KR20220075557A - 스마트공장용 피엘씨 시스템 로봇 충돌 판별장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PLC 시스템에서 운전되는 로봇의 충돌 판별 장치에 관한 것으로, 다수의 관절로 구성된 로봇에 장착되며, 상기 로봇에 구비된 모터를 제어하는 서보 드라이브와, 상기 PLC 시스템에 장착된 CPU 모듈로부터 기동 명령을 제공받아 이를 바탕으로 상기 서보 드라이브를 구동하기 위한 목표 위치제어 데이터를 출력하는 위치제어모듈을 포함하는 PLC(Programmable Logic Controller) 시스템에 있어서, 상기 서보 드라이브는, 상기 위치제어모듈로부터 출력된 목표 위치제어 데이터를 제공받아 기설정된 외력의 특정 주파수 영역을 필터링하여 상기 로봇에 구비된 모터로 제어출력을 전송하고, 상기 위치제어모듈은, 상기 서보 드라이브로부터 출력된 모터의 실제 토크값을 제공받아 상기 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하는 모터의 외력 토크값을 추출하고, 상기 추출된 모터의 외력 토크값과 기설정된 외력 한계값의 비교 결과에 따라 로봇의 충돌여부를 판별함으로써, 외력의 충돌로 인한 큰 사고나 로봇의 고장을 효과적으로 예방할 수 있다.

Description

스마트공장용 피엘씨 시스템 로봇 충돌 판별장치{APPARATUS FOR DISCRIMINATING COLLISION OF ROBOT OPERATED IN PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER SYSTEM FOR SMART FACTORY}

본 발명은 스마트 공장용 피엘씨(PLC: Programmable Logic Controller) 시스템 로봇 충돌 판별 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PLC 시스템의 위치제어모듈을 통해 제어되는 로봇이 동작 중에 장애물이나 근처의 사람 등과 충돌 시 로봇의 충돌여부를 정확하게 판별하여 충돌에 신속하게 대응하도록 함으로써, 충돌로 인한 큰 사고나 로봇의 고장을 효과적으로 예방할 수 있도록 한 스마트 공장용 피엘씨 시스템 로봇 충돌 판별 장치에 관한 것이다.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.

일반적으로, 산업현장에서 공장설비의 자동화(Factory Automation, FA) 시스템 등에 적용되는 등 여러 분야에서 적용되고 있는, 프로그래머블 로직 컨트롤러(Programmable Logic Controller, 이하 "PLC"라 함)는 중앙처리장치를 포함한 중앙제어부(CPU), 센서나 스위치로부터 신호를 입력받는 입력모듈, 제어대상인 모터나 밸브에 제어신호를 전달하는 출력모듈, 고속카운터, 통신모듈, PID 제어모듈 및 위치제어모듈 등을 구비하고 있다.

즉, 공장 자동화에 가장 널리 사용되는 것이 PLC 시스템이다. 이러한 PLC 시스템은 지금까지 사용되어온 릴레이 제어반의 각종 릴레이, 타이머, 카운터 등의 기능을 마이크로프로세서를 이용해 통합시킨 것이다. 이 PLC 시스템에 프로그램을 작성함으로써 시퀀스 제어(sequence control)는 물론 산술 연산, 논리 연산, 함수 연산, 조절 연산 및 데이터 처리를 실행할 수 있다.

상기 PLC 시스템은 기존의 릴레이를 사용하는 시스템에 비해 제어 기능 신뢰성이 뛰어나고 제어 내용을 손쉽게 수정하고 변경할 수 있으며 릴레이에 비해 복잡한 제어 기능을 수행할 수 있는 등 많은 장점을 지니고 있다.

이와 같이 다양한 환경에서 사용되는 PLC 시스템에 대해서 여러 기능을 가진 모듈이 필요하며, 이에 따라서 PLC 제조 업체는 사용자의 요구사항을 만족하는 다양한 모듈을 제공한다. 예를 들어, 디지털 입출력 모듈, 아날로그 입출력 모듈, 통신 모듈 등 여러 기능을 가진 모듈이 PLC 시스템에 사용되고, 다양한 모듈을 통해서 사용자가 원하는 시스템이 구축된다.

