Collaborative Robot

사람과 밀착하여 작업하도록 설계된 협동 로봇이 공장 생산 현장에서 보편화되고 있습니다. 이러한 로봇은 사람과 로봇이 함께 일하는 환경에서 정밀하고 빠른 속도로 고정밀 작업을 수행하는 데 완벽하게 적합합니다. 이러한 로봇은 카메라, 힘 센서 및 기타 감지 요소를 사용하여 사람의 존재를 감지하고 그에 따라 반응하며 때로는 완전히 정지하여 사람의 부상을 방지합니다. 이러한 로봇은 일반적으로 무거운 자재를 들어 올리거나 용접 또는 페인트칠과 같은 무거운 작업을 수행하기보다는 작은 부품을 고도로 민첩하게 다루고 가전제품 조립과 같은 작업을 지원하도록 설계되었습니다. 일반적인 협동 로봇 구조는 비교적 작고 가볍지만 최대 100kg의 비교적 무거운 하중을 들어 올릴 수 있는 능력을 갖추고 있습니다.

로봇은 고성능의 민첩성과 함께 이전 세대의 중공업 로봇에서는 상상할 수 없었던 부품이 올바르게 조립되고 정밀하게 구성되었는지 감지하는 능력도 갖춰야 합니다. 구형 공장용 6관절 로봇은 일반적으로 무거운 팔을 상당한 힘으로 움직여 접근하는 사람에게 심각한 부상을 입힐 수 있습니다.

차세대 로봇에는 관절, 즉 자유도가 추가되었습니다. 기존의 6자유도(6-DOF) 로봇에 비해 7관절(7-DOF) 로봇은 팔을 여러 방향으로 특정 부위로 뻗을 수 있어 사람과의 충돌을 피하면서도 작업을 계속할 수 있습니다. 또한 운동학적 중복성은 장애물을 쉽게 관리할 수 있기 때문에 좁은 공간에서 여러 대의 로봇을 작동하는 데 매우 유용합니다.

이 로봇의 또 다른 특징은 힘 감지, 제어 및 제한 기능입니다. 로봇은 아주 작은 외력을 감지하고 반응하여 충돌을 방지할 수 있습니다. 어떤 경우에는 모터 기어 박스 뒤에 위치한 힘 센서를 사용하여 외부 힘의 급격한 증가를 감지하고, 다른 경우에는 로봇이 짐을 들어 올리고 한 위치에서 다른 위치로 이동하는 데 필요한 힘의 양을 파악합니다. 충돌과 같이 이동에 필요한 토크의 증가를 인식하면 로봇은 멈춥니다. 충돌 감지 및 회피를 위한 또 다른 기능은 물체 또는 사람과의 예기치 않은 접촉이 감지되면 제어 모드를 유연하지 않은 최고 속도 모드(예: CSP-순환 동기 위치 또는 CSV-순환 동기 속도)에서 토크 모드(CST-순환 동기 토크)로 변경할 수 있는 기능입니다. 부드럽고 규정을 준수하는 CST 모드에서는 로봇을 사람의 손으로 쉽게 밀어낼 수 있습니다. 로봇을 무장시켜 접촉을 감지하면 자동으로 규정 준수 모드로 전환하거나 무장을 해제하여 최고 속도로 유연성 모드로 실행할 수 있습니다.

또 다른 중요한 모드는 티치 모드로, 이 모드에서는 작업자가 로봇을 원하는 위치로 이동시키는 동안 Elmo 컨트롤러가 작동 모드에서 향후 궤적을 위해 이 위치를 기록합니다. 주목해야 할 점은 티칭 과정에서 놀라운 감도와 해상도 정확도입니다. 더욱 놀라운 점은 기능의 단순성과 프로그래밍 경험이 없어도 대부분의 작업을 수행할 수 있다는 사실입니다.

