KR20190079322A - 로봇 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

로봇 제어 시스템은 로봇의 이동 중 충돌을 감지하는 충돌 감지기와, 충돌 감지기에 의해 충돌이 감지되면 액추에이터가 발생하는 힘을 일정하게 유지하는 힘 유지 모드를 선택하여 액추에이터를 제어하는 구동 제어기와, 충돌 시 로봇에 가해진 충돌력과 충돌이 발생한 충돌위치를 나타내는 충돌위치 좌표정보와 힘 유지 모드로 전환된 상태에서 충돌력에 의해 로봇이 밀려서 이동한 밀린위치를 나타내는 밀린위치 좌표정보의 적어도 하나를 계산하는 위치 및 힘 계산기와, 위치 및 힘 계산기의 계산 결과에 기초하여 로봇의 이동 동작을 재시작하기 위한 재시작 위치를 계산하는 재시작 좌표 계산기를 포함한다.

Description

로봇 제어 시스템{Robot control system}
실시예들은 로봇 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충돌 사고에 효과적으로 대응할 수 있어서 안정성이 향상된 로봇 제어 시스템에 관한 것이다.
협동 로봇은 사람과 함께 동일한 작업 공간에서 작업을 수행할 목적으로 설계된 로봇이며, 이러한 협동 로봇의 제어 기술에서는 사람의 안전이 최우선 조건으로 고려되어야 한다.
로봇이 이동하는 중에 로봇이 외부 물체와 충돌하는 충돌 사고에 대응하기 위한 연구가 다양한 분야의 로봇에 대하여 진행되어 왔다. 협동 로봇의 경우 사람과 충돌할 상황을 고려해서 협동 로봇의 충돌 사고에 대한 대책이 더욱 안전하게 마련되어야 한다.
협동 로봇이 이동할 때에는 안전성을 확보하기 위해 로봇의 이동 속도를 상대적으로 느린 속도의 범위로 제한하지만 느린 속도로 이동하는 협동 로봇도 외부 물체와 충돌할 수 있다. 로봇의 충돌 사고가 발생했을 때 로봇이 충돌 사고에 자율적으로 안전하며 신속하게 대응할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
예를 들기 위한 목적으로 협동 로봇이 이동하는 중에 사람이나 물체와 충돌한 상황을 가정하였다. 만일, 이동하는 로봇이 충돌 사고 발생 후에도 이동 동작을 멈추지 않는다면 로봇이 벽이나 다른 장애물에 도달할 때까지 충돌한 대상을 계속 밀어 붙이면서 심각한 사고로 이어질 수 있다.
충돌이 발생했을 때 로봇의 이동 동작을 단순히 정지시키는 대응 방법을 고려할 수 있지만, 로봇의 이동 동작을 단순히 정지시키는 방법은 충돌 사고로 인한 로봇의 손상을 대비하기에는 충분하지 않다.
또한 충돌 사고가 발생했을 때 로봇의 이동 동작을 정지시킨 후에 로봇을 다시 가동시키려면 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 사람이 개입해야 하므로 번거로운 단점이 있다.
실시예들의 목적은 로봇의 이동 중 발생할 수 있는 충돌 사고에 효과적으로 대응할 수 있는 로봇 제어 시스템을 제공하는 데 있다.
실시예들의 다른 목적은 로봇의 충돌 사고 이후에 로봇의 재가동이 자율적이면서도 신속하고 안전하게 이루어질 수 있는 로봇 제어 시스템을 제공하는 데 있다.
일 실시예에 관한 로봇 제어 시스템은 액추에이터를 포함하는 로봇을 제어하는 로봇 제어 시스템이며, 로봇의 이동 중 로봇과 외부 물체의 충돌을 감지하는 충돌 감지기와, 복수 개의 구동모드들 중 하나를 선택하여 액추에이터를 제어하며 충돌 감지기에 의해 충돌이 감지되면 구동모드들 중에서 액추에이터가 발생하는 힘을 일정하게 유지하는 힘 유지 모드를 선택하여 액추에이터를 제어하는 구동 제어기와, 충돌 시 로봇에 가해진 충돌력과 충돌이 발생한 충돌위치를 나타내는 충돌위치 좌표정보와 힘 유지 모드로 전환된 상태에서 충돌력에 의해 로봇이 밀려서 이동한 밀린위치를 나타내는 밀린위치 좌표정보의 적어도 하나를 계산하는 위치 및 힘 계산기와, 위치 및 힘 계산기의 계산 결과에 기초하여 로봇의 이동 동작을 재시작하기 위한 재시작 위치를 계산하는 재시작 좌표 계산기를 포함한다.
액추에이터는 전기 신호에 의해 작동하는 모터를 포함할 수 있으며, 충돌 감지기는 모터의 전류의 변화를 감지함으로써 충돌을 감지할 수 있다.
충돌 감지기는 액추에이터에 전달되는 명령값과 명령값에 의해 액추에이터가 작동한 결과값을 비교함으로써 충돌을 감지할 수 있다.
