KR20180136597A - 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈 및 그 구동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 모터의 회전축에 설치된 멀티턴 절대엔코더의 출력값과 출력단의 회전축에 설치된 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 보정하여 탄성체의 변위에 따른 외부 부하의 토크를 추정하며, 이를 통해 구동 모듈의 제조 비용을 절감하고 토크 추정의 정확성을 개선한다.

Description

토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈 및 그 구동 방법 {Serial elastic drive module capable of torque control and driving method thereof}

본 발명은 구동 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄성체의 변위에 따라 외부 부하의 토크를 추정하는 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈 및 그 구동 방법에 관한 것이다.

모터(motor)는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜서 회전력을 얻는 장치로 각종 기계 장치나 로봇의 구동에 이용되며, 매니퓰레이터(manipulator)와 같이 작업용 팔을 가진 로봇의 경우 모터를 이용한 구동 모듈을 이용해 각종 운동이 가능하다.

이러한 로봇 매니퓰레이터는 안전 사고를 방지하고 사용자와의 다양한 협동 기능을 수행하기 위하여 운동을 위한 관절에 스프링을 장착하여 유연한 운동을 수행할 것이 요구된다.

이때 로봇의 구동 모듈에 장착된 스프링의 변위를 측정하면 구동 모듈에 가해진 부하 토크를 추정할 수 있으며, 이를 이용하여 로봇 매니퓰레이터의 다양한 토크 제어나 힘 제어가 가능해진다.

그런데 구동 모듈에 장착된 스프링의 변위를 측정하기 위해서는 정밀한 절대 위치센서가 필요하고, 정밀한 절대 위치센서는 가격이 비싸 구동 모듈의 제조 비용이 증가하는 문제가 있다.

등록특허공보 제10-1618322호 (2016.05.09.공고)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 저가의 마그네틱 멀티턴 절대엔코더와 싱글턴 절대엔코더를 이용하여 구동 모듈에 구비된 탄성체의 변위를 측정하되, 멀티턴 절대엔코더와 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 보정하여 정밀한 제어를 할 수 있는 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈 및 그 구동 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈은, 모터의 회전축에 설치되어 상기 회전축의 회전에 따른 절대 위치값과 회전수를 카운트한 값을 출력하는 멀티턴 절대엔코더, 출력단의 상기 회전축에 설치되어 상기 회전축의 회전에 따른 절대 위치값을 출력하는 싱글턴 절대엔코더, 외력에 의해 변형되는 탄성체, 및 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값과 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 이용해 상기 탄성체의 변위를 측정하여 외부 부하의 토크를 추정하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈에 있어서, 상기 제어부는, 상기 회전축에 결합되는 광학식 상대엔코더의 출력값을 기준으로 상기 회전축을 일정 각도로 회전시켜 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 측정하고, 측정된 출력값에 따라 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 보정하기 위한 보정값을 계산하여 저장하며, 저장된 보정값을 이용해 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 보정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈에 있어서, 상기 제어부는, 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 기준으로 상기 회전축을 일정 각도로 회전시켜 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 측정하고, 측정된 출력값에 따라 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 보정하기 위한 보정값을 계산하여 저장하며, 저장된 보정값을 이용해 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 보정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈에 있어서, 상기 모터의 회전축에 결합된 감속기, 상기 감속기에서 발생하는 힘과 외력을 지지하는 크로스 롤러 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈의 구동 방법은, 모터의 회전축에 설치된 멀티턴 절대엔코더가 상기 회전축의 회전에 따른 절대 위치값과 회전수를 카운트한 값을 출력하는 단계, 상기 회전축의 출력단에 설치된 싱글턴 절대엔코더가 상기 회전축의 회전에 따른 절대 위치값을 출력하는 단계, 및 제어부가 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값과 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 이용해 외력에 의해 변형되는 탄성체의 변위를 측정하여 외부 부하의 토크를 추정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈의 구동 방법에 있어서, 상기 제어부가, 상기 회전축에 결합되는 광학식 상대엔코더의 출력값을 기준으로 상기 회전축을 일정 각도로 회전시켜 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 측정하는 단계, 상기 제어부가, 측정된 출력값에 따라 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 보정하기 위한 보정값을 계산하여 저장하는 단계, 상기 제어부가, 저장된 보정값을 이용하여 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈의 구동 방법에 있어서, 상기 제어부가, 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 기준으로 상기 회전축을 일정 각도로 회전시켜 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 측정하는 단계, 상기 제어부가, 측정된 출력값에 따라 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 보정하기 위한 보정값을 계산하여 저장하는 단계, 상기 제어부가, 저장된 보정값을 이용해 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 상기한 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈의 구동 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록매체를 제공한다.

