KR20230139346A

KR20230139346A - 산업 로봇의 하이브리드 위치 힘 제어 프로세스 및 시스템

Info

Publication number: KR20230139346A
Application number: KR1020230037976A
Authority: KR
Inventors: 루크 졸리
Original assignee: 스또블리 파베르쥬
Priority date: 2022-03-25
Filing date: 2023-03-23
Publication date: 2023-10-05
Also published as: CN116803630A; FR3133931A1; US20230302642A1; EP4249182A1

Abstract

산업 로봇의 시스템 및 하이브리드 위치 힘 제어 프로세스
산업 로봇을 제어하는 본 프로세스는,
타깃 궤적 및 동작 모드에 따라 관절력 및/또는 속도를 정의하는 시간-종속 복합 설정점을 계산하는 단계(S104),
계산된 복합 설정점이 적용되어야 하는 방향을 정의하는 로봇 아암의 원하는 거동을 설명하는 거동 행렬을 계산하는 단계(S106),
축 제어기 모듈을 제어하기 위한 관절력 설정점을 계산하고, 관절 위치에서 균일한 내부 상태의 시간 도함수를 계산하는 단계(S108)로 구성된 단계들을 포함한다.
축 제어기 모듈을 제어하기 위한 관절력 설정점은 내부 상태의 상기 시간 도함수를 적분함으로써 결정되는 내부 상태와 관절 위치 사이의 차이를 조정하는 제어 기능으로부터 계산된다.

Description

산업 로봇의 하이브리드 위치 힘 제어 프로세스 및 시스템 {SYSTEMS AND HYBRID POSITION FORCE CONTROL PROCESSES OF AN INDUSTRIAL ROBOT}

본 발명은 산업 로봇에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 수동으로 안내될 수 있는 산업 로봇을 제어하기 위한 시스템 및 프로세스에 관한 것이다.

로봇 아암과 같은 산업 로봇은 작업자가 로봇에 직접 작용할 수 있는 작업자 직접 협업 애플리케이션에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 이러한 것은 예를 들어, 특히 외과 애플리케이션 또는 특정 산업 제조 프로세스의 경우이다.

작업자는 예를 들어, 로봇 아암의 일부를 조작하고 이동시켜 로봇에 직접 작용한다. 이러한 모션은 로봇의 센서에 의해 검출된다. 이러한 피드백에 따라, 로봇 제어 시스템은 그에 따라 로봇 모터로 송신되는 설정점을 수정하여, 예를 들어, 작업자가 선택한 위치에서 로봇 아암을 가져오거나 유지하거나, 작업자에 의해 로봇의 수동 움직임을 수반한다.

일반적으로, 로봇의 "수동" 안내 성능은 로봇이 이동될 수 있는 용이성(투명성), 작업자의 작용 하에서 탄성의 부재(강성) 그리고 로봇이 프로그래밍에 의해 또는 사용자에 의해 부과된 제한 위치에 도달할 때 평가되는 안정성과 같은 다양한 기준에 의해 측정될 수 있다.

현재 이용 가능하고 알려진 로봇 제어 솔루션 중 어느 것도 종종 조정하기 어려운 3개의 기준을 충족하는 결과를 달성할 수 없다.

실제로, 실시 중에, 만족스러운 강성과 투명성을 가진 로봇은 불충분한 안정성을 가질 것인데, 그 이유는 로봇이 작업자의 작용 하에 영향을 미치는 환경의 강성 요소와 접촉할 때 바운싱(bouncing)되기 때문이다.

따라서, 로봇이 적어도 부분적으로 수동으로 안내되어야 할 때 개선된 성능으로 안내를 사용하는 산업 로봇을 제어하기 위한 시스템 및 프로세스가 필요하다.

다른 양태에 따르면, 본 발명은 산업 로봇용 제어 프로세스에 관한 것으로, 로봇은,

이동 축 주위 또는 이동 축을 따라 로봇 아암의 다른 부분에 대해 로봇 아암의 부분을 각각 이동시키는 경향이 있는 적어도 2개의 전기 액추에이터를 포함하는 다축(multi-axis) 로봇 아암으로서, 각각의 전기 액추에이터는 대응하는 액추에이터의 관절 위치를 측정하도록 구성된 센서와 연관되는, 다축 로봇 아암,

관절력 설정점에 따라 액추에이터에 적절한 전류를 전달하는 전력 유닛에 대한 제어 설정점을 계산하도록 구성된 축 제어기 모듈 및 축 제어기 모듈에 대한 관절력 설정점을 결정하도록 구성되고 축 제어기 모듈에 커플링된 계산 모듈을 포함하는 로봇 제어 시스템을 포함하고,

제어 프로세스는,

타깃 궤적 및 동작 모드에 따라 관절력 및/또는 속도를 정의하는 시간-종속 복합 설정점을 계산하는 단계,

계산된 복합 설정점이 적용되어야 하는 방향을 정의하는 로봇 아암의 원하는 거동을 설명하고, 관절 공간에서 표현되는 거동 행렬을 계산하는 단계,

축 제어기 모듈을 제어하기 위한 관절력 설정점을 계산하고, 관절 위치에서 그리고 측정된 관절 위치로부터 떨어져서 균일한 내부 상태의 시간 도함수를 계산하는 단계로서, 축 제어기 모듈을 제어하기 위한 관절력 설정점의 계산 및 시간 도함수의 계산은 각각 이전에 계산된 복합 설정점, 이전에 계산된 거동 행렬, 측정된 관절 위치, 측정된 관절 위치로부터 도출된 관절 속도, 및 이전에 계산된 내부 상태에 따라 수행되는, 계산하는 단계를 포함하고,

축 제어기 모듈을 제어하기 위한 관절력 설정점은 관절 위치와 내부 상태 사이의 차이를 조정하는 제어 기능으로부터 계산되고, 내부 상태는 내부 상태의 상기 시간 도함수를 적분함으로써 결정된다.

일부 실시예에서, 제어 기능은 비례-적분-미분 제어기(proportional-integral-derivative controller)이다.

일부 실시예에서, 관절력 설정점 및 내부 상태의 시간 도함수는

의 미분 식의 시스템의 해이고,

q_mv는 상기 내부 상태에 대응하는 함수이고, 는 내부 상태의 시간 도함수이고, τ는 관절력 설정점이고, Y는 거동 행렬이고 u는 복합 설정점이고, Kp, Ki 및 Kd는 이득이고, Ki 및/또는 Kd는 이득 행렬이다.

일부 실시예에서, 전기 액추에이터는 브러시리스(brushless) 전기 모터를 포함하고, 축 제어기 모듈은 대응하는 센서에 의해 측정된 관절 위치에 따라 액추에이터에 대한 공급 전류를 계산하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 축 제어기 모듈은 관절력 설정점에 따라 전력 유닛에 대한 제어 설정점을 계산하기 위해 다축 힘 센서에 의해 측정된 힘을 고려한다.

일부 실시예에서, 로봇은 로봇 아암의 단부에 배치된 이펙터(effector)를 포함하고, 계산 모듈은 로봇 아암의 단부에 장착된 힘 센서에 의해 측정된 다차원 외력을 고려하기 위해, 이펙터의 중량을 계산하는 중력 보상기 및 관절 위치로부터 변환 행렬을 계산하고 이펙터의 중량 및 관절 변환 행렬을 축 제어기 모듈로 송신하는 카티션(Cartesian) 관절 변환기를 포함한다.

일부 실시예에서, 계산 모듈은 제1 주파수로 복합 설정점 및 거동 행렬을 계산하고, 제1 주파수보다 높은 제2 주파수로 축 제어기 모듈을 제어하기 위한 관절력 설정점을 계산한다.

일부 실시예에서, 제2 주파수는 제1 주파수보다 2배 내지 20배 더 높고, 바람직하게는 제1 주파수보다 5배 내지 10배 더 높으며, 더 바람직하게는 제1 주파수보다 8배 더 높다.

일부 실시예에서, 계산 모듈은 로봇 아암의 단부에 장착된 다축 힘 센서에 의해 제1 주파수에서 측정된 힘을 고려하기 위해, 이펙터의 중량을 계산하는 중력 보상기 및 관절 위치로부터 관절 변환 행렬을 계산하고 이펙터의 중량 및 변환 행렬을 축 제어기 모듈로 송신하는 카티션 관절 변환기를 포함한다.

일부 실시예에서, 중앙 유닛은 복합 설정점 및 거동 행렬의 계산을 구현하고, 보조 유닛은 관절력 설정점 및 축 제어기 모듈의 계산을 구현하고, 중앙 유닛 및 보조 유닛은 데이터 버스에 의해 통신한다.

일부 실시예에서, 전기 액추에이터는 브러시리스 전기 모터를 포함하고, 중앙 유닛은 복합 설정점 및 거동 행렬의 계산, 관절력 명령의 계산 및 힘 및 속도 루프에 의해 전류 루프를 제어하기 위한 전류 루프 설정점의 계산을 구현하고, 중앙 유닛과 통신하는 복수의 증폭기는 전류 루프를 제어하기 위한 설정점에 따라 모터에 전류를 공급하는 경향이 있다.