액추에이터는 회전축과 회전축의 위치변화를 감지하는 엔코더를 포함하여 전기 신호에 의해 작동하는 모터를 포함할 수 있고, 충돌 감지기는 엔코더의 감지신호로부터 충돌을 감지할 수 있다.
구동 제어기가 사용하는 구동모드들은 속도를 제어하기 위한 속도 제어 모드, 위치를 제어하기 위한 위치 제어 모드, 힘을 제어하기 위한 힘 제어 모드, 및 힘 유지 모드 중 적어도 두 개의 모드를 포함할 수 있다.
로봇은 복수 개의 관절들 및 주행장치를 포함할 수 있고, 액추에이터는 관절들을 구동하는 관절 액추에이터와 주행장치를 구동하는 주행 액추에이터를 포함할 수 있으며, 충돌이 감지된 후 실행된 힘 유지 모드에서 액추에이터는 관절들과 주행장치를 현재의 위치로 유지하기 위한 유지 힘을 발생할 수 있고, 힘 유지 모드가 실행되는 동안 외부에서 로봇에 전달되는 외부 힘이 유지 힘보다 클 때에 외부 힘에 의해 관절들 및 주행장치의 위치가 변화하도록 액추에이터가 작동할 수 있다.
힘 유지 모드에서는 로봇이 외부 물체와 충돌하였을 때에 로봇에 작용하는 반작용력에 의해 로봇의 위치가 밀리도록 유지 힘의 크기가 설정될 수 있다.
로봇은 관절들의 최종 단부에 배치된 엔드 이펙터를 더 포함할 수 있고, 위치 및 힘 계산기는 관절들의 각도값과 관절들에 가해진 외부 토크값을 입력으로 사용하고 자코비안 행렬을 이용함으로써 로봇에 가해진 충돌력의 크기와 방향을 계산할 수 있다.
로봇 제어 시스템은 관절 액추에이터 및 주행 액추에이터의 현재 위치정보를 저장하는 저장소를 더 포함할 수 있고, 위치 및 힘 계산기는 현재 위치정보를 이용하여 충돌위치 좌표정보와 밀린위치 좌표정보를 계산할 수 있다.
로봇은 관절들의 최종 단부에 배치된 엔드 이펙터를 더 포함할 수 있고, 재시작 좌표 계산기는 충돌위치 좌표정보와 밀린위치 좌표정보로부터 충돌이 발생한 이후 로봇이 이동한 이동거리를 계산하고, 엔드 이펙터의 길이와 이동거리로부터 로봇의 재시작 위치를 계산할 수 있다.
재시작 좌표 계산기는 로봇의 미리 설정된 이동 경로 중에 로봇의 현재 위치로부터 재시작 위치까지의 거리보다 가까운 지점이 있는 경우 가까운 지점을 재시작 위치로 재설정할 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예들에 관한 로봇 제어 시스템에 의하면 충돌 사고가 발생하였을 때 로봇의 구동모드가 토크 유지 모드로 신속히 변경되어 로봇이 충돌에 의한 반작용력에 의해 밀린위치로 이동하므로 충돌로 인한 로봇 및 외부 물체의 손상을 최소화할 수 있다.
또한 충돌 사고 이후에는 로봇이 충돌위치와 밀린위치를 신속히 파악하여 재시작 위치를 자동적으로 설정할 수 있으므로 재시작 동작이 신속히 재개될 수 있다.
또한 사용자마다 상이한 로봇의 엔드 이펙터의 크기 등의 정보를 이용하여 로봇의 재시작 위치를 설정하므로 충돌 사고 이후의 로봇의 이동 동작의 안전성을 확보할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 관한 로봇 제어 시스템의 작동상태를 예시적으로 도시한 설명도이다.
도 2는 도 1의 로봇 제어 시스템의 운용 중 로봇의 충돌 사고를 예시적으로 도시한 설명도이다.
도 3은 도 2의 로봇의 충돌 사고에 의한 로봇의 위치 변화를 예시적으로 도시한 설명도이다.
도 4는 도 2의 로봇의 충돌 사고에 대응하기 위한 로봇 제어 시스템의 작동상태를 예시적으로 도시한 설명도이다.
도 5는 도 1에 도시된 로봇 제어 시스템의 제어기의 구성을 개략적인 도시한 블록도이다.
도 6은 도 6에 도시된 제어기의 일부 구성요소의 구성을 예시적으로 도시한 블록도이다.
도 7은 도 1에 도시된 로봇 제어 시스템에 의한 로봇 제어방법의 단계들을 예시적으로 나타낸 순서도이다.
도 8은 도 7의 순서도에 이어서 다른 단계들을 예시적으로 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 실시예들에 관한 로봇 제어 시스템의 구성과 작용을 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 관한 로봇 제어 시스템의 작동상태를 예시적으로 도시한 설명도이다.
도 1에 나타난 실시예에 관한 로봇 제어 시스템은 로봇(4)과, 로봇(4)을 제어하는 제어기(70)를 포함한다. 로봇(4)은 복수 개의 관절들(3a, 3b, 3c)에 의해 서로에 대해 회전 가능하게 연결된 아암들(5a, 5b, 5c, 5d)과, 관절들(3a, 3b, 3c)의 최종 단부의 아암(5d)에 배치된 엔드 이펙터(8)를 포함한다.
