KR20240041362A - 로봇 장치의 허용 최대 속도를 미리 정의하는 방법 - Google Patents

로봇 장치의 허용 최대 속도를 미리 정의하는 방법 Download PDF

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KR20240041362A
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롤랜드 베렌스
세바스찬 허브스터
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프라운호퍼 게젤샤프트 쭈르 푀르데룽 데어 안겐반텐 포르슝 에. 베.
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Abstract

본 발명은 로보틱 장치(1)의 허용 최대 속도를 미리 정의하는 방법에 관한 것으로, 인간 작업자와 로보틱 장치(1) 사이의 충돌을 위한 인간 작업자와 로보틱 장치(1) 사이의 접촉점, 접촉점에서의 로보틱 장치(1)의 형상 및 충돌의 공간 경계 조건을 미리 정의하는 단계와; 공간 경계 조건을 고려하여 충돌이 클램프가 없는 충돌인지 또는 클램프가 있는 충돌인지를 컴퓨팅 유닛(4)을 사용하여 결정하는 단계;로서 충돌이 클램프가 없는 충돌인 경우 프리 충격 모델로 충돌이 클램프가 있는 충돌인 경우 클램핑 충격 모델 또는 준정적 클램핑 모델로, 컴퓨팅 유닛(4)에 의해, 접촉점에서의 로봇 장치(1)의 허용 최대 속도를 계산하고, 각 경우의 모델들은 서로 다른 모델이며, 부상을 피하기 위한 생체역학적 한계값이 신뢰성 있게 준수되는 속도인 로봇 장치(1)의 허용 최대 속도를 미리 정의하기 위해 로봇 장치(1)에 대해 계산된 허용 최대 속도에 따르는 신호를 출력하는 컴퓨팅 유닛(4)을 사용하여 가능한 가장 효율적인 방식으로 허용 최대 속도를 결정할 수 있도록 하는 단계;를 포함한다.

Description

로봇 장치의 허용 최대 속도를 미리 정의하는 방법
본 발명은 로봇 장치의 허용 최대 속도를 미리 정의하는 컴퓨터 구현 방법 및 이에 대응하는 제어 유닛에 관한 것이다.
로봇 장치로 인한 사고와 부상을 예방하거나 줄이기 위해서는 가동 부품이 있는 기계식 휴먼-머신 인터페이스를 보호해야 한다. 휴먼-머신 인터페이스는, 예를 들어 협동 로봇 장치/로봇, 소위 코봇(cobot)에 존재한다. 원칙적으로, 기계인 로봇 장치의 움직이는 각 부분과, 인간 작업자인 사용자의 신체 부위 간의 충돌로 인해 부상의 위험이 있다. 로봇 장치의 성능을 부상의 위험을 없애거나 부상 위험을 감소시키는 정도로 제한하는 것만으로도 부상이나 사고의 위험을 줄일 수 있다.
일반적으로 성능 제한은 로봇 장치의 힘 및/또는 동력을 제한하여 달성할 수 있다. 예를 들어 관련 표준에 따르면 알려된 생체역학적 한계값(known biomechanical limit values)은 로봇 장치의 안전 작동 모드에서 사람과의 충돌로 인해 인체 조직에 허용할 수 없는 과도한 스트레스가 가해져서 통증이나 부상을 초래하지 않도록 하기 위해서는 로봇 장치의 힘(예: 로봇 장치의 가동 부품들의 속도)을 어느 정도로 제한해야는 지를 간접적으로 규정한다.
오늘날에는 물리적 측정(들)을 통해 로봇 장치에서 한계값, 즉 한계값 준수 여부를 검증하는 것이 확립되어 있다. 하지만, 이 방법은 로봇 장치를 작동시킨 후에야 측정이 가능하기 때문에, 달성 가능한 최대 속도 또는 성능 제한을 소급해서만 결정할 수 있다는 단점이 있다. 결과적으로, 해당 허용 제어 신호도 소급해서만 생성될 수 있으므로, 반복 루프가 길어지고 계획의 불확실성이 높아진다.
인간과 탄성 로봇 장치 간의 충돌에 대한 추상적 평가에 대한 이론적 이해는 IEEE Robot. Automat. Mag. 11(2), 22-33쪽, 2004년, Bicchi, A. 외의 논문에 게재된 "빠르고 "부드러운 팔" 전략(Fast and "Soft Arm" Tactics)"의 영향을 크게 받았다. 이 논문에서는 3-질량 오실레이터 모델을 사용하여 머리 부상 위험을 예측하는데, 이 모델은 머리와 같은 단단한 신체 부위에만 적합하다.
3-질량 오실레이터 모델(3-mass oscillator model)은 국제 지능형 로봇 및 시스템 학술대회의 2012년 회보(Proceedings of 2012 IEEE/RSJ - International Conference on Intelligent Robots and Systems, 5089~5096쪽)에 게재된 Haddadin S. 외의 논문 "탄성 로봇의 디커플링 특성과 관절 수준에서 시간 최적 속도 극대화에 미치는 영향"에서도 마찬가지로 사용되었다. 최악의 시나리오를 묘사하기 위해 구동 관성을 무한 질량으로 가정하지만, 현실적인 시나리오에서는 충돌력이 상당히 과도하게 발생하여 허용 최대 속도(permissible maximum speed)가 불필요하게 감소한다.
"실험적 로봇 공학(Experimental Robotics, Cham: Springer International Publishing, 211-221쪽, 2021년)"에 실린 Herbster. 외의 논문 "협동 로봇 조작기의 겉보기 질량 추정을 위한 새로운 접근법"에에서도 3-질량 오실레이터 모델을 사용한다. 선형 특성 곡선을 가정하여 안전 속도, 즉 허용 최대 속도에 대한 분석 솔루션이 설명되어 있다.
이에, 본 개시는, 특히 실시간 응용 분야에서, 허용 최대 속도를 결정하는데 있어 가능한 가장 효율적인 방법으로 부상을 방지할 수 있는 생체역학적 한계값을 안정적으로 준수할 수 있는 로봇 장치의 허용 최대 속도를 지정하고자 한다.
이러한 목적은 독립 청구항의 주제에 의해 달성될 수 있으며, 종속 청구항, 상세한 설명, 및 도면에서 효과적인 실시 예들을 찾을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 본 개시는 로봇 장치의/로봇 장치에 대한 허용 최대 속도를 미리 정의하기 위한 컴퓨터 구현 방법에 관한 것이다. 여기서, 최대 속도는 특히 로봇 장치의 미리 정의된 기계 경로 또는 궤적을 따라 각 시점에서 로봇 장치 표면의 모든 점 중 가장 빠른 속도로 이동하는 하나 이상의 점과 관련된다. 특히, 로봇 장치는 협동 로봇 장치라 불리는, 코봇(cobot)일 수 있다. 여기에 예시되는 방법은 일반적으로 인간과 물리적 인터페이스를 갖는 모든 기계에 적용될 수 있다.