한편, 상기 PLC 시스템의 특수 모듈들 중에서 모션 제어기(Motion Controller) 즉, 위치제어모듈(또는 위치결정모듈)은 모터(Motor)를 제어하기 위한 것이다. 즉, 상기 위치제어모듈의 주요 기능은 서보 드라이브(Servo Drive)를 구동하기 위한 펄스(pulse)를 출력하는 것이다. 많은 시스템에 적용되는 기계 장치들이 모터에 의해 구동되는 점에서 상기 위치제어모듈은 PLC 시스템에서 매우 중요한 부분을 차지하고 있다.

이러한 위치제어모듈은 사용자가 설정한 이동 속도 등의 데이터에 의해 운전 프로파일을 생성하며, 운전하는 대상물이 적절한 속도로 원하는 위치까지 이동하도록 서보 드라이브에서 펄스를 출력하여 서보 모터의 가/감속구동을 통해 기계적인 시스템의 동작을 제어하는 역할을 한다.

한편, PLC 시스템에서 운전되는 로봇의 위치 제어 방식을 살펴보면, 먼저, PLC 시스템의 위치제어모듈에서는 로봇(Robot)을 제어하기 위하여 로봇에 장착된 모터를 제어하는 출력을 서보 드라이브로 전송하고, 상기 서보 드라이브로부터 현재 위치와 현재 토크값 등을 입력받는다.

또한, PLC 시스템의 위치제어모듈에서는 로봇이 동작 중에 장애물 또는 사람 등과 충돌하여 고장이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 로봇에 작용하는 외력을 검출한다. 기존에는 로봇의 충돌을 검출하기 위하여, 서보 드라이브로부터 토크값을 입력받아 이 토크값이 기설정된 한계값을 넘는 경우 충돌로 판단하거나 로봇의 하드웨어 정보를 입력받아 외력을 검출하는 방법을 사용하였다.

- 한국특허공개 제10-2019-0138529호(2019년 12월 13일자 공개)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 PLC 시스템의 위치제어모듈을 통해 제어되는 로봇이 동작 중에 장애물이나 근처의 사람 등과 충돌 시 로봇의 충돌여부를 정확하게 판별하여 충돌에 신속하게 대응하도록 함으로써, 충돌로 인한 큰 사고나 로봇의 고장을 효과적으로 예방할 수 있도록 한 스마트 공장용 피엘씨 시스템 로봇 충돌 판별 장치를 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 다수의 관절로 구성된 로봇에 장착되며, 상기 로봇에 구비된 모터를 제어하는 서보 드라이브와, 상기 PLC 시스템에 장착된 CPU 모듈로부터 기동 명령을 제공받아 이를 바탕으로 상기 서보 드라이브를 구동하기 위한 목표 위치제어 데이터를 출력하는 위치제어모듈을 포함하는 PLC(Programmable Logic Controller) 시스템에 있어서, 상기 서보 드라이브는, 상기 위치제어모듈로부터 출력된 목표 위치제어 데이터를 제공받아 기설정된 외력의 특정 주파수 영역을 필터링하여 상기 로봇에 구비된 모터로 제어출력을 전송하고, 상기 위치제어모듈은, 상기 서보 드라이브로부터 출력된 모터의 실제 토크값을 제공받아 상기 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하는 모터의 외력 토크값을 추출하고, 상기 추출된 모터의 외력 토크값과 기설정된 외력 한계값의 비교 결과에 따라 로봇의 충돌여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 스마트 공장용 피엘씨 시스템 로봇 충돌 판별 장치를 제공하는 것이다.

여기서, 상기 위치제어모듈은, 상기 추출된 모터의 외력 토크값이 기설정된 외력 한계값보다 크거나 같을 경우, 상기 로봇의 외력 충돌로 판단함이 바람직하다.