로봇(4)은 주행 기능을 수행하는 주행장치(7)를 포함한다. 로봇(4)과 제어기(70)는 무선통신 또는 유선통신의 방법으로 통신 가능하게 연결된다. 로봇(4)은 제어기(70)로부터 전달된 신호에 의해 시작 위치(P0)로부터 목표 위치(P10)까지 설정된 이동 경로의 지점들(P1~P9)을 차례로 경유하며 주행 동작을 수행한다.
도 2는 도 1의 로봇 제어 시스템의 운용 중 로봇의 충돌 사고를 예시적으로 도시한 설명도이고, 도 3은 도 2의 로봇의 충돌 사고에 의한 로봇의 위치 변화를 예시적으로 도시한 설명도이다.
도 2에는 로봇(4)이 미리 설정된 이동 경로의 지점들(P1~P9)을 따라 이동하는 중에 로봇(4)의 외부 물체(9)와 충돌한 충돌 사고가 예시적으로 도시되었다.
제어기(70)는 복수 개의 구동모드들 중 하나의 모드를 선택하여 로봇(4)을 제어할 수 있다. 제어기(70)가 운용하는 복수 개의 구동모드들은 속도 제어 모드와 위치 제어 모드와 힘 제어 모드와 힘 유지 모드 중 적어도 두 개의 모드를 포함할 수 있다.
위치 제어 모드는 관절들(3a, 3b, 3c)과 엔드 이펙터(8)와 주행장치(7)의 위치를 제어의 목표값으로 설정하여 로봇(4)의 위치를 정밀하게 제어하는 방법이다.
속도 제어 모드는 관절들(3a, 3b, 3c)과 엔드 이펙터(8)와 주행장치(7)의 이동 속도 또는 가속도 등을 제어의 목표값으로 설정하여 로봇(4)의 이동 및 동작 속도를 안정적으로 제어하는 방법이다.
힘 제어 모드는 관절들(3a, 3b, 3c)과 엔드 이펙터(8)와 주행장치(7)가 발생하는 힘의 크기를 제어의 목표값으로 설정하여 로봇(4)의 이동 중 또는 동작 중 로봇(4)이 발휘하는 힘의 크기를 정밀하게 제어하는 방법이다. 힘 제어 모드는 예를 들어 모터에 의해 발생하는 토크(torque)의 크기를 제어하는 토크 제어 모드일 수 있다.
힘 유지 모드는 관절들(3a, 3b, 3c)과 엔드 이펙터(8)와 주행장치(7)의 위치를 현재의 위치로 유지하기 위한 목적으로 관절들(3a, 3b, 3c)과 엔드 이펙터(8)와 주행장치(7)가 발생하는 힘의 크기를 미리 정해진 힘의 크기의 이하의 범위에서 힘의 크기를 일정하게 제어하는 방법이다. 힘 유지 모드는 예를 들어 모터에 의해 발생하는 토크의 크기를 미리 정해진 '유지 토크'의 이하로 일정하게 제어하는 토크 유지 모드일 수 있다.
힘 유지 모드는 도 2에 도시된 것과 같이 로봇(4)이 이동 중에 외부 물체(9)와 충돌하였을 때 실행된다. 제어기(70)와 로봇(4)은 충돌 사고를 감지하는 기능을 구비하므로, 로봇(4)과 외부 물체(9)의 충돌 사고가 발생한 순간 제어기(70)는 로봇(4)을 구동하기 위한 구동모드를 힘 유지 모드로 제어한다.
힘 유지 모드, 즉 토크 유지 모드에서는 로봇(4)이 현재의 자세와 위치를 유지하기 위한 최소한의 토크를 발생하도록 제어된다. 로봇(4)이 토크 유지 모드로 구동되는 동안에는 로봇(4)은 외부로부터 로봇(4)에 전달되는 외부 힘에 의해 로봇(4)에 작용하는 외부 토크가 미리 정해진 유지 토크보다 클 때에는 외부 토크에 의해 관절들(3a, 3b, 3c)과 주행장치(7)가 밀려서 위치가 변화한다.
토크 유지 모드에서는 도 3에 도시된 것과 같이 충돌 사고에 의해 로봇(4)에 작용하는 반작용력에 의해 로봇(4)의 위치가 밀릴 수 있도록 유지 토크의 크기가 설정된다.
도 4는 도 2의 로봇의 충돌 사고에 대응하기 위한 로봇 제어 시스템의 작동상태를 예시적으로 도시한 설명도이다.
종래의 로봇을 제어하는 제어 시스템은 시작 위치와 목표 위치 및 이동 경로와 관련되어 미리 설정된 지점들에 관한 정보만을 가지고 있어서, 충돌 사고가 발생한 충돌위치(C)를 제어 시스템이 파악하기가 어려웠다. 따라서 충돌 사고 이후에 로봇을 재가동하기 위해서는 사람이 개입하여 로봇의 위치를 수동으로 재지정하거나 로봇을 시작 위치로 강제로 이동시킨 후 이동 동작을 처음부터 다시 시작해야 하므로 로봇의 재가동이 어렵고 시간이 많이 소요되었다.