본 발명의 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈 및 그 구동 방법에 따르면, 저가의 마그네틱 멀티턴 절대엔코더와 싱글턴 절대엔코더 적용하여 외부 토크를 추정할 수 있어 구동 모듈의 제조 비용이 절감되고, 멀티턴 절대엔코더의 출력값과 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 보정하여 정밀도를 개선할 수 있어 직렬 탄성 구동 모듈의 토크 추정 성능이 향상된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 탄성 구동 모듈의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 직렬 탄성 구동 모듈에 광학식 상대엔코더가 결합된 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티턴 절대엔코더의 오차를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티턴 절대엔코더의 오차를 보정한 값을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 탄성 구동 모듈의 구동 방법에 대한 과정을 나타낸 도면이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 모터를 이용한 구동 모듈과 관련한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 탄성 구동 모듈의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 직렬 탄성 구동 모듈에 광학식 상대엔코더가 결합된 모습을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티턴 절대엔코더의 오차를 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티턴 절대엔코더의 오차를 보정한 값을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면 본 실시예의 직렬 탄성 구동 모듈(10)은 모터(1), 회전축(2), 멀티턴 절대엔코더(3), 싱글턴 절대엔코더(4), 감속기(5), 탄성체(6), 크로스 롤러 베어링(7), 볼 베어링(8), 광학식 상대엔코더(9), 제어부(미도시)를 포함하여 구성된다.

모터(1)는 전력을 이용해 회전축(2)에 회전력을 발생시키는 역할을 하며 BLDC(BrushLess DC) 모터의 일종으로 고정자와 회전자를 포함한다.

회전축(2)은 모터(1)의 회전력에 따라 회전하여 외부로 회전 구동력을 전달하는 역할을 하며 내부에 빈 공간이 형성된 중공축의 형태를 가진다.

멀티턴 절대엔코더(multi-turn absolute encoder)(3)는 모터(1)의 회전축(2)에 설치되고, 회전축(2)의 회전에 따라 1회전에 대해 분할된 절대 위치값과 출력 회전수를 카운트한 값을 출력한다. 멀티턴 절대엔코더(3)는 마그네틱을 이용한 저가의 절대엔코더의 일종이다.

싱글턴 절대엔코더(single-turn absolute encoder)(4)는 구동 모듈(10)의 출력단 측에 위치한 모터(1)의 회전축(2)에 설치되고, 회전축(2)의 회전에 따라 1회전에 대해 분할된 절대 위치값을 출력한다.

감속기(5)는 모터(1)의 회전축(2)이 회전하면 회전비를 일정 비율로 변경하여 감속하는 역할을 한다. 감속기(5)는 모터(1)의 회전축(2)에 고정되어 위치한다.

탄성체(6)는 외력에 의해 변형되고 탄성에 의해 복원되는 역할을 한다. 탄성체(6)는 구동 모듈(10)에 외부 부하에 따른 토크가 가해짐에 따라 변형되어 유연한 운동을 하도록 지원한다.

크로스 롤러 베어링(7)은 감속기(5)의 운동에 따른 힘과 외력에 따라 회전 운동하여 지지하는 역할을 한다. 크로스 롤러 베어링(7)은 원통형의 롤러가 리테이너(retainer) 사이에 상호 직교 배열된 형태를 가져 래디얼(radial) 하중과 축방향 하중, 모멘트 하중 등 모든 방향의 하중을 지지할 수 있다.

볼 베어링(8)은 모터(1)의 회전축(2)이 회전함에 따라 회전 운동하여 지지하는 역할을 한다.

광학식 상대엔코더(9)는 광학식으로 회전축(2)의 회전 위치에 대한 신호를 출력할 수 있으며, 회전축(2)의 회전에 따라 광을 통과시키는 슬롯이 형성된 엔코더 필름과 이를 광을 검출하는 엔코더 리시버를 포함하여 이루어진다.

