강원대학교 공과대학 제어계측공학과 2010년도 제2학기 로봇공학 : 개요 (2) 강원대학교 공과대학 제어계측공학과 2010년도 제2학기

학습 내용 이전시간 학습 목표 학습목표 학습 내용 다양한 로봇 시스템의 소개를 통해 로봇에 흥미를 가진다. 로봇공학 분야에서 사용하고 있는 다양한 용어에 대해 이해한다. 향후 학습할 로봇의 구동 및 해석 방법에 대해 알아본다. 학습 내용 로봇 관련 기술 로봇의 구성요소 로봇의 기능별 분류 로봇의 장단점 로봇 자유도 정확성과 반복정밀성 로봇의 관절 및 분류 로봇의 구조 및 분류 로봇의 동작 방법 로봇의 해석 방법

로봇 기술 구성 로봇 기술 로봇 기술과 타 분야 기술과의 관계 Robot Technology  RT 구성 기술 요소 기계공학 전기전자공학 제어공학 컴퓨터공학 외 로봇 기술과 타 분야 기술과의 관계 IT, BT, NT, ST 각 분야에 생산 기술을 제공 IT, BT, NT, ST 상호간의 인터페이스 및 사람과의 인터페이스 환경을 제공 ※ BT(Bio-Technology), IT(Information-Technology), NT(Nano-Technology), ST(Space-Technology)

로봇의 구성요소 로봇의 3대 구성요소 센서부 : 환경을 인식할 수 있는 부분 제어부 : 인식한 결과에 따라 행위를 만들어 내는 부분 구동부 : 행위를 표현할 장치 부분

로봇의 구성요소 설명 기구부(Manipulator) 말단장치(End –effector) 구동기(Actuator) 링크 및 관절로 구성된 로봇의 몸체 말단장치(End –effector) 로봇의 마지막 관절에 연결된 로봇 손, Gripper 구동기(Actuator) 기구의 근육에 해당 (예: 서보/스텝 모터, 공압/유압 실린더) 전원공급기(Power supply) 로봇 동작에 필요한 에너지 공급장치 - 전기, 유압, 공압 센서(Sensor) 로봇관절의 위치를 제어기에 보냄 potentiometer, encoder, tachometer 제어기(Controller) 센서의 정보를 이용하여 구동기의 동작을 제어함(소뇌) 처리기(Processor) 로봇 관절의 동작과 속도 등을 계산함(두뇌부, 하드웨어 부분) 제어 응용소프트웨어(Software) 실시간으로 로봇 관절 제어 및 기구부의 위치, 속도 제어(두뇌부, 로직 )

로봇의 구성요소 설명 기구부(Manipulator) 인간의 팔과 유사한 동작을 할 수 있도록 링크 기구를 기본으로 함 암, 그리퍼를 구성 하는 작업장치 주요 기능은 팔 끝에서 공구가 원하는 작업을 할 수 있도록 특별한 동작을 제공 사람의 팔과 메니퓰레이터의 구성요소

로봇의 구성요소 설명 말단장치(End –effector) 사람의 손에 해당 로봇의 팔 끝에 달아 사용하는 것으로 사용목적에 따라 EOAT(End Of Arm Tooling) 나 그리퍼(Gripper)라고 부름 여러 종류의 말단장치

로봇의 구성요소 설명 구동기(Actuator) 사람의 근육에 해당하는 것 전원, 공기압원, 유압원 등으로 부터 동력이 공급 로봇에게 동작을 부여하는 모터나 공압, 유압 실린더 등과 같은 구동장치가 있음 회전형 구동기 : 전기모터, 유압모터 병진형 구동기 : 유압 실린더, 공압 실린더, 인공근육 등

로봇의 구성요소 설명 전원공급기(Power supply) 로봇이 작동하는 데 필요한 에너지를 공급하고 조절하는 장치 전기식 : 외부로 부터 공급되는 전원을 필요에 따라 간단히 변형, 이동 편리, 가장 일반적 유압식 : 적정 압력을 얻기 위한 펌프, 여과기, 조절기 등이 필요, 각 로봇마다 독립적인 유압장치 필요 공기압식 : 별도의 시설에서 일정 압력의 압축공기를 만들어 중앙집중 공급식으로 연결관을 통해 공급 동력원의 비교

로봇의 구성요소 설명 제어기(Controller) 로봇 내 여러 곳에 배치된 센서가 검출하는 물리정보나 그 처리신호를 받아 로봇의 실제 움직임과 원하는 움직임이 일치하도록 움직임을 제어하여 출력 구동신호를 주는 장치 비서보(non servo) 제어 : 개루프 (open loop) 시스템 서보(servo) 제어 : 폐루프 (closed loop) 시스템 Controller 제어밸브 開 실린더 로드 작동 리미트 SW 작동 제어밸브 閉 초기화 비서보 제어의 예 비교기 Controller 서보밸브 머니플레이터 작동 F/back 서보 제어의 예

로봇의 구성요소 설명 제어기(Controller) 제어 시스템의 비교

로봇의 기능별 분류 일본 산업 로봇 협회(JIRA, Japanese Industrial Robot Association) Class1: 수동식 처리장치 Class2: 고정식 진행형 로봇 Class3: 가변식 진행형 로봇 Class4: 작업 재생 로봇 Class5: 수치제어 로봇 Class6: 지능형 로봇 미국 로봇 협회(RIA, Robotics Institute of America) Variable Sequence Robot(Class3) Playback Robot(Class4) Numerical Control Robot(Class5) Intelligent Robot(Class6) 프랑스 로봇 협회(AFR, Association Fracaise de Robotique) Type A: 원격제어로봇을 수동으로 동작시키는 처리장치 Type B: 미리 예정된 주기를 가진 자동처리장치 Type C: 프로그램이 가능하며, 연속적 혹은 점대점 경로계획이 가능한 서보 제어 로봇 Type D: 주위 환경 정보를 획득할 수 있는 능력을 가진 것

