KR20120132864A - 직접 교시 로봇 시스템 및 직접 교시 로봇 동작 제어 방법 - Google Patents

직접 교시 로봇 시스템 및 직접 교시 로봇 동작 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 작업자가 로봇에 직접 가하는 교시력을 운동 명령으로 하여 동작하는 직접 교시 로봇 시스템은 상기 작업자가 파지하여 상기 교시력을 가할 수 있는 인터페이스 장치와, 상기 인터페이스 장치에 가해지는 상기 교시력을 측정하는 교시력 측정 센서와, 상기 교시력 측정 센서에서 측정된 상기 교시력을 운동 명령 정보로 하여 상기 로봇의 목표 동작 특성을 생성하는 동작 제어기 및 상기 목표 동작 특성을 추종하도록 상기 로봇을 동작시키는 엑츄에이터를 포함하고, 상기 동작 제어기는 상기 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하지 않는 범위 내로 상기 목표 동작 특성을 제한한다.

Description

직접 교시 로봇 시스템 및 직접 교시 로봇 동작 제어 방법{Direct teaching type robot system and Method for controlling movement of direct teaching type robot}
본 발명은 직접 교시 로봇 시스템 및 직접 교시 로봇의 동작 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 작업자가 로봇에 직접 가하는 교시력을 운동 명령으로 하여 동작하는 직접 교시 로봇 시스템 및 상기 직접 교시 로봇의 동작을 제어하는 방법에 관한 것이다.
직접 교시 로봇이란 작업자가 로봇에 직접 힘(교시력)을 가하는 직접 교시 작업을 수행하면, 작업자의 교시력이 센서에 의해 측정되고 그 교시력을 바탕으로 한 로봇의 운동 명령이 생성 저장되며, 저장된 로봇의 운동 명령이 순차적으로 로봇을 구성하는 링크의 각 축의 엑츄에이터(actuator)에 지령으로 전달됨으로써 로봇이 작업자의 직접 교시 작업과 동일한 동작을 재생하게 되는 로봇을 말한다.
지금까지 대부분의 산업용 로봇의 동작 명령 생성은 티칭 펜던트(teaching pendant)와 로봇 전문 인력을 동원한 복잡한 프로그래밍 작업을 통해 수행되었지만 최근 직접 교시 로봇이 도입됨으로써 보다 적은 비용과 수고로 로봇의 동작 명령을 수행할 수 있게 되었다. 또한, 직감적인 교시 작업을 통해 작업자의 숙련된 작업 기술이 로봇의 동작에 반영됨으로써 로봇의 작업 품질도 향상되었다.
특히, 로봇을 직접 교시에 의해 동작시키는 방법에 의하면 로봇이 취급하는 작업 대상물의 실제 중량과 관계없이 로봇의 운동 특성이 자유자재로 변경됨으로써 작업 대상물의 운동 특성을 쉽게 결정할 수 있는 장점이 있다.
하지만, 작업자가 실제 로봇의 운동 가능 범위(성능) 이상의 무리한 운동 특성을 요구할 경우 로봇 내부의 엑츄에이터에 포화특성이 발생하게 되어 로봇 시스템 내부가 손상되거나 작업시 안전사고가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점은 로봇의 기계적 성능 및 작업자의 최대 교시력 등의 사항을 무시한 채 결정된 로봇의 목표 동작 특성을 로봇이 추종함에 따른 것이다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 작업자의 교시력으로부터 로봇의 목표 가속도, 속도 또는 위치 정보 등과 같은 로봇의 목표 동작 특성을 생성할 때 로봇 엑츄에이터의 포화 특성을 발생시키지 않는 범위 내로 로봇의 목표 동작 특성이 제한되는 직접 교시 로봇 시스템 및 직접 교시 로봇 동작 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면 작업자가 로봇에 직접 가하는 교시력을 운동 명령으로 하여 동작하는 직접 교시 로봇 시스템으로서, 상기 작업자가 파지하여 상기 교시력을 가할 수 있는 인터페이스 장치와, 상기 인터페이스 장치에 가해지는 상기 교시력을 측정하는 교시력 측정 센서와, 상기 교시력 측정 센서에서 측정된 상기 교시력을 운동 명령 정보로 하여 상기 로봇의 목표 동작 특성을 생성하는 동작 제어기 및 상기 목표 동작 특성을 추종하도록 상기 로봇을 동작시키는 엑츄에이터를 포함하고, 상기 동작 제어기는 상기 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하지 않는 범위 내로 상기 목표 동작 특성을 제한하는 직접 교시 로봇 시스템이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 동작 제어기는 상기 교시력과 등가이면서, 기계적 어드미턴스 인자와 로봇의 목표 동작 특성의 역학 관계로 표현되는 역학적 힘을 정의하고, 상기 기계적 어드미턴스 인자값이 조절되어 작업자가 원하는 로봇의 목표 동작 특성을 생성하는 기계적 어드미턴스 제어기이다.
