마스터-슬레이브 로봇 장치 및 그를 제어하는 마스터의 초기위치를 가이드하는 방법{Master-slave robot device and guide method for the position of the master of controlling master-slave robot device}
본 발명은 마스터-슬레이브 로봇 장치 및 그를 제어하는 마스터의 초기위치를 가이드하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마스터-슬레이브 형태의 로봇에서 사용자가 마스터로 조정을 하기 전에 슬레이브 로봇의 작업 영역 및 동작 한계, 작업 경로로부터 사용자가 편하게 조정할 수 있는 위치로 마스터의 초기위치를 가이드하기 위한 마스터-슬레이브 로봇 장치 및 그를 제어하는 마스터의 초기위치를 가이드하는 방법에 관한 것이다.
종래의 마스터-슬레이브 형태의 로봇에서 슬레이브 로봇 끝 단에 부착된 힘 센서(Force-torque 센서)를 이용하여 로봇 끝 단에 외부 환경으로부터 가해지는 힘을 측정하여 마스터에 힘반향을 구현할 수 있었다. 일반적으로 마스터-슬레이브 형태의 로봇에서 마스터 기구와 슬레이브 로봇은 기구학적 구조, 링크 길이 비율, 작업 가능 영역에 차이가 있다. 이러한 경우 사용자는 마스터 조정기의 입력이 슬레이브에서 구현가능한지 쉽게 알기 힘들다. 즉, 마스터 조정기의 입력이 슬레이브 측에서 구현될 때, 슬레이브 로봇의 링크 간의 충돌, 조인트 동작영역 초과 등의 문제가 발생할 수 있다.
따라서 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 마스터조정부와 슬레이브 로봇의 기구학 파라미터, 작업 가능 영역, 슬레이브 로봇의 계획된 작업 경로의 정보로부터 사용자의 마스터조정부의 입력이 슬레이브작업영역에서 가장 원활하게 구현될 수 있는 마스터조정부의 초기위치를 계산하여 설정할 수 있는 마스터-슬레이브 로봇 장치 및 그를 제어하는 마스터의 초기위치를 가이드하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시 예에 따른 마스터-슬레이브 로봇 장치는 일정한 작업공간에서 동작하는 슬레이브 로봇, 슬레이브 로봇을 제어할 수 있는 적어도 하나 이상의 파라미터가 입력되고 디스플레이하는 마스터조정부 및 마스터조정부로부터 슬레이브 로봇을 제어할 수 있는 마스터조정부에 대한 마스터파라미터, 슬레이브 로봇에 대한 슬레이브파라미터 및 슬레이브 로봇이 동작하는 예상경로에 대한 경로파라미터를 제공받아 계산하고, 로봇의 위치데이터와 로봇의 방향지령데이터를 슬레이브 로봇에 제공하면서 제어하며, 슬레이브 로봇으로부터 로봇의 현재위치데이터와 로봇의 방향데이터를 제공받아 계산하면서 마스터조정부의 초기위치를 설정하는 메인제어부를 포함한다. 또한, 마스터조정부는 적어도 하나 이상의 모터 엑추에이터가 내장되어 마스터조정부의 위치를 제어하는 것을 특징으로 한다. 또한, 메인제어부는 마스터조정부를 제어할 수 있는 마스터제어부와 슬레이브 로봇을 제어할 수 있는 슬레이브제어부를 포함하고, 마스터제어부는 마스터파라미터를 이용하여 마스터조정부의 조인트 작동범위를 설정하고, 설계변수로부터 현재 마스터조정부의 초기위치에서의 마스터작업영역을 설정하고, 슬레이브제어부는 경로파라미터를 이용하여 슬레이브 로봇의 작업계획을 예측하고, 예측된 슬레이브 로봇의 작업계획으로부터 슬레이브작업영역을 설정하고 마스터조정부의 초기위치를 가이드하는 것을 특징으로 한다. 또한, 슬레이브 로봇은 메인제어부로부터 로봇의 위치데이터와 로봇의 방향지령데이터를 제공받아 동작하며, 동작하면서 발생하는 로봇의 현재위치데이터와 로봇의 방향데이터를 실시간으로 메인제어부에 제공하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 마스터-슬레이브 로봇 장치를 제어하는 마스터조정부의 초기위치를 가이드하는 방법은 마스터조정부의 초기위치를 임의의 값으로 설정하는 단계, 마스터조정부의 조인트 작동범위를 설정하여 설계변수로부터 현재 초기위치에서의 마스터작업영역을 계산하는 단계, 슬레이브 로봇의 작업 계획으로부터 슬레이브 로봇의 슬레이브작업영역 계산하는 단계, 마스터작업영역과 슬레이브작업영역의 차이를 목적함수로 설정하는 단계 및 목적함수를 최소화하는 마스터조정부의 초기위치를 설정하여 반영하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시 예에 따른 마스터-슬레이브 로봇 장치 및 그를 제어하는 마스터의 초기위치를 가이드하는 방법에 따라 슬레이브 로봇이 조정되기 이전에 원활하고 안전하게 슬레이브 로봇에 대한 조정이 가능한 위치로 마스터조정부의 위치를 용이하게 설정함으로써, 제품의 안정성을 향상시키는 동시에 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 마스터-슬레이브 로봇 장치에 대한 블럭도.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 마스터-슬레이브 로봇 장치를 제어하는 마스터의 초기위치를 가이드하는 방법에 대한 순서도.
