KR20110092890A - 로봇용 관절 구동장치 및 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법 - Google Patents

로봇용 관절 구동장치 및 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법 Download PDF

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Abstract

관절부 인코더를 포함하는 로봇용 관절 구동장치와 이를 이용하여 관절에 작용하는 토크를 측정하는 방법을 제시한다. 이를 위해 로봇용 관절 구동장치는 구동모터와, 구동모터의 회전 각도를 측정하는 구동모터 인코더와 , 구동모터의 구동력을 전달받아 직선 운동하는 이동부재와, 이동부재의 양방향에서 연결되는 케이블과, 케이블의 일측부와 접촉하여 회전하는 아이들 풀리와, 케이블의 타측부와 접촉하여 회전하는 출력 풀리로 형성되는 관절부와, 관절부의 회전각도를 측정하는 관절부 인코더를 포함한다. 구동모터의 회전 각도에 기어비를 곱한 값과 관절부의 회전 각도의 차이인 회전각 오차와 케이블의 비틀림 강성 계수를 이용하여 관절부의 토크를 계산한다.

Description

로봇용 관절 구동장치 및 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법{ROBOT JOINT DRIVING APPARATUS AND JOINT TORQUE MEASURING METHOD OF THE SAME}
인간과 유사하게 움직일 수 있는 휴머노이드 로봇, 특히 이족 또는 다족 로봇에 적용되는 로봇용 관절 구동장치 및 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법에 관한 것이다.
가정용, 군사용, 산업용 등의 목적으로 2족 보행, 4족 보행 등이 가능한 다양한 형태의 로봇이 개발되고 있다. 특히, 인간형 로봇은 인간의 신체구조와 유사하게 만든 로봇으로서 인간의 동작과 유사한 동작을 수행하도록 하는 것이 그 제작 목적이 된다. 이러한 로봇은 인간의 관절과 유사한 관절의 운동을 통해 달리기, 걷기 등의 보행동작 뿐만 아니라 다양한 동작을 구현하게 된다.
이때, 로봇의 동작을 제어하기 위해서는 실시간으로 로봇의 관절에 작용하는 토크를 측정하는 것이 필요하다. 로봇의 관절에 작용하는 토크를 측정하기 위해서 토크 센서가 사용된다. 하지만, 토크 센서는 가격이 비싸고, 토크 센서를 장착하기 위해서는 구조가 매우 복잡해진다.
관절부 인코더를 포함하는 로봇용 관절 구동장치와 이를 이용하여 관절에 작용하는 토크를 측정하는 방법을 제시한다.
이를 위해 본 발명의 일측면에 의한 로봇용 관절 구동장치는 정방향, 역방향으로 회전 가능한 구동모터; 구동모터의 구동력을 전달받아 직선 운동하는 이동부재; 이동부재의 양방향에서 연결되는 케이블(cable); 케이블의 일측부와 접촉하여 회전하는 아이들 풀리(idle pulley); 케이블의 타측부와 접촉하여 회전하는 출력 풀리(output pulley)로 형성되는 관절부; 및 관절부의 회전 각도를 측정하는 관절부 인코더를 포함한다.
또한, 본 발명의 일측면에 의한 로봇용 관절 구동장치는 구동모터의 회전 각도를 측정하는 구동모터 인코더를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일측면에 의한 로봇용 관절 구동장치는 아이들 풀리와 관절부를 지지하는 바디 프레임과 관절부와 연결되어 회전하는 관절 프레임을 더 포함하며, 관절부 인코더는 관절부 인코더 바디부와 관절부 인코더 샤프트를 포함하고, 관절부 인코더 바디부는 바디 프레임과 결합하고 관절부 인코더 샤프트는 관절 프레임에 결합할 수 있다.
이때, 관절부 인코더 바디부와 바디 프레임 사이에 위치하는 제1브라켓과 관절부 인코더 샤프트와 관절 프레임 사이에 위치하는 제2브라켓을 더 포함할 수 있다.
관절부 인코더 샤프트에는 관절부 인코더 샤프트와 제2브라켓을 결합시키는 체결 부재용 탭(tap)이 형성될 수 있으며, 체결 부재용 탭은 관절부 인코더 샤프트의 끝단의 중앙 위치에서 일정 거리 벗어나 곳에 위치할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법은 정방향, 역방향으로 회전 가능한 구동모터와, 구동모터의 회전 각도를 측정하는 구동모터 인코더와, 구동모터의 구동력을 전달받아 직선 운동하는 이동부재와, 이동부재의 양방향에서 연결되는 케이블(cable)과, 케이블의 일측부와 접촉하여 회전하는 아이들 풀리(idle pulley)와, 케이블의 타측부와 접촉하여 회전하는 출력 풀리(output pulley)로 형성되는 관절부와, 관절부의 회전 각도를 측정하는 관절부 인코더를 포함하는 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법에 있어서, 구동모터 인코더에서 측정된 구동모터의 회전 각도에 구동모터와 관절부의 회전 비율인 기어비를 곱한 값으로 정의되는 제1회전각을 획득하고, 관절부 인코더에 측정된 관절부의 회전 각도인 제2회전각을 획득하고, 제1회전각과 제2회전각의 회전각 오차를 계산하고, 회전각 오차에 케이블의 비틀림 강성 계수(torsion stiffness coefficient)를 곱하여 관절부의 토크를 계산할 수 있다.
이때, 비틀림 강성 계수는 관절부의 토크와 관절부의 회전 각도인 제2회전각을 변수로 하는 함수값으로 결정되고, 관절부의 토크는 회전각 오차에 비틀림 강성 계수를 곱하여 계산하되, 계산된 관절부의 토크가 설정 오차 범위 내로 수렴할 때까지 관절부 토크에 설정 값을 대입하여 이터레이션(iteration)을 반복함으로써 관절부의 토크를 계산할 수 있다.
