KR20130067369A - 구동계의 구동특성 추출장치 - Google Patents

구동계의 구동특성 추출장치 Download PDF

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Abstract

구동축으로 회전력을 제공하는 구동부; 상기 구동부의 구동축에 결합/분리되며 결합시에는 회전될 수 없도록 설치되는 힘-토크센서부; 상기 구동부의 구동축에 결합/분리되는 로드(Load)부; 및 상기 구동부에 구동에너지를 제공하며, 구동부와 힘-토크센서의 결합시에는 입력된 구동에너지와 힘-토크센서부로부터 구동축의 회전력에 의해 측정된 측정토크의 관계를 통해 구동부상수를 도출하고, 구동부와 로드부의 결합시에는 도출된 구동부상수, 입력된 구동에너지, 로드의 관성모멘트, 회전력에 의한 로드의 각가속도를 이용하여 마찰토크를 산출하며, 산출된 마찰토크로부터 마찰계수를 도출하는 제어부;를 포함하는 구동계의 구동특성 추출장치가 소개된다.

Description

구동계의 구동특성 추출장치 {APPARATUS FOR EXTRACTING DRIVE CHARACTERISTIC OF DRIVE PART}
본 발명은 전기모터와 감속기 등으로 구성된 기계시스템에 있어서, 효과적인 실험을 위한 동 특성 파라미터 추출용 장치 및 실험데이터를 통한 파라미터 추정에 방법에 대한 구동계의 구동특성 추출장치에 관한 것이다.
산업용 기기나 차량 및 로봇 등의 경우 점차 그 구동원이 다양해지고 있다. 또한, 종래의 내연기관이나 유압에 의한 구동력을 모터 등의 전기적인 구동원으로 대체하는 추세에 있다.
그러나 이러한 각종의 구동원의 자체 손실저항과 그에 따른 마찰효과 등이 정확히 계산하기 어려워 시스템을 대체하거나 새로이 개발하는데 어려움이 있는 것이 현실이다.
특히, 로봇의 경우 각각의 관절에 설치되는 구동원으로서의 모터의 특성이 정확히 파악되지 않을 경우 아무리 우수한 제어로직을 적용한다 하더라도 실제 구동에 있어 예측하지 못하는 변수들이 많이 발생되는바, 이러한 구동계의 구동특성을 간단한 방법으로 빠르게 미리 측정하고 파악할 수 있는 기술이 절실히 요구된다.
그러나 종래에는 이러한 구동계 특히, 모터와 감속기로 이루어진 구동계에서의 모터상수와 쿨롱마찰계수 및 점성마찰계수 등의 구동특성을 정확하고 빠르게 측정할 수 있는 방법이 제시되고 있지 않는바, 이러한 방법을 제시하고자 한다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전기모터와 감속기 등으로 구성된 기계시스템에 있어서, 로봇 관절 구동의 최적화를 위해서는 모터 토크상수와 조인트 마찰력에 의한 마찰계수 등의 동 특성 파라미터의 파악이 요구 되어지는바, 그에 따라 효과적인 실험을 위한 동 특성 파라미터 추출용 장치 및 실험데이터를 통한 파라미터 추정에 대한 방법 등을 다루는 구동계의 구동특성 추출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 구동계의 구동특성 추출장치는, 구동축으로 회전력을 제공하는 구동부; 상기 구동부의 구동축에 결합/분리되며 결합시에는 회전될 수 없도록 설치되는 힘-토크센서부; 상기 구동부의 구동축에 결합/분리되는 로드(Load)부; 및 상기 구동부에 제공되는 구동에너지를 제어하며, 구동부와 힘-토크센서의 결합시에는 입력된 구동에너지와 힘-토크센서부로부터 구동축의 회전력에 의해 측정된 측정토크의 관계를 통해 구동부상수를 도출하고, 구동부와 로드부의 결합시에는 도출된 구동부상수, 입력된 구동에너지, 로드의 관성모멘트, 회전력에 의한 로드의 각가속도를 이용하여 마찰토크를 산출하며, 산출된 마찰토크로부터 마찰계수를 도출하는 제어부;를 포함한다.
상기 구동부는 모터와 감속기이고, 구동에너지는 모터에 인가되는 전류값으로 대입되며, 구동부상수는 모터상수값으로 대입될 수 있다.
상기 제어부의 구동부상수 도출시에는 구동축에 힘-토크센서부가 회전될 수 없도록 결합되고, 제어부의 마찰계수 도출시에는 구동축에 로드가 구동축과 함께 회전될 수 있도록 결합될 수 있다.
상기 마찰계수는 쿨롱마찰계수와 점성마찰계수로 구성될 수 있다.
상기 제어부는 입력된 구동에너지와 그에 따른 측정토크의 데이터로부터 최소자승법을 통해 기울기를 구하여 구동부상수를 도출할 수 있다.
