WO2019054558A1 - 협동로봇제어장치 및 협동로봇을 제어하는 방법 - Google Patents

협동로봇제어장치 및 협동로봇을 제어하는 방법 Download PDF

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이윤
송창우
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Definitions

  • the present invention relates to a cooperative robot. More particularly, to a control method for preventing stenosis in a collision of a cooperative robot.
  • General industrial robots are widely used in production lines and the like to perform accurate work without human motion or supervision.
  • robots used in the automobile industry are carrying out various tasks such as carrying or welding the body of an automobile.
  • intelligent service robots perform tasks in spaces where people live and work. Therefore, there is a risk that the robot will hit human beings and impact on human beings, so the degree of safety for the robot can be secured. Especially for cooperative robots, which are most likely to collide with people among intelligent service robots.
  • a method for minimizing a collision time so as to minimize damage to a collided object when a cooperative robot detects a collision is presented.
  • a method in which a cooperative robot quickly returns to a state before a collision after a collision is detected, and continues the work.
  • the cooperative robot control apparatus includes a collision sensing unit for sensing a collision of the cooperative robot; And a control unit for controlling the operation mode of the cooperative robot when a collision is detected by the collision sensing unit, and a collision compensating value for each of the plurality of joints constituting the cooperative robot when the collision sensing unit detects the collision, And a collision counterpart for changing a traveling direction of the force of the collision.
  • control unit converts the operation mode from a position mode to a torque mode when the collision sensing unit detects a collision.
  • the controller applies the collision compensating value at the collision counterpart to change the direction of the force, and then converts the operation mode from the torque mode to the position mode.
  • the collision counter may apply a different collision complement value to each of a plurality of joints constituting the cooperative robot to detect a progress direction of a force applied to each of the plurality of joints Is changed.
  • the collision sensing unit measures the predicted torque value predicted at each joint according to the dynamics of the cooperative robot in the control unit and the estimated torque value at each of the plurality of joints constituting the cooperative robot in real time When the difference between the measured torque value and the measured torque value exceeds a preset value.
  • the cooperative robot control device includes a collision sensing unit for sensing a collision of the cooperative robot; A controller for changing the operation mode of the cooperative robot from the position mode to the torque mode when the collision sensing unit detects a collision and a collision compensating value for each of the plurality of joints constituting the cooperative robot in the torque mode, Wherein the control unit changes the operation mode from the torque mode to the position mode when the collision countermeasure unit applies the collision complementary value to the collision countermeasure unit.
  • a cooperative robot when a collision occurs, is controlled to supplement a torque corresponding to a direction opposite to a force in a direction in which a collision is applied so as to minimize a collision time.
  • the operation mode can be changed at the time of occurrence of a collision of the cooperative robot to flexibly respond to the collision.
  • various collision situations such as collision position, size, and direction of the cooperative robot are effectively detected and flexibly coped with, thereby enabling collaboration between the robot and the robot more efficiently and safely.
  • Fig. 1 shows an example of a cooperative robot 100 as one preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of an internal structure of a cooperative robot 200 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 illustrates an example of a case where a cooperative robot 100 collides with an obstacle 120 (S310) and a case where stiction occurs after a collision (S320), according to a preferred embodiment of the present invention.
  • 4 to 5 illustrate a variation of the force according to time added to the cooperative robot when the cooperative robot collides with an obstacle and after the collision after collision as in the embodiment of FIG. Respectively.
  • FIG. 6 is a system diagram showing a cooperative robot as a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a method for controlling collision robots in a collision event, according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the cooperative robot control apparatus includes a collision sensing unit for sensing a collision of the cooperative robot; And a control unit for controlling the operation mode of the cooperative robot when a collision is detected by the collision sensing unit, and a collision compensating value for each of the plurality of joints constituting the cooperative robot when the collision sensing unit detects the collision, And a collision counterpart for changing a traveling direction of the force of the collision.
  • Fig. 1 shows an example of a cooperative robot 100 as one preferred embodiment of the present invention.
  • the cooperative robot 100 refers to a robot body in the form of links 111, 112, 113, 114 and joints 101, 102, 103.
  • the cooperative robot 100 is configured in the form of a human hand and an arm so as to provide an operation of a hand and an arm.
  • the cooperative robot 100 has a plurality of links 111, 112, 113, and 114 connected thereto, and joints 101, 102, and 103 are disposed at respective links.
  • an integrated actuator (see FIG. 2) is mounted on each of the links 111, 112, 113 and 114 to rotate around the joints 101, 102 and 103.
  • 1 shows an example in which the joint 101 rotates (101).
  • Torque is generated in each of the joints 101, 102 and 103 in accordance with the position, speed, acceleration, weight, etc. of the links 111, 112, 113 and 114.
  • Each of the joints 101, 102 and 103 generates a torque between the joints 101, 102 and 103 and the links 111, 112, 113 and 114, which are generated when the links 111, 112, Can be measured.
  • Each joint 101, 102, 103 measures torque in real time.
  • an integrated actuator 620 is installed in each of the joints 101, 102 and 103 to estimate a torque using a motor torque constant used in a driver in the integral actuator 620.
