Chap2. 로봇의구성요소 1. 로봇액추에이터 2. 로봇센서 3. 로봇기계요소 4. 로봇제어기및부가장치 로봇의구성요소 1 1. 로봇액추에이터 액추에이터 (Actuator) 란? 외부로부터에너지를공급받아동력을생산하는기기 액추에이터의종류 로봇의구성요소 2 1
1. 로봇액추에이터 모터 (Motor) 모터는전기에너지를회전운동의기계적에너지로변환하는전기부품 모터동작원리 플레밍의왼손법칙 회전을지속시키려는방법에따라다양한종류의모터존재 DC 모터, AC 모터, 스테핑모터, 서보모터 로봇의구성요소 3 1. 로봇액추에이터 DC 모터 건전지나직류전원등직류 (DC) 전압으로작동하는전기모터 회전수제어나회전방향 ( 정 / 역전 ) 제어가쉽고기동토크가大 전압이높을수록모터의회전이빨라짐 모터의토크는전류에비례함 로봇의구성요소 4 2
1. 로봇액추에이터 DC 모터성능지표 정격전압 [V] 모터에과부하, 기계적결함등의문제를일으키지않는범위의전압 DC 12V, DC 24V 가많이사용됨 정격전류 [A] 모터에과부하, 기계적결함등의문제를일으키지않는범위의전류 무부하전류 [A]/ 회전수 [rpm] 모터회전축에부하를주지않은경우의전류 / 회전수 [rpm] 정격출력 [W] 정격전압으로모터를작동시킬때의출력 정격출력 [W] = 정격회전수 [rpm] X 정격토크 [kgf m] X 0.01027 정격토크 [N m] 정격전압으로모터를동작시킬때발생하는토크 정격회전수 [rpm 또는 rps] 정격전압으로모터를동작시킬때의회전수 로봇의구성요소 5 DC 모터특성 1. 로봇액추에이터 로봇의구성요소 6 3
1. 로봇액추에이터 DC 모터선정 모터선정을위해서는필요한부하토크의크기와회전수를먼저고려 부하토크의크기 모터출력축에반지름 r[m] 인풀리를설치해서 F[N 또는 kgf] 의추를들어올리고자할때토크 T = F r [N m] 또는 [kgf m] 토크 T 의단위는 [N m] 또는 [kgf m] 1 kgf 는 1kg 의질량을갖는물체에지구표면에서의중력이작용해발생하는힘의크기임 1 kgf = 1 kg x 9.8 m/s 2 = 9.8 kg m/s 2 = 9.8N 로봇의구성요소 7 1. 로봇액추에이터 AC 모터 전압이시간과함께주기적으로변동하는교류 (AC) 전압으로작동하는모터로교류모터라고도함 교류에는일반가정에공급되는단상교류와공장등으로공급되는 3 상교류 동작원리에따라유도모터와동기모터로나뉨 동기모터는전류의주파수로정해지는회전자기장과동일한속도로회전, 즉회전속도는교류주파수에의존 로봇의구성요소 8 4
1. 로봇액추에이터 스테핑모터 (Stepping Motor) 펄스신호를받으면일정한각도만큼움직이는모터 디지털신호 ( 펄스 ) 로제어할수있어정밀위치제어가가능 피드백 (Feedback) 이필요없이오픈루프 (Open Loop) 제어가가능하여제어계가간단함 정지시에도유지토크존재 프린터, 복사기, 팩스등에폭넓게활용 영구자석의회전을이용한 PM 형 (Permanent Magnet Type), 영구자석대신기어모양의철심이들어간 VR 형 (Variable Reluctance Type), PM 형과 VR 형의장점을모두갖춘 HB 형 (Hybrid Type) PM 형이비교적소형, 저렴해서가장많이사용 토크가큰 HB 형은대형공작기계나로봇암에사용 로봇의구성요소 9 1. 로봇액추에이터 스테핑모터 (Stepping Motor) 여자 ( 코일에전류를흘려자속을발생시키는것 ) 방식 1 상여자 : 1 상의코일만을여자 Full Step 제어 2 상여자 : 2 상의코일을여자하여출력토크를크게함 1-2 상여자 : 1 상과 2 상의여자를교대로하여세밀한위치결정을가능하게하는것 Half Step 제어 Step 각도 로봇의구성요소 10 5