또한, 관절부의 토크는 회전각 오차에 비틀림 강성 계수를 곱하여 계산하되, 제2회전각을 제1회전각의 변화량에 비례하도록 필터링하여 획득한 제2'회전각으로 대체하여 관절부의 토크를 계산할 수 있다.
이때, 제2회전각을 제1회전각의 변화량에 비례하도록 필터링하여 제2'회전각을 획득하는 것은 다음의 두가지 식중 어느 하나에 의해서 수행될 수 있다.
Figure pat00001
또는
Figure pat00002
이와 같이 조인트 인코더를 포함하는 로봇용 관절 구동장치를 이용하여 토크 센서를 사용하지 않고 로봇의 관절에 작용하는 토크를 쉽게 측정할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치를 포함하는 인간형 로봇의 외관을 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1의 인간형 로봇의 구성을 개략적으로 도시한 개략 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 외관 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절부에 관절부 인코더가 장착되는 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절부 인코더 샤프트에 형성된 체결 부재용 탭(tap)의 위치를 나타내는 도면이다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 분해 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 다른 방향에서의 케이블의 연결 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 출력 풀리로 형성되는 관절부를 확대한 확대 사시도이다.
도 9은 도 8의 측면도이다.
도 10는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 토크 센서와 인코더를 이용하여 측정한 시간에 따른 토크 값을 나타내는 도면이다.
도 12은 토크 센서와 인코더를 이용하여 측정한 토크 값 사이의 선형성을 나타내는 도면이다.
도 13는 관절부의 회전 각도인 제2회전각을 필터링 수행한 경우 해상도의 향상을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 15는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인간형 로봇의 외관을 도시한 정면도이고, 도 2는 도 1의 인간형 로봇의 구성을 개략적으로 도시한 개략 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 인간형 로봇(1)(이하에서는 간단히 '로봇'이라 한다)은 동체(10)와, 동체(10)의 상부 양측에 연결되는 팔(20R, 20L)과, 동체(10)의 상단부에 연결되는 머리(30)와, 동체(10)의 하부 양측에 연결되는 다리(40R, 40L)를 구비한다. 양팔(20R, 20L)은 어깨관절 어셈블리(210R, 210L)를 통해 동체(10)에 연결되고, 머리(30)는 목(50)을 통해 동체(10)에 연결된다. 참조 부호에서 "R", "L"은 각각 우측과 좌측을 나타낸다.
동체(10)의 내부는 커버(11)에 의해 보호된다. 동체(10)에는 제어유닛(12), 배터리(13) 및 경사센서(14)가 설치될 수 있다. 경사센서(14)는 연직축에 대한 동체(10)의 경사각도와 그 각속도 등을 검출한다.
동체(10)는 가슴부(10a)와 허리부(10b)로 분할될 수 있으며, 가슴부(10a)와 허리부(10b) 사이에는 가슴부(10a)가 허리부(10b)에 대해 상대 회전할 수 있도록 관절(15)이 설치될 수 있다. 도 2에서는 동체(10)를 동체링크로서 간략히 도시하였다.
양측 팔(20R, 20L)은 상박링크(21), 하박링크(22) 및 손(23)을 구비한다. 상박링크(21)는 어깨관절 어셈블리(210)를 통해 동체(10)에 연결된다. 상박링크(21)와 하박링크(22)는 팔꿈치관절부(220)를 통해 서로 연결되고, 하박링크(22)와 손(23)은 손목관절부(230)를 통해 서로 연결된다.
팔꿈치관절부(220)는 피치(pitch) 방향의 회전관절(221)과, 요(yaw) 방향의 회전관절(222)을 포함하여 2자유도를 가지고, 손목관절부(230)는 피치 방향의 회전관절(231)과 롤(roll) 방향의 회전관절(232)을 포함하여 2자유도를 가질 수 있다.
손(23)에는 5개의 손가락(23a)이 설치된다. 각각의 손가락(23a)에는 모터에 의해 구동되는 다수의 관절(미도시)들이 설치될 수 있다. 손가락(23a)은 팔(20)의 움직임에 연동하여 물건을 파지하거나 특정 방향을 가리키는 것과 같은 다양한 동작을 실행한다.
어깨관절 어셈블리(210R, 210L)는 동체(10)의 양측에 장착되어 양팔(20R, 20L)을 동체(10)에 연결한다. 두 어깨관절 어셈블리(210R, 210L)는 로봇(1)의 동체(10)와 팔(20R, 20L) 사이에 배치되어 팔(20R, 20L)을 움직인다.
머리(30)에는 로봇(1)의 시각으로서 기능하는 카메라(31)와, 청각으로서 기능하는 마이크로폰(32)이 설치될 수 있다.
머리(30)는 목관절부(310)를 통해 동체(10)와 연결된다. 목관절부(310)는 요 방향의 회전관절(311), 피치 방향의 회전관절(312) 및 롤 방향의 회전관절(313)을 포함하여 3자유도를 가질 수 있다.
목관절부(310)의 각각의 회전관절(311)(312)(313)에는 머리 회전용 모터들(미도시)이 연결된다. 제어유닛(12)은 각각의 모터들을 제어하여 회전관절들(311)(312)(313)을 적정 각도로 구동함으로써 머리(30)를 원하는 방향으로 움직일 수 있다.
양측 다리(40R, 40L)는 각각 대퇴 링크(41), 하퇴 링크(42) 및 발(43)을 포함한다. 대퇴 링크(41)는 대퇴 관절부(410)를 통해 동체(10)에 연결된다. 대퇴 링크(41)와 하퇴 링크(42)는 무릎 관절부(420)룰 통해 서로 연결되고, 하퇴 링크(42)와 발(43)은 발목(ankle) 관절부(430)를 통해 서로 연결된다.
