KR20110048870A - 4축 팔레타이징 로봇용 부하 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 4축 팔레타이징 로봇용 부하추정 방법을 제공한다. 상기 4축 팔레타이징 로봇용 부하추정 방법은 부하 추정을 위해 사용되는 데이터를 획득하는 단계, 상기 부하의 장착 여부를 파악해서 부하가 장착되지 않은 경우, 상기 획득된 데이터를 저장하는 단계, 상기 부하의 장착 여부를 파악해서 부하가 장착된 경우, 상기 획득된 데이터 중 유효한 데이터를 추출하고, 상기 추출과정에서 얻어진 토크의 마찰 성분을 상쇄시키는 전처리단계, 상기 전처리 단계에서 얻어진 유효한 데이터를 이용해 부하의 질량, 무게중심, 관성 값을 얻어내는 동역학 연산단계, 상기 동역학 연산단계에서 얻어진 부하의 질량, 무게중심, 관성에 대한 변수의 추정을 위해 많은 수의 데이터를 취득하고, 상기 취득된 데이터들을 통해 오차를 감소시키는 후처리단계, 상기 얻어진 부하 정보가 기준 범위를 벗어나면 경고 메시지를 작업자에게 제공하는 결과평가단계;를 포함하여 이루어진다.

Description

4축 팔레타이징 로봇용 부하 추정 방법{Method for estimating load}

본 발명은 4축 팔레타이징 로봇용 부하 추정 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 제어 성능을 향상시키고 과부하 발생을 방지하며 4축 팔레타이징 로봇에 적합한 부하 추정 방법에 관한 것이다.

산업용 로봇의 경쟁력을 향상시키기 위해서는 목표 궤적에 대한 로봇 동작의 정도 및 속도가 원하는 수준을 만족시켜야 한다. 이러한 우수한 동작성능을 보이기 위해서는 우수한 제어기가 필수적이다. 상기 제어기 입력을 계산하는 데 있어 로봇 파라미터가 요구되는데, 로봇 링크의 질량이나 질량중심 등은 로봇의 설계도면을 기반으로 한 CAD 모델로부터 비교적 정확한 값을 얻을 수 있는 반면, 로봇 말단부에 장착되는 부하의 질량이나 질량중심을 알기란 쉽지 않은 일이다.

따라서, 보다 나은 성능의 로봇 제어기를 설계하기 위해서는 로봇 동력학을 고려하는 것이 효과적이지만, 산업용 로봇의 경우 말단부 질량은 장착된 공구의 교환 등으로 인하여 작업 도중에 변동폭이 크고, 사용자가 정확한 부하정보를 입력할 수 없기 때문에 부하의 추정이나 측정이 필요한 실정이다.

상기 부하를 추정하는 데 있어 가장 쉽고 정확한 방법은 힘 센서를 말단부에 장착하는 것이지만, 상기 힘 센서는 고가의 장비 이여서 산업용 로봇에 장착할 경우 로봇 가격을 상승시켜 상품 경쟁력을 떨어뜨린다.

따라서, 상기 힘 센서를 이용하지 않고, 상기 로봇 말단부의 부하를 추정하는 연구가 절실히 요구되고 있다.

상기 로봇 말단부의 부하를 추정하는 연구는 1980년대 중반에 이르러 활발히 진행되고 있다.

그러나, 종래 연구의 문제점은 첫째, 부하 추정을 위해 구동 토크와 각도, 이로부터 계산된 속도, 가속도만을 사용할 수 있다는 점이다.

둘째, 부하 추정은 로봇의 특정한 동작 패턴을 통해 얻어진 토크 정보로 말단부에 장착된 부하의 질량, 무게중심, 관성을 추정하게 된다. 이때, 특정한 동작 패턴이 과도하게 크거나, 빠르게 동작하여 주변 물체와의 간섭 혹은 말단부에 장착된 부하와 로봇에 무리한 영향을 주지 않도록 해야 한다. 또한, 특정 동작 패턴이 너무 미소하거나 움직임이 느리면 추정 오차가 감소하지 않는 문제점이 발생한다.그러나, 종래의 로봇 운동 경로는 협소한 작업 환경에서 임의의 경로로 움직이기엔 무리가 따랐으며, 이로 인하여 상당히 제한된 운동을 통해 부하를 추정해야 하는 문제점이 있다.

