Robot Manipulator and Underwater Robot Application 3주차 3-1 Robot Kinematics Introduction

Robot Manipulator 종류

Open loop manipulator(Serial robot manipulator)

Open loop Manipulator라고 하면 위에 보이는 그림처럼 로봇들이 사람의 팔과 같이 하나하나하나 연속해서 serial과 같이 open loop로 연결되어 있는 Manipulator을 지칭합니다.

Open loop Manipulator 장점

Open loop Manipulator 단점

Parallel robot manipulator

Parallel robot manipulator 같은 경우에는 각각의 어떤 로봇의 지지체, 구동부를 여러 로봇의 어떤 다리들이 연속적으로, 평행하게 받쳐주면서 구동하도록 하는 로봇을 말한다.

Parallel robot manipulator 장점

Parallel robot manipulator 단점

기구학(Kinematics)

직렬형, 병렬형 로봇 매니퓰레이터에 있어서 각각의 링크가 각각의 조인트가 구동됨에 따라서, 끝점, 내가 원하는 어떠한 로봇 팔의 끝점, 작업하는 점이 어떻게 움직이는지에 대한 위치, 속도, 가속도의 측면에서 해석하는 것을 기구학이라고 부릅니다.

역기구학(Inverse Kinematics)

Inverse Kinematics, 즉 역기구학이라고 하는 것은, 끝점이 이렇게 움직이기 위해서 각각의 관절들을 어떻게 구동시켜야 되는지에 대한 해석을 하는 것들을 Inverse Kinematics라고 합니다.

관절(Joints)의 종류

회전형 관절(Revolute)

모터 하나를 가지고 이러한 회전형 Joint를 구동하는 방식으로 많이 이루어집니다

직선형 관절(Prismatic)

유압 actuator에서 가장 많이 사용된다.

회전 및 직선형 관절(Cylindrical)

Universal & Spherical

구동기의 종류

기구학 해석

기구학을 해석하는 데에 있어서 또 한가지 알아볼 필요가 있는 것은 어떻게 조인트들의 움직임을 로봇에서 구현할 수 있는지 또는 알아낼 수 있는지에 대한 것들을 살펴보는 것이다.

이 관절들이 얼마만큼 구동되는지 알아야 순기구학, 즉 끝점이 어딘지를 알아낼 수 있기 때문에, 이러한 관절들의 움직임을 정확하게 측정할 필요가 있습니다.

관절 각도 측정(Sensing angular displacement of a joint)

Resolver, RVDT

대표적인 관절각도 측정 장치로는 Resolver, RVDT가 있고 모터가 돌아갈 때 일종의 발전의 원리로서

모터가 빨리 돌아가거나, 아니면 어느 정도의 위치에 돌아갔을 경우에 그 값을 그 전류값을 통해서 모터가 얼마만큼 돌아가는지를 측정하는 방식의 어떤 센서가 되겠습니다.

Potentiometer, Rotary Encoder

거의 모든, 여러분들이 모터를 사용하는 어떤 어플리케이션이라고 생각한다면, 거의 모든 관절에는 Rotary Encoder가 포함되어 있다고 보면 되겠습니다.

Optical Encoder

위에 나오는 그림처럼, 이렇게 Encoder 같은 경우에는 얇은 판에 구멍이 뚫려있고, 그 구멍 주변을 중심으로 앞뒤로, 한쪽에서는 발광, 한쪽에서는 수광하는 센서장치가 놓여있게 됩니다. 그래서, 발광하는 센서를 통해서, 만약에 모터가 돌아가게 되면, 많은 구멍이 뚫려 있는 판이 돌아가면서, 빛이 들어왔다, 안 들어왔다를 반복하게 됩니다.

이렇게 빛이 들어왔다가, 안 들어왔다를 반복하는 그러한 판에,
보통 2가지의 신호를 받을 수 있도록, 2개의 구멍을 팠을 때, 보통 A상과 B상, 즉 A시그널과 B시그널을 약 90도 간격으로 어긋나게 배치함으로서,
어느 쪽 엣지가 먼저 신호가 발생하는 지를 판단해서, 방향을 읽어낼 수 있고,
그리고 더 정밀하게, 즉 막혀있는 구멍이 100개, 뚫려있는 구멍이 100개라고 한다면, 전체적으로 총 200번으로 전체 구간을 나눌 수 있을 겁니다.
그런데, A와 B처럼 이렇게 약간씩 어긋나서, 0과 1이 반복되는 것을 어긋나게 했을 경우에는 A와 B의 각각에 대한 값들에 대한 조합으로,
100개의 구멍이 있다고 했을 때, 총 400번으로 1바퀴를 나눠볼 수가 있을 겁니다.
그렇기 때문에, Optical encoder를 통해서, 이러한 방식으로 모터가 돌아감으로서, 얼마만큼 돌아가는지를 측정할 수 있게 되는 것이죠.

