KR920004081B1

KR920004081B1 - 로보트 토오크 제어방법

Info

Publication number: KR920004081B1
Application number: KR1019890016830A
Authority: KR
Inventors: 박은영
Original assignee: 삼성항공산업 주식회사; 송세창
Priority date: 1989-11-20
Filing date: 1989-11-20
Publication date: 1992-05-23
Also published as: KR910010266A

Abstract

내용 없음.

Description

로보트 토오크 제어방법

제 1 도는 이 발명의 방법의 블록도.

제 2 도는 제 1 도의 중앙처리장치의 시스템 처리도.

제 3 도는 이 발명의 제어방법의 처리순서도.

제 4 도는 전기자 제어 DC 서모보모의 등가회로도.

제 5 도는 종래의 로보트 토오크 제어방법의 블록도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 중앙처리장치(CPU) 2, 2' :카운터부

3 : 디지탈 아날로그 변환기 5 : 구동부

6 : 인코더

이 발명은 로보트의 토오크 제어에 관한 것으로 더 상세하게는 작업 로보트의 특성 및 부하하중의 변화에도 원하는 작업을 할 수 있도록 하는 로보트의 구동을 제어하는 로보트의 토오코 제어방법에 관한 것이다.

종래에, 산업용 로보트은 링크(link) 사이의 커플링(coupling)이나, 구동부의 다이나믹스(dynamics) 즉, 동특성을 무시한 선형 제어방식을 사용함으로써 여러 가지 문제가 있어왔다.

즉, 종래에는 로보트 토오크 제어장치를 컴퓨터 계산속도상의 제약으로 인하여 로보트 제어에 필요한 북잡한 알고리즘을 이용하지 않고 설계하여 그 동작이 저속일 때는 사용상에 문제가 없었으나, 고속 동작시에는 로보트의 작업위치가 부정확하게 되기도 하였다.

제 5 도는 종래의 로보트 토오크 제어방법의 블록도이다.

이같은 종래의 로보트 토오크 제어방법은 중앙처리장치(CPU : 1)에서 로보트의 작업위치에 대한 입력변수를 인가받아 위치, 속도제어 알로리즘에 따라 수치를 계산하여, 그에 따른 구동펄스를 출력하여, 편차 카운터(2)를 통해 디지탈 아날로그 변환기(3)에 인가된다.

상기 신호를 인가받은 디지탈 아날로그 변환기(3)는 전류량인 아날로그신호를 출력하게 된다.

상기 출력신호는 증폭회로를 거쳐 구동부(5)에 인가되고, 구동부(5)는 로보트의 각 축에 해당하는 구동신호를 출력하여 모터(M)을 구동시킨다.

모터(M)가 구동을 시작하면 모터(M)의 축상에 축설된 인코더(7)는 모터(M)의 구동에 비례하는 위치 감지펄스를 편차 카운터(2)와 주파수 전압 증폭부(7)에 각각 인가한다.

따라서, 최초 입력 제어신호는 피이드 백된 위치정보신호에 따라 보상되어 계속적으로 로보트을 구동시킨다.

이와 같이 종래에는 피이드백된 위치정보에 따라 최초 제어입력신호를 중앙처리장치(l)에서 재수정하지 않고 최초 제어입력신호를 역학적 오차만으로 제어하는 관계로 모터(M)가 고속으로 구동할 때, 로보트의 다이나믹스에 의해 로보트의 작업위치가 부정확하게 되는 문제점이 발생하게 된다.

이 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 인출된 것으로서, 로보트의 다이나믹스를 고려한 알로리즘을 설정하여 로보트 고속 구동시 발생된 부정확한 작업위치를 보상하는 로봇 토오크 제어방법을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 이 발명은 모터에 연결된 인코더를 통해 카운터에 전달된 위치정보를 중앙처리장치에서 읽어들여 이 발명의 제어방법에 의한 알로리즘을 통하여 보상된 제어명령을 출력하도록 한다.

제 1 도는 이 발명의 제어방법의 블록도이다.

중앙처리장치(1)은 통상의 수치계산과 정보판단을 수행하는 마이크로프로세서(Micro)로서, 정보 저장용 램(RAM)과 롬(ROM), 정보처리수단의 래치(Latch)와 디코더등으로 구성된다.

상기 중앙처리장치(1)의 출력단에는 디지탈신호를 아날로그신호로 변환하는 디지탈 아날로그 변환기(3)가 연결된다.

부호 5는 상기 디지탈 아날로그 변환기(3)의 출력단에 연결되어 모터 구동신호를 출력하는 구동부이다.

구동부(5)는 로보트 구동 축에 따라 그 수를 달리하는 복수개의 버퍼와, 상기 입력단에 인가되는 신호를 인버트하는 인버터와 증폭회로로 구성된다. 상기 구동부(5)의 출력단에 모터(M)가 연결되고, 모터(M)의 구동에 따라 발생되는 속도와 위치정보를 감지해내는 인코더(6)가 모터(M)에 축설된다.

