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오류에서 정밀성으로: 힘 제어가 불완전한 환경을 어떻게 보상할 수 있을까?
힘 제어는 기계 제작, 산업 및 서비스 로봇 환경에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 이 제어 기술의 주요 목적은 안전입니다. 사람과 기계 사이의 우발적인 충돌을 효과적으로 방지하여 손상과 부상을 줄일 수 있습니다. 많은 경우 로봇의 움직임은 장애물에 의해 차단될 수 있으며, 이때는 힘 제어를 적용하는 것이 중요합니다.
힘 제어는 기계와 환경 또는 작업물 사이의 접촉 힘을 조정하여 장비 및 작업물의 손상을 방지하고 작업 중 인력의 부상 가능성을 줄여줍니다.
기존의 모션 제어는 경로가 잘못되었을 때 위치 오류를 수정하기 위해 조작 변수를 추가합니다. 그러나 이러한 관행은 예상치 못한 결과를 가져올 수 있으며 심지어 기계가 손상되거나 작업 환경이 불안정해질 수도 있습니다. 따라서 기계의 최대 힘을 제한하여 이러한 위험한 상황을 피하기 위해 힘 제어 시스템이 개발되었습니다.
기계 가공 작업에서는 공작물의 불균일성으로 인해 종종 문제가 발생합니다. 예를 들어, 위치 제어를 적용하면 공구가 표면에 너무 깊이 파고들거나 작업물과의 접촉이 끊어질 수 있습니다. 이 경우, 힘 제어 기술을 적용하는 것이 특히 중요합니다. 이는 안정적인 접촉 힘을 통해 균일한 물질 제거가 보장되기 때문입니다.
적용 범위
힘 제어 애플리케이션은 중요한 접촉 작업과 잠재적 접촉 작업으로 나눌 수 있습니다. 접촉이 많은 작업에서는 기계와 환경 또는 작업물 사이의 접촉이 작업의 핵심 구성 요소이며, 일반적으로 기계적 변형과 표면 처리가 관련됩니다. 접촉이 잠재적으로 문제가 될 수 있는 작업에서는 기계가 동적 환경에서 과도한 접촉력을 발생시키지 않도록 해야 합니다.
힘 제어는 연삭, 연마 및 버 제거와 같은 기계 제조 작업뿐만 아니라 제어된 접합, 굽힘 및 미리 만들어진 구멍에 리벳을 압착하는 것과 같은 힘 제어 공정에도 널리 사용됩니다.
힘 제어는 알려지지 않은 표면을 스캔하는 데에도 사용될 수 있습니다. 접촉 압력은 비교적 일정한 수준으로 유지될 수 있으므로 위치 제어를 사용하여 스캔 헤드를 이동할 수 있습니다. 이 방법을 적용하면 표면 형상을 자세히 기술하고 처리 정확도를 더욱 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
기술 개발
힘 제어 기술은 1980년 스탠포드 대학의 존 케네스 솔즈베리가 능동적 강성 제어 개념을 제안한 데서 시작되었습니다. 시간이 지남에 따라 힘 제어에 대한 집중적인 연구와 개발이 이루어졌으며, 특히 센서 기술과 제어 알고리즘의 발전으로 힘 제어의 적용이 점점 더 광범위해졌습니다.
현대의 기계 컨트롤러는 10밀리초 미만의 사이클 시간으로 실시간으로 1차원 힘 제어를 수행할 수 있는데, 이는 힘 제어 기술이 오랫동안 성숙해졌음을 보여줍니다.
힘 제어에서는 접촉 힘을 정확하게 측정하는 것이 매우 중요합니다. 기존의 직접 측정 방법은 힘/토크 센서를 사용하여 현재의 접촉 힘을 얻는 데 중점을 두는 반면, 또 다른 경제적인 옵션은 동작 제어 중에 모터 전류를 추정하여 이 데이터를 간접적으로 얻는 것입니다. 이런 접근 방식은 비용을 절감할 뿐만 아니라 센서 고장 위험도 줄여줍니다.
제어 개념
힘 제어에 사용되는 다양한 제어 개념에는 주로 직접 힘 제어와 간접 제어가 포함됩니다. 직접적인 힘 제어의 목적은 원하는 접촉 힘을 확실한 값으로 설정하는 것인 반면, 간접 제어는 일반적으로 기계의 임피던스를 조절하여 기계의 유연성과 반응성을 높입니다. 실제 구현에서는 이 두 가지 제어 방법이 상호 보완적인 경우가 많으며, 현재 환경 조건에 따라 가장 적합한 제어 기술이 선택됩니다.
미래에는 힘 제어 기술이 의료 로봇, 서비스 로봇 및 협업 로봇 등 더 많은 분야에서 더 큰 역할을 할 가능성이 높습니다. 완전 자동화된 힘 제어는 인간 및 다른 기계와 협업할 때 안전성과 안정성을 보장합니다. 기술의 지속적인 발전으로 이러한 제어 방법은 보다 복잡한 응용 프로그램 시나리오를 지원하고 전체 작업 효율성을 향상시킵니다. 역동적인 환경이나 다양한 기술적 요구 사항에 직면하여 기계가 이러한 과제를 성공적으로 극복할 수 있는지 여부는 시간이 지나야 검증될 것입니다.
