KR20120107228A - 지능형 로봇 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상위 제어기와 하위 네트워크 모듈들이 디센딩 라인과 어센딩 라인들의 광케이블로 이루어져 데이터가 상향전송과 하향전송이 독립적으로 이루어져 전송속도가 높고, 물리계층단에 광 분리/반사기를 설치하여 데이터를 하위 네트워크 모듈에 전송하는 한편 다른 하위 네트워크 모듈에 전송함으로써 데이터의 전송속도를 높힌다.

Description

지능형 로봇 제어 시스템{intelligent robort control system}

본 발명은 다수의 모터, 센서 및 IO 장치 등이 혼합적으로 사용되는 멀티 프로세서 기반의 지능형 로봇 제어 시스템(intelligent robort control system)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇 내부의 분산된 장치들을 네트워크를 이용하여 효율적으로 통합함과 동시에 고속제어 및 고 신뢰성을 확보할 수 있는 새로운 구조의 로봇 전용 모션 네트워크 구조를 갖는 지능형 로봇 제어 시스템에 관한 것이다.

로봇을 비롯한 자동화 장치들을 제어하기 위하여 마스터 콘트롤러와 마스터 콘트롤러로부터 데이터를 수신받아 제어대상을 직접 제어하는 슬레이브 콘트롤러 사이에 데이터의 송수신은 직, 병렬통신방식을 사용하여 이루어져 왔으나, 제어대상의 수가 많아지게 되고, 많은 수의 제어대상을 실시간으로 제어하기 위하여 이더넷을 이용한 데이터 송수신이 이루어져 왔다. 국내 특허출원 제10-2008-74482호(발명의 명칭: 이더넷을 이용한 자동화설비 제어시스템)(이하 종래기술이라 함)에는 다수의 제어기와, 상기한 제어기를 네트워크로 연결하도록 설치되어 데이터의 통신이 가능하도록 하는 TCP/IP 기반의 이더넷 스위치와, 상기한 이더넷 스위치 또는 인터넷을 통해 연결되어 제어기로부터 데이터를 받고 제어 명령을 전송하는 메인컴퓨터로 이루어져 저렴한 설치비에 높은 신뢰성을 얻을 수 있도록 하는 메인 컴퓨터와 다수의 제어기를 제어하는 제어시스템이 개시되어 있으나, 이러한 종래기술의 이더넷을 고차원적이고 정밀제어를 필요로 하는 진화된 로봇에 적용하는 경우에는 네트워크 처리 속도의 한계, 디바이스들 간 동기화 기능의 부재, 내장 케이블 집약으로 인한 EMI 노이즈 유입 등의 다양한 문제점들이 발생되게 된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 상위 제어기와 모듈의 물리적인 인터페이스로 광케이블을 적용하는 방식이 개발되었다.

도 1은 종래의 광케이블을 적용하는 로봇 제어시스템의 구성도이다.

도 1에 도시된 광 인터페이스 기술은 로봇 제어용이 아닌 산업용 네트워크 시스템에는 상당 부분 적용이 되고 있는 방식으로, 상위 제어기(100)로부터 전송되는 메시지 프레임이 네트워크상의 종단 모듈(101)을 거쳐 다시 상위 제어기로 귀환이 되는 링형 구조의 메시지 송수신 기법을 주로 사용하고 있는데 이러한 방식은 몇 가지 단점을 가지고 있다. 링형 구조의 메시지 귀환 방식을 사용하는 경우 상위 제어기(100)는 네트워크상에 연결된 센서, IO 및 모터 등으로 부터 귀환되는 데이터를 직접적으로 수신하는 것이 불가능하다. 데이터를 수신하기 위해서는 상위 제어기(100)가 메시지 프레임을 하위의 모듈들에게 먼저 전송해 주어야만 귀환되는 메시지에 삽입된 피드백 정보를 수신할 수 있다.

