[논문]증분형 엔코더를 이용한 로봇 관절의 절대위치 검출

임재식; 이영진

doi:10.5302/j.icros.2015.14.0136

증분형 엔코더를 이용한 로봇 관절의 절대위치 검출
Detection of Absolute Position of Robot Joint Using Incremental Encoders 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.21 no.6, 2015년, pp.577 - 582

임재식 ((주)오토파워) , 이영진 ((주)오토파워)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes an efficient detection of absolute position of a robot joint using two incremental encoders. We considers a robot joint comprising a motor, a reducer, two encoders, and a motor drive. An incremental(first) encoder provides motor's rotor position or input position of reducer while another incremental(second) encoder does output position of the reducer. A table is made where the relationship between the first and the second encoder counts is recorded. The key point is placed where the table is constructed: when a pulse occurs in the second encoder, there exists a corresponding unique count value of the first encoder. The absolute position is detected using the table by searching the second encoder position corresponding to the first encoder count value when a pulse occurs in the second encoder. The proposed method needs a small rotation, as just one second encoder's pulse angle, for the initial absolute position detection.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

앞선 경우와 마찬가지로 가정 가 성 (b), (d) , 1 립하고 제 엔 코더의 펄스발생 회전각은 일정하다고 가정한다 우선 제 . 2엔코더의 펄스발생 회전각이 균일하다고 생각해보자 그리 . 고 감속비 Nr과 제 엔코더의 회전당펄스수가 보다 큰 최 2 1대 공약수 G를 갖는다고 가정하자 즉 No = GNo1, Nr = GNr1 (No1 > 1) (1)
본 절에서는 감속기 출력축에 부착된 제 엔코더의 펄스 2발생위치와 그 위치에서의 모터 구동축에 부착된 제 엔코 1더 계수치의 관계가 일대일대응이 되는 테이블을 만드는 방법에 관하여 논의한다 대응 관계를 만들기 위하여 일정 . , 회전각 마다 펄스가 발생하되 회전당펄스수를 감속비와 서로소 가 되는 제 엔코더의 디스크를 사용하는 (relative prime) 2방법과 펄스 발생 회전각 간격이 다르게 고안된 제 엔코더 , 2의 디스크를 사용하는 두 가지로 구분한다.
이제 펄스 발생 회전각 간격이 다르게 고안된 제 엔코더 2의 디스크를 사용하여 제 엔코더의 펄스발생위치와 그 위 2치에서의 모터 구동축에 부착된 제 엔코더 계수치의 관계 1가 단사함수가 되도록 만드는 것에 관하여 설명한다.

가설 설정

이하의 논의에서 다음 두 가지를 가정한다 제 엔코더와 . 1제 엔코더는 펄스 발생시 계수치가 으로 리셋되 2 Z(index) 0도록 설정된다고 가정한다 그리고 감속기는 기구적으로 완 . 전하여 이상적으로 동작한다고 가정한다.
앞선 경우와 마찬가지로 가정 가 성 (b), (d) , 1 립하고 제 엔 코더의 펄스발생 회전각은 일정하다고 가정한다 우선 제 . 2엔코더의 펄스발생 회전각이 균일하다고 생각해보자 그리 .
1제 엔코더는 펄스 발생시 계수치가 으로 리셋되 2 Z(index) 0도록 설정된다고 가정한다 그리고 감속기는 기구적으로 완 . 전하여 이상적으로 동작한다고 가정한다.
정리1: 상기 조건하에서 제 엔코더의 펄스발생위치에 대 2응하는 제 엔코더 계수치는 1 .
제 엔코더의 회전당 펄스발생수를 1 Ni, 감속기입력축과 출력축의 회전비율을 Nr : 1, 2 감속기출력축 제 엔코더의 회 전당 발생펄스수를 No라 하자 다음을 가정한다 . .