  • FIG. 2 is a block diagram of an internal structure of a cooperative robot 200 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the cooperative robot 200 includes a collision sensing unit 210, a control unit 220, and a collision response unit 230.
  • the cooperative robot 200 controls the driving mode of the cooperative robot 200 by the control unit 220.
  • the control unit 220 changes the drive mode of the cooperative robot 200 from the position mode to the torque mode when the collision sensing unit 210 receives a signal indicating that the collision has been detected, (Refer to FIGS. 1, 101, 102 and 103) of the cooperative robot 200 in the robot 230 to prevent the cooperative robot 200 from being stuck due to collision (refer to FIG. 3, S320) do.
  • the controller 220 can change the driving mode back from the torque mode to the position mode.
  • the collision sensing unit 210 detects collision (S310) between the cooperative robot 100 and the obstacle 120 as a preferred embodiment of the present invention.
  • S310 collision
  • the joint 101 of the cooperative robot 100 rotates (S300)
  • S310 collision with the object 120
  • a certain time has elapsed after the collision (S310) Respectively.
  • the collision sensing unit 210 measures a predicted torque value predicted at each joint according to the dynamics of the cooperative robot and a predicted torque value, which is measured in each of a plurality of joints constituting the cooperative robot in real time If the difference from the measured torque value exceeds a predetermined value, it is detected as a collision.
  • the control unit 220 may store a predicted torque value that predicts a torque value required for each joint.
  • the predicted torque value refers to a value calculated by the control unit 220 as a torque value required for the robot to actually move.
  • the control unit 220 also manages measured torque values that measure the torque of each joint in real time.
  • the measured torque value can be used to refer to the torque value measured in real time by measuring the current value of the motor installed in each joint.
  • the control unit 220 may calculate and store the predicted torque value using the dynamics and the friction model of the cooperative robot.
  • Dynamics refers to the kinetic characteristics according to the geometric relationship between the link and the joints constituting the cooperative robot.
  • Dynamics calculates torque at each joint during robot movement through robot dynamics, robot position, velocity, acceleration, gravity, weight of robot link, center of gravity of link, and moment of inertia of link.
  • Dynamics can be represented by equations involving the Inertia, Coriolis, and Gravity terms along the link.
  • the Friction Model is mathematically modeling the loss torque between the output of the motor installed in the cooperative robot (see FIGS. 6 and 622) and the output of the speed reducer (FIGS. 6 and 621).
  • the control unit 220 converts the operation mode of the cooperative robot 200 from the position mode to the torque mode upon receiving a signal indicating that a collision has occurred from the collision sensing unit 210.
  • the cooperative robot 200 when the cooperative robot 200 operates in a position mode, the cooperative robot 200 is controlled according to a position command irrespective of an external force such as a collision.
  • the driver of the actuator (Fig. 2, 264) is constituted by a feedback loop to give a position command irrespective of the external force so as to control the dynamics of the cooperative robot 100 .
  • the dynamics of the cooperative robot 200 is controlled by the controller 220 of the driver of the integrated actuator (refer to FIG. 6, 601 to 606) mounted on each link of the cooperative robot 200 (see FIGS. 1, 111, 112, 113 and 114) As shown in FIG.
  • the position command includes position information that the motor should go to.
  • the operation mode of the cooperative robot 200 is converted into the torque mode when a collision occurs.
  • the cooperative robot 200 when the cooperative robot 200 operates in a torque mode, the cooperative robot 200 is controlled in accordance with a torque command irrespective of an external force such as a collision.
  • the driver of the actuator (refer to FIG. 6, 601 to 605) is configured as an open loop to issue a torque command irrespective of external force, Dynamics.
  • the control unit 200 calculates the torque value output by the motor (Figs. 2 and 262) of the integral actuator and supplies the torque to the driver (Figs. 6 and 622) to control the dynamics of the cooperative robot 200.
  • the cooperative robot 200 while the cooperative robot 200 operates in the torque mode, the cooperative robot 200 can be manually moved to a safe position when the user desires.
  • the collision counter 230 calculates a collision complement value based on the position, velocity, or acceleration value of each joint of the cooperative robot 200 when a collision occurs.
  • the collision counter 230 can grasp the size and the direction of the collision based on the position, speed, or acceleration value of each joint of the cooperative robot 200 when a collision occurs, and can apply the reaction force to the magnitude and direction of the collision
  • the collision compensating value is calculated.
  • the collision counter 230 may calculate a collision complement value that is proportional to the amount of position change of each joint.
  • the position change is detected as a position vector, and the collision compensation value proportional to the position change amount is calculated and applied to each joint differently.
  • the collision response unit 230 may calculate a collision complementary value proportional to a velocity value of each joint. Higher joints with higher velocity values can apply higher collision compensation values.
  • the collision counter 230 may calculate a collision complement value that is proportional to the amount of change in the acceleration value of each joint.
  • the collision counter 230 can calculate the collision complement value based on at least one of the position, velocity, and acceleration of each joint have.
  • the collision counter 230 may set the range of the collision complementary value with reference to the position and the velocity of the operation before the certain time before the collision of the cooperative robot 200 is detected, or the operation immediately before the collision.