또한, 상기 동작 제어기는 상기 기계적 어드미턴스 인자의 한계값을 결정하여 상기 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하지 않는 범위 내로 로봇의 목표 동작 특성을 제한할 수도 있다.
또한, 상기 로봇의 목표 동작 특성은 상기 로봇의 가속도 및 속도에 대한 거동 특성이고, 상기 기계적 어드미턴스 인자는 상기 로봇의 가속도에 영향을 미치는 관성 인자 및 상기 로봇의 속도에 영향을 미치는 댐핑 인자일 수도 있다.
또한, 상기 로봇은 복수의 링크로 구성되고, 상기 로봇의 말단에는 작업 대상물을 파지할 수 있는 로봇 그리퍼가 구비되며, 상기 관성 인자의 한계값은 상기 로봇의 최대 가속도와 상기 작업자의 최대 교시력에 의해 결정될 수도 있다. 다르게는, 상기 관성 인자의 한계값은 상기 복수의 링크 각각의 질량, 상기 로봇 그리퍼에 파지되는 작업 대상물의 질량, 상기 작업자의 최대 교시력 및 상기 로봇이 취급할 수 있는 작업 대상물의 최대 하중에 의해 결정될 수도 있다.
나아가, 상기 댐핑 인자의 한계값은 상기 복수의 링크 각각의 질량, 상기 로봇 그리퍼에 파지되는 작업 대상물의 질량, 상기 작업자의 최대 교시력, 상기 로봇이 취급할 수 있는 작업 대상물의 최대 하중, 상기 로봇의 끝단의 최대 속도 및 상기 관성 인자의 한계값에 의해 결정될 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 작업자가 로봇에 직접 가하는 교시력을 운동 명령으로 하여 동작하는 직접 교시 로봇 시스템의 동작을 제어하는 직접 교시 로봇 동작 제어 방법으로서, 상기 작업자에 의해 인터페이스 장치에 상기 교시력이 가해지는 단계와, 교시력 측정 센서에 의해 상기 인터페이스 장치에 가해지는 상기 교시력을 측정하는 단계와, 동작 제어기를 이용해 상기 교시력 측정 센서에서 측정된 상기 교시력을 운동 명령 정보로 하여 상기 로봇의 목표 동작 특성을 생성하는 단계와, 상기 동작 제어기에 의해 생성된 상기 로봇의 목표 동작 특성이 상기 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하지 않는 범위 내인지 여부를 판정하는 단계 및 상기 로봇의 목표 동작 특성이 상기 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하지 않는 범위 내인 경우, 상기 목표 동작 특성을 추종하도록 엑츄에이터를 동작시켜 상기 로봇을 동작시키는 단계를 포함하는 직접 교시 로봇 동작 제어 방법이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 기계적 어드미턴스 인자값은 상기 작업자에 의해 입력 및 조절되며, 상기 작업자에 의해 입력된 기계적 어드미턴스 인자값에 따라 생성된 로봇의 목표 동작 특성이 상기 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하는 범위 내에 있는 것으로 판정되면, 상기 동작 제어기는 상기 기계적 어드미턴스 인자의 한계값에 따라 상기 로봇의 목표 동작 특성을 생성하여 상기 로봇을 동작시키도록 할 수도 있다.
