KR100359577B1 - 다축로보트의제어장치 - Google Patents

Abstract

각 축으로 감속기 등의 스프링 요소를 포함하는 산업용 로보트에 관하여, 고속 동작시에도 상호 축 간섭을 완전히 제거하는 다축 로보트의 제어장치를 제공한다.

본 발명의 다축 로보트의 제어장치는, 각 축의 서보 모터와 아암 사이에 감속기 등의 스프링 요소를 포함하는 기구를 가지는 다축 로보트의 제어장치에 있어서, 간섭을 주는 축과 간섭을 받는 축의 서보 모터로의 제어입력(uLref, uUref)과 각 축감속기에 생기는 비틀림 각(θSL, θSU)으로 인하여, 각 축 아암측에 발생하는 다른 축으로 부터의 간섭력과, 상기 간섭력에 의해 생기는 각 축이 독립된 반폐형 루프로 구성된 서보 모터의 제어입력에 포함되는 간섭력을 산출하는 수단(14)을 가지며, 각 축의 아암 선단이 다른 축으로부터의 간섭을 발생시키지 않고 동작하도록, 다른 축으로부터의 간섭력과 서보 모터의 제어입력에 포함되는 간섭력에 따라서 보정 토크를 산출하고, 상기 제어입력에 상기 보정 토크를 가산하여 출력하는 수단으로 이루어지는 것이다.

Description

다축 로보트의 제어장치{Controller of multi-axis robot}

일반적으로 전동기에 의해 각 축이 구동되는 산업용 로보트에 있어서, 전동기의 힘부족이나 부하측으로부터의 외란력(外亂力)의 영향을 극히 작게 하기위해서 감속비가 큰 하모닉 드라이브 등의 기어를 통해, 부하측의 아암을 구동하고 있다. 따라서, 제어축 사이의 역학적 간섭은 종래 그다지 문제가 되지 않았다.

그러나, 고속화, 고정밀도화의 요구가 높아짐에 따라 PI제어로는 보상할 수 없는 역학적 영향이나 고감속비 구동으로서도 무시할 수 없는 외란이 생겨 문제가 되고 있다.

이 문제를 해결하기 위해서 외란추정 옵저버에 의해 외란을 보상하는 방법이나 다이렉트 드라이브 구동방식의 로보트와 같이 동력학 방정식에 근거하여 미리 보상하는 방법이 보고되어 있다 (예컨대 일본 특개소 63-314606호 공보, 일본 특개평6-270079호 공보, 일본 특개평7-7307호 공보).

부하측에 발생하는 외란이 큰 경우, 외란 보상 옵저버에 의한 방법에서는,간섭 등에 관한 움직임 특성은 고려하고 있지 않으므로 충분한 정밀도의 향상은 바랄 수 없다. 동력학 방정식에 근거하여 미리 보상하는 방법에 대해서도, 종래의 방법으로는 기어를 통한 경우의 움직임 특성이나 각 축을 동작시키기 위해 계산된 제어입력이 포함하는 간섭력에 대해서는 충분히 고려되어 있지 않고, 고속 동작시에는 완전히 간섭을 제거할 수 없다.

본 발명은, 제어축간에 역학적인 간섭을 가지며, 또한 각 축으로 스프링요소를 포함하는 산업용 로보트를 대표로 하는 다축 로보트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 아암 선단에 생기는 간섭력을 완전히 제거하는 제어장치에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 수직 2축 로보트의 모식도이다.

도 2는 평행 사변형 링크 구조의 수직 2축 로보트의 모식도이다.

도 3은 운동 방정식의 각 계수에 대하여 나타내는 설명도이다.

도 4는 모터와 아암 사이의 토크 전달기구의 설명도이다.

도 5는 본 발명의 제어장치에 의한 제어계의 구성을 2축에 대하여 나타낸 블록도이다.

도 6a 및 도 6b는 제1축에 부여하는 제로지령과, 제2축에 부여하는 스텝형 속도지령의 특성도이다.