  • the control unit 220 converts the operation mode from the position mode 221 to the torque mode 222 and outputs the operation mode to the collision response unit 230 in the collision detection unit 210. [ The control unit 220 can reset the operation mode from the torque mode 222 to the position mode 221 when the collision has disappeared in the cooperative robot 200 by applying the collision complementary value.
  • FIG. 3 illustrates an example of a case where a cooperative robot 100 collides with an obstacle 120 (S310) and a case where stiction occurs after a collision (S320), according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the cooperative robot 100 when the cooperative robot 100 collides with the obstacle 120 (S310), the cooperative robot 100 generates a reaction force in the direction opposite to the direction (S300) It can be applied as a collision compensation value.
  • 4 to 5 illustrate a variation of the force according to time added to the cooperative robot when the cooperative robot collides with an obstacle and after the collision after collision as in the embodiment of FIG. Respectively.
  • FIG. 4 is a graph 400 showing the amount of change in the force applied to the collision site of the cooperative robot 100 when the cooperative robot 100 collides with the obstacle 120 in FIG. It is confirmed that a collision occurs at 0.5 sec and a force S310 in the collision direction is applied.
  • the collision complementary value S410 it is possible to set the collision complementary value S410 to be opposite to the force S310 in the collision direction.
  • FIG. 5 is a graph showing the amount of change in the force received by the narrowed region of the cooperative robot 100 when the cooperative robot 100 collides with the obstacle 120 (S320) after the cooperative robot 100 collides with the obstacle 120 in FIG. do.
  • FIG. 6 is a system diagram showing a cooperative robot as a preferred embodiment of the present invention.
  • the cooperative robot 600 may be implemented with a plurality of joints and links, and an integrated actuator 620 may be installed in each of the plurality of joints.
  • the cooperative robot 600 of FIG. 6 shows an example in which six integral actuators 601 to 606 are provided in six joints.
  • the integral actuator 620 is a module in which the speed reducer 621, the motor 622, the brake 623 and the driver 624 are integrated and the driver 624 controls the motor 622. [ Although shown in FIG. 6 as six drivers 601 to 606, six integrated actuators can be used.
  • the cooperative robot 600 can perform communication with the control unit 620 using a control protocol.
  • the control unit 620 is also capable of communicating with the terminal 640 through wired or wireless lines and can control the function of the control unit 620 through the terminal 640.
  • control unit 620 includes a user interface 621, a controller 622, a field protocol service 630, and a hardware abstraction layer 631 .
  • the controller 622 may include an event controller 623, a dynamic controller 624, a friction modeling unit 625, a conflict management unit 626, a safety management unit 627, A kinematic controller 628, and a motion controller 629.
  • the motion controller 628 controls the motion of the robot.
  • the event controller 623 detects an event occurring in the cooperative robot 600.
  • the event includes a collision event.
  • the dynamic controller 624 and the friction modeling unit 625 calculate an estimated torque value by estimating the torque value added to each joint of the cooperative robot 600, and store the estimated torque value.
  • the dynamic controller 624 calculates the torque value required for each dynamics of the robot.
  • the friction modeling unit 625 models mathematically the difference between the output torque of the motor and the output torque of the speed reducer. For example, a reducer, a loss occurring in a mechanical element inside a robot joint, and the like can be mathematically modeled.
  • the collision managing unit 626 calculates a collision complementary value based on the position, velocity, or acceleration value of each joint of the cooperative robot 200 when a collision occurs.
  • the safety management 627 can be implemented to manually move the robot to a safe position when the cooperative robot 600 is in the torque mode.
  • the kinematic controller 628 and the motion controller 629 may be configured to determine the motion characteristics according to the geometrical relationship between the joints of the cooperative robot and the links and rotate the links around the joints to perform various motions.
  • the field protocol service 630 is implemented to manage the control protocol between the cooperative robot 600 and the control unit 620.
  • An example of a control protocol is EtherCAT.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a method for controlling collision robots in a collision event, according to a preferred embodiment of the present invention.
  • At least one of the plurality of joints constituting the cooperative robot detects a collision in step S710.
  • the collision sensing unit detects that a collision has occurred when the estimated torque value and the measured torque value exceed a preset value.
  • the control unit changes the operation mode of the cooperative robot from the position mode to the torque mode and flexibly responds to the external force (S720).
  • the collision counterpart applies the collision complementary value corresponding to the reaction force of the force generated by the collision to each of the plurality of joints of the cooperative robot to change the direction of the force of each of the plurality of joints (S730 ).
  • control unit may perform the operation mode change of the cooperative robot from the torque mode to the position mode again (S740).

Abstract

본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇제어장치는 협동로봇의 충돌을 감지하는 충돌감지부; 상기 충돌감지부에서 충돌 감지시 상기 협동로봇의 동작모드를 제어하는 제어부;및 상기 충돌감지부에서 충돌 감지시 상기 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각에 충돌보완값을 적용하여 상기 다수의 관절 각각의 힘의 진행방향을 변경하는 충돌대응부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

협동로봇제어장치 및 협동로봇을 제어하는 방법
본원 발명은 협동로봇에 관한 것이다. 보다 상세히 협동로봇의 충돌시 협착방지를 위한 제어방법에 관한 것이다.