여기서, 하나의 방법 단계은 인간 작업자(human operator)와 로봇 장치 간의 충돌에 대한 인간 작업자와 로봇 장치 사이의 적어도 하나의 접촉점(contact point), 해당 접촉점에서의 로봇 장치의 형상(geometry), 및 해당 충돌의 공간 경계 조건(spatial boundary condition)을 미리 정의하는 것이다. 구체적으로, 로봇 장치의 형상은 공구(tool) 및/또는 공작물 데이터(work piece data)를 포함할 수 있다. 따라서, 로봇 장치에 의해 사용되는 공구 또는 로봇 장치에 의해 처리되는 공작물은 로봇 장치의 일부로 간주되도록 고려될 수 있다. 인간과 기계, 즉 작업자와 로봇 장치 사이의 접촉점뿐만 아니라, 공간적 경계 조건(예: 접촉점에 속하는 인체의 신체 부위가 포함되는지(trapped) 또는 불포함되는지(free)의 여부)의 선택은 사용자에 의해 수동으로 수행되거나 (부분적) 자동으로 수행될 수 있다. 사용자에 의한 또는 (부분적) 자동화에 의한 입력은 충돌에 대한 하나 이상의 접촉점 또는 작업자와 로봇 장치 간의 충돌과 관련된 여러 접촉 시나리오를 지정할 수 있다. 예를 들어, 충돌과 관련된 로봇 장치의 형상은 예를 들어, 사용자가 리스트를 사용하여 수동으로 선택하거나 로봇 장치의 3D 모델(예: 가능한 경우 공구 및 공작물 포함)을 기반으로 자동으로 선택할 수 있다.
다른 방법 단계에서는 미리 정의된 공간 경계 조건을 고려하여 컴퓨팅 유닛이 해당 충돌이 클램프가 없는 충돌(clamp-free collision)인지 또는 클램프가 있는 충돌(clamped collision)인지를 결정한다. 복수의 접촉점이 있는 충돌의 경우, 클램프가 없는 충돌과 클램핑이 있는 충돌이 모두 발생할 수도 있다. 이 경우, 예를 들어, 충돌은 본 방법에서 두 개의 개별적인 하위 충돌로 구분할 수 있으며, 각각의 하위 충돌에 대해 개시된 방법이 개별적으로 수행된다. 각각의 개별 방법의 마지막에서, 복수의 충돌 또는 복수의 접촉점에 대한 로봇 장치의 허용 최대 속도를 미리 정의하는 것과 마찬가지로, 후술하는 바와 같이, 허용 최대 속도에 대한 서로 다른 결과들이 비교될 수 있으며, 예를 들어 최저 최대 속도(lowest maximum speed)를 허용 최대 속도로 미리 정의하여 아래에 설명된 출력에 맞게 계산하여 제공할 수 있다.
접촉점에서 로봇 장치의 허용 최대 속도를 계산하는 것은 이에 따라 또 다른 방법 단계이다. 이 방법은 해당 충돌이 클램프가 없는 충돌인 경우 프리 충격 모델(free-impact model)을 사용하고, 해당 충돌이 클램프가 있는 충돌인 경우 클램핑 충격 모델(clamping-impact model) 및/또는 준정적 클램핑 모델(quasi-static-clamping model)을 사용하여 수행된다. 각 경우마다 다른 모델을 사용한다. 여기서, 프리 충격 모델은 "프리 충격", 즉 인체 부위의 접촉점 또는 접촉점에 속하는 인체 부위가 충돌 방향, 즉 충돌 시 로봇 장치의 접촉점의 이동 방향에 있어서, 외부 저항에 대향할 수 없는(not opposed by), 즉 인체 부위가 회피할 수 없는(evade) 비교적 빠른 충돌에 사용된다. 클램핑-충격 모델도 마찬가지로 비교적 빠른 충돌, 즉 접촉점에 할당된 인체 부위가 회피할 수 없는, 즉 외부 저항에 직면하여 피할 수 없는(trapped) 충돌과 관련이 있다. 준정적 클램핑 모델은 앞서 언급한 빠른 충돌에 비해 느린 충돌에 사용되는데, 느린 충돌에서는 인체 부위의 접촉점 또는 접촉점과 연결된 인체 부위도 충돌 방향으로 외부 저항을 받는, 즉 신체 부위가 클램핑 충격을 피할 수 없게 된다.
각 모델들은 허용 최대 속도를 계산하는 컴퓨팅 유닛에 저장되며, 아래에 추가 설명하는 바와 같이, 부분적으로 동일하거나 부분적으로 다른 입력 변수를 기반으로 모델 별로 각각의 최고 속도를 결정할 수 있다. 충돌이 비교적 빠른지 또는 비교적 느린지 여부, 다시 말해 클램핑-충격 모델 또는 준정적 클램핑 모델을 사용할지의 여부는 예를 들어, 해당 속도 제한 값을 설정하거나, 추가 또는 대안으로 두 모델을 모두 적용하거나, 두 가지 다른 시뮬레이션을 사용하여 충돌을 개별적으로 시뮬레이션한 다음 결과를 비교하여 각 경우에 허용되는 최대 속도를 추가로 설정함으로써 미리 정의할 수 있다. 예를 들어, 이 중 더 낮은 값이 이 방법의 다른 부분에서 선택될 수 있다.
마지막으로, 컴퓨팅 유닛은 로봇 장치에 대해 계산된 허용 최대 속도에 따른(dependent on) 제어 신호를 출력하며, 이것은 또한 복수의 계산된 최대 속도 중에서 선택될 수 있으며, 특히 계산된 허용 최대 속도를 나타낼 수 있다. 제어 신호는 여기서 로봇 장치에 의해 직접 판독될 수 있는 제어 신호이거나, 또는 대안으로 예를 들면, 디스플레이 유닛을 통해 로봇 장치가 제어되어야 하는 최대 속도를 본 방법에서 인간 사용자에게 상응하게 표시하는 제어 신호일 수도 있다. 따라서, 컴퓨터 구현 방법은 가상 계획 툴(virtual planning tool), 예를 들어 제어 신호에 의해 가상으로 제어되는 가상 로봇 장치 또는 로봇 장치의 제어 유닛에서 직접 프로그램 시퀀스로 구현될 수 있다. 공구, 안전 구성, 역학, 질량, 관성, 무게 중심, 관절(joint) 및 해당 모터의 설명 외에, 로봇 장치의 토크, 충돌의 영향을 받는 신체 부위의 한계값, 강성 특성 곡선, 및 질량과 관련된 필수 데이터는 해당 데이터베이스에 저장되어 방법에 제공된다. 사용된 데이터는 아래에서 자세히 설명한다. 신호는, 예를 들어 실시간 애플리케이션에서, 로봇 장치의 실제 속도가 허용 최대 속도보다 높다는 것을 나타내는 경고 신호일 수도 있다.