셋째, 현장에서 로봇에 장착될 부하의 정보는 장착 전 저울과 설계업체를 통해 파악한 정보를 로봇 제어기에 입력하거나, 사용자 임의로 부하에 대한 정보를 입력하는 등 부하의 정보가 부정확한 문제점이 있으며, 이러한 부정확한 정보의 입력은 로봇에 과부하를 발생시키게 되어 로봇의 수명을 단축시키는 문제점이 있다.

넷째, 부하에 작용하는 중력의 영향으로 발생하는 토크를 이용한 추정방법에는 부하 이외의 로봇 구조물 및 마찰 등의 영향에 의해 오차가 크게 발생하여 매번 상이한 결과가 나타나는 문제점이 있으며, 기구부의 질량정보 오차 등에 영향을 받는 문제점이 있었다.

다섯째, 4축 팔레타이징 로봇의 경우 6축 시리얼 타입의 로봇과는 기구적으로 많은 차이를 보인다. 그러나 기존 부하 추정 기능들에 대한 연구 내용은 주로 6축 시리얼 로봇에 대한 것들이 대부분 이여서 기구적 특성이 다른 4축 팔레타이징 로봇에 알맞은 형태의 부하 추정 알고리즘이 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하고, 요구사항에 부응하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 정해진 시간에 부하의 질량, 무게중심, 관성의 정확한 정보를 얻어 작업 현장에서 자체 제어기에 제공할 수 있도록 하고, 부하 추정 경로에서 로봇과 부하, 주변 시설과 부하의 간섭 현상이 없도록 하며, 마찰에 의한 편차 발생이 적도록 하여 부하 추정시 오차를 감소시킴에 따라 로봇의 제어성능을 향상시킴과 아울러 로봇의 과부하 발생을 방지하는 4축 팔레타이징 로봇용 부하추정 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 4축 팔레타이징 로봇용 부하추정 방법은 부하 추정을 위해 사용되는 데이터를 획득하는 단계; 상기 부하의 장착 여부를 파악해서 부하가 장착되지 않은 경우, 상기 획득된 데이터를 저장하는 단계; 상기 부하의 장착 여부를 파악해서 부하가 장착된 경우, 상기 획득된 데이터 중 유효한 데이터를 추출하고, 상기 추출과정에서 얻어진 토크의 마찰 성분을 상쇄시키는 전처리단계; 상기 전처리 단계에서 얻어진 유효한 데이터를 이용해 부하의 질량, 무게중심, 관성 값을 얻어내는 동역학 연산단계; 상기 동역학 연산단계에서 얻어진 부하의 질량, 무게중심, 관성에 대한 변수의 추정을 위해 많은 수의 데이터를 취득하고, 상기 취득된 데이터의 오차를 감소시키는 후처리단계; 상기 얻어진 부하 정보가 기준 범위를 벗어나면 경고 메시지를 작업자에게 제공하는 결과평가단 계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 부하 추정을 위해 사용되는 데이터를 획득하는 단계는 부하 추정에 사용되는 데이터를 얻기 위해 추정 경로를 생성하고, 상기 생성된 추정 경로를 이동할 때, 부하 추정에 필요한 데이터를 획득하는 것을 특징을 한다.

상기 추정 경로는 데이터를 확보하기 위해 필요한 각도를 선정하고, 로봇 구동 경로를 단순화시키며, 추정 경로 상에 있는 간섭부분을 미리 파악하는 것을 특징으로 한다.

상기 저장된 데이터는 동역학 계산식에 반영하여 무부하 데이터를 얻어내고, 얻어진 무부하 데이터를 사용하여 부하의 질량 및 관성 추정에 있어 로봇 구조물 오차의 영향을 줄이는 것을 특징으로 한다.

상기 동역학 연산단계는, 강체 운동 방정식에서 로봇 말단부의 4축 각도(θ₄)가 대칭일 때, 1축에서 작용하는 관성은

식과 같은 특성을 통해 부하의 무게중심을 추정하고, 강체 운동 방정식에서 로봇 말단부인 4축이 대칭인 상태일 때, 1축의 중력항(G₁(θ))과 관성(I₁)도 마찬가지의 특성을 이용해 그 영향을 상쇄시키는 것을 특징으로 한다.