일반 산업용 로봇은 인간에 의한 동작이나 감독이 없이도 정확한 작업을 수행하기 위해 생산 라인 등에서 광범위하게 사용되고 있다. 예를 들면 자동차 산업에서 사용되고 있는 로봇은 자동차의 몸체를 운반하거나 용접하는 등의 여러 가지 작업을 수행하고 있다.
지능형 서비스 로봇은 일반 산업용 로봇과는 달리 사람이 거주하고 활동하는 공간 내에서 작업을 수행하게 된다. 따라서, 인간과 부딪쳐서 인간에게 충격을 가할 위험성이 있으므로 로봇이 사람에 대해 어느 정도의 안전성을 확보할 수 있는가가 중요한 사양이 된다. 특히 지능형 서비스 로봇 중에서 사람과의 충돌 발생 가능성이 가장 높은 협동로봇의 경우 더욱 그러하다.
협동로봇이 충돌한 경우, 협동로봇의 드라이버에 에러가 발생하거나 또는 충돌이 발생한 장애물과 협착이 발생한 이후 2차 피해가 발생될 수 있다. 특히, 충돌시간이 길수록 충돌로 인한 피해가 커지는 문제가 있다. 이외에도 협동로봇이 고속으로 이동하다 충돌한 경우 협동로봇이 낙하할 수 있는 문제가 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 협동로봇에서 충돌을 감지한 경우, 충돌한 물체에 가장 적은 피해를 가하도록 충돌 시간을 최소화하는 방법을 제시한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예에서는, 협동로봇에서 충돌을 감지한 후 충돌 이전의 상태로 빠르게 복귀하여 작업을 지속하는 방법을 제시한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇제어장치는 협동로봇의 충돌을 감지하는 충돌감지부; 상기 충돌감지부에서 충돌 감지시 상기 협동로봇의 동작모드를 제어하는 제어부;및 상기 충돌감지부에서 충돌 감지시 상기 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각에 충돌보완값을 적용하여 상기 다수의 관절 각각의 힘의 진행방향을 변경하는 충돌대응부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 제어부는 상기 충돌감지부에서 충돌 감지시, 상기 동작모드를 포지션모드(Position Mode)에서 토크모드(Torque Mode)로 변환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 제어부는 상기 충돌대응부에서 상기 충돌보완값을 적용하여 힘의 진행방향을 변화시킨 후, 상기 동작모드를 토크모드에서 포지션모드로 변환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 충돌대응부는 상기 충돌감지부에서 충돌 감지시 상기 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각에 상이한 충돌보완값을 적용하여 다수의 관절 각각에 적용되는 힘의 진행방향을 변화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 충돌감지부는 상기 제어부에서 상기 협동로봇의 다이내믹스에 따라 각 관절에서 필요한 토크값을 예측한 예측토크값과 실시간으로 상기 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각에서 측정된 측정토크값과의 차이가 기설정된 값을 초과하는 경우 충돌로 감지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇제어장치는 협동로봇의 충돌을 감지하는 충돌감지부; 상기 충돌감지부에서 충돌 감지시 상기 협동로봇의 동작모드를 포지션모드에서 토크모드로 변경하는 제어부;및 상기 토크모드에서 상기 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각에 충돌보완값을 적용하여 힘의 진행방향을 변화시키는 충돌대응부;를 포함하고, 상기 충돌대응부에서 상기 충돌보완값을 적용하면 상기 제어부는 상기 동작모드를 상기 토크모드에서 상기 포지션모드로 다시 변경하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 협동로봇을 제어하여 충돌이 발생한 경우, 충돌 시간을 짧게 최소화하도록 충돌이 가해진 방향의 힘의 반대방향에 해당하는 토크를 보완한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 협동로봇의 충돌 발생시 동작모드를 변경하여 충돌에 유연하게 대응할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 협동로봇의 충돌 위치와 크기 및 방향 등 다양한 충돌 상황을 효과적으로 감지하여 이에 유연하게 대처함으로써, 더욱 효율적이고 안전하게 사람과 로봇의 협업을 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇(100)의 일 예를 도시한다.
도 2 는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇(200)의 내부 구성도를 도시한다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇(100)이 장애물(120)과 충돌이 발생한 경우(S310)와 충돌 이후 협착이 이루어진 경우(S320)의 일 예를 도시한다.
도 4 내지 5 는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 도 3 의 일 실시예와 같이 협동로봇이 장애물과 충돌한 경우와 충돌 이후 협착이 이루어진 경우 협동로봇에 부가된 시간에 따른 힘의 변화량을 각각 도시한다.
도 6 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇이 구동되는 시스템도를 도시한다.
도 7 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇에서 충돌 발생시 이를 제어하는 방법의 흐름도를 도시한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇제어장치는 협동로봇의 충돌을 감지하는 충돌감지부; 상기 충돌감지부에서 충돌 감지시 상기 협동로봇의 동작모드를 제어하는 제어부;및 상기 충돌감지부에서 충돌 감지시 상기 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각에 충돌보완값을 적용하여 상기 다수의 관절 각각의 힘의 진행방향을 변경하는 충돌대응부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇(100)의 일 예를 도시한다.