일부 실시예에서, 복합 설정점 및 거동 행렬의 계산은 내부 상태를 고려한다.

다른 양태에 따르면, 본 발명은 산업 로봇용 제어 시스템에 관한 것으로, 로봇은,

이동 축 주위 또는 이동 축을 따라 로봇 아암의 다른 부분에 대해 로봇 아암의 부분을 각각 이동시키는 경향이 있는 적어도 2개의 전기 액추에이터를 포함하는 다축 로봇 아암으로서, 각각의 전기 액추에이터는 대응하는 액추에이터의 관절 위치를 측정하도록 구성된 센서와 연관되는, 다축 로봇 아암,

관절력 설정점에 따라 액추에이터에 적절한 전류를 전달하는 전력 유닛의 제어 설정점을 계산하도록 구성된 축 제어기 모듈 및 축 제어기 모듈에 대한 관절력 설정점을 결정하도록 구성되고 축 제어기 모듈들에 커플링된 계산 모듈을 포함하는 로봇 제어 시스템을 포함하고,

제어 시스템은,

타깃 궤적 및 동작 모드에 따라 관절력 및 속도를 정의하는 시간-종속 복합 설정점을 계산하고,

계산된 복합 설정점이 적용되어야 하는 방향을 정의하는 로봇 아암의 원하는 거동을 설명하는 거동 행렬을 계산하고, 거동 행렬은 관절 공간에서 표현되고,

축 제어기 모듈을 제어하기 위한 관절력 설정점을 계산하고, 관절 위치에서 그리고 측정된 관절 위치로부터 떨어져서 균일한 내부 상태의 시간 도함수를 계산하고, 축 제어기 모듈을 제어하기 위한 관절력 설정점의 계산 및 시간 도함수의 계산은 각각 이전에 계산된 복합 설정점, 이전에 계산된 거동 행렬, 측정된 관절 위치, 측정된 관절 위치로부터 도출된 관절 속도, 및 이전에 계산된 내부 상태에 따라 수행되도록 구성된 모듈들을 포함하고,

다른 양태에 따르면, 본 발명은 산업 로봇의 이러한 제어 시스템을 포함하고 설명된 바와 같은 제어 프로세스를 구현하도록 적응된 산업 로봇에 관한 것이다.

본 발명은 단지 예로서 주어지고 첨부된 도면을 참조하여 이루어진 이하의 설명에 비추어 더 잘 이해될 것이며 그의 다른 이점은 보다 명확하게 나타날 것이다.
도 1은 제1 실시예에 따라 본 발명에 따른 산업 로봇을 구조적 블록으로 개략적으로 도시한다.
도 2는 제1 실시예에 따라 도 1에 도시된 산업 로봇의 기능 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제어 시스템을 예시하는 합성 블록도이다.
도 4는 로봇 유닛 사이의 데이터 통신을 예시하는 블록도이다.
도 5는 부하 및 속도 루프의 상세 사항을 도시하는 기능도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 산업 로봇을 제어하기 위한 프로세스를 개략적으로 도시한다.
도 7은 제2 실시예에 따른 산업의 기능 블록도이다.
도 8은 제2 실시예에 따라 도 7에 도시된 산업 로봇의 기능 블록도이다.

도 1은 산업 로봇(2)의 예를 도시한다.

로봇(2)은 다축 로봇 아암(4)을 포함한다. 로봇 아암(4)은 회전 축에 대해 쌍으로 관절 연결된 예를 들어, 복수의 세그먼트를 포함한다.

로봇 아암(4)은 로봇 아암(4)의 단부에 배치되는 제어 가능한 도구와 같은 이펙터(6)를 포함할 수 있다.

로봇 아암(4)은 도 1에 도시된 예에서 M1, M2, M3, M4, M5 및 M6으로 표기된(그리고 이하 M1 내지 M6으로 표기) 복수의 전기 액추에이터를 포함한다. 각각의 전기 액추에이터는 회전 축 중 하나와 같은 이동 축 주위의 로봇 아암(4)의 다른 부분에 대해 로봇 아암(4)의 일부를 회전 또는 병진시키는 경향이 있다.

각각의 전기 액추에이터(M1 내지 M6)는 동기식 브러시리스 전기 모터 또는 임의의 다른 적절한 전기 모터와 같은 전기 모터를 포함한다.

로봇(2)은 도 1에 도시된 예에서 C1, C2, C3, C4, C5 및 C6으로 표기된(이하, C1 내지 C6으로 표기) 복수의 센서를 추가로 포함한다.

각각의 전기 액추에이터 M1 내지 M6은 센서 C1 내지 C6과 연관된다. 각각의 센서 C1 내지 C6은 전기 액추에이터의 관절 위치를 측정하도록 구성된다. 센서 C1 내지 C6은 예를 들어, 회전 인코더와 같은 각도 센서이다. 관절 위치는 예를 들어, 관절의 각도 위치에 대응한다.

바람직하게는, 로봇(2)은 6-축 로봇이다. 따라서, 로봇 아암(4)은 6 자유도를 갖고 6개의 전기 액추에이터 M1 내지 M6 및 6개의 센서 C1 내지 C6을 포함한다.

로봇(2)은 제어 시스템(8)을 추가로 포함한다.

도 1, 2 및 3에 도시된 제1 실시예에서, 제어 시스템(8)은

- 중앙 유닛(5),

- 보조 유닛(7) 및

- 6 개의 전력 유닛(15)을 포함한다.

본 설명에서 정의되는 바와 같이, "관절의(articular)"라는 용어는 로봇 아암(4)의 각각의 관절의 (각도) 위치 또는 로봇의 각각의 액추에이터 M1 내지 M6의 현재 (각도) 위치를 지칭한다. "관절력"이라는 표현은 로봇 아암의 각각의 관절 또는 각각의 액추에이터 M1 내지 M6 상에서 제어되는 힘을 지칭한다.

통상적으로, 공간 위치는 카티션(Cartesian) 공간 또는 관절 공간에서 정의되며, 여기서 로봇 아암의 각각의 관절의 관절 위치가 표현된다.

설명에서, "힘"이라는 용어는 기계적 힘 또는 토크를 지칭한다.

중앙 유닛(5)은 데이터 버스(18), 특히 필드 버스와 같은 데이터 링크를 통해 보조 유닛(7)과 통신한다.

실제로, 보조 유닛(7)은 전기 도전체(16)를 통해 액추에이터 M1 내지 M6에 적절한 전류를 전달하는 전력 유닛(15)에 전기적으로 연결된다.

전력 유닛(15)은 전원에 커플링된 제어 가능한 스위치를 포함하는 디바이스이며 전력 유닛 제어 설정점이라고 하는 스위치로부터의 제어 신호에 따라 모터 위상의 전류를 생성하는 경향이 있다. 디바이스는 모터의 위상 전류를 측정하기 위한 센서를 포함한다. 이러한 전류 측정치는 피드백을 통해 전력 유닛(15)의 제어 가능한 스위치의 제어를 적응시키기 위해 서보-제어로 송신된다.

제어 시스템(8)은 전자 카드와 같은 데이터 취득 인터페이스(14)를 추가로 포함한다. 데이터 취득 인터페이스(14)는 센서 C1 내지 C6에 연결되고 센서 C1 내지 C6에 의해 측정된 데이터를 수신하도록 구성된다.

센서 C1 내지 C6은 예를 들어, EnDat 프로토콜 또는 동등한 프로토콜과 같은 산업용 통신 프로토콜과 호환되는 통신 링크에 의해 취득 인터페이스(14)에 연결된다.

데이터 취득 인터페이스(14)는 데이터 버스(18), 특히 필드 버스와 같은 데이터 링크에 의해 중앙 프로세싱 유닛(5) 및 보조 유닛(7)에 연결된다.

바람직하게는, 데이터 버스(18)는 EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology) 통신 프로토콜과 호환 가능하다.

제어 시스템(8)의 구성 요소는 유리하게는 제어 캐비넷에서 함께 그룹화될 수 있다. 대안적으로, 데이터 취득 인터페이스(14)는 액추에이터 M1 내지 M6 및 센서 C1 내지 C6과 같이 로봇 아암에 배치될 수 있다. 중앙 유닛(5), 보조 유닛(7) 및 전력 유닛(15)은 도 1에서 점선으로 도시된 제어 캐비넷(35)에 배치될 수 있다.

선택적으로, 로봇 아암(4) 사이에 배치된 다축 힘 센서(20)는 예를 들어, 데이터 버스(18)를 통해 중앙 유닛(5)과 보조 유닛(7)에 연결될 수 있다.

바람직하게는, 다축 힘 센서(20)는 로봇 아암(4)의 단부와 이펙터(6) 사이에 배치된다. 바람직하게는, 다축 힘 센서(20)는 적어도 6개의 측정 디바이스, 예를 들어, 테스트 몸체에 견고하게 부착된 피에조(piezo)-저항 스트레인 게이지로 구성된다. 정규 카티션 기준 시스템과 반드시 정렬되지는 않는 디바이스의 기하학적 배열은 동일하게 생성하는 측정의 선형 조합에 의해 완전한 힘 스크류를 재구성하는 데 사용될 수 있다.

