KR102486112B1 - 이동형 로봇의 구동부 손상감지 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동형 로봇의 구동부에 대한 손상을 감지하는 방법에 있어서: 다양한 모션으로 로봇을 구동하며 토크의 변동에 대응한 진동 데이터를 획득하여 대표값으로 저장하는 제1단계; 로봇의 실제 작업 과정에서 토크센서(25)와 진동센서(35)를 탑재하고 토크의 변동에 대응한 진동 데이터의 실제값을 생성하는 제2단계; 및 대표값과 실제값을 대비하여 그 차이가 설정된 범위를 벗어나면 경보를 발생하는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 로봇의 구동부에 토크센서과 진동센서를 탑재하고 상호 연관성을 기준으로 손상을 판단하여 로봇의 이동시 발생하는 손상으로 유발되는 구동부 기능저하를 방지하는 효과가 있다.

Description

이동형 로봇의 구동부 손상감지 방법{Method for detecting damage on driving part of mobile robot}

본 발명은 로봇의 손상을 감지하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 이동하며 작업하기 위한 로봇의 이동시 발생하는 손상으로 유발되는 기능저하를 방지하는 이동형 로봇의 구동부 손상감지 방법에 관한 것이다.

선박 건조현장에서 이동형 용접로봇이 아직 본격적인 상용화 단계에 있지 않으나 지속적인 관심하에 활발한 연구개발이 진행되면서 양산설계로 진일보하고 있다. 일예로 이동형 용접로봇은 일정 작업공간에서의 용접작업이 끝나면 다음 칸의 U-cell로 이동해야 한다. U-cell 이동 때마다 로봇의 기구부, 특히 모터부가 충격을 받게 되는 점은 해결되어야 하는 설계요소의 하나이다.

통상 현장 작업자들은 로봇의 2, 3축 링크부위를 들어 올리는 경우가 자주 있는데 이러한 경우 모터의 감속기를 파손시키는 주 원인이 된다. 감속기 부분에 실제 손상이 일어난 이후에야 비로소 인지하는 경우가 허다하며, 감속기쪽에 문제가 발생했는지 알아보기 위해 기구부를 분해해야 하는 일이 발생한다. 용접로봇의 감속기 파손은 곧 생산성 저하와 직결되는 문제를 야기시킨다. 즉, 정확한 데이터(신호)를 기반으로 하지 않고 작업자의 직감으로 기구부를 분해 시 생산을 멈추거나 자칫 멀쩡한 기구를 교체하는 문제가 발생할 수도 있다.

이와 관련하여 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 공개특허공보 제2009-0130959호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1495949호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 선박엔진의 진동을 감지하는 센서부와, 상기 센서부에서 감지된 진동신호를 수신하여 고속푸리에변환된 진동데이터로 변환하는 데이터변환부와, 진동데이터 값과 데이터베이스에 저장된 임계값을 비교처리하는 데이터처리부와, 상기 데이터처리부에서 비교처리된 값을 출력하고 출력된 값에 대한 정보를 수정 및 신규입력하는 입출력부를 포함한다.

선행문헌 2는 로봇의 동작 프로그램에 근거하여 생성된 위치 지령에 따라서 모터를 제어하는 모터 드라이버로부터 모터로 출력되는 토크 신호에 대해서, 토크 신호로부터 중력 보상 토크 및 로봇의 다른 축에 의한 간섭력 토크를 제거한 후에 하이 패스 필터를 적용하여, 추출된 감속기의 진동 성분에 의해 감속기의 이상을 판정한다.

선행문헌 1은 선박 엔진에 관련되는 것으로서 진동 감지를 통한 손상 모니터링이므로 로봇에 적용하기 미흡하고, 선행문헌 2는 토크의 변화를 이용하여 진동을 연산하는 방식이므로 작동의 신뢰성을 높이기에 한계성을 드러낸다.