도 7a 및 도 7b는 통상의 PI제어에 있어서, 제1축에 발생하는 간섭력의 설명도이다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 있어서 간섭력이 제거된 상태를 나타내는 설명도이다.

도 9는 통상적인 PI제어에서 발생하는 궤적의 어긋남을 나타내는 설명도이다.

도 10은 본 발명에 있어서 개선된 궤적의 어긋남을 나타내는 설명도이다.

본 발명이 해결해야 할 과제는, 각 축으로 감속기 등의 스프링 요소를 포함하는 산업용 로보트에 관하여, 고속 동작시에 있어서도 상호 축간섭을 완전히 제거하는데 있다.

본 발명의 다축 로보트의 제어장치는, 상기의 과제를 해결하기 위해, 각 축의 서보 모터와 아암 사이에 감속기 등의 스프링 요소를 포함하는 기구를 가지는 다축 로보트의 제어장치에 있어서, 간섭을 주는 축과 간섭을 받는 축의 서보 모터로의 제어입력과 각 축감속기에 생기는 비틀림 각으로 인하여, 각 축 아암측에 발생하는 다른 축으로 부터의 간섭력과, 상기 간섭력에 의해 생기는 각 축이 독립된 반폐형 루프로 구성된 서보 모터의 제어입력에 포함되는 간섭력을 산출하는 수단을 가지며, 각 축의 아암 선단이 다른 축으로부터의 간섭을 발생시키지 않도록 동작하는 다른 축으로부터의 간섭력과 서보 모터의 제어입력에 포함되는 간섭력에 따라서 보정 토크를 산출하고, 상기 제어입력에 상기 보정 토크를 가산하여 출력하는 수단으로 이루어진다.

본 장치에 있어서, 각 축감속기에 생기는 비틀림 각은, 각 축의 서보 모터의제어입력과 실제의 서보 모터의 위치에 의해 상태량을 재현하는 상태관측수단에 의해 재현된 값을 이용할 수도 있다.

구체적으로는, 각 축의 서보 모터와 아암과의 결합을 스프링요소를 포함하는 2관성계로 표현함으로써 동력학 방정식을 구하고, 각 축의 아암측에 발생하는 다축으로부터의 간섭력을 산출함과 동시에, 반폐형 루프로 구성된 각 축의 제어입력이 포함하는 간섭력을 산출하고, 간섭력을 완전히 부정하는 것과 같은 보정 토크를 제어입력에 가산하여 출력한다.

본 발명에 의하면, 서보 모터와 아암과의 사이에 감속기 등의 스프링 요소를 포함하는 기구를 가지는 다축 로보트에 있어서도, 각 축의 아암측에 발생하는 다른 축으로부터의 간섭력과 각 축이 독립된 반폐형 루프로 구성된 서보 모터의 제어입력에 포함되는 간섭력이 산출되어, 각 축으로 생기는 간섭 토크가 보정된다. 이에 따라, 감속기에 비틀림 진동이 생기는 것 같은 고속동작시에 있어서도 간섭력을 제거할 수 있고, 마치 각 구동축 사이에 간섭이 없는 것과 같이 각 축의 서보 모터를 제어할 수 있다.

설명을 쉽게 하기 위해, 2축 로보트에 관하여 설명하기로 한다. 다축 로보트에 있어서는, 상기 2축 로보트에 관하여 이하에 설명되는 사항을 확대 적용할 수 있다.

도 1은 L축과 U축을 갖는 일반적인 수직 2축 로보트의 모식도이며, 도 2는 평행 사변형 링크구조인 수직 2축 로보트의 모식도이다. 도면에서 ℓ_L은 L축의 길이, M_L은 L 축의 질량, ℓ_Lg는 L축의 중심까지의 길이, θ_ℓL은 L축의 각도, M_U는 U축의 질량, fℓ_Ug는 U축의 중심까지의 길이, θ_ℓU는 U축의 L축에 대한 각도이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 2축 로보트의 운동 방정식은, 하기 수학식1 내지 6에 의해 나타낼 수 있다. 우선, 각 축감속기에 발생하는 비틀림 각을 나타내는 관계식이 다음식으로 나타난다.