제안 방법

검출을 위하여 감속기 출력축 엔코더의 한펄스 간격만큼의 회전만 필요하다 감속기출력축엔코더 이하 제 엔코더 . ( 2) 의 상 펄스 발생 순번과 펄스 발생시의 모터구동축엔 A/B 코더 이하 제 엔코더 의 펄스 계수치의 대응 테이블을 만들 ( 1) 어서 제 엔코더 펄스 발생시 제 엔코더의 계수치를 읽어 ,2 1테이블에서 제 엔코더의 발생순번을 확인하여 절대위치를 2알아내는 방식이다 대응 테이블을 만드는 방법으로서 첫째 제 엔코더의 회전당 펄스수와 감속기의 감속비가 서로 , 2소 가 되도록 설정하는 방법과 둘째 일정 회 (relative prime) , 전각에 대하여 제 엔코더의 펄스 발생 간격이 다르게 설정 2하는 방법을 제안한다 제 절에서 실험을 통하여 제안된 . IV 방법의 효용성을 보인다.
회전까지 움직여야한다 큰 범위로 회전하면 안전상의 문제가 발생할 수도 있고 링크간의 간섭에 의해 실제로 회1전이 불가한 상황도 발생한다 한편 참고문헌 는 일반적 . , [4] 인 증분형 엔코더 디스크에 균등한마크 이외에 두 개 열의 마크를 부가하여 절대위치를 파악할 수 있도록 구현하였다 이 방법을 이용하려면 특별히 고안된 광학 검출기가 . 필요하다.
본 절에서는 감속기 출력축에 부착된 제 엔코더의 펄스 2발생위치와 그 위치에서의 모터 구동축에 부착된 제 엔코 1더 계수치의 관계가 일대일대응이 되는 테이블을 만드는 방법에 관하여 논의한다 대응 관계를 만들기 위하여 일정 . , 회전각 마다 펄스가 발생하되 회전당펄스수를 감속비와 서로소 가 되는 제 엔코더의 디스크를 사용하는 (relative prime) 2방법과 펄스 발생 회전각 간격이 다르게 고안된 제 엔코더 , 2의 디스크를 사용하는 두 가지로 구분한다.
3 표 에서 제 엔코더 계수치가 비 1 2 슷한제 엔코더 펄스 순번이 다수 존재하는데 이는 모터축의 흔들림 엔코더 디스크의 편 , 심 등 기구적 불완전성에 기인한다 그. 래서 이러한비슷한 항목을 제거하고 최종 39개 항목을 갖는 테이블을 얻어 적용하였다 실제 적용에서는 제 엔코더 계수치가 테이블에 . 1있는 값과 이내이면 일치하는 것으로 +/-10 .
본 논문 (본 논문은 참고문헌 에 이론을 보강하고 실험 [5]을 추가한것이다 은 인간협업용 로봇에 사용되는 구동 모 ) 듈에 적용하기 위한중공형 엔코더에 관한것으로서 특히 저가의 광학식 증분형 엔코더를 감속기출력축과 모터구동축에 각각 부착하여 감속기 출력축의 절대위치를 검출하는 방법을 제안한다 제안된 방법을 사용하면 초기 절대위치 . 검출을 위하여 감속기 출력축 엔코더의 한펄스 간격만큼의 회전만 필요하다 감속기출력축엔코더 이하 제 엔코더 .
본 논문에서는 두 개의 관절 모듈을 대상으 50W, 300W 로 실험하였다 각 모듈의 형상은 그림 와 같다 . 4, 5 .
2더는 감속기 출력축에 연결되어 로봇관절의 절대위치를 검출하는 데 이용된다 모터 드라이브는 로봇 마스터와 같은 . 상위제어기와 통신으로 연결되어 관절의 토크지령 위치지 , 령 등을 내려 받아 이에 따라 서보 제어를 수행하며 로봇 관절의 현재 위치 토크 등을 올려준다 본 논문에서 로봇 , . 제어기는 필수 구성 요소에 속하지는 않는다.
이상에서 모터구동축과 감속기 출력축에 증분형 엔코더를 각각 설치하여 로봇 관절의 절대위치를 검출하는 방법을 제안하였다 감속기의 감속비와 감속기출력축의 엔코더 펄스수의 관계가 수학적으로 서로소가 되도록 선택하는 방식과 제 엔코더의 디스크를 특수하게 제작하여 제 엔코더 ,2 2펄스발생위치와 제 엔코더 계수치의 관계가 일대일대응이 1되도록 만드는 방식을 제안하였다 액추에이터 . 50W, 300W 를 제작하여 제안된 방식으로 절대위치를 검출하는 실험적 예를 보였다.
절대위치 검출이 정확히 이루어지는지 확인하기 위하여, 먼저 감속기 출력축을 원점에 위치시켜 놓고 감속기 출력 , 축과 연결된 부품 외부기기와 연결하기 위한부품 의 가장 ( ) 자리와 모듈의 하우징 외부에 절대위치 원점에서 해당하는 표식을 각각 해두었다 그런 . , 뒤 전원 투입 후 절대위치 검출 하고나서 절대위치 원점으로 위치제어하여 표시된 원점으로 이동하는가를 육안으로 관찰하였다 초기위치를 임의로 두고 이 과정을 반복하여본 결과 절대위치 검출이 제대로 이루어짐을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

그림 에 보인 바와 같이 본 논문에서 고려하는 액추에 1이터는 감속기 드라이브 엔코더 모터가 일체형으로 된 로 , ,, 봇관절 모듈이다 모터 드라이브가 제 엔코더로부터 모터회 . 1전자의 위치를 검출하여 서보 구동이 이루어진다 제 엔코 .

