KR940003947B1 - 로보트 제어기에서의 옵셋 보상방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

로보트 제어기에서의 옵션 보상방법

제1도는 종래의 로보트 제어기의 제어시스템도.

제2도는 본 발명에 의한 옵셋보상기가 구비된 피드백 제어시스템도.

제3도는 본 발명에 적용되는 단변수 성능곡선에서의 경사서치 방식을 도식화한 그래프.

제4도는 본 발명의 일실시예에 의한 제어시스템도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 비례제어(P) 20 : 적분제어(I)

30 : 미분제어(D) 40 : 옵셋보상기

50 : DAC 60 : 적분제한제어기

70 : 모터

본 발명은, 로보트 제어기에 있어서, 옵셋보상기법을 이용하여 로보트의 위치 및 속도를 보다 정밀하게 제어할 수 있는 로보트 제어기에서의 옵셋보상방법에 관한 것이다.

일반적으로 로보트 제어기 시스템에 존재하는 옵셋(또는 바이어스)의 원인은 크게 2가지로 구분할 수 있는데, 첫째, 적분기, 미분기, 증폭시 등의 OP 앰프 회로에서 발생되는 것과 둘째, 로보트 몸체가 받는 중력에 의해서도 발생하는 것이다. OP 앰프 회로에서 발생되는 옵셋은 증폭기, 미분기, 적분기 등이 한 시스템에서 병렬 혹은 직렬로 연결될때 증폭되기도 하며, 주위 환경에 따른 온도의 변화에 의해 소자의 특성이 변화함에 따라 옵셋의 크기도 변화한다. 로보트 몸체의 중력에 의한 옵셋은 로보트의 자세에 따라 가변되고 로보트의 엔드이펙터(로보트 아암의 종단부에 부착됨)에 가해지는 하중의 크기에 따라 변화한다. PID 제어기에 의한 위치제어 방식에서 이러한 옵셋은 적분제어에 의해 보상되기도 하지만 에러 누적값이 그 한계치를 벗어나면 결국 위치 에러가 발생하고, 또한 에러누적값이 0이 아니므로써 편이된 값은 로보트의 동작시 반영되어 오버슈트(목표위치를 벗어나는 것) 또는 언더슈트(목표위치에 미달되는 것)가 발생하는 등 로보트 동작의 과도 특성이 나빠지게 된다. 제1도는 종래의 속도 또는 위치를 제어하는 디지틀 제어기에서의 옵셋 보상장치가 구비되지 않는 구조이며 위에서 설명한 단점들을 내포하고 있다.

따라서 본 발명은 이와같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로써 본 발명의 목적은, 주위온도의 변화, 로보트 몸체의 자세, 부하 물체의 무게에 따라 옵셋이 변화하여 위치반복에 있어서의 정밀도가 저하되는 것을 옵셋보상기법을 이용하여 방지할 수 있는 로보트 제어기에서의 옵셋보상방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 로보트 제어기에서의 옵셋보상방법은, 로보트의 임의 위치에서의 모터의 속도값 및 위치값이 피드백되면 외부에서 입력되는 정상명령값과 비교하여 이 비교결과에 따라 비례적분미분제어를 수행하고, 이 수행된 비례적분미분제어가 옵셋으로 인하여 부정확하게 되었으면 이를 옵셋보상기를 이용하여 보상한 후 디지털/아날로그 변환기에 입력하여서 아날로그값으로 변환시키면, 이 변환된 아날로그값(진폭값)이 서보드라이버에 인가됨으로써 모터의 구동이 행해짐과 동시에 모터의 속도 및 위치를 계속 피드백하여 상기에 같은 동일 동작을 반복하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명에 의한 옵셋보상기가 구비된 피드백 제어시스템도이고, 제3도는 본 발명에 적용되는 단변수 성능곡선에서의 경사서치방식을 도식화한 그래프도이며, 제4도는 본 발명의 일실시예에 의한 제어시스템도이다.

