프로그래밍

로봇공학 : James G. Keramas 저서, 이만형. 고경철. 노태정. 박희재. 부광석. 안병하. 이민철. 정원지. 제우성 공역, 사이텍미디어, 2000  (원서 : Robot Technology Fundamentals, Thomson Learning, 1999), Page 259~296

0. 목 적

1. 로봇 프로그래밍

2. 프로그래밍 방법

3. 프로그래밍 언어

     기초 로봇 프로그래밍

4. 로봇 프로그래밍의 단계

5. 공간 위치 프로그래밍

     공간에서 위치를 정의하는 방법

     속도 제어

6. 운동 보간법

7. 프로그램 진술문

8. 예제 프로그램

9. 요 약

0. 목 적

9장에서는 다음과 같은 사항들을 학습하게 된다.

1. 로봇 프로그래밍

2. 프로그램 방법의 이해

3. 프로그램 언어의 인식

4. 로봇 프로그래밍 수준의 정의

5. 공간 위치 프로그래밍

6. 운동 보간법

7. 프로그램 진술문 (program statement)

8. 예제 프로그램

1. 로봇 프로그래밍

로봇이 작업셀 (workcell) 내에서 운동을 수행하여 유용한 일을 할 수 있도록 반드시 프로그램되어야 한다. 로봇 프로그램은 머니퓰레이터의 운동경로로 정의될 수 있다. 여기서의 운동경로는 로봇의 작업 사이클을 지원하는, 주변장비의 운전과도 연관되어 있다. 이러한 주변장비의 운전으로서는 말단장치 (end effector) 의 작동, 논리적 판단기능, 작업셀 내의 다른 장비의 일부와의 통신이 열거될 수 있다. 따라서 프로그래밍은 특히 초기의 프로그래밍 방법들과 비교해 보면 로봇 기술에서 가장 진보된 영역 중의 하나이다. 초기의 프로그래밍 기술은 프로그래밍 정보의 출처인 플레이백 (playback) 전기기계적인 디바이스 (device) 를 이용하여 사람(오퍼레이터)의 노련한 솜씨를 대체하는 것과 크게 연관되어 있었다. 역사적으로 흥미로운 다이어그램이 그림 1.1 과 1.2 에 보여져 있다. 이 그림들에서는 프로그래밍의 초기판인, Unimation 사에서 설계된 교시-플레이백 (teach-and-playback) 방법을 보여주고 있다. 이러한 시스템은 1970 년대 초에 사용되었고 프로그래밍 유연성이 매우 떨어졌다. 현재 사용되고 있는 플레이백 시스템은 원리적으로는 비슷하지만 초기의 전기기계적인 부분을 강력한 디지털 컴퓨터로 대체하여 활용되고 있다.

[그림 1.1] Unimation사에서 사용된, 1970 년대 초의 프로그래밍 모드

오늘날 많은 자동화 시스템은 다른 장비의 일부분과 고도의 기계 통신을 하고 논리적 판단을 하기 위해서 멀티프로세서를 가진 컴퓨터에 의해 제어된다.이러한 종류의 컴퓨터는 로봇 환경에서 아래와 같은 기능을 제공한다:

1. 로봇 조작

2. 센싱 (sensing)

3. 논리적 판단기능

4. 데이터 처리

[그림 1.2] Unimation사에서 사용된, 1970년대 초의 플레이백 모드

로봇 조작이란 모든 로봇 관절과 위치/속도/경로 제어 디바이스와 액추에이터를 포함하는 작업공간 (work-envelope) 액추에이터의 제어운동을 의미한다.

센싱은 감각기관 (sensory) 및 주변장치를 포함하는 물리적 작업셀 내에서의 정보의 수집을 의미한다.

논리적 판단기능은 시스템 운용을 수정하거나 다양한 사전 프로그램된 경로와 루틴 (routine) 을 지정하기 위해, 작업셀로부터 모아진 정보를 이용할 수 있는 능력을 말한다.