본원 발명의 바람직한 일 실시예에서 협동로봇(100)은 링크(111, 112, 113, 114)와 관절(101, 102, 103)로 구성된 형태의 로봇 바디를 모두 지칭한다. 특히, 협동로봇(100)은 인간의 손과 팔의 형태로 이루어져 손과 팔의 동작을 제공할 수 있다.
협동로봇(100)은 다수개의 링크(111, 112, 113, 114)가 연결된 형태로 구성되고, 각각의 링크 연결부위에 관절(101, 102, 103)이 배치된다. 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 각 링크(111, 112, 113, 114)에는 일체형 액츄에이터(도 2 참고)가 장착되어 관절(101, 102, 103)을 중심으로 회전을 수행할 수 있다. 도 1 에서는 관절(101)이 회전하는(101) 일 예를 도시하고 있다.
각 관절(101, 102, 103)은 링크(111, 112, 113, 114)의 위치, 속도, 가속도, 무게 등에 따라 토크가 발생한다. 각 관절(101, 102, 103)은 해당 링크(111, 112, 113, 114)의 회전 운동시 발생하는 관절(101, 102, 103)과 링크(111, 112, 113, 114) 사이의 토크를 측정할 수 있다. 각 관절(101, 102, 103)은 실시간으로 토크를 측정한다. 도 6을 참고하면, 각 관절(101, 102, 103)에는 일체형 액츄에이터(620)가 설치되어 일체형 액츄에이터(620) 내의 드라이버에서 사용되는 모터 토크 상수를 이용하여 토크를 추정할 수 있다.
도 2 는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇(200)의 내부 구성도를 도시한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇(200)은 충돌감지부(210), 제어부(220) 및 충돌 대응부(230)를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇(200)은 충돌감지부(210)에서 충돌이 감지되면, 제어부(220)에서 협동로봇(200)의 구동모드를 제어한다. 제어부(220)는 충돌감지부(210)로부터 충돌이 감지되었다는 신호를 수신하면, 협동로봇(200)의 구동모드를 포지션모드(Position Mode)에서 토크모드(Torque Mode)로 변경시키고, 충돌대응부(230)에서 협동로봇(200)의 각 관절(도 1, 101, 102, 103 참고)에 충돌보완값을 적용하여 협동로봇(200)이 충돌로 인해 협착(도 3, S320 참고)되는 것을 방지한다. 충돌대응부(230)에서 충돌보완값을 적용하여 충돌 상황이 해소된 경우, 제어부(220)는 구동모드를 토크모드에서 포지션모드로 재변경할 수 있다.
각 구성에 대해 상세히 살펴본다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 충돌감지부(210)는 도 3을 참고하면 협동로봇(100)과 장애물(120)과의 충돌(S310)을 감지한다. 도 3 에서는 협동로봇(100)의 관절(101)이 회전하면서(S300) 물체(120)와 충돌(S310)이 발생하였고, 충돌(S310) 이후 일정 시간이 경과하여 협착(S320)이 발생된 예를 도시하고 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 충돌감지부(210)는 협동로봇의 다이내믹스에 따라 각 관절에서 필요한 토크값을 예측한 예측토크값과 실시간으로 상기 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각에서 측정된 측정토크값과의 차이가 기설정된 값을 초과하는 경우 충돌로 감지한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 제어부(220)는 각 관절에 필요한 토크값을 예측한 예측토크값을 기저장할 수 있다. 예측토크값은 실제로 로봇이 움직이는데 필요한 토크값을 제어부(220)에서 계산한 값을 지칭한다. 제어부(220)는 또한 각 관절의 토크를 실시간으로 측정한 측정토크값을 관리한다. 측정토크값은 각 관절에 설치된 모터의 전류값을 측정하여, 실시간으로 파악한 토크값을 지칭할 수 있다.
제어부(220)는 협동로봇의 다이내믹스와 마찰모델을 이용하여 예측토크값을 계산하고 기저장할 수 있다.다이내믹스는 협동로봇을 구성하는 링크와 관절들 사이의 기하학적인 관계에 따른 운동 특성을 지칭한다. 다이내믹스는 로봇 동역학, 로봇의 위치, 속도, 가속도, 중력, 로봇 링크의 무게, 링크의 무게중심, 링크의 관성모멘트 등을 통해 로봇 운동시 각 관절에서 토크를 계산한다. 다이내믹스는 링크에 따른 Inertia 항, Coriolis 항 및 중력항을 포함하는 방정식으로 표시할 수 있다. 마찰모델(Friction Model)은 협동로봇에 설치된 모터의 출력(도 6, 622 참고)와 감속기(도 6, 621) 출력 간의 손실 토크를 수학적으로 모델링한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 제어부(220)에서 충돌감지부(210)로부터 충돌이 발생하였다는 신호를 수신하면, 협동로봇(200)의 동작모드를 포지션모드에서 토크모드로 변환한다.