바람직하게, 상기 위치제어모듈은, 상기 로봇의 외력 충돌로 판단될 경우, 해당 로봇에 구비된 모터를 정지시킴과 아울러 해당 로봇의 외력 충돌 메시지를 생성하여 해당 PLC 시스템에 장착된 CPU 모듈로 전송할 수 있다.

바람직하게, 상기 PLC 시스템에 장착된 CPU 모듈은, 상기 위치제어모듈로부터 해당 로봇의 외력 충돌 메시지를 제공받아 외부의 사용자에게 시각적 또는 청각적으로 경고해주도록 특정 경고 신호를 출력하거나, 특정 경고 메시지를 생성하여 기설정된 사용자 단말로 전송할 수 있다.

바람직하게, 상기 위치제어모듈은, 상기 서보 드라이브로부터 출력된 모터의 실제 토크값을 제공받아 상기 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하는 모터의 외력 토크값을 추출하고, 상기 추출된 모터의 외력 토크값에 기설정된 특정 이득(Gain)을 적용하여 증폭한 후, 상기 증폭된 모터의 외력 토크값과 기설정된 외력 한계값을 비교할 수 있다.

바람직하게, 상기 위치제어모듈은, 상기 추출된 모터의 외력 토크값이 기설정된 외력 한계값보다 작을 경우, 상기 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하지 않은 모터의 외력 토크값과 상기 기설정된 외력 한계값의 비교 결과에 따라 로봇의 충돌여부를 판별할 수 있다.

바람직하게, 상기 위치제어모듈은, 상기 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하지 않은 모터의 외력 토크값이 상기 기설정된 외력 한계값보다 크거나 같을 경우, 상기 로봇의 외력 충돌로 판단할 수 있다.

바람직하게, 상기 위치제어모듈은, 상기 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하지 않은 모터의 외력 토크값에 기설정된 특정 이득(Gain)을 적용하여 증폭한 후, 상기 증폭된 모터의 외력 토크값과 기설정된 외력 한계값을 비교할 수 있다.

바람직하게, 상기 서보 드라이브는, 상기 위치제어모듈로부터 출력된 목표 위치제어 데이터를 필터링하여 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하는 성분을 제거하기 위한 노치 필터(Notch Filter)를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 위치제어모듈은, 상기 서보 드라이브로부터 출력된 모터의 실제 토크값을 제공받아 상기 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하는 모터의 외력 토크값을 추출하기 위한 밴드 패스 필터(Band Pass Filter, BPF)를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 서보 드라이브는, 상기 위치제어모듈로부터 출력된 목표 위치제어 데이터를 필터링하기 전에, 상기 위치제어모듈로부터 출력된 목표 위치제어 데이터와 상기 로봇에 구비된 모터의 현재 위치간의 차이를 보상하기 위한 PID(Proportional Integral Derivative) 제어를 수행할 수 있다.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 본 발명의 스마트 공장용 피엘씨 시스템 로봇 충돌 판별 장치에 따르면, PLC 시스템의 위치제어모듈을 통해 제어되는 로봇이 동작 중에 장애물이나 근처의 사람 등과 충돌 시 로봇의 충돌여부를 정확하게 판별하여 충돌에 신속하게 대응하도록 함으로써, 충돌로 인한 큰 사고나 로봇의 고장을 효과적으로 예방할 수 있는 이점이 있다.

아울러, 이와 같은 기재된 본 발명의 효과는 발명자가 인지하는지 여부와 무관하게 기재된 내용의 구성에 의해 당연히 발휘되게 되는 것이므로 상술한 효과는 기재된 내용에 따른 몇 가지 효과일 뿐 발명자가 파악 또는 실재하는 모든 효과를 기재한 것이라 인정되어서는 안 된다.

또한, 본 발명의 효과는 명세서의 전체적인 기재에 의해서 추가로 파악되어야 할 것이며, 설사 명시적인 문장으로 기재되어 있지 않더라도 기재된 내용이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 명세서를 통해 그러한 효과가 있는 것으로 인정할 수 있는 효과라면 본 명세서에 기재된 효과로 보아야 할 것이다.

