갑자기 무거운 짐 들어도 안 떨어
산업용 로봇팔 탑재 PID 제어기 성능 향상 알고리즘
스마트팩토리·재활 로봇 등에 적용 가능
울산과학기술원(UNIST)이 갑자기 무거운 짐을 들어도 덜덜 떨지 않는 로봇팔 제어 기술을 개발했다. 제어기 소프트웨어(SW)만 업데이트하면 바로 쓸 수 있는 기술이다.
강상훈 UNIST 기계공학과 교수팀은 급격한 부하 변동이나 외부 충격에도 로봇팔이 잘 작동할 수 있게 하는 새로운 '적응형 PID 제어 알고리즘'을 개발했다고 26일 밝혔다.
PID 제어기는 로봇팔의 '운동 신경'을 담당하는 일종의 두뇌이다. 로봇팔을 원하는 궤적대로 움직이기 위해 모터로 보내는 힘을 실시간 계산해 준다. 구조가 단순하고 명확해 현재 산업 현장 로봇팔의 90% 이상이 이 방식을 사용하고 있다.
하지만 현재 PID 제어 방식은 '융통성'이 부족하다. 처음 설정한 값으로만 움직이기 때문에 물체 무게가 갑자기 변하거나 외부 물체와 접촉하면 오작동하거나 심한 진동이 발생하곤 했다.
강 교수팀은 로봇이 오차 정보를 이용해 실시간으로 제어 값을 스스로 조절할 수 있는 알고리즘을 개발했다. 이 알고리즘은 기존 적응형 PID 기술과 달리 로봇팔 관절의 디지털 센서에서 발생하는 미세한 신호 잡음(양자화 오차)을 상쇄하도록 설계한 것이 특징이다. 기존 적응형 알고리즘은 성능을 높이려다 보니 센서의 미세한 잡음에까지 반응하게 되고 결국 불필요하게 힘을 키우는 현상이 발생해 시스템이 불안정해지는 경우가 많았다.
이 새로운 알고리즘은 하드웨어 교체 없이 SW 업데이트만으로 적용 가능하다. 로봇의 복잡한 물리적 정보(질량, 마찰력 등)를 새로 입력하거나 고가의 무게 감지 센서를 추가할 필요가 없다. 이미 PID 제어기를 탑재한 로봇이면 즉시 적용할 수 있다.
강 교수팀은 새로운 알고리즘을 적용한 로봇팔을 시험해 환경 변화에 맞춰 스스로 제어 값을 조절하고 흔들림 없이 작업을 수행하는 것을 확인했다.
강상훈 교수는 “산업용 로봇의 대다수를 차지하는 PID 제어기의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 기술”이라며 “작업 환경이 자주 바뀌는 스마트 팩토리뿐만 아니라 사람의 미세한 힘의 변화를 감지해 반응해야 하는 재활 로봇, 휴머노이드 로봇 등 다양한 로봇 분야에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이 연구 성과는 'IEEE·ASME 트랜잭션 온 메카트로닉스'에 1월 13일 게재됐다.
울산=임동식 기자 dslim@etnews.com