본원 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇(200)이 포지션모드(Position Mode)로 동작할 경우, 협동로봇(200)은 충돌과 같은 외력과 무관하게 포지션(Position)명령에 따라 제어된다. 포지션모드에서 협동로봇(100)에 충돌이 발생할 경우, 액츄에이터의 드라이버(도 2, 264)는 피드백 루프(Feedback loop)로 구성되어 외력에 무관하게 포지션명령을 내려, 협동로봇(100)의 다이내믹스를 제어한다. 협동로봇(200)의 다이내믹스는 제어부(220)가 협동로봇(200)의 각 링크(도 1 ,111, 112, 113, 114 참고)에 장착된 일체형 액츄에이터의 드라이버(도 6, 601~606 참고)에 제공한 포지션명령에 따라 제어된다. 포지션명령은 모터가 가야할 위치정보를 포함한다.
그러나, 제어부(220)가 협동로봇(200)의 충돌을 감지하고, 협동로봇(200)에 멈춤(Stop) 명령을 내리기까지 협동로봇(200)이 포지션모드로 계속 동작할 경우 도 3의 일 실시예와 같이 충돌방향에서 협착상태(S320)가 발생할 수 있는 문제점이 있다. 또한, 멈춤명령이 해제될때까지 협동로봇(100)이 정지한 위치에 고정되므로 협착시 협착상태가 유지될 수 있는 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 충돌 발생시 협동로봇(200)의 동작모드를 토크 모드로 변환한다.
본원 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇(200)이 토크 모드(Torque Mode)로 동작할 경우, 협동로봇(200)은 충돌과 같은 외력과 무관하게 토크(Torque)명령에 따라 제어된다. 토크모드에서 협동로봇(200)에 충돌이 발생할 경우, 액츄에이터의 드라이버(도 6, 601~605 참고)는 오픈 루프(open loop)로 구성되어 외력에 무관하게 토크 명령을 내려, 협동로봇(200)의 다이내믹스를 제어한다. 제어부(200)는 일체형 액츄에이터의 모터(도 2, 262)가 출력한 토크값을 계산하여 드라이버(도 6, 622)에 제공하여, 협동로봇(200)의 다이내믹스를 제어한다.
본원 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 협동로봇(200)이 토크 모드(Torque Mode)로 동작하는 동안 사용자가 필요한 경우 수동으로 협동로봇(200)의 위치를 안전한 곳으로 이동할 수 있다.
본원 발명의 바람직한 일 실시예에서, 충돌대응부(230)는 충돌 발생시 협동로봇(200)의 각 관절의 위치, 속도 내지 가속도 값에 기초하여 충돌보완값을 계산한다. 충돌대응부(230)는 충돌 발생시 협동로봇(200)의 각 관절의 위치, 속도 내지 가속도 값에 기초하여 충돌의 크기, 방향을 파악할 수 있고, 충돌의 크기 및 방향에 반작용의 힘으로 적용할 수 있는 충돌보완값을 계산한다.
예를 들어, n개의 관절을 가진 협동 로봇(200)의 관절 k에 충돌이 발생할 경우, 1 부터 k까지의 관절에 가해지는 외력은 충돌로 인해 급격히 상승하며, k+1부터 n까지 관절에서의 외력은 크게 변화하지 않는다. 외력이 급격히 상승한 1 부터 k까지의 관절은 관절의 위치, 속도 및 가속도의 변화량이 높을 가능성이 높다. 반면, 외력의 변화가 크지 아니한 k+1부터 n까지의 관절은 관절의 위치, 속도 및 가속도의 변화량이 낮을 가능성이 높다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 충돌대응부(230)는 협동로봇(200)의 충돌이 검출된 경우, 각 관절의 위치변화량에 비례하는 충돌보완값을 계산할 수 있다. 위치변화량을 위치벡터로 검출하고, 위치변화량에 비례하는 충돌보완값을 계산하여 각 관절마다 상이하게 적용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 충돌대응부(230)는 협동로봇(200)의 충돌이 검출된 경우, 각 관절의 속도값에 비례하는 충돌보완값을 계산할 수 있다. 속도값이 높은 관절일수록 높은 충돌보완값을 적용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 충돌대응부(230)는 협동로봇(200)의 충돌이 검출된 경우, 각 관절의 가속도값의 변화량에 비례하는 충돌보완값을 계산할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 충돌대응부(230)는 협동로봇(200)의 충돌이 검출된 경우, 각 관절의 위치, 속도 및 가속도 중 적어도 하나 이상의 변수에 기초하여 충돌보완값을 계산할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 충돌대응부(230)는 충돌보완값의 범위를 협동로봇(200)의 충돌이 검출되기 일정시간 이전 동작 또는 직전 동작의 위치 및 속도를 참고하여 설정할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 충돌감지부(210)에서 충돌을 감지한 후 제어부(220)에서 동작모드를 포지션 모드(221)에서 토크모드(222)로 변환하여 충돌대응부(230)에서 충돌보완값을 적용하여 협동로봇(200)에서 충돌이 사라진 경우, 제어부(220)는 동작모드를 토크모드(222)에서 포지션 모드(221)로 재설정할 수 있다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇(100)이 장애물(120)과 충돌이 발생한 경우(S310)와 충돌 이후 협착이 이루어진 경우(S320)의 일 예를 도시한다.