도 1은 PLC 시스템에서 운전되는 로봇의 하드웨어 정보를 이용하여 로봇의 외력을 검출하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 PLC 시스템에서 운전되는 로봇의 외력을 검출하는 기존 방법을 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC 시스템에서 운전되는 로봇의 충돌 판별 장치를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 적용된 서보 드라이브의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 적용된 위치제어모듈에서 로봇의 외력을 추정하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC 시스템에서 운전되는 로봇의 충돌 판별 장치의 동작을 설명하기 위한 전체적인 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 배터리팩의 구성, 동작 및 작용효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다. 또한 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.

종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 종래의 로봇의 충돌을 검출하는 방법들 중에서 로봇의 하드웨어 정보를 입력하여 외력을 추정하는 방법처럼 하드웨어 정보를 입력하지 않는 방법을 사용하여 정확도는 떨어지지만, 사용하기 편리하고 토크의 한계값을 설정하여 이 한계값을 넘는 경우 충돌로 판단하는 단순한 방법보다는 정확도가 높은 로봇의 충돌 판별 장치를 제안하고자 한다.

즉, 본 발명에서는 특정 주파수를 외력을 검출하는 영역으로 할당하여 특정 주파수 영역으로 입력되는 모터의 실제 토크값이 기설정된 외력 한계값보다 큰 경우 외력에 의한 로봇의 충돌로 판단한다. 서보 드라이브에서 사전에 외력 검출을 위한 특정 주파수를 노치 필터에 의해 제외하여 제어하도록 하고, 충돌 검출에서 로봇의 구동에 의한 토크 발생부분을 제거하고 검출할 수 있기 때문에, 보다 민감하게 외력 한계값을 설정할 수 있다.

또한, 토크의 한계값을 설정하여 충돌을 판별하는 기존의 충돌 판별과 특정 주파수에 대한 토크의 외력 한계값을 설정하여 특정 주파수의 토크가 외력 한계값을 넘는 경우 충돌로 판별하는 기능을 동시에 사용하여 기존의 방식보다 더욱 안정적으로 로봇의 충돌을 판별할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC 시스템에서 운전되는 로봇의 충돌 판별 장치를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 적용된 서보 드라이브의 동작을 설명하기 위한 개념도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 적용된 위치제어모듈에서 로봇의 외력을 추정하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC 시스템에서 운전되는 로봇의 충돌 판별 장치는, 크게 PLC 시스템(100), 서보 드라이브(Servo Drive)(200) 및 다수의 관절로 구성된 로봇(300) 등을 포함하여 이루어진다.

여기서, PLC 시스템(100)은 기존의 각종 릴레이, 타이머, 카운터 등의 기능을 마이크로프로세서(Microprocessor)를 이용한 프로그램으로 제어할 수 있도록 통합시킨 시스템으로서, 장착된 모듈들의 전체적인 제어를 담당하는 CPU(Central Processing Unit) 모듈(110)을 기준으로, 전원(Power)을 공급할 수 있는 전원모듈(120), 입력(Input)을 담당하는 입력모듈(130), 출력(Output)을 담당하는 출력모듈(140), 각종 통신(Communication)을 담당하는 통신모듈(150), 모터의 위치 제어를 담당하는 위치제어모듈(160) 및 기타 특수 기능을 갖는 특수모듈(170) 등이 베이스(Base)에 카드 형태로 장착되어 구성된다.

특히, PLC 시스템(100)에 장착되어 동작하는 위치제어모듈(160)의 주요 기능은 로봇(300)에 구비된 모터(350)를 구동하기 위한 목표 위치 값을 생성하고, 이를 네트워크(Network)를 통하여 서보 드라이브(200)에 전달한다.

즉, 위치제어모듈(160)에는 로봇(300)에 구비된 모터(350)를 구동하기 위한 위치제어 데이터(예컨대, 목표 위치, 목표 속도, 가/감속 시간 등)를 가지고 있다. 그리고, PLC 시스템(100)의 CPU 모듈(110)은 특정 위치와 속도 또는 위치제어모듈(160) 내부에 있는 위치제어 데이터를 가지고 기동 명령을 실행한다.

