 관절들을 거동하여 상기 오프셋 데이터를 취득할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 로봇이 목표 자세를 갖도록 상기 로봇에 목표 자세 데이터를 제공할 수 있으며, 상기 목표 자세 데이터는 증분 엔코더 데이터일 수 있다.
한편, 상기 제어부는, 릴레이(Relay)를 이용하여 상기 각각의 엔코더들로부 터 순차적으로 데이터를 제공받을 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 다중 엔코더 통신 채널과 1개 제어기 통신 채널을 효율적으로 사용할 수 있으며, 절대치 엔코더 데이터의 1회 사용으로 위치 제어를 가능케 할 수 있다. 또한, 절대치 엔코더를 사용하더라도 위치 제어 시에는 증분 엔코더 데이터를 사용하여 제어를 수행할 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 다관절 로봇 제어방법 및 제어 시스템의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇(100) 제어방법을 나타내는 순서도이다. 본 실시예에 따르면, 먼저 미리 설정된 로봇(100)의 캘리브레이션 자세에 대한 제1 엔코더 데이터(DE1)를 취득한다(S10). 로봇(100)의 캘리브레이션 자세, 보다 구체적으로 각 관절(J1, J2, J3, J4, J5, J6) 및 각 암(111, 112, 113, 114, 115, 116)의 캘리브레이션 자세(도 2b 참조)는 해당 로봇(100)을 제작하여 판매하는 판매자에 의해 미리 결정되어 있을 수 있으며, 이에 대한 위치 데이터 역시 직각좌표계 등에 따른 좌표값으로 미리 주어져 있을 수 있다. 도 2b에 캘리브레이션 자세의 일 예가 도시되어 있으나, 설계 상의 필요 등에 따라 다양하게 변경될 수 있음은 물론이다.
따라서, 로봇(100)을 최초 구입하여 로봇(100)이 초기 자세(도 2a 참조)에 놓인 경우, 계측기 등과 같은 수단을 이용하여 로봇(100)이 캘리브레이션 자세(도 2b 참조)에 놓이도록 거동시키고, 이 동안 각 관절에서 발생하는 회전량(또는 각도값)을 제1 엔코더 데이터로(DE1)서 취득/저장한다. 각 관절(J1, J2, J3, J4, J5, J6)은 모터(미도시)에 의해 회동될 수 있으며, 이 경우 제1 엔코더 데이터(DE1)는 각 모터에 결합된 엔코더(미도시)에 의해 감지되어 취득될 수 있다. 이상에서 설명한 각 과정은 추후 설명할 다관절 로봇 제어시스템의 제어부(도 4의 300)와 같은 수단에 의해 수행될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 캘리브레이션 자세(도 2b 참조)는 해당 로봇(100)을 제작하여 판매하는 판매자에 의해 미리 결정되어 있을 수 있으므로, 특별한 사정이 없는 한, 제1 엔코더 데이터(DE1)는 캘리브레이션 자세 자체에서 결정될 수 있으며, 1회 취득되어 저장되면 추후 별도의 취득 과정 없이 저장된 값을 다시 사용할 수 있다. 따라서, 이전에 캘리브레이션 자세에 대한 제1 엔코더 데이터(DE1)가 취득되어 저장된 상태라면, 전술한 바와 같은 과정은 생략될 수도 있다.
다음으로, 기준 자세에 대한 캘리브레이션 자세의 상대적인 오프셋 데이터(DO)를 취득한다(S20). 여기서 기준 자세(도 2c 참조)란 로봇(100)의 사용자가 로봇(100)을 제어하기 위해 임의로 기준으로 설정한 자세를 의미하는 것으로서, 이는 사용자마다 다르게 설정될 수 있다. 또한 오프셋 데이터(DO)는 상기 기준 자세에 대한 캘리브레이션 자세의 상대적인 차이를 의미한다. 이러한 기준 자세(도 2c 참조)에 대한 위치 데이터 역시 직각좌표계 등에 따른 좌표값으로 미리 주어져 있을 수 있다.