본 발명에 따르면 작업자는 로봇의 운동 성능 범위 내에서 작업 대상물을 그 실제 중량과 관계없이 작업자가 원하는 운동 특성대로 운동시킬 수 있으므로, 종래 기술에 비해 안전한 직접 교시 작업을 수행할 수 있고, 상대적으로 작은 교시력으로도 필요한 로봇의 동작 명령을 생성할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 교시 로봇 시스템의 개념도이다.
도 2는 도 1의 직접 교시 로봇 시스템에 직접 교시 작업을 할 때 작용되는 힘의 분포를 나타내는 자유물체도(free body diagram)이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 교시 로봇 시스템(1)의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 로봇 시스템(1)은 로봇의 본체(40)와, 상기 본체(40)에 결합되는 복수 개(n개)의 링크(10, 20, 30)들을 포함한다. 도 1에서는 도시의 편의를 위해 3개의 링크(10, 20, 30)만을 도시하였다. 로봇 시스템(1)은, 링크(10, 20, 30)들이 관절부(11, 12)에 의해 연결되어 관절부를 중심으로 회전 운동할 수 있는 다자유도 직렬형 로봇 시스템이다. 본 실시예에 따른 로봇 시스템(1)의 직접 교시 작업은 작업대(500) 위에 소정 중량을 가지는 작업 대상물(400)이 놓여 있는 상태의 환경에서 이루어진다.
각각의 관절부(11, 12)에는 관절의 각도 변화를 측정하기 위한 엔코더(encoder)(미도시)가 장착되어 있으며, 링크(10, 20, 30)들을 동작시키기 위한 엑츄에이터(미도시)가 결합되어 있다. 링크(10)의 말단에는 작업 대상물(400)을 파지할 수 있는 로봇 그리퍼(gripper)가 구비된다.
로봇의 말단에 위치하는 링크(10)의 말단에는 작업자의 교시력을 측정하기 위한 교시력 측정 센서(100)가 결합되어 있다. 본 실시예에서 상기 교시력 측정 센서(100)는 작업자에 의해 로봇에 가해지는 힘과 토크를 측정할 수 있는 힘/토크 센서이다.
교시력 측정 센서(100)에는 작업자와 로봇이 물리적으로 접촉할 수 있도록 하는 인터페이스(interface) 장치(200)가 결합되어 있다. 인터페이스 장치(200)의 말단에는 작업자의 파지가 용이하도록 핸들 부재(210)가 형성된다.
작업자가 인터페이스 장치(200)의 핸들 부재(210)를 파지하고, 인터페이스 장치(200)에 힘을 가하여 교시력을 전달하면, 인터페이스 장치(200)에 가해진 교시력이 교시력 측정 센서(100)에 의해 측정된다.
본 실시예에 따르면, 작업자에 의해 가해지는 교시력이 로봇의 말단에 장착된 교시력 측정 센서(100)를 통해 측정되고, 상기 교시력에 의한 동작 정보가 교시 데이터로 저장되며, 저장된 교시 데이터에 따라 로봇이 동작하게 된다. 로봇의 동작을 제어하기 위하여, 로봇 시스템(1)에는 교시력 측정 센서(100)에서 측정된 상기 교시력을 운동 명령 정보로 하여 로봇의 목표 동작 특성을 생성하는 동작 제어기(미도시)가 구비된다. 상기 동작 제어기에 의해 생성된 상기 목표 동작 특성을 추종하도록 로봇의 각 관절부에 구비된 엑츄에이터가 동작하여 로봇이 동작하게 된다.
본 명세서에서, 로봇의 동작 특성이란 로봇의 가속도, 속도 또는 위치 정보 등과 같은 로봇의 동적 거동에 영향을 주는 특성을 의미한다.
이하, 교시력 측정 센서(100)에서 측정된 상기 교시력을 운동 명령 정보로 하여 로봇의 목표 동작 특성을 생성하는 동작 제어기에 대해서 설명한다.
본 실시예에 따르면, 상기 동작 제어기는, 상기 교시력과 등가이면서, 기계적 어드미턴스 인자와 로봇의 목표 동작 특성의 역학 관계로 표현되는 역학적 힘을 정의하고, 상기 기계적 어드미턴스 인자값을 조절하여 작업자가 원하는 로봇의 목표 동작 특성을 생성하는 기계적 어드미턴스 제어기이다.