로봇의 장단점 장점 단점 높은 생산성, 안전성, 효율성, 품질의 일관성을 가능하게 함 위험한 곳에 작업 가능(원자로, 심해, 우주 등) 수명을 다 할 때까지 지속적으로 정확한 작업이 가능함 높은 정밀도를 가짐 다중 업무를 동시 처리 가능 단점 로봇이 인간을 대신함으로 인해 실직 등 각종 사회문제 야기 미리 프로그램 되어 있지 않는 응급상황에 대처할 능력이 없음 특정한 기능에서는 뛰어나나 다음과 같은 능력이 제한됨 자유도 기민함 센서류, 시각시스템, 실시간 응답 가격이 비쌈 장비의 초기 투자, 설치비, 주변장치의 필요성, 장비교육의 필요성, 프로그램의 필요성

로봇의 자유도(1/2) 자유도 DOF : Degree Of Freedom 독립적인 운동의 수 또는 각 링크간 상대 위치의 독립된 운동을 결정하는 변수 전형적인 메니퓰레이터는 6자유도를 가짐 공간적 위치 결정 3자유도 + 공간적 자세 결정 3자유도  6자유도 여자유도 로봇(Redundant robot) 6자유도 이상의 로봇, 높은 기능을 위한 구성 저자유도 로봇(Deficient or limited-DOF robot) 6자유도 미만의 로봇, 경제적 구성 6자유도보다 낮은 자유도  작업공간 내 임의의 방향을 가지고 모든 점에 도달할 수 없음

로봇의 자유도(2/2) 예제 1.1 다음과 같은 기구의 자유도는? 18페이지 – 그림 1-3 평면에서 위치 및 자세를 결정할 수 있는 3개의 독립적 변수 존재 3 자유도 다음과 같은 기구의 자유도는?

로봇의 정확도와 반복정밀도 ? ? ? 정확도(Accuracy) 반복정밀도(Repeatability) 로봇이 작업공간 내의 주어진 점까지 얼마나 가까이 갈 수 있는가의 척도 요구되는 목표점에 로봇의 위치와 방향을 정확하게 놓을 수 있는 로봇의 능력 반복정밀도(Repeatability) 이전에 가르친 점(이동한 점)까지 얼마나 가까이 갈 수 있는가의 척도 로봇이 교시된 위치에 한번 도달한 후에 다시 그 위치로 반복하여 도달시키는 경우에 그전 위치와 얼마나 일치하는가를 나타내는 로봇의 능력 ? ? ?

로봇 관절의 형태 병진관절 or 직선관절(Prismatic Joint) 회전관절(Revolute Joint) 두 링크 사이에 상대적 직선 운동을 하는 관절 공압 또는 유압 실린더 회전관절(Revolute Joint) 두 링크 사이에 상대적인 회전운동을 하는 관절 스텝모터, 서보모터 등과 같이 회전하는 모터

관절 구성에 따른 로봇의 분류 다관절 형상(joint-arm or articulated) 구 형상(spherical) All revolute (Human arm) 3개의 수평 회전축  회전운동 3개(RRR, 3R) 구 형상(spherical) 다관절 형상에서 세 번째 관절을 직선관절로 대체 2개의 회전축과 슬라이드 직선운동 1개와 회전운동 2개 (RRP, 2R1P) SCARA(selective compliance assembly robot arm) 2개의 수직 회전축과 1개의 수직 슬라이드 직선운동 1개와 회전운동 2개(RRP, 2R1P) 원통형(cylindrical) 직선운동 2개와 회전운동 1개(RPP,1R2P) 직교 형상(cartesian/rectangular/gantry) 3개의 직교 직선운동 (PPP, 3P) <직교형> <원통형> <구형> <관절형> <SCARA>

관절 구성에 따른 로봇의 분류 로봇 구조에 따른 작업 영역의 형태

구조에 따른 로봇의 분류 직렬형 로봇(Serial Robot) 병렬형 로봇(Parallel Robot) 개방형 구조  넓은 작업영역 + 높은 작업성 병렬형 로봇(Parallel Robot) 폐루프 구조  매우 강한 강성 + 높은 속도 + 높은 적재하중 혼합형 로봇(Hybrid Robot 직렬형 로봇 구조 + 병렬형 로봇 구조

로봇의 동작 방법 물리적 구성(Physical Setup) PLC (programmable logic controller) • 선행방식 또는 교시방식(Lead Through/ Teach Mode) Teaching Pendant/ Playback, p-to-p • 연속적 기억반복 방식(Continuous Walk-Through Mode) Simultaneous joint-movement • 소프트웨어 방식(Software Mode) Use of feedback information

로봇의 해석 방법 위치해석(Position Analysis) 자코비안 해석(Jacobian Analysis) 정기구학(Forward Kinematics) 주어진 것: 조인트의 각도  찾는 것: End-effector 위치 및 자세 역기구학(Inverse Kinematics) 주어진 것: End-effector 위치 및 자세, 찾는 것: 조인트의 각도 자코비안 해석(Jacobian Analysis) 속도 해석(Velocity Analysis) 정역학 해석(Statics Analysis) 동역학 해석(Dynamics Analysis) 정동역학 해석(Forward Dynamics Analysis) 주어진 것: 로봇에 가해진 힘과 토크, 찾는 것: 로봇의 모션(움직임) 역동역학 해석(Inverse Dynamics Analysis) 주어진 것: 작업 경로(모션), 찾는 것 : 로봇에 필요한 힘과 토크

참고 : 산업용 로봇 시장현황