도 3은 본 발명에서 목적함수를 최소화시킬 수 있는 기법으로 Newton-raphson의 방법을 적용한 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 마스터-슬레이브 로봇 장치에 대한 블럭도이다. 도 1을 살펴보면, 본 발명의 일실시 예에 따른 마스터-슬레이브 로봇 장치는 마스터조정부(110), 메인제어부(120) 및 슬레이브 로봇(130)으로 구성된다. 마스터조정부(110)는 슬레이브 로봇(130)을 제어할 수 있는 적어도 하나 이상의 파라미터가 입력되고 디스플레이한다. 이러한 마스터조정부(110)는 슬레이브 로봇(130)을 제어할 수 있는 마스터조정부(110)에 대한 마스터파라미터, 슬레이브 로봇(130)에 대한 슬레이브파라미터 및 슬레이브 로봇(130)이 동작하는 예상경로에 대한 경로파라미터가 입력되고, 설정된 마스터조정부(110)의 초기위치를 디스플레이할 수 있다. 또한, 마스터조정부(110)는 적어도 하나 이상의 모터 등의 엑추에이터가 내장되어 마스터조정부(110)의 위치를 제어할 수 있다. 즉, 마스터조정부(110)는 메인제어부(120)로부터 적어도 하나 이상의 슬레이브 로봇(130)에 대한 파라미터를 제공받아 마스터조정부(110)의 위치를 제어하되, 마스터작업영역 내에서 동작할 수 있도록 마스터조정부(110)의 위치를 제어할 수 있다. 메인제어부(120)는 마스터조정부(110)로부터 마스터파라미터, 슬레이브파라미터 및 경로파라미터를 제공받아 계산하여, 슬레이브 로봇(130)에 대한 로봇의 위치데이터와 로봇의 방향지령데이터를 제공하면서 제어할 수 있고, 슬레이브 로봇(130)에 슬레이브 로봇(130)으로부터 로봇의 현재위치데이터와 로봇의 방향데이터를 제공받아 계산하여 마스터조정부(110)의 초기위치를 설정할 수 있다. 이때 메인제어부(120)는 마스터조정부(110)를 제어할 수 있는 마스터제어부(121)와 슬레이브 로봇(130)을 제어할 수 있는 슬레이브제어부(122)로 형성될 수 있다. 마스터제어부(121)는 마스터파라미터를 이용하여 마스터조정부(110)의 조인트 작동범위를 설정하고, 설계변수로부터 현재 마스터조정부(110)의 초기위치에서의 마스터작업영역을 설정할 수 있다. 즉, 마스터제어부(121)는 마스터파라미터를 이용하여 마스터조정부(110)의 조인트 작동범위를 설정하는 동시에 설계변수인 슬레이브 로봇(130)에 대한 로봇의 현재위치데이터와 로봇의 방향데이터를 제공받아 현재 마스터조정부(110)의 초기위치에서의 마스터작업영역을 설정할 수 있다. 슬레이브제어부(122)는 경로파라미터를 이용하여 슬레이브 로봇(130)의 작업계획을 예측하고, 예측된 슬레이브 로봇(130)의 작업계획으로부터 슬레이브작업영역을 설정하고 마스터조정부(121)의 초기위치를 가이드할 수 있다. 즉, 슬레이브제어부(122)는 슬레이브 로봇(130)에 대한 로봇의 위치데이터와 로봇의 방향지령데이터를 제공하면서 제어할 수 있고, 슬레이브 로봇(130)으로부터 로봇의 현재위치데이터와 로봇의 방향데이터를 실시간으로 제공받아 마스터제어부(121)에 제공함으로써 마스터조정부(121)의 초기위치를 가이드할 수 있다. 여기서 메인제어부(120)는 마스터파라미터, 슬레이브파라미터, 경로파라미터, 로봇의 위치데이터, 로봇의 방향지령데이터, 로봇의 현재위치데이터 및 로봇의 방향데이터를 마스터 정/역기구학 또는 슬레이브 정/역기구학 등을 통해 계산하여 마스터조정부(110)의 초기위치를 용이하게 설정할 수 있다. 이와 같이, 마스터조정부(110)의 초기위치를 설정함으로써, 슬레이브 로봇(130)을 조정이 가능한 위치로 마스터조정부(110)를 미리 가이드할 수 있어 원활하고 안전하게 슬레이브 로봇(130)을 조정할 수 있다. 슬레이브 로봇(130)은 일정한 작업공간에서 동작한다. 이러한 슬레이브 로봇(130)은 메인제어부(120)로부터 로봇의 위치데이터와 로봇의 방향지령데이터를 제공받아 동작하며, 동작하면서 발생하는 로봇의 현재위치데이터와 로봇의 방향데이터를 실시간으로 메인제어부(120)에 제공할 수 있다. 도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 마스터-슬레이브 로봇 장치를 제어하는 마스터의 초기위치를 가이드하는 방법에 대한 순서도이다. 도 2를 살펴보면, 발명의 일실시 예에 따른 마스터-슬레이브 로봇 장치를 제어하는 마스터의 초기위치를 가이드하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 마스터조정부(110)의 초기위치를 임의로 가정한다. 즉, 마스터조정부(110)의 초기위치를 임의의 값으로 설정하는 단계(S110)이다. 이때 수학식 1과 같이, 마스터조정부(110)의 베이스 좌표계에 마스터조정부(110)의 초기위치를 임의의 값으로 가정할 수 있다.