제2도와 같은 시불변(상수)의 이득 K_b를 가지는 피드백 제어시스템에, 시간에 따라 변화하는 옵셋 X_b(t)가 존재한다고 할때, 단위이득 및 가변옵셋을 가지는 옵셋보상기(40)를 부가함으로써 결과적으로 전체 시스템의 옵셋을 0으로 만들 수 있다. 제4도에서 오픈 루프 이득을 G라고 하고, 옵셋보상기(40)의 역할에 의해 G를 K_b와 같게 만들려 한다며,

식(1)과 같이 표현할 수 있다. 식(1)에 의해 X(t)를 구하면,

식(2)와 같고, X_b(t)를 추정할 수 있다면 X(t)에 의해 옵셋보상이 가능하다. 그러나, X_b(t)의 값은 로보트 몸체의 상태에 따라, 그리고 주위의 온도에 따라 변화하여 정확한 식으로 표현할 수 없으므로 위의 식을 이용하여 옵셋을 보상하는 제어(adaptive control) 기법이 유용하다.

PID 제어기법에서 적분제어(I,20)는 제어에러 값들을 누적하여 결과적으로 정상 상태 에러(steay-state error)를 보상하는 기법이다. 현재의 모터(70)의 위치(y)가 목표위치(c)와 차이가 발생하면(가합점 G₁에서의 가합결과) 그 에러값이 에러 버퍼에 누적되므로 에러 버퍼의 값은 0이 아닌 값으로 존재하게 된다. 누적 에러의 값이 적분제어(20)에서 사용하는 최대 한계치를 벗어나지 않으면 적분제어(20)의 효과가 발생되어 목표위치를 추종하게 되나, 만약 누적 에러의 값이 그 최대 한계치를 벗어나면 적분제어(20)는 그 효력을 상실하게 되어 모터의 위치는 목표위치와 편차를 갖게 된다. 만약 적분제어(20)에서 에러 버퍼의 최대 한계치를 늘리면 모터(70)의 목표위치를 추종하게 되지만 목표위치 근처에서의 떨림 현상이 발생되고 옵셋의 크기가 클수록 그 떨림은 커진다. 뿐만 아니라 적분제어(20)에서의 에러 버퍼의 크기가 커지면 로보트의 동작시 오버슈트 또는 언더슈트의 발생으로 인하여 로보트 동작의 과도특성이 나빠진다. 따라서 옵셋을 제거한 영향은 적분제어(20)에서의 에러버퍼의 누적값이 0에 가까와지도록 해야 하며 에러버퍼의 최대값은 적정한 수준을 유지하도록 해야 한다.

한편, 디지틀 제어 방식에서 PID 제어결과는 디지털/아날로그 변환기(DAC,50)를 통하여 아날로그의 값으로 변환되어 서보 드라이버에 전달되는데 모터(70) 회전의 정역 방향에 따라 그 부호가 +,-로 유지되게되며 모터(70)의 회전속도는 DAC(50) 출력값의 진폭으로 결정된다. 모터(70)의 현재 위치가 목표위치(y)에 도달하고 시스템 옵셋(회로 옵셋+몸체 옵셋)이 0이면 DAC(50) 출력의 값은 0으로 유지되나 시스템에 옵셋이 존재하며 미분제어(30)의 영향으로 0이 아닌 값으로 출력된다. 여기서 DAC(50)의 출력이 0으로 유지되면 시스템에 옵셋이 없는 상태이고 적분에러 버퍼의 값도 0에 가까운 값을 가지며, DAC(50)의 출력이 0이 아니면 시스템에 옵셋이 존재하고 적분에러 버퍼의 값도 0이 아닌 0보다 큰 값을 가짐을 알 수 있다.