이 까다로운 작업을 위해 Elmo초소형, 강력한 Ethercat Gold 서보 드라이브가 선택되었습니다. 이 드라이브는 로봇 조인트에 직접 장착되어 로봇의 작은 크기와 컴팩트함을 유지하는 데 완벽한 선택이었습니다. 두 개의 강력한 초소형 Gold SOLO GUITAR 드라이브는 로봇의 전체 기계 구조를 지탱하는 두 개의 베이스 조인트 모터를 구동하는 데 사용되었습니다. 50A의 연속 전류와 최대 100A의 높은 피크 전류로 모터를 구동할 수 있어 필요한 고속, 가속 및 감속 작동 속도에 도달할 수 있었습니다. 미니어처 5종 추가 Gold SOLO WHISTLE 20A의 연속 전류와 최대 40A의 피크 전류를 구동할 수 있는 소형 골드 솔로 휘슬 드라이브 5개를 추가로 사용하여 5개의 로봇 관절을 작동시켰습니다. 시스템의 각 드라이브는 최대 속도, 가속 및 감속 속도로 작동하면서도 매우 높은 정확도와 정밀도로 저속으로 작동해야 했습니다. 동일한 드라이브를 사용하여 이러한 정반대의 작동이 가능한 것은 드라이브의 탁월한 1:2000 동적 전류 범위와 매우 넓은 대역폭 응답 덕분입니다.

로봇 조인트에 직접 장착할 수 있을 정도로 물리적 설치 공간이 충분히 작은 드라이브가 이러한 복잡한 프로젝트에 적합한 유일한 옵션이었습니다. 드라이브를 서보 피드백에 가깝게 배치함으로써 케이블을 최소화하고, 외부 노이즈의 영향을 최소화하고, EMI 및 RFI를 낮추며, 시스템의 안정성을 전반적으로 크게 향상시킬 수 있었습니다. 로봇 조인트 내 통합을 촉진한 또 다른 드라이브 특성은 타고난 견고함과 각 조인트 내의 높은 기계적 가속 및 감속 속도를 견딜 수 있는 능력입니다.

Elmo고도로 발전되었지만 사용이 간편한 구성 도구인 EASII("모든 것을 대신 해주는" 도구)는 네트워크의 각 개별 드라이브를 최고 수준으로 조정하여 서보 성능을 최적화하는 데 도움을 주었습니다. 기계 구조의 결함을 극복하기 위해 고차 필터를 사용하는 시스템 식별 및 적절한 컨트롤러 설계는 시스템을 가능한 최고의 서보 성능으로 끌어올리기 위해 구현된 도구 중 일부에 불과했습니다.

또한 여러 축 간의 교차 효과를 제거하기 위해 특수 위치 게인 스케줄링과 함께 단순화된 고급 식별 방법을 사용하는 다중 축 식별이 구현되었습니다. 이 외에도 이 애플리케이션에는 가능한 한 가장 높은 대역폭과 빠른 응답 시간으로 시스템을 작동하고 동시에 높은 마진으로 안정적이고 원활한 로봇 작동을 유지하기 위해 많은 기능이 사용되었습니다.

시스템의 각 축은 듀얼 루프 서보 제어 아키텍처로 작동하여 기어 박스 후 시스템의 위치 정확도를 높입니다. 기어 박스 이전의 내부 속도 제어 루프는 디지털 홀 센서와 함께 인크리멘탈 엔코더로 이중 루프 제어를 닫고, 외부 위치 제어는 19비트 고해상도 절대 피드백을 사용하는 것은 모든 Elmo Gold 드라이브에서 표준 기능으로 제공되는 다중 교차 피드백 연결 옵션 중 하나에 불과합니다. 이중 루프 구조는 로컬 서보 작동을 최고로 최적화하여 성능을 향상시켰습니다. 간단한 고객 연결을 위해 시스템의 각 핀 기반 드라이브에는 통합 SOLO 보드가 함께 제공되었습니다. SOLO 보드는 간단한 EtherCAT, I/O 및 피드백 연결을 허용하여 고객이 간단하게 연결하고 통합할 수 있습니다.