상기 구동부는 모터와 감속기이고, 구동에너지는 모터에 인가되는 전류값으로 대입되며, 구동부상수는 모터상수값으로 대입되고, 상기 제어부는 입력된 전류값과 그에 따른 측정토크의 데이터로부터 최소자승법을 통해 기울기를 구하여 모터상수를 도출할 수 있다.
상기 제어부는 도출된 구동부상수, 입력된 구동에너지를 통해 구동토크를 산출하고, 구동토크와 로드의 관성모멘트 및 회전력에 의한 로드의 각가속도를 이용하여 마찰토크를 산출할 수 있다.
상기 구동부는 모터와 감속기이고, 구동에너지는 모터에 인가되는 전류값으로 대입되며, 구동부상수는 모터상수값으로 대입되고, 마찰계수는 쿨롱마찰계수와 점성마찰계수로 구성되며, 상기 제어부는 하기의 식을 통해 마찰계수를 도출할 수 있다.
Figure pat00001
(여기서, τf는 마찰토크, km은 구동부의 모터상수, I는 로드부의 관성모멘트, ω는 로드부의 각속도, α는 쿨롱마찰계수, β는 점성마찰계수 임)
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 구동계의 구동특성 추출장치에 따르면, 전기모터와 감속기 등으로 구성된 기계시스템에 대하여, 모터의 인가 전류대비 출력 토크를 결정하는 모터 토크상수를 실험적으로 구할 수 있으며, 다양한 모터-기어 조합에 따른 사이즈 및 크기에 대응이 용이한 구조이므로 로봇 구성품만이 아닌 모터 시스템의 파라미터 최적화를 위한 어뎁터 지그로서 활용이 가능하다.
또한, 이를 통해 조인트 마찰력에 의한 쿨롱 마찰계수 및 점성 마찰계수를 추출하여 조인트의 마찰 토크 보상 등의 관절 구동의 최적화에 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동계의 구동특성 추출장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동계의 구동특성 추출장치의 구동부상수를 도출하는 과정을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동계의 구동특성 추출장치의 마찰계수를 도출하는 과정을 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 구동계의 구동특성 추출장치에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동계의 구동특성 추출장치의 구성도로서, 본 발명의 구동계의 구동특성 추출장치는, 구동축으로 회전력을 제공하는 구동부(100); 상기 구동부의 구동축에 결합/분리되며 결합시에는 회전될 수 없도록 설치되는 힘-토크센서부(200); 상기 구동부의 구동축에 결합/분리되는 로드(Load)부; 및 상기 구동부에 제공되는 구동에너지를 제어하며, 구동부와 힘-토크센서의 결합시에는 입력된 구동에너지와 힘-토크센서부로부터 구동축의 회전력에 의해 측정된 측정토크의 관계를 통해 구동부상수를 도출하고, 구동부와 로드부의 결합시에는 도출된 구동부상수, 입력된 구동에너지, 로드의 관성모멘트, 회전력에 의한 로드의 각가속도를 이용하여 마찰토크를 산출하며, 산출된 마찰토크로부터 마찰계수를 도출하는 제어부(도면 미도시);를 포함한다.
본 발명은 먼저 힘-토크센서부를 설치/분리 가능한 베이스에 고정하여 회전할 수 없도록 결합한 후, 제어부에서 구동에너지를 인가하며 센서부에서 측정된 데이터의 관계를 계산하여 구동부상수를 도출한다. 그리고 나서 힘-토크센서부를 분리하고 로드부를 구동축에 대신 연결한다. 여기서, 로드부는 회전이 가능하도록 연결된다. 그리고 다시 제어부는 구동에너지를 인가하며 측정된 데이터의 관계를 계산하여 마찰계수를 도출한다. 따라서, 이러한 장치를 이용하여 최종적으로는 구동부 자체의 구동효율인 구동부상수와 마찰계수를 얻게 된다. 그리고, 이러한 결과물들은 다양한 기계적 설계에 사용될 수 있으며, 특히, 로봇 등의 조인트의 마찰 토크 보상 등의 관절 구동의 최적화에 사용할 수 있는 것이다.
한편, 상기 구동부(100)는 모터와 감속기이고, 구동에너지는 모터에 인가되는 전류값으로 대입되며, 구동부상수는 모터상수값으로 대입될 수 있다. 즉, 구동부의 경우 모터와 감속기로 구성되고(각속도의 측정을 위해 엔코더 역시 포함될 수 있음), 그에 인가되는 구동에너지로는 전류값을 대표값으로 대입이 가능하다. 물론, 여러 다양한 구동계가 사용되는 것도 가능하다. 이하의 실시예에서는 이러한 모터와 감속기의 경우를 살펴본다.