다축 힘 센서(20)는 다차원 외력(F_s)을 제공하도록 구성된다.

그러나, 일부 변형에서, 로봇 아암에 가해지는 외력은 액추에이터의 전류를 측정하여 결정될 수 있다. 그 후, 다축 힘 센서(20)의 기능은 제어 시스템(8)에 의해 전자적으로 사용되는 분석 모듈로 대체될 수 있다.

산업 로봇(2)와 유사한 산업 로봇(2')을 참조하는 도 7에 부분적으로 예시된 제2 실시예에서, 제어 시스템(8)은 중앙 유닛(5') 및 6개의 증폭기(4)를 포함한다. 중앙 유닛(5)은 데이터 버스(18), 특히 필드 버스와 같은 데이터 링크를 통해 증폭기(4)와 통신한다.

각각의 증폭기(4)는 액추에이터 M1 내지 M6 중 하나에만 그리고 센서 C1 내지 C6 중 하나에만(본 경우에서는, 상기 액추에이터와 연관된 센서에) 연결된다. 각각의 증폭기는 보조 유닛(7') 및 전력 유닛(15)을 포함한다. 따라서, 각각의 증폭기(4)는 상술한 바와 같이 전력 유닛(15)을 통해 대응하는 액추에이터 M1 내지 M6에 연결된다.

도 7을 단순화하기 위해, 각각 액추에이터 M1 및 M2와 연관되고 센서 C1 및 C2와 연관된 처음 2개의 증폭기(4)만이 예시된다.

도 4에 도시된 예에서 예시된 바와 같이 상이한 실시예에서, 데이터 버스(18)는 중앙 유닛, 보조 유닛, 데이터 취득 인터페이스(14) 및 다축 힘 센서(20)와 같은 상이한 장비가 동기화하여 또는 주기적으로 송신된 데이터 프레임(30)을 순환시킴으로써 통신할 수 있게 한다.

바람직하게는, 통신은 일방향으로 수행되지만, 교차 통신을 가능하게 한다.

중앙 프로세싱 유닛은 예를 들어, 데이터 버스 상에서 "마스터"로서의 역할을 하고 연결된 다른 장비는 "슬레이브"로서의 역할을 한다. "슬레이브" 장비는 각각의 데이터 프레임에 포함된 데이터를 판독하고 데이터 프레임의 통과 동안 데이터 프레임에 데이터를 추가할 수 있으며, 데이터 프레임은 각각의 통신 사이클의 끝에서 중앙 유닛으로 피드백된다.

도 4에 예시된 바와 같이, 그리고 제1 실시예에 있어서, 중앙 유닛(5)은 데이터 취득 인터페이스(14)에 먼저 도달하는 데이터 프레임(30)을 송신한다. 데이터 취득 인터페이스(14)는 액추에이터 M1 내지 M6의 관절 위치 q_r과 같은 데이터로 데이터 프레임(30)을 완성한다. 그 후, 데이터 프레임은 다축 힘 센서(20)에 도달한다. 다축 힘 센서(20)는 측정된 다차원 외력 F_s로 데이터 프레임을 보완한다. 그 후, 데이터 프레임(30)은 전기 액추에이터 M1 내지 M6의 관절 위치 q_r 및 방금 데이터 프레임(30)에 기입된 측정된 다차원 외력 F_s를 판독할 수 있는 보조 유닛(7)에 도달한다. 그 후, 데이터 프레임(30)은 전기 액추에이터 M1 내지 M6의 관절 위치 q_r 및 측정된 다차원 외력 F_s를 판독할 수 있는 중앙 유닛(5)에 도달한다. 변형에서, 중앙 프로세싱 유닛(5)은 상이한 주파수에서 주기적 통신을 구현할 수 있다. 높은 주파수로 송신되는 특정 데이터 프레임(30)은 전기 액추에이터 M1 내지 M6의 관절 위치 q_r을 전달하는 데 전용될 수 있는 반면, 낮은 주파수로 송신되는 특정 데이터 프레임(30)은 측정된 다차원 외력 F_s를 전달하는 데 전용될 수 있다.

이러한 동작은 EtherCAT(EtherCAT Automation Protocol) 프로토콜과 호환 가능한 통신 프로세스에서 특히 유리하다.

도 3은 로봇(2)이 제어 시스템(8)에 의해 제어되는 방식을 특정한다. 도 3에서, 로봇(2)의 제어 기능은 단순화된 블록도(40)에 의해 표현되며, 본 발명의 이해에 필수적인 기능만이 예시되고 상세히 설명된다.

제어 시스템(8)은 애플리케이션 프로그램 실행 모듈(모듈(42)), 궤적 생성기(모듈(44)) 및 임피던스 관리자(모듈(46))를 구현한다.

애플리케이션 프로그램 실행 모듈(42)은 예를 들어, 비동기식 제어의 형태로 궤적 생성기(44)에 명령을 어드레싱한다.

애플리케이션 프로그램 실행 모듈(42)은 또한 임피던스 관리자(46)에 대한 적절한 동작 모드를 선택하기 위해 사용될 수 있다. 힘 제어 하의 동작 모드, 예를 들어, 위치 제어 하의 동작 모드, 또는 힘 제어 및 위치 제어를 혼합한 하이브리드 동작 모드 또는 임피던스 제어 하의 동작 모드가 선택될 수 있다.

애플리케이션 프로그램 실행 모듈(42)은 또한 상태 정보를 사용자에게 반환할 수 있다.

궤적 생성기(44)는 높은-레벨의 명령(예를 들어, 공간에서 주어진 목적지까지 직선으로 이동하라는 명령)을 수신하고, 예를 들어, 로봇 아암(4)과 연관된 카이네매틱(kinematic) 모델을 적용하고, 적절한 경우 감속 기어 및 임의의 기계적 커플링과 같은 기계적 제약을 고려함으로써 명령을 연속적인 관절 또는 카티션 위치로 변환한다.

궤적 생성기(44)는 또한 유사한 방식으로 (한 값에서 다른 값으로 점진적으로 변화하는 주어진 방향에서의 힘과 같은) 힘 궤적을 생성할 수 있다. 바람직하게는, 위치와 힘 궤적은 동기화된다.

임피던스 관리자(46)는 로봇에 정의된 거동을 제공하기 위해, 예를 들어, 카티션 공간에서의 궤적을 따르기 위해 관절 제어를 생성한다.

이러한 제어는 바람직하게는 애플리케이션 프로그램 실행 모듈(42)에 의해 공급되는 동작 모드 정보를 사용하여 생성되지만, 무엇보다도 또한 (위치 및 속도와 같은) 이동 설정점 및/또는 동기식 힘 설정점에 따라, 그리고 이하 더욱 상세하게 설명되는 q_mv로 표기되는 수량에 따라 생성된다.

임피던스 관리자(46)에 의해 생성된 관절 제어는 "u"로 표기되는 복합 힘 및/또는 속도 설정점 및 Y로 표기되는 거동 행렬을 포함한다. Y는 예를 들어, n 차원의 정사각 행렬이고 u는 n 차원의 벡터이며, n은 로봇의 액추에이터 개수이다. 거동 행렬 Y는 복합 설정점 u가 적용되어야 하는 방향을 정의하는 로봇 아암의 원하는 거동을 설명한다. 거동 행렬 Y의 계수는 시간-종속 함수일 수 있다. 마찬가지로, 복합 설정점 u는 시간에 따를 수 있다.

변형에서, 복합 설정점 u는 2개의 별개의 변수로 분리될 수 있으며, 한편으로는 속도 설정점이고 다른 한편으로는 힘 설정점이다. 그러나, 동일한 것을 단일 변수로 그룹화하는 것은 물리적 구현에서 구성 요소 간의 데이터 교환을 제한한다.

본 설명에서, "임피던스"라는 용어는 로봇 아암(4)의 기계적 임피던스를 지칭한다. 사실, 제어 방법의 목적 중 하나는 로봇 아암(4)이 외부 힘을 받을 때, 예를 들어, 로봇 아암이 장애물을 만나거나 사용자가 (예를 들어, 로봇을 수동으로 안내하기 위해) 로봇 아암에 수동 힘을 가할 때 로봇 아암(4)의 거동 및 반응을 제어하는 것이다.

로봇의 기계적 임피던스는 외부의 기계적 힘에 대한 로봇 아암(4)의 반응을 특징화한다. 제로(또는 거의 제로) 임피던스는 로봇에 힘을 가하려고 시도하는 즉시 로봇이 자유롭게 움직이는 것을 의미한다. 무한(또는 매우 큰) 임피던스는 인가된 외력에 관계없이 로봇 아암이 정지 상태를 유지함을 의미한다. 로봇의 임피던스는 예를 들어, 특정 방향에서는 매우 높은 임피던스를 선택하고 다른 방향에서는 낮은 임피던스를 선택함으로써, 공간에서의 상이한 방향에 대해 상이하게 선택될 수 있다.