허용 최대 속도를 계산하기 위해 본 방법은 데이터베이스 또는 모델(들)에 저장된 매개변수에 액세스한다. 계산이 종료되면, 본 방법 및 알고리즘은 고려 중인 충돌이 발생할 경우, 충돌에 관련된 고려 대상 기계 부품이 2021년 7월에 발효된 표준(예: ISO/TS 15066)에 따라 허용되는 저장된 생체역학적 한계값을 더 이상 초과하지 않는 안전한 속도, 즉 로봇 장치의 허용 최대 속도를 출력한다. 하나 이상의 충돌에서 복수 쌍의 접촉점 및 접촉 형상이 있는 경우, 계산된 안전 속도 중 가장 낮은 속도를 출력하도록 선택할 수 있다.
이전의 접근 방식과 비교했을 때, 이러한 접근 방식의 장점은 우선 클램핑 충격과 준정적 클램핑이 균일한 접근 방식으로 결합되지만, 개별적으로 고려된다는 것이다. 따라서, 상대적으로 느린 충돌과 상대적으로 빠른 충돌 모두에서 부상 위험이 낮은 안전 속도를 정확히 계산할 수 있다.
이는 시스템 거동이 매우 비선형적이라는 사실, 다시 말해 모든 클램핑, 고속 및 저속 클램핑, 클램핑 충격 및 준정적 클램핑에 대해 균일한 모델로 제한하면 허용 최대 속도가 다른 경우, 실제 제한 값에서 크게 벗어나므로 매우 부정확해진다는 사실에 기반한다. 또한, 본 개시에 따른 방법은 소위 오프라인(계획) 계산 및 기계, 특히 인간과 물리적 인터페이스가 있는 로봇 장치의 각각의 허용 최대 속도를 실시간으로 계산하는 데 모두 적합하다. 여기서는, 특히 인간과 상호 작용하고 ISO/TS 15066에 따라 전력(power) 및 힘(force) 제한 모드에서 작동하는 협업 로봇 장치를 일 예로 들 수 있다. 본 개시에 따른 방법은 알려진 생체역학적 한계값과 같이 미리 정의된 한계값을 준수하는 데 사용될 수 있으며, 이에 따라 작업자에게 허용되지 않는 스트레스, 즉 통증 및/또는 부상을 유발하는 충돌의 위험을 최소화할 수 있다.
상술한 방법은 미리 정의된 궤적, 좀 더 구체적으로는 로봇 장치가 지나가는 기계 경로(machine path)를 따라 움직이는 기계 부품의 허용 속도, 즉 궤적을 최적화하고 검증하는 데 사용할 수 있다. 충돌의 다양한 공간적 조건과 시간적 조건이 구체적으로 다루어질 수 있으며, 이에 따라 본 방법의 정확도는 현저히 높아진다.
본 발명의 근간이 되는 또 다른 측면에 따르면, 비록 필요한 초기 구성은 더 복잡하지만, 단일 모델을 사용하는 것보다 다양한 모델을 사용하는 것이 전반적인 효율성 측면에서 더 유리하다는 것이다. 본 방법은 또한 공구 및 공작물을 포함하여 충돌하는 기계 부품의 접촉점에서의 다양한 표면의 형상뿐만 아니라, 충돌 시 변형될 수 있는 작업자의 하중을 받는(loaded) 연조직 및 접촉점에서의 기계 표면에 대한 모든 접촉점의 비선형 강성 특성 곡선도 고려할 수 있다. 또한, 본 방법은 공구와 공작물을 포함하여 기계 표면을 따라 복수의 지점에 적용될 수 있으므로, 부상 위험을 특히 포괄적으로 평가하여 허용 최대 속도를 더욱 신뢰성 있게 결정할 수 있다.
유리한 실시 예에 따르면, 출력 제어 신호는 로봇 장치, 로봇 장치의 궤적 또는 로봇 장치의 하나 이상의 부품에 대해 미리 정의된 기계 경로를 따라 위치 종속적인 속도 사양(location-dependent speed specification)을 나타내도록 제공될 수 있다. 여기서, 속도 사양은 기계 경로를 따라 미리 정의되므로 로봇 장치의 각 기계 부품에 대해 서로 다른 위치에 있다는 점에서 위치 종속적이다. 특히, 위치 종속 속도 사양은 미리 정의된 기계 경로에 대해 원래 미리 정의된 속도 사양을 계산된 최대 속도에 따라 스케일링(scaling)하여 생성할 수 있으며, 마찬가지로 위치 종속적인 것이 바람직하다. 따라서, 안전하지 않을 수 있는 기계 경로를 따르는 원래의 위치 종속 속도 사양은 동등 위치 종속 속도 사양(equivalent location-dependent speed specification)으로 대체될 수 있으며, 이는 미리 정의된 기계 경로를 따라 안전한 허용 최대 속도가 미리 정의되도록 보장한다.
여기서, 스케일링은 미리 정의된 최대 속도를 균일하게, 즉 위치에 독립적으로 스케일링하거나 또는 미리 정의된 기계 경로에 국부적으로 적용된 스케일링으로 구성되거나 포함될 수 있다. 균일 스케일링을 사용하면, 미리 정의된 허용 최대 속도에 기계 경로를 따라 위치에 따른 고정 계수를 곱하여 위에서 설명한 바와 같이 부상을 배제할 수 있는 안전 속도가 원래 속도 사양의 하나 이상의 극한 속도(speed extremes)를 초과되지 않도록 한다. 미리 정의된 기계 경로에 국부적으로 조정된 스케일링의 경우, 원래 속도 사양이 안전 속도를 초과하는 기계 경로의 하위 섹션에서는 그에 따라 속도가 감소하고, 원래 미리 정의된 속도 사양이 결정된 안전 최고 속도보다 낮은 기계 경로의 하위 섹션에서는 속도가 증가될 수 있다. 로봇 장치에 대한 미리 정의된 처리 속도(process speed)는 기계 경로의 하나 이상의 하위 섹션에서 특히, 원래 미리 정의된 최대 속도 사양이 조정되지 않는 방식으로도 고려될 수 있다. 이는 예를 들어, 로봇 장치에 의해 수행되는 기술 프로세스의 하위 섹션에서 안전상의 이유로 속도를 높여야 하지만 프로세스 자체의 경우 계산된 허용 최대 속도에 비해 낮은 속도가 필요한 경우 효과적이다. 이는 로봇 장치의 전체 프로세스를 안전하게 최적화될 수 있다는 장점, 즉 속도를 높일 수 있다는 장점이 있다.
다른 실시예에 따르면, 허용 최대 속도는 실시간으로 계산되고 제어 신호 출력은 로봇 장치의 순간 허용 최대 속도(instantaneous permissible maximum speed)를 나타내어, 미리 정의된 접촉점에서 로봇 장치의 순간 실제 속도가 순간 허용 최대 속도에 적용되도록 제공될 수 있다. 이는 예를 들어, 로봇 장치의 순간 속도가 작업자에 의해 제어되거나 영향을 받는 수동 또는 반자동 제어 장치의 경우에 효과적이다.