1. 한국 공개특허공보 제2009-0130959호 "선박엔진의 모니터링 시스템 및 그 방법" (공개일자 : 2011.06.30.) 2. 한국 등록특허공보 제1495949호 "감속기의 이상 판정 방법, 이상 판정 장치 및 로봇 시스템" (공개일자 : 2012.03.23.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 로봇의 이동시 발생하는 손상으로 유발되는 구동부 기능저하를 방지하기 위해 토크센서과 진동센서를 탑재하고 상호 연관성을 기준으로 판단하는 이동형 로봇의 구동부 손상감지 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이동형 로봇의 구동부에 대한 손상을 감지하는 방법에 있어서: 다양한 모션으로 로봇을 구동하며 토크의 변동에 대응한 진동 데이터를 획득하여 대표값으로 저장하는 제1단계; 로봇의 실제 작업 과정에서 토크센서와 진동센서를 탑재하고 토크의 변동에 대응한 진동 데이터의 실제값을 생성하는 제2단계; 및 대표값과 실제값을 대비하여 그 차이가 설정된 범위를 벗어나면 경보를 발생하는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제2단계는 6축 다관절 로봇의 경우 2축과 3축의 구동축부에 토크센서와 진동센서를 탑재하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제3단계는 설정치를 초과하는 토크 증가율이 발생하는 순간에 실제값과 대표값을 대비하여 이상 상태를 판단하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제3단계는 이상 상태가 설정된 시간 이상으로 지속되는 경우 로봇의 구동부에 대한 손상으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 제3단계는 로봇의 특정 모션에서 토크가 설정치 이상으로 증대하는 것을 판단하는 과정을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 로봇의 구동부에 토크센서과 진동센서를 탑재하고 상호 연관성을 기준으로 손상을 판단하여 로봇의 이동시 발생하는 손상으로 유발되는 구동부 기능저하를 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 적용하기 위한 로봇을 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 제어부의 주요 작동을 예시하는 플로우차트
도 3은 본 발명에 따른 제어부가 활용하는 데이터를 나타내는 도표

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 이동형 로봇의 구동부에 대한 손상을 감지하는 방법에 관하여 제안한다. 로봇은 본체부(10) 상에 다수의 아암이 구동축부(20)를 이용하여 연결되고 내부에는 서보드라이버(30)를 수용하는 구조이다. 구동축부(20)는 구동부는 감속기와 모터를 구비하고 아암의 관절운동을 수행한다. 서보드라이버(30)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 지닌 마이컴 회로로 구성된다. 이동형 로봇은 본체부(10)에 손잡이를 구비하고 작업자 1-2인이 운반 가능한 구조이다. 작업자는 교시조작기(50)을 이용해 로봇을 조작하며, 로봇의 모션을 계획하고 궤적을 계산하는 일련의 작업은 제어부(100)에서 수행된다.

본 발명에 따른 제1단계는 다양한 모션으로 로봇을 구동하며 토크의 변동에 대응한 진동 데이터를 획득하여 대표값으로 저장하는 과정으로 진행된다. 제1단계는 도 2(a)에 예시되는 것으로서, 로봇의 출하전에 테스트 장비를 갖춘 제조현장에서 수행된다. 용접과 관련된 로봇의 모션은 크게 하향, 수평, 직립, 상향으로 구분되고, 각각의 대분류 모션은 세부적인 소분류 모션으로 구분할 수 있다. 가장 심플한 방법은 모션과 무관하게 토크의 값에 대응하는 진동 데이터를 획득하는 것이다. 즉, 로봇을 정상적으로 동작시키면서 각 축 모터 동작시의 자코비안(Jacobian) 수식으로 토크를 구한 뒤 이 값에 해당하는 진동센서(Vibration Sensor) 값을 실제 로봇구동을 통해 생성한다. 생성된 실측값은 필터링을 거친 후에 연산을 거쳐 평균값에 해당하는 대표값으로 제어부(100)의 저장장치에 저장한다.

본 발명에 따른 제2단계는 로봇의 실제 작업 과정에서 토크센서(25)와 진동센서(35)를 탑재하고 토크의 변동에 대응한 진동 데이터의 실제값을 생성하는 과정으로 진행된다. 도 2(b)에 예시되는 제2단계 이후는 제1단계의 테이터를 제어부(100)에 탑재한 로봇이 작업현장에 투입된 이후에 수행된다.

이때의 로봇은 구동축부(20)에 토크센서(25)와 진동센서(35)를 탑재하고 서보드라이버(30)의 출력인터페이스로 연결한 상태이다. 실제 작업과정에서 로봇이 구동하는 동안 토크와 진동 데이터를 실제값으로 생성하여 입력한다. 물론 이 과정에서도 제어부(100)는 입력되는 신호에서 노이즈를 제거하는 필터링 처리를 거친다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제2단계는 6축 다관절 로봇의 경우 2축과 3축의 구동축부(20)에 토크센서(25)와 진동센서(35)를 탑재하는 것을 특징으로 한다. 선박과 관련된 용접에 있어서 이동형 6축 다관절 로봇이 용접자동화에 적합한 것으로 실증된다. 다만 작업자가 로봇을 파지하고 이동하는 경우 주로 2축과 3축에서 많은 하중을 받아 처짐 등의 손상이 유발되기 쉽다. 이에 축과 3축의 구동축부(20)에 토크센서(25)와 진동센서(35)를 탑재하지만 반드시 이에 국한되지 않고 로봇의 제원에 따라 다른 축에도 동일한 방식으로 설치할 수 있다.