스테핑모터 (Stepping Motor) 1. 로봇액추에이터 로봇의구성요소 11 스테핑모터 (Stepping Motor) 1. 로봇액추에이터 로봇의구성요소 12 6
1. 로봇액추에이터 RC 서보모터 RC 는 Radio Controlled 로장난감등을무선제어하는데사용되는모터 내부에는 DC 모터, 각도를센싱하는포텐시오미터 (Potentiometer), 제어를위한전자회로로구성 성능지표 유지토크 [kgf cm] 소형휴머노이드에 5~10 [kgf cm] 사용 모터속도 ( 회전범위 ) 로봇의구성요소 13 RC 서보모터 1. 로봇액추에이터 로봇의구성요소 14 7
1. 로봇액추에이터 솔레노이드 (Solenoid) 전자석코일에전류를가했을때발생하는전자력에의해흡인력 ( 당기는힘또는미는힘 ) 을발생시키는액추에이터 두지점을빠르게왕복운동하며중간에정지할필요가없는경우사용 가전제품, 자판기, 의료기기, 오락기등에널리사용 로봇의구성요소 15 1. 로봇액추에이터 솔레노이드 (Solenoid) AC 솔레노이드 vs DC 솔레노이드 흡인력이나스트로크 (Stroke: 직선운동크기 ) 는 AC 솔레노이드 ( 흡인력 200N, 스트로크 400mm 정도 ) 가 DC 솔레노이드 ( 흡인력 50N, 스트로크 10mm 정도 ) 보다크고빠름 소형로봇용으로는 DC 솔레노이드가폭넓게사용 DC 솔레노이드의종류 전류가흐를때가동철심을중심으로당겨주는풀 (Pull) 형 전류가흐를때가동철심을바깥쪽으로밀어주는푸시 (Push) 형 로봇의구성요소 16 8
1. 로봇액추에이터 감속기 속도를감속하는기계장치 (ex. 자동차변속기 ) 기어 (GEAR) 를이용하여속도를변환시키는기구 모터의회전수를감속하여더높은토크 (TORQUE/ 힘 ) 를얻을수있도록함 감속기사용장점 작은모터로큰장비의구동 ( 같은모터로힘 / 토크를증가 ) 배터리소모전류가낮아져운전시간 감속기사용단점 부가적인기계장치추가로무게 운전속도가느려짐 추가적인비용발생 로봇의구성요소 17 1. 로봇액추에이터 감속기종류 평 ( 스퍼 ) 기어방식, 유성기어방식 (Planetary Gear), 밸트구동방식 (Belt Drive), 하모닉감속기등 로봇의구성요소 18 9
2. 로봇센서 센서 (Sensor) 로봇이스스로외부상황을감지하고판단하기위해센서사용 인간은외부세계감지를위해시각, 청각, 촉각, 미각, 후각의 5 감사용 외부센서 : 로봇외부환경을감지 거리센서, 비전센서 내부센서 : 로봇내부상태를감지 엔코더 ( 위치 / 속도 ), 토크, 가속도 로봇의구성요소 19 2. 로봇센서 광전센서 빛을전기신호로변환하는센서 비접촉상태에서물체의접근이나유무를검출 발광부와수광부로구성 로봇의구성요소 20 10
2. 로봇센서 광전센서 로봇의구성요소 21 2. 로봇센서 근접센서 (Proximity Sensor) 비접촉상태에서물체의접근이나유무를검출 고주파발진형 전자유도에의해검출물체에흐르는유도전류검출 정전용량형 검출물체와센서사이발생정전용량의변화검출 로봇의구성요소 22 11