상기 마찰 상쇄는 입력 토크, τ에 대한 강체 운동 방정식

를 통해 마찰 토크를 최소화시키고, 상기 마찰 토크 상쇄시 사용되는 입력토크는 모터에 인가된 전류 데이터를 환산하여 얻은 전류 환산 토크가 사용되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 4축 팔레타이징 로봇용 부하추정 방법에 따르면, 부하 추정 알고리즘을 단순화하여 추정 시간을 단축시키고, 부하 추정을 위한 충분한 동작 공간을 확보하여 주변 환경과의 간섭을 최소화시키며, 현장에서 직접 정확한 부하 정보를 획득하여 자체 제어기에 제공할 수 있을 뿐만 아니라 마찰에 의한 편차 발생이 적어 부하 추정시 오차를 감소시키는 효과가 있다.

이로 인하여, 로봇의 제어 성능을 향상시키고, 로봇의 과부하 발생을 방지하는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 4축 팔레타이징 로봇용 부하추정 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 4축 팔레타이징 로봇용 부하추정 방법을 도시한 순서도이고, 도 3은 본 발명에 따른 4축 팔레타이징 로봇용 부하추정 방법에서 마찰 상쇄에 따른 강체의 위치와 속도 가속도의 관계를 도시한 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 4축 팔레타이징 로봇용 부하추정 방법은 데이터를 획득하는 단계(S100)와, 부하의 장착 여부를 파악(S200)해서 부하가 장착되지 않은 경우, 상기 획득된 데이터를 저장하는 단계(S300)와, 상기 부하의 장착 여부를 파악(S200)해서 부하가 장착된 경우, 상기 획득된 데이터 중 유효한 데이터 를 추출(S410)하고, 상기 추출과정에서 얻어진 각가속도의 마찰 성분을 상쇄(S420)시키는 전처리단계(S400)와, 상기 전처리 단계(S400)에서 얻어진 유효한 데이터를 이용해 부하의 질량, 무게중심, 관성 값을 얻어내는 동역학 연산단계(S500)와, 상기 동역학 연산단계(S500)에서 얻어진 부하의 질량, 무게중심, 관성에 대한 변수의 추정을 위해 많은 수의 데이터를 취득하고, 상기 취득된 데이터들을 통해 오차를 감소시키는 후처리단계(S600)와, 상기 얻어진 부하 정보가 기준 범위를 벗어나면 경고 메시지를 작업자에게 제공하는 결과평가단계(S700);를 포함하여 이루어진다.

먼저, 상기 데이터를 획득하는 단계(S100)는 부하 추정을 위해 사용되는 데이터를 얻기 위해 추정 경로를 생성한다.

상기 추정 경로는 데이터를 확보하기 위해 필요한 각도를 선정하고, 그 각도로 정해진 속도 및 가속도로 움직여 충분한 데이터를 확보할 수 있도록 한다. 또한, 로봇의 구동 경로는 연속적인 단축 운동으로 제한하여 추정 알고리즘을 단순화시켰다. 상기 로봇의 주축인 1,2,3축의 각도를 사용자가 미리 설정하여 추정시 안전 공간을 확보하는 자세를 지정하고, 추정 경로 상에 있는 간섭 여부를 체크한다. 상기 추정 경로 상에 간섭이 없으면 부하의 추정 동작을 시작하고, 간섭이 있으면 느린 속도로 경로를 확인하여 추정 경로 상의 간섭부분을 미리 파악한 후, 부하 추정 동작을 시작한다.

이와 같이 정해진 경로를 이동할 때 부하 추정에 필요한 데이터를 획득하게 되며, 이때, 획득된 데이터는 모터 엔코더에서의 각도 정보와 속도 그리고 공급되고 있는 전류가 된다.

상기 데이터가 획득(S100)되면, 부하의 장착 여부를 파악(S200)하여 상기 부하가 없을 경우 획득된 데이터를 저장(S300)한다. 이때, 상기 저장된 데이터는 동역학 계산식에 반영하여 무부하 데이터를 얻어내고, 얻어진 무부하 데이터를 사용하여 부하의 질량 및 관성 추정에 있어 로봇 구조물 오차의 영향을 줄이도록 한다. 만약 무부하 데이터가 없는 경우에는 CAD에 의해 알고 있는 로봇 구조물의 물성치를 이용해 무부하 데이터를 대처한다.