본 실시예에서는 동작 제어기에서 정의되는 상기 역학적 힘은 아래 [수학식 1]과 같이 정의한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 작업자의 교시력이고,
Figure pat00003
는 기계적 어드미턴스 인자(각각 가상의 관성, 댐핑, 강성 인자)이며,
Figure pat00004
는 로봇의 목표 동작 특성(각각 가속도, 속도, 위치 정보)를 나타낸다.
상기 [수학식 1]에 알 수 있는 바와 같이, 로봇의 동작 특성은 기계적 어드미턴스 인자 즉, 가상의 질량-댐퍼-스프링 시스템에 의해 표현될 수 있으며, 상기 운동 방정식의 각각의 계수(즉, 어드미턴스 인자)를 조절하면, 동일한 작업자의 교시력에 대해도 로봇의 운동 특성을 달리할 수 있다. 다시 말해서, 로봇의 동작 특성에 영향을 주는 어드미턴스 인자를 조절하여 로봇이 추종해야 할 목표 동작 특성을 변경하면, 시스템에 입력된 동일한 교시력에 대해서 로봇의 동작 특성을 원하는대로 조정할 수 있는 것이다(예를 들어, 로봇이 더 느리고 정밀하게 움직이도록 동작시키거나 또는 더 빠르고 신속하게 동작시키는 등의 원하는 특성대로 로봇을 동작시킬 수 있다는 것을 말한다).
이때, 각각의 어드미턴스 인자들이 로봇의 동작 특성에 미치는 영향은 상기 질량-댐퍼-스프링 시스템의 각각의 계수들이 미치는 영향과 동일하다. 가령, 기계적 어드미턴스 인자 중에서 관성 인자(M)는 로봇의 동작 특성 중에서 가속도 변화에 영향을 주고, 댐핑 인자(B)는 로봇의 속도 변화와 관련이 있으며, 상기 관성 인자(M)와 댐핀 인자(B)의 비율을 통해 로봇의 응답 속도가 결정된다.
강성 인자(K)의 경우, 스프링 작용에 의해 로봇을 통해 특정 위치로 작업 대상물(400)을 이동하는 작업에 방해가 되므로 본 실시예에서는 그 값을 0으로 둔다.
따라서, 본 실시예에서는 로봇 시스템의 목표 동작 특성 생성을 위해 동작 제어기에 의해 정의되는 역학적 힘이 아래 [수학식 2]과 같이 표현된다.
[수학식 2]
Figure pat00005
여기서,
Figure pat00006
는 작업자의 교시력이고,
Figure pat00007
는 목표 어드미턴스 인자(각각 가상의 관성 인자, 댐핑 인자)이며,
Figure pat00008
는 로봇의 목표 동작 특성(각각 가속도 및 속도 정보)를 나타낸다.
상기 [수학식 2]와 같은 관계식으로부터 로봇의 목표 동작 특성을 생성하기 위한 어드미턴스 인자 결정시 고려 사항은 실제 로봇이 추종할 수 있는 목표 동작 특성의 한계가 결정되고, 그 범위를 벗어나지 않도록 관련된 인자가 결정되어야 한다. 만약, 추종 가능한 로봇의 동작 특성 이상의 목표 동작 특성이 생성된다면 로봇 시스템의 엑츄에이터에 포화특성이 발생되어 엑츄에이터에 심각한 손상 및 로봇의 오작동을 초래하게 된다.
따라서, 본 실시예에서는 로봇의 최대 운동 능력을 고려하기 위한 기계적 어드미턴스 인자의 한계값을 결정하게 된다.
도 2는 로봇 시스템(1)의 직접 교시 작업시에 작용되는 힘의 분포를 나타내기 위한 자유물체도이다.