또 다른 유리한 실시 예에 따르면, 충돌이 클램핑 충돌인 경우, 허용 최대 속도는 클램핑 충돌 모델 및 준정적 클램핑 모델을 사용하여 계산되고, 계산된 최대 속도 중 낮은 속도가 출력 신호가 종속되는 허용 최대 속도로 선택되는 것이 제공된다. 이는 빠른 충돌과 느린 충돌을 암묵적으로 구분함으로써, 처음부터 고정적이고 부정확할 수 있는 한계값을 설정할 필요 없이 더 안전한 최대 속도를 우선적으로 적용할 수 있다는 장점이 있다.
또 다른 유리한 실시 예에 따르면, 허용 최대 속도는 다음에 의거하여 준정적 클램핑 모델에서 계산된다:
a) 로봇 장치의 미리 정의된 운동학적 구조(predefined kinematic structure),
b) 충돌 당시의 조인트 구성, 특히 로봇 장치의 하나 이상의 축 위치 및 각 축에 할당된 속도,
c) 충돌의 접촉점에서의 인체 부위(human body site)의 강성 특성 곡선(stiffness characteristic curve),
d)충돌의 접촉점에서의 기계 지점(machine point)의 강성 특성 곡선,
e) 인체 부위의 강성 특성 곡선과 기계 지점의 강성 특성 곡선으로 계산된 최종 강성 특성 곡선(resultant stiffness characteristic curve),
f) 미리 정의된 허용 최대 변형으로, 특히 생체역학적 힘 임계값 및/또는 에너지 임계값 및/또는 변형 임계값으로 미리 정의된 허용 최대 변형(a predefined added maximum deformation),
g) 기계 지점의 강성 특성 곡선과 최종 강성 특성 곡선으로 계산된 허용 침투 깊이(permissible penetration depth),
h) 로봇 장치의 반응력(reaction force),
i) 기계 지점의 강성 특성 곡선과 허용 침투 깊이를 사용하여 계산된 로봇 장치의 반응 거리;
j) 미리 정의된 허용 최대 변형 및 반응력을 사용하여 계산된 로봇 장치의 허용 제동 거리; 및
k) 로봇 장치의 실제 제동 거리;
여기서, a)에 따른 로봇 장치의 미리 정의된 운동학적 구조는 조인트의 일반적인 배치, 예를 들어 데나비트-하르텐베르크 파라미터(Denavit-Hartenberg parameter)를 나타낸다. b)에 따른 충돌 당시의 조인트 구성은 특히, 로봇 장치의 축 위치 및 축 속도를 로봇 장치의 해당 제어 유닛 또는 가상 (오프라인) 플래닝 툴(예: 사람의 입력에 의해 트리거되는)에 의해 방법 또는 알고리즘으로 전송한다. 로봇 장치의 궤적이 전송되면, 각각의 개별 시간 단계에 대해 조인트 구성이 계산되고 그에 따라 전송된다. 따라서, 이 방법을 사용하여 궤적을 따라 각 시간 단계에 대한 안전 속도를 계산할 수 있다.
c)에 따른 인체 부위의 강성 특성 곡선은 영향을 받는 신체 부위와 접촉점에서의 기계의 기하학적 구조(형상)에 따라 달라진다. 이는 해당 신체 부위의 변형과 관련하여 충돌 시 신체 부위에 작용하는 힘의 의존성을 정량화하며, 일반적으로 비선형 거동으로 구분된다. 충돌의 영향을 받는 인체 부위의 강성 특성 곡선 및 이와 관련된 한계값은 특히, ISO/TS 15066에 따른 표 형식의 목록에서 가져올 수 있으며, 접촉 모델이나 시뮬레이션을 기반으로 결정하거나 실험적으로 결정할 수 있다. 알려진 표 형식의 목록에는 예를 들어, 영향을 받는 신체 부위와 접촉점에 있는 로봇 장치의 기하학적 구조가 포함된다. 이에 반해, 접촉 모델은 각 신체 부위 또는 신체 부위의 접촉점에 대한 특정 재료 파라미터와 생체 역학적 한계 값을 기반으로, 접촉 형상 의존적인 강성 특성 곡선 및 이와 관련된 힘 또는 에너지 한계 값을 계산할 수 있다.
d)에 따른 접촉점에서의 기계 지점은 또한 인체 부위의 강성과 동등한 값을 가질 수 있다. 인체 부위의 강성 특성 곡선과 마찬가지로, 해당 강성 특성 곡선은 데이터베이스의 항목, 시뮬레이션, 또는 실험 데이터에 의해 주어질 수 있다. 또한 비선형 거동을 나타낼 수도 있다. e)에 따른 유효 강성 특성 곡선은 c)에 따른 인체 부위의 강성 특성 곡선과 d)에 따른 접촉점에서의 기계 지점의 강성 특성 곡선으로부터 생성된다. 이러한 결과 강성 특성 곡선은 예를 들어 도 2에 도시되어 있으며, 일반적으로 기계 지점과의 충돌 시 접촉점에서 인체 부위에 작용하는 힘과 이 힘으로 인한 접촉점에서의 인체 부위 변형 간의 관계를 설정한다. 여기서, 작용하는 힘이 허용되는 생체역학적 접촉력을 초과하면, 허용 침투 깊이도 초과되어 인체 부위에 손상, 즉 부상을 입게 된다.
생체역학적 한계값으로서 f)에 따라 미리 정의된 허용 최대 변형은 신체 부위 및 접촉 형상에 따라 달라지는 한계값이다. 따라서, 이는 힘 임계값/한계값 및/또는 에너지 임계값/한계값 및/또는 변형 임계값/한계값과 함께 또는 이러한 형태로 나타낼 수 있다. 여기서는 충격 및 클램핑 하중에 대한 각각의 한계값에 대해 빠른(일시적(transient) 값과 느린(준정적(quasi-static)) 값을 구분할 수 있다. 준정적 사양 또는 값은 준정적 클램핑 모델과 관련이 있고, 일시적 한계 값은 프리 충격 모델 또는 클램핑 충격 모델과 관련이 있다. 서로 다른 힘, 에너지 또는 변형 한계값은 인체 부위의 소정 강성 특성 곡선을 사용하여 서로 변환할 수 있다. 이러한 계산에는 도 2와 관련하여 예시한 대로, 생체역학적 힘 한계값이 요구된다.
g)에 따른 허용 침투 깊이는 생체역학적 힘 한계값과 최종 강성 특성 곡선으로부터 결정될 수 있으며, 이는 도 2에서 허용되는 생체역학적 접촉력과 최종 강성 특성 곡선의 교차점에 해당한다. h)에 따른 로봇 장치의 반응력은 로봇 장치에 설정할 수 있는 힘 제한 값이며, 힘 제한 값을 초과하면 로봇 장치가 안전 정지를 트리거한다. 이러한 안전 정지는 일반적으로 모든 축의 최대 감속과 함께 비동기식 제동을 포함하며 경로 충실도(path fidelity)는 지정(given)되지 않는다. 도 2에는 예시적인 반응력이 도시되어 있다. 설정 가능한 힘 제한 값은 보통 특정 축에 대한 로봇 장치의 작동 지점에 대해 설정될 수 있다. 또한, 로봇 장치의 각각의 구동부(drives)에 대해 구체적으로 특정되는 축별 힘(axis-specific force) 또는 토크 제한 값으로 설정할 수도 있다. 축별 힘 또는 토크 제한 값은 축 위치, 접촉점에서의 기계 지점, 즉 기계 표면의 접촉점, 및 충돌 방향을 사용하여 일반적인 힘 제한 값으로 변환될 수 있다.