일 실시예에 관한 로봇 제어 시스템에 의하면, 로봇(4)이 예를 들어 지점(P5)에서 지점(P6)으로 이동하는 중에 충돌위치(C)에서 외부 물체(9)와 충돌하였다면, 로봇(4)은 충돌로 인한 반작용력에 의해 밀려서 밀린위치(S)로 이동한다.
로봇 제어 시스템은 충돌위치(C)를 나타내는 충돌위치 좌표정보와, 밀린위치(S)를 나타내는 밀린위치 좌표정보와, 충돌 시 로봇(4)에 가해진 충돌력의 적어도 하나를 계산할 수 있으며, 계산된 충돌위치 좌표정보와 밀린위치 좌표정보와 충돌력의 적어도 하나의 정보로부터 로봇(4)의 이동 동작을 재시작하기 위한 재시작 위치(T)를 계산할 수 있다.
재시작 위치(T)를 계산할 때에는 로봇(4)의 이동 경로 중에 외부 물체(9)가 아직 존재할 수 있는 것을 고려하여 로봇(4)과 외부 물체(9)의 사이의 간섭을 최소화할 수 있다. 즉 로봇 제어 시스템이 재시작 위치(T)를 계산할 때에는 로봇(4)의 충돌위치(C)와 밀린위치(S) 및 로봇(4)의 크기와 엔드 이펙터(8)의 길이(Lt)와 같은 정보들의 적어도 일부를 이용하여 로봇(4)과 외부 물체(9)의 사이의 간섭을 피할 수 있는 지점을 재시작 위치(T)로 지정한다.
또한 재시작 위치(T)를 결정한 이후에는 재시작 위치(T)와 로봇(4)의 이동 경로 상의 지점들(P1~P9) 중 밀린위치(S)와 가까운 지점(P5)을 결정하고, 밀린위치(S)와 가까운 지점(P5)의 사이의 거리(D1)와 밀린위치(S)와 재시작 위치(T)의 사이의 거리(D2)의 비교를 통하여 로봇(4)의 이동 동작을 재시작하기 위한 최종적인 재시작 위치를 결정할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 로봇 제어 시스템의 제어기의 구성을 개략적인 도시한 블록도이고, 도 6은 도 6에 도시된 제어기의 일부 구성요소의 구성을 예시적으로 도시한 블록도이다.
로봇 제어 시스템은 액추에이터(4a)를 포함하는 로봇을 제어하기 위한 제어기(70)를 포함한다.
제어기(70)는 로봇의 이동 중 로봇과 외부 물체의 충돌을 감지하는 충돌 감지기(71)와, 액추에이터(4a)를 제어하기 위한 구동 제어기로서 관절 구동 제어기(74) 및 주행장치 제어기(75)와, 로봇과 외부 물체의 충돌 시 로봇에 가해진 충돌력과 충돌위치 좌표 정보와 밀린위치 좌표 정보의 적어도 하나를 계산하는 위치 및 힘 계산기(72)와, 충돌 사고 발생 이후 로봇의 이동 동작을 재시작하기 위한 재시작 위치를 나타내는 재시작 좌표를 계산하는 재시작 좌표 계산기(73)를 포함한다.
제어기(70)는 예를 들어 제어용 컴퓨터나, 반도체칩이 장착된 제어 기능을 구비한 인쇄회로기판이나, 제어 소프트웨어가 탑재된 반도체칩이나, 컴퓨터에 내장될 수 있는 제어 소프트웨어를 포함한 메모리 등의 다양한 형태로 구현될 수 있다.
제어기(70)는 액추에이터(4a) 및 저장소(77)와 통신 가능하게 연결되며 신호의 입출력 작동을 제어하는 입출력 제어기(76)를 포함한다. 저장소(77)는 관절 액추에이터(5) 및 주행 액추에이터(6)의 현재 위치정보를 저장하는 기능을 수행한다.
관절 액추에이터(5)는 로봇의 관절들을 구동하는 기능을 수행한다. 관절 액추에이터(5)는 로봇의 관절들의 각각을 구동하도록 복수 개가 설치된다. 주행 액추에이터(6)는 로봇의 주행장치를 구동하는 기능을 수행한다.
관절 액추에이터(5)와 주행 액추에이터(6)의 각각은 예를 들어 회전하는 회전축과 회전축의 위치 변화를 감지하는 엔코더를 포함하여 전기신호에 의해 작동하는 모터를 포함할 수 있다.
실시예는 관절 액추에이터(5)와 주행 액추에이터(6)의 구현 방식에 의해 제한되는 것은 아니므로, 관절 액추에이터(5)와 주행 액추에이터(6)는 회전축을 갖는 모터가 아닌 직선적으로 이동하는 직선운동 모터(linear motor)로 구현될 수도 있다.