대퇴 관절부(410)는 3자유도를 가진다. 구체적으로 대퇴 관절부(410)는 요(yaw) 방향(Z축 주위의 회전)의 회전관절(411)과, 피치(pitch) 방향(Y축 주위의 회전)의 회전관절(413)과, 롤(roll) 방향(X축 주위의 회전)의 회전관절(414)을 가질 수 있다. 대퇴 관절부(410) 중에서 피치 방향의 회전관절(413)과 롤 방향의 회전관절(414)은 엉덩이 관절부(412)를 구성할 수 있다.
무릎(knee) 관절부(420)는 피치 방향의 회전관절(421)을 포함하여 1자유도를 가진다. 발목 관절부(430)는 피치 방향과 롤 방향의 회전관절(431)(432)을 포함하여 2자유도를 가진다.
무릎 관절부(420)는 피치 방향의 회전관절(421)을 포함하여 1자유도를 가진다. 발목 관절부(430)는 피치 방향과 롤 방향의 회전관절(431)(432)을 포함하여 2자유도를 가진다.
이와 같이, 각각의 다리(40R, 40L)에는 세 관절부에 대해 6개의 회전관절이 마련되므로, 다리 전체에 대해서는 12개의 회전관절이 마련된다. 도면에 도시되지는 않았으나, 각각의 다리(40R, 40L))에는 각 회전관절을 구동하는 모터들이 설치된다. 제어유닛(12)은 다리(40R, 40L)에 마련된 모터들을 적절히 제어함으로써 로봇(1)의 보행을 비롯하여 다리(40R, 40L)의 다양한 동작을 구현할 수 있다.
한편, 양측 다리(40R, 40L)에서 발(43)과 발목 관절부(430)의 사이에는 다축 F/T센서(Multi-Axis Force and Torque Sensor)(44)가 각각 설치된다. 다축 F/T센서(44)는 발(43)로부터 전달되는 힘의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(Mx, My, Mz)을 측정함으로써 발(43)의 착지 여부 및 발(43)에 가해지는 하중을 검출한다.
이하에서는 이러한 로봇의 여러 관절부 중 적어도 하나에 사용되는 로봇 관절 구동장치(500)에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 외관 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절부에 관절부 인코더가 장착되는 구조를 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절부 인코더 샤프트에 형성된 체결 부재용 탭(tap)의 위치를 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동 장치의 분해 사시도이며, 도 7a 및 도 7b는 각각 다른 방향에서의 케이블의 연결 상태를 나타내는 도면이며, 도 8은 출력 풀리로 형성되는 관절부를 확대한 확대 사시도이며, 도 9는 도 8의 측면도이다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 로봇용 관절 구동장치(500)는 정, 역방향으로 회전 가능하도록 마련되는 구동모터(510)와, 구동모터(510)의 구동력을 전달받아 직선 운동하는 이동부재(520)와, 이동부재(520)가 나사 결합되는 볼 스크류부(535)와, 이동부재(520)의 양방향에서 연결되는 케이블(cable)(540)과, 케이블(540)의 일측부와 접촉하여 회전하는 아이들 풀리(550)와, 케이블(540)의 타측부와 접촉하여 회전하는 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)와, 아이들 풀리(550)와 관절부(560)를 지지하는 바디 프레임(503a, 503b)과, 관절부(560)와 결합하여 회전 가능하도록 마련되는 관절 프레임(505a, 505b, 505c))과, 바디 프레임(503a, 503b)과 관절 프레임(505a)에 결합되는 관절부 인코더(501)를 포함한다.
구동모터(510)는 로봇용 관절 구동장치(500)를 구동하기 위한 구동력을 제공한다. 구동모터(510)의 일측은 볼 스크류부(535)와 구동벨트(515)에 의해 연결되며, 구동모터(510)의 회전력은 구동벨트(515)를 통해 볼 스크류부(535)로 전달되어 볼 스크류부(535)를 회전시키게 된다. 구동모터(510)에는 구동모터 샤프트(미도시)의 회전 각도를 측정할 수 있는 구동모터 인코더(513)이 설치된다.
볼 스크류부(535)는 구동모터(510)에 의해 회전하게 되며, 이동부재(520)가 결합되도록 나사가 형성된 나사부(537)를 포함한다.
이동부재(520)는 볼 스크률부(535)가 회전하면, 나사부(537)를 따라 상하로 직선 운동하게 된다. 즉, 구동모터(510)의 정, 역방향 회전 운동이 이동부재(520)에 전달되어 상하 직선운동으로 바뀌게 된다.
이동부재(520)가 결합된 볼 스크류부(535)는 볼 스크류부 프레임(590)에 결합된다. 볼 스크류부 프레임(590) 내부에서 볼 스크류부(535)는 정, 역 방향으로 회전하고, 그에 따라 이동부재(520)는 상하 방향으로 직선 운동한다.
볼 스크류부 프레임(590)은 이동부재(520)의 회전이 방지되도록 가이드하는 가이듯 슬롯(guide slot: 592)을 포함한다. 가이드 슬롯(592)은 상하 길이 방향으로 형성되어 이동부재(520)가 상하 방향 운동 만을 하게 하고, 볼 스크류부(535)의 회전 운동에 의해서는 회전하지 않도록 하는 역할을 한다.
