KR20230159866A - 로봇-보조 표면 가공용 힘-제어 처리 장치 - Google Patents

Abstract

일 실시예는 조작기에 연결가능한 제1 플랜지와, 공구 또는 공구를 갖는 기계 공구에 장착될 수 있는 제2 플랜지 사이에서 작동하는 선형 액츄에이터를 포함하는, 처리 장치에 관한 것이다. 상기 선형 액츄에이터는 제어 변수에 따라 엔드 스탑 또는 상기 제2 플랜지에 힘을 가한다. 상기 장치는 상기 제2 플랜지와 상기 공구 사이에 결합되고 또한 상기 공구와 표면 사이에 접촉이 있을 때 상기 처리 장치에 의해 상기 공구에 가해지는 힘을 측정하도록 구성되는 힘 센서를 더 포함한다. 제어 유닛은 상기 제어 변수에 기초하여, 상기 처리 장치에 의해 상기 공구에 가해지는 힘에 대한 예측 값을 결정하도록 구성되는 상태 관찰기를 포함한다. 상기 제어 유닛은 상기 공구와 상기 표면 사이의 접촉을 검출하도록 더 구성되는데, 이때 상기 제어 변수는 접촉이 검출되지 않는 한 상기 예측 값 및 목표 값에 기초하여 조정되는 한편, 상기 제어 변수는 접촉이 검출되는 한 측정된 힘과 상기 목표 값에 기초하여 조정된다.

Description

로봇-보조 표면 가공용 힘-제어 처리 장치

본 개시는 자동화된, 로봇-보조 표면 가공용 힘-제어 처리 장치에 관한 것이다. 이러한 처리 장치는 특히 조작기(로봇)와 기계 공구 간의 인터페이스로서 기능할 수 있다.

로봇 표면 마감처리에 있어서, 기계 공구(예를 들어, 연삭기, 천공기, 밀링기, 연마기 등)는 산업 로봇과 같은, 조작기에 의해 안내된다. 이로써, 기계 공구는 다양한 방식으로 조작기의 소위 TCP(Tool Center Point)에 결합될 수 있고; 보통 조작기는 기계 공구를 궤적을 따라, 예를 들어, 작업편의 표면에 평행한 궤적을 따라, 움직이도록 실제로 임의로, TCP의 위치 및 방향으로 조정할 수 있다. 산업 로봇들은 보통 위치 제어되는데, 이것은 TCP가 원하는 궤적을 따라 정확하게 움직이는 것을 가능하게 해준다.

로봇 보조 연삭, 연마 또는 다른 표면 가공 공정들에서 양호한 결과를 달성하기 위해, 많은 애플리케이션은 처리력(예를 들어, 연삭력)의 제어를 필요로 하며, 이는 종종 종래의 산업용 로봇을 사용하여 충분한 정확도로 달성하기 어렵다. 산업용 로봇의 크고 무거운 암 세그먼트들은 폐-루프 컨트롤러가 처리력의 변동에 충분히 빠르게 반응하기에는 너무 큰 관성을 가진다. 이 문제를 해결하기 위해, 소형 (및 경량)의 처리 장치가 조작기 TCP와 기계 공구 사이에 배치되어 조작기 TCP를 기계 공구에 결합할 수 있다. 특히, 처리 장치는 선형 액츄에이터를 포함하고 표면 가공 중 처리력(즉, 공구와 작업편 사이의 접촉력)만을 제어하지만, 조작기는 위치-제어되는 방식으로 선형 액츄에이터와 함께 기계 공구를 원하는 궤적을 따라 움직인다.

많은 표면 마감 공정들에 있어서, 기계가공 결과의 품질은 기계가공 공정 중 처리력이 원하는, 지정된 범위에서 유지되는지 여부에 강하게 종속된다. 예를 들어, 연삭 공정에 있어서, (심지어 단시간 동안) 너무 큰 연삭력(처리력)은 작업편을 심하게 손상시키거나 또는 심지어 파괴할 수 있고 및/또는 큰 수리 비용을 초래할 수 있다.

발명자는 힘 제어를 이용해 개선된 처리 장치를 개발하려는 목표를 세웠으며, 이는 지정된 처리력에 대한 컴플라이언스를 크게 보장하는 것을 가능하게 해준다.

상기에서 언급된 목적은 청구항 제1항에 따른 장치 및 청구항 제7항에 따른 방법에 의해 달성된다. 다양한 실시예들 및 추가의 개선들은 종속 특허항들의 주제이다. 일 실시예는 조작기(manipulator)에 연결가능한 제1 플랜지(first flange)와, 공구(tool) 또는 공구를 갖는 기계 공구에 장착될 수 있는 제2 플랜지 사이에서 작동하는 선형 액츄에이터(linear actuator)를 포함하는, 처리 장치(handling apparatus)에 관한 것이다. 상기 선형 액츄에이터는 제어 변수(control variable)에 따라 엔드 스탑(end stop) 또는 상기 제2 플랜지에 힘을 가한다. 상기 장치는 상기 제2 플랜지와 상기 공구 사이에 결합되고 또한 상기 공구가 표면에 접촉할 때 상기 처리 장치에 의해 상기 공구에 가해지는 힘을 측정하도록 구성되는 힘 센서(force sensor)를 더 포함한다. 제어 유닛은 상기 제어 변수에 기초하여, 상기 처리 장치에 의해 상기 공구에 가해지는 힘에 대한 예측 값(estimated value)을 결정하도록 설계되는 상태 관찰기(state observer)를 가진다. 상기 제어 유닛은 상기 공구와 상기 표면 사이의 접촉을 검출하도록 더 구성되는데, 이때 상기 제어 변수는 접촉이 검출되지 않는 한 상기 예측 값 및 목표 값(target value)에 기초하여 결정되는 한편, 상기 제어 변수는 접촉이 검출되는 한 측정된 힘과 상기 목표 값(설정값(setpoint))에 기초하여 조정된다.