충돌 감지기(71)는 로봇의 이동 중 로봇과 외부 물체의 충돌을 감지함으로써 신호를 발생하는 기능을 수행한다. 예를 들어 충돌 감지기(71)는 관절 액추에이터(5)와 주행 액추에이터(6)의 모터의 전류의 변화를 감지함으로써 로봇과 외부 물체의 충돌 사고를 감지할 수 있다.
충돌 감지기(71)가 작동하는 다른 예로서, 충돌 감지기(71)는 액추에이터(4a)에 전달된 명령값과 명령값에 의해 액추에이터(4a)가 실제로 작동한 결과값을 비교함으로써 충돌을 감지할 수 있다. 이러한 작동을 위해 충돌 감지기(71)는 관절 액추에이터(5)와 주행 액추에이터(6)의 각각의 일반적인 작동 범위와 관련된 명령값 및 실제 작동 결과값에 관한 액추에이터 작동 데이터를 이용할 수 있다.
예를 들어, 관절 액추에이터(5)와 주행 액추에이터(6)에 입력될 수 있는 명령값과 관절 액추에이터(5)와 주행 액추에이터(6)가 외부의 방해가 없는 일반적인 작동 상황에서 명령값에 따라 작동한 기준 작동 결과값을 액추에이터 작동 데이터로서 저장소(77)에 미리 저장하여 두고, 로봇의 이동 중 관절 액추에이터(5)와 주행 액추에이터(6)의 실제 작동 결과 결과값과 기준 작동 결과값의 차이가 미리 정해진 임계값을 초과하는 경우 충돌 감지기(71)는 충돌이 발생한 것으로 판단하여 충돌 사고의 발생을 알리는 감지신호를 발생할 수 있다.
실시예들은 상술한 바와 같은 충돌 감지기(71)의 구체적인 구성에 의해 제한되지 않는다. 충돌 감지기(71)는 다양한 형태로 구현될 수 있으며 예를 들어 충격량을 감지하는 가속도 센서를 이용하여 구현될 수 있다.
구동 제어기인 관절 구동 제어기(74)와 주행장치 제어기(75)는 복수 개의 구동모드들 중 하나를 선택하여 관절 액추에이터(5)와 주행 액추에이터(6)를 제어할 수 있다.
구동 제어기가 운용하는 복수 개의 구동모드들은 속도 제어 모드와 위치 제어 모드와 토크 제어 모드(힘 제어 모드)와 토크 유지 모드(힘 유지 모드) 중 적어도 두 개의 모드를 포함할 수 있다.
위치 제어 모드는 로봇의 위치를 정밀하게 제어하는 방법이고, 속도 제어 모드는 로봇의 이동 및 동작 속도를 안정적으로 제어하는 방법이며, 토크 제어 모드는 관절 액추에이터(5)와 주행 액추에이터(6)가 발생하는 토크의 크기를 제어하는 방법이고, 토크 유지 모드는 관절 액추에이터(5)와 주행 액추에이터(6)가 발생하는 토크의 크기를 일정하게 제어하는 방법이다.
토크 유지 모드에서 관절 액추에이터(5)와 주행 액추에이터(6)의 모터에 의해 발생하는 토크의 크기를 미리 정해진 '유지 토크'의 이하로 일정하게 제어한다.
충돌 감지기(71)에 의해 로봇의 충돌이 감지된 경우 관절 구동 제어기(74)와 주행장치 제어기(75)는 복수 개의 구동모드들 중에서 액추에이터(4a)의 관절 액추에이터(5)와 주행 액추에이터(6)의 각각이 발생하는 토크를 일정하게 유지하는 토크 유지 모드를 선택하여 액추에이터(4a)를 제어할 수 있다.
즉 충돌이 발생하기 전까지 관절 구동 제어기(74)와 주행장치 제어기(75)는 속도 제어 모드, 위치 제어 모드, 토크 제어 모드 등의 어느 하나의 모드로 액추에이터(4a)를 제어하다가, 충돌이 발생한 순간 관절 구동 제어기(74)와 주행장치 제어기(75)는 구동모드를 토크 유지 모드로 전환하여 액추에이터(4a)를 제어한다.
토크 유지 모드에서는 로봇이 현재의 자세와 위치를 유지하기 위한 최소한의 토크를 발생하도록 제어되므로, 외부로부터 로봇에 전달되는 외부 힘에 의해 로봇에 작용하는 외부 토크가 미리 정해진 유지 토크보다 클 때에는 외부 토크에 의해 관절 들과 주행장치(7)가 밀려서 위치가 변화한다. 토크 유지 모드에서는 충돌에 의해 로봇에 작용하는 반작용력에 의해 로봇의 위치가 밀릴 수 있도록 유지 토크의 크기가 설정된다.
위치 및 힘 계산기(72)는 충돌 시 로봇에 가해진 충돌력과, 충돌위치를 나타내는 충돌위치 좌표정보와, 밀린위치를 나타내는 밀린위치 좌표정보의 적어도 하나를 계산할 수 있다.