이러한 위치제어모듈(160)은 PLC 시스템(100)의 CPU 모듈(110)로부터 위치제어 기동 명령을 수신하면, 이에 따라 매 제어 주기당 목표 위치 값을 생성하게 되고, 상기 생성된 목표 위치 값은 서보 드라이브(200)에 전송된다.

그리고, PLC 시스템(100)의 CPU 모듈(110)에서는 위치제어모듈(160)로부터 현재 출력된 위치 값을 계속 모니터링(Monitoring)하여 특정 위치가 되면 출력모듈(140)을 구동시키며, 어플리케이션(Application)에 따라 커팅, 이송, 유압제어 등의 로봇(300)을 제어하는 시퀀스 동작을 수행한다.

이와 같이 PLC 시스템(100)에 장착된 위치제어모듈(160)은, 제어부(161), PLC 인터페이스부(162), ROM(163), RAM(164), 펄스 생성부(165), 절연 회로부(166) 및 입출력 커넥터부(167) 등을 포함한다.

여기서, 위치제어모듈(160)의 제어부(161)는 전반적인 제어를 담당하고, PLC 인터페이스부(162)는 PLC 시스템(100)의 CPU 모듈(110)과 데이터 교환을 수행한다. ROM(163)은 위치제어모듈(160)에서 사용되는 데이터를 백업하기 위해 구성된다. 즉, ROM(163)은 위치제어모듈(160)에서 사용되는 여러 종류의 데이터를 임시 복제한다.

예를 들면, 상기 데이터는 프로파일, 외부로부터 수신된 데이터 등을 포함할 수 있다. 예기치 못한 문제가 발생하여 데이터가 손상되는 경우라도, 위치제어모듈(160)은 ROM(163)에 복제된 데이터를 이용하여 데이터를 용이하게 복구할 수 있다. 또한, ROM(163)은 구동 프로그램(O/S), 파라미터 또는 운전 데이터 등을 저장할 수 있다.

상기 파라미터는 외부 기기의 위치, 속도, 가속 또는 감속 시간 등을 포함할 수 있다. 상기 운전 데이터는 위치제어모듈(160)을 이용하여 제어하려는 대상 기기에 관한 정보이다. 예를 들면, 상기 대상 기기가 로봇(300)에 구비된 모터(350)인 경우, 상기 운전 데이터는 운전 시간 또는 토크값 등을 포함할 수 있다.

RAM(164)은 ROM(163)과 제어부(161) 사이에 연결되고, 버퍼 기능을 수행할 수 있다. 상기 버퍼 기능이란 2개의 장치가 데이터를 전송 또는 수신할 때, 상기 2개의 장치의 전송속도 차이를 해결하기 위해 전송할 정보를 임시로 저장하는 것을 의미한다.

예를 들면, 위치제어모듈(160)의 제어부(161)가 ROM(163)에 저장된 구동 프로그램을 리딩(Reading)하는 경우, RAM(164)은 상기 구동 프로그램을 임시로 저장할 수 있다. 그리고, 위치제어모듈(160)의 제어부(161)는 ROM(163)에 저장된 구동 프로그램(O/S), 파라미터 또는 운전 데이터를 이용하여, 펄스 신호의 프로파일을 생성한다. 또한, 위치제어모듈(160)의 제어부(161)는 상기 생성된 프로파일을 펄스 생성부(165)로 전송한다. 상기 프로파일은 펄스 생성부(165)에서 출력할 펄스 신호에 대한 정보를 포함한다.

또한, 위치제어모듈(160)의 제어부(161)는 RAM(164)으로부터 상기 임시 저장된 데이터에 따라 펄스 신호의 프로파일을 생성할 수 있다. 상기 저장된 데이터는 로봇(300)의 모터(350)에 장착된 엔코더(Encoder)(미도시)로부터 수신된 펄스 신호일 수 있다.