일반적으로, 로봇의 제어 시스템(8)은 타깃 궤적 및 선택된 동작 모드에 따라 관절력 및 속도를 정의하는 시간-종속 복합 설정점 u를 계산하고, 계산된 복합 설정점 u가 적용되어야 하는 방향을 정의하는 로봇 아암의 원하는 거동을 설명하는 거동 행렬 Y를 계산하도록 구성된다. 이러한 계산은 주기적으로 반복된다.

제어 시스템(8)은 복합 설정점 u 및 임피던스 관리자(46)에 의해 생성된 거동 행렬 Y뿐만 아니라 센서 C1 내지 C6으로부터 획득된 로봇의 관절 위치 및 속도(각각 q_r 및 로 표기)를 수신하는 관절 임피던스 제어기(모듈(48))를 추가로 포함한다.

이러한 정보에 기초하여, 관절 임피던스 제어기(48)는 로봇이 임피던스 관리자에 의해 생성된 거동 행렬 Y 및 복합 설정점 u에 의해 정의된 거동을 따르도록 관절력 설정점("τ"로 표기)을 생성하도록 구성된다. 또한, 관절 임피던스 제어기(48)는 계산 목적으로 사용될 내부 및 가상 관절 위치 설정점에 비교될 수 있지만 실제 관절 위치 q_r과는 상이한 내부 상태에 대응하는 수량 q_mv를 생성 및/또는 업데이트한다.

제어 시스템(8)은 최종적으로 축 제어기 모듈(12)을 포함한다.

축 제어기 모듈(12)은 인가된 힘이 관절 임피던스 제어기(48)로부터 수신된 관절력 설정점 τ를 따르도록 액추에이터를 제어하는 하나 또는 복수의 제어 루프를 구현한다. 축 제어기 모듈(12)은 힘 및 속도 제어를 제공하고 로봇 아암(4) 및 이펙터(6)의 중력 보상을 고려할 수 있는 전류 루프 제어 설정점 τ_cmd를 생성하는 힘 및 속도 루프(61)를 포함한다. 관절 속도 은 예를 들어, 로봇의 위치 q_r의 수치 미분에 의해 획득된다. 실제로, 로봇의 위치 및 관절 속도(qr 및 )뿐만 아니라 모든 관절력은 상이한 관절 또는 액추에이터에 대응하는 계수의 벡터 형태를 가질 수 있다.

요약하면, 로봇 제어 시스템은 이에 의해 관절 위치에서, 그러나 실제 관절 위치 q_r과는 상이한 관절 위치에서 균일한 내부 상태 q_mv의 시간 도함수 및 축 제어기 모듈을 제어하기 위한 관절력 설정점 τ를 계산하도록 구성되며, 이러한 계산은 상기 이전에 계산된 복합 설정점 u, 상기 이전에 계산된 거동 행렬 Y, 상기 측정된 관절 위치 q_r, 측정된 관절 위치 q_r로부터 도출된 관절 속도 및 내부 상태 q_mv에 따라 수행된다.

로봇(2)은 사용자로부터 오는 제어 및 명령을 취득하고 로봇(2)의 내부 상태 및/또는 동작 파라미터에 대한 정보와 같은 정보를 사용자에게 표시하거나 송신하기 위한 인간-기계 인터페이스(HMI: human-machine interface)(52)를 유리하게 포함한다.

로봇의 제어 시스템(8)은 모듈(42, 44, 46 및 48)의 기능을 통합하는 계산 모듈(10)을 구현한다. 계산 모듈(10)은 축 제어기 모듈(12)을 제어하기 위한 관절력 설정점 τ를 생성하는 경향이 있다. 축 제어기 모듈(12)은 모터 M1 내지 M6에 적절한 전류를 전달하는 전력 유닛(15)에 대한 제어 설정점을 계산하는 경향이 있다.

제1 실시예에 있어서, 도 2는 계산 모듈(10) 및 축 제어기 모듈(12)이 구현되는 방식을 설명하는 데 사용될 수 있다. 중앙 유닛(5) 및 보조 유닛(7)은 각각 프로그래밍 가능한 마이크로제어기 또는 마이크로프로세서와 같은 적어도 하나의 프로세서를 포함하며, 이는 명령이 프로세서에 의해 실행될 때 로봇을 제어하기 위한 프로세스를 구현하도록 의도된 실행 가능한 명령 및/또는 소프트웨어 코드를 포함하는 컴퓨터 메모리에 커플링된다. 중앙 프로세싱 유닛(5)은 모듈(42, 44 및 46)의 기능을 동작시키는 경향이 있다.

중앙 프로세싱 유닛(5)은 데이터 버스(18)를 통해 복합 설정점 u 및 거동 행렬 Y를 통해 보조 유닛(7)과 통신한다.

보조 유닛(7)은 모듈(48)의 기능, 즉, 관절력 설정점 τ를 계산하고 이를 힘 및 속도 제어 루프(61) 및 전류 제어 루프(62)를 구현하는 축 제어기 모듈(12)로 송신하는 관절 임피던스 제어기의 기능을 동작시키는 경향이 있다.

보조 유닛(7)은 또한 축 제어기 모듈(12)의 기능을 동작시키는 경향이 있다. 보조 유닛(7)은 6개의 전력 유닛(15)에 연결되어 전력 유닛 제어 설정점을 6개의 전력 유닛(15)에 송신한다. 도 2의 명확성을 위해, 6개의 전력 유닛(15) 중 2개만이 도시되어 있다.

제2 실시예에 있어서, 도 8은 계산 모듈(10) 및 축 제어기 모듈(12)이 구현되는 방식을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 중앙 유닛(5') 및 보조 유닛(7')은 각각 명령이 프로세서에 의해 실행될 때 로봇을 제어하기 위한 프로세스를 구현하도록 의도된 실행 가능 명령 및/또는 소프트웨어 코드를 포함하는 컴퓨터 메모리에 커플링된 프로그래밍 가능한 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서와 같은 적어도 하나의 프로세서를 포함한다. 중앙 유닛(5)은 모듈(42, 44, 46, 48 및 61)의 기능을 동작시키는 경향이 있다. 제1 실시예와 달리, 모듈(48), 즉, 관절력 설정점 τ를 계산하는 관절 임피던스 레귤레이터의 기능으로 동일하게 동작한다. 중앙 유닛(5')은 데이터 버스(18)를 통해 전류 루프를 제어하기 위한 설정점 τ_cmd를 보조 유닛(7')에 전달한다. 보조 유닛(7')은 전류 제어 루프(62)를 구현하는 경향이 있다. 각각의 증폭기(4)는 보조 유닛(7') 및 전력 유닛(15)을 포함한다. 증폭기는 상업적으로 이용 가능한 축 증폭기와 비교할 수 있다. 제2 모드에서, 축 제어기 모듈(12)은 힘 및 속도 루프(61)를 구현하는 중앙 유닛(5')에서 부분적으로 그리고 보조 유닛(7')에서 구현된다.

양쪽 실시예에서, 관절력 서보(servo)-제어는 더 이상 상세하게 설명되지 않은 공지된 일반적인 제어 전략에 따라 축 제어기 모듈(12)에 의해 구현될 수 있으며, 본질적인 것은 로봇의 각각의 관절에 가해지는 힘이 계산된 관절력 설정점 τ를 잘 준수한다는 것이다.

실제로, 액추에이터 M1 내지 M6 각각의 전류 서보-제어에 기초하여 로봇의 힘 서보-제어를 사용하는 것이 유리하게 가능하며, 전류 서보-제어는 액추에이터 M1 내지 M6과 연관된 센서 C1 내지 C6으로부터의 각도 위치 정보 및 전력 유닛(15)의 전류의 측정치에 따라 각각의 액추에이터 M1 내지 M6에 대해 전류 루프(62)에 의해 수행된다.

많은 경우에, 힘 및 속도 루프(61)에 의해 제공되는 힘 서보-제어는 로봇 아암의 중력 및 마찰을 보상하는 것을 목적으로 하는 보정을 추가로 포함할 수 있으며, 마찰 보정은 관절에 대해 결정된 회전 속도로부터 각각의 관절에 대해 계산되고, 중력은 로봇 아암(4)의 동적 모델 및 관절 위치로부터 각각의 관절에 대해 계산된다.

특정 경우에 있어서, 다축 힘 센서(20)가 사용될 때, 다축 힘 센서(20)에 의해 측정된 힘 및/또는 토크에 따라 서보-제어 전략에 대한 수정이 이루어진다. 다축 힘 센서가 로봇 아암의 단부에 장착되는지 여부에 따라 또는 복수의 힘 센서가 로봇 아암(4)의 각각의 관절과 연관되는지 여부에 따라 상이한 보정 전략이 구현될 수 있다.