구체적으로, 상기 제어부의 구동부상수 도출시에는 구동축에 힘-토크센서부(200)가 회전될 수 없도록 결합된다. 그리고, 상기 제어부는 입력된 구동에너지와 그에 따른 측정토크의 데이터로부터 최소자승법을 통해 기울기를 구하여 구동부상수를 도출한다. 즉, 상기 구동부(100)는 모터와 감속기이고, 구동에너지는 모터에 인가되는 전류값으로 대입되며, 구동부상수는 모터상수값으로 대입되고, 상기 제어부는 입력된 전류값과 그에 따른 측정토크의 데이터로부터 최소자승법을 통해 기울기를 구하여 모터상수를 도출하는 것이다.
구체적으로, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동계의 구동특성 추출장치의 구동부상수를 도출하는 과정을 나타낸 그래프로서, 이를 살펴보면, X축은 인가된 전류값이고, Y축은 그에 따라 힘-토크센서부에서 측정된 측정토크를 나타낸다. 그리고, 이를 통하여 이산적인 데이터들을 얻는 것이고, 그들의 관계를 최소자승법 등을 통하여 선형적으로 나타낸 경우 모터상수 즉, 모터의 효율성을 나타내는 토크상수를 얻을 수 있는 것이다.
한편, 상기 제어부의 마찰계수 도출시에는 구동축에 로드가 구동축과 함께 회전될 수 있도록 결합되고, 상기 마찰계수는 쿨롱마찰계수와 점성마찰계수로 구성되는 경우로 나타낼 수 있다.
이에 따라 상기 제어부는 도출된 구동부상수, 입력된 구동에너지를 통해 구동토크를 산출하고, 구동토크와 로드의 관성모멘트 및 회전력에 의한 로드의 각가속도를 이용하여 마찰토크를 산출하도록 한다.
구체적으로, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동계의 구동특성 추출장치의 마찰계수를 도출하는 과정을 나타낸 그래프로서, 상기 구동부(100)는 모터와 감속기이고, 구동에너지는 모터에 인가되는 전류값으로 대입되며, 구동부상수는 모터상수값으로 대입되고, 마찰계수는 쿨롱마찰계수와 점성마찰계수로 구성되며, 상기 제어부는 하기의 식을 통해 마찰계수를 도출한다.
Figure pat00002
(여기서, τf는 마찰토크, km은 구동부의 모터상수, I는 로드부의 관성모멘트, ω는 로드부의 각속도, α는 쿨롱마찰계수, β는 점성마찰계수 임)
상기와 같이, 힘-토크센서부를 통하여 먼저 모터의 모터상수를 구한다. 그리고, 이상적으로는
Figure pat00003
(τa는 모터의 구동토크)와 같이 모터의 구동토크가 모두 로드에 전달될 것이나, 로드의 결합에 따라 모터에는 마찰력이 존재하게 된다.
그리고, 그 마찰력을 감안하면
Figure pat00004
와 같이 표현된다. 또한, 앞서 살핀 바와 같이 제어부의 제어에 따라 구동부에 전달되는 전류와 모터 자체의 모터상수를 고려하면,
Figure pat00005
및
Figure pat00006
와 같이 표현되는 것이다.
이러한 관계를 통하여 각속도에 따른 마찰토크를 구해보면 도 3과 같은 그래프를 얻을 수 있고, 여기서 기울기가 매우 급격하게 가파른 부분은 쿨롱마찰에 의한 결과가 강하게 나타나는 부분이고 기울기가 완만하게 나타나는 부분은 점성마찰에 의한 결과가 강하게 나타나는 부분이다.
따라서, 이러한 측정결과를 선형적으로 나타내면 도 3과 같이 나타나는 것이고, 그 결과를
Figure pat00007
로 대입하여 α는 쿨롱마찰계수, β는 점성마찰계수로서 구할 수 있게 되는 것이다.
이와 같은 구조로 이루어진 본 발명의 구동계의 구동특성 추출장치에 따르면, 전기모터와 감속기 등으로 구성된 기계시스템에 대하여, 모터의 인가 전류대비 출력 토크를 결정하는 모터 토크상수를 실험적으로 구할 수 있으며, 다양한 모터-기어 조합에 따른 사이즈 및 크기에 대응이 용이한 구조이므로 로봇 구성품만이 아닌 모터 시스템의 파라미터 최적화를 위한 어뎁터 지그로서 활용이 가능하다.
또한, 이를 통해 조인트 마찰력에 의한 쿨롱 마찰계수 및 점성 마찰계수를 추출하여 조인트의 마찰 토크 보상 등의 관절 구동의 최적화에 사용할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 구동부 200 : 힘-토크센서부
300 : 베이스

