산업용 로봇의 동적 모델링 및 오프라인 제어에 관한 연구 = A Study on Dynamic Modeling and Off-Line Control of Industrial Robot

국문 초록 (Abstract)

대부분의 로봇에 의한 자동화 교시작업이나, 변경된 시스템의 성능실험은 온라인 방식으로 수행되는 실정이어서, 현재 로봇을 통한 무인 FA는 빈번한 작업환경 변화에 경쟁력 있게 대처하기보다는 오히려 시간과 인력을 더욱 소모하는 문제점으로 대두되고 있다. 더욱이, 작업의 빈번한 변화에도 적응할 수 있는 숙련된 기능공은 이전의 국내 사정과 달리 상당한 임금을 요구하고, 이로 인하여 각 기업을 중심으로 생산성 향상을 위한 로봇의 도입을 통한 공장 자동화가 산업 전반에 걸쳐 진행되어 오고 있다. 유동적으로 변화하는 작업환경에 유연하게 대처하기 위해 외부 환경변화 및 외란에 유연한 로봇의 오프라인 제어가 필요하다. 또한, 보다 간편하고 안전하게 로봇의 작업을 교시할 수 있고, 로봇의 다양한 정보를 보다 손쉽게 사용자에게 전달할 수 있는 사용자 인터페이스를 갖추어 작업의 변화에 신속하게 대응할 수 있는 로봇 제어시스템이 요구되고 있다. 현재 로봇을 통한 교시작업은 온라인 방식으로 교시되고 있으므로 공정제어 방법은 대부분 주어진 조건에 따른 성능 실험을 하기 위해서는 별도의 개발라인이 요구되고 있으므로, 작업경험이 풍부한 전문가에 의하여 교시 및 성능 실험이 수행되어야 한다. 따라서 프로그래밍을 위해서는 전체 시스템이 정지되어야 하며, 로봇의 동작 오차에 의한 작업공정의 오작동으로 사고가 생길 위험성을 초래한다. 이러한 문제점은 실제 작업과 유사한 환경을 오프라인 제어를 통하여 해결될 수 있다. 오프라인 제어 시스템은 컴퓨터 그래픽의 방법에 의하여 충분히 확장된 로봇 프로그래밍 언어로서 로봇에 직접 접근하지 않고도 로봇 프로그램을 개발할 수 있는 시스템을 지칭한다. 그러므로 오프라인 프로그래밍 시스템을 이용하면 로봇의 가동 중에도 동적 시뮬레이션이 가능하며, 작업교시, 궤적계획, 제어 알고리즘 등의 개발 및 성능평가를 소프트웨어로 수행할 수 있다. 따라서 오프라인(Off-Line)방식으로 교시와 성능실험을 수행하면 생산라인의 작업 중단도 방지할 수 있고, 동시에 작업에의 적용과 성능평가도 용이하게 된다.
현재 대부분의 오프라인 제어 시스템은 그래픽 유저 인터페이스(Graphic User Interface)가 지원 가능하도록 만들어지는 추세이며, 지금까지 개발된 대부분의 오프라인 프로그래밍 시스템은 워크스테이션에서 운용되어야 하고, 고가인 관계로 아직까지 보편화되지 못한 상태이다.
본 연구에서는 로봇에 대한 3차원 그래픽 시뮬레이터인 오프라인 프로그래밍 시스템을 현재 일반 PC의 OS인 마이크로소프트사의 Windows XP 버전으로 개발한다. 전용 로봇 모델을 설계하고, 이 로봇에 대한 정기구학, 역기구학 해석을 프로그램에 해석하였으며, 로봇의 동역학적 모델링을 수행하여 오프라인 프로그램에서 모의 성능 실험이 가능하게 하였다.
본 연구에서 개발된 프로그램은 편리한 사용자 인터페이스를 위하여 다양한 그래픽적 기능들을 보유하고 있다. 이러한 기능들을 위해서는 3차원적 데이터베이스의 구축 및 그래픽적 알고리즘의 구축이 필요하게 된다. 특히, 본 시뮬레이터는 PC에서 운용될 수 있도록 설계된다. 그래픽을 이용한 시뮬레이터의 경우 가장 빈번히 사용되는 기능중의 하나가 시각위치 변경기능이므로 본 연구에서는 보다 편리하게 시각위치를 변경할 수 있는 기능을 갖추었다.
오프라인 프로그램내의 로봇과 다른 물체들에 대해 은선, 은면을 제거하고 음영 처리한 결과는 와이어 프레임으로 물체를 표현한 그림들에 비해 상당히 현실감을 높일 수 있음을 알 수 있다. 그러나 처리속도의 저하로 인하여 은선, 은면 제거와 음영처리된 상태로서 실시간 처리는 힘든 상황이므로, 사용자가 한 화면을 지정하여 음영 처리된 화면을 볼 수 있도록 프로그램이 구성되어 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The equipment of industrial robot in manufacturing and assembly lines has rapidly increased. In order to achieve high productivity and flexibility, it becomes very important to develop the visual feedback control system with Off-Line Programming System(OLPS). We can save much efforts and time in adjusting robots to newly defined workcells by using OLPS. A proposed visual calibration scheme is based on position-based visual feedback. The calibration program firstly generates predicted images of objects in an assumed end-effector position. The process to generate predicted images consists of projection to screen-coordinates, visible range test, and construction of simple silhouette figures. Then, camera images acquired are compared with predicted ones for updating position and orientation data. Computation of error is very simple because the scheme is based on perspective projection, which can be also expanded to experimental results. Computation time can be extremely reduced because the proposed method does not require the precise calculation of tree-dimensional object data and image Jacobian.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약
• 제 1 장 서 론 = 1
• 1.1 연구 배경 = 1
• 1.2 연구 내용 및 목적 = 2
• 제 2 장 다관절 로봇의 운동학적 해석 = 5
• 2.1 매니퓰레이터의 운동학적 모델링 = 5
• 2.2 다관절 로봇의 운동학적 해석 = 15
• 2.3 로봇매니퓰레이터의 선형제어알고리즘 개발 = 36
• 제 3 장 다관절 로봇 제어기(H/W) 구조 설계
• 3.1 다축 로봇제어기 구조설계 = 46
• 3.2 관절제어기 구조 설계 = 50
• 3.3 PC와 관절제어기간의 인터페이스 = 51
• 3.4 제어시스템의 통신 = 53
• 제 4 장 오프라인 제어 동적 시뮬레이터 개발
• 4.1 오프라인 프로그래밍 시스템 구성 = 59
• 4.2 3차원 그래픽 동적시뮬레이터 개발 = 70
• 4.3 오프라인 제어 동적 시뮬레이터의 성능시험 = 94
• 제 5 장 결론 = 101