이동부재(520)의 양측 상하 방향으로는 케이블(540)이 연결된다. 케이블(540)은 구동모터(510)의 구동력으로 관절부(560)를 회전시킬 수 있도록 소정의 장력을 유지하면서 관절부(560)에 연결된다. 케이블(540)은 바람직하게 스틸(steel)재질로 마련되며, 원반형의 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)와 아이들 풀리(550)를 감싸도록 배치된다.
이상에서 설명한 것처럼, 로봇용 관절 구동장치(500)의 전체적인 동작은 구동모터(510)가 정, 역 방향으로 회전하면 볼 스크류부(535)도 함께 회전하고, 그에 따라 이동부재(520)는 상하 방향으로 직선 운동하여 케이블(540)을 상하 방향으로 움직이게 된다. 케이블(540)의 상하 방향으로의 이동은 아이들 풀리(550)와 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)를 정, 역 방향으로 회전 구동시키게 된다.
도 3에서 볼 수 있듯이, 케이블(540)의 회전 운동에 의한 장력에 의해서 관절부(560)이 회전하게 되면 관절부(560)에 연결된 관절 프레임(505a, 505b, 505c)이 동시에 회전하게 되어 로봇(1)의 관절이 이동하게 된다. 이때, 로봇용 관절 구동장치(500)의 관절부(560)에는 관절부(560)의 회전 각도를 측정할 수 있는 관절부 인코더(501)가 설치된다. 이 관절부 인코더(501)의 설치 구조가 도 4에 나타나 있다.
도 4에서 관절부 인코더(501)은 관절부 인코더 바디부(501a)와 관절부 인코더 샤프트(501b)를 포함한다. 관절부 인코더(501)와 바디 프레임(503a) 사이에는 이들을 결합시키기 위한 제1브라켓(507)이 설치되며, 관절부 인코더(501)와 관절 프레임(505a) 사이에는 이들을 결합시키기 위한 제2브라켓(509)이 설치된다. 도 4 및 도 5에서 볼 수 있듯이, 관절부 인코더 샤프트(501b)에는 관절부 인코더 샤프트(501b)과 제2브라켓(509)를 결합시키기 위한 체결 부재용 탭(tap: 501c)이 형성되어 있다. 제2브라켓(509)에도 역시 체결 부재용 탭에 체결 부재가 결합하기 위한 홀이 형성되어 있다. 이때, 체결 부재용 탭(501c)는 관절부 인코더 샤프트(501b)의 축을 중심으로 한쪽으로 편향되게 형성되어 있다. 이는 조립을 용이하게 하고 회전 시 관절부 인코더 샤프트(501b)의 미끄러짐을 방지하기 위함이다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 케이블(540)은 1줄의 케이블(540)로 폐루프(closed loop)를 형성하며, 폐루프(closed loop)를 형성하기 위해 1줄 케이블(540)의 양단부(540a, 540b)는 케이블(540)을 압착하도록 형성되는 연결 루프 슬리브(546)에 의해 연결된다. 즉, 케이블(540)의 양단부(540a, 540b)가 연결 루프 슬리브(546)에 의해 연결되어 고정된다.
케이블(540)은 아이들 풀리(550), 이동부재(520) 및 관절부(560) 사이에서 적어도 1회 병렬로 연결된다. 본 발명의 일 실시예의 케이블(540)은 일측에서 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)와 아이들 풀리(550) 사이에 형성되는 제1라인(line)(541)과, 제1라인(541)의 측면에 병렬로 마련되는 제2라인(542)과, 제2라인(542)의 측면에 병렬로 마련되는 제3라인(543)과, 제3라인(543)의 측면에 병렬로 마련되는 제4라인(544)을 포함한다.
이렇게 케이블(540)을 병렬로 연결시키는 이유는 로봇용 관절 구동장치(500)의 비틀림 강성(Torsional Stiffness)을 크게 하도록 하기 위해서이다. 비틀림 강성(Torsional Stiffness)은 외부에서 정지상태의 관절부(560)에 외력이 가해졌을 때 외력에 대해 관절부(560)가 움직이는 정도로 표현할 수 있다. 비틀림 강성(Torsional Stiffness)이 클수록 외력에 대해 관절부(560)가 덜 움직인다는 의미이다.
로봇용 관절 구동장치(500)에서 비틀림 강성(Torsional Stiffness)을 크게 할 수 있는 방법으로, 출력 풀리로 형성되는 관절부(560) 및 아이들 풀리(550)의 지름을 크게하는 방안과 케이블(540)의 자유길이를 짧게 하는 방안을 고려할 수 있다, 하지만, 출력 풀리로 형성되는 관절부(560) 및 아이들 풀리(550)의 지름을 크게 하면 전체적인 로봇용 관절 구동장치(500)의 크기가 커지는 문제가 있고, 케이블(540)의 자유길이를 짧게 하면 볼 스크류부(535)의 길이도 짧아지게 되어 관절부(560)의 가동각이 작아지는 문제가 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 이러한 문제를 케이블(540)을 복수회 병렬 연결시킴으로써 해결하였다. 케이블(540)을 복수회 병렬 연결시켜서 비틀림 강성(Torsional Stiffness)이 커지도록 하는 방법은 여러 개의 스프링을 병렬로 연결시켜 스프링 상수(Spring Constant)가 커지도록 하는 것과 같은 원리이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)는 케이블(540)과의 슬립 현상이 방지되도록 케이블 고정부(562)를 포함한다.
케이블 고정부(562)는 케이블(540)이 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)의 축 방향과 평행하게 배치되도록 가이드 하는 케이블 가이드 브라켓(563a, 563b)을 포함한다. 즉, 관절부(560)와 접촉하며, 제2라인(542)과 제3라인(543)을 연결하는 부분의 케이블(540)을 케이블 가이드 브라켓(563a, 563b)에 형성된 홈을 따라 배치되도록 하여 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)와 케이블(540) 사이의 마찰력이 커지도록 하였다.