Optical Encoder의 종류

가장 많이 쓰는 것은, 증분령, 즉 Incremental Rotary Encoder 입니다.

Incremental Rotary Encoder는 전기가 입력되는 순간, 즉 모터와 Encoder의 외부에서의 어떤 전원이 인가되는 순간부터 측정을 시작하게 됩니다.

즉 전원이 인가되는 순간부터, 내가 어떤 방향으로, 앞인지 뒤인지, 몇번의 펄스가 뛰었는지를 측정해서,
내가 앞으로 얼마만큼, 뒤로 얼마만큼 돌았다는 것을 측정하는 방식이, 바로 Incremental Rotary Encoder 방식이 되겠습니다

Absolute 방식의 경우 전원을 인가하는 순간, 그 순간은 일반적인 Incremental Rotary Encoder 방식의 경우에는 2개의 구멍만이 파여 있는데, Absolute 방식의 경우에는, 필요에 따라서, 보통은 5개 이상, 5개~6개의 층으로 나누어진, 구멍이 뚫린 판으로 이루어져 있습니다. 위의 그림처럼, 이렇게 뚫려 있을 경우에는, 내가 어느 위치에 딱 존재하는지를 바로 알아낼 수 있는, 즉 이 구멍의 조합으로서, 5개 이상, 또는 많게는 10개까지, 이러한 구멍의 조합이 나타나게 되면, 그 조합에 의해서, 내 위치를 정확하게 알아낼 수 있다, 라는 그런 장점을 가지고 있습니다.

Absolute Encoder, Incremental Rotary Encoder의 장단점

Absolute Encoder가 훨씬 더 사용하기가 편하다는 생각을 할 수 있지만 Incremental Rotary Encoder를 더 많이 사용한다.

Absolute Encoder 같은 경우에는, 그 편리성, 즉 순간 내가 어느 위치에 있는지를 정확하게 알 수 있다는 장점을 가지고 있지만, 반면에 10개의 구멍, 11개의 구멍, 12개의 구멍을 가지고 정확하게 알아내기 위해서, 즉 정밀하게 하기 위해서는, 그 구멍들의 개수가 늘어나야 할 텐데, 늘어나는 순간, 그 구멍들의 정보들을 전부 다 전달받아야 합니다.
그렇기 때문에, 10개, 11개, 12개, 13개, 늘어나는 만큼, 신호 시그널을 받아내기 위한 선들의 숫자가 증가하게 되는 것이죠.
즉 선이 굉장히 많이 필요하게 됩니다.

13개, 14개의 선의 경우, 보통 로봇을 만들기 위해 6개 이상의 모터를 사용하는데, 그 로봇의 6개의 모터를, 전부 다 이런 식으로 12개 이상의 선을 사용한다면, 로봇이 선으로 뒤범벅이 될 수밖에 없습니다.

두번째로는, 정밀도를 높이는 데에 있어서, 구멍의 수를, 10개, 12개, 13개, 14개 이렇게 증가시켜나가는 것인데, 이렇게 계속해서 무한정 늘려나가는 것은 어려움이 많습니다.

Incremental Rotary Encoder는 전기가 딱 가해지는 순간부터 측정이 가능하다는 것 외에는, 전기가 가해지는 순간부터, 보통 몇 바퀴 돌아가는지에 대한 것들을 구멍의 개수만큼으로 측정할 수 있습니다.

구멍을 조금 작게 뚫는 것들은, 요즘에 많은 정밀 가공 기술들로 인해서 그렇게 비교적, 구멍의 종류를 늘리는 것들에 비해서, 조금 더 쉬운 일입니다. 그래서 정밀도를 증가시키기 위해서는, 이 구멍의 개수를 늘리는 것이 그렇게 어렵지 않기 때문에, 관절 각도 측정을 하는 데에 있어서는, Incremental Rotary Encoder의 정밀도를 높이면서 활용하기에는 좋다는 장점을 갖고 있습니다.

그렇지만, 단점은 아까 말씀드렸던 것처럼, 초기에, 내가 어느 위치에 있는지를 정확하게 알기가 어렵다는 점입니다.

그래서 보통은 외부에서 측정할 수 있는, 리미트 스위치, 또는 근접 스위치 같은 것들을 통해서 초기화 시켜준다.

말단 장치의 오차 수정 방법

모터들의 오차가 쌓이게 되면, 그리고 센서들의 오차도 쌓이게 되면 각각의 하나하나의 오차들이 마지막 끝단에서는 크게 나타날 수도 있습니다.

그렇기 때문에, 그 말단 장치, 맨 마지막 장치에는 오차가 크게 나타날 수가 있어서, 각각에 달려있는 Encoder, 즉 관절 측정장치와는 별도로, 말단 장치에서의 위치와 각도를 측정할 필요가 있을 수도 있습니다.