오프셋 데이터(DO)를 취득하기 위하여, 캘리브레이션 자세(도 2b 참조)에 놓인 로봇(100)을 계측기 등과 같은 수단을 이용하여 기준 자세(도 2c 참조)에 놓이도록 거동시키고, 이 동안 각 관절(J1, J2, J3, J4, J5, J6)에서 발생하는 회전량(또는 각도값)을 오프셋 데이터(DO)로서 취득/저장한다. 각 관절은 모터(미도시)에 의해 회동될 수 있으며, 이 경우 오프셋 데이터(DO)는 각 모터에 결합된 엔코더(미도시)에 의해 감지되어 취득될 수 있다. 이상에서 설명한 각 과정은 추후 설명할 다관절 로봇 제어시스템의 제어부(도 4의 300)와 같은 수단에 의해 수행될 수 있다. 당연히 기준 자세와 캘리브레이션 자세가 동일하다면 오프셋 데이터는 0이 된다.
한편, 전술한 바와 같이 캘리브레이션 자세(도 2b 참조) 및 기준 자세(도 2c 참조)는 판매자 및 사용자에 의해 미리 결정되어 있을 수 있으므로, 특별한 사정이 없는 한, 오프셋 데이터(DO)는 캘리브레이션 자세 자체에서 결정될 수 있으며, 1회 취득되어 저장되면 추후 별도의 취득 과정 없이 저장된 값을 다시 사용할 수 있다. 따라서, 이전에 오프셋 데이터가 취득되어 저장된 상태라면, 전술한 바와 같은 과정은 생략될 수도 있다.
다음으로, 로봇(100)의 현재 자세에 대한 제2 엔코더 데이터(DE2)를 취득한다(S30). 여기서 로봇의 현재 자세(도 3a 참조)란 로봇(100)에 대한 제어프로그램이 구동되는 시점에서의 로봇(100)의 자세를 의미한다. 이러한 제2 엔코더 데이터(DE2) 역시 각 관절(J1, J2, J3, J4, J5, J6)을 구동하는 모터에 결합된 엔코더(미도시)에 의해 감지되어 취득될 수 있다.
그리고 나서, 기준 자세(도 2c 참조)에 대한 현재 자세(도 3a 참조)의 상대적인 위치 데이터(DC)를 취득한다(S40). 이를 위해, 전술한 제1 엔코더 데이터(DE1)와 제2 엔코더 데이터(DE2) 및 오프셋 데이터(DO)를 이용할 수 있다. 즉, 기준 자세에 대한 현재 자세의 상대적인 위치 데이터(DC)는 아래의 수학식을 통해 취득될 수 있다.
DC = (DE2 - DE1) * (deg. mm / pulse)+ DO
여기서,
DE2 는 로봇의 현재 자세에 대한 해당 관절의 제2 엔코더 데이터이고,
DE1 는 로봇의 캘리브레이션 자세에 대한 해당 관절의 제1 엔코더 데이터이며,
DO 는 기준 자세에 대한 캘리브레이션 자세의 해당 관절의 오프셋 데이터이다.
최초에 로봇(100)을 구입하여 거동시켜 제1 엔코더 데이터(DE1)와 오프셋 데이터(DO)를 취득한 경우에는, 기준 자세가 현재 자세가 되며, 그 이후의 경우라면 작업을 위한 목표 자세 이전의 자세가 현재 자세가 된다.
이상의 방법을 이용하여 기준 자세에 대한 현재 자세의 상대적인 위치 데이터(DC)를 취득한 다음에는, 로봇(100)에 목표 자세 데이터를 제공하여 목표 자세(도 3b 참조)를 갖도록 한다(S50). 목표 자세는 로봇(100)을 이용한 작업을 위해 사용자가 의도하는 로봇(100)의 자세를 의미한다.
이 때, 로봇(100)에 제공되는 목표 자세 데이터는 증분 엔코더 데이터일 수 있다. 전술한 과정을 통해 로봇(100)의 위치를 기준 자세를 바탕으로 초기화 하였기 때문에 이후 로봇(100)의 위치를 제어함에 있어서는, 증분 엔코더 데이터만으로도 로봇(100)을 충분히 제어할 수 있게 되는 것이다. 이와 같이 로봇(100)에 증분 엔코더 데이터를 제공하는 것은, 추후 설명할 다관절 로봇 제어시스템의 제어부(도 4의 300)와 같은 수단에 의해 수행될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇(100) 제어방법에 대해 설명하였으며, 이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다관절 로봇 제어시스템에 대해 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다관절 로봇 제어시스템을 나타내는 도면이며, 도 4를 참조하면, 다관절 로봇(100), 암(Arm, 111, 112, 113, 114, 115, 116), 관절(Joint, J1, J2, J3, J4, J5, J6), 로봇(100) 베이스(120), 릴레이(Relay, 200), 제어부(300), CPU(310), 메모리(320)가 도시되어 있다.