마스터조정부(110)의 조인트 작동범위를 설정하여 설계변수로부터 현재 초기위치에서의 마스터작업영역을 계산하는 단계(S120)이다. 즉, DH parameter로부터 로봇의 정기구학(forward kinematics)식으로부터 마스터작업영역을 계산할 수 있다. 여기서 DH parameter는 마스터파라미터, 슬레이브파라미터, 경로파라미터, 로봇의 위치데이터, 로봇의 방향지령데이터, 로봇의 현재위치데이터 및 로봇의 방향데이터를 포함할 수 있다. 이때, 마스터조정부(110)의 x,y,z 방향 작동 가능 범위의 합을 마스터작업영역으로 정의할 수 있으며, 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
또한, 상기에서 제시한 마스터작업영역의 정의는 하나의 예로써 나타낸 것이며, x,y,z 방향을 따로 선정할 수 있을 뿐만 아니라 방향요소까지도 포함할 수 있다. 슬레이브 로봇(130)의 작업 계획으로부터 슬레이브 로봇(130)의 슬레이브작업영역을 계산하는 단계(S130)이다. 이때 슬레이브작업영역의 정의 및 계산 방법은 앞에서 이미 설명한 수학식 2와 실질적으로 동일할 수 있다. 이에 따라, 슬레이브작업영역도 수학식 3과 같이, x,y,z 방향의 범위의 합으로 정의할 수 있다.
또한, 마스터작업영역과 슬레이브작업영역의 차이를 목적함수로 설정하는 단계(S140)이다. 이때 목적함수는 마스터작업영역과 슬레이브작업영역의 차이에 대한 절대값으로 선정할 수 있다. 여기서 목적함수는 마스터조정부(110)의 초기위치를 변수로 하는 함수이다. 이러한 목적함수는 수학식 4와 같다.
또한, 마스터작업영역 또는 슬레이브작업영역의 정의 방법에 따라 목적함수의 형태는 달라질 수 있다. 목적함수를 최소화하는 마스터조정부(110)의 초기위치를 계산하는 단계(S150)이다. 이와 같이, 목적함수를 최소화하는 기법은 다양한 최적화 기법이 사용가능할 수 있다. 본 발명에서는 목적함수를 최소화시킬 수 있는 기법으로 수학식 5과 도 3에 도시된 그래프와 같이 Newton-raphson method로 나타내었으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉, 목적함수를 최소화시킬 수 있는 기법이라면 어떠한 기법이라도 가능할 수 있다.
최적의 마스터조정부(110)의 초기위치를 마스터조정부(110)에 반영하는 단계(S160)이다. 즉, 마스터작업영역과 슬레이브작업영역이 실질적으로 동일해지거나 비슷해지면 슬레이브 로봇(130)이 구현하지 못하는 자세를 마스터조정부(110)에서 입력할 가능성이 없어지거나 최소화될 수 있다. 지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 마스터-슬레이브 로봇 장치 및 그를 제어하는 마스터의 초기위치를 가이드하는 방법에 따라 슬레이브 로봇(130)가 조정되기 이전에 원활하고 안전하게 슬레이브 로봇(130)에 대한 조정이 가능한 위치로 마스터조정부(110)의 위치를 용이하게 설정할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 마스터-슬레이브의 기구학적 구조, 기구학 파라미터, 작업 영역에 차이가 있는 경우에 원활하고 안전하게 슬레이브 로봇(130)이 조정 가능한 위치로 마스터조정부(110)의 초기위치를 미리 설정할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 마스터-슬레이브 로봇 장치 및 그를 제어하는 마스터의 초기위치를 가이드하는 방법은 슬레이브 로봇(130)을 조정하기 전에 마스터조정부(110)의 초기위치를 미리 가이드함으로써, 슬레이브 로봇(130)을 원활하고 안전하게 조정할 수 있다. 이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
110: 마스터조정부 120: 메인제어부
121: 마스터제어부 122: 슬레이브제어부
130: 슬레이브 로봇 |