2. 로봇센서 포텐셔미터 (Potentiometer) 회전각이나이동량을전압으로변환 가변저항기와같은구조 회전각도를검출하는로터리 (Rotary) 포텐셔미터 직선위의위치를검출하는리니어 (Linear) 포텐셔미터 로봇의구성요소 23 2. 로봇센서 엔코더 (Encoder) 회전각 / 이동량을측정하기위해광전센서와각도 / 위치에따라빛의통과를결정하는판으로구성된센서 로터리엔코더 측정원리 : 슬릿 ((Slit) 이있는회전판 (Disk) 을통과하는빛의명암을검출해서회전각을계측함 인크리멘털 (Incremental: 증분 ) 형 : 회전량에비례하는펄스열출력 앱솔루트 (Absolute: 절대 ) 형 : 회전각에따른절대값출력 로봇의구성요소 24 12
2. 로봇센서 엔코더 (Encoder) 로봇의구성요소 25 2. 로봇센서 스트레인게이지 (Strain Gauge) 가해지는힘에따라저항이변하는센서 힘, 압력, 인장, 무게등을전기저항의변화로전환하여저항을측정 정지하고있는물체에외부의힘이가해지면스트레스 ( 응력 ) 와스트레인이결과로발생함 스트레스는물체내부저항력, 스트레인은변위와변형으로규정 로봇의구성요소 26 13
2. 로봇센서 가속도센서 (Accelerometer) 물체의가속도를검출하는센서 가속도가질량에작용했을때발생하는힘으로부터가속도를검출 디지털카메라손떨림방지, 게임컨트롤러, 승용차에어백등에사용 로봇의구성요소 27 2. 로봇센서 자이로센서 (Gyro Sensor) 초당각도의변화량인각속도를검출하는센서 로봇의구성요소 28 14
2. 로봇센서 초음파센서 (Ultrasonic sensor) 주파수가높은음파를말하며음파는공기중이나수중또는고체속을전파하는기계적진동임 (20 KHz 이상 ) 초음파의전파속도는전달되는매질의탄성과밀도에의존 초음파센서는시스템이간단하고저렴하게구성가능하며강인성과저전력특성이있음 주로주행시간 (time-of-flight) 방법을이용하여거리측정 초음파의특징 거리에따른감쇄효과 분해능 (Resolution) 간섭효과 (Interference) 로봇의구성요소 29 2. 로봇센서 적외선센서 (Infrared sensor) 적외선이란우리눈에보이지않으며, 가시광선의붉은색보다파장이긴파장을갖는빛을말함 적외선은인간의시각에서는볼수없으므로조사되는빛이인간에게해를끼치지않음 적외선출력부와수신부의빛의입사및반사의각을해석하는방식, 즉삼각측량법 (triangulation) 을이용해물체와의거리측정 응용분야 항공촬영, 원거리촬영, 야간사진촬영 화폐, 증권, 문서의위조와감정 이동로봇의거리측정, 빛감지, 물체감지 로봇의구성요소 30 15
3. 로봇기계요소 기계요소 구동장치에서전달되는힘이최대한잘전달되고, 전달되는힘의방향을전환하는등의역할을하는다양한기계요소가존재 기어, 벨트, 체인, 베어링, 축, 커플링, 나사, 스프링등 로봇의구성요소 31 3. 로봇기계요소 기어 (Gear) 동력을전달하는기본적인기계요소로톱니가달린바퀴의일종 힘을전달하거나힘의방향, 속도를변경할수있음 로봇의구성요소 32 16