또한, 케이블 고정부(562)은 케이블(540)을 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)에 고정시키기 위한 스페이서(565a, 565b)를 포함한다. 관절부(560)와 접촉하는 제1라인(541)과 제4라인(544)의 케이블(540) 부위에는 케이블(540)을 압착하도록 형성되는 고정 루프 슬리브(loop sleeve)(547a, 547b)가 끼워지고, 스페이서(565a, 565b)는 고정 루프 슬리브(547a, 547b)가 관절부(560)에 고정되도록 형성된다. 즉, 관절부(560)의 루프 슬리브 홈(567a, 567b) 일측에 경사면(566a, 566b)이 형성된 스페이서(565a, 565b)가 접착제로 접착되고, 스페이서(565a, 565b)와 접촉하면서 고정 루프 슬리브(547a, 547b)가 끼워지는 것이다. 이 때 케이블(540)의 프리텐션(pretension)으로 인해 고정 루브 슬리브(547a, 547b)는 루프 슬리브 홈(567a, 567b)에 고정된다.
이하, 이와 같은 장치를 포함하는 로봇용 관절 구동장치(500)의 관절 토크 측정 방법을 상세히 설명한다. 도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치(500)는 토크 센서를 사용하지 않고 케이블의 비틀림 강성을 이용하여 관절부(560)의 토크를 측정함을 그 특징으로 한다. 즉, 케이블(540)에 의하여 구동력이 전달되는 로봇용 관절 구동장치(500)의 경우 구동모터(510)로부터 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)에 전달되는 힘과 케이블(540)의 길이 변화에는 일정한 상관 관계가 있다는 것을 이용하는 것이다. 이를 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.
즉, 바디 프레임(503: 503a, 503b) 내의 구동모터(510)가 구동되면 구동모터 샤프트가 회전하게 되고 이 회전에 의해 기어 트레인(gear train: 512) 및 볼 스크류부(535) 및 이동부재(520)을 통하여 결국 관절부(560)가 회전하게 된다. 하지만, 구동모터 샤프트의 회전수와 관절부(560)의 회전수는 기어비만큼의 차이가 발생한다. 이상적인 경우라면 구동모터 샤프트의 회전수에 기어비를 곱하면 관절부의 회전수와 일치하게 된다. 회전각의 측면에서 설명하면 다음과 같다.
구동모터 샤프트(미도시)의 회전각을 나타내는 구동모터 인코더(513)의 측정값을 N이라 하고, 기어비를 나타내는 상수를 G라고 하고, 이 N과 G를 곱한 값을 '제1회전각'이라 정의한다. 즉, 제1회전각은 θM이라고 하면 다음과 같이 표현된다.
θM = G × N --- 식(1)
(G: 기어비 상수, N: 구동모터 샤프트 회전각)
이때, θM은 케이블(540)의 비틀림 강성 계수가 무한대라고 가정하여 구동모터 샤프트(미도시)의 회전각으로부터 추정한 관절부(560)의 회전각을 의미한다. 하지만 케이블(540)은 케이블(540)에 걸리는 토크에 의해서 변형되기 때문에 실제 관절부(560)의 회전각과는 작은 차이게 난다.
또한, 관절부 인코더(501)로부터 관절부(560)의 회전 각도를 측정하고, 이를 '제2회전각'이라고 정의한다. 제2회전각은 θJ로 표현한다. 이 값으로부터 제1회전각과 제2회전각의 차이인 회전각 오차(Δθ = θM - θJ)를 계산한다.
이 회전각 오차는 케이블에 작용하는 토크와 비례하는 성질을 가지는데, 이는 캡스턴 드라이브 강성(capstan drive stiffness)에 관한 연구들을 통해서 알려져 있다. 즉, 케이블(540)에 작용하는 토크가 큰 값을 가질수록 케이블의 늘어남, 비틀어짐 등의 변형이 이루어져 회전각 오차가 더 커지게 되는 것이다. 케이블(540)의 비틀림 강성 계수(torsion stiffness coefficient)가 Ktorsion일때, 관절부(560)에 작용하는 토크 τ 는 다음과 같이 정의 된다.
τ = Ktorsion × Δθ --- 식(2)
(Ktorsion: 비틀림 강성 계수 , Δθ: 회전각 오차)
이때, 비교적 큰 오차가 허용되는 로봇의 경우에는 케이블(540)의 비틀림 강성 계수 Ktorsion를 상수로 취급하고, 이 Ktorsion을 이용하여 토크 τ를 계산해도 무방하다. 하지만, 비틀림 강성 계수 Ktorsion은 로봇 구동장치의 관절부(560)의 토크와 관절부(560)의 회전각도인 제2회전각을 변수로 하는 함수값으로 결정되므로(Ktorsion(τ,θJ)), 작은 오차도 허용되지 않는 경우에는 이 두 변수가 모두 고려되어야 한다. 이하, 이 두 변수를 고려하여 더 정확하게 관절부(560)의 토크를 측정하는 방법을 설명한다.
앞에서 설명한 바와 같이, 비틀림 강성 계수 Ktorsion은 관절부(560)의 토크와 관절부(560)의 회전각도인 제2회전각을 변수로 한다. 관절부 인코더(501)에서 관절부(560)의 회전각를 미리 설정된 샘플링 주기마다 측정하게 되는데, 측정하는 샘플링 시간에서의 관절부(560)의 회전각 θJ는 상수값으로 획득할 수 있다. 하지만, 측정하고자 하는 관절부(560)의 토크 τ와 비틀림 강성 계수 Ktorsion은 정확한 값을 바로 알 수 없다. 왜냐하면, 비틀림 강성 계수 Ktorsion은 관절부(560)의 토크와 관절부(560)의 회전각에 의해서 결정되는데, 관절부(560)의 회전각은 측정하는 샘플링 시간에서 상수값으로 획득할 수 있으나, 측정하고자 하는 토크 τ는 미지의 값이기 때문이다.