다축 힘 센서(20)가 로봇 아암의 단부와 이펙터(6) 사이에 배치되면, 계산 모듈(10)은 이펙터의 중량 F_g를 계산하는 중력 보상기(43)를 포함한다. 이펙터의 중량 F_g는 다축 힘 센서(20)의 기준 프레임에 표현된 이펙터(6)의 무게의 힘 스크류를 나타내는 벡터이다. 동일한 것이 로봇이 가진 도구의 파라미터(질량, 무게 중심 위치), 로봇 아암의 기하학적 모델 및 측정된 관절 위치 q_r로부터 계산된다. 이펙터의 중량 F_g는 제어에서 이펙터의 중량을 고려하지 않고 이펙터(6)에 가해진 힘만을 고려하기 위해 힘 및 속도 루프(61)에서 다축 힘 센서(20)의 측정치에서 감산된다. 계산 모듈(10)은 관절 변환 행렬 T_f를 계산하는 관절 카티션 변환기(47)를 추가로 포함한다. 관절 변환 행렬 T_f는 카티션 공간에서 표현되는 다차원 외력 F_s를 관절 공간에서 표현되는 데이터로 변환하는 행렬이다. 이며, 여기서 J_f는 다축 힘 센서(20) 중심의 카티션 속도를 로봇(2)의 관절 속도에 연결하는 로봇의 야코비안(Jacobian) 행렬이고 T_c는 로봇 베이스의 좌표계에서 동일한 것을 표현하기 위해 다축 힘 센서의 좌표에 초기에 표현되는 다축 힘 센서(20)의 측정치를 변환하는 데 사용되는 행렬이다. J_f 및 T_c는 관절 위치 q_r로부터 계산된다.

관절 변환 행렬 T_f와 이펙터의 중량 F_g는 힘 및 속도 루프(61)로 송신된다.

제1 실시예에서 그리고 도 4에 예시된 바와 같이, 관절 변환 행렬 T_f 및 이펙터의 중량 F_g는 중력 보상기(43) 및 관절 카티션 변환기(47)를 구현하는 중앙 유닛(5)으로부터 오는 데이터 프레임(30)을 통해 힘 및 속도 루프(61)로 송신된다. 힘 및 속도 루프(61)는 보조 유닛(7)에 의해 구현된다.

전류 루프의 제어 설정점 τ_cmd의 계산에서, 힘 및 속도 제어 루프(61)는 이펙터 중량을 무시하기 위해 다차원 외력 F_s로부터 이펙터 중량 F_g를 감산하고, 이하의 공식에서 주어지는 바와 같이 동일한 것을 관절 영역으로 변환하기 위해 관절 변환 행렬 T_f를 결과에 적용함으로써 관절력 벡터 τ_s를 계산한다.

[수학식 1]

대안적으로, 힘 및 속도 루프(61)는 먼저 관절 변환 행렬 T_f를 이펙터 중량 F_g 및 다차원 외력 F_s에 적용한 다음 감산을 수행할 수 있다.

도 5에 예시된 유리한 구현에 따르면, 다축 힘 센서(20)의 존재 하에 관절력 설정점 τ의 보정은 로봇 아암(4)에 제공된 관절력 설정점을 보정하는, 각각 G_f 및 G_v로 표기되는 2개의 힘 및 속도 보정기와 중력의 보상을 연관시킴으로써 수행될 수 있다. 힘 보정기 G_f는 예를 들어, 적분 제어기이며, 속도 보정기 G_v는 비례 제어기이다.

본 발명의 제1 실시예에서, 중력 보상기(43) 및 관절 카티션 변환기(47)는 중앙 유닛(5)에서 구현된다. 관절 변환 행렬 T_f 및 이펙터의 중량 F_g는 링크 버스(18)에 의해 보조 유닛(7)에서 구현되는 힘 및 속도 루프(61)로 송신된다.

이러한 구현은 보조 유닛(7)에서 구현되는 모든 계산이 관절 좌표에서 수행될 수 있도록 하기 때문에 유리하다. 이러한 계산은 (모듈(43, 47 및 46)에서 이루어진 계산과 달리) 상대적으로 간단하다. 이러한 방식으로, 임피던스 제어기(48)와 힘 및 속도 루프(61)는 더 높은 주파수에서 계산될 수 있다. 또한, 많은 알려진 솔루션은 중앙 유닛이 위치, 속도 또는 액추에이터를 제어하도록 의도된 힘 설정점을 계산하도록 다축 힘 센서(20)에 의해 측정된 힘이 중앙 유닛으로 반환될 것을 필요로 하여, 힘 제어 루프에서 더 많은 지연으로 이어지고, 이는 로봇이 적어도 부분적으로 수동으로 안내되어야 할 때 더 낮은 정확도와 더 낮은 성능을 초래한다.

도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 관절 임피던스 제어기(48)는 해상도 모듈(70) 및 디스플레이 모듈(64)을 포함한다. 해상도 모듈(70)은 관절력 설정점 τ를 계산하고 계산된 관절력 설정점 τ를 축 제어기 모듈(12)로 송신하도록 구성된다. 이러한 계산은 이전에 계산된 복합 설정점 u, 이전에 계산된 거동 행렬 Y, 측정된 관절 위치 q_r, 측정된 관절 위치로부터 도출된 관절 속도 및 이전에 계산된 내부 상태 q_mv에 따라 수행된다.

특히, 축 제어기 모듈(12)을 제어하는 데 사용되는 관절력 설정점 τ는 (관절 임피던스 제어기(48)를 참조하여 이전에 정의된) 내부 상태 q_mv와 관절 위치 q_r 사이의 차이를 제어하는 제어 함수로부터 계산된다.

해상도 모듈(70)은 이전에 계산된 복합 설정점 u, 이전에 계산된 거동 행렬 Y, 관절 위치 q_r, 관절 속도 및 이전에 계산된 내부 상태 q_mv에 따라 내부 상태의 도함수 를 계산한다.

적분 모듈(64)은 내부 상태의 시간 도함수 를 적분함으로써 내부 상태 q_mv를 결정한다. 해상도 모듈(70)은 예를 들어, 이전 계산 사이클에서 이미 알려져 있고 메모리에 저장된 내부 상태 q_mv의 값을 사용한다.

바람직하게는, 제어 기능은 비례-적분-미분 제어기(PID 제어기)이다.

유리하게는, 관절력 설정점 τ 및 내부 상태의 시간 도함수 는 이하의 미분 식의 시스템의 해이다.

[수학식 2]

여기서 q_mv는 상기 내부 상태에 대응하는 함수이고, 는 내부 상태 q_mv의 시간 도함수이고, τ는 여기에서 벡터의 형태로 제시되는 관절력 설정점이며, Y는 거동 행렬이고 u는 상기 복합 설정점이다.

식에서, Kp, Ki 및 Kd는 이득 행렬이다. 실제로, 이득 Kp, Ki 및 Kd는 PID 제어기의 파라미터를 설정하는 데 사용되는 이득이다. Kp, Ki 및 Kd는 예를 들어, 각각 비례, 적분 및 미분 이득에 대응한다. Kp와 Ki는 적절한 경우 제로 행렬이 될 수 있다.

이러한 시스템에서, 예를 들어, 제2 식은 위치 q_mv 상의 로봇의 관절 위치 q_r의 비례 적분 미분(PID) 서보-제어를 수행한다. 제1 식은 내부 상태 q_mv로 표현되는 가상 위치의 변화를 정의한다.

구현의 제1 예에 따르면, 관절 임피던스 제어는 이하의 식의 시스템을 충족하는 제어기에 의해 수행될 수 있다.

[수학식 3]

여기서 γ는 거동 행렬 Y를 계산하는 데 사용되는 중간 변수이며, 중간 변수 γ는 내부 상태 q_mv, 관절 위치 q_r 및 관절 속도 로부터 계산된다.

임피던스 제어기의 제1 구현은 거동 행렬 Y가 대칭이기 때문에 일부 계수만 데이터 버스(18) 상에서 송신될 필요가 있으므로 제1 실시예의 프레임워크(도 1 및 도 2) 내에서 특히 유리하며, 이는 계산 시간을 추가로 감소시킨다.

제2 구현 예에 따르면, 관절 임피던스 제어는 이하의 식의 시스템을 충족하는 제어기에 의해 수행될 수 있다.

[수학식 4]

여기서 γ는 위에서 설명한 중간 변수이고 P는 거동 행렬 Y와 유사한 거동 행렬이며, 행렬 P는 이하의 공식에 의해 행렬 Y로부터 정의된다.

[수학식 5]

여기서 "I"는 항등 행렬을 나타낸다.

임피던스 제어기의 양쪽 구현에서, PID 서보-제어 이외의 다른 유형의 서보-제어를 사용할 수 있다. 예를 들어, 중간 변수 γ는 이하와 같이 정의될 수 있으며, 이는 관절 위치 q_r과 내부 상태 q_mv 사이의 차이에 대한 디지털 필터 e_f의 적용에 대응한다.

[수학식 6]

여기서 필터는 이하의 공식으로 주어진다.

[수학식 7]

여기서 F(p)는 라플라스(Laplace) 변환을 나타내고 "p"는 라플라스 변수이다.

이제 로봇(2)의 상이한 동작 모드에서 관절 임피던스 제어의 동작 예가 설명될 것이다.

제1 동작 모드에서, 로봇(2)은 자동 제어하에 작동한다. 로봇 아암(4)은 위치에 대해 서보-제어되며, 로봇 아암(4)에 가해지는 외력과는 독립적으로 생성된(예를 들어, 모듈(44)에 의해 생성된) 관절 궤적을 따라야 한다. 궤적은 예를 들어, 시간 종속 관절 위치 q_d 및 그 도함수 에 의해 정의된다.