위치 및 힘 계산기(72)는 저장소(77)에 저장된 관절 액추에이터(5) 및 주행 액추에이터(6)의 현재 위치정보를 이용하여 충돌위치 좌표정보와 밀린위치 좌표정보를 계산할 수 있다.
도 6을 참조하면, 저장소(77)는 로봇의 이동 중 현재의 위치정보를 저장하는 위치정보 버퍼(101)와, 엔드 이펙터의 작동 상태를 저장하는 툴(tool) 상태 버퍼(102)와, 엔드 이펙터(툴)의 길이와, 중심위치와, 폭과 같은 엔드 이펙터의 형상 및 크기와 관련된 기본 정보를 저장하는 엔드 이펙터 정보저장부(103)를 포함할 수 있다.
로봇을 사용하는 사용자에 따라 로봇의 관절들의 최종 단부에 장착되는 엔드 이펙터의 종류가 다양하게 변경될 수 있다. 엔드 이펙터 정보저장부(103)에 로봇에 장착된 엔드 이펙터의 형상 및 크기와 관련된 기본 정보를 저장함으로써 로봇의 충돌 사고 이후에 로봇의 이동 동작의 재시작 위치를 결정할 때에 엔드 이펙터의 기본 정보를 활용할 수 있다.
재시작 좌표 계산기(73)는 위치 및 힘 계산기(72)에 의해 계산된 충돌력과, 충돌위치 좌표정보와, 밀린위치 좌표정보의 적어도 하나의 정보로부터 로봇의 이동 동작을 재시작하기 위한 재시작 위치를 계산할 수 있다.
또한 재시작 좌표 계산기(73)가 재시작 위치를 계산할 때에 로봇의 이동 경로 중에 외부 물체가 아직 존재할 수 있는 것을 고려하여 로봇과 외부 물체의 사이의 간섭을 최소화할 수 있다. 즉 재시작 좌표 계산기(73)가 재시작 위치를 계산할 때에는 로봇의 충돌위치와 밀린위치 및 로봇의 크기와 엔드 이펙터의 길이와 같은 정보들의 적어도 일부를 이용하여 로봇과 외부 물체의 사이의 간섭을 피할 수 있는 지점을 재시작 위치로 지정한다.
또한 재시작 좌표 계산기(73)가 재시작 위치를 결정한 이후에는 재시작 위치와 로봇의 이동 경로 상의 지점들 중 밀린위치와 가까운 지점을 결정하고, 밀린위치와 가까운 지점의 사이의 거리와 밀린위치와 재시작 위치의 사이의 거리의 비교를 통하여 가까운 위치를 로봇의 이동 동작을 재시작하기 위한 최종적인 재시작 위치로 결정할 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 로봇 제어 시스템에 의한 로봇 제어방법의 단계들을 예시적으로 나타낸 순서도이고, 도 8은 도 7의 순서도에 이어서 다른 단계들을 예시적으로 나타낸 순서도이다.
일 실시예에 관한 로봇 제어방법은 로봇을 작동시키는 여러 가지 기능 중에서 로봇 주행기능을 선택하는 단계(S20)와, 로봇 주행기능을 실행하는 단계(S30)와, 로봇 주행기능을 위한 기본 데이터를 설정하는 단계(S40)와, 설정된 기본 데이터를 저장소에 저장하는 단계(S50)와, 기본 데이터를 이용하여 로봇의 이동 동작을 시작하는 단계(S60)와, 로봇이 이동하는 동안 이동 경로의 지점들 사이의 좌표값과 관절들 및 엔드 이펙터의 동작을 나타내는 동작 정보를 저장소에 저장하는 단계(S70)와, 로봇과 외부 물체의 충돌을 감지하는 단계(S80)와, 충돌이 감지되면 토크 유지 모드로 전환하는 단계(S90)와, 토크 유지 모드로 전환됨과 동시에 충돌에 의한 반작용력에 의해 로봇의 위치가 밀리는 로봇 밀림 단계(S100)와, 충돌이 발생한 위치인 충돌 위치와 로봇이 밀려서 이동한 밀린위치를 저장하는 단계(S110)와, 충돌력과 충돌위치 좌표정보와 밀린위치 좌표정보의 적어도 하나를 계산하여 로봇의 이동 동작을 재시작하기 위한 재시작 위치를 계산하는 좌표계산 단계(S130)와, 재시작 위치를 경로 중의 위치들 중 현재 로봇의 위치와 가장 가까운 위치가 계산된 재시작 위치와 비교하는 단계(S140)와, 비교 결과 경로 중의 위치가 재시작 위치보다 가까운 경우 경로 중의 위치를 최종적인 재시작 위치로 결정하여 로봇을 경로 중의 위치로 이동시키는 단계(S140)와, 재시작 위치가 경로 중의 위치보다 가까운 경우 계산된 재시작 좌표로 이동하는 단계(S160)와, 로봇의 이동 동작을 재시작하는 단계(S170)를 포함한다.