제어부(미도시)는 구동 모듈 내에 위치하고 멀티턴 절대엔코더(3)와 싱글턴 절대엔코더(4)의 출력값을 비교하여 탄성체(6)의 변위를 측정하고, 탄성체(6)의 변위에 따라 외부 부하의 토크를 추정하는 역할을 하며, 이를 위한 연산 유닛, 메모리, 프로그램 저장소 등을 포함한다.

제어부에서 추정한 외부 부하의 토크는 구동 모듈의 제어를 위한 정보로 활용되는데, 제어부는 구동 모듈의 토크 추정 성능을 개선하기 위하여 멀티턴 절대엔코더(3)와 싱글턴 절대엔코더(4)의 출력값을 보정한다. 이때 제어부는 멀티턴 절대엔코더(3)의 보정값을 먼저 계산하고, 보정된 멀티턴 절대엔코더(3)의 출력값을 이용해 싱글턴 절대엔코더(4)의 보정값을 계산한다.

먼저 멀티턴 절대엔코더(3)의 출력값을 보정하기 위해, 제어부는 도 2에 도시된 바와 같이 모터(1)의 회전축(2)에 광학식 상대엔코더(9)가 결합되면, 광학식 상대엔코더(9)의 출력값을 기준으로 회전축(2)이 일정 각도(예를 들어 1도)로 회전하도록 제어하고, 이에 대응하는 멀티턴 절대엔코더(3)의 출력값을 측정한다.

이때 측정된 멀티턴 절대엔코더(3)의 오차는 도 3에 도시된 바와 같이 사인파 형태로 균일하게 나타난다.

그리고 제어부는 멀티턴 절대엔코더(3)의 출력값을 이용해, 해당 출력값을 보정하기 위한 보정값을 계산하여 메모리에 저장한다.

이후 제어부는 멀티턴 절대엔코더(3)의 출력값을 기 저장된 보정값을 이용해 보정하는데, 도 4에 도시된 바와 같이 오차가 줄어들게 된다.

멀티턴 절대엔코더(3)의 보정값 계산과 저장 과정이 종료된 후 모터(1)의 회전축(2)으로부터 광학식 상대엔코더(9)가 분리된 상태로 싱글턴 절대엔코더(4)를 포함한 구동 모듈(10)의 조립을 완료되면, 제어부는 보정된 멀티턴 절대엔코더(3)의 출력값을 이용해 싱글턴 절대엔코더(4)의 보정값을 계산하여 저장한다.

이 경우 제어부는 멀티턴 절대엔코더(3)의 출력값을 기준으로 모터(1)의 회전축(2)을 일정 각도로 회전시켜 싱글턴 절대엔코더(4)의 출력값을 측정하고, 측정된 출력값에 따라 싱글턴 절대엔코더(4)의 출력값을 보정하기 위한 보정값을 계산하여 메모리에 저장한다.

이후 제어부는 싱글턴 절대엔코더(4)의 출력값을 기 저장된 보정값을 이용해 보정한다.

제어부는 이렇게 계산한 보정값을 이용해 멀티턴 절대엔코더(3)의 출력값과 싱글턴 절대엔코더(4)의 출력값을 보정하고, 보정된 출력값을 이용해 탄성체(6)의 변위에 따른 외부 부하의 토크를 추정함으로써 정확성을 개선한다.

이러한 직렬 탄성 구동 모듈을 구동하는 방법에 대해서는 도 5를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 탄성 구동 모듈의 구동 방법에 대한 과정을 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 구동 모듈에 포함된 모터의 회전축에 광학식 상대엔코더가 결합되면(S1), 구동 모듈의 제어부가 광학식 상대엔코더의 출력값을 기준으로 해당 회전축을 일정 각도(예를 들어 1도)로 회전시켜 모터의 회전축에 설치된 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 측정한다(S2).

그리고 구동 모듈의 제어부는 단계(S2)에서 측정된 멀티턴 절대엔코더의 출력값에 따라, 해당 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 보정하기 위한 보정값을 계산하여 메모리에 저장한다(S3).

이후 모터의 회전축에서 광학식 상대엔코더가 분리된 상태로 싱글턴 절대엔코더를 포함한 구동 모듈의 조립이 이루어지면(S4), 구동 모듈의 제어부는 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 기준으로 모터의 회전축을 일정 각도(예를 들어 1도)로 회전시켜 해당 회전축의 출력단에 설치된 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 측정한다(S5).

