KR20230099273A - 스카라 로봇의 작업 공간상의 직선 궤적을 생성하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일단이 로봇 회전축에 회전 가능하게 결합된 제1 아암을 구동하는 제1 구동부; 및 일단이 제1 아암의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 타단에는 엔드 이펙터가 결합된 제2 아암을 구동하는 제2 구동부를 포함하는 스카라 로봇의 작업 공간상의 직선 궤적을 생성하는 방법으로서, 제1 구동부의 궤적을 생성하는 단계; 제2 구동부의 궤적을 생성하는 단계; 제2 아암의 타단이 직선 이동 경로를 추종하는 제1 구동부 및 제2 구동부의 복수의 궤적 조합을 생성하는 단계; 복수의 궤적 조합이 제1 구동부 및 제2 구동부의 구동 조건을 만족시키지 못하는 경우, 제1 구동부 및 제2 구동부의 궤적 생성 조건을 수정하여 궤적 조합을 재생성하는 단계; 및 재생성된 궤적 조합 중에서 최단 이동 시간 또는 최적의 조건을 만족하는 궤적 조합을 선택하는 단계;를 포함하는 스카라 로봇의 작업 공간상의 직선 궤적을 생성하는 방법에 관한 것이다.

Description

스카라 로봇의 작업 공간상의 직선 궤적을 생성하는 방법{METHOD FOR GENERATING STRAIGHT(LINEAR) TRAJECTORY IN WORKSPACE OF SCARA ROBOT}

본 발명은 스카라 로봇의 작업 공간상의 직선 궤적을 생성하는 방법으로서, 구체적으로, 제1 아암을 구동하는 제1 구동부의 궤적과 제2 아암을 구동하는 제2 구동부의 궤적을 조합하여, 제2 아암의 타단에 결합된 엔드 이펙터가 작업 공간상에서 부드럽고 빠른 직선의 동작을 생성하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 많은 로봇 작업은 고정밀도와 성능의 안정성을 요구한다. 이러한 요구조건을 이행하기 위해 제어기 알고리즘은 로봇 기구학/동역학 방정식에서 연유하는 동적 비선형성(dynamic nonlinearity)을 고려해야 한다.

그러나, 실제적으로 동적 비선형적은 결코 정확히 할 수 없다. 일반적으로 로봇 동적 방정식은 파라미터의 불확실성(parametric uncertainty)과 구조적 불확실성(structural uncertainty)이라는 2가지 형식의 불완전한 지식을 가진다.

그러므로, 이와 같은 불확실성과 미지의 외부 부하에도 불구하고 정확하고 안정된 위치를 조절할 수 있는 제어 전략을 설계하는 것이 특히 중요하다.

대부분 실제적 상황에서 운동 사양(motion specification)은 로봇 작업 공간(robot workspace)에서 표현된다. 결론적으로 탄성적인 환경과 접촉하고 있는 말단장치(end-effector), 비주얼 서보잉 작업(visual servoing task), 장애물과의 충돌 회피 등과 같이 로봇 머니퓰레이터와 외부 환경 사이의 상호작용을 제어하는 것이 중요한 문제가 될 때 작업 공간 제어 기법(task space control scheme)을 개발하는 것이 필요하다.

또한, 관절 공간 제어 기법(joint space control technique)은 경로 계획기가 점들을 적절히 선택하지 않으면 단지 장애물이 없는 자유 구성 공간(free configuration space)에서의 운동 제어로만 사용될 수 있다.

그러므로, 작업 공간 위치 제어의 목적은 머니퓰레이터를 임의의 초기 구성에서 작업 공간 상의 원하는 고정된 말단장치 위치로 이동시키는 것이다. 더욱이, 이러한 운동은 장애물과의 충돌을 회피하면서 달성되어야 한다.