본 발명에 따른 제3단계는 대표값과 실제값을 대비하여 그 차이가 설정된 범위를 벗어나면 경보를 발생하는 과정으로 진행된다. 제어부(100)는 대표값과 실제값의 차이가 현저하게 발생하면 사용자에게 경고를 보내어 점검, 보수, 정비가 제공되도록 한다. 이러한 유지ㆍ보수 상태를 사전에 경보로 제공하면 공정에 차질을 주지 않아 생산성 저하 문제를 해결한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제3단계는 설정치를 초과하는 토크 증가율이 발생하는 순간에 실제값과 대표값을 대비하여 이상 상태를 판단하는 것을 특징으로 한다. 도 3에 나타내는 것처럼 작업 과정에서 로봇의 토크센서(25)와 진동센서(35)로부터 입력되는 신호는 큰 주기와 짧은 주기로 반복되면서 변화된다. 만일 도표의 우측과 같이 어느 순간에 토크 증가율이 설정치(비율) 이상으로 급격하게 증가하면 실제값과 대표값의 대비를 수행한다. 이는 해당 로봇의 제1단계에서 이미 테스트되어 메모리에 저장된 고유의 설정치를 기준으로 한다.

이때, 상기 제3단계는 이상 상태가 설정된 시간 이상으로 지속되는 경우 로봇의 구동부에 대한 손상으로 판단하는 것을 특징으로 한다. 만일 토크의 증가가 구동축부(20)의 손상에 의한 것이 아니고 일시적 외란에 의한 것이라면 경보를 발생하지 않아야 한다. 이에, 실제값과 대표값의 현격한 차이가 설정된 시간 이상으로 지속되어야 구동부의 감속기 등에 손상이 발생한 것으로 판단한다. 물론 이러한 시간도 해당 로봇의 제1단계에서 이미 테스트되어 메모리에 저장된 고유의 설정치를 기준으로 한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 제3단계는 로봇의 특정 모션에서 토크가 설정치 이상으로 증대하는 것을 판단하는 과정을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 반복된 작업에 있어서 로봇의 모션은 정해진 수로 구분되므로 제1단계에서 이러한 모션에 대응한 값을 룩업테이블로 저장한다. 제2단계 및 제3단계는 전술한 동일한 방식으로 진행하지만 제3단계에서 룩업테이블을 기준으로 과도한 토크와 진동을 검출할 수도 있다. 이와 같이 하면 로봇의 구동부 손상을 판단하는 작동의 신뢰성을 높이고 연산처리의 속도도 향상할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 로봇 구동부의 감속기 상태를 계속적으로 모니터링 하므로서 로봇의 생산성에 영향을 주지 않고 정상작업이 없는 시간을 이용하여 로봇의 유지/보수 작업이 가능케 한다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 본체부 20: 구동축부
25: 토크센서 30: 서보드라이버
35: 진동센서 50: 교시조작기
100: 제어부

Claims (5)

1. 이동형 로봇의 구동부에 대한 손상을 감지하는 방법에 있어서:
   다양한 모션으로 로봇을 구동하며 토크의 변동에 대응한 진동 데이터를 획득하여 대표값으로 저장하는 제1단계;
   로봇의 실제 작업 과정에서 토크센서(25)와 진동센서(35)를 탑재하고 토크의 변동에 대응한 진동 데이터의 실제값을 생성하는 제2단계; 및
   대표값과 실제값을 대비하여 그 차이가 설정된 범위를 벗어나면 경보를 발생하는 제3단계;를 포함하되,
   상기 제3단계는 설정치를 초과하는 토크 증가율이 발생하는 순간에 실제값과 대표값을 대비하여 이상 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 이동형 로봇의 구동부 손상감지 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2단계는 6축 다관절 로봇의 경우 2축과 3축의 구동축부(20)에 토크센서(25)와 진동센서(35)를 탑재하는 것을 특징으로 하는 이동형 로봇의 구동부 손상감지 방법.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제3단계는 이상 상태가 설정된 시간 이상으로 지속되는 경우 로봇의 구동부에 대한 손상으로 판단하는 것을 특징으로 하는 이동형 로봇의 구동부 손상감지 방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제3단계는 로봇의 특정 모션에서 토크가 설정치 이상으로 증대하는 것을 판단하는 과정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이동형 로봇의 구동부 손상감지 방법.

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