이와 같은 광 인터페이스 구조에 의하여 EMI 문제는 상당부분 해결될 수 있었으나, 위와 같이 상위 제어기의 메시지 수신 시간 또한 송신시간의 2배가 걸린다는 비효율적인 문제점이 있어 데이터 전송의 고속화와 고신뢰성을 달성하기가 어려웠다.

본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 종래에 산업용 시스템에만 적용되었던 광(Optic) 인터페이스 기술, 송수신 데이터의 고속화를 위한 Non-Stopped On The Fly 기술 및 메시지 독립 제어(Independent Message Control) 기술, 네트워크 라인 이중화를 통한 신뢰성 향상에 기여하는 광 다중 코어(Multi-Core) 인터페이스 기술 그리고 고속의 정밀 모션제어를 위한 산업용 이더넷(Industrial Ethernet) 프로토콜 기술 등이 통합적으로 적용되도록 함으로써 제어속도를 향상되고 신뢰성이 높은 소위 "로봇 멀티프로세서 제어기용 실시간-안전 네트워크"를 구비하는 지능형 로봇 제어 시스템을 제공하도록 하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 해결수단은 상위 제어기와, 상기 상위 제어기와 광케이블로 연결되어 데이터를 송수신을 하며 어플리케이션을 제어하는 복수의 하위 네트워크 모듈들로 이루어진 지능형 로봇 제어 시스템에 있어서: 상기 광케이블은 상기 상위 제어기에서 하위 네트워크 모듈로 제어신호가 전송되는 디센딩 라인(descending line); 상기 하위 네트워크 모듈들로부터 데이터가 상기 상위 제어기로 전송되는 제1 어센딩 라인(ascending line)을 포함하고, 상기 디센딩 라인과 상기 제1 어센딩 라인을 통하여 데이터는 독립적으로 전송되는 것이다.

또한 본 발명에서 상기 광케이블은 상기 제1 어센딩 라인이 불통상태인 경우 상기 제1 어센딩 라인을 대체하여 데이터를 전송하는 제2 어센딩 라인과, 상기 제1 어센딩 라인 대신에 상기 제2 어센딩 라인을 통하여 데이터가 교체 전송되도록 하는 스위칭 수단이 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 광케이블과 상기 하위 네트워크 모듈의 접속부에는 광 분리/반사기가 설치되어 상기 하위 네트워크 모듈에 입력된 데이터를 분리시켜 상기 하위 네트워크 모듈로 출력시키는 한편 다른 하위 네트워크 모듈로 출력시키는 것을 특징으로 하는 지능형 로봇 제어 시스텝.

상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면, 광케이블을 사용함으로써 EMI 문제가 해결되며, 멀티 코아 싱글모드 옵틱을 사용하고, 상위 제어기와 하위 네트워크 모듈 사이에 디센딩 라인과 어센딩 라인을 사용하여 독립적으로 데이터를 전송함으로써 종래 데이터전송구조보다 데이터 전송속도를 획기적으로 높힐 수 있다. 또한 광분리/반사기를 사용하여 특정 하위 네트워크 모듈에서 발생되는 지연시간을 감축함으로써 데이터 전송속도를 높힐 수 있다.

도 1은 종래의 광케이블을 적용하는 로봇 제어시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 로봇 시스템의 네트워크 구성도이다.
도 3은 본 발명에서 적용되는 광 신호 분리/반사기(Optic Separator/Reflector)를 이용한 데이터 처리구성도이다.
도 4는 본 발명의 데이터 전송방식과 종래의 데이터 전송방식을 비교하기 위한 비교도이다.

도 2는 본 발명의 로봇 시스템의 네트워크 구성도이다.

도 2의 데이터 전송은 종래의 링형 구조의 메시지 귀환방식과는 달리 상위 제어기(1)로부터 디센딩 라인을 따라 하위 네트워크 모듈(2), (3)로 전달되고, 이와 독립적으로 하위 네트워크 모듈(2), (3)로부터 상위 제어기(1)로 데이터가 전송됨으로써 데이터가 독립적으로 전송되도록 한다.