전체 시스템을 제어하는 것은 Elmo고급 multi axis controllerPlatinum Maestro (P-MAS)를 통해 실시간 결정론적 직렬 이더캣 네트워킹을 통해 16개 축을 250us의 사이클 타임으로 완전히 동기화합니다(완전 제어 축 8개로 100us 사이클 타임까지 가능). 데카르트, SCARA, 3-링크, 델타 등의 메커니즘을 통해 P-MAS를 사용하여 광범위한 내장 로봇 운동학을 지원하는 Elmo입증된 능력은 모든 로봇 문제에 쉽게 답할 수 있게 해줍니다.

내장된 키네마틱 지원은 테이블, 컨베이어 및 기타 외부 장비를 회전시키기 위해 완벽한 동기화를 통해 MCS(기계 좌표 시스템) 또는 PCS(제품 좌표 시스템)에서 작동합니다. 또한 P-MAS에는 사용자 애플리케이션을 위한 특수 실시간 코드 섹션이 있습니다. 이 특수 코드 섹션을 통해 로봇 개발자는 자신만의 특정 로봇 운동 방정식을 작성할 수 있으므로 P-MAS는 사용자가 자신만의 특정 운동학을 구현할 수 있는 현재 사용 가능한 모든 고급 로봇 유형을 제한 없이 지원할 수 있습니다.

최신 4코어의 강력한 프로세서를 기반으로 하는 P-MAS는 250µ초의 네트워크 주기 시간 내에 로봇 운동학 및 역 운동학을 실시간으로 계산해야 하는 이러한 종류의 애플리케이션에 필수적입니다. 사용자 입력 실시간 섹션에서 구현된 운동 방정식은 시스템의 모든 축의 목표 위치/속도 또는 토크를 계산하여 각 EtherCAT 사이클에서 출력합니다. DS-402 주기적 동기 모드 중 하나로 시스템을 작동하는 것은 Elmo모든 EtherCAT 호환 서보 드라이브에 내장된 표준 작동 방식입니다. P-MAS와 호스트 컴퓨터, PLC 또는 HMI 간의 다양한 표준화 및 독점 통신 프로토콜을 통해 터치 패널, 티치 펜던트, PLC, 컴퓨터 등과 같은 타사 요소와 빠르고 간단하게 통신할 수 있습니다.

이더넷, TCP/IP, 모드버스 및 이더넷/IP와 같은 UDP 고속 바이너리 프로토콜과 같은 호스트 통신 기능을 통해 시스템의 거의 모든 상위 호스트와 간단하고 빠르고 효과적으로 통신할 수 있습니다. 로봇 작동은 두 가지 주요 모드로 나뉘는데, 첫 번째는 작동 티칭 모드이고 두 번째는 작업 모드입니다. 티칭 모드에서는 작업자가 원하는 경로 궤적을 따라 로봇을 주요 위치 지점으로 물리적으로 이동시킵니다.

다축 컨트롤러는 작업 모드에서 전체 궤적 동작을 반복하기 위해 관련 위치 지점을 기록합니다. 드라이버는 이 모드에서 순환 동기 토크(CST) 작동 모드에서 작동합니다. 다축 컨트롤러는 토크 명령 외에도 중력 및 로봇 동역학과 같은 저항 요소를 극복하고 원활한 드래그 프로세스를 유지하기 위해 추가 보상 전류(토크)를 출력합니다. 이러한 복잡한 로봇 솔루션의 하이라이트 중 하나는 프로그래밍 경험이나 기술이 전혀 없어도 대부분의 작업을 수행할 수 있는 비프로그래머를 위한 교육 과정의 구현이 간단하다는 점입니다.

두 번째 작동 모드는 multi axis controller 로봇의 운동학 모델(DH 행렬의 역 운동학 해법)에 따라 7개의 목표 위치/속도를 계산하고 필요한 경우 동적 모델에 기반한 토크 보상을 총 출력 토크에 추가하는 작업 모드입니다. 드라이버는 목표 위치/속도 명령과 토크 오프셋 명령을 수신하여 주기적 동기 위치(CSP) 또는 주기적 동기 속도(CSV) 작동 모드에서 작동합니다.