3. 로봇기계요소 기어의종류 평기어 : 톱니가축에평행 헬리컬기어 : 톱니를완만하게해물림을부드럽게함 평기어를평면모양으로한것을래크 (Rack) 라하고피니언 (Pinion) 이라는작은평기어와맞물려움직임 베벨기어 : 두축이평행하지않고교차로맞물리며회전축을 90 도변경 로봇의구성요소 33 3. 로봇기계요소 기어에의한변속 회전을만드는구동기어, 회전을전달받는피동기어 구동기어와피동기어의기어지름비에의해회전속도를변경 각각의회전속도를 n 1, n 2 [rpm], 이의수를 z 1, z 2, 지름을 d 1, d 2 [mm] 라면속도전달비 i = n 1 /n 2 = d 2 /d 1 = mz 2 /mz 1 = z 2 /z 1 속도전달비 i = n 1 /n 3 = n 1 /n 2 * n 2 /n 3 = z 2 /z 1 * z 3 /z 2 = z 3 /z 1 기어 B 는 idle gear 로봇의구성요소 34 17
3. 로봇기계요소 벨트 (Belt) 와체인 (Chain) 기어보다먼거리로동력을전달 벨트와풀리 (Pully) V 벨트, 타이밍벨트 로봇의구성요소 35 3. 로봇기계요소 베어링 (Bearing) 회전하고있는기계의축 ( 軸 ) 을고정시키고축의자중과축에걸리는하중을지지하면서축을회전시키는역할을하는기계요소 커플링 (Coupling) 축과축을연결하여동력을전달 로봇의구성요소 36 18
제조업용로봇제어기 하드웨어사양 ( 예 ) 4. 로봇제어기및부가장치 제어기 티칭펜던트 로봇의구성요소 37 4. 로봇제어기및부가장치 제조업용로봇제어기 기능 / 특징 ( 예 ) 베이직방식의로봇언어 4 개의멀티태스킹 RS232C, TCP/IP 통신기능및전용통신명령 Break Point 를지원하는디버깅 컴파일시 600 여개의에러를감지하는문법검사 실시간변수모니터링 다양한응용이가능한사용자함수정의 범용통신포맷을위한다양한문자열조작함수 고속입력접점지원 Timer/IO/Position 등이벤트기반함수 즉시대응할수있는 Function Key 함수제공 관절형식의링크구조지원 로봇의구성요소 38 19
4. 로봇제어기및부가장치 티칭펜던트 (Teaching Pendant) 티칭 (Teaching) 이란? 오퍼레이터가로봇움직임을프로그램하는작업 티칭펜던트를사용하여로봇 End Effecter 에장착된툴의통과점을 1 개씩로봇에저장 < 티칭펜던트사진 > < 파나소닉용접로봇티칭펜던트 > 로봇의구성요소 39 DC 모터제어기본회로 트랜지스터구동 APPENDIX < 간단한피드백속도제어 > 로봇의구성요소 40 20
APPENDIX DC 모터제어기본회로 트랜지스터구동 로봇의구성요소 41 APPENDIX DC 모터제어기본회로 H 브릿지제어회로 <H- 브릿지내장 IC> 로봇의구성요소 42 21
DC 모터제어기본회로 가변속제어 PWM 제어 APPENDIX 로봇의구성요소 43 APPENDIX DC 모터의 PID 제어 PID 란? P: Proportinal( 비례 ) I: Integral( 적분 ) D: Differential( 미분 ) 의 3 가지조합으로제어출력 ( 조작량 ) 을만듬 로봇의구성요소 44 22
APPENDIX DC 모터의 PID 제어조작량 =Kp 편차 + Ki 편차의누적값 + Kd 전회편차와의차 로봇의구성요소 45 DC 모터의 PID 제어 APPENDIX 로봇의구성요소 46 23
APPENDIX PID 제어를이용한모터의속도제어순서 1. 모터의엔코더를이용하여회전량을측정 2. 타이머를이용한시간측정 3. 회전량과시간을이용하여현재모터의속도측정 4. 목표에대한에러산출 : 에러 = 목표속도 현재속도 5. PID 제어기에에러를적용하여조작량산출 6. 조작량에비례하도록 PWM 값을출력하여모터구동 7. 순서 1 로되돌아감 로봇의구성요소 47 24