Real-Time Juggling - Technical Report

Real-Time Juggling

B&R

사람들은 항상 저글링의 예술성에 매혹되어 왔다. 그러나 이 기술의 뒤편에는 과학이 숨어 있어, 저글링은 수학적으로 묘사될 수 있고 기계에 설치될 수 있다. 그렇게 하려면 숙련된 폐회로 모션제어가 필요하고 이는 프라하에 위치한　Czech Technical University에서 배울 수 있다. 이곳에서 발명된 로봇은 세 개의 공을 가지고 저글링을 할 수 있다.

모션 컨트롤은 물리와 수학으로 이루어져있기 때문에, 교육적인 관점에서 볼 때 실용적인 예들을 사용하여 이론을 설명하면 배우는 데　도움이 된다. 이는 학생들이 이 이론을 더 깊게 이해할 수 있도록 할 뿐만 아니라 즐거움도 준다. 저글링 로봇을 만들자는 아이디어는 2004년 프라하의 Czech Technical University에서 시작되었다. 이것의 목표는 학생들에게 손에 닿는 드라이브 기술의 경험을 주는 것이었다. 견본으로 초기 실험을 한 후에 그들은 로봇을 온라인으로도 실험이 가능하도록 만들기로 결정했다. 이렇게 되면 학생들뿐만 아니라 산업 연구원들도 그것을 실험할 수 있기 때문이다.
저글러가 원격으로 프로그램 되고 컨트롤 될 수 있기 전에, 그것의 기계적 부분들끼리의 충돌을 피하기 위한 안전조치가 필요했다. 안전조치들을 충족시키는 첫 번째 단계는 안정적인 충돌 검출을 위한 알고리즘을 개발하는 것이었다.

똑똑한 모션 컨트롤
로봇의 움직임들에는 많은 수의 다른 요구사항들이 포함되어 있다. 이것들에는 공이 언제 떨어지는 지를 감지하는 카메라와 떨어지는 공을 저글링 시퀀스로 돌려보내는 추가적인 축의 설치도 포함된다.
아래의 그림에서 볼 수 있듯이 저글러는 두 개의 수직 선형 축들을 가지고 있다. 각각의 축들에는 수평방향으로 움직일 수 있는 컨테이너가 포함되어 있다. 이 네 개의 축들은 로봇이 세 개의 당구공들을 던지고 받을 수 있도록 한다. 이 로봇은 컨테이너가 로봇의 아래쪽에 있을 때 공들을 받아쳐서 세 번째 선형축을 사용하여 공중으로 던진다. 그 다음에 다른 두 축들 중 하나의 컨테이너가 이 공을 잡는다. 에러(공을 떨어뜨림)의 발생을 막기 위해서 저글링의 움직임은 매우 정교해야 한다. 이 빠른 속도에서의 높은 정교함은 B&R사의 ACOPOS 서보 드라이브에 의해 제공되고, 이 드라이브들은 POWERLINK를 통하여 PLC와 통신한다. POWERLINK는 2004년에도 이 어플리케이션에 필요한 수준의 퍼포먼스를 제공할 수 있었다.
비록 저글러의 개발이 트레이닝과 교육적인 프로젝트였지만 외부의 도움이 필요했다. “비록 우리가 모터들을 통합하는 일을 하거나 모션 제어 라이브러리를 사용하는 일을 하지만, 체코 B&R은 항상 최고의 지원을 해주었습니다." 제어 공학분야의 교수 Pavel Burget은 강조한다.

저글러 테스트
시스템의 파라미터를 결정하기 위해 시스템 식별이 수행된다. 많은 수의 토크와 속도 값들을 측정하고 저장한 후에, 관성의 총 순간과 시스템의 정적인 순간이 최소제곱법에 의해 결정된다. 저글러 원리는 어떤 수의 컨테이너를 사용하여 어떤 수의 공을 저글링 하는데 필요한 시간을 설명한다. 이 값들과 저글러의 기계적 모델로부터의 파라미터들을 기초로 하여 공들이 공중에 머무는 시간과 컨테이너에 있는 시간들을 계산할 수 있다. 이 정보들은 CAM 프로파일을 만드는데 사용된다. - CAM 프로파일은 고속 카메라의 정보들을 사용하여 조정된다. 계산시에는 과열로 인한 전원차단을 막는 각 드라이브들의 열역학 모델 또한 참조로 한다. 이것은 선형 축에 필요한 토크 값들이 정격 값의 50%를 넘기 때문에 필수적이다. 저글러의 앞에 장착된 고속 카메라는 1초에 100개의 이미지를 기록할 수 있는데, 이것은 프레임 그레버를 통해 이미지 검출 소프트웨어를 구동하는 Windows XP PC와 연결된다. 공들의 현재 위치는 PVI를 통해 로봇 컨트롤러에 보내진다. 이 통신은 실시간으로 작동되지 않기 때문에 데이터들은 검출의 용도로만 사용될 수 있다. 즉 이것은 공들이 언제 떨어지는지만을 검출할 수 있다.

앞으로의 전망
카메라 소프트웨어는 (약간의 부정확함을 가진) 공의 현재 위치만을 계산할 수 있기 때문에 공들의 다음 위치들을 예상하기 위해 Kalman 필터들을 사용한다. 안전예측을 할 수 있는 가장 빠른 시간은 화면 주사율, 이미지 인식 알고리즘 지속시간, PC와 PLC 간의 전송시간, 그리고 계산에 필요한 시간에 의해 결정된다. 현재 공의 위치에 대한 예측은 80 ms의 지연시간으로만 계산할 수 있지만, 컨트롤 PC가 공의 위치를 훨씬 빠르게 계산할 수 있도록 하는 추후의 확장도 계획되어 있다. 이는 서보 드라이브가 그들의 현재의 위치를 POWERLINK 네트워크의 매 주기마다 내보내는 데에도 이용될 것이다.