여기서, θ_mL은 L축 모터의 각도, θ_mU는 U축 모터의 각도, N_L은 L축 감속기의 감속비, N_U는 U축 감속기의 감속비, θ_SL은 L축 감속기에 생기는 비틀림 각, θ_SU는 U축 감속기에 생기는 비틀림 각이다.

다음 수학식 3 및 수학식 4는 라그랑제의 운동 방정식에 의해 구해지는 관계식이다.

여기서, K_CL은 L축 감속기의 스프링 정수, K_CU는 U축 감속기의 스프링 정수, d_L은 L축으로 작용하는 토크외란, d_U는 U축으로 작용하는 토크외란이다.

도 3은 운동 방정식의 각 계수에 관하여 나타낸다.

또한, 도 4에 도시된 모터와 아암 사이의 토크전달기구는 다음식으로 나타낼 수 있다. 도 4에서 1은 아암, 2는 부하, 3은 아암(l)을 구동하는 모터, 4는 모터(3)와 아암(1) 사이에 설정된 감속기이다. 감속기(4)는 감속기구와 스프링 요소로 이루어져 있다.

여기서, J_mL은 L축 모터의 관성모멘트, J_mU는 U축 모터의 관성모멘트 u_Lref는 L축의 제어입력, u_Uref는 U축의 제어입력이다. 여기서의 제어입력은 가속도 지령으로서 나타내고 있다.

도 5는, 본 발명의 제어장치에 의한 제어계의 구성을 2축에 대하여 나타낸 블록도이다. 도 5에서 10은 L축 상태관측수단, 11은 U축 상태관측수단, 12는 L축 상태 콘트롤러, 13은 U축 상태 콘트롤러, 14는 간섭력 산출수단이다.

수학식 1 내지 6에서, 아암(1)의 위치θ_ℓL, θ_ℓU의 4회 미분에 대하여 풀면, 다음 수학식 7 및 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.

단, θ_ℓL ⁽⁴⁾, θ_ℓU ⁽⁴⁾는 각각 θ_ℓL, θ_ℓU의 4회 미분,

수학식 7 및 8에 있어서, 아암의 위치의 4회 미분에는 자축의 상태량, 제어입력 외에, 타축의 상태량, 외란항이 포함되어 있다.

제어입력을 지령에 의해 산출되는 값, 타축으로부터의 간섭에 의한 값, 간섭이외의 외란에 의한 값으로 분리하면 다음 수학식9 및 10과 같이 나타낼 수 있다.

단, u_LLref, u_UUref는 각축을 동작하는데 필요한 제어입력, u_LCref, u_UCref는 다른 축으로부터의 간섭력을 보상하기 위한 제어입력, u_Ldref, u_Udref는 제어입력이 포함하는 외란을 보상하기 위한 제어입력이다.

여기서, 각 축의 비간섭화의 조건은, 다음 식이 성립하는 것이라고 말할 수 있다.

따라서, 다음 수학식 13 및 14가 성립할 필요가 있다.

자축의 동작에 대한 간섭력을 제거하기 위한 조건은, 수학식 11 및 12가 성립하도록 제어입력을 보상해 주는 것이다. 결국, 수학식 13 및 14가 성립하는 것이다.

여기서, 더 각 축을 동작시키기 위하여 계산된 제어입력이 포함하는 간섭력을 보상하기 위해서 수학식 1 내지 6에 의해 구해지는 수학식 15 내지 18을 도입한다.

수학식 15 및 16을 수학식 13 및 14에 대입함으로써, 비간섭화의 보상량으로서 다음 수학식 17 및 18이 얻어진다.

단,

단, 이 보상량에는 감속기에서의 비틀림량도 포함되어 있으므로, 제어연산에 사용되는 상태변수에 다음의 보정량을 부가한다.