원칙적으로 힘 제한 값은 모든 기계 지점, 즉 기계 표면의 모든 접촉점에 대해 정의될 수 있다. 예를 들어 로봇 장치의 엔드 이펙터(end effector)와 같은 기계 지점에 설정된 힘 제한 값은 일반적으로 다른 기계 지점에 대한 힘 제한 값으로 변환될 수 있다. 따라서, 모든 축에 대해 축별 힘 또는 토크 제한 값을 지정할 필요는 없다. 축 위치가 좋지 않은 경우, 로봇 장치가 충돌을 감지하지 못할 수도 있다. 이는 충돌 시 입력된 힘에 의해 모니터링되는 축별 힘 또는 토크 중 어느 것도 해결되지 않는 경우에 해당한다. 일반적으로 작동 지점에 대한 힘 제한 값과, 축별 힘 또는 토크 제한 값(일반적으로 모니터링되는 제한 값이라고 함)이 모두 로봇 장치에 설정, 즉 미리 정의되고 활성화되어 있는 경우가 많다. 이 경우 두 개의 최종 한계값 중 더 낮은 값을 로봇 장치의 반응력으로 좀 더 고려할 필요가 있다.
i)에 따라 계산된 로봇 장치의 반응 거리는 기계의 작동 지점에 설정된 반응력과 최종 강성 특성 곡선으로 생성될 수 있다. 이때 한계값과 특성 곡선의 교차점은 도 2에 도시된 바와 같이 반응 거리의 길이에 해당한다. j)에 따른 로봇 장치의 허용 제동 거리는 허용 침투 깊이에서 기계의 반응 거리를 뺀 값이다. 도 2에 예시적인 허용 제동 거리가 도시되어 있다. 로봇 장치의 반응력이 해당 신체 위치에서 허용되는 접촉력보다 큰 경우, 안전 속도가 없다. 이 경우 로봇 장치는 영향을 받는 신체 부위가 위험 구역을 벗어날 때까지 움직이지 않아야 한다.
안전 정지 시 로봇 장치는 일반적으로 비동기식 제동을 수행하며, 이 경우 모든 축이 최대로 감속되고 경로 정확도의 손실이 허용된다. 이러한 제동 과정 후 로봇 장치의 축 위치는 충돌 당시의 축 속도, 도달 범위가 결정될 수 있는 축 위치, 작업 지점 또는 툴의 추가 하중 및 이동한 제동 각도로부터 계산된다. 제동 각도는 제조업체의 사양에서 가져오거나, 가능한 감속을 기준으로 계산하거나, 실험적으로 결정할 수 있다. 감속은 축에서 사용할 수 있는 힘 또는 토크와 기계 시스템으로 간주되는 로봇 장치의 동역학에서 비롯된다. 공지된 운동학적 구조를 사용함으로써, 제동 프로세스 종료 전후의 충돌 지점 거리 차이를 고려하여 기계의 모든 지점, 즉 각 기계 지점을 충돌의 접촉점에 대해 충돌 방향으로 이동한 거리를 계산할 수 있다. 이 이동 거리는 k)에 따른 기계의 실제 제동 거리에 해당한다.
유리한 실시 예에 따르면, 허용 최대 속도는 실제 제동 거리가 허용 제동 거리와 일치할 때까지 로봇 장치의 반응력에 기초하여 반복적으로 결정될 수 있다. 여기에서는 이분법 방법(bisection method)이 특히 적합하다. 반복 단계(iteration step)가 적기 때문에 위에서 설명한 변수를 사용하여 허용 최대 속도를 특히 빠르게 계산할 수 있다.
또 다른 유리한 실시 예에 따르면, 충돌이 인체의 다른 부위에 있는 접촉점들을 포함하는 경우, 제어 신호 출력은 미리 정의된 허용 최대 변형 및 최종 강성 곡선에 따라 최단 실제 제동 거리에 해당하는 허용 최대 속도에 따라 달라진다. 이것이 반드시 다양한 접촉점에 있어서 허용되는 최저 허용 최대 속도일 필요는 없다. 이는 최대 속도 자체가 아니라 필요한 제동 거리와 관련하여 평가되는 충돌의 각 접촉점을 고려하기 때문에, 부상을 특히 효과적으로 방지할 수 있다는 장점이 있다.
또 다른 유리한 실시 예에 따르면, 충돌이 서로 다른 기계 지점의 접촉점들을 포함하는 경우, 모든 접촉점에 대한 허용 최대 속도가 계산되고 출력 신호는 최저 허용 최대 속도에 따라 달라지는 것이 제공된다. 마지막 단락에서 예시한 것과는 달리, 다른 기계 지점에서 실제 제동 거리가 아닌 최대 속도 자체가 부상 위험을 제한하는 데 있어 가장 적합하다는 것이 밝혀졌다.
또 다른 유리한 실시 예에 따르면, 프리 충격 모델 및 클램핑 충격 모델의 경우, 다음에 의거하여 각 경우의 허용 최대 속도가 계산되는 것이 제공된다:
a) 로봇 장치의 미리 정의된 운동학적 구조,
b) 충돌 당시의 조인트 구성, 특히 로봇 장치의 하나 이상의 축 위치 및 각 축에 할당된 속도,
c) 충돌의 접촉점에서의 인체 부위의 강성 특성 곡선,
d) 충돌의 접촉점에서의 기계 지점의 강성 특성 곡선,
e) 인체 부위의 강성 특성 곡선과 기계 지점의 강성 특성 곡선으로 계산된 최종 강성 특성 곡선,
f) 생체역학적 힘 임계값 및/또는 생체역학적 에너지 임계값으로 미리 정의된 허용 최대 변형.
언급된 값들은 준정적 클램핑 모델에 대해 위에서 이미 설명한 값들에 해당한다.
또한, 추가 최대 속도는 다음에 따라 여기에서 계산된다:
l) 충돌의 접촉점에서의 기계 지점의 유효 질량(effective mass), 및
m) 로봇 장치의 유효 강성(effective stiffness).