상기 인코더(6)는 슬리트 원반형상의 포트 인터럽트 인코더가 사용 가능하다.

부호 2'는 상기 인코더(6)의 위치정보를 상기 중앙처리장치(1)에 피이드백으로 연결된 카운터부이다.

상기 카운터부(2')는 로보트 구동축의 수와 동등한 갯수의 다운 카운터(Down counter)와 양 방향성 버퍼로 구성된다.

도면 2는 제 1 도 중앙처리장치(1) 개략적인 시스템 처리도이다. 이 발명의 중앙처리장치(1)에서의 처리는 최초 로보트 동작에 대한 경로계획단계(11)와, 수학적 모델링단계(12)와, 로보트 적응 조정 변수 K(t) 및 실제적인 제어입력 보상신호 U(t)를 계산하는 단계(14)와, 적응 알로리즘 수행단계(15)와 임시제어신호 τn(t)와 제어입력 보상신호 U(t)를 가합하는 단계(13)로 구성된다.

제 3 도는 이 발명의 중앙처리장치에서의 제어순서도이다.

곧 초기화한 뒤 경로계획(A 단계)을 통하여 각 시점에서의 원하는 조인트 각도, 각속도, 각가속도를 구하고, 이 값들에 첫번째 위치 및 속도정보를 가져와 (B단계) 수학적인 로보트의 모델식에 의하여 임시제어 입력 τn(t)를 구한다(C단계).

적응조정변수 K(t)는 데이터의 입력으로 주어지는 설계변수 및 각 시점에서의 임시값에 대한 미소변화량 X(t)를 사용하여 계산된다(D단계). 적용조정변수 K(t)가 구해지면, 제 2 도의 (14)에 의해 제어입력 보상신호 U(t)가 계산되고(E단계), 임시제어입력 τn(t)와 보상입력 U(t)가 더해져 D/A 컨버터(3)를 통하여 로버트의 모터를 구동하게 된다. 모터가 구동하면 인코더(7)가 현재의 위치 및 속도정보를 검출해 내어(H단계), 위치오차 X(t)를 계산하여 (I단계) 적용조정변수 K(t)의 조정기준으로 사용한다(J단계). 이러한 과정을 최종위치 Xmf를 얻을 때까지 계속한다.

이 발명의 위와 같은 제어수순을 만족시키기 위한 수학적 모델링은 다음과 같다.

위의 수학적 모델링을 제 4 도의 전기자 제어 DC 서보모터의 등가회로를 통하여 설명한다.

도면중 부호 ea는 인가전압, Rm은 내부저항, Lm은 내부 인덕턴스 eb는 모터구동 역기전력, ia는 입력측 폐 루우프 전류, if는 폐 루우프 출력단전류, ef는 출력단 전압, wm은 모터의 각속도, θm은 모터의 변위각이다.

모터(M)의 회전에 따른 각속도에 비례하는 역기전력은

(Kb : 역기전력 상수)

이 되고, 계속해서 키르히호프의 전압법칙에 따라

여기에 (1)식을 대입하면,

이 된다.

한편, 모터(M)의 발생 토오크는 전기자 전류에 비례하므로

(KT : 모터의 토오크 상수)

계속해서 모터 발생토오크 Tm은 부하 토오크와 평형이 되어야 하므로 식(4)는

가 된다. 한편, 식 (3)에서 Lm＜∈ (양의 실수)이므로, 식 (5)를 식(3)에 대입하면

이 된다.

q(t) : 부하(로보트 링크 조인트)각 변위일 때, DC 서보모터와, 부하간의 관계식은

이므로 식(5)는 다음과 같이 된다. 즉,

이를 이항 정리하면

가 된다.

이때, J는 모터 관성, B는 모터축의 점성 마찰, TL는 부하 토오크, n는 기어비, q는 부하의 각속도를 나타낸 것이다. 한편, 로보트 다이나믹스는

의 함수로 주어지므로 모터 다이나믹스를 고려한 로보트의 다이나믹스는 다음과 같다.

이 되고,

와 같은 상태 방정식이 된다.

이와 같이 모터(M)에 가해지는 전기자 제어입력전압을늘 제어하여 로보트의 작업이 알맞는 경로로 이동하는지의 여부를 알기 위해 상기 상태 방정식(12)를 선형 등적 방정식으로 표기하면

으로 된다. 이때 X(t)는 로보트 실제 경로와 수학적 모델링과의 미소변화량이고, 이 미소변화량 X(t)는 가능한 한 제로(0)에 가깝게 되도록 하는 것이 바람직하다. 따라서 디지탈 아날로그 변환기(3)에 인가되는 제어구동 τc(t)는 임시 제어입력 τ(t)와 보상신호 U(t)가 합성된 신호이므로, 이를 수식으로 나타내면

가된다. 이때 Am은 상수행렬이다.