데이터 처리는 다른 지능형 기계와 통신하고, 기록을 유지하고, 프로그램을 교환하며 보고서를 생성시키고, 작업환경 내에서 활동을 제어하기 위해, 데이터베이스를 이용할 수 있는 능력을 의미한다.

대부분의 자동화된 제조 시스템은 대량생산을 달성하기 위해 위의 4가지 기능 모두를 이용하고 있다. 그러나 소량생산을 위해선 비용문제 때문에 이 방법은 추천할 만하지 못하다.

이 장에서, 로봇 프로그램을 하는 방법, 몇 가지의 공통적인 프로그램 언어, 사용되고 있는 로봇 프로그램의 수준에 대해 논의할 것이며, 마지막으로 프로그램 진술문 (statement) 과 예제 프로그램을 가지고 운동 보간법 (motion interpolation) 을 검토해 볼 것이다.

2. 프로그래밍 방법

로봇은 프로그램 명령어를 제어기 메모리에 입력함으로써 프로그램된다. 명령어 입력을 하는 방법으로는 5가지가 있다.

1. 수동 (manual)

2. 교시 펜던트 (teach pendant)

3. walk-through

4. 컴퓨터 단말기

5. 오프라인 (off-line)

수동 프로그래밍 (manual programming) 은 지점간 (point-to-point) 개회로 (open-loop) 제어기를 가진 로봇을  위해 사용된다. 이러한 방법은 제한 시퀀스 (limited-sequence) 를 가진 픽-플레이스 (pick-and-place) 로봇에 관련된 것이다. 동작이 발생하는 순서는 시퀀싱 장치 (sequencing device), 즉 스테핑 스위치 (stepping switch), 캠 (cam), 그리고 이와 비슷한 것에 의해 조절된다. 이러한 장치는 완전한 동작 사이클을 형성하기 위해 로봇의 각 관절이 작동되는 순서를 결정한다. 필요한 엔드-스톱 (end-stops), 스위치와 캠을 설치하여 조정하고 스퀀스를 배선화하는 것은 프로그래밍 방법보다는 오히려 기계의 조립에 의한 수동형에 좀더 가깝다. 이러한 프로그래밍 형태는 첫 세대의 전형적인 접근 방법이다. 그러나 이러한 로봇은 본질적으로 단순하게 보이지만 많은 제조작업을 수행할 수 있다.

오늘날, 머지 않은 장래에 거의 모든 산업용 로봇은 상당한 용량의 메모리 유닛 (unit) 을 가진 제어기로서 디지털 컴퓨터를 가지게 될 것이다.

수동 프로그래밍은 보통 단순하다. 숙련된 오퍼레이터를 필요로 하지 않고 자본투자나 유지비용도 낮다. 이러한 로봇은 높은 작업속도를 얻을 수 있고 정확도와 반복 정밀도가 좋다. 그러나 유연성 (flexibility) 은 제한되어 있다. 수동 프로그래밍형 로봇은 2 또는 3 자유도를 갖는다. 경로의 중간점을 제어하는 것은 일반적으로 불가능하고 각 축에 대해서 오직 두 위치만이 프로그램될 수 있다.

오늘날 로봇 명령어를 컴퓨터 메모리에 입력하기 위해 가장 흔히 사용되는 두 가지 방법은 교시 펜던트 (teach pendant) 프로그래밍과 로봇 언어 프로그래밍이다. 교시 펜던트 프로그래밍은 교시 펜던트(휴대용 제어 박스 (control box))를 사용한다. 교시 펜던트는 머니퓰레이터의 관절을 제어하기 위한 토글 (toggle) 스위치 또는 접촉 버튼을 가지고 있다. 그림 2.1은 교시 펜던트를 보여주고 있다.

[그림 2.1] 교시 펜던트 Yamaha 모델 MPB는 8줄 (line) 의 큰 LCD 표시창, 내장형 (built-in) 오류기록 (error-history) 표시창, 그리고 I/O 모니터링 기능을 이용한, 보기 쉬운 40문자 키의 특징을 지니고 있다.