일반적으로 펄스 출력 타입의 위치제어모듈들은 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 등을 통해 펄스 생성부(165)를 구현한다.

이러한 펄스 생성부(165)에서 생성된 펄스는 절연 회로부(166)와 입출력 커넥터부(167)를 통하여 서보 드라이브(200)로 출력된다. 이와 같이, PLC 시스템(100)에 장착되어 동작하는 위치제어모듈(160)의 주요 기능은 서보 드라이브(200)를 구동하기 위한 펄스를 출력하는 것이다.

입출력 커넥터부(167)는 외부 기기 즉, 서보 드라이브(200)와 위치제어모듈(160)을 연결하기 위해 구성된다. 상기 외부 기기는 상기 엔코더로 이루어질 수 있다. 상기 엔코더는 속도 검출 센서로, 대상물의 움직임에 따라 움직이는 방향의 축이 회전하게 되면서 회전에 따른 펄스를 출력하며, 이에 따라 대상물의 움직이는 속도로 이동한 위치를 알 수 있다. 이러한 상기 엔코더는 로봇(300)에 구비된 모터(350)의 회전축에 부착되어 회전축의 회전에 따라 펄스를 출력하는 장치이다. 상기 엔코더에서 생성된 상기 펄스 신호는 입출력 커넥터부(167)를 통해 제어부(161)로 전송될 수 있다.

그리고, 서보 드라이브(200)는 다수의 관절로 구성된 로봇(300)에 장착되어 있으며, 로봇(300)에 구비된 모터(350)를 제어하는 기능을 수행하는 바, 특히 외력에 의해 로봇(300)의 충돌을 보다 정확하게 판별하기 위하여, 위치제어모듈(160)로부터 출력된 목표 위치제어 데이터를 제공받아 기설정된 외력의 특정 주파수 영역(즉, 외력에 의해 노이즈가 발생되는 주파수 대역)을 필터링(Filtering)하여 로봇(300)에 구비된 모터(350)로 제어출력을 전송한다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 서보 드라이브(200)는 위치제어모듈(160)로부터 출력된 목표 위치제어 데이터를 필터링하여 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하는 성분을 제거하기 위한 노치 필터(Notch Filter)를 포함할 수 있다.

또한, 서보 드라이브(200)는 상기 노치 필터를 이용하여 위치제어모듈(160)로부터 출력된 목표 위치제어 데이터를 필터링하기 전에, 위치제어모듈(160)로부터 출력된 목표 위치제어 데이터와 로봇(300)에 구비된 모터(350)의 현재 위치간의 차이를 보상하기 위한 PID(Proportional Integral Derivative) 제어를 수행할 수도 있다.

즉, 서보 드라이브(200)에서는 위치제어모듈(160)로부터 출력된 목표 위치제어 데이터와 로봇(300)에 구비된 모터의 현재 위치간의 차이를 보상하기 위하여 PID 제어를 수행하며, 이후 제어의 출력은 노치 필터로 전달된다. 상기 노치 필터에서는 로봇(300)에 전달되는 외력의 특정 주파수 영역을 설정하고 해당 특정 주파수 영역을 필터링하여 모터의 최종 제어출력으로 내보낸다.

그리고, PLC 시스템(100)에 장착된 위치제어모듈(160)의 제어부(161)에서는 서보 드라이브(200)로부터 출력된 모터(350)의 실제 토크값을 제공받아 상기 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하는 모터(350)의 외력 토크값을 추출하고, 상기 추출된 모터(350)의 외력 토크값과 기설정된 외력 한계값의 비교 결과에 따라 로봇의 충돌여부를 판별한다.

바람직하게, 위치제어모듈(160)의 제어부(161)는 서보 드라이브(200)로부터 출력된 모터(350)의 실제 토크값을 제공받아 밴드 패스 필터(Band Pass Filter, BPF)를 통해 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하는 모터(350)의 외력 토크값을 추출하고, 상기 추출된 모터(350)의 외력 토크값에 기설정된 특정 이득(Gain)(K1)을 적용하여 증폭시킨 후, 상기 특정 이득(K1)에 의해 증폭된 모터(350)의 외력 토크값(외력 1)과 기설정된 외력 한계값을 비교할 수 있다.