다른 실시예는 조작기에 연결가능한 제1 플랜지와 공구, 또는 공구를 갖는 기계 공구에 장착될 수 있는 제2 플랜지 사이에서 작동하는 선형 액츄에이터를 포함하는, 처리 장치를 제어하는 방법에 관한 것이다. 일 실시예에 따르면, 상기 방법은 제어 변수를 이용해 상기 선형 액츄에이터를 제어하여 상기 선형 액츄에이터가 제어 변수에 따라 엔드 스탑 또는 상기 제2 플랜지에 힘을 가하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 공구와 표면 사이에 접촉을 검출하는 단계 및 - 상기 공구와 표면 사이의 접촉의 경우에 있어서 - 상기 제2 플랜지와 상기 공구 사이에 결합되는 힘 센서를 이용해 상기 처리 장치에 의해 상기 공구에 가해지는 힘을 측정하는 단계를 더 포함한다. 나아가, 상기 처리 장치에 의해 상기 공구에 가해지는 힘에 대한 예측은 상기 제어 변수에 기초하여 결정된다. 접촉이 검출되지 않는 한, 상기 제어 변수는 상기 예측 값 및 목표 값에 기초하여 결정되고, 또한 접촉이 검출되는 한, 상기 제어 변수는 측정된 힘과 상기 목표 값에 기초하여 조정된다.

다양한 구현들이 도면들에 도시된 예들을 참조하여 이하에서 더 상세하게 설명된다. 도시는 반드시 동일한 축척일 필요는 없으며 이 실시예들은 도시된 측면들에 한정되지도 않는다. 그보다는, 도시된 실시예들의 기본 원리들을 설명하는 데 중점을 둔다.
도 1은 산업용 로봇, 힘 제어를 이용하는 처리 장치, 및 연삭 기계를 포함하는 로봇용 연삭을 위한 시스템의 일반 예이다.
도 2는 (연관된 제어 유닛 없이) 처리 장치의 구현 예를 보여준다.
도 3은 힘 제어가 구현되어 있는 처리 장치를 위한 제어 유닛의 일 예를 보여준다.
도 4는 로봇 표면 기계가공을 위한 처리 장치를 제어하는 방법의 일 예를 보여준다.

다양한 실시예들을 상세하게 설명하기 전에, 로봇-보조 연삭 장치의 일반적인 예를 먼저 설명할 것이다. 여기에 설명된 개념들은 연삭에만 한정되지 않고 다른 유형의 표면 가공(예를 들어, 연마, 밀링, 천공 등)에도 적용 가능하다는 것이 이해된다.

도 1에 따르면, 로봇-보조 연삭 장치는 조작기(80), 예를 들어 산업용 로봇, 및 회전 연삭 공구(51)를 갖는 연삭 기계(50)를 포함한다. 연삭 기계(50)는 소위 조작기(80)의 도구 중심점(TCP)에 선형 액츄에이터(100)를 통해 결합되는데, 이것은 일반적으로 처리 장치로 언급된다. 엄밀하게 말하면, TCP는 점이 아니라 벡터이고 예를 들어 3 개의 공간 좌표들(위치) 및 3 개의 각도들(방향)에 의해 묘사될 수 있다. 로봇 공학에 있어서, 설정 공간 내의 일반화된 좌표들(보통 로봇의 6 개의 관절 각도들)은 때로 TCP의 위치를 묘사하는 데 사용된다. TCP의 위치 및 방향은 또한 때로 "포즈(pose)"로 언급된다. 시간의 함수로서 (방향을 포함하는) TCP의 위치는 연삭 공구의 움직임을 정의하는데, 이것은 궤적으로 지칭된다. TCP는 종종 로봇의 이펙터 플랜지의 중심으로 정의되지만, 반드시 이 경우여야 하는 것은 아니다. TCP는 그 위치 및 방향이 로봇에 의해 조정가능한 임의의 점일 수 있다(또한 이론상으로 로봇 외부에 있을 수 있다). TCP는 또한 도구 좌표계의 원점을 정의할 수 있다.

6 자유도를 갖는 산업용 로봇의 경우에 있어서, 조작기(80)는 4 개의 세그먼트들(82, 83, 84 및 85)로 구성될 수 있고, 그 각각은 관절들(G11, G12 및 G13) 각각에 의해 연결된다. 제1 세그먼트(82)는 보통 베이스(81)에 단단히 연결된다(반드시 이 경우일 필요는 없지만). 관절(G11)은 세그먼트들(82와 83)을 연결한다. 관절(G11)은 2-축일 수 있고 수평 회전축(앙각) 및 수직 회전축(방위각) 주위로 세그먼트(83)의 회전을 허용한다. 관절(G12)는 세그먼트들(83과 84)을 연결하고 세그먼트(83)의 위치에 대한 세그먼트(84)의 피봇팅 움직임을 허용한다. 관절(G13)은 세그먼트들(84와 85)을 연결한다. 관절(G13)은 2-축일 수 있고 이로써(관절(G11)과 유사하게) 두 방향들로 피봇팅 움직임을 허용한다. TCP는 세그먼트(85)에 대한 고정된 상대 위치를 가지고, 이로써 세그먼트(85)는 보통 회전형 관절(미도시)를 또한 포함하는데, 이것은 (도시된 예에서 연삭 공구의 회전 축에 대응하고, 도 1에 점선으로 도시된) 세그먼트(85)의 길이방향 축(A) 주위로 세그먼트(85) 상에 배치되는 엔드 이펙터 플랜지(86)의 회전 움직임을 가능하게 한다. 관절의 각 축은 개별적인 관절 축 주위로 회전 움직임을 야기시킬 수 있는 액츄에이터(예. 전기 모터)와 연관된다. 관절들에 있어서의 액츄에이터들은 로봇 프로그램에 따라 로봇 컨트롤러(70)에 의해 제어된다. 다양한 산업용 로봇들/조작기들 및 연관된 컨트롤러들은 그 자체로 알려져 있어 여기서는 더 이상 설명되지 않는다.