상기 제어장치에 의해, 각 축 아암 선단의 동작에 따라서 발생하는 간섭력과 각 축의 제어입력이 포함하는 간섭력이 비간섭화되고, 아암 선단의 동작에 관해서, 간섭이 없는 응답을 얻을 수 있다.

외란을 무시할 수 있는 경우, 또는 관측할 수 없는 경우는, 수학식 1 내지 22의 외란항을 생략하여 적용할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예의 효과에 대하여 설명하기로 한다.

도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이, 제1축에는 제로지령(도 6a의 특성)을, 제2축에는 스텝형 속도지령(도 6b의 특성)을 부여한 경우, 통상의 PI제어로는, 제1축에 도 7a 및 도 7b과 같은 간섭력이 생기지만, 본 발명의 제어장치를 사용함으로써, 도 8a 및 도 8b와 같이 간섭력을 제거할 수 있다. 또한, 선단에 수평방향으로 직선궤도를 그리도록 지령한 경우, 통상의 PI제어로는 도 9와 같이 상당히 궤적에서 벗어나는데, 본 발명의 제어장치를 이용함으로써 도 10과 같이 개선할 수가 있다.

본 발명은, 각 축으로 감속기 등의 스프링 요소를 포함하는 산업용 로보트의 제어분야에서 이용할 수가 있다.

Claims (3)

1. 적어도 제1과 제2의 축을 갖는 다축로보트의 제어장치로서,

   상기 제1 및 제2축은 각각 아암과 제어입력에 의해 구동되는 서보로보트와, 감속기의 형태의 커플링을 가지며,

   상기 감속기는 상기 서보모터와 상기 아암을 결합하는 스프링 요소를 가지며,

   상기 제2축은 상기 제1축의 상기 아암의 선단에 배치되어 있는 다축로보트의 제어장치에 있어서,

   상기 제1 및 제2축은 각각 상기 커플링의 비틀림각을 검출하기 위한 비틀림각 검출수단과 상기 서보 모터를 독립적으로 제어하기 위한 반페형 루프를 각각 포함하며,

   상기 제1 및 제2축의 각각의 서보모터 제어입력치와, 상기 비틀림각에 따라서 제1간섭력 및 제2간섭력을 계산하는 간섭력산출기; 및

   상기 제1 및 제2축에 대하여 상기 제1 및 제2간섭력에 따라 상기 제1 및 제2축의 각각에 작용하는 상기 제1 및 제2간섭력의 영향을 받지 않고 각 아암이 동작하도록 상기 제1 및 제2축이 대응하는 축의 제어입력에 보정토크를 부가하도록 상기 제1 및 제2축의 각각의 보정토크를 산출하기 위한 보정수단을 포함함하며,

   상기 제1간섭력은 상기 제1 및 제2축 중 어느 한쪽 축의 동체에 의해 상기 제 1 및 제2 축의 다른 한쪽의 축에 발생하는 아암에 발생하는 힘이며,

   상기 제2의 간섭력은 상기 제1 및 제2축 중의 어느 한쪽 축의 동체에 의해 상기 다른 한쪽의 축에 발생하는 제1의 간섭력에 기인하여 상기 다른 한쪽의 축의 반폐형 루프에 있어서의 상기 서보모터의 제어입력에 포함되는 입력에 의해 발생하는 힘임을 특징으로 하는 다축 로보트의 제어장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2축에 있어서,

   상기 비틀림각 검출수단은 각 축의 서보모터의 제어입력과, 실제의 서보모터의 위치에 의해 상태량을 재현하는 상태관측 수단으로서,

   상기 상태관측 수단에 의해 재현된 비틀림각을 이용하여 상기 제1 및 제2의 간섭력을 보정하는 것을 특징으로 하는 다축 로보트의 제어장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 비틀림각 검출수단은,

   θs = θm/N - θI

   단, θs: 비틀림각, θm: 모터의 입력각도, N: 감속기의 감속비, θI: 아암의 출력각에 따라 상기 감속기의 각각의 입력각 및 출력각에 따라서 커플링의 각각의 비틀림각을 결정하는 것을 특징으로 하는 다축 로보트의 제어장치.

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