도 2를 참조하면, Wl은 로봇의 직접 교시 작업시 취급되는 작업 대상물(400)의 무게이고, Wr1,Wr2,???Wrn는 다자유도 직렬형 로봇 각각의 링크(10, 20, 30)의 무게를 나타내며, Fa는 로봇의 직접 교시 작업에서 작업 대상물(400)을 취급하기 위해 로봇으로부터 제공되는 물리적인 힘, Fh는 교시력 측정 센서(100)에서 측정된 교시력을 나타낸다. 본 실시예에 따르면, Fh는 작업 대상물(400)을 인양 및 이동시키기 위해 직접 사용되는 것이 아니라, 로봇의 목표 동작 특성을 생성하는데 사용된다.
Figure pat00009
는 각각 로봇의 목표 동작 특성 중에서 가속도 및 속도 성분을 나타낸다.
도 2의 자유물체도에서 발생되는 힘의 합력을 0으로 두면 하기 [수학식 3]이 유도되고, [수학식 3]을 다시 Fa에 대해 정리하면 하기 [수학식 4]를 얻을 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00010

[수학식 4]
Figure pat00011
여기서,
Figure pat00012
는 작업 대상물(400)의 질량이고,
Figure pat00013
는 로봇의 링크 각각의 질량을 나타낸다.
상기 [수학식 4]에서
Figure pat00014
는 상기 [수학식 2]에서 작업자의 교시력과 관성 인자로부터 생성된 로봇의 목표 가속도 성분을 나타낸다. 만약, 상기 로봇의 목표 가속도 성분이 로봇의 운동 범위 즉, 로봇이 발생시킬 수 있는 최대 가속도보다 더 크다면 로봇의 엑츄에이터에 포화특성이 발생하게 된다. 따라서, 작업자의 최대 교시력(Fhmax)과 로봇의 최대 가속도(
Figure pat00015
)를 구하면,하기 [수학식 5]로부터 관성 인자의 한계값(최소값)을 결정할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 작업자의 최대 교시력(Fhmax)은 미리 결정되어 로봇 시스템(1)에 입력되는 값이다. 작업자가 가하는 교시력이 최대 교시력(Fhmax) 미만인 경우 교시력 측정 센서(100)에서 측정되는 교시력이 시스템의 동작 제어기에 전달되는 교시력의 크기가 되고, 작업자가 가하는 교시력이 최대 교시력(Fhmax) 이상인 경우 시스템의 동작 제어기에 전달되는 교시력은 최대 교시력(Fhmax)이다. 따라서, 상기 [수학식 5]에 입력되어야 하는 최대 교시력(Fhmax)의 크기는 이미 알고 있는 값이다.
다만, 로봇 끝단에 발생되는 로봇의 최대 가속도(
Figure pat00016
)는 별도의 센서를 설치하여야 측정할 수 있고, 그 계산 과정이 다소 복잡하다.
따라서, 본 실시예에서는 하기 [수학식 6]과 같이 로봇의 최대 가속도(
Figure pat00017
)를 구하지 않고, 관성 인자의 한계값을 결정한다. 하기 [수학식 6]은 상기 [수학식 5]를 [수학식 4]에 대입하고, 로봇이 발생시켜야 할 물리적인 힘이 로봇이 취급할 수 있는 작업 대상물(400)의 최대 하중(Wpayload)과 같다고 둠으로써 유도된다.
[수학식 6]
Figure pat00018
상기 [수학식 6]을 다시 Mtmin에 대해 정리하면, 하기 [수학식 7]과 같이 로봇의 운동 범위(성능) 내에 있는 로봇의 목표 가속도를 결정하기 위한 관성 인자의 한계값이 결정된다.
[수학식 7]
Figure pat00019
따라서, 본 실시예에 따르면, 로봇의 엑츄에이터의 포화특성이 발생하지 않는 범위 내의 로봇의 목표 가속도가 생성되도록 하기 위해서 가속도에 관련된 관성 인자의 한계값이 로봇의 링크 각각의 잘량에 대한 정보, 로봇 그리퍼(300)에 파지되는 작업 대상물(400)의 질량, 작업자의 최대 교시력(Fhmax) 및 로봇이 취급할 수 있는 작업 대상물(400)의 최대 하중에 대한 정보에 의해 결정된다.