프리 충격 모델에서만 최대 속도는 다음에 따라 계산된다:
n) 충돌의 접촉점에서의 인체 부위의 유효 질량.
l)에 따른 기계점의 유효 질량은 Khatib O.에 따라 계산되었으며, 이에 대한 자세한 내용은 "로봇 조작기의 모션 및 힘 제어를 위한 통합 접근법: 작동 공간 공식", 1987년 로봇틱스 및 오토메이션 3(1) IEEE 저널, 43~53쪽에 게재된 논문 및 "로봇 조작기의 관성 특성: 객체 수준 프레임워크", 1995년 로봇틱스 리서치 국제 저널 14(1), 19 - 36쪽에 게재된 논문에서 다음과 같이 확인할 수 있다: 충돌 당시에 기계 부품의 배치(축 위치), 동적 질량 특성, 로봇 장치의 운동학적 구조(축의 기하학적 배열 등), 충돌 방향, 및 충돌 지점. 로봇 장치의 동적 질량 특성은 구동 관성을 포함하거나 포함하지 않고 계산할 수도 있다. 그 결과, 구동 관성을 고려하지 않은 로봇 장치의 유효 질량 또는 구동 관성을 고려한 로봇 장치의 유효 질량이 산출되며, 유효 구동 질량은 두 유효 질량 간의 차이로 계산된다. 구동 관성을 고려하여 계산할 때는 로봇 장치의 각 구동부의 전달 비율(transmission ratio)을 고려해야 한다. Khatib 방법은 특히 다관절 로봇에서 로봇 체인의 여러 부재와 같이 서로 연관되어 움직이는 기계 부품의 일련의 배열을 계산하는 데 적합하다. 이 방법은 평행 운동 체인(parallel kinematic chains) 및 혼합 형태에서도 사용할 수 있다.
로봇 장치의 유효 강성은 n) J.-K. Salisbury, "데카르트 좌표에서 조작기의 능동 강성 제어", 적응 프로세스에 관한 심포지엄을 포함하는 의사 결정 및 제어에 관한 컨퍼런스 논문집, 95-100쪽, 1980년 및 A. Albu- Schδffer, M. Fischer, G. Schreiber, F. Schoeppe 및 G. Hirzinger, "소프트 로봇 공학: 수동적으로 순응하고 결합되지 않은 조인트로로 어떤 데카르트 강성을 얻을 수 있는가?", IEEE/RSJ 지능형 로봇 및 시스템 컨퍼런스(IROS) 논문집, 3295-3301쪽, 4권, 일본 센다이, 2004년 2월에 게재된 내용에 따라 계산될 수 있으며, 충돌 당시의 기계 부품의 배열, 각 구동 트레인의 강성, 로봇 장치의 운동학적 구조, 충돌 방향, 및 충돌 지점에 따라 달라질 수 있다. 여기서, 유효 구동 질량은 도 3에 도시된 바와 같이, 등가 모델(equivalent model)에 따라 축의 유효 질량과 탄력적으로 결합된다. 그러면 이 질량들 사이의 강성이 유효 강성이 된다.
프리 충돌, 즉 클램프가 없는 충돌의 공간 조건에 대한 힘을 결정하기 위해서는, n)에 따른 사람의 유효 질량이 요구된다. 여기서, 사람의 유효 질량은 사람의 동적 질량 모델(dynamic mass model)을 사용하여 계산하거나 ISO/TS 15066에 따른 표 형식의 목록에서 가져온다. 일반적으로 동적 질량 모델은 신체 자세(예: 각 관절의 위치), 성별, 키, 체중에 따른 동적 질량 속성 예를 들어, 충돌 방향 및 충돌 지점을 고려한다. 일반적으로 표 형식의 목록에는 영향을 받는 신체 부위와 신체 자세가 포함된다. 클램핑 충격이 발생하면, 인체 신체인 인체 부위는 가해지는 힘을 피할 수 없다. 즉, 물러날 수 없다. 따라서 동등한 모델에서 인체 부위는 단단히 잡힌 것(trapped)으로 간주해야 한다.
소정 변수를 파라미터로 사용하면, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 프리 충격 모델 또는 클램핑 충격 모델에 대한 시뮬레이션 모델을 구성할 수 있다. 따라서, 프리 충격 모델은 3-질량 오실레이터 모델을 포함하거나 3-질량 오실레이터 모델이거나/이고, 클램핑 충격 모델은 2-질량 오실레이터 모델을 포함하거나 2-질량 오실레이터 모델일 수 있다. 이 모델들은 충돌 속도에 기초하여 접촉점의 힘 곡선에 대한 결론을 도출하는 데 적합하다. 전달된 에너지와 최대 힘은 힘 곡선에서 결정될 수 있으며, 결과적으로 최종 강성 특성 곡선을 통해 예상되는 부상에 대한 결론을 도출하는 데 사용될 수 있으며, 안전 속도는 그에 따라 허용 최대 속도로 미리 정의될 수 있다.
여기서, 허용 최대 속도로서의 안전 속도 계산은 접촉점의 최종 강성 특성 곡선이 선형인 경우 해석적(analytically)으로 가능하며, 접촉점의 최종 강성 특성 곡선이 비선형인 경우 수치적(numerically)으로만 가능하다. 여기서도 방법의 가속화를 위해 특성 곡선과 생체역학적 힘 한계값의 교차점에서의 최종 강성 특성 곡선을 선형화할 수 있다. 이 경우, 예를 들어 해석 솔루션을 기반으로 허용 최대 속도의 초기 추정값을 도출할 수 있으며, 이를 수치 솔루션의 초기 값으로 사용할 수 있다.
일시적인(transient), 즉 상대적으로 빠른 충돌의 경우, 통상적으로 충돌 지속 시간이 너무 짧아 컨트롤러가 개입할 수 없기 때문에 로봇 장치의 구동 컨트롤러가 무시될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 기계에 설정된 모니터링된 반응력은 일반적으로 충격에 영향을 미치지 않는다. 로봇 장치에 설정된 모니터링된 반응력보다 작은 생체역학적 한계값은 일반적으로 충격 발생 시 준용될 수 있다.
본 개시의 또 다른 측면은 또한 로봇 장치의 허용 최대 속도를 미리 정의하기 위한 제어 유닛에 관한 것이다. 이러한 제어 유닛은 인간 작업자와 로봇 장치 사이의 충돌에 대한 인간 작업자와 로봇 장치 사이의 접촉점을 감지하고, 접촉점에서의 로봇 장치의 형상을 감지하고, 충돌의 공간 경계 조건을 감지하기 위한 감지 유닛을 포함한다. 또한, 제어 장치는 물리적 경계 조건을 고려하여 충돌이 클램프가 없는 충돌인지 또는 클램프가 있는 충돌인지를 결정하고, 충돌이 클램프가 없는 충돌인 경우 프리 충격 모델을, 충돌이 클램프가 있는 충돌인 경우 클램핑 충격 모델 또는 준정적 클램핑 모델을 사용하여 접촉점에서 로봇 장치의 허용 최대 속도를 계산하기 위한 컴퓨팅 유닛을 포함한다. 모델들은 각 경우마다 다른 모델이다. 또한, 컴퓨팅 유닛은 로봇 장치에 대해 계산된 허용 최대 속도에 따라 제어 신호를 출력하도록 구성된다. 본 개시의 또 다른 측면은 이러한 제어 유닛을 포함하는 로봇 장치에 관한 것이다.
제어 유닛 및 제어 유닛을 구비한 로봇 장치의 장점 및 유리한 실시 예들은 여기에 예시된 방법의 장점 및 유리한 실시 예들에 상응한다.