조작기(80)는 통상적으로 위치 제어된다. 즉, 로봇 컨트롤러는 TCP의 포즈(위치 및 방향)를 결정할 수 있고 미리 정의된 궤적을 따라 이를 움직일 수 있다. 도 1에, TCP가 위치되는, 세그먼트(85)의 길이방향 축은 A로 표시되어 있다. 처리 장치(100)의 선형 액츄에이터가 엔드 스탑에 안착할 때, TCP의 포즈는 또한 연삭 기계(50)의(및 또한 연삭 휠(51)의) 포즈를 정의한다. 모두에서 언급된 바와 같이, 처리 장치(100)는 연삭 공정 중 원하는 값까지 공구(예. 연삭 휠(51))와 작업편(60) 사이의 접촉력(처리력)을 조정하는 데 사용된다. 조작기(80)의 세그먼트들(83 내지 85)의 높은 관성으로 인해 (예. 연삭 공구가 작업편(60)에 놓일 때) 힘 피크들의 빠른 보상은 종래의 조작기들로는 실제적으로 불가능하기 때문에, 조작기(80)에 의한 직접 힘 제어는 일반적으로 연삭 어플리케이션들에 있어서 매우 부정확하다. 이런 이유로, 로봇 컨트롤러(70)는 조작기(80)의 TCP의 포즈(위치 및 방향)를 제어하도록 설계되는 한편, 힘 제어는 처리 장치(100)를 이용해서만 전적으로 수행된다.

이미 언급된 바와 같이, 연삭 공정 중, 연삭 공구(연삭 기계(50)의 연삭 휠(51))와 작업편(60) 사이의 접촉력(F_K)은 연삭 휠(51)과 작업편(60) 사이의 접촉력(F_K)(길이방향 축(A)의 방향으로)이 미리 결정가능한 설정 값에 대응하는 방식으로 처리 장치(100) 및 힘 제어(예를 들어, 컨트롤러(70) 내에 구현될 수 있는)의 도움으로 조정될 수 있다. 접촉력(F_K)은 처리 장치(100)가 작업편 표면을 압박하는 액츄에이터 힘(F_A)에 대한 반응이다. 작업편(60)과 공구(51) 사이에 접촉이 없다면, 처리 장치(100)(도 2 참조)에 포함된 액츄에이터는 작업편(60)에의 접촉력의 부족으로 인해 엔드 스탑(액츄에이터(2) 내에 통합되어 있기 때문에 도시되지 않음)에 대하여 움직여, 정의된 힘으로 압박한다. 힘 제어는 전반적으로 활성화된다. 이 상황(접촉 없음)에서, 액츄에이터 편향은 그 최대치에 있게 되고 처리 장치는 종료 위치에 있게 된다. (처리 장치(100) 내에 포함되어 있는)(선형) 액츄에이터가 엔드 스탑을 압박하는 정의된 힘은 작업편 표면과 가능한 가장 원활한 접촉을 가능하게 해도록 하기 위해 매우 작거나 또는 (이론상) 심지어 0까지 제어될 수 있다.

(또한 컨트롤러(70) 내에 구현될 수 있는) 조작기(80)의 위치 제어는 처리 장치(100)의 힘 제어를 완전히 독립적으로 작동할 수 있다. 처리 장치는 연삭 기계(50)의 포지셔닝을 담당하지 않지만, 연삭 공정 중 원하는 접촉력(F_K)을 설정 및 유지하고 공구(51)와 작업편(60) 사이 접촉을 검출하는 것만 담당한다. 접촉은 예를 들어, 처리 장치 내에 포함된 선형 액츄에이터가 종료 위치를 넘어 움직인다(액츄에이터 편향(a)은 엔드 스탑에서 최대 편향(a _MAX )보다 작다)는 사실에 의해, 간이한 방식으로 검출될 수 있다.

도 2에, 처리 장치(100)의 일 예가 대략적으로 도시되어 있다. 당업자에게 알려져 있고 이하의 논의에 필요하지 않은 부품들(밸브, 선형 가이드들 등과 같은)은 설명을 복잡하게 하지 않게 하기 위해 도 2에서 생략되었다. 처리 장치(100) 내에 포함된 액츄에이터(153)는 복동식 공압 실린더(double-acting pneumatic cylinder)와 같은, 공압식 액츄에이터일 수 있다. 하지만, 벨로우즈 실린더들(bellows cylinders) 및 에어 머슬들(air muscles)과 같은 다른 공압식 액츄에이터들 또한 적용가능하다. 또는, 직접 전기 액츄에이터들(기어리스) 또한 고려될 수 있다.