이때, 관절부(560)의 토크 τ를 정확하게 측정하기 위해서 이터레이션(iteration) 방법을 사용한다. 이터레이션(iteration) 방법은 변수를 포함하는 함수식으로 결정되는 결과값이 있을 때, 결과값과 함수식에 동일한 미지의 변수가 있는 경우에 일정한 값을 대입한 후 반복적으로 계산을 수행하여 출력값이 일정한 값으로 수렴할 때까지 수행하는 방식으로 출력값을 계산하는 방식이다. 관절부(560)의 토크 τ를 이터레이션 방법을 이용해서 구하는 것은, 토크 τ의 절대값이 커지면 비틀림 강성 계수 Ktorsion은 작아지는 성질이 있어서 이터레이션을 반복 수행하면 토크 τ의 값이 일정한 값으로 수렴하기 때문이다. 위 두 변수를 고려한 비틀림 강성 계수를 고려하면 식(2)는 다음과 같이 식(3)으로 표현된고, 반복하는 이터레이션 횟수 i를 고려한 식은 식(4)와 같이 표현된다.
τ = Ktorsion(τ,θJ) × Δθ --- 식(3)
τi+1 = Ktorsion(τi,θJ) × Δθ --- 식(4)
즉, 측정하는 샘플링 시간에서 미지의 값인 관절부(560)의 토크 τ를 0 과 같은 설정 값을 대입한 후 위의 관절부의 토크를 계산하는 식(4)에 대입한 후 관절부(560)의 토크 계산값을 얻는다. 관절부(560)의 토크가 얻어지면 이 값을 기초로 다시 식(4)에 대입하여 새로운 관절부(560)의 토크를 계산한다. 이러한 과정을 계속 반복하면 관절부(560)의 토크값 τ가 일정한 값으로 수렴하게 된다. 이때, 관절부(560)의 토크의 측정값의 오차인 |τi+1 - τi|가 미리 설정한 오차 범위 내로 수렴하면, 그 때 계산된 관절부(560)의 토크의 값을 관절부의 토크 값으로 채택하게 된다. 이러한 방법으로 더 정확하게 관절부(560)의 토크의 값을 측정할 수 있게 된다.
하지만, 이 경우에도 관절부 인코더(501)의 해상도에 따른 오차가 있기 때문에 계산된 관절부(560)의 토크의 값은 실제의 값과 다른 값을 가지게 된다. 여기서 '해상도'는 관절부 인코더(501)가 측정 가능할 수 있는 최소의 각도 단위를 나타낸다. 즉, 높은 해상도, 작은 단위의 단위 측정 각도를 가질 수록 더 정밀하게 각도를 측정할 수 있게 된다. 구동모터 인코더(513)와 관절부 인코더(501)의 해상도를 비교하면, 관절부 인코더(501)의 해상도도 그리 나쁘지는 않다. 하지만, 기어비를 고려하게 되면 관절부 인코더(501)의 해상도는 구동모터 인코더(513)에 비하여 매우 떨어지게 된다. 이렇게 관절부 인코더(501)의 해상도가 구동모터 인코더(513)의 해상도에 비하여 떨어지게 되면, 위 식(1) 내지 식(4)에 의하여 관절부(560)의 토크를 계산함에 있어서 오차가 발생하게 된다.
이러한 오차를 최소화하기 위해서 계산되는 관절부 인코더(501)의 측정값을 저역 통과 필터(Low Pass Filter : LPF)에 통과시킴으로써 관절부 인코더(501)의 해상도보다 더 정밀한 값을 획득할 수 있었다. 하지만, 저역 통과 필터를 사용하는 경우 측정되는 관절부(560)의 회전각의 값이 시간이 지연되어 나타나게 되어, 이에 의한 오차가 발생하게 되는 문제점이 있었다. 본 발명에서는 이러한 시간 지연을 없애고, 관절부 인코더(501)의 해상도에 의한 오차를 최소화하기 위해서 관절부 인코더(501)에서 측정되는 제2회전각을 제1회전각의 변화량이 비례하도록 필터링하는 방법을 사용한다. 이렇게 제2회전각을 필터링 하여 제2'회전각을 획득하고, 이 값을 이용하여 관절부(560)의 토크를 계산한다. 구체적인 계산 방법은 다음의 식에 의해서 수행된다.
Figure pat00003
앞에서 언급한 것처럼, 제1회전각은 θM으로 표현되고, 제2회전각은 θJ로 표현되는데 위 식에는 여기에 측정 샘플링 시간을 나타내는 변수 k가 더 표시되어 있다. 즉, 특정 샘플링 시간인 k에서 제1회전각 θM[k]과, 제2회전각 θJ[k]를 획득한다. 다음 이전 샘플링 시간인 k-1 에서의 제2'회전각
Figure pat00004
에 제1회전각의 변화량 θM[k]-θM[k-1]를 반영하여 샘플링 시간 k에서의 제2'회전각
Figure pat00005
를 획득한다. 이때, 제1회전각의 변화량 θM[k]-θM[k-1]를 반영하는 것은 제1회전각의 변화량에 θJ[k]/θM[k]를 곱하여 더하는 방식을 사용할 수 있다. 이는, 제1회전각과 제2회전각이 정확하게 일치하지 않기 때문에 이 비율을 나타내는 상수를 곱해줌으로써 정확도를 향상시키기 위함이다. 위 식은 제1회전각의 변화량과 제2회전각의 변화량이 비례하다는 사실을 이용한 것으로, 이 식을 이용하여 필터링하여 관절부 인코더(501)의 해상도에 의하여 정확도가 떨어지는 것을 보상한 비교적 정확한 제2'회전각을 구할 수 있게 된다.