본 명세서 및 도입 부분에서 언급된 특징 및 이 특징들의 조합은 물론, 도면에 대한 설명에서 아래에 언급되거나 도면에서 단독으로 도시된 특징 및 이 특징들의 조합은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 각 경우에 도시된 조합뿐만 아니라 다른 조합으로도 사용될 수 있다. 따라서, 도면에 명시적으로 도시되고 설명되지는 않았지만, 예시된 실시 예로부터 도출되고 특징들의 개별적인 조합에 의해 생성될 수 있는 실시 예들도 본 발명에 의해 구성되고 개시된 것으로 간주되어야 한다. 따라서 처음에 작성된 독립 청구항의 모든 특징을 갖지 않는 실시 예 및 특징의 조합들도 개시된 것으로 간주되어야 한다. 또한, 청구범위에 기재된 특징의 조합을 초과하거나 벗어나는 실시 예 및 특징의 조합들은, 특히 위에 기재된 실시 예에 의해 개시된 것으로 간주되어야 한다.
본 발명은 이하 첨부된 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명하지만, 본 명세서에 도시된 특정 실시예에 의해 한정되지는 않는다.
도 1은 로봇 장치의 허용 가능한 최대 속도를 미리 정의하기 위한 제어 유닛의 일 실시 예를 따른 로봇 장치의 일 예를 도시한 것이다.
도 2는 접촉점에서의 최종 강성 특성 곡선의 일 예를 도시한 것이다.
도3은 프리 충격 모델과 클램핑 충격 모델에 대한 대체 모델들의 일 예를 도시한 것이다.
각각의 도면에서 유사 또는 기능적으로 유사한 부재들은 유사한 참조 기호가 제공된다.
도 1은 로봇 장치(1)의 허용 최대 속도를 미리 정의하기 위한 제어 유닛(2)을 포함하는 로봇 장치(1)를 도시한 것이다. 이 경우 제어 유닛(2)은 인간 작업자와 로봇 장치(1) 사이의 충돌에 대한 인간 작업자와 로봇 장치(1) 사이의 접촉점, 접촉점에서의 로봇 장치의 형상, 및 충돌의 공간 경계 조건을 감지하기 위한 감지 유닛(3)을 포함한다. 도시된 일 예에서, 접촉점(A), 공간 경계 조건(B), 및 형상(C)은 제어 유닛(2)의 사용자(5)에 의해 미리 정의된다.
또한, 제어 유닛(2)는 충돌의 공간 경계 조건(B)을 고려하여, 충돌이 클램프가 없는 충돌(또는 클램프 프리 충돌(clamp-free collision))인지 또는 클램프가 있는 충돌(clamped collision)인지를 결정하고, 충돌이 클램프가 없는 충돌인 경우 프리 충격 모델(free-impact model)을 사용하고, 또는 충돌이 클램프가 있는 충돌인 경우 준정적 클램핑 모델(quasi-static clamping model)을 사용하여, 접촉점(A)에서 로봇 장치(1)의 허용 최대 속도를 계산하기 위한 컴퓨팅 유닛(4)을 더 포함한다. 모델은 각 경우마다 다른 모델이다. 여기서, 컴퓨팅 유닛(4)은 또한 로봇 장치(1)에 대해 계산된 허용 최대 속도에 따라 신호(g)를 출력하도록 구성된다.
도시된 일 예에서, 제어 유닛(2)은 로봇 장치(1)로부터 충돌 당시의 조인트 구성(d)과, 로봇 장치(1)의 공구를 나타내는 공구 데이터(e)를 검색한다. 또한, 로봇 장치로부터 토크 또는 힘 임계값 (f)도 검색된다. 도시된 일 예에서, 컴퓨팅 유닛(4)은 머신 데이터베이스(5)에서 로봇 장치(1)의 미리 정의된 운동학적 구조(a predefined kinematic structure)뿐만 아니라, 도시된 예에서 로봇 장치의 다른 데이터 예컨대, 로봇 장치의 질량, 관성, 관절 및 모터의 무게 중심 등과 같은 다른 데이터도 검색한다. 또한, 토크 데이터도 여기에서 검색된다. 저장된 모델들, 즉 프리 충격 모델, 클램핑 충격 모델, 및 준정적 클램핑 모델은 모델 데이터베이스(6) 및 관련 생체 역학 데이터베이스(7)에서 한계값, 강성 특성 곡선, 및 충돌의 영향을 받는 인체 부위의 질량과 같은 관련 값(들)과 함께 그에 상응하여 검색된다.
도 2는 형성(D)(formation)에 대한 힘(F)의 함수로서 도출되는 최종 강성 특성 곡선(h)의 일 예를 나타낸다. 허용 침투 깊이(x2)는 허용 생체 역학적 접촉력(y2)과 최종 강성 특성 곡선(h)의 교차점에서의 변형(D)(deformation)에 상응한다. 로봇 장치의 반응 거리(x1)는 로봇 장치의 설정된 반응력(y1)과, 최종 강성 특성 곡선(h)으로부터 비롯된다. 로봇 장치의 허용 제동 거리는 허용 침투 깊이(x2)에서 반응 거리(x1)을 빼서 산출한다.
도 3은 프리 충격 모델과 클램핑 충격 모델의 대체 모델을 나타낸다. 두 경우 모두 로봇 장치(1)가 충돌 지점에서 충돌 속도(vC)로 이동한다고 가정한다. 여기서 유효 구동 질량(mD)이 구동 트레인의 유효 강성(cT)을 통해 축의 유효 질량(mL)과 결합되어 이동하고, 이는 다시 기계 표면의 유효 강성(cM)을 통해 접촉력(F(t))를 전달한다. 유효 질량(mD , mL)은 서로 다른 거리(xD , xL)로 이동할 수 있다 .
도 3의 우측 상단에 도시한 바와 같이, 3-질량 오실레이터 모델에서 작업자의 유한 유효 질량(mH)(a finite effective mass)은 사람의 강성(cH)(stiffness)을 통해 접촉력(F(t))과 결합된다. 따라서, 도시된 일 예에서, 프리 충격 모델은 질량(mD, mL, mH)을 갖는 3-질량 오실레이터 모델이다. 클램핑 충격의 경우, 도 3 우측 하단에 도시한 바와 같이, 작업자(5)는 움직이지 않는 것으로 가정한다. 따라서 연한 조직을 나타내는 인체의 강성(cH)은 전체 접촉력 F(t)를 흡수한다. 이러한 접근 방식에서는 두 개의 질량(mD, mL)만 고려되므로, 클램핑 충격 모델은 2-질량 오실레이터 모델이다.