액츄에이터/처리 장치(100)의 작용 방향 및 연삭 기계(50)의 회전 축은 반드시 조작기(80)의 세그먼트(85)의 길이방향 축(A)과 일치할 필요는 없다. 공압식 액츄에이터의 경우에 있어서, 힘 제어는 제어 밸브, 컨트롤러(예. 제어 유닛(70) 내에 구현되는) 및 압축 공기 저장소 또는 압축기의 도움으로 그 자체로 알려진 방식으로 구현될 수 있다. 수직에 대한 기울기는 중력(즉, 연삭기(50)의 무게 힘)을 고려하는 것과 관련되기 때문에, 액츄에이터(2)는 기울기 센서(미도시)를 포함할 수 있거나 또는 이 정보가 조작기(80)의 관절 각도들에 기초하여 결정될 수 있다. 결정된 기울기는 힘 컨트롤러에 의해 고려된다(도 3과 관련된 설명 참조). 처리 장치(100)는 조작기(80)와 작업편(60) 사이의 기계적 분리 정도를 제공할 뿐만 아니라 TCP의 포지셔닝에 있어서의 부정확함을 보상할 수 있다.

선형 액츄에이터(153)(공압식 실린더)에 더하여, 처리 장치는 변위 센서를 포함하는데, 이것은 예를 들어, 유도 센서(inductive sensor) 또는 전위차계(potentiometer)로서 설계될 수 있다. 본질적으로, 변위 센서는 선형 액츄에이터(153)의 변위를 측정하도록 설계된다. 최대 변위(a= a _MAX )에서, 선형 액츄에이터는 엔드 스탑을 압박한다. 선형 액츄에이터는 2 개의 플랜지들(101 및 102)을 결합할 수 있다. 2 개의 플랜지들(101 및 102) 사이의 거리의 변화는 선형 액츄에이터(153)의 편향의 변화에 대응한다. 상부 플랜지(102)(도 2 참조)는 로봇의 엔드 이펙터 플랜지(도 1 참조, 엔드 이펙터 플랜지(86))에 (예를 들어, 나사들을 이용해) 연결될 수 있다. 기계 공구(50)는 하부 플랜지(101)에 (직접 또는 간접적으로) 장착될 수 있고, 이로써 묘사된 예에 있어서 힘 센서(150)는 처리 장치와 기계 공구(50) 사이에 배치된다. 이 힘 센서(150)는 예를 들어 로드 셀로서 설계될 수 있고 처리 장치와 기계 공구(50) 사이에서 작용하는 힘을 직접 측정하는 것을 가능하게 해준다.

벨로우즈(121)는 공압식 실린더(153)의 작동 방향으로 움직임을 허용하면서, 처리 장치 내의 부품들을 먼지 등으로부터 보호할 수 있다. 이런 관점에서, 벨로우즈(121)는 그 특성이 힘 제어에서 고려될 수 있는 스프링으로 작용한다. 벨로우즈(121)에 의해 야기되는 (스프링) 힘 성분은 예를 들어 거리 센서(151)에 의해 측정되는 편향(a)에 기초하여, 결정될 수 있다. 가장 단순한 경우에 있어서, 벨로우즈(121)에 의해 야기되는 (스프링) 힘 성분은 편향에 비례한다(스프링 특성이 선형이라면). 일부 실시예들에 있어서, 실제 벨로우즈(121)의 스프링 특성은 미세조정 측정을 이용해 결정된다.

로드 셀(150)에 의한 직접 힘 측정에 더하여, 간접 힘 측정은 공압식 실린더(153)의 압축 공기 라인에 공압식으로 결합될 수 있는, 압력 센서(152)를 이용한 공압식 실린더(153) 내 압력(p)을 측정하는 것에 의해 수행된다. 힘은 그후 압력(p)을 실린더 내에서 유효한 피스톤 면적(A)으로 곱함으로써 획득된다(F_A=pA). 공압식 액츄에이터 대신 전자기계식 액츄에이터가 사용된다면, 힘은 전자기계식 액츄에이터의 전류 소비로부터 결정될 수 있다. 압력 측정 대신, 전류 측정이 이 경우에는 수행된다. 액츄에이터 힘은 그후 측정된 전류 값으로부터 계산될 수 있다.

알려진 시스템들에 있어서, 제어되는 공압식 시스템들에 있어서는 실린더 압력(또는 전자기계식 엑츄에이터들에 있어서는 전류)이 어떻게든 측정된 값으로 제공되기 때문에, 로드 셀과 같은 직접 힘 센서에 의한 중복된 힘 측정은 보통 제공되지 않는다. 이러한 맥락에서, 여기에 기술되는 예에서, 직집 힘 측정(힘(F_M))이 중복되는 측정 값을 간접 힘 측정(힘(pA))에게 제공하지 않는다는 것을 언급하는 것은 중요하다. 간접 힘 측정(압력 또는 전류 측정을 이용한)을 로드 셀을 이용한 직접 힘 측정으로 대체하기를 원한다면, 그때는 개별적인 힘 센서가 처리 장치(100)의 플랜지(101)에 액츄에이터(공압식 실린더)에 의해 가해지는 액츄에이터 힘을 측정하는 이러한 방식으로 배치되어야 한다. 이 경우에 있어서, (플랜지(102)에 대한) 플랜지(101)의 움직임이 예를 들어 엔드 스탑에 의해, 막히면, 작업편과의 접촉이 없더라도, 힘 센서는 엔드 스탑에 작용하는 액츄에이터 힘을 측정할 것이다. 하지만, 도 2에 도시된 예는 이 경우는 아니다. 힘 센서(150)는 (공압식 실린더(153)와 플랜지(101) 사이) 처리 장치(100) 내부에 있지 않고, 플랜지(101) 상에 있어, 힘 센서는 기계 공구(50)와 처리 장치 사이에 작용하는 힘(F_M)만을 측정한다. 작업편과의 접촉이 없을 때, 도시된 예에 있어서 힘 센서(150)는 어떠한 힘(F_A)으로 또한 공압식 실린더(153)가 엔드 스탑을 압박하는지 여부에 상관없이, 기계 공구(50)의 무게 힘만을 측정할 것이다. 이것은 여기에 기술되는 예들에 있어서 - 접촉이 없을 때 - 직접 힘 측정(힘(F_M)) 및 간접 힘 측정(힘(pA))이 중복되지 않고, 근본적으로 다른 힘들이 측정된다는 것을 의미한다.