한편, 보상신호 U(t)를 최소로 하기 위해서는 X(t)가 0에 가깝게 되어야 하므로 U(T)=K(t) X(t)를 (14)식에 대입하여 페루프 시스템을 만들면

가 되고 p는 pAv＋AmTp＋2ap^－＝Q를 만족하는 유일해이고, p는 웨이팅 요소(Weighting factor)이고, J는 [On ; In](n×2n), a는 Max{Re[λi ; (Am)]}≤－a을 만족하는 양의 실수일 때 식(15)는

을 만족한다.

따라서 상기 식(15)는 안정된다.

이와 같은 수학적 모델링을 바탕으로 이 발명의 중앙처리장치에 로보트 작업 설계변수 Am, p, j 및 a값이 입력되면, 위치정보신호에 따라 조인트각도, 각속도, 각가속도를 구하여 이 수치를 카운터(2')로부터 인가된 위치 및 속도정보를 가져와(단계 B) 로보트의 수학적 모델식에 의하여 계획된 제어입력 τn(t)를 계산한다(단계 C). 이어서 식 15로부터 미소변화량 X(t)의 수치를 사용하여 적응조정변수 K(t)를 계산한다(단계 D).

조정변수 K(t)는 설계변수 및 각 시점의 계획된 값에 대한 미소변화량 X(t)를 이용하여 조정변수 K(t)가 계산되면 U(t)=K(t) X(t)의 식으로부터 보상신호 U(t)를 계산한다(단계 E). 따라서, Zn(t)와 U(t)가 합해져 로보트 구동펄스를 디지탈 아날로그 변환기(3)에 인가한다.

상기 신호를 디지탈 아날로그 변환기(3)는 전류량인 아날로그신호로 출력하여 구동부(5)에 인가한다. 이때, 상기 구동펄스는 DC모터의 구동전류에 비례하는 성질을 이용하여 제어를 하게된다. 즉, DC모터의 구동전압을 적절히 조절하여 구동전류가 로보트 경로계획정보에 비례하도록 하는 것이다.

이와 같이 모터(M)가 구동되면 인코더(6)로부터 현재 로보트의 위치 및 속도정보를 검출해내어 카운터(2')에 인가시킨다.

따라서, 카운터(2')는 인가신호를 다운 카운트하여 양방향 버퍼를 통해 현재 각축의 위치 오차를 중앙처리장치(1)에 인가한다.

그리하여, 상기 신호를 인가받은 중앙처리장치(1)는 제 3 도 D단계의 적용변수를 위치 오차를 계산하여(단계I)로보트의 다음 가야할 위치에 대해 제어입력을 보상하여 X=MF 즉, 최종 도착점위치가 확인되면(J단계)로보트를 구동시킨다.

이와 같은 이 발명의 로봇 토오크 제어방법에 의하면 로보트 다이나믹스의 구동부인 모터(M)의 다이나믹스까지 고려하여 로보트의 비선형성과 상호 결합성 링크 파라미터나 부하하중의 불확실성을 보상함으로써 로보트의 고속정밀제어가 가능하게 되는 이점이 있다.

Claims

중앙처리장치(1)와 카운터(2), 디지탈 아날로그 변환기(3), 구동부(5), 인코더(6), 주파수 전압증폭부(7)로 구성된 로보트 토오크 제어장리에 있어서, 인코더(6)을 통해 카운터(2")에 전달된 모터의 위치정보가 중앙처리장치(1)로 피드백되게 구성된 로보트 토오크 제어방법.
제 1 항에 있어서, 중앙처리장치(1)는 다음과 같은 단계를 통하여 모터구동신호를 출력하는 로보트 토오크 제어방법.

A) 각 시점에서 원하는 조인트각도, 각속도, 각가속도를 구하는 단계와, B)상기 A단계에서 얻어진 값에 첫번째 위치 및 속도정보를 가져오는 단계와, C) 수학적 로보트 모델식에 의해 임시제어입력신호를 구하는 단계와, D) 설계변수 및 임시값에 대한 미소변화량을 사용하여 적응조정변수를 구하는 단계와, E)제어입력 보상신호를 구하는 단계와, F) 임시 제어입력신호와 제어입력 보상신호를 더하는 단계와, G) 상기 F단계에서 얻어진 신호를 디지탈 아날로그 변환기(2')로 출력하는 단계와, H) 모터가 구동하면 인코더(6)가 현재의 위치 및 속도정보를 검출해 내는 단계와, I) 위치 오차를 계산하는 단계와, J) 상기 I단계에서 얻어진 값을 적응조정변수의 조정기준으로 사용하여 제어입력 보상신호를 출력하는 단계.