Claims (8)

  1. 구동축으로 회전력을 제공하는 구동부(100);
    상기 구동부의 구동축에 결합/분리되며 결합시에는 회전될 수 없도록 설치되는 힘-토크센서부(200);
    상기 구동부의 구동축에 결합/분리되는 로드(Load)부; 및
    상기 구동부에 제공되는 구동에너지를 제어하며, 구동부와 힘-토크센서의 결합시에는 입력된 구동에너지와 힘-토크센서부로부터 구동축의 회전력에 의해 측정된 측정토크의 관계를 통해 구동부상수를 도출하고, 구동부와 로드부의 결합시에는 도출된 구동부상수, 입력된 구동에너지, 로드의 관성모멘트, 회전력에 의한 로드의 각가속도를 이용하여 마찰토크를 산출하며, 산출된 마찰토크로부터 마찰계수를 도출하는 제어부;를 포함하는 구동계의 구동특성 추출장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동부(100)는 모터와 감속기이고, 구동에너지는 모터에 인가되는 전류값으로 대입되며, 구동부상수는 모터상수값으로 대입되는 것을 특징으로 하는 구동계의 구동특성 추출장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부의 구동부상수 도출시에는 구동축에 힘-토크센서부(200)가 회전될 수 없도록 결합되고, 제어부의 마찰계수 도출시에는 구동축에 로드가 구동축과 함께 회전될 수 있도록 결합된 것을 특징으로 하는 구동계의 구동특성 추출장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 마찰계수는 쿨롱마찰계수와 점성마찰계수로 구성된 것을 특징으로 하는 구동계의 구동특성 추출장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 입력된 구동에너지와 그에 따른 측정토크의 데이터로부터 최소자승법을 통해 기울기를 구하여 구동부상수를 도출하는 것을 특징으로 하는 구동계의 구동특성 추출장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동부(100)는 모터와 감속기이고, 구동에너지는 모터에 인가되는 전류값으로 대입되며, 구동부상수는 모터상수값으로 대입되고, 상기 제어부는 입력된 전류값과 그에 따른 측정토크의 데이터로부터 최소자승법을 통해 기울기를 구하여 모터상수를 도출하는 것을 특징으로 하는 구동계의 구동특성 추출장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 도출된 구동부상수, 입력된 구동에너지를 통해 구동토크를 산출하고, 구동토크와 로드의 관성모멘트 및 회전력에 의한 로드의 각가속도를 이용하여 마찰토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 구동계의 구동특성 추출장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동부(100)는 모터와 감속기이고, 구동에너지는 모터에 인가되는 전류값으로 대입되며, 구동부상수는 모터상수값으로 대입되고, 마찰계수는 쿨롱마찰계수와 점성마찰계수로 구성되며, 상기 제어부는 하기의 식을 통해 마찰계수를 도출하는 것을 특징으로 하는 구동계의 구동특성 추출장치.
    Figure pat00008

    (여기서, τf는 마찰토크, km은 구동부의 모터상수, I는 로드부의 관성모멘트, ω는 로드부의 각속도, α는 쿨롱마찰계수, β는 점성마찰계수 임)
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KR101451783B1 (ko) * 2013-09-12 2014-10-16 국방과학연구소 칼만 필터를 이용한 구동장치의 마찰특성 추정 장치 및 그 방법

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