간접 힘 측정에 의해 결정되는 액츄에이터 힘(F_A)(공압식 실린더의 경우에 있어서는 F_A=pA)과 직접적으로 측정되는 힘(F_M) 사이의 연결은 오직 작업편과 기계 공구 사이의 접촉이 있다면 공식화될 수 있다. 오직 이러한 (접촉이 존재하는)상황에서 접촉력(F_K)(처리력)이 처리 장치에 다시 작용하고 F_K=F_M+F_G가 적용되는데, 이때 F_G는 작업편 표면에 작용하는 기계 공구의 무게 힘을 나타내고 F_M은 처리 장치가 기계 공구를 압밗하는 직접적으로 측정되는 힘을 나타낸다. 이 점에서 무게 힘(F_G)은 또한 연삭 기계가 거꾸로 작동된다면 음(-)이 될 수 있음에 유의해야 한다. 접촉의 경우에 있어서 직접적으로 측정되는 힘(F_M)에 대하여 F_M = F_A + ΔF = pA + ΔF가 적용되는데, 이때 오프셋(ΔF)은 모든 방해하는 힘들(예. 마찰력, 히스테리시스 효과들 등)을 포함한다. 접촉력/처리력에 있어서, F_K=F_A+F_G+ΔF = F_M + F_G가 이로써 접촉에 대하여 적용되고, 이로써 처리 장치의 상태에 종속하는, 오프셋(ΔF)은 작동 중 결정될 수 있다(예. 수학적 모델들 및/또는 미세조정 측정에 기초하여).

도 3의 블록도는 처리 장치(100)를 작동하는 데 사용될 수 있는 제어 유닛의 일 예를 보여준다. 도 3의 제어 유닛은 상태 관찰기(160), 소위 상태 예측기를 포함하는데, 이것은 설정 값 또는 제어 변수가 제공되고, 본 예에 있어서는 원하는 값을 나타내거나 또는 각각, 실린더 압력의 측정된 실제 값을 나타낸다. 상태 관찰기(160)는 시스템 파라미터들(예. 처리 장치에 장착되는 기계 공구의 무게) 뿐만 아니라 센서 데이터(예. 처리 장치(100)의 측정된 편향(a), 처리 장치의 가속도, 수직에 대한 처리 장치의 기울기 등)를 더 수신하고 또한 제공된 정보(센서 데이터 및 제어 변수), 특히 엔드 스탑(접촉이 없을 때)에 또는 작업편(접촉이 있을 때)에 작용하는 엑츄에이터(공압식 실린더)에 의해 제공되는 유효 힘(FA + ΔF)(예측되는 실제 처리력)로부터 처리 장치의 상태를 예측하도록 설계된다. 상태 예측에 있어서, 상태 관찰기는 처리 장치의 물리적 행위(예. 벨로우즈의 스프링 특성, 마찰력 등)를 모델링하는 수학적 모델들을 포함할 수 있다.

상태 관찰기(160)는 기계 공구와 작업편 사이의 접촉을 검출하여 시그널링하도록 구성된다. 접촉이 없을 때 액츄에이터(공압식 실린더)가 그 엔드 스탑을 압박하기 때문에, 접촉은 예를 들어, 단지 액츄에이터가 엔드 스탑으로부터 멀어짐(즉, 편향(a)이 엔드 스탑에서 최대 편향(a _MAX )보다 더 작음)을 검출하는 것에 의해서라도 검출될 수 있다.

도 3의 제어 유닛의 다른 구성요소는 공정 컨트롤러 및 모니터링 유닛(161)이다. 이것은 처리력의 제어(조절)이 발생하는 장소이다. 이를 위해, 공정 컨트롤러 및 모니터링 유닛(161)은 시스템 파라미터들(예. 기계 공구(50)의 무게), 목표 처리력(F_S) 및 상기에서 설명된 바와 같이 접촉이 존재한다면 유용한 측정일 뿐인 힘 센서(150)에 의해 직접 측정되는 실제 처리력(F_M) 뿐만 아니라 상태 관찰기(160)로부터 접촉 관련 정보 및 예측된 실제 처리력을 수신한다. 목표 처리력(F_S) 및 직접 측정되는 및/또는 예측되는 실제 힘(F_M 또는 F_A + ΔF)에 기초하고, 또한 무게 힘(F_G)을 고려하여, 제어 알고리즘이 제어 변수를 계산하는 데 사용되고, 이 제어 변수로 액츄에이터가 제어된다(공압식 액츄에이터의 경우, 언급된 바와 같이, 이것은 실린더 압력(p)이다). 적절한 제어 알고리즘은 그 자체로 알려져 있어 여기서는 더 설명되지 않을 것이다. 0인 이론상 제어 오차(제어 편차)를 가지고, 제어 변수(예. 공압식 액츄에이터들에 있어서 압력, 전자기계식 액츄에이터들에 있어서 액츄에이터 전류)가 접촉시, 이하가 처리력(F_K: F_K= F_M + F_G = F_S)에 대하여 적용되는 이러한 방식으로 조정된다. 이것은 처리력(접촉력)이 (가능하게 변경되는) 목표 힘에 대응함을 의미한다.