본 발명은 전술한 종래 로봇의 작업 공간 상에서의 직선 궤적을 생성하는 방법의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 구동부의 성능을 최대한으로 활용하여 빠르면서도, 일반적인 궤적 생성 방법들 중에서 생성하고자 하는 궤적에 가까운 궤적을 생성하여서 추종하기 쉬운 궤적을 생성하는 방법을 제공하고자 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 일단이 로봇 회전축에 회전 가능하게 결합된 제1 아암을 구동하는 제1 구동부; 및 일단이 제1 아암의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 타단에는 엔드 이펙터가 결합된 제2 아암을 구동하는 제2 구동부를 포함하는 스카라 로봇의 작업 공간상의 직선 궤적을 생성하는 방법으로서, 제1 구동부의 궤적을 생성하는 단계; 제2 구동부의 궤적을 생성하는 단계; 제2 아암의 타단이 직선 이동 경로를 추종하는 제1 구동부 및 제2 구동부의 복수의 궤적 조합을 생성하는 단계; 복수의 궤적 조합이 제1 구동부 및 제2 구동부의 구동 조건을 만족시키지 못하는 경우, 제1 구동부 및 제2 구동부의 궤적 생성 조건을 수정하여 궤적 조합을 재생성하는 단계; 및 재생성된 궤적 조합 중에서 최단 이동 시간을 만족하는 궤적 조합을 선택하는 단계;를 포함하는 스카라 로봇의 작업 공간상의 직선 궤적을 생성하는 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 제1 구동부 및 제2 구동부의 궤적을 생성하는 단계는, 스카라 로봇의 제1 아암 및 제2 아암의 길이를 고려할 수 있다.

또한, 본 발명의 궤적 조합을 재생성하는 단계는, 생성된 복수의 궤적 조합이 제1 구동부 및 제2 구동부의 구동 조건을 만족하는지 판단하고, 제1 구동부 및 제2 구동부 중 어느 하나의 구동부의 구동 조건을 위반하는 경우, 제1 구동부 및 제2 구동부 중 다른 하나의 구동부의 궤적을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 구동부 및 제2 구동부는 모터이고, 제1 구동부 및 제2 구동부의 구동 조건은, 모터의 회전 최대 속도, 회전 최대 가속도 및 회전 최대 토크 중에서 선택되는 하나 이상의 조합을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 스카라 로봇은, 웨이퍼 또는 LCD 글래스의 이송용으로 사용될 수 있다.

본 발명은 작업 공간 상에서 직선으로 움직이는 구동부의 궤적을 구동부의 성능을 최대한으로 활용하여 빠르면서, 본래 로봇에 적합한 궤적 생성 방법론의 궤적의 특징을 최대한 유지하도록 생성하는 방법론이다. 그 결과 생성된 궤적은 빠르면서도 로봇에 적합하여서 로봇의 성능을 최대한으로 활용할 수 있다.

도 1a은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 스카라 로봇과 도 1b는 스카라 로봇의 주요 구성을 요약하여 도시한 것이다.
도 2는 스카라 로봇에 장착된 엔드 이펙터가 직선으로 구동되는 것을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 스카라 로봇의 일반적인 사다리꼴 모양의 궤적의 예시이다.
도 4는 일반적인 조인트 공간 상에서의 동작 궤적 및 구동부 공간과 작업 공간에서의 경로를 나타낸 것이다.
도 5는 일반적인 작업 공간 상에서의 직선 동작 궤적 및 구동부 공간과 작업 공간에서의 경로를 나타낸 것이다.
도 6는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 방법으로 생성한 작업 공간 상에서의 직선 동작 궤적 및 구동부 공간과 작업 공간에서의 경로를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 기준으로 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명에 따른 스카라 로봇(1)의 작업 공간상의 직선 궤적을 생성하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

설명에 앞서, 여러 실시 형태에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시 형태에서 설명하고, 그 외의 실시 형태에서는 다른 구성 요소에 대해서만 설명하기로 한다.

도 1a은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 스카라 로봇(1)과 도 1b는 이러한 스카라 로봇(1)의 주요 구성을 요약하여 도시한 것이다.