Claims (12)

  1. 로봇 장치(1)의 허용 최대 속도를 미리 정의하는 방법에 있어서,
    - 인간 작업자와 로봇 장치(1) 간의 충돌에 대한 인간 작업자와 로봇 장치(1) 간의 접촉점, 상기 접촉점에서의 로봇 장치(1)의 형상, 및 상기 충돌의 공간 경계 조건을 미리 정의하는 단계;
    - 상기 공간 경계 조건을 고려하여, 컴퓨팅 유닛(4)을 사용하여 상기 충돌이 클램프가 없는 충돌(clamp-free collision)인지, 클램프가 있는 충돌(clamped collision)인지를 결정하는 단계;
    - 상기 충돌이 클램프가 없는 충돌인 경우 프리 충격 모델(free-impact model)로, 상기 충돌이 클램프가 있는 충돌인 경우 클램핑 충격 모델(clamping-impact model) 또는 준정적 클램핑 모델(quasi-static-clamping model)로, 상기 컴퓨팅 유닛(4)에 의해, 상기 접촉점에서의 상기 로봇 장치(1)의 허용 최대 속도를 계산하는 단계;로서, 여기서 각 경우의 모델들은 서로 다른 모델이며;
    - 상기 컴퓨팅 유닛(4)에 의해, 상기 로봇 장치(1)에 대해 계산된 허용 최대 속도에 따른 신호를 출력하는 단계;를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 출력 신호는 상기 로봇 장치(1)에 대해 미리 정의된 기계 경로를 따라 위치 종속적인 속도 사양을 나타내며, 상기 속도 사양은 특히 상기 계산된 최대 속도에 따라 상기 미리 정의된 기계 경로에 대해 원래 미리 정의된 속도 사양을 스케일링함으로써 생성되고, 상기 스케일링은 균일한 스케일링 또는 상기 미리 정의된 기계 경로에 국부적으로 적용된 스케일링을 포함하며, 바람직하게는 상기 기계 경로의 하나 이상의 하위 섹션에서 상기 로봇 장치(1)에 대해 미리 정의된 처리 속도(process speed)를 고려하는, 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 허용 최대 속도는 실시간으로 계산되며 상기 출력 신호는 상기 로봇 장치(1)의 순간 허용 최대 속도(instantaneous permissible maximum speed)를 나타내는, 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충돌이 클램프가 있는 충돌인 경우, 상기 클램핑 충격 모델과 상기 준정적 클램핑 모델을 사용하여 상기 허용 최대 속도를 계산하고, 상기 계산된 최대 속도 중 더 낮은 속도가 상기 출력의 허용 최대 속도로 선택되는, 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 준정적 클램핑 모델에서, 상기 허용 최대 속도는
    a) 상기 로봇 장치(1)의 미리 정의된 운동학적 구조(1);
    b) 상기 충돌 당시의 조인트 구성, 특히 상기 로봇 장치(1)의 하나 이상의 축 위치 및 상기 각 축에 할당된 속도;
    c) 상기 충돌의 상기 접촉점에서의 인체 부위의 강성 특성 곡선;
    d) 상기 충돌의 상기 접촉점에서의 기계 지점의 강성 특성 곡선;
    e) 상기 인체 부위의 강성 특성 곡선과 상기 기계 지점의 강성 특성 곡선으로 계산된 최종 강성 특성 곡선;
    f) 미리 정의된 허용 최대 변형, 특히 힘 임계값 및/또는 에너지 임계값 및/또는 변형 임계값을 갖는 미리 정의된 허용 최대 변형;
    g) 상기 기계 지점의 강성 특성 곡선과 상기 최종 강성 특성 곡선으로 계산된 허용 침투 깊이;
    h) 상기 로봇 장치(1)의 반응력;
    i) 상기 기계 지점의 강성 특성 곡선과 상기 허용 침투 깊이로 계산된 상기 로봇 장치(1)의 반응 거리;
    j) 상기 미리 정의된 허용 최대 변형 및 상기 반응력으로 계산된 상기 로봇 장치(1)의 허용 제동 거리; 및
    k) 상기 로봇 장치(1)의 실제 제동 거리;에 의거하여 계산되는, 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 로봇 장치(1)의 상기 허용 최대 속도는 상기 실제 제동 거리가 상기 허용 제동 거리와 일치할 때까지 반복적으로 확인되며, 특히 이분법을 통해 반복적으로 확인되는, 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 충돌이 서로 다른 인체 부위의 접촉점들을 포함하는 경우, 상기 출력 신호는 최단 실제 제동 거리에 해당하는 상기 허용 최대 속도에 따르는, 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충돌이 서로 다른 기계 지점에 있는 접촉점들을 포함하는 경우, 모든 접촉점에 대한 상기 허용 최대 속도가 계산되고 상기 출력 신호는 최저 허용 최대 속도에 따르는, 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리 충격 모델과 상기 클램핑 충격 모델의 경우, 상기 허용 최대 속도는
    a) 상기 로봇 장치(1)의 상기 미리 정의된 운동학적 구조;
    b) 상기 충돌 당시의 상기 조인트 구성, 특히 상기 로봇 장치(1)의 하나 이상의 축 위치 및 상기 각 축에 할당된 속도;
    c) 상기 충돌의 상기 접촉점에서의 상기 인체 부위의 강성 특성 곡선;
    d) 상기 충돌의 상기 접촉점에서의 상기 기계 지점의 강성 특성 곡선;
    e) 상기 인체 부위의 강성 특성 곡선과 상기 기계 지점의 강성 특성 곡선으로 계산된 상기 최종 강성 특성 곡선;
    f) 힘 임계값 및/또는 에너지 임계값으로 상기 미리 정의된 허용 최대 변형;
    l) 상기 충돌의 상기 접촉점에서의 상기 기계 지점의 유효 질량;
    m) 상기 로봇 장치(1)의 유효 강성; 및 상기 프리 충격 모델의 경우에만 해당하는:
    n) 상기 충돌의 상기 접촉점에서의 상기 인체 부위의 유효 질량;에 따라 계산되는, 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 프리 충격 모델은 3-질량 오실레이터 모델을 포함 또는 3-질량 오실레이터 모델이거나/이고, 상기 클램핑 충격 모델은 2-질량 오실레이터 모델을 포함 또는 2-질량 오실레이터 모델인, 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 로봇 장치(1)의 허용 최대 속도를 미리 정의하기 위한 제어 유닛(2)에 있어서,
    - 인간 작업자와 로봇 장치(1) 사이의 충돌에 대한 인간 작업자와 로봇 장치(1) 사이의 접촉점, 상기 접촉점에서의 상기 로봇 장치(1)의 형상, 및 상기 충돌의 공간 경계 조건을 감지하는 감지 유닛(3);
    - 상기 공간 경계 조건을 고려하여, 상기 충돌이 클램프가 없는 충돌인지 또는 클램프가 있는 충돌인지의 여부를 결정하고, 상기 충돌이 클램프가 없는 충돌인 경우 프리 충격 모델로 상기 충돌이 클램프가 있는 충돌인 경우 클램핑 충격 모델 또는 준정적 클램핑 모델로 상기 접촉점에서 상기 로봇 장치(1)의 상기 허용 최대 속도를 계산하며, 여기서 상기 모델들은 각각의 경우에 다른 모델이고, 상기 로봇 장치(1)에 대해 계산된 허용 최대 속도에 따르는 신호를 출력하는 컴퓨팅 유닛(4);를 포함하는 제어 유닛(2).
  12. 제 11항에 따른 제어 유닛(2)을 포함하는 로봇 장치(1).
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