하지만. 위와 같은 방법을 사용하는 경우에 관절부 인코더(501)의 최대 해상도 즉, 최소 각도 단위인 Δ 때문에 제2'관절각의 정확도가 떨어질 수 있다. 즉, 제2'관절각의 값이 이전 샘플링 시간인 k에서의 제2관절각인 θJ[k] 값을 기준으로 최대해상도의 절반인 Δ/2 의 범위로 크거나 작은 경우에는 위의 식에 의한 값으로 정해도 문제가 없으나, Δ/2 의 범위를 넘어서 크거나 작은 경우에는 오차가 크게 발생하게 된다. 이 경우에는 오차의 범위를 관절부 인코더(501)의 최대 해상도의 범위 내로 줄이기 위해서 아래의 식에 나타난 방법을 이용하여 제2'관절각을 정할 수 있다.
Figure pat00006
즉, 위 식에서 볼 수 있듯이 즉, 제2'관절각의 값이 이전 샘플링 시간인 k에서의 제2관절각인 θJ[k] 값을 기준으로 최대해상도의 절반인 Δ/2 의 범위을 넘어서 크거나 작은 경우에는 관절부 인코더(501)의 최대 해상도가 가질 수 있는 최대 오차 범위의 값으로 제2관절각을 채택함으로써 오차를 최소화 시킨다. 이런 방법으로 보다 정확하게 제2'관절각을 획득하고, 이 제2'관절각을 사용하여 관절부(560)의 토크를 계산함으로써 관절부(560) 토크를 보다 정확하게 측정할 수 있게 된다.
이하, 도 11 내지 도 13을 참조하여 이러한 방식으로 관절부(560)의 토크를 측정한 경우의 효과에 대해서 설명한다. 도 11은 토크센서와 인코더를 이용하여 측정한 시간에 따른 토크값을 나타내는 도면이며, 도 12는 토크 센서와 인코더를 이용하여 측정한 토크 값 사이의 선형성을 나타내는 도면이며, 도 13은 관절부의 회전 각도인 제2회전각을 필터링 수행한 경우 해상도의 향상을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동 장치(500)에 임의의 부하토크를 작용시켰을 때, 토크센서를 이용하여 측정한 토크의 값과 구동모터 인코더(513)와 관절부의 인코더(501)의 값을 기초로 측정한 토크의 값을 비교하면 도 11과 같이 나타난다. 이 두 값이 전반적으로 일치함을 알 수 있다.
도 12의 그래프를 살펴보면 두 가지 방법으로 측정한 토크의 값의 기울기가 1에 가까운 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해서도 두 가지 방법으로 측정한 값이 전반적으로 일치함을 확인할 수 있다.
도 13에서는 앞에서 설명한 제2관절각의 비교적 낮은 해상도에 의한 오차를 최소화하기 위하여 필터링을 수행한 결과를 나타내고 있다. 도 13에서 저역 통과 필터를 이용한 경우와는 달리 시간 지연의 오차도 발생하지 않음을 알 수 있다. 이런 측면에서 이 필터링 방식을 이용하는 필터를 '무지연 필터'라고 부르기로 한다. 즉, 관절부 인코더(501)의 낮은 해상도에 의해서 관절부(560)의 회전각이 계단 모양으로 측정됨에 반해 무지연 필터링을 수행하면 우측에 보이는 저역 통과 필터를 사용한 경우와 같이 부드러운 형태의 곡선을 얻음과 동시에 시간 지연이 없어졌음을 알 수 있다. 이 필터링된 제2'회전각을 이용하여 관절부의 토크를 측정하면 정확도가 향상되게 된다.
이하 도 14 및 도 15를 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치(500)를 이용한 관절부의 토크를 측정하는 방법을 상세히 설명한다. 도 14는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이며, 도 15는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 14을 참조하면, 구동모터 인코더(513)를 이용하여 구동모터(510)의 회전 각도를 측정한다.(600) 구동모터(510)의 회전 각도가 측정되면 이 값에 기어비를 곱하여 제1회전각을 획득한다.(620) 다음, 관절부 인코더(501)를 이용하여 관절부(560)의 회전 각도인 제2회전각을 획득한다.(640) 이 제1회전각과 제2회전각의 오차를 계산하여 회전각 오차를 획득한다.(660a) 이 회전각 오차에 케이블의 비틀림 강성 계수를 곱함으로써(680a) 관절부(560) 토크 측정을 완료하게 된다(700) 하지만, 이는 케이블(540)의 비틀림 강성 계수가 상수가 아닌 점을 고려하지 않았으며, 관절부 인코더(501)의 낮은 해상도에 의한 오차를 고려하지 않아 정확도가 다소 떨어지게 된다. 이 두가지 요인에 의한 오차를 모두 보상하기 위한 관절부(560)의 토크 측정 방법을 도 15의 순서도를 참조하여 설명한다.