일반적으로, 산업 현장에서 가장 널리 많이 쓰이고 있는 스카라 로봇(1)은 기본적으로 2개의 링크와 2개의 회전축으로 이루어진 2차원 평명상에서 작업하는 로봇을 지칭한다. 실시예에 따라, 높이를 조절하기 위한 추가 구동부와 로봇의 작업단(End Effector)의 방향을 조절하기 위한 회전축들이 추가될 수 있고, 일부 반도체 공정용 로봇의 경우 끝단의 그리퍼가 복수로 구비되고, 개별적으로 회전 각도가 제어될 수도 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 스카라 로봇(1)은 일단이 로봇 회전축에 회전 가능하게 결합된 제1 아암(11)을 구동하는 제1 구동부(21)와, 일단이 전술한 제1 아암(11)의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 타단에는 엔드 이펙터(13)가 결합될 수 있는 제2 아암(12)을 구동하는 제2 구동부(22)를 포함할 수 있다.

도 2는 스카라 로봇(1)에 장착된 엔드 이펙터(13)가 작업공간 상에서 직선으로 구동되는 것을 모식적으로 나타낸 것이다.

일반적으로, 스카라 로봇(1)의 엔드 이펙터(13) 부분의 이동 성능은 제1 아암(11) 및 제2 아암(12)을 포함하는 스카라 로봇 자체의 무게와, 제1 아암(11)을 구동하는 제1 구동부(21) 및 제2 아암(12)을 구동하는 제2 구동부(22)의 성능에 따라서 결정될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 구동부(21, 22)의 성능은, 구동부를 모터로 사용하였을 때, 모터의 회전 최대 속도, 회전 최대 가속도 및 회전 최대 토크 중에서 선택되는 하나 이상의 조합을 포함할 수 있다.

도 3은 스카라 로봇의 일반적인 사다리꼴 모양의 궤적의 예시이다.

일반적으로, 스카라 로봇(1)의 엔드 이펙터(13) 부분을 가능한 빠르게 이동시키기 위해서는 제1 및 제2 구동부(21, 22)의 구동 조건하에서 최적의 동작 궤적(trajectory)을 생성하여야 한다.

또한, 스카라 로봇(1)의 추종 성능이 저하되거나, 웨이퍼 또는 LCD 글래스와 같은 이송물의 손실(damage)를 유발할 수 있는 진동을 감소시키기 위해서는 추종이 용이하면서 부드러운 궤적이 필요하다.

이러한 구동 조건하에서 궤적을 생성하는 방법은 매우 다양할 수 있으며, 개별 로봇의 특성 및 작업에 적합한 궤적 생성 방법을 사용하고 있다.

예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 가장 기본적인 사다리꼴 형태의 궤적 프로파일로 로봇을 구동할 수 있다. 구체적으로, 도 2의 궤적 프로파일은 최대 가속도로 가속 후, 최대속도로 등속 운동후 최대 감속하여서 목표 지점에 가능한 빠르게 도달하는 궤적이다. 한편, 이동거리가 짧은 경우에는 등속 구간이 생략될 수 도 있다. 이러한 도 2의 예시 이외에도 다양한 궤적 생성 방법들이 존재할 수 있으며, 본 발명은 기존의 궤적 생성 방법들에 위배되지 않으면서, 종래의 방법들을 활용하여 스카라 로봇의 엔드 이펙터의 직선 이동 성능을 최대한 활용할 수 있는 동작 궤적을 생성할 수 있다.

도 4는 일반적인 조인트 공간 상에서의 동작 궤적 및 구동부 공간과 작업 공간에서의 경로를 나타낸 것이다.

전술한 바와 같이, 스카라 로봇(1)의 가장 기본적이고 많이 활용되는 작업은 이송 작업으로, 이송 작업을 수행하기 위해서는 스카라 로봇(1)을 움직임은 크게 2가지 경우로 나뉘어질 수 있다.