기본 데이터를 설정하는 단계(S40) 및 저장소에 저장하는 단계(S50)에서는 도 1에 도시된 것과 같은 로봇의 이동 동작을 위하여 사용자가 시작 위치(P0)와 목표 위치(P10)를 입력하고, 사용자에 의해 입력된 시작 위치(P0)와 목표 위치(P10)의 좌표정보들을 이용하여 이동 경로의 지점들(P1~P9)의 좌표정보들이 자동으로 계산될 수 있다.
또한 기본 데이터를 설정하는 단계(S40) 및 저장소에 저장하는 단계(S50)에서는 로봇의 주행 장치의 이동 중의 관절들과 엔드 이펙터의 동작을 나타내는 툴 센터 포인트(TCP; tool center point)의 값들도 지정될 수 있다. 따라서 로봇은 미리 지정된 이동 경로를 따라 이동함과 동시에 관절들과 엔드 이펙터의 위치와 자세를 변경할 준비가 된다.
좌표계산 단계(S130)에서 로봇에 가해진 충돌력을 계산할 때에는 로봇의 관절들의 각도값과 관절들에 가해진 외부 토크값을 입력으로 사용하고 자코비안(Jacobian) 행렬을 이용함으로써 로봇에 가해진 충돌력의 크기와 방향을 계산할 수 있다.
수학식 1을 참조하면,
Figure pat00001
는 로봇의 엔드 이펙터의 선속도를 나타내는 행렬이고,
Figure pat00002
는 로봇의 관절들의 각속도를 나타내는 행렬이고, J는
Figure pat00003
와
Figure pat00004
의 관계를 나타내는 로봇의 자코비안(Jacobian) 행렬이다.
Figure pat00005
수학식 2를 참조하면 Fx는 로봇의 엔드 이펙터에 작용하는 힘(힘의 크기와 방향)을 나타내는 행렬이고, Fq는 로봇의 관절들에 작용하는 토크를 나타내는 행렬이며, J는 로봇의 자코비안 행렬이다.
Figure pat00006
그러므로 로봇의 관절들의 각도값과 자코비안 행렬을 이용함으로써 로봇의 엔드 이펙터의 선속도를 알 수 있고, 관절들에 실제로 작용한 토크와 자코비안 행렬을 이용함으로써 로봇의 엔드 이펙터에 작용한 힘의 크기와 방향을 알 수 있다.
충돌로 인해 로봇의 엔드 이펙터에 작용한 힘의 크기와 방향을 계산할 수 있으므로 이후의 로봇의 이동 동작을 재시작하는 단계(S170)에서 로봇의 이동 동작의 재시작을 위해 로봇의 관절들 및 주행장치에서 발생하는 힘의 크기의 민감도와 로봇의 이동 속도를 조정하여 이동 동작이 안전하게 재시작하도록 할 수 있다.
Figure pat00007
로봇의 관절들에 작용한 토크(외부 토크; External Torque)는 수학식 3에 나타나는 모터의 실제 토크(Actual Torque), 다이나믹 토크(Dynamic Torque), 마찰 토크(Friction Torque)의 관계를 이용하여 구할 수 있다.
재시작 위치를 계산하는 좌표계산 단계(S130)에서는 수학식 4를 이용하여 도 4에 도시된 충돌위치(C)와 밀린위치(S)의 사이의 거리, 즉 밀린거리를 계산할 수 있다.
Figure pat00008
재시작 위치를 계산하는 좌표계산 단계(S130)에서는 계산된 밀린거리와 로봇의 크기와 엔드 이펙터의 길이와 같은 정보들의 적어도 일부를 이용하여 로봇과 외부 물체의 사이의 간섭을 피할 수 있는 지점을 재시작 위치로 지정한다.
상술한 바와 같은 로봇 제어 시스템 및 로봇 제어 시스템의 제어방법에 의하면 충돌 사고가 발생하였을 때 로봇의 구동모드가 토크 유지 모드로 신속히 변경되어 로봇이 충돌에 의한 반작용력에 의해 밀린위치로 이동하므로 충돌로 인한 로봇 및 외부 물체의 손상을 최소화할 수 있다.
또한 충돌 사고 이후에는 로봇이 충돌위치와 밀린위치를 신속히 파악하여 재시작 위치를 자동적으로 설정할 수 있으므로 재시작 동작이 신속히 재개될 수 있다.
또한 사용자마다 상이한 로봇의 엔드 이펙터의 크기 등의 정보를 이용하여 로봇의 재시작 위치를 설정하므로 충돌 사고 이후의 로봇의 이동 동작의 안전성을 확보할 수 있다.