성능/효과

절대위치 검출이 정확히 이루어지는지 확인하기 위하여, 먼저 감속기 출력축을 원점에 위치시켜 놓고 감속기 출력 , 축과 연결된 부품 외부기기와 연결하기 위한부품 의 가장 ( ) 자리와 모듈의 하우징 외부에 절대위치 원점에서 해당하는 표식을 각각 해두었다 그런 . , 뒤 전원 투입 후 절대위치 검출 하고나서 절대위치 원점으로 위치제어하여 표시된 원점으로 이동하는가를 육안으로 관찰하였다 초기위치를 임의로 두고 이 과정을 반복하여본 결과 절대위치 검출이 제대로 이루어짐을 확인할 수 있었다.
제안된 방법에 의하면 상대적으로 고가인 절대치 엔코 , 더를 대신하여 저렴한증분형 엔코더를 사용함으로써 액추에이터의 제작비용을 낮출 수 있다 전원투입 후 초기 구동 . 시에 출력축 제 엔코더의 펄스 기준위치 를 2 Z( ) 찾을 필요가 없기 때문에 적은 회전으로 쉽게 감속기 출력축의 절대위치를 찾을 수 있어서 펄스를 , Z 찾기 위해 구동기가 큰 회전을 할 때 발생하는 기구부 간의 충돌 및 운전자와의 충돌과 같은 문제를 피할 수 있으므로 안전을 높이는 효과를 가진다 또한제 엔코더 펄스 발생 시 마다 모터구동축 제 .

후속연구

시에 출력축 제 엔코더의 펄스 기준위치 를 2 Z( ) 찾을 필요가 없기 때문에 적은 회전으로 쉽게 감속기 출력축의 절대위치를 찾을 수 있어서 펄스를 , Z 찾기 위해 구동기가 큰 회전을 할 때 발생하는 기구부 간의 충돌 및 운전자와의 충돌과 같은 문제를 피할 수 있으므로 안전을 높이는 효과를 가진다 또한제 엔코더 펄스 발생 시 마다 모터구동축 제 . ,21엔코더 위치가 테이블에 정해진 순서대로 나타나는가를 감시하여 기구적 결함을 진단하는 데도 이용할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액추에이터의 제작비용은 어떻게 낮출 수 있는가?	제안된 방법에 의하면 상대적으로 고가인 절대치 엔코 , 더를 대신하여 저렴한증분형 엔코더를 사용함으로써 액추에이터의 제작비용을 낮출 수 있다 전원투입 후 초기 구동 . 시에 출력축 제 엔코더의 펄스 기준위치 를 2 Z( ) 찾을 필요가 없기 때문에 적은 회전으로 쉽게 감속기 출력축의 절대위치를 찾을 수 있어서 펄스를 , Z 찾기 위해 구동기가 큰 회전을 할 때 발생하는 기구부 간의 충돌 및 운전자와의 충돌과 같은 문제를 피할 수 있으므로 안전을 높이는 효과를 가진다 또한제 엔코더 펄스 발생 시 마다 모터구동축 제 .
	산업용 로봇의 구동 모듈은 어떻게 출력축 위치를 제어하는가?	일반적으로 산업용 로봇의 구동 모듈은 모터의 출력축에 감속기가 부가되어 자체 중량 대비 큰 토크를 발휘하며 로봇을 구성하는 각 관절의 감속기 출력축의 위치를 제어하여 로봇 움직임이 제어된다 감속기 출력축에 회전형 엔코더가 . 부착되어 관절 모듈의 회전각이 직접 검출될 수도 있고 모터 회전축에 엔코더가 부착되어 모듈의 회전각이 간접적으로 검출될 수도 있다 절대치 엔코더는 회전각의 절대치를 .
	협업로봇에게 요구되는 것은?	는 펜스를 없애는 새로운 개념의 로봇으로 인간이 가진 장점과 로봇이 가진 장점을 최대한활용할 수 있다 협업용 . 로봇은 기존의 산업용 로봇이 가지는 성능과 신뢰성에 더하여 케이블의 내재화와 인간과 같이 작업을 하기 위한안 , 전기능이 요구된다 아울러 산업에 적용하기 위해서는 가격 . 적인 경쟁력이 요구된다.

참고문헌 (5)

K. Kosuge, H. Yoshida, D. Taguchi, T. Fukuda, K. Hariki, K. Kanitani, and M. Sakai, "Robot-human collaboration for new robotic applications," Industrial Electronics, Control and Instrumentation, International Conference on, 1994.
P. J. Hinds, T. L. Roberts, and H. Jones, "Whose job is it anyway? a study of human-robot interaction in a collaborative task," Human-Computer Interaction, vol. 19, pp. 151-181, 2004.

상세보기
Trogny Brogardh, "Present and future robot control development-An industrial perspective," Annual Review in Control, vol. 31, pp. 69-79, 2007.

상세보기
R. I. Kibrick and C. R. Delaney, "Encoder for measuring both incremental and absolute positions of moving elements," Pat. No. US4736187, USA, 1988.
J. S. Lim and Y. J. Lee, "Detection method of absolute position of reducer output axis," Pat. No. 10-1461627, Korea, 2014.

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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