일반적으로 작업을 위한 로봇(100)은 임의의 상황이나 자세에서 작업을 시작하더라도 항상 자신의 위치를 인지하고 있어야 하며, 시스템 구성 상의 편의성을 위해서 절대치 엔코더(Absolute Encoder)를 주로 사용하여 제어된다. 절대치 엔코더는 485통신 등과 같은 수단을 통해 위치 값을 출력하게 된다.
본 실시예에 따른 다관절 로봇 제어시스템은, 각각 엔코더를 구비하는 복수의 관절을 구비하는 로봇(100)과, 각각의 엔코더들로부터 데이터를 제공받아 로봇(100)의 거동을 제어하는 제어부를 포함한다. 이 때 제어부는, 미리 설정된 로봇(100)의 캘리브레이션 자세에 대한 제1 엔코더 데이터와, 기준 자세에 대한 캘리브레이션 자세의 상대적인 오프셋 데이터, 및 로봇(100)의 현재 자세에 대한 제2 엔코더 데이터를 이용하여, 기준 자세에 대한 현재 자세의 상대적인 위치 데이터를 취득한다.
제1 엔코더 데이터(DE1)와, 기준 자세에 대한 캘리브레이션 자세의 오프셋 데이터(DO), 및 로봇(100)의 현재 자세에 대한 제2 엔코더 데이터(DE2) 각각을 취득하는 방법은 전술한 다관절 로봇 제어방법에서 설명한 바와 동일/유사하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다. 다관절 로봇(100)과의 데이터 송수신 및 처리를 위해 제어부(300)에는 CPU(310)가 마련된다.
한편, 제1 엔코더 데이터(DE1)와 오프셋 데이터(DO)는 전술한 바와 같이, 캘리브레이션 자세에 의해 결정되며 특별한 사정이 없는 한 1회 취득되어 저장되면 추후 별도의 취득 과정 없이 저장된 값을 다시 사용할 수 있으므로, 제어부(300)에는 이들을 저장하기 위한 메모리(320)가 마련된다.
한편, 본 실시예에 따르면, 1 : n (제어부 통신채널 : 절대치 엔코더)의 MUX 방식을 이용하여 다중 채널의 엔코더 통신 데이터를 1개의 제어부 채널을 통해 수신하게 된다. 이를 위해 n개의 엔코더 채널(CH1, CH2, CH3, CH4, CH5, CH6)을 순차적으로 제어기 통신 채널로 연결해주는 릴레이(Relay, 200)를 구동시켜 줄 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 시스템을 구성하고 있는 로봇(100) 각각의 관절(J1, J2, J3, J4, J5, J6)에 번호를 할당한 후, 엔코더 데이터 통신을 하고자 하는 관절에 해당하는 Relay-On 신호를 출력하여, 해당 엔코더 데이터 통신 채널을 제어 부(300)의 통신 채널과 연결한다. 엔코더 데이터 수집이 완료되면 해당 Relay-Off 신호를 출력하고 다음 엔코더 채널 Relay-On 신호를 출력하여 절대치 엔코더 데이터를 수신한다. 순차적으로 수신된 엔코더 데이터는 일정 변수에 그 값을 저장한다. 이 후, 수신된 엔코더 데이터(제2 엔코더 데이터, DE2)와 캘리브레이션 자세에 대한 데이터(제1 엔코더 데이터, DE1) 및 오프셋 데이터(DO)를 이용하여 현재 로봇(100) 각 관절(J1, J2, J3, J4, J5, J6)의 위치와 로봇 자세를 계산하게 된다. 로봇의 각 관절의 위치가 계산되면 6자유도 자세는 자동으로 계산될 수 있다.