이와 같이 상위 제어기(1)에서 생성되는 송신 메시지와 하위의 네트워크 모듈(2), (3)로부터 생성되어 귀환되는 수신 메시지를 별도로 분리하여 독립된 시점에서 운용하도록 함으로써 상위 제어기는 수신 메시지와 상관없이 원하는 시점에 언제든지 데이터를 송신할 수 있으며 하위 네트워크 모듈 역시 언제든지 상위 제어기로 데이터를 송신할 수 있다는 유연성을 가지고 있다. 그리고 상위 제어기 및 네트워크 모듈 간 메시지 송수신 과정의 동시적인 처리가 가능하게 됨으로서 완벽한 Full Duplex 모드의 구현이 가능하고 메시지 송수신 시간을 종래의 데이터 링형 구조에 비하여 2배 단축할 수 있다는 장점이 있다.

또한 물리적 인터페이스는 데이터의 안전성(Safety) 및 신뢰성(Reliability)를 위하여 멀티 코어 기반의 광 인터페이스 기술을 적용하었다. 멀티 코어 기반의 광 인터페이스 기술에서는 데이터 송수신을 위하여 다중 광 코어 라인을 사용하는데 각각의 광 코어 라인들의 기능은 다음과 같이 정의 된다.

① Descending Line : 상위 제어기에서 하위 네트워크 모듈로 제어 신호가 전송되는 송신 라인으로서 모터, 센서, IO 등의 동작 제어하기 위한 주기, 비주기 적인 신호 등이 생성되어 전송되는 라인이다.

② Ascending 1 Line : 하위 네트워크 모듈에서 상위 제어기로 전송되는 수신 라인으로서 네트워크 모듈로부터 주기적으로 계측 되는 센서 및 모터 피드백 등의 정보가 전송되는 라인이다.

③ Ascending 2 Line : 보조 네트워크 라인으로서 평상시에는 하위의 네트워크 모듈로부터 알람, 모터 및 센서 파라미터, 진단 신호 등의 비주기적인 신호가 상위 제어기로 전송이 되며 케이블 단선 등과 같은 네트워크 에러 상황 시 Ascending 1 Line의 기능을 대신 수행하는 이중화를 위한 네트워크 라인이다.

도 2의 (a)는 어센딩 라인1이 정상적으로 동작되는 경우를 도시한 것으로 이 상태에서는 하위 네트워크 모듈에서 상위 제어기로 데이터가 전송되게 되나, 도 2의 (b)와 같이 어센딩 라인1이 비정상적으로 동작되는 경우 를 하위 네트워크 모듈이 감지하게 되는 경우 스위칭 수단(미도시)에 의하여 에센딩되는 데이터를 어센딩 라인2를 통하여 상위 제어기로 전송되도록 함으로써 시스템의 데이터가 정상적으로 전송되도록 한다.

도 3은 본 발명에서 적용되는 광 신호 분리/반사기(Optic Separator/Reflector)를 이용한 데이터 처리구성도이다.

로봇 제어기용 실시간 안전 네트워크에서는 종래의 이더넷 기반의 모션제어 네트워크에서 사용되던 고속 데이터 처리기술인 "온더 플라이"(On The Fly) 기법을 이용한 데이터 처리기술에 "온더 플라이"기법의 단점인 전송딜레이를 개선하기 위하여 광신호 분리/반사기를 이용하여 전송딜레이를 최소화한다.

On The Fly 기술이란 네트워크 모듈이 상위 제어기로부터 전송된 메시지 프레임 전체를 수신 및 처리하는 하는 것이 아니라 메시지 프레임이 수신 단을 지나가는 동안 해당 네트워크 모듈에 기 할당된 영역의 데이터만을 순간적으로 복사하여 처리함으로서 데이터의 송수신 딜레이를 최소화하는 기술로서 일반적으로 데이터 처리 딜레이는 각각의 네트워크 모듈 당 약 1us 정도로 계산되고 있다. 물론 On The Flay 기술은 데이터 송수신 딜레이를 최소화할 수 있는 기술이지만 네트워크상에 연결된 모듈들의 수에 따라 데이터 송수신 성능이 좌우된다고 할 수 있다.