공정 제어 및 모니터링 유닛(161)은 접촉이 검출되었는지 여부에 따른 실제 처리력에 대한 "소스"(즉, 힘 센서(150), 또는 상태 관찰기(160) 중 하나)를 선택하도록 더 조정된다. 접촉이 검출되지 않으면, 상태 관찰기(160)가 선택되고, 접촉이 검출되면, 힘 센서(150)가 선택된다. 이상적으로, 양 소스들은 - 접촉이 검출되면 - 동일한 힘 값을 제공해야 하지만, 예측 값(F_A + ΔF)은 미세조정에 의해 결정되는 소정의 영향 파라미터들을 포함한다. 한편, 직접 측정되는 값(F_M)은 항상 실제 힘을 측정한다(힘 센서(150)가 적절하게 기능한다는 가정 하에).

타당성 검사(Plausibility check): 공정 컨트롤러 및 모니터링 유닛(161)은 직접 측정되는 힘 값(F_M) 및 상태 관찰기에 의해 제공되는 힘 값(F_A+ΔF)에 기초하여 표면 가공 공정 중(즉, 접촉 시) 타당성 검사를 수행하도록 더 구성될 수 있다. 이를 위해, 공정 컨트롤러 및 모니터링 유닛(161)은 2 개의 값들(F_A+ΔF 및 F_M)을 비교할 수 있고, 예를 들어, 불일치가 있는 경우에 있어서, 오차를 보고할 수 있다. 일부 상황들에 있어서, 이것은 편차의 (가능한) 원인을 결정하기 위해, 2 개의 값들((F_A+ΔF 및 F_M)) 사이의 편차 및 시간에 따른 경과에 기초하여 - 경우에 따라서는 - 측정된 편향(a)과 같은 다른 측정 값들을 고려하여 가능하다. 예를 들어, 직접 측정되는 힘 값(F_M)이 더 이상 상태 관찰기에 의해 예측되는 값을 따르지 않는다면, 가능한 원인은 처리 장치 내의 선형 가이드가 걸리거나 또는 마찰이 크게 증가되는 것이다. 직접 측정되는 값(F_M)이 더 작은 편차를 가지고 예측 값(F_A + ΔF)을 따른다면, 이것은 공압식 실린더(액츄에이터(153)) 또는 선형 가이드(미도시) 내 마찰력이 약간 증가되고 유지보수가 수행되어야 함을 나타낼 수 있다.

이하는 여기에 설명되는 실시예들의 일부 측면들 및 특징들의 요약이다. 이하는 총망라한 열거가 아니라 단지 예시적인 요약에 불과함이 이해되어야 한다. 실시예들은 제1 플랜지와 제2 플랜지 사이에서 작동하는 선형 액츄에이터를 가지고, 또한 제1 플랜지 및 제2 플랜지를 가지는 처리 장치를 제어하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 작동 시, 제1 플랜지는 조작기에(예. 그 엔드 이펙터 플랜지에, 도 1 참조) 장착되고, 작동 시, 공구(또는 공구를 갖는 기계 공구)는 제2 플랜지에 장착된다. 선형 액츄에이터는 제1 플랜지 상에 지지되는 동안 제어 변수에 따라 제2 플랜지에 힘을 가할 수 있다(cf. 도 2, 플랜지들(101 및 102), 선형 액츄에이터(152)). 공압식 액츄에이터(공압식 실린더)의 경우에 있어서, 제어 변수는 공기 압력이고; 전자기계식 액츄에이터의 경우에 있어서, 제어 변수는 액츄에이터를 관통하여 흐르는 전류일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 힘 센서는 제2 플랜지와 공구 사이에 배치되어 힘 센서가 공구와 표면 사이에 접촉이 있을 때 처리 장치에 의해 공구에 가해지는 힘(F_M)을 측정한다. 공구와 표면 사이의 접촉력은 힘(F_M)과 표면에 기계 공구와 공구의 무게에 의해 가해지는 (각 위치(angular position)에 종속하는) 무게 힘(F_G)의 중첩에 대응한다.

접촉이 없다면, 선형 액츄에이터(힘-제어되는)는 엔드 스탑을 압박하지만, 기계 공구는 처리 장치에 매달리고 힘 센서는 그 무게 힘(F_G)만 측정한다. 이러한 상황에서, 언급된 힘 센서는 힘 제어에 사용될 수 없다. 그러므로 상태 관찰기는, 예를 들어 제어 유닛 내에 구현될 수 있고, 제어 변수(예. 압력 설정 값 또는 실제 압력)에 기초하여 선형 액츄에이터에 의해 제공되는 힘(F_A+ΔF)에 대한 예측 값을 결정하는 데 사용된다. 제어 유닛은 또한 공구와 표면 사이의 접촉을 검출하도록 구성될 수 있다. 나아가, 제어 유닛은 접촉이 검출되지 않을 때 예측 값(F_A+ΔF) 및 설정 값에 기초하여 선형 액츄에이터에 대하여 제어 변수(예. 압력(p))를 설정하고, 또한 접촉이 검출될 때(검출되는 한 검출되자마자) 측정되는 힘(F_M) 및 설정 값에 기초하여 제어 변수를 조정하도록 설계된다. 즉, 힘 제어에 사용되는 힘 정보는 접촉이 검출되는지 여부에 달려 있다.