그리고 구동 모듈의 제어부는 단계(S5)에서 측정된 싱글턴 절대엔코더의 출력값에 따라, 해당 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 보정하기 위한 보정값을 계산하여 메모리에 저장한다(S6).

이후 모터의 회전축이 회전함에 따라 멀티턴 절대엔코더의 출력값이 출력되고(S7) 싱글턴 절대엔코더의 출력값이 출력되면(S8), 구동모듈의 제어부는 단계(S7)에서 출력된 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 단계(S3)에서 저장한 보정값을 이용해 보정하고 단계(S8)에서 출력된 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 단계(S6)에서 저장한 보정값을 이용해 보정한다(S9).

그리고 구동 모듈의 제어부는 단계(S9)에서 보정된 멀티턴 절대엔코더의 출력값과 보정된 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 이용해 탄성체의 변위를 측정하여(S10) 외부 부하의 토크를 추정한다(S11).

본 발명의 실시예에 따른 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈의 구동 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 판독 가능한 프로그램 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다. 또한, 본 명세서와 도면에서 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

1: 모터
2: 회전축
3: 멀티턴 절대엔코더
4: 싱글턴 절대엔코더
5: 감속기
6: 탄성체
7: 크로스 롤러 베어링
8: 볼 베어링
9: 광학식 상대엔코더
10: 구동 모듈

Claims (8)

1. 모터의 회전축에 설치되어 상기 회전축의 회전에 따른 절대 위치값과 회전수를 카운트한 값을 출력하는 멀티턴 절대엔코더;
   출력단의 상기 회전축에 설치되어 상기 회전축의 회전에 따른 절대 위치값을 출력하는 싱글턴 절대엔코더;
   외력에 의해 변형되는 탄성체; 및
   상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값과 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 이용해 상기 탄성체의 변위를 측정하여 외부 부하의 토크를 추정하는 제어부;
   를 포함하는 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 회전축에 결합되는 광학식 상대엔코더의 출력값을 기준으로 상기 회전축을 일정 각도로 회전시켜 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 측정하고, 측정된 출력값에 따라 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 보정하기 위한 보정값을 계산하여 저장하며, 저장된 보정값을 이용해 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 보정하는 것을 특징으로 하는 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 기준으로 상기 회전축을 일정 각도로 회전시켜 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 측정하고, 측정된 출력값에 따라 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 보정하기 위한 보정값을 계산하여 저장하며, 저장된 보정값을 이용해 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 보정하는 것을 특징으로 하는 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 모터의 회전축에 결합된 감속기;
   상기 감속기에서 발생하는 힘과 외력을 지지하는 크로스 롤러 베어링;
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈.
5. 모터의 회전축에 설치된 멀티턴 절대엔코더가 상기 회전축의 회전에 따른 절대 위치값과 회전수를 카운트한 값을 출력하는 단계;
   상기 회전축의 출력단에 설치된 싱글턴 절대엔코더가 상기 회전축의 회전에 따른 절대 위치값을 출력하는 단계;
   제어부가 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값과 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 이용해 외력에 의해 변형되는 탄성체의 변위를 측정하여 외부 부하의 토크를 추정하는 단계;
   를 포함하는 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈의 구동 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제어부가, 상기 회전축에 결합되는 광학식 상대엔코더의 출력값을 기준으로 상기 회전축을 일정 각도로 회전시켜 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 측정하는 단계;
   상기 제어부가, 측정된 출력값에 따라 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 보정하기 위한 보정값을 계산하여 저장하는 단계;
   상기 제어부가, 저장된 보정값을 이용하여 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 보정하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈의 구동 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제어부가, 상기 멀티턴 절대엔코더의 출력값을 기준으로 상기 회전축을 일정 각도로 회전시켜 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 측정하는 단계;
   상기 제어부가, 측정된 출력값에 따라 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 보정하기 위한 보정값을 계산하여 저장하는 단계;
   상기 제어부가, 저장된 보정값을 이용해 상기 싱글턴 절대엔코더의 출력값을 보정하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈의 구동 방법.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 토크 제어가 가능한 직렬 탄성 구동 모듈의 구동 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록매체.

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