이에 본 발명에서는 기존의 On The Fly 기술 적용시 각 모듈에서 기본적으로 소요되는 1us의 딜레이 시간을 제거하기 위하여 네트워크 모듈의 물리계층 단, 즉 광케이블과 하위 네트워크 모듈의 접속부에 추가적으로 설계된 광 분리/반사기(Optic Separator/Reflector)를 설치한다.

네트워크 모듈은 물리계층(physcal Layer), 미디어 콘버터(Media Converter & PHY)와 회로 제어기(Network controller)로 이루어진 데이터링크계층(Data Link Layer), 마이크로프로세서 및 드라이브, 센서, IO로 이루어진 어플리케이션들로 이루어진 어플리케이션 계층(application)로 이루어지며, 광 분리/반사기는 물리계층단에 추가적으로 설치됨으로써 수신된 데이터를 분리하여 데이터 링크 계층으로 입력시키는 한편 다음 네트워크 모듈로 전송하도록 함으로써 제어기로부터 전송된 데이터는 광 케이블 라인 상의 딜레이를 제외하고는 어떠한 딜레이도 존재하지 않게 하는 고속 데이터 처리 방식이다.

도 4는 본 발명의 데이터 전송방식과 종래의 데이터 전송방식을 비교하기 위한 비교도이다.

도 4에서 (b)는 광 분리 반사기를 사용한 본 발명의 데이터 전송속도를 나타낸 것이며, (a)는 광 분리 반사기를 사용하지 않는 일반적인 온더플라이 방식의 데이터 전송속도를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이 상위제어가 1대, 네트워크 모듈 4대, 라인 딜레이는 0.05대로 고정한 상태에서의 송신 딜레이를 계산한 결과로 (b)의 전송속도가 (a)의 전송속도보다 약 20 정도 빠른 것을 알 수 있다. 이러한 차이는 네트워크 모듈의 수가 증가할수록 훨씬 더 커지게 된다.

Claims (3)

1. 상위 제어기와, 상기 상위 제어기와 광케이블로 연결되어 데이터를 송수신을 하며 어플리케이션을 제어하는 복수의 하위 네트워크 모듈들로 이루어진 지능형 로봇 제어 시스템에 있어서:
   상기 광케이블은
   상기 상위 제어기에서 하위 네트워크 모듈로 제어신호가 전송되는 디센딩 라인(descending line);
   상기 하위 네트워크 모듈들로부터 데이터가 상기 상위 제어기로 전송되는 제1 어센딩 라인(ascending line)을 포함하고,
   상기 디센딩 라인과 상기 제1 어센딩 라인을 통하여 데이터는 독립적으로 전송되는 것을 특징으로 하는 지능형 로봇 제어 시스템.
2. 청구항1에서, 상기 광케이블은 상기 제1 어센딩 라인이 불통상태인 경우 상기 제1 어센딩 라인을 대체하여 데이터를 전송하는 제2 어센딩 라인과, 상기 제1 어센딩 라인 대신에 상기 제2 어센딩 라인을 통하여 데이터가 교체전송되도록 하는 스위칭 수단이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 지능형 로봇 제어 시스템.
3. 청구항1 또는 2에서, 상기 광케이블과 상기 하위 네트워크 모듈의 접속부에는 광 분리/반사기가 설치되어 상기 하위 네트워크 모듈에 입력된 데이터를 분리시켜 상기 하위 네트워크 모듈로 출력시키는 한편 다른 하위 네트워크 모듈로 출력시키는 것을 특징으로 하는 지능형 로봇 제어 시스텝.

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