토글 스위치나 접촉 버튼을 이용하여 프로그래머는 로봇 팔 (robot arm) 을 요구되는 위치로 순차적으로 구동하고 로봇의 동작을 메모리에 기억시킨다. 플레이백 시험운전 동안에 로봇은 자신의 동력으로 순차적인 위치에 따라 움직인다. 이러한 프로그래밍 방법은 지점간의 제어를 가진 플레이백 로봇에 일반적으로 사용된다. 교시 펜던트는 배우기에 단순하고 산업현장에서 볼 수 있는 많은 작업을 프로그래밍하는 데 적합하다. 교시 펜던트는 숙련된 오퍼레이터를 필요로 하지 않는다. 그러나 복잡한 동작 및 적은 공차 (tolerance) 가 요구되는 응용에서는 긴 프로그래밍 시간이 필요하다. 로봇은 프로그래밍하는 동안에 작동돼야만 한다. 로봇이 오프라인인 동안에는 프로그램은 펜던트에 입력될 수 없다.

walk-through 프로그래밍은 연속적 경로제어를 갖춘 플레이백 로봇과 불규칙한 동작 패턴, 그리고 몇몇 로봇들에 대한 공구 중심점의 위치를 대충 찾아내는 데 사용된다. 스프레이 도장 (spray painting), 아크 용접, 연삭, 디버링 (deburring) 그리고 광택내기 (polishing) 는 walk-through 프로그래밍의 가장 일반적인 산업적 응용이다. 이 프로그램 방법에서는 오퍼레이터가 물리적으로 말단장치 (end effector) 를 잡아서 동작순서에 따라 수동적으로 그것을 움직여서 그 움직인 경로를 메모리에 기억시킨다. 만약 로봇 팔이 무게 때문에 움직이기 어렵다면 교시를 하기 위해서는 실제 로봇을 대신한 특별한 장치가 종종 사용된다. 그 장치는 로봇과 비슷한 관절 형상을 지니고 있으며 그것의 동작을 메모리에 기억시키기 위한, 오페레이터에 의해 작동되는 트리거 핸들 (trigger handle) 또는 제어 스위치를 구비하고 있다. 이 동작은 일련의, 근접하게 위치한 점들로 기억된다. 플레이백 시험 동안에 실제의 로봇 팔은(기억된) 그 점들의 동일한 순차에 따라 움직인다. walk-through 프로그래밍에서는, 만일 로봇이 오프라인으로 프로그램될 수 없다면 세밀한 동작이 요구되는 작업을 수행하기 위해서는 고도의 숙련된 오퍼레이터가 필요하다. 좀더 오래된 프로그래밍에서는, 정의된 샘플링 (sampling) 주파수로, 말하자면 초당 3점으로 위치를 기억시켰다. 그러나 주요한 문제는 프로그래밍 점들이 채워지거나 초과될 수도 있다는 것이었다.

컴퓨터 단말기 프로그래밍은 오프라인 또는 온라인으로 (로봇의 셀에서) 할 수 있다는 것이다. 프로그램의 최종시험 또는 플레이백은 현장에서 행해진다.

교시 펜던트와 컴퓨터 단말기 프로그래밍과의 차이점은 교시 펜던트는 로봇의 동작을 기억하기 위해 수동적인 움직임을 하는 반면에 컴퓨터 단말기 프로그래밍은 영어와 같은 진술문 (statement) 으로 쓰여진, 문장스타일 언어로 된 명령어를 이용하여 프로그래밍을 수행한다는 것이다. 따라서 프로그램은 실제의 컴퓨터에서 작성되고 디버깅 (debugging) 도 이루어진다. 많은 시스템은 이 양자의 방법들의 조합, 즉 교시 펜던트 방법과 컴퓨터 단말기 프로그래밍 방법의 혼용을 할 수 있도록 해준다.

컴퓨터 프로그래밍은 보다 높은 유연성과 고효율을 제공해 준다. 프로그램이 작성되고 있거나 디버깅 중일 때에도 로봇을 작동시키지 않을 필요는 없으므로 (즉, 작동시켜도 무방하므로) 생산성에는 영향을 미치지 않