이 후, 로봇(100)에 대한 목표 자세 데이터가 제공되면, 제어부(300)는 로봇(100)이 목표 자세(도 3b 참조)를 갖도록 신호를 전송하여 해당 목표 자세가 구현되도록 할 수 있다. 이 때, 로봇(100)에 제공되는 목표 자세 데이터는 증분 엔코더 데이터일 수 있다. 이미 로봇(100)의 위치를 기준 자세(도 2c 참조)를 바탕으로 초기화 하였기 때문에 이후 로봇(100)의 위치를 제어함에 있어서는, 증분 엔코더 데이터만으로도 로봇(100)을 충분히 제어할 수 있게 되는 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한 다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇 제어방법을 나타내는 순서도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇 제어방법에서, 캘리브레이션 자세에 대한 제1 엔코더 데이터와, 오프셋 데이터를 취득하는 과정을 나타내는 도면.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇 제어방법에서, 현재 자세로부터 목표 자세로의 변동 과정을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다관절 로봇 제어시스템을 나타내는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 다관절 로봇
111, 112, 113, 114, 115, 116 : 암(Arm)
J1, J2, J3, J4, J5, J6 : 관절(Joint)
120: 로봇 베이스
200: 릴레이(Relay)
300: 제어부
310: CPU
320: 메모리

Claims (7)

  1. 사용자가 의도하는 기준 자세를 바탕으로 다관절 로봇을 제어하는 방법으로서,
    미리 설정된 상기 로봇의 캘리브레이션 자세에 대한 제1 엔코더 데이터를 취득하는 단계;
    상기 기준 자세에 대한 상기 캘리브레이션 자세의 상대적인 오프셋 데이터를 취득하는 단계;
    상기 로봇의 현재 자세에 대한 제2 엔코더 데이터를 취득하는 단계; 및
    상기 제1 엔코더 데이터와, 상기 제2 엔코더 데이터 및 상기 오프셋 데이터를 이용하여, 상기 기준 자세에 대한 상기 현재 자세의 상대적인 위치 데이터를 취득하는 단계를 포함하는 다관절 로봇 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 엔코더 데이터를 취득하는 단계는, 직교좌표계에 따른 상기 로봇의 캘리브레이션 좌표 데이터에 상응하여, 상기 로봇의 각 관절들을 거동하는 단계를 포함하고,
    상기 오프셋 데이터를 취득하는 단계는, 직교좌표계에 따른 상기 로봇의 기준 좌표 데이터에 상응하여, 캘리브레이션 자세의 상기 로봇의 각 관절들을 거동하 는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 로봇 제어방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 로봇이 목표 자세를 갖도록, 상기 로봇에 목표 자세 데이터를 제공하는 단계를 더 포함하며,
    상기 목표 자세 데이터는 증분 엔코더 데이터인 것을 특징으로 하는 다관절 로봇 제어방법.
  4. 사용자가 의도하는 기준 자세를 바탕으로 다관절 로봇을 제어하는 로봇 제어 시스템으로서,
    각각 엔코더를 구비하는 복수의 관절을 구비하는 로봇;
    상기 각각의 엔코더들로부터 데이터를 제공받아 상기 로봇의 거동을 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    미리 설정된 상기 로봇의 캘리브레이션 자세에 대한 제1 엔코더 데이터와,
    상기 기준 자세에 대한 상기 캘리브레이션 자세의 상대적인 오프셋 데이터, 및
    상기 로봇의 현재 자세에 대한 제2 엔코더 데이터를 이용하여, 상기 기준 자 세에 대한 상기 현재 자세의 상대적인 위치 데이터를 취득하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    직교좌표계에 따른 상기 로봇의 캘리브레이션 좌표 데이터에 상응하여, 상기 로봇의 각 관절들을 거동하여 상기 제1 엔코더 데이터를 취득하고,
    직교좌표계에 따른 상기 로봇의 기준 좌표 데이터에 상응하여, 캘리브레이션 자세의 상기 로봇의 각 관절들을 거동하여 상기 오프셋 데이터를 취득하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 로봇이 목표 자세를 갖도록, 상기 로봇에 목표 자세 데이터를 제공하되,
    상기 목표 자세 데이터는 증분 엔코더 데이터인 것을 특징으로 하는 로봇 제어 시스템.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    릴레이(Relay)를 이용하여 상기 각각의 엔코더들로부터 순차적으로 데이터를 제공받는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 시스템.
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