이때, 위치제어모듈(160)의 제어부(161)는 상기 특정 이득(K1)에 의해 증폭된 모터(350)의 외력 토크값(외력 1)이 기설정된 외력 한계값보다 크거나 같을 경우, 로봇(300)의 외력 충돌로 판단함이 바람직하다.

또한, 위치제어모듈(160)의 제어부(161)는 로봇(300)의 외력 충돌로 판단될 경우, 해당 로봇(300)에 구비된 모터(350)가 정지되도록 서보 드라이브(200)를 제어함과 아울러 해당 로봇(300)의 외력 충돌 메시지를 생성하여 해당 PLC 시스템(100)에 장착된 CPU 모듈(110)로 전송할 수 있다.

그리고, PLC 시스템(100)에 장착된 CPU 모듈(110)은 위치제어모듈(160)의 제어부(161)로부터 해당 로봇(300)의 외력 충돌 메시지를 제공받아 외부의 사용자에게 시각적(예컨대, 램프 또는 LED 등) 또는 청각적(예컨대, 스피커 등)으로 경고해주도록 특정 경고 신호를 출력할 수 있다.

또한, PLC 시스템(100)에 장착된 CPU 모듈(110)은 위치제어모듈(160)의 제어부(161)로부터 해당 로봇(300)의 외력 충돌 메시지를 제공받아 특정 경고 메시지를 생성하여 기설정된 사용자 단말(미도시)로 전송할 수도 있다.

이때, 상기 사용자 단말은 예컨대, 데스크탑 PC(Personal Computer, PC), 노트북 PC 등 컴퓨터인 것이 일반적이지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 유/무선 통신망을 통하여 PLC 시스템(100)의 CPU 모듈(110)에 접속되어 데이터 송수신할 수 있는 모든 종류의 유무선 통신 장치일 수 있다.

예를 들어, 상기 사용자 단말은 무선 인터넷 또는 휴대 인터넷을 통하여 통신하는 다양한 이동 단말을 포함하고, 이외에도 팜 PC(Palm Personal Computer), 스마트폰(Smart phone), 통신기능이 있는 DMB(Digital Multimedia Broadcasting)폰, 태블릿 PC, 아이패드(iPad) 등 메시지 송수신이 가능한 모든 유무선 가전/통신 장치를 포괄적으로 의미할 수 있다.

한편, 위치제어모듈(160)의 제어부(161)에서는 상기 특정 이득(K1)에 의해 증폭된 모터(350)의 외력 토크값(외력 1)이 기설정된 외력 한계값보다 작을 경우, 상기 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하지 않은 모터(350)의 외력 토크값과 상기 기설정된 외력 한계값의 비교 결과에 따라 로봇의 충돌여부를 판별할 수 있다.

이때, 위치제어모듈(160)의 제어부(161)는 상기 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하지 않은 즉, 밴드 패스 필터(BPF)를 통과하지 않은 모터(350)의 외력 토크값에 기설정된 특정 이득(Gain)(K2)을 적용하여 증폭시킨 후, 상기 특정 이득(K2)에 의해 증폭된 모터(350)의 외력 토크값(외력 2)과 기설정된 외력 한계값을 비교함이 바람직하다.

그리고, 위치제어모듈(160)의 제어부(161)에서는 상기 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하지 않은 상기 특정 이득(K2)에 의해 증폭된 모터(350)의 외력 토크값(외력 2)이 상기 기설정된 외력 한계값보다 크거나 같을 경우, 로봇(300)의 외력 충돌로 판단할 수 있다.

즉, 위치제어모듈(160)의 제어부(161)는 서보 드라이브(200)로부터 입력받은 실제 토크값에서 상기 밴드 패스 필터(BPF)를 사용하여 상기 노치 필터로 필터링 한 주파수 영역만을 추출하고, 상기 추출한 토크값을 토크의 이득인 K1을 적용하여 외력 1로 추정한다.