한편, 상술한 바와 같은 관성 인자의 한계값 결정과 마찬가지로, 로봇의 운동 범위(성능) 내에 있는 로봇의 목표 속도를 결정하기 위해 댐핑 인자의 한계값(Btmin)이 결정되어야 한다. 일반적으로 상기 [수학식 2]에서 로봇의 운동 속도에 관련된 인자는 댐핑 인자이지만, 로봇의 초기 속도에서 댐핑 인자로부터 결정된 운동 속도까지의 시간에 대한 속도 변화율, 즉 로봇의 가속도 정보도 로봇의 엑츄에이터의 포화특성에 밀접한 관련이 있다. 다시 말해서, 상기 두 인자들 간의 비율을 통해서 로봇의 응답 시간이 결정되고, 이러한 응답 시간은 다시 직접 교시 작업에 사용되는 로봇 시스템의 운동 성능으로부터 결정된다. 따라서, 본 실시예에서 댐핑 인자 결정을 위한 기계적 어드미턴스 관계식은 하기 [수학식 8]과 같이 결정된다.
[수학식 8]
Figure pat00020
로봇의 끝단의 최대 속도는 로봇의 각 관절의 최대 각속도와 자코비안 행렬을 통해 구할 수 있다. 로봇의 각 관절의 최대 각속도는 로봇을 설계할 때 결정되어 이미 알고 있는 값이다. 또한, 자코비안 행렬을 통해 관절의 각속도로부터 로봇의 끝단의 최대 속도를 구하는 것은 본 발명이 속하는 영역의 당업자에게 이미 알려진 방법이므로 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.
또한, 상기 [수학식 8]에서 작업자의 최대 교시력(Fhmax)은 상술한 바와 같이 이미 설정되어 알려진 값이다.
따라서, 상기 [수학식 8]을
Figure pat00021
에 대해 정리한 후, 로봇이 발생시켜야 할 물리적인 힘이 로봇이 취급할 수 있는 작업 대상물(400)의 최대 하중(Wpayload)과 같다고 하면 하기 [수학식 9]가 유도된다.
[수학식 9]
Figure pat00022
상기 [수학식 9]를 다시 Btmin에 대해 정리하면 하기 [수학식 10]과 같이 로봇의 운동 범위 내에 있는 로봇의 목표 속도를 결정하기 위한 댐핑 인자의 한계값이 결정된다.
[수학식 10]
Figure pat00023
따라서, 본 실시예에 따르면, 로봇의 엑츄에이터의 포화특성이 발생하지 않는 범위 내의 로봇의 목표 가속도가 생성되도록 하기 위해서 가속도에 관련된 관성 인자의 한계값이 로봇의 링크 각각의 잘량에 대한 정보, 로봇 그리퍼(300)에 파지되는 작업 대상물(400)의 질량, 작업자의 최대 교시력(Fhmax), 로봇이 취급할 수 있는 작업 대상물(400)의 최대 하중에 대한 정보 및 로봇 끝단에 발생되는 최대 속도에 의해 결정된다.
한편, 댐핑 인자의 결정을 위해서는 로봇 끝단에 발생되는 최대 속도 및 관성 인자의 한계값(Mtmin)이 추가로 요구된다. 관성 인자의 한계값(Mtmin)은 상기 [수학식 7]로부터 구할 수 있다.
이하에서는, 위와 같은 구성의 직접 교시 로봇을 동작시키는 방법에 대해 설명한다.
먼저 작업자가 인터페이스 장치(200)의 핸들(210)을 파지하고 인터페이스 장치(200)에 힘을 가하면, 인터페이스 장치(200)에 교시력이 가해진다. 상기 인터페이스 장치(200)에 가해진 교시력은 교시력 측정 센서(100)에 의해 측정된다. 교시력 측정 센서(100)에 의해 측정된 교시력은 교시력 데이터로 저장되고, 저장된 교시력 데이터는 동작 제어기로 전달된다. 동작 제어기는 교시력 데이터를 운동 명령 정보를 하여 로봇의 목표 동작 특성을 생성하게 된다.