이러한 경우에, 임피던스 관리자(48)는 제로 거동 행렬 Y를 정의한다. 즉, 거동 행렬 Y의 계수는 모두 제로이다. 대안적으로, 위의 내용은 위에서 설명한 임피던스 제어기의 두 번째 구현에서 P를 항등 행렬과 동일하게 정의하는 것에 해당한다.

임피던스 관리자(48)는 또한 복합 설정점 u가 이하의 형태를 갖도록 요구한다.

[수학식 8]

여기서, 파라미터 T는 엄격하게 양의 값을 갖는 시간 상수이다.

이 경우, 제어 시스템이 충족되는 미분 식의 시스템은 이하와 같이 재작성될 수 있다.

[수학식 9]

이에 의해, 각도 위치 q_r은 가상 위치 q_mv에 의해 서보-제어되고 그 지속 시간이 시간 상수 T에 의해 결정되는 천이 상황 후에, 그리고 이득 K_p, K_i 및 K_d에 대해 선택된 값에 따르는 정확도로 관절 위치 q_d에 의해 정의된 궤적을 따를 것이다.

내부 상태 q_mv는 모든 관절 방향에서 복합 설정점 u에서 정의된 속도 설정점을 따른다.

제2 동작 모드에서, 로봇(2)은 수동 제어 하에 작동한다. 예를 들어, 로봇이 궤적 생성기(44)에 의해 제공된 사전 결정된 관절 설정점 τ_d를 따르도록 로봇의 관절력을 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 설정점이 로봇의 어느 지점에 가해지는 힘 스크류 f_d에 의해 특정되면, 등가 관절 설정점은 이하의 공식에 의해 주어진다.

[수학식 10]

여기서 J는 힘의 인가 지점에 대응하는 로봇의 야코비안 행렬을 표기하고, 지수 "T"는 행렬의 전치를 표기한다.

예를 들어, 사용자가 간단한 수동 움직임으로 로봇 아암을 완전히 제어할 수 있도록 로봇 아암을 자유롭게 두기를 원할 때, 이러한 동작 모드는 유용하다.

이러한 경우에, 임피던스 관리자(46)는 거동 행렬 Y = K_d ^-1(또는 등가적으로, 임피던스 제어기의 제2 구현에 대해 P = 0) 및 복합 설정점 u = K_d ^-1τ_d를 정의한다.

제어 시스템에 의해 충족되는 미분 식의 시스템은 이하와 같이 재작성될 수 있다.

[수학식 11]

실제로, 제1 식은 사전 결정된 관절 설정점 τ_d가 일정할 때 내부 상태 q_mv와 각도 위치 q_r 사이의 차이가 0을 향해 수렴한다는 것을 의미한다.

실제로, PID 제어기의 이득은 미리 결정된 관절 설정점 τ_d가 일정하지 않은 경우에도 내부 상태 q_mv가 실제 각도 위치 q_r과 같다고 근사하기에 충분히 높은 값을 갖는다. 즉, 내부 상태 q_mv는 모든 관절 방향에서 로봇 아암(4)의 측정된 관절 위치 q_r을 따른다.

제2 식은 로봇 아암(4)으로 송신된 관절력 설정점이 로봇 아암(4)의 위치와 독립적으로 사전 결정된 관절 설정점 τ_d에 대응함을 나타낸다.

제3 동작 모드에서, 로봇(2)은 힘 제어와 위치 제어 모두를 결합한 하이브리드 모드에서 동작한다. 로봇 아암(4)은 특정 방향으로 제어된 힘을 가하는 동안 사전 정의된 궤적을 따라야 한다.

이러한 동작 모드는 사전 정의된 궤적을 따르면서 손으로("핸드가이딩(handguiding)") 로봇 아암을 안내할 수 있기를 원하는 경우 유용하다. 특히, 이러한 방식으로, 예를 들어,

- 병진 또는 회전에서 로봇 아암(4)의 수동 안내만을 허가함으로써,

- 또는 로봇 아암의 세그먼트의 관절을 해제하면서 고정된 위치에서 로봇 아암(4)의 단부를 잠그는 것에 의해,

- 또는 대안적으로 로봇 아암(4)의 단부를 자유롭게 두지만 로봇 아암(4)의 관절의 전부 또는 일부를 잠금으로써,

로봇 아암(4)의 특정 자유도를 잠그는 것이 가능하다.

이러한 잠금을 수행하기 위해, 액추에이터 M1 내지 M6의 전부 또는 일부는 사용자가 가하는 수동력에 반대되는 힘을 가한다.

이러한 동작 모드는 또한 로봇이 로봇 아암(4)에 의해 운반되는 이펙터(6)에 의해 기계 부품을 성형하기 위한 산업 프로세스에서 사용될 때 유용할 수 있으며, 그 동안 이펙터(6)는 예를 들어, 부품의 샌딩(sanding), 디버링(deburring), 조립 또는 윤곽선 따라가기 및 많은 다른 예에서 기계 부품과 직접 접촉하게 된다.

마지막으로, 이러한 동작 모드는 로봇 아암이 힘 피드백으로 원격으로 제어될 때 또는 예를 들어, 기계 부품의 제조 프로세스 동안 복수의 산업 로봇이 동일한 물체를 조작하기 위해 협력해야 할 때 유용할 수 있다.

하이브리드 동작 모드의 제1 예는 "볼 관절(ball articular)" 제약이 있는 동작과 관련될 수 있으며, 여기서 로봇의 단부는 주어진 지점 (x_d, y_d, z_d)에 유지되고 배향은 자유로운 것이 바람직하다. 또한, 로봇 아암의 단부의 배향을 자유롭게 움직일 수 있는 것이 바람직하므로 회전점 주위의 모멘트 (m_x, m_y, m_z)가 0으로 유지되어야 한다.

이러한 경우에, 임피던스 관리자(46)는 이하와 같이 거동 행렬 Y 및 복합 설정점 u를 계산한다.

[수학식 12]

여기서 J_mv는 내부 상태 q_mv로부터 계산된 로봇의 야코비안 행렬이고 는 내부 상태 q_mv에 대응하는 카티션 위치이다.

내부 상태 q_mv는 거동 행렬 Y에 의해 정의된 모든 힘-제어 방향, 즉, 로봇의 단부의 배향 변화에 대응하는 방향을 따라 측정된 관절 위치 q_r을 따른다. 반면, 내부 상태 q_mv는 거동 행렬 Y에 의해 정의된 속도-제어 방향, 즉, 로봇 단부의 병진에 대응하는 방향으로 복합 설정점 u에 정의된 속도 설정점을 따른다.

하이브리드 동작 모드의 제2 예가 이제 설명될 것이다. 이러한 동작 모드에서, 로봇은 고정된 배향으로 평면 (x,y)의 궤적을 따른다. (x,y) 평면에 직교하는 z 방향을 따라, 로봇은 시간-종속적인 힘을 가한다. 이러한 하이브리드 동작 모드는 예를 들어, 완전 자동 동작에서 예를 들어, 표면 샌딩을 위해 유용할 수 있다.

제2 하이브리드 동작 모드에서, 궤적 생성기(44)는 평면(x,y)에서 원하는 궤적을 정의하는 설정점 x_d(t) 및 y_d(t)뿐만 아니라 방향 z를 따른 원하는 힘의 값 f_z,d(t)도 생성하고, 이를 임피던스 관리자(46)로 송신한다.

임피던스 관리자(46)는 이하와 같이 거동 행렬 Y 및 복합 설정점 u를 계산한다.

[수학식 13]

여기서 J_mv는 내부 상태로부터 계산된 로봇의 야코비안 행렬을 나타내고, q_mv, x(q_mv) 및 y(q_mv)는 내부 상태 q_mv에 대응하는 터미널 구성 요소의 카티션 위치의 (x,y) 평면 좌표이고, r_x(q_mv), r_y(q_mv), r_z(q_mv)는 내부 상태 q_mv에 대응하는 터미널 구성 요소의 각도 좌표를 나타낸다.

내부 상태 q_mv는 거동 행렬 Y에 의해 정의된 모든 힘-제어 방향을 따라, 즉, 방향 z에 대응하는 관절 방향을 따라 측정된 관절 위치 q_r을 따른다. 한편, 내부 상태 q_mv는 거동 행렬 Y에 의해 정의된 속도-제어 방향, 즉, 모든 다른 관절 방향에서 복합 설정점 u에 정의된 속도 설정점을 따른다.

설명된 3개의 동작 모드에서, 내부 상태 q_mv는 거동 행렬 Y에 의해 정의된 힘-제어 방향을 따라 측정된 관절 위치 q_r을 따르고, 거동 행렬 Y에 의해 정의된 속도-제어 방향을 따라 복합 설정점 u에서 정의된 속도 설정점을 따른다.

"임피던스 제어" 제4 동작 모드에서, 로봇은 마치 로봇이 스프링 K_cart 및 댐퍼 B_cart에 의해 궤적 p_d를 따라 지점에 연결된 것처럼 거동해야 한다. 벡터 p_d는 궤적의 카티션 좌표(위치 및 배향)를 포함한다. 연관된 속도는 v_d로 표기된다.