한편, 상기 노치 필터로 필터링 되지 않은 영역은 토크의 이득인 K2를 적용하여 외력 2로 추정한다. 이와 같이, 서보 드라이브(200)에서 외력의 특정 주파수 영역 부분에 대하여 출력이 필터링 되기 때문에, 상기 외력 1로는 서보 드라이브(200)의 제어를 통해서 발생하는 노이즈(Noise)가 필터링 되어 입력된다. 따라서, 상기 외력 1은 상기 외력 2에 비하여 실제 외력에 가까운 데이터가 입력된다.

다른 한편, 상기 특정 토크의 이득인 K1과 K2의 크기는 로봇(300)에 구비된 모터(350)의 정격출력에 따라 같거나 다르게 설정될 수 있으며, 상기 외력 한계값은 충돌의 민감도에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PLC 시스템에서 운전되는 로봇의 충돌 판별 장치의 동작을 설명하기 위한 전체적인 흐름도이다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, PLC 시스템(100)의 위치제어모듈(160)에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 외력 추정(외력 1 및 외력 2)을 수행한 후(S100), 상기 단계 S100에서 추정된 외력의 토크값인 외력 1과 기설정된 외력 한계값을 비교 판단한다(S200).

상기 단계 S200의 판단 결과, 상기 단계 S100에서 추정된 외력의 토크값인 외력 1이 기설정된 외력 한계값보다 크거나 같을 경우, 외력에 의한 로봇의 충돌이라고 판단하여 서보 드라이브(200)의 정지 즉, 로봇(300)에 구비된 모터(350)의 정지와 같은 충돌에 대한 대응 동작을 수행한다(S300).

그렇지 않고, 상기 단계 S100에서 추정된 외력의 토크값인 외력 1이 기설정된 외력 한계값보다 작을 경우, 기존의 방식과 같이 상기 단계 S100에서 추정된 외력의 토크값인 외력 2와 기설정된 외력 한계값을 비교 판단한다(S400).

상기 단계 S400의 판단 결과, 상기 단계 S100에서 추정된 외력의 토크값인 외력 2가 기설정된 외력 한계값보다 크거나 같을 경우, 상기 단계 S300으로 진행하여 외력에 의한 로봇의 충돌이라고 판단하여 서보 드라이브(200)의 정지 즉, 로봇(300)에 구비된 모터(350)의 정지와 같은 충돌에 대한 대응 동작을 수행한다.

한편, 상기 단계 S100에서 추정된 외력의 토크값인 외력 2가 기설정된 외력 한계값보다 작을 경우, 정상 상태로 판단하여 서보 드라이브(200)의 운전을 계속 수행한다(S500).

전술한 본 발명에 따른 PLC 시스템에서 운전되는 로봇의 충돌 판별 장치에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 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. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (1)

1. 다수의 관절로 구성된 로봇에 장착되며, 상기 로봇에 구비된 모터를 제어하는 서보 드라이브와, 상기 PLC 시스템에 장착된 CPU 모듈로부터 기동 명령을 제공받아 이를 바탕으로 상기 서보 드라이브를 구동하기 위한 목표 위치제어 데이터를 출력하는 위치제어모듈을 포함하는 PLC(Programmable Logic Controller) 시스템에 있어서,
   상기 서보 드라이브는, 상기 위치제어모듈로부터 출력된 목표 위치제어 데이터를 제공받아 기설정된 외력의 특정 주파수 영역을 필터링하여 상기 로봇에 구비된 모터로 제어출력을 전송하고,
   상기 위치제어모듈은, 상기 서보 드라이브로부터 출력된 모터의 실제 토크값을 제공받아 상기 기설정된 외력의 특정 주파수 영역에 해당하는 모터의 외력 토크값을 추출하고, 상기 추출된 모터의 외력 토크값과 기설정된 외력 한계값의 비교 결과에 따라 로봇의 충돌여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 스마트 공장용 피엘씨 시스템 로봇 충돌 판별 장치.
   
   

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