구체적으로, 첫 번째 경우는 목적 지점까지 가능한 빠르게 이동하는 동작이다. 작업 공간 상에서의 제약 조건없이 정해진 위치로 가능한 빠르게 이동하는 방법은, 구동부의 구동 조건을 만족시키면서 가능한 빠른 궤적을 생성하는 방법이다. 이러한 방법은 로봇의 개별 구동부(21, 22)의 궤적을 각각 생성하고, 개별 구동부가 최종 위치까지 생성된 경로를 추종하여서 이동하는 방법이다. 도 3은 이러한 이동 동작의 구동부 및 작업단의 궤적의 예시를 나타낸다.

두 번째 경우는 작업 공간 상에서 직선 궤적으로 움직이는 동작이다. 이러한 동작은 로봇이 이송물을 정해진 위치에 이송할 때 쓰이는 동작이다. 구체적으로, 이러한 동작은 작업 공간 상의 직선 경로에 대해서 가속도, 최대 속도 등의 작업 공간 상의 제약 조건을 설정하고, 이를 상기의 궤적 생성 방법을 이용하여서 작업 공간 상의 궤적을 생성한다. 이후, 일반적인 역기구학을 통해서 작업 공간의 궤적을 구동부의 궤적으로 변환할 수 있다.

도 5는 일반적인 작업 공간 상에서의 직선 동작 궤적 및 구동부 공간과 작업 공간에서의 경로를 나타낸 것이다.

전술한 방법들은 작업 공간과 구동부 공간 사이의 비선형적인 관계로 인하여, 구동부(21, 22)의 구동 조건을 만족시키는 작업 공간의 궤적을 생성하는 데 필요한 제약조건(최대 속도 및 가속도 등)은 동작의 시작지점과 종료지점에 따라 다르고 적절한 값을 찾는데 많은 노력이 요구된다. 또한, 이러한 관계는 직관적이지 못하고, 구동부(21, 22)의 성능을 최대한으로 활용하지 못한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 개별 구동부(21, 22)는 순간적으로 최대 속도로 움직이지만, 구동부(21, 22)의 최대 속도를 유지하지 못하기 때문에 궤적의 시간이 길어지게 된다.

또한, 일반적으로 궤적 생성 방법론은 생성된 궤적이 원하는 성능(최단 시간 등)과 특성(저진동 등)을 가지도록 궤적을 생성한다. 이와 같이 생성된 직선 공간 궤적이 역기구학을 통해서 구동부 공간으로 비선형적인 변환이 이루어지면, 본래 의도했던 궤적의 특징들이 상실되고, 이는 로봇의 성능 저하로 이어진다.

따라서, 종래의 작업 공간 상의 궤적 생성 방법으로 생성된 구동부의 궤적은 일반적으로 궤적 생성 방법론에서 목표로 하는 궤적과 많이 차이가 있어서 구동부의 성능을 최대한으로 활용하기 어렵고, 제어 알고리즘에 의한 그 추종 또한 어렵다.

도 6는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 방법으로 생성한 작업 공간 상에서의 직선 동작 궤적 및 구동부 공간과 작업 공간에서의 경로를 나타낸 것이다.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 직선 궤적을 생성하는 방법은, 작업 공간 상에서의 직선 동작을 구동부 공간에서 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 아암(11) 및 제2 아암(12)의 길이가 같은 스카라 로봇(1)의 경우 작업 공간 상에서의 직선 운동의 각각의 구동부(21, 22)에서의 궤적은 각각 단순 증가/감소 또는 2회의 단순 증가/감소 조합으로 제한될 수 있다. 이러한 구동부(21, 22) 궤적의 조합은 스카라 로봇(1)의 기구학과 작업 공간상에서의 궤적을 통해서 계산될 수 있다.

구체적으로, 개별 구동부(21, 22)마다 각각 구동부(21, 22)의 궤적을 개별 구동부(21, 22)의 제약 조건을 고려하여서 최적의 궤적을 생성한다. 이러한 궤적은 개별 구동부(21, 22)에서는 구동 조건을 만족하며 해당 동작에 대한 최적의 궤적이 될 수 있다. 이 때, 제1 구동부 및 제2 구동부(21 또는 22) 중 하나의 궤적에 대해서, 다른 구동부는 스카라 로봇(1)의 제1 아암(11) 및 제2 아암(12)의 길이를 고려할 수 있고, 작업 공간 상에서의 직선 경로를 추종하도록 새로운 형태의 기구학을 이용하여 그 궤적을 연산할 수 있다. 이 때, 연산된 제1 구동부(21)와 제2 구동부(22)의 궤적 조합 중에서, 제1 구동부(21) 및 제2 구동부(22) 중 어느 하나의 구동부의 궤적이 그 구동 조건을 위반하는 경우, 다른 하나의 구동부의 궤적을 보정하여 재연산을 통해 구동 조건을 만족시킬 수 있다.