이하에서 설명하는 옵셋의 보상방법은, 모터(70)의 위치가 목표지점에 도달하여 정지 제어를 실시하고 있을때 적분에러 버퍼의 값을 관찰하여 DAC(50)의 출력에 가변의 제어값을 더함으로써 시스템 옵셋을 보상하고, 그 결과를 적분에러 버퍼의 크기의 변화를 관찰하는 것이다. DAC(50)에 가해지는 옵셋의 제어값을 X(t)라 하고, 적분에러 버퍼의 값을 E(t), 옵셋의 크기를 D(t)라 하면, 적분에러의 크기는 옵셋의 크기에 영향ㅇ르 받으므로 E(t)는 D(t)의 함수로 표시할 수 있다.

그런데, 적분에러의 절대값의 크기는 옵셋의 절대값의 크기에 비례하므로 식(4)와 같이 다시 표현할 수 있고,

옵셋의 크기를 최소화하는 것은 적분에러의 크기를 최소화하는 것과 같다. 따라서, X(t)를가변하여 E(t)가 최소로 되게 할 수 있으며, E(t)의 최소값 E^*(t)는 변수X(t)의 함수로 표시할 수 있으므로 식(5)와 같이 표현할 수 있다.

이때, E_min(t)를 만드는 X(t)는 최적값 X^*(t)이다. 그런데, 시스템에 발생하는 옵셋의 크기는 주위 온도, 로보트 몸체의 자세의 변화에 의한 중력의 변화에 영향을 받으므로 일정한 형태의 함수로 표현될 수 없다. 따라서, 여기서 필요한 것은 적응 제어의 방식중 경사서치 방식이다.

제3도는 단변수(univariable)성능 곡선에서의 경사서치 방식을 도식화한 것이다. E_min(t)는 E(t) 함수의 변곡점에 해당하고 이에 대응하는 E^*(t)가 존재한다.

이상과 같은 옵셋 보상 알고리즘에서 옵셋의 제어값은 아래의 식으로 표현된다.

여기서 시간 t는 스텝 k로 표시되었고, μ는 적응 상수이다. 그리고, 경사Δk는 식(7)과 같다.

이와 같이 본 발명의 로보트 제어기에서의 옵셋보상방법에 의하면, 컴퓨터수치제어(CNC:Computer Numerical Control)등 모터제어를 필요로 하는 모든 종류의 제어기에 응용될 수 있으며, 로보트제어기에서의 여러 요인으로 인한 옵셋의 변화를 보상하여 로보트의 위치 및 속도를 제어함으로써 속도 및 위치제어의 정밀도를 향상시킬 수 있음은 몰론, 로보트의 구동효율 및 작업효율을 향상시킬 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.

Claims (3)

1. 로보트의 임의 위치에서의 모터의 속도값 및 위치값이 피드백되면 외부에서 입력되는 정상명령값과 비교하여 이 비교결과에 따라 비례적분미분제어를 수행하고, 이 수행된 비례적분미분제어가 옵셋으로 인하여 부정확하게 되었으면 이를 옵셋보상기를 이용하여 보상한 후 디지털/아날로그 변환기에 입력하여서 아날로그값으로 변환시키면, 이 변환된 아날로그값(진폭값)이 서보드라이버에 인가됨으로써 모터의 구동이 행해짐과 동시에 모터의 속도 및 위치를 계속 피드백하여 상기와 같은 동일동작을 반복하는 것을 특징으로 하는 로보트제어기에서의 옵셋보상방법.
2. 제1항에 있어서, 옵셋을 보상하기 위해서 디지털/아날로그변환기의 출력값에 인위적인 옵셋을 가하는 것을 특징으로 하는 로보트제어기에서의 옵셋보상방법.
3. 제2항에 있어서, 디지털/아날로그변환기에 인위적인 옵셋을 가하기 위해서는 디지탈 PID 제어에서 적분에러 버퍼의 값을 이용하는 것을 특징으로 하는 로보트제어기에서의 옵셋보상방법.