[논문]고속 정밀 로봇 제어를 위한 실시간 중앙 집중식 소프트 모션 제어 시스템

정일균; 김정훈

doi:10.14372/iemek.2013.8.6.295

고속 정밀 로봇 제어를 위한 실시간 중앙 집중식 소프트 모션 제어 시스템
Real-Time Centralized Soft Motion Control System for High Speed and Precision Robot Control 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.8 no.6, 2013년, pp.295 - 301

정일균 (KEIT) , 김정훈 (KIRO)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a real-time centralized soft motion control system for high speed and precision robot control. The system engages EtherCAT as high speed industrial motion network to enable force based motion control in real-time and is composed of software-based master controller with PC and slave interface modules. Hard real-time control capacity is essential for high speed and precision robot control. To implement soft based real time control, The soft based master controller is designed using a real time kernel (RTX) and EtherCAT network, and servo processes are located in the master controller for centralized motion control. In the proposed system, slave interface modules just collect and transfer all sensor information of robot to the master controller via the EtherCAT network. It is proven by experimental results that the proposed soft motion control system has real time controllability enough to apply for various robot control systems.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

RTX를 사용한다고 할지라도 운영체제는 PC라는 하드웨어 환경에서 동작하는 하나의 소프트웨어라는 한계를 갖고 있기 때문에 하드웨어적으로 발생하는 내부 타이머의 정주기성 손상에 대하여 해결할 수 있는 방법이 존재하지 않는다. 그리하여 본 논문에서는 고속 통신을 이용하여 외부로부터 절대적 시간을 참조할 수 있는 클럭을 참조함으로써 Hard real-time성을 보장하는 방법을 제시한다.
본 논문에서는 EtherCAT과 실시간커널을 이용한 소프트웨어 주 제어기 그리고 종속 인터페이스 모듈로 이루어진 소프트웨어 기반의 중앙집중식 모션 제어기를 제안하고 정주기성, 시지연 등 시스템 특성을 분석하였다. 제안된 제어기는 10Khz의 실시간 데이터 교환과 2Khz주기의 위치제어 주기를 가지고 있어 고속 고정밀 로봇 제어 시스템에 적용될수 있음을 실험적으로 검증하였다.
본 논문에서는 초고속 정밀 로봇제어를 위한 실시간 중앙 집중식 소프트 모션 제어 시스템을 제안한다. 제안된 제어 시스템은 100Mbps 통신 속도를 가진 네트워크로 이더켓을 사용하여 소프트웨어를 기반으로 하는 중앙집중식 중앙정보처리기(Master controller)를 기반으로 한다.

제안 방법

각종 센서 인터페이스를 통하여 제어 대상이 되는 로봇의 센서 정보를 수집하여 주제어기로 EtherCAT을 통하여 전송하고 주 제어기로부터 축당 제어 출력을 전기 신호화 하여 전달하는 역할을 수행한다. 또한 주 제어기의 실시간성을 감시하기 위하여 50us주기로 Time Stamp를 생성하여 전송한다.
주 제어기에 실시간성 확보를 위하여 실시간 커널을 적용한다. 본 논문에서 제안한 소프트웨어 주제어기에서는 RTX를 실시간 커널로 채용하였다.
로봇의 실시간 모션 제어를 위해서는 각 축의 정보와 제어를 위한 각종 센서 정보들이 모션 제어를 위한 주 제어기에 전달되어야 한다. 이를 위하여 제안된 시스템에서는 100Mbps 대역폭을 가진 EtherCAT을 통하여 각종 센서의 정보를 주 제어기로 전송한다. 주 제어기에서는 전송받은 데이터를 처리하여 모션제어를 수행하고 이를 통하여 생성된 각 축의 제어 출력 값은 EtherCAT을 통하여 전송된다.
다축 제어 시스템에서는 축수가 증가함에 따라 전체 네트워크 시스템 응답성이 저하된다. 제안된 시스템에서 고려할 딜레이는 ET1100 이더켓 칩과 DSP사이의 딜레이, 노드 딜레이, 시스템 대역 및 패킷 사이즈를 실험적으로 측정했을 때, 수식(1)과같이 모델링 된다.[15]
본 논문에서는 초고속 정밀 로봇제어를 위한 실시간 중앙 집중식 소프트 모션 제어 시스템을 제안한다. 제안된 제어 시스템은 100Mbps 통신 속도를 가진 네트워크로 이더켓을 사용하여 소프트웨어를 기반으로 하는 중앙집중식 중앙정보처리기(Master controller)를 기반으로 한다. 기존의 서보컨트롤러가 슬레이브에 내장되어 있는 분산방식의 모션 컨트롤러는 각 축의 상황변화에 대한 종합적인 대처 및 최적화 구현의 어려운 반면, 중앙집중식은 중앙 정보처리기의 제어기에 서보컨트롤러가 소프트웨어 적으로 내장되어 있어 알고리즘 최적화, 상황변화대처 등이 용이하다.
주 제어기와 종속 정보 처리기는 100us 간격으로 패킷을 전송하며 통신 정주기성에 대한 측정 실험을 하였다. 표 1의 결과는 패킷을 10,000,000회 전송하여 하드웨어 타이머로 측정 후 주 제어기로 전송한 결과이다.