협동로봇(100)의 운동시 도 3에 도시된 바와 같이 링크(111)의 운동 경로 상에 장애물(120)이 위치할 경우, 협동로봇(100)의 링크(111)와 장애물(120)간에 충돌(S310)이 발생하게 되고, 충돌 이후 협착(S320)이 발생할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 협동로봇(100)이 장애물(120)과 충돌(S310)이 발생한 경우, 협동로봇(100)이 힘을 작용한 방향(S300)과 반대방향으로 반작용의 힘을 충돌보완값으로 적용할 수 있다.
도 4 내지 5 는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 도 3 의 일 실시예와 같이 협동로봇이 장애물과 충돌한 경우와 충돌 이후 협착이 이루어진 경우 협동로봇에 부가된 시간에 따른 힘의 변화량을 각각 도시한다.
도 4 는 도 3 에서 협동로봇(100)이 장애물(120)과 충돌한 경우, 협동로봇(100)의 충돌부위가 받는 힘의 변화량을 그래프(400)로 도시한다. 0.5 sec에서 충돌이 발생하여, 충돌 방향의 힘(S310)이 가해진 것을 확인할 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 충돌보완값(S410)을 충돌 방향의 힘(S310)의 반대방향으로 가하도록 설정할 수 있다.
도 5 는 도 3 에서 협동로봇(100)이 장애물(120)과 충돌한 후 협착(S320)이 발생한 경우(S320) 협동로봇(100)의 협착부위가 받는 힘의 변화량을 그래프(500)로 도시한다.
도 6 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇이 구동되는 시스템도를 도시한다.
협동로봇(600)은 다수의 관절과 링크로 구현될 수 있으며, 다수의 관절 각각에는 일체형 액츄에이터(Actuator)(620)가 설치될 수 있다. 도 6의 협동로봇(600)은 6개의 관절에 6개의 일체형 액츄에이터(601~606)가 설치되어 있는 일 예를 도시한다. 일체형액츄에이터(620)는 감속기(621), 모터(622), 브레이크(623), 드라이버(624)가 하나로 이루어진 모듈로, 드라이버(624)는 모터(622)를 제어한다. 도 6에는 6개의 드라이버(601~606)로 표시되어 있으나, 6개의 일체형액츄에이터로 설치할 수 있다.
협동로봇(600)은 제어부(620)와 제어프로토콜을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 제어부(620)는 또한 단말기(640)와 유무선으로 통신이 가능하며, 단말기(640)를 통해 제어부(620)의 기능을 제어할 수 있다.
이하에서, 제어부(620)의 내부 구성도 및 각 구성의 특징을 살펴본다.
제어부(620)의 내부 구성도를 참고하면, 제어부(620)는 사용자인터페이스(621), 컨트롤러(622), 필드프로토콜서비스(630, Field Protocol Service) 및 하드웨어 추상화부(631, Hardware Abstraction Layer)를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 컨트롤러(622)는 이벤트컨트롤러(623), 다이내믹컨트롤러(624, Dynamic Controller), 마찰모델링부(625, Friction Model), 충돌관리부(626), 안전관리부(627), 운동학 제어부(628, Kinematic Controller) 및움직임제어부(629)를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 이벤트컨트롤러(623)는 협동로봇(600)에서 발생하는 이벤트를 검출한다. 이벤트는 충돌 이벤트를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 다이내믹컨트롤러(624)와 마찰모델링부(625)는 협동로봇(600)의 각 관절에 부가되는 토크값을 예상하여 예상토크값을계산하고, 이를 저장한다. 다이내믹컨트롤러(624)는 로봇의 다이내믹마다 요구되는 토크값을 계산한다. 마찰모델링부(625)는 모터의 출력토크와 감속기의 출력토크간의 차이를 수학적으로 모델링한다. 일 예로, 감속기, 로봇 관절 내부의 기계적 요소로 발생하는 손실등을 수학적으로 모델링할 수 있다.
충돌관리부(626)는 충돌 발생시 협동로봇(200)의 각 관절의 위치, 속도 내지 가속도 값에 기초하여 충돌보완값을 계산한다. 안전관리(627)는 협동로봇(600)이 토크모드인 경우, 로봇을 안전한 위치로 수동으로 이동시키도록 구현될 수 있다.
운동학 제어부(628, Kinematic Controller) 및 움직임제어부(629)는 협동로봇의 관절과 링크 간의 기하학적 관계에 따라 운동 특성을 결정하고, 링크가 관절을 중심으로 회전하며 다양한 운동을 하도록 구현될 수 있다. 필드프로토콜서비스(630)는 협동로봇(600)과 제어부(620)간의 제어프로토콜을 관리하도록 구현된다. 제어프로토콜의 일 예로는 EtherCAT이 있다.
도 7 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 협동로봇에서 충돌 발생시 이를 제어하는 방법의 흐름도를 도시한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 충돌감지부에서 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각 중 적어도 하나에서 충돌을 감지한다(S710). 충돌감지부는 예상토크값과 측정토크값의 크기가 기설정된 값을 초과할 경우 충돌이 발생한 것으로 감지한다.