상술한 실시예들에 대한 구성과 효과에 대한 설명은 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
P10: 목표 위치 70: 제어기
P0: 시작 위치 71: 충돌 감지기
P1~P9: 지점들 72: 위치 및 힘 계산기
4: 로봇 73: 재시작 좌표 계산기
4a: 액추에이터 74: 관절 구동 제어기
5: 관절 액추에이터 75: 주행장치 제어기
6: 주행 액추에이터 76: 입출력 제어기
7: 주행장치 77: 저장소
8: 엔드 이펙터 101: 위치정보 버퍼
3a, 3b, 3c: 관절들 102: 툴 상태 버퍼
9: 외부 물체 103: 엔드 이펙터 정보저장부
5a, 5b, 5c, 5d: 아암들

Claims (11)

  1. 액추에이터를 포함하는 로봇을 제어하는 로봇 제어 시스템에 있어서,
    상기 로봇의 이동 중 상기 로봇과 외부 물체의 충돌을 감지하는 충돌 감지기;
    복수 개의 구동모드들 중 하나를 선택하여 상기 액추에이터를 제어하며, 상기 충돌 감지기에 의해 충돌이 감지되면 상기 구동모드들 중에서 상기 액추에이터가 발생하는 힘을 일정하게 유지하는 힘 유지 모드를 선택하여 상기 액추에이터를 제어하는 구동 제어기;
    충돌 시 상기 로봇에 가해진 충돌력과, 충돌이 발생한 충돌위치를 나타내는 충돌위치 좌표정보와, 상기 힘 유지 모드로 전환된 상태에서 상기 충돌력에 의해 상기 로봇이 밀려서 이동한 밀린위치를 나타내는 밀린위치 좌표정보의 적어도 하나를 계산하는 위치 및 힘 계산기; 및
    상기 위치 및 힘 계산기의 계산 결과에 기초하여 상기 로봇의 이동 동작을 재시작하기 위한 재시작 위치를 계산하는 재시작 좌표 계산기;를 포함하는, 로봇 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액추에이터는 전기 신호에 의해 작동하는 모터를 포함하며, 상기 충돌 감지기는 상기 모터의 전류의 변화를 감지함으로써 충돌을 감지하는, 로봇 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충돌 감지기는 상기 액추에이터에 전달되는 명령값과 상기 명령값에 의해 상기 액추에이터가 작동한 결과값을 비교함으로써 충돌을 감지하는, 로봇 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 액추에이터는 회전축과 상기 회전축의 위치변화를 감지하는 엔코더를 포함하여 전기 신호에 의해 작동하는 모터를 포함하고, 상기 충돌 감지기는 상기 엔코더의 감지신호로부터 충돌을 감지하는, 로봇 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구동 제어기가 사용하는 상기 구동모드들은 속도를 제어하기 위한 속도 제어 모드, 위치를 제어하기 위한 위치 제어 모드, 힘을 제어하기 위한 힘 제어 모드, 및 상기 힘 유지 모드 중 적어도 두 개의 모드를 포함하는, 로봇 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 로봇은 복수 개의 관절들 및 주행장치를 포함하고, 상기 액추에이터는 상기 관절들을 구동하는 관절 액추에이터와 상기 주행장치를 구동하는 주행 액추에이터를 포함하며,
    충돌이 감지된 후 실행된 상기 힘 유지 모드에서 상기 액추에이터는 상기 관절들과 상기 주행장치를 현재의 위치로 유지하기 위한 유지 힘을 발생하고, 상기 힘 유지 모드가 실행되는 동안 외부에서 상기 로봇에 전달되는 외부 힘이 상기 유지 힘보다 클 때에 상기 외부 힘에 의해 상기 관절들 및 상기 주행장치의 위치가 변화하도록 상기 액추에이터가 작동하는, 로봇 제어 시스템.
  7. 제7항에 있어서,
    상기 힘 유지 모드에서는 상기 로봇이 상기 외부 물체와 충돌하였을 때에 상기 로봇에 작용하는 반작용력에 의해 상기 로봇의 위치가 밀리도록 상기 유지 힘의 크기가 설정되는, 로봇 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 로봇은 상기 관절들의 최종 단부에 배치된 엔드 이펙터를 더 포함하고,
    상기 위치 및 힘 계산기는 상기 관절들의 각도값과 상기 관절들에 가해진 외부 토크값을 입력으로 사용하고 자코비안 행렬을 이용함으로써 상기 로봇에 가해진 상기 충돌력의 크기와 방향을 계산하는, 로봇 제어 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 관절 액추에이터 및 상기 주행 액추에이터의 현재 위치정보를 저장하는 저장소를 더 포함하고,
    상기 위치 및 힘 계산기는 상기 현재 위치정보를 이용하여 상기 충돌위치 좌표정보와 상기 밀린위치 좌표정보를 계산하는, 로봇 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 로봇은 상기 관절들의 최종 단부에 배치된 엔드 이펙터를 더 포함하고,
    상기 재시작 좌표 계산기는 상기 충돌위치 좌표정보와 상기 밀린위치 좌표정보로부터 충돌이 발생한 이후 상기 로봇이 이동한 이동거리를 계산하고, 상기 엔드 이펙터의 길이와 상기 이동거리로부터 상기 로봇의 상기 재시작 위치를 계산하는, 로봇 제어 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 재시작 좌표 계산기는 상기 로봇의 미리 설정된 이동 경로 중에 상기 로봇의 현재 위치로부터 상기 재시작 위치까지의 거리보다 가까운 지점이 있는 경우 상기 가까운 지점을 상기 재시작 위치로 재설정하는, 로봇 제어 시스템.
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