대상 데이터

또한 주 제어기의 실시간성을 감시하기 위하여 50us주기로 Time Stamp를 생성하여 전송한다. 종속정보 처리기는 DSP 28335를 프로세서로 사용하였고 아날로그 출력 형태 센서를 받아들이기 위한 ADC 8ch, 모터 드라이버와 인터페이스를 위한 DAC 2ch, Digital I/O 16ch, Incremental Encoder 입력을 받기위한 QEP 회로 2ch, 절대엔코더 인터페이스를 위한 CAN/SCI 통신 각 1ch, 로봇용 Gripper Hand와 같은 펄스 입력 디바이스들의 조작을 위한 PWM 2ch, EtherCAT 통신을 위한 통신 모듈 1ch로 구성되어 있다(그림 7). 종속 정보처리기는 중앙제어기의 소프트웨어적 데이터를 전기적 신호로 변환하는 작업과 중앙 제어기를 감시 하는 동작을 하는 것 외에 별도의 알고리즘이 동작하고 있지 않다.

이론/모형

제안된 제어기의 실시간 성능 감시를 위하여 각 종속 정보 처리기로부터 획득하는 Time Stamp를 이용한다(그림 15). 각 종속 처리기는 50us간격으로 증가하는 Time Stamp를 10Khz의 통신주기마다 패킷에 포함하여 전송하며 이것의 변화량의 감시를 통하여 실시간 성능의 모니터링에 참조 정보로 사용 가능하다.

성능/효과

이더켓 네트워크를 채용하고 있어 중앙집중식 모션 제어기의 실시간성 확보가 가능하다. 본 논문에서는 제안된 중앙집중식 실시간 소프트 모션 제어 시스템 설계, 해석 및 구현을 기술하며, 각 축을 1Khz 이하로 제어할 수 있어 다양한 고속 고정밀 로봇 제어에 적용 가능함을 실험적으로 증명한다.
표 1의 결과는 패킷을 10,000,000회 전송하여 하드웨어 타이머로 측정 후 주 제어기로 전송한 결과이다. 실험 결과상으로 98~ 103us의 범위에 97% 이상의 수신율을 볼 수 있다. 이더켓 통신을 담당하는 종속정보처리기의 DSP에서 이전 패킷과 현재 패킷을 받았을 때 자체 카운터에 의하여 측정된 정보이기 때문에, 제어 축의 실제 제어명령 도달시간주기와 같다.
본 논문에서는 EtherCAT과 실시간커널을 이용한 소프트웨어 주 제어기 그리고 종속 인터페이스 모듈로 이루어진 소프트웨어 기반의 중앙집중식 모션 제어기를 제안하고 정주기성, 시지연 등 시스템 특성을 분석하였다. 제안된 제어기는 10Khz의 실시간 데이터 교환과 2Khz주기의 위치제어 주기를 가지고 있어 고속 고정밀 로봇 제어 시스템에 적용될수 있음을 실험적으로 검증하였다. 기존 하드웨어 중심의 제어기의 성능을 최대한 유지하면서 소프트 웨어 중심의 제어기가 갖는 유연성을 가질 수 있어 다양한 로봇 제어 시스템에 적당한 제어기이다.

후속연구

3도 이하의 위치 오차를 보인다. 이는 적절한 게인 튜닝과 추가적 알고리즘의 적용으로 개선될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중앙집중식 중앙정보처리기의 장점은?	제안된 제어 시스템은 100Mbps 통신 속도를 가진 네트워크로 이더켓을 사용하여 소프트웨어를 기반으로 하는 중앙집중식 중앙정보처리기(Master controller)를 기반으로 한다. 기존의 서보컨트롤러가 슬레이브에 내장되어 있는 분산방식의 모션 컨트롤러는 각 축의 상황변화에 대한 종합적인 대처 및 최적화 구현의 어려운 반면, 중앙집중식은 중앙 정보처리기의 제어기에 서보컨트롤러가 소프트웨어 적으로 내장되어 있어 알고리즘 최적화, 상황변화대처 등이 용이하다. 종속정보처리기(Slave controller)는 각 축의 정보를 수집하여 주제어기에 전달하고 축제어 명령을 서보앰프에 전달하는 역할을 한다.
	산업용 로봇 및 자동화 장비의 장점은?	산업용 로봇 및 자동화 장비들은 병렬로봇과 같이Pick-and-Place 등 다양한 분야에서 빠른 동작 성능과 정확성을 장점으로 다양한 어플리케이션에 사용되고 있다. 산업현장에서 고중량의 작업물 핸들링 등 Pick-and-Place 이외의 작업에도 인간과의 협력을 통하여 실용화 되고 있으며[1, 2], 고도의 프로그래밍 기술 없이도 로봇을 제어할 수 있는 기술과 함께 급격하게 발전하고 있다[3-5].
	고용량의 데이터를 이더넷 기반의 고속 네트워크 인터페이스로 구현할 때 필요한 요소는?	이러한 연구들은 고속 네트워크를 기반으로 하고 있으며[6, 7], 고용량의 데이터를 이더넷 기반의 고속 네트워크를 산업용에 적용하여 실시간으로 데이트들을 교환할 수 있는 연구가 진행되었다[8]. 이러한 산업용 고속 네트워크 인터페이스를 구현하기 위해서는 지연시간, 메시지 전달 데드라인, 라운드 타임 등 필수적으로 보장되어야 하는 요소들이 있으며[9], 이더켓은 개방형 네트웍으로 100Mbps 전달속도와 짧은 응답시간 및 싸이클링 타임을 가지는 산업용 네트워크이다. 이더켓은 수백개의 I/O와 연결될 수 있고, 응답지연이 짧기 때문에 고속 고정밀 다축 로봇 제어에 적합한 네트워크 이다[10, 11].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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