여기에 설명되는 개념의 일 예는 도 4의 흐름도를 참조하여 이하에서 요약된다. 도 4는 조작기에 연결가능한 제1 플랜지(도 1 참조, 플랜지(102))와 공구, 또는 공구를 갖는 기계 공구에 장착될 수 있는 제2 플랜지(도 1 참조, 플랜지(101)) 사이에서 작동하는 선형 액츄에이터(도 2 참조, 공압식 실린더(154))를 갖는 처리 장치를 제어하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 제어 변수(예. 공기 압력(p))를 가지고 선형 액츄에이터를 제어하여 (제어 변수에 따라) 선형 액츄에이터가 제2 플랜지에(공구와 표면 사이에 접촉이 있는 경우) 또는 엔드 스탑에(접촉이 없는 경우) 힘을 가하는 단계를 포함한다(도 4 참조, 단계 S1). 이 방법은 공구와 표면 사이에서 접촉을 검출하는 단계(도 4 참조, 단계 S2) 및 - 공구와 표면 사이에 접촉이 있을 경우 - 제2 플랜지와 공구 사이에 기계적으로 결합된 힘 센서를 이용해 공구에 처리 장치에 의해 가해지는 힘(F_M)을 측정하는 단계(도 4 참조, 단계 S3)를 더 포함한다.

이 방법은 (표면에의 접촉이 있든 없든) 제어 변수에 기초하여 도구에 처리 장치에 의해 가해지는 힘(F_M)에 대하여 예측 값(F_A+ΔF)을 결정하는 단계를 더 포함한다(도 4 참조, 단계 S4). 제어 변수는 접촉이 검출되지 않는 한 예측 값 및 목표 값에 기초하여(도 4 참조, 단계 S6), 그리고 접촉이 검출되는 한 측정되는 힘과 설정 값에 기초하여(도 4 참조, 단계 S5) 조정된다. 도 4에 도시된 공정 단계들은 부분적으로 병렬적으로 실행됨이 이해되어야 한다. 흐름도에서의 화살표들은 필수적인 시간 순서를 암시하지는 않는다.

특히, 단계 S4는 접촉이 검출되었는지 아닌지 여부에 상관없이 실행된다. 접촉이 없는 경우에 있어서, 힘에 대하여 예측되는 값은 힘을 조정할 수 있어야 하고, 이 힘으로 선형 액츄에이터는 엔드 스탑을 압박한다. 원활한 접촉을 위해, 이 힘은 가능한 한 작아야 한다(이상적으로 0이거나 또는 수 뉴튼). 공구가 표면을 터치할 때, 액츄에이터는 엔드 스탑으로부터 멀어지고 힘 제어는 직접적으로 측정되는 힘(F_M)에 기초할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 공정 유효성 검증 및 오차 검출을 위해, 예측 값(FA+ΔF)은 또한 (접촉 시) 표면 가공 공정 중에 결정된다. 접촉 전에, 액츄에이터는 가능한 가장 작은(최소) 힘으로 엔드 스탑을 압박한다. 이론적으로, 이 최소 힘은 0 뉴튼까지 제어될 수 있다. 실제로, 10 뉴튼보다 작은 값들 또는 심지어 1 뉴튼보다 작은 값들이 매우 부드럽게 표면을 접촉할 수 있도록 하기 위해 사용된다. 접촉이 되기만 하면, 목표 힘은 원하는 처리력(연삭력)에 도달될 때까지 정의된 속도로 증가될 수 있다.

제어 변수(공압식 액츄에이터의 경우에 있어서는 압력)에 더하여, 처리 장치 및/또는 액츄에이터의 상태에 관한 추가적인 센서 데이터가 예를 들어, 액츄에이터에 결합된 전위차계 또는 유도식 변위 센서로 측정될 수 있는, 액츄에이터의 편향과 같이, 예측되는 값의 결정(cf. 도 3, 상태 관찰기(160))에 포함될 수 있다. 무게 힘(F_G=mgcos(θ))은 예를 들어 무게 힘(F_G)을 공칭 력(nominal force)으로부터 뺌으로써, 힘 제어(도 3, 공정 제어(161))에서 고려될 수 있다(m은 공구를 포함하는 기계 공구의 질량, g는 중력으로 인한 가속도이고 θ는 수직으로부터의 각 편차(angular deviation)(틸트 각도, 틸트)이다). 또는, 무게 힘은 또한 직접 및 간접 힘 측정에서 고려될 수 있다. 틸트 각도(θ)는 조작기의 TCP의 (일반화된) 좌표들로부터 측정되거나 또는 계산될 수 있다. 로봇 컨트롤러는 TCP의 각 위치(angular position) 및 이로써 또한 조작기 및 공구의 각 위치를 "알고 있다".

일 실시예에 따르면, 표면 가공 공정의 공정 유효성을 자동으로 점검하고 공정의 종료시 이를 확인하는 것 또한 가능하다. 이를 위해, 예를 들어, 표면 가공 공정 중 (힘 센서를 이용해 직접) 측정되는 힘(F_M)과 (상태 관찰기에 의해 결정되는) 예측 값(F_A+ΔF)은 비교될 수 있고 또한 특정 표면 가공 공정에 대하여 측정되는 값과 예측 값 사이의 편차들이 기록(log)될 수 있다. 공정의 종료 시 또는 공정 중, 기록된 데이터는 공정의 유효성을 점검하거나 및/또는 만약 있다면, 오차를 나타내기 위해 평가될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어, 구체적인 오차들이 직접 측정되는 힘과 예측 값 사이의 편차들(및 가능하다면 액츄에이터 편향과 같은 다른 센서 데이터)에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 표면에 접촉이 있는 동안 예측 값이 증가할 때 동일하게 측정되는 힘이 증가하지 않는다면, 그때는 선형 가이드(예. 액츄에이터에 평행하게 배치되는) 또는 액츄에이터 그 자체가 걸렸을 가능성이 매우 높고, 또는 적어도 선형 액츄에이터 또는 선형 가이드에서의 마찰력이 이상하게 높을 수 있다. 이런 경우에 있어서, 다음에 표면이 접촉될 때 더 이상 원활한 접촉은 보장될 수 없다. 이에 더하여 또는 대안적으로, 힘 설정 값과 측정되는 힘 사이의 편차들 또한 평가될 수 있다.