제어부는 충돌감지부에서 충돌을 감지하면, 협동로봇의 동작모드를 포지션모드에서 토크모드로 변경하여, 외력에 유연하게 대응한다(S720). 토크모드로 동작모드가 변경되면, 충돌대응부는 협동로봇의 다수의 관절 각각에 충돌로 발생한 힘의 반작용힘에 대응하는 충돌보완값을 적용하여 다수의 관절 각각의 힘의 진행방향을 변화시킨다(S730).
본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예에서 제어부는 다수의 관절 각각에 충돌보완값이 적용된 이후, 협동로봇의 동작모드를 토크모드에서 다시 포지션모드로 재변경을 수행할 수 있다(S740).
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 협동로봇의 충돌을 감지하는 충돌감지부;
    상기 충돌감지부에서 충돌 감지시 상기 협동로봇의 동작모드를 제어하는 제어부;및
    상기 충돌감지부에서 충돌 감지시 상기 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각에 충돌보완값을 적용하여 상기 다수의 관절 각각의 힘의 진행방향을 변경하는 충돌대응부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 협동로봇제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 충돌감지부에서 충돌 감지시, 상기 동작모드를 포지션모드(Position Mode)에서 토크모드(Torque Mode)로 변환하는 것을 특징으로 하는 협동로봇제어장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 충돌대응부에서 상기 충돌보완값을 적용하여 힘의 진행방향을 변화시킨 후, 상기 동작모드를 토크모드에서 포지션모드로 변환하는 것을 특징으로 하는 협동로봇제어장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 충돌대응부는
    상기 충돌감지부에서 충돌 감지시 상기 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각에 상이한 충돌보완값을 적용하여 다수의 관절 각각에 적용되는 힘의 진행방향을 변화시키는 것을 특징으로 하는 협동로봇제어장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 충돌대응부는
    상기 충돌감지부에서 충돌 감지시 상기 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각의 위치, 속도 및 가속도 중 적어도 하나 이상을 기초로 충돌보완값을 계산하고, 상기 다수의 관절 각각에 상기 계산된 충돌보완값을 적용하여 다수의 관절 각각에 적용되는 힘의 진행방향을 변화시키는 것을 특징으로 하는 협동로봇제어장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 충돌대응부에서 계산하는
    상기 충돌보완값은 상기 충돌로 상기 다수의 관절에 부가된 충돌의 크기 및 방향에 반작용 힘으로 적용할 수 있는 값인 것을 특징으로 하는 협동로봇제어장치.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 포지션모드는 충돌에 따라 협동로봇에 가해지는 힘에 강인한 동작모드로, 충돌이 발생해도 포지션명령을 수행하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 협동로봇제어장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 토크모드는 충돌에 따라 협동로봇에 가해지는 힘에 유연한 동작모드로, 충돌이 발생해도 토크명령을 수행하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 협동로봇제어장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 충돌감지부는
    상기 제어부에서 상기 협동로봇의 다이내믹스에 따라 각 관절에서 필요한 토크값을 예측한 예측토크값과 실시간으로 상기 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각에서 측정된 측정토크값과의 차이가 기설정된 값을 초과하는 경우 충돌로 감지하는 것을 특징으로 하는 협동로봇제어장치.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부에서 동작모드를 토크모드로 변환한 경우 상기 토크모드 상태에서 상기 협동로봇의 위치를 수동으로 변경이 가능한 것을 특징으로 하는 협동로봇제어장치.
  11. 협동로봇의 충돌을 감지하는 충돌감지부;
    상기 충돌감지부에서 충돌 감지시 상기 협동로봇의 동작모드를 포지션모드에서 토크모드로 변경하는 제어부;및
    상기 토크모드에서 상기 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각에 충돌보완값을 적용하여 힘의 진행방향을 변화시키는 충돌대응부;를 포함하고, 상기 충돌대응부에서 상기 충돌보완값을 적용하면 상기 제어부는 상기 동작모드를 상기 토크모드에서 상기 포지션모드로 다시 변경하는 것을 특징으로 하는 협동로봇제어장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 토크모드에서
    상기 협동로봇의 위치를 수동으로 변경가능한 것을 특징으로 하는 협동로봇제어장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 충돌보완값은
    상기 충돌로 인하여 상기 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각에 발생한 힘의 반작용힘이며, 상기 다수의 관절 각각에서 검출된 모터의 전류값을 기초로 파악한 토크값을 기초로 계산되는 것을 특징으로 하는 협동로봇제어장치.
  14. 협동로봇을 제어하는 방법으로서,
    충돌감지부에서 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각 중 적어도 하나에서 충돌을 감지하는 단계;
    충돌 감지시 제어부에서 상기 협동로봇의 동작모드를 변경하는 단계;및
    충돌 감지시 충돌대응부에서 상기 협동로봇을 구성하는 다수의 관절 각각에 충돌보완값을 적용하여 상기 다수의 관절 각각의 힘의 진행방향을 변화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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