[수학식 14]

여기서 xp_mv는 내부 상태 q_mv와 로봇의 기하학적 모델로부터 계산된 카티션 좌표(위치 및 배향)의 벡터이다. 예를 들어 스프링 K_cart 및 댐퍼 B_cart의 특성이 여기에서 행렬 형태로 제공된다.

설명된 모든 동작 모드에 대해, 임피던스 관리자(46)는 애플리케이션 프로그램 실행 모듈(42) 및 궤적 생성기(44)로부터 수신된 제어에 따라 거동 행렬 Y 및 복합 설정점 u를 생성한다.

도 1, 도 2 및 도 3으로 돌아가서, 제어 시스템(8)에 의한 임피던스 제어 구현의 양태가 이제 설명될 것이다.

상술한 바와 같이, 애플리케이션 프로그램 실행 모듈(42), 궤적 생성기(44) 및 임피던스 관리자(46)는 중앙 프로세싱 유닛(5)에 의해 유리하게 구현된다.

관절 임피던스 제어기(48) 및 축 제어기 모듈(12)은 보조 유닛(7)에 의해 바람직하게 구현된다.

변형에서, 그리고 특히 예를 들어, 도 7 및 도 8에서 도시된 구현에서 증폭기 등이 사용되는 경우에, 관절 임피던스 제어기(48) 및 힘 및 속도 루프(61)는 중앙 유닛(5')에 의해 구현된다.

임피던스 제어를 구현하는 데 필요한 계산은 시간이 지남에 따라 주기적으로 수행된다.

특히 유리한 방식으로, 중앙 프로세싱 유닛(5)은 F1으로 표기되는 제1 계산 주파수로 복합 설정점 u 및 거동 행렬 Y를 주기적으로 재계산하도록 구성된다.

관절력 설정점 τ는 제1 주파수 F1보다 높은 F2로 표기되는 제2 계산 주파수로 주기적으로 재계산된다.

제2 주파수 F2는 예를 들어, 제1 주파수 F1보다 2배 내지 20배 더 높다. 바람직하게는, 제2 주파수 F2는 제1 주파수 F1보다 5배 내지 10배 더 높다. 또한 바람직하게는, 제2 주파수 F2는 제1 주파수(F1)보다 8배 더 높다.

위의 내용은 관절 임피던스 제어기(48)가 보조 유닛(7)에 의해 구현될 때 특히 유리하다.

실제로, 관절 임피던스 제어기(48)는 상대적으로 제한된 수의 간단한 산술 연산만 사용하면 된다. 따라서 동일하게 고주파에서 동작할 수 있다. 이러한 방식으로, 높은 이득 Kp, Ki 및 Kd를 가질 수 있으며, 이는 위치-제어 방향을 따라 우수한 강성과 우수한 정밀도를 획득하는 데 사용될 수 있다. 더 복잡한 기하학적 계산은 중앙 유닛(5)에서 구현된다.

또한, 중앙 유닛(5)과 별도로 보조 제어기(7)에서 임피던스 제어를 구현하는 것은 단일 프로세서가 상이한 액추에이터 M1 내지 M6을 제어하기 때문에 성능 이득을 제공한다. 센서와 액추에이터에 최대한 가까이 있게 함으로써, 이러한 방식으로 서보-제어의 지연을 줄일 수 있으므로 결과적으로 더 나은 성능을 획득할 수 있다. 보조 유닛(7)의 단일 프로세서에서 임피던스 제어 및 축 제어기 모듈(12)을 구현하면 통신 지연이 없기 때문에 성능을 향상시킨다.

예시적인 목적을 위해 주어진 예에 따르면, 복합 설정점 u 및 거동 행렬 Y는 중앙 유닛(5)에 의해 계산되고 밀리초마다, 즉 1000 Hz의 주파수로 보조 유닛(7)으로 전달된다. 그 후 이러한 제어의 각각의 구성 요소는 제2 주파수 F2로, 예를 들어, 8 KHz의 주파수로 수행되는 각각의 계산 사이클에 대한 값을 획득하기 위해 선형 보간된다.

보다 일반적으로, 본 발명의 구현의 다른 유리한 양태는 내부 상태 q_mv의 서보-제어 루프 및 적분 모두가 관절 좌표에서 수행된다는 사실에 있다. 이러한 방식으로, 계산 리소스 측면에서 비용이 많이 드는 기하학적 변환을 구현할 필요가 없다. 각각의 계산 사이클 동안 임피던스 제어와 관련된 계산을 수행하는 데 필요한 시간을 줄이는 것은 더 높은 이득 Kp, Ki, Kd로 이어지고, 특히 위치-제어 방향을 따라 더 나은 정확도를 얻을 수 있다.

임피던스 제어 프로세스는 로봇이 힘 제어 모드, 또는 위치 제어 모드 또는 하이브리드 모드 또는 임피던스 제어 모드에서 작동하든지간에, 선택된 동작 모드가 무엇이든 효과적으로 동작하는 데 사용될 수 있다. 이득 계수 Kp, Ki 및 Kd의 값은 동작 모드와 독립적으로 한 번에 그리고 전체에 대해 설정될 수 있다.

본 발명에 의해, 로봇이 적어도 부분적으로 손으로 안내되어야 할 때 로봇의 안내가 개선된다.

특정 실시예는 다른 실시예와 독립적으로 구현될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 동작 프로세스의 구현의 개략적인 예를 도시한다. 변형에서, 단계는 상이한 순서로 실행될 수 있다. 일부 단계는 생략될 수 있다. 설명된 예는 다른 실시예에서 다른 단계가 설명된 단계와 공동으로 및/또는 순차적으로 구현되는 것을 방해하지 않는다.

프로세스는 단계 S100에서, 특히 힘 또는 하이브리드 제어 모드에서 로봇 제어 프로그램의 시작과 함께 개시된다. 이러한 단계 동안, 선택된 동작 모드에 따라서, 궤적이 취득되거나 제어 시스템(8)에 의해 정의될 수 있다.

병행하여, 사용자는 단계 S102 동안, 손으로 힘 또는 모션을 부과하기 위해 로봇 아암(4)을 조작할 수 있다.

단계 S104 동안, 제어 시스템(8)은 타깃 궤적 및 동작 모드에 따라 관절력 및 속도를 정의하는 복합 설정점 u를 계산한다.

단계 S106 동안, 제어 시스템(8)은 동작 모드에 따라 거동 행렬 Y를 계산한다.

단계 S108 동안, 제어 시스템(8)은 관절력 설정점 τ 및 상기 내부 상태 q_mv의 시간 도함수 를 계산하며, 계산은 상기 이전에 계산된 복합 설정점 u, 이전에 계산된 거동 행렬 Y, 측정된 관절 위치 q_r, 측정된 관절 위치로부터 도출된 관절 속도 및 이전에 계산된 내부 상태에 따라 수행된다.

이전에 표현한 바와 같이, 축 제어기 모듈(12)을 제어하기 위한 관절력 설정점 τ는 (내부 상태 q_mv의 상기 시간 도함수 를 참조하여 이전에 정의된) 내부 상태 q_mv와 관절 위치 q_r 사이의 차이를 조정하는 제어 함수로부터 계산된다.

단계 S110 동안, 제어 시스템(8)은 관절력 설정점 τ에 따라 전력 유닛(15)의 제어 설정점을 계산한다.

유리하게, 전력 유닛(15)에 대한 제어 설정점을 계산할 때, 로봇에 대해 인가된 외력이 예를 들어, 로봇 아암(4)에 수동적인 힘을 가하는 사용자에 의해 고려된다.

본 발명은 회전을 수행하기 위해 관절 연결된 로봇 아암으로 설명되었다. 본 발명은 하나 또는 복수의 모션 축을 따라 서로에 대해 병진하는 요소를 포함하는 로봇에 적용 가능하다.

위에 언급한 실시예 및 변형은 새로운 실시예를 생성하기 위해 서로 조합될 수 있다.

