힘 제어 (force control)

힘 제어 (force control)

힘 제어를 이해하기 위해 산업용 로봇의 기본적인 제어 방식을 상기시켜볼 필요가 있습니다. 산업용 로봇은 어떻게 움직이는가 에서 말씀드렸던 것처럼 산업용 로봇은 기본적으로 위치를 제어합니다. 그런데, 위치가 아닌 힘(force)이 제어 대상이 될 경우, 힘 제어(force control)라 합니다.

제어 루프 다이어그램

힘 제어에서는 위치는 더이상 우리의 최대 관심사가 아닙니다. 즉, 목표 힘(target force)을 달성하기 위해서는 위치가 달라질 수 있습니다. 만약, 외부의 힘이 로봇에 가해질 경우, 이 힘에 의해 로봇의 위치가 달라질 수도 있는데요, 이러한 성질로 인해 힘 제어는 순응 모드(compliance mode)라고도 부릅니다.

가속도 법칙에 의하면, 힘이 있을 경우 가속도가 발생하게 되고, 물체는 움직일 것입니다. 힘 제어를 하게 되면, 제어기는 로봇이 정해진 목표 힘을 내도록 제어할 것입니다. 그런데 외력이 작용한다면, 그 힘의 방향에 따라 로봇은 더 큰 가속도로 동작할 수도, 정지할 수도 있으며, 오히려 반대 방향으로 움직일 수도 있을 것입니다. 아래 그림에서 로봇이 오른쪽 방향으로 30N 만큼 힘을 가하도록 힘 제어를 할 때, 왼쪽 방향으로 50N의 외력이 가해진다면 로봇은 왼쪽으로 움직이게 될 것이다.

힘 제어를 하는 로봇

힘 제어 기능

힘 제어 기능을 제공하는 로봇 제조사에 따라 조인트 모드를 제공하는 경우가 있고, 직교 모드를 지원하는 경우가 있습니다.

조인트 모드의 경우, 특정 조인트의 목표 토크가 제어 입력이 되는 힘 제어를 이야기 합니다. 직교 모드의 경우, X, Y, Z, Rx, Ry, Rz 중 하나 혹은 그 이상의 방향을 선택하여 그 방향에 대해 힘을 제어할 것입니다. 힘 제어를 하지 않는 축 혹은 방향에 대해서는 여전히 위치 제어를 할 것입니다.

활용

힘 제어를 이용하면, 로봇이 일정한 힘을 가하면서 동작할 수 있습니다. 이러한 특성은, 스티커 등을 부착하는 작업에 활용할 수 있을 것입니다. 또한, 샌딩, 디버링 등의 가공 작업을 하는데 유용합니다.

힘 제어의 순응 특성은 외부의 힘을 받아들여야 하는 경우에 유용할 것입니다. 일반적으로 위치 제어 시 외력이 가해지더라도 목표 위치에 도달하기 위해 외부 힘을 억지로 견디려 할 것입니다. 이로 인해 기구가 손상되거나 위치 편차 등의 에러가 발생할 수 있습니다. 힘 제어 모드를 사용할 경우, 외력에 순응하여 로봇이 움직일 것이기 때문에 기구 손상이나 위치 에러 등과 같은 문제를 피할 수 있을 것입니다.

힘 제어의 경우, 자체 힘 센싱 기능을 사용할 수도 있지만 민감도를 높이기 위해 별도의 힘 토크 센서를 사용하기도 합니다. 해당 작업의 요구사항을 확인하여 적절한 방법을 사용하면 됩니다.

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