상술한 바와 같이, 상기 동작 제어기는 기계적 어드미턴스 인자값을 조절하여 작업자가 원하는 로봇의 목표 동작 특성을 생성하는 기계적 어드미턴스 제어기이다. 본 실시예에 따르면, 상기 기계적 어드미턴스 인자값은 작업자가 원하는 동작 특성에 따라 로봇이 동작하도록 하기 위해 작업자가 직접 입력하는 값이다. 작업자는 로봇의 사용 환경이나 작업 특성에 맞게 기계적 어드미턴스 인자값을 적절하게 조절하여 동작 제어기에 입력할 수 있다.
작업자가 입력한 기계적 어드미턴스 인자값에 의해 생성된 로봇의 목표 동작 특성을 로봇이 무조건 추종하게 되면 자칫 엑츄에이터의 포화특성이 발생하여 엑츄에이터가 오작동하거나 손상되는 일이 발생할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 작업자가 임의로 입력한 기계적 어드미턴스 인자값에 따라 상기 동작 제어기에 의해 생성된 상기 로봇의 목표 동작 특성이 로봇의 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하지 않는 범위 내인지 여부를 판정하는 단계를 거친다.
생성된 로봇의 목표 동작 특성이 상기 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하지 않는 범위 내인 경우, 생성된 목표 동작 특성을 추종하도록 엑츄에이터를 작동시켜 로봇을 동작시키게 된다.
반대로, 상기 작업자에 의해 입력된 기계적 어드미턴스 인자값에 따라 생성된 로봇의 목표 동작 특성이 상기 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하는 범위 내에 있는 것으로 판정될 수 있다. 이와 같은 경우, 로봇 시스템(1)의 동작 제어기는 상술한 바와 같은 방법으로 결정된 기계적 어드미턴스 인자(관성 인자 및 댐핑 인자)의 한계값에 따라 상기 로봇의 목표 동작 특성을 생성하여 로봇을 동작시키게 된다. 즉, 본 실시예에서는 로봇의 동작 특성에 영향을 주는 기계적 어드미턴스 인자의 한계값을 결정해두고, 그 한계값을 넘는 값을 작업자가 입력하는 경우 자동적으로 동작 제어기에 입력되는 기계적 어드미턴스 인자값으로 상기 한계값을 입력함으로써, 로봇의 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하지 않는 범위 내로 로봇의 목표 동작 특성을 제한하게 되는 것이다.
다만 상술한 방법은 하나의 예시에 해당한다. 설정된 기계적 어드미턴스 인자의 한계값을 넘는 값을 작업자가 입력하는 경우 에러 메시지를 작업자에게 통지하여 기계적 어드미턴스 인자값을 달리 입력할 것을 유도하고 작업자가 입력값을 조절하지 않으면 로봇이 동작하지 않도록 하는 방식으로 로봇의 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하지 않는 범위 내로 로봇의 목표 동작 특성을 제한할 수도 있을 것이다.
1: 직접 교시 로봇 시스템
10, 20, 30: 링크
40: 로봇 본체
11, 12: 관절부
100: 교시력 측정 센서
200: 인터페이스 장치
210: 핸들
300: 로봇 그리퍼
400: 작업 대상물
500: 작업대

Claims (11)

  1. 작업자가 로봇에 직접 가하는 교시력에 의해 동작하는 직접 교시 로봇 시스템으로서,
    상기 작업자가 파지하여 상기 교시력을 가할 수 있는 인터페이스 장치;
    상기 인터페이스 장치에 가해지는 상기 교시력을 측정하는 교시력 측정 센서;
    상기 교시력 측정 센서에서 측정된 상기 교시력을 운동 명령 정보로 하여 상기 로봇의 목표 동작 특성을 생성하는 동작 제어기; 및
    상기 목표 동작 특성을 추종하도록 상기 로봇을 동작시키는 엑츄에이터를 포함하고,
    상기 동작 제어기는 상기 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하지 않는 범위 내로 상기 목표 동작 특성을 제한하는 것을 특징으로 하는 직접 교시 로봇 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동작 제어기는,
    상기 교시력과 등가이고, 기계적 어드미턴스 인자와 로봇의 목표 동작 특성의 역학 관계로 표현되는 역학적 힘을 정의하고,
    상기 기계적 어드미턴스 인자값이 조절되어 작업자가 원하는 로봇의 목표 동작 특성을 생성하는 기계적 어드미턴스 제어기인 것을 특징으로 하는 직접 교시 로봇 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 동작 제어기는 상기 기계적 어드미턴스 인자의 한계값을 결정하여 상기 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하지 않는 범위 내로 로봇의 목표 동작 특성을 제한하는 것을 특징으로 하는 직접 교시 로봇 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 로봇의 목표 동작 특성은 상기 로봇의 가속도 및 속도에 대한 거동 특성이고,