최종적으로, 스카라 로봇(1)의 생성된 복수의 궤적 조합 중에서 이동 시간이 최단으로 이루어지는 궤적 조합 또는 원하는 최적의 조건을 만족시키는 궤적 조합을 선택할 수 있다.

도 6에 도시된 본 발명의 일 실시 형태에 따른 궤적은, 도 5의 궤적과 같은 시작점과 종료점을 작업 공간 상에서 직선으로 이동하는 궤적이다. 도 6에 기재된 궤적과 도 5를 비교하면, 적어도 하나의 구동부의 성능을 최대한으로 활용, 예를 들어, 최대 속도로 크루징하거나, 최대 가속 활용할 수 있기 때문에, 궤적의 시간이 더욱 짧아지는 것을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 궤적은 적어도 하나의 구동부의 궤적이 궤적 생성 방법에서 목표하는 궤적으로 생성되기 때문에, 최적의 성능과 경향에 더욱 가깝게 일치하는 것을 확인할 수 있다.

전술한 설명들을 참고하여, 본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 지금까지 전술한 실시 형태는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 상기 실시 형태들에 한정하기 위한 것이 아님을 이해하여야만 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 스카라 로봇
11 제1 아암
12 제2 아암
13 엔드 이펙터
21 제1 구동부
22 제2 구동부
23 추가 구동부

Claims (5)

1. 일단이 로봇 회전축에 회전 가능하게 결합된 제1 아암을 구동하는 제1 구동부; 및 일단이 상기 제1 아암의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 타단에는 엔드 이펙터가 결합된 제2 아암을 구동하는 제2 구동부를 포함하는 스카라 로봇의 작업 공간상의 직선 궤적을 생성하는 방법으로서,
   상기 제1 구동부의 궤적을 생성하는 단계;
   상기 제2 구동부의 궤적을 생성하는 단계;
   상기 제2 아암의 타단이 직선 이동 경로를 추종하는 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부의 복수의 궤적 조합을 생성하는 단계;
   상기 복수의 궤적 조합이 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부의 구동 조건을 만족시키지 못하는 경우, 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부의 궤적 생성 조건을 수정하여 궤적 조합을 재생성하는 단계; 및
   상기 재생성된 궤적 조합 중에서 최단 이동 시간 또는 최적의 조건을 만족하는 궤적 조합을 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스카라 로봇의 작업 공간상의 직선 궤적을 생성하는 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부의 궤적을 생성하는 단계는, 상기 스카라 로봇의 제1 아암 및 제2 아암의 길이를 고려하는 것을 특징으로 하는 스카라 로봇의 작업 공간상의 직선 궤적을 생성하는 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 궤적 조합을 재생성하는 단계는, 생성된 복수의 궤적 조합이 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부의 구동 조건을 만족하는지 판단하고, 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부 중 어느 하나의 구동부의 구동 조건을 위반하는 경우, 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부 중 다른 하나의 구동부의 궤적을 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스카라 로봇의 작업 공간상의 직선 궤적을 생성하는 방법.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부는 모터이고,
   상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부의 구동 조건은, 상기 모터의 회전 최대 속도, 회전 최대 가속도 및 회전 최대 토크 중에서 선택되는 하나 이상의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 스카라 로봇의 작업 공간상의 직선 궤적을 생성하는 방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 스카라 로봇은, 웨이퍼 또는 LCD 글래스를 이송용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 스카라 로봇의 작업 공간상의 직선 궤적을 생성하는 방법.

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