도 15를 참조하면, 도 14에서와 같이 구동모터 인코더(501)를 이용하여 구동모터(513)의 회전 각도를 측정한다.(600) 이 구동모터(510)의 회전 각도에 기어비를 곱하여 제1회전각을 획득한다.(620) 다음, 관절부 인코더(501)를 이용하여 관절부(560) 회전 각도인 제2회전각을 획득한다.(640) 이때, 제2회전각을 무지연 필터링하여 제2'회전각을 획득한다.(650) 무지연 필터링 후 획득한 제2회전각과 제1회전각의 오차를 계산하여 회전각 오차를 획득한다.(660b) 이 회전각 오차에 케이블(540)의 비틀림 강성 계수를 곱하여 관절부(560)의 토크를 계산한다.(680b),
이 경우 관절부(560)의 토크를 계산할 때 0 과 같은 미리 설정한 값을 토크로 가정한 후 앞에서 언급한 식(4)에 대입한다. 이렇게 관절부(560)의 토크가 계산되면, 반복하여 관절부(560)의 토크를 계산하는 이터레이션을 수행한다(685) 이터레이션을 수행하면서, 관절부(560) 토크가 설정 오차 범위 내로 수렴했는지를 판단한다.(690) 이때, 관절부(560)의 토크가 설정 오차 범위 내로 수렴하면 계속하여 이터레이션을 수행한다. 만약, 관절부(560)의 토크가 설정 오차 범위 내로 수렴하였으면 이 값을 관절부(560) 토크의 값으로 채택하고 관절부(560) 토크 측정을 완료하게 된다.(700)
위와 같이, 로봇용 관절 구동장치(500)의 관절부(560)에 관절부 인코더(501)를 설치하고, 이 측정된 관절부(506) 회전각과 케이블(540)의 비틀림 강성 계수를 이용함으로써 토크 센서를 장착할 필요 없이 관절부(560)에 작용하는 토크를 쉽게 측정할 수 있다.
1 : 인간형 로봇 500 : 로봇용 관절 구동장치
501 : 관절부 인코더 510 : 구동모터
513 : 구동모터 인코더 520 : 이동부재
540 : 케이블 550 : 아이들 풀리
560 : 관절부

Claims (11)

  1. 정방향, 역방향으로 회전 가능한 구동모터;
    상기 구동모터의 구동력을 전달받아 직선 운동하는 이동부재;
    상기 이동부재의 양방향에서 연결되는 케이블(cable);
    상기 케이블의 일측부와 접촉하여 회전하는 아이들 풀리(idle pulley);
    상기 케이블의 타측부와 접촉하여 회전하는 출력 풀리(output pulley)로 형성되는 관절부; 및
    상기 관절부의 회전 각도를 측정하는 관절부 인코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동모터의 회전 각도를 측정하는 구동모터 인코더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 아이들 풀리와 상기 관절부를 지지하는 바디 프레임과 상기 관절부와 연결되어 회전하는 관절 프레임을 더 포함하며, 상기 관절부 인코더는 관절부 인코더 바디부와 관절부 인코더 샤프트를 포함하고,
    상기 관절부 인코더 바디부는 상기 바디 프레임과 결합하고 상기 관절부 인코더 샤프트는 상기 관절 프레임에 결합하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 관절부 인코더 바디부와 상기 바디 프레임 사이에 위치하는 제1브라켓과 상기 관절부 인코더 샤프트와 상기 관절 프레임 사이에 위치하는 제2브라켓을 더 포함하는 로봇용 관절 구동장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 관절부 인코더 샤프트에 상기 관절부 인코더 샤프트와 상기 제2브라켓을 결합시키는 체결 부재용 탭(tap)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 체결 부재용 탭은 상기 관절부 인코더 샤프트의 끝단의 중앙 위치에서 일정 거리 벗어난 곳에 위치하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치.
  7. 정방향, 역방향으로 회전 가능한 구동모터와,
    상기 구동모터의 회전 각도를 측정하는 구동모터 인코더와,
    상기 구동모터의 구동력을 전달받아 직선 운동하는 이동부재와,
    상기 이동부재의 양방향에서 연결되는 케이블(cable)과,
    상기 케이블의 일측부와 접촉하여 회전하는 아이들 풀리(idle pulley)와,
    상기 케이블의 타측부와 접촉하여 회전하는 출력 풀리(output pulley)로 형성되는 관절부와,
    상기 관절부의 회전 각도를 측정하는 관절부 인코더를 포함하는 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법에 있어서,
    상기 구동모터 인코더에서 측정된 상기 구동모터의 회전 각도에 상기 구동모터와 상기 관절부의 회전 비율인 기어비를 곱한 값으로 정의되는 제1회전각을 획득하고,
    상기 관절부 인코더에 측정된 상기 관절부의 회전 각도인 제2회전각을 획득하고,
    상기 제1회전각과 상기 제2회전각의 차이인 회전각 오차를 계산하고,
    상기 회전각 오차에 상기 케이블의 비틀림 강성 계수(torsion stiffness coefficient)를 곱하여 상기 관절부의 토크를 계산하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비틀림 강성 계수는 상기 관절부의 토크와 상기 관절부의 회전 각도인 상기 제2회전각을 변수로 하는 함수값으로 결정되고,
    상기 관절부의 토크는 상기 회전각 오차에 상기 비틀림 강성 계수를 곱하여 계산하되,
    상기 계산된 관절부의 토크가 설정 오차 범위 내로 수렴할 때까지 상기 관절부 토크에 설정 값을 대입하여 이터레이션(iteration)를 반복 수행함으로써 상기 관절부의 토크를 계산하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 관절부의 토크는 상기 회전각 오차에 상기 비틀림 강성 계수를 곱하여 계산하되,
    상기 제2회전각을 상기 제1회전각의 변화량에 비례하도록 필터링 하여 획득한 제2'회전각으로 대체하여 상기 관절부의 토크를 계산하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2회전각을 상기 제1회전각의 변화량에 비례하도록 필터링하여 상기 제2'회전각을 획득하는 것은 다음의 식에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법.
    Figure pat00007
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2회전각을 상기 제1회전각의 변화량에 비례하도록 필터링하여 상기 제2'회전각을 획득하는 것은 다음의 식에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법.
    Figure pat00008
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