    상기 기계적 어드미턴스 인자는 상기 로봇의 가속도에 영향을 미치는 관성 인자 및 상기 로봇의 속도에 영향을 미치는 댐핑 인자인 것을 특징으로 하는 직접 교시 로봇 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 관성 인자의 한계값은,
    상기 로봇의 최대 가속도와 상기 작업자의 최대 교시력에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 직접 교시 로봇 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 로봇은 복수의 링크로 구성되고,
    상기 로봇의 말단에는 작업 대상물을 파지할 수 있는 로봇 그리퍼가 구비되며,
    상기 관성 인자의 한계값은,
    상기 복수의 링크 각각의 질량, 상기 로봇 그리퍼에 파지되는 작업 대상물의 질량, 상기 작업자의 최대 교시력 및 상기 로봇이 취급할 수 있는 작업 대상물의 최대 하중에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 직접 교시 로봇 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 댐핑 인자의 한계값은,
    상기 복수의 링크 각각의 질량, 상기 로봇 그리퍼에 파지되는 작업 대상물의 질량, 상기 작업자의 최대 교시력, 상기 로봇이 취급할 수 있는 작업 대상물의 최대 하중, 상기 로봇의 끝단의 최대 속도 및 상기 관성 인자의 한계값에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 직접 교시 로봇 시스템.
  8. 작업자가 로봇에 직접 가하는 교시력에 의해 동작하는 직접 교시 로봇 시스템의 동작을 제어하는 직접 교시 로봇 동작 제어 방법으로서,
    상기 작업자에 의해 인터페이스 장치에 상기 교시력이 가해지는 단계;
    교시력 측정 센서에 의해 상기 인터페이스 장치에 가해지는 상기 교시력을 측정하는 단계;
    동작 제어기에 의해 상기 교시력 측정 센서에서 측정된 상기 교시력을 운동 명령 정보로 한 상기 로봇의 목표 동작 특성이 생성되는 단계;
    상기 동작 제어기에 의해 생성된 상기 로봇의 목표 동작 특성이 상기 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하지 않는 범위 내인지 여부를 판정하는 단계;
    상기 로봇의 목표 동작 특성이 상기 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하지 않는 범위 내인 경우, 엑츄에이터를 동작시켜 상기 목표 동작 특성을 추종하도록 상기 로봇을 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 교시 로봇 동작 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 동작 제어기는,
    상기 교시력과 등가이고, 기계적 어드미턴스 인자와 상기 로봇의 목표 동작 특성의 역학 관계로 표현되는 역학적 힘을 정의하고, 상기 기계적 어드미턴스 인자값을 조절함으로써 작업자가 원하는 로봇의 목표 동작 특성을 생성하는 기계적 어드미턴스 제어기이며,
    상기 기계적 어드미턴스 인자의 한계값을 결정하여 상기 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하지 않는 범위 내로 상기 목표 동작 특성을 제한하는 것을 특징으로 하는 직접 교시 로봇 동작 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기계적 어드미턴스 인자값은 상기 작업자에 의해 입력 및 조절되는 것을 특징으로 하는 직접 교시 로봇 동작 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 작업자에 의해 입력된 기계적 어드미턴스 인자값에 따라 생성된 로봇의 목표 동작 특성이 상기 엑츄에이터의 포화 특성이 발생하는 범위 내에 있는 것으로 판정되면,
    상기 동작 제어기는 상기 기계적 어드미턴스 인자값의 한계값에 따라 상기 로봇의 목표 동작 특성을 생성하여 상기 로봇을 동작시키는 것을 특징으로 하는 직접 교시 로봇 동작 제어 방법.
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