상기 부하의 장착 여부를 파악(S200)해서 상기 부하가 장착된 경우, 전처리단계(S400)를 수행한다.

상기 전처리 과정은 상기 획득된 데이터 중 유효한 데이터를 추출하고, 상기 추출과정에서 얻어진 토크의 마찰 성분을 상쇄시킨다.

상기 전처리 단계(S400)에서 얻어진 유효한 데이터는 동역학 연산(S500)을 통해 부하의 질량, 무게중심, 관성값을 얻을 수 있다.

상기 동역학 연산(S500)은 강체 운동 방정식에서 유도된 관계식에 의해 연산된다.

상기 강체 운동 방정식에서 로봇 말단부의 4축 각도(θ₄)가 대칭일 때, 즉, 0°∼180°혹은 90°∼270°일 때, 1축에서 작용하는 관성의 다음과 같은 특성을 통해 부하의 무게 중심을 추정할 수 있다.

여기서, m_i, COM_i, J_i는 i번째 축의 기구부 질량, 무게중심, 관성이고, m,Cx,Cy,Iz는 부하의 질량, x방향 질량중심, y방향 질량중심, z방향 관성이다.

따라서, 상기 1축의 관성 추정을 통해 간접적으로 부하의 무게중심을 추정할 수 있다.

또한, 상기의 방법을 사용하면 부하의 무게 중심 추정에 기구부의 질량 오차 영향을 배제시킬 수 있다. 상기 강체 운동 방정식에서 1축의 중력항(G₁(θ))과 관성(I₁)은 로봇 말단부인 4축이 대칭인 상태에서 동일한 특성을 이용하여 그 영향을 상쇄시킬 수 있다.

결과적으로, 상기 4축 팔레타이징 로봇에 장착되는 부하의 무게중심 추정은 말단부인 4축이 대칭인 상태에서 1축의 관성 추정을 통해 간접적으로 계산할 수 있으며, 기구부 질량 정보의 오차에 영향을 받지 않게 되는 장점을 가지게 된다.

여기서, 상기 1축의 관성 추정을 위해 필요한 마찰항(T_f)은 동일한 속도 및 가속도와 왕복 모션을 통해 마찰의 영향을 상쇄하거나 마찰계수를 추정하고 그에 따른 마찰 토크를 제거하는 방법을 통해 그 영향을 제거할 수 있다.

상기 마찰 토크를 제거하는 방법은 각 축의 왕복운동을 통해 마찰 토크를 최소화시킨다.

여기서 입력 토크, τ에 대한 강체 운동 방적식은 다음과 같이 표현된다.

여기서, I는 관성, G(θ)는 중력항,

는 마찰 토크항을 의미한다.

상기 강체를 왕복 운동시켜 동일한 위치를 추출해 내고, 속도의 크기가 같고 부호는 반대인 반면 가속도의 경우는 크기와 부호가 모두 같은 해당하는 토크 값을 서로 더해주면 마찰 토크를 정밀하게 추정할 수 있다.

위 관계는 왕복운동 데이터의 인덱스를 서로 동기시켜 최종 추정 결과 정도를 향상하는 특징을 갖고 있다.

상기 후처리 단계(S600)에서, 상기 운동 방정식에 각도와 각가속도, 속도, 입력토크의 데이터를 입력하여 부하의 질량, 질량 중심, 관성에 대한 변수들을 추정하고, 이를 데이터들의 관계를 통해 오차를 감소시킨다.

여기서, 상기 부하 추정시 사용되는 입력 토크 값은, 모터에 인가된 전류 데이터를 환산하여 얻은 토크를 사용한다.

상기 결과 평가 단계(S700)는 상기 로봇 말단에 장착되는 부하 정보를 확인하여 기준 범위를 벗어나면 경고 메세지를 작업자에게 제공하여 과부하에 따른 빠른 대처를 취할 수 있도록 한다.