Claims

산업 로봇(2)용 제어 프로세스로서,
상기 로봇은,
■ 이동 축 주위 또는 상기 이동 축을 따라 로봇 아암의 다른 부분에 대해 상기 로봇 아암의 하나의 부분을 각각 이동시키는 경향이 있는 적어도 2개의 전기 액추에이터(M1,..., M6)를 포함하는 다축(multi-axis) 로봇 아암(4)으로서, 각각의 전기 액추에이터는 대응하는 액추에이터의 관절 위치(q_r)를 측정하도록 구성된 센서(C1,..., C6)와 연관되는, 다축 로봇 아암(4),
■ 관절력 설정점(τ)에 따라 상기 액추에이터들(M1,..., M6)에 적절한 전류를 전달하는 전력 유닛들(15)에 대한 제어 설정점들을 계산하도록 구성된 축 제어기 모듈(12) 및 상기 축 제어기 모듈들에 대한 관절력 설정점들(τ)을 결정하도록 구성되고 상기 축 제어기 모듈에 커플링된 계산 모듈(10)을 포함하는 로봇 제어 시스템(8)을 포함하고,
상기 제어 프로세스는,
■ 타깃 궤적 및 동작 모드에 따라 관절력들 및/또는 속도들을 정의하는 시간-종속 복합 설정점(u)을 계산하는 단계(S104),
■ 상기 계산된 복합 설정점(u)이 적용되어야 하는 방향들을 정의하는 상기 로봇 아암의 원하는 거동을 설명하고, 관절 공간에서 표현되는 거동 행렬(Y)을 계산하는 단계(S106),
■ 상기 축 제어기 모듈들을 제어하기 위한 관절력 설정점(τ)을 계산하고, 관절 위치에서 그리고 측정된 관절 위치들(q_r)로부터 떨어져서 균일한 내부 상태(q_mv)의 시간 도함수()를 계산하는 단계(S108)로서, 상기 축 제어기 모듈들을 제어하기 위한 상기 관절력 설정점(τ)의 상기 계산 및 상기 시간 도함수()의 상기 계산은 각각 이전에 계산된 상기 복합 설정점(u), 이전에 계산된 상기 거동 행렬(Y), 상기 측정된 관절 위치들(q_r), 상기 측정된 관절 위치들(q_r)로부터 도출된 관절 속도들(), 및 이전에 계산된 상기 내부 상태(q_mv)에 따라 수행되는, 계산하는 단계(S108)를 포함하고,
상기 축 제어기 모듈을 제어하기 위한 상기 관절력 설정점(τ)은 상기 관절 위치(q_r)와 상기 내부 상태(q_mv) 사이의 차이를 조정하는 제어 기능으로부터 계산되고, 상기 내부 상태는 상기 내부 상태의 상기 시간 도함수()를 적분함으로써 결정되는, 제어 프로세스.
제1항에 있어서,
상기 제어 기능은 비례-적분-미분 제어기인, 제어 프로세스.
제2항에 있어서,
상기 관절력 설정점(τ) 및 상기 내부 상태의 상기 시간 도함수()는

의 미분 식들의 시스템의 해들이고,
q_mv는 상기 내부 상태에 대응하는 함수이고, 는 상기 내부 상태 q_mv의 상기 시간 도함수이고, τ는 상기 관절력 설정점이고, Y는 상기 거동 행렬이고 u는 상기 복합 설정점이고,
Kp, Ki 및 Kd는 이득 행렬들인, 제어 프로세스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 액추에이터들은 브러시리스(brushless) 전기 모터들을 포함하고, 상기 축 제어기 모듈들은 상기 대응하는 센서에 의해 측정된 관절 위치에 따라 상기 액추에이터들의 공급 전류를 계산하도록 구성되는, 제어 프로세스.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 축 제어기 모듈(12)은 상기 전력 유닛들(15)에 대한 상기 제어 설정점들을 계산하기 위해 다축 힘 센서(20)에 의해 측정된 다차원 외력들(F_s)을 고려하는, 제어 프로세스.
제5항에 있어서,
상기 로봇은 상기 로봇 아암의 단부에 배치된 이펙터(effector)(6)를 포함하고, 상기 계산 모듈(10)은 상기 로봇 아암(4)의 단부에 장착된 다축 힘 센서(20)에 의해 측정된 다차원 외력들(F_s)을 고려하기 위해, 상기 이펙터의 중량(F_g)을 계산하는 중력 보상기(43) 및 상기 관절 위치들(q_r)로부터 변환 행렬(T_f)을 계산하고 상기 이펙터의 상기 중량(F_g) 및 변환 행렬(T_f)을 상기 축 제어기 모듈(12)로 송신하는 카티션(Cartesian) 관절 변환기(47)를 포함하는, 제어 프로세스.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 계산(10)은 제1 주파수(F1)로 상기 복합 설정점(u) 및 상기 거동 행렬(Y)을 계산하고, 상기 제1 주파수보다 높은 제2 주파수(F2)로 상기 축 제어기 모듈(12)을 제어하기 위한 상기 관절력 설정점(τ)을 계산하는, 제어 프로세스.
제7항에 있어서,
상기 제2 주파수(F2)는 상기 제1 주파수(F1)보다 2배 내지 20배 더 높고, 바람직하게는 상기 제1 주파수(F1)보다 5배 내지 10배 더 높으며, 더 바람직하게는 상기 제1 주파수(F1)보다 8배 더 높은, 제어 프로세스.
제6항 및 '제7항 또는 제8항 중 어느 한 항'에 있어서,
상기 계산 모듈(10)은 상기 로봇 아암(4)의 단부에 장착된 다축 힘 센서(20)에 의해 다차원 외력들(F_s)을 고려하기 위해, 상기 이펙터의 상기 중량(F_g)을 계산하는 중력 보상기(43) 및 상기 관절 위치들(q_r)로부터 상기 변환 행렬(T_f)을 계산하고 상기 제1 주파수(F1)에서 상기 이펙터의 상기 중량(F_g) 및 상기 관절 변환 행렬(T_f)을 상기 축 제어기 모듈(12)로 송신하는 카티션 관절 변환기를 포함하는, 제어 프로세스.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중앙 유닛(5)은 상기 복합 설정점(u) 및 상기 거동 행렬(Y)의 상기 계산을 구현하고, 상기 보조 유닛(7)은 상기 관절력 설정점들(τ) 및 상기 축 제어기 모듈(12)의 상기 계산을 구현하고, 상기 중앙 유닛 및 상기 보조 유닛(12)은 데이터 버스(18)에 의해 통신하는, 제어 프로세스.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 액추에이터들은 브러시리스 전기 모터들을 포함하고, 중앙 유닛(5')은 상기 복합 설정점(u) 및 상기 거동 행렬(Y)의 상기 계산, 상기 관절력 설정점들(τ)의 상기 계산 및 힘 및 속도 루프들(61)에 의한 전류 루프들의 제어 설정점들(τ_cmd)의 상기 계산을 구현하고, 상기 중앙 유닛과 통신하는 복수의 증폭기(4)는 상기 전류 루프들의 제어 설정점들(τ_cmd)에 따라 상기 모터들에 전류를 공급하는 경향이 있는, 제어 프로세스.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복합 설정점(u) 및 상기 거동 행렬(Y)의 상기 계산은 상기 내부 상태(q_mv)를 고려하는, 제어 프로세스.
산업 로봇 제어 시스템(2)으로서,
상기 로봇은,
■ 이동 축 주위 또는 상기 이동 축을 따라 로봇 아암의 다른 부분에 대해 상기 로봇 아암의 하나의 부분을 각각 이동시키는 경향이 있는 적어도 2개의 전기 액추에이터(M1,..., M6)를 포함하는 다축 로봇 아암(4)으로서, 각각의 전기 액추에이터는 대응하는 액추에이터의 관절 위치(q_r)를 측정하도록 구성된 센서(C1,..., C6)와 연관되는, 다축 로봇 아암(4),
■ 관절력 설정점(τ)에 따라 상기 액추에이터들(M1,..., M6)에 적절한 전류를 전달하는 전력 유닛들(15)에 대한 제어 설정점들을 계산하도록 구성된 축 제어기 모듈(12) 및 상기 축 제어기 모듈들에 대한 관절력 설정점들(τ)을 결정하도록 구성되고 상기 축 제어기 모듈들에 커플링된 계산 모듈(10)을 포함하는 로봇 제어 시스템(8)을 포함하고,
상기 제어 시스템은,
■ 타깃 궤적 및 동작 모드에 따라 관절력들 및 속도들을 정의하는 시간-종속 복합 설정점을 계산하고,
■ 상기 계산된 복합 설정점(u)이 적용되어야 하는 방향들을 정의하는 상기 로봇 아암의 원하는 거동을 설명하는 거동 행렬(Y)을 계산하고 - 상기 거동 행렬(Y)은 관절 공간에서 표현됨 -,
■ 상기 축 제어기 모듈들을 제어하기 위한 관절력 설정점(τ)을 계산하고, 관절 위치에서 그리고 측정된 관절 위치들(q_r)로부터 떨어져서 균일한 내부 상태(q_mv)의 시간 도함수()를 계산하기 위해 구성된 모듈들을 포함하고,
상기 축 제어기 모듈들을 제어하기 위한 상기 관절력 설정점(τ)의 상기 계산 및 상기 시간 도함수()의 상기 계산은 각각 이전에 계산된 상기 복합 설정점(u), 이전에 계산된 상기 거동 행렬(Y), 상기 측정된 관절 위치들(q_r), 상기 측정된 관절 위치들(q_r)로부터 도출된 관절 속도들(), 및 이전에 계산된 상기 내부 상태(q_mv)에 따라 수행되며,
상기 축 제어기 모듈을 제어하기 위한 상기 관절력 설정점(τ)은 상기 관절 위치(q_r)와 상기 내부 상태(q_mv) 사이의 차이를 조정하는 제어 기능으로부터 계산되고, 상기 내부 상태는 상기 내부 상태의 상기 시간 도함수()를 적분함으로써 결정되는, 제어 시스템.
제13항에 따른 제어 시스템을 포함하고 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 제어 프로세스를 구현하도록 적응된, 산업 로봇.