Claims (10)

1. 시스템에 있어서,
   조작기에 연결가능한 제1 플랜지(102)와 공구, 또는 공구를 갖는 기계 공구에 장착될 수 있는 제2 플랜지(101) 사이에서 작동하는 선형 액츄에이터(153)를 포함하는, 처리 장치; 상기 선형 액츄에이터(153)는 제어 변수(p)에 따라 엔드 스탑 또는 상기 제2 플랜지에 힘을 가하고;
   상기 제2 플랜지(101)와 상기 공구 사이에 결합되고 또한 상기 공구와 표면 사이에 접촉이 있을 때 상기 처리 장치에 의해 상기 공구에 가해지는 힘(F_M)을 측정하도록 구성되는 힘 센서;
   상기 제어 변수(p)에 기초하여, 상기 처리 장치에 의해 상기 공구에 가해지는 힘(F_M)에 대한 예측 값(F_A+ΔF)을 결정하도록 구성되는 상태 관찰기(160)를 포함하는, 제어 유닛을 포함하고,
   여기서 상기 제어 유닛은
   상기 공구와 상기 표면 사이의 접촉을 검출하고;
   접촉이 검출되지 않는 한, 상기 예측 값(F_A+ΔF) 및 목표 값에 기초하여 상기 제어 변수(p)을 조정하고, 및
   접촉이 검출되는 한 측정된 힘(F_M)과 상기 목표 값에 기초하여 상기 제어 변수(p)를 조정하도록 더 구성되는, 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 값은 변수이고 접촉 검출 후 최소 값으로부터 증가되는, 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 선형 액츄에이터(153)는 접촉이 검출되지 않는 한 엔드 스탑을 압박하는, 시스템.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 유닛은 접촉이 검출되는 한, 상기 측정된 힘(FM)과 상기 예측 값(F_A+ΔF)을 비교하고, 상기 측정된 힘(FM)과 상기 예측 값(F_A+ΔF) 사이의 편차에 기초하여 오차를 표시 또는 기록하도록 더 구성되는, 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 유닛은 접촉이 검출되고 표면 가공 처리가 수행되는 한, 상기 측정된 힘(FM)과 상기 예측 값(F_A+ΔF)에 기초하여 처리 유효성을 점검하고 또한, 이 점검이 실패하면, 가능한 오류 원인들을 판단하도록 더 구성되는, 시스템.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상태 관찰기(160)는 상기 제어 변수(p) 및 상기 선형 액츄에이터(153)의 상태에 관한 추가의 센서 데이터, 특히 액츄에이터 편향에 기초하여 상기 예측 값(F_A+ΔF)을 결정하도록 설계되는, 시스템.
7. 조작기에 연결가능한 제1 플랜지(102)와 공구, 또는 공구를 갖는 기계 공구에 장착될 수 있는 제2 플랜지(101) 사이에서 작동하는 선형 액츄에이터(153)를 포함하는, 처리 장치를 제어하는 방법에 있어서,
   제어 변수(p)를 이용해 상기 선형 액츄에이터(153)를 제어하여 상기 선형 액츄에이터(153)는 제어 변수(p)에 따라, 엔드 스탑 또는 상기 제2 플랜지(101)에 힘을 가하는 단계;
   상기 공구와 표면 사이에 접촉을 검출하는 단계;
   상기 공구와 표면 사이의 접촉의 경우에 있어서, 상기 제2 플랜지(101)와 상기 공구 사이에 결합되는 힘 센서를 이용해 상기 처리 장치에 의해 상기 공구에 가해지는 힘(F_M)을 측정하는 단계;
   상기 제어 변수(p)에 기초하여 상기 처리 장치에 의해 상기 공구에 가해지는 힘(F_M)에 대한 예측 값(F_A+ΔF)을 결정하는 단계;
   접촉이 검출되지 않는 한 상기 예측 값(F_A+ΔF) 및 목표 값에 기초하여 상기 제어 변수(p)을 조정하고, 및 접촉이 검출되는 한 측정된 힘(F_M)과 상기 목표 값에 기초하여 상기 제어 변수(p)를 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 선형 액츄에이터(153)의 상태에 관한 추가의 센서 데이터, 특히 상기 선형 액츄에이터의 편향은 상기 예측 값(F_A+ΔF)을 결정할 때 고려되는, 방법.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 공구와 표면 사이의 접촉은 상기 선형 액츄에이터가 상기 엔드 스탑으로부터 멀어지면서 검출되는, 방법.
10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구가 표면 가공 처리 중 표면에 접촉될 때, 상기 표면 가공 처리의 유효성은 상기 결정된 예측 값 및 추가적으로 상기 측정된 값(F_M)에 기초하여 점검되고, 또한 - 경우에 따라서는 - 상기 측정된 힘(F_M)과 상기 예측 값 사이에 편차가 있는 경우에 있어서 오차의 원인이 결정되는, 방법.