이와 같이 본 발명은 첫째, 부하 추정 알고리즘을 단순화하여 추정 시간을 단축시킨다. 둘째, 부하 추정을 위한 충분한 동작 공간을 확보하여 주변 환경과의 간섭을 최소화시킨다. 셋째, 현장에서 직접 정확한 부하 정보를 획득하여 자체 제어기에 제공할 수 있다. 넷째, 마찰에 의한 편차 발생이 적어 부하 추정시 오차를 감소시킬 수 있다. 따라서, 상기 로봇의 제어 성능을 향상시키고, 아울러 로봇의 과부하 발생을 방지하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형 가능함은 물론이다.

따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라, 상기 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 일반적인 4축 팔레타이징 로봇과 6축 시리얼 로봇의 기구부를 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 4축 팔레타이징 로봇용 부하추정 방법을 도시한 순서도.

도 3은 본 발명에 따른 4축 팔레타이징 로봇용 부하추정 방법에서 마찰 상쇄에 따른 강체의 위치와 속도 가속도의 관계를 도시한 도면.

Claims (6)

1. 부하 추정을 위해 사용되는 데이터를 획득하는 단계;

   상기 부하의 장착 여부를 파악해서 부하가 장착되지 않은 경우, 상기 획득된 데이터를 저장하는 단계;

   상기 부하의 장착 여부를 파악해서 부하가 장착된 경우, 상기 획득된 데이터 중 유효한 데이터를 추출하고, 상기 추출과정에서 얻어진 토크의 마찰 성분을 상쇄시키는 전처리단계;

   상기 전처리 단계에서 얻어진 유효한 데이터를 이용해 부하의 질량, 무게중심, 관성 값을 얻어내는 동역학 연산단계;

   상기 동역학 연산단계에서 얻어진 부하의 질량, 무게중심, 관성에 대한 변수의 추정을 위해 많은 수의 데이터를 취득하고, 상기 취득된 데이터들을 통해 오차를 감소시키는 후처리단계;

   상기 얻어진 부하 정보가 기준 범위를 벗어나면 경고 메시지를 작업자에게 제공하는 결과평가단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 4축 팔레타이징 로봇용 부하추정 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 부하 추정을 위해 사용되는 데이터를 획득하는 단계는 부하 추정을 위해 사용되는 데이터를 얻기 위해 추정 경로를 생성하고, 상기 생성된 추정 경로를 이동할 때, 부하 추정에 필요한 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 4축 팔레타이징 로봇용 부하 추정 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 추정 경로는 데이터를 확보하기 위해 필요한 각도를 선정하고, 로봇 구동 경로를 단순화시키며, 추정 경로 상에 있는 간섭부분을 미리 파악하는 것을 특징으로 하는 4축 팔레타이징 로봇용 부하 추정 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 저장된 데이터는 동역학 계산식에 반영하여 무부하 데이터를 얻어내고, 얻어진 무부하 데이터를 사용하여 부하의 질량 및 관성 추정에 있어 로봇 구조물 오차의 영향을 줄이는 것을 특징으로 하는 4축 팔레타이징 로봇용 부하 추정 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 동역학 연산단계는, 강체 운동 방정식에서 로봇 말단부의 4축 각도(θ₄)가 대칭일 때, 1축에서 작용하는 관성은

   

   식과 같은 특성을 통해 부하의 무게중심을 추정하고, 강체 운동 방정식에서 로봇 말단부인 4축이 대칭인 상태일 때, 1축의 중력항(G₁(θ))과 관성(I₁)도 동일한 특성을 이용해 그 영향을 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 4축 팔레타이징 로봇용 부하 추정 방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 마찰 토크의 상쇄는 입력 토크, τ에 대한 강체 운동 방정식

   

   를 통해 마찰 토크를 최소화시키되, 상기 강체를 왕복 운동시켜 동일한 위치를 추출해 내고, 속도의 크기가 같고 부호는 반대인 반면 가속도의 경우는 크기와 부호가 모두 같은 해당하는 토크 값을 서로 더해주면 마찰 토크를 정밀하게 추정할 수 있으며, 상기 마찰 토크 상쇄시 사용되는 입력 토크는 모터에 인가된 전류 데이터를 환산하여 얻은 토크가 사용되는 것을 특징으로 하는 4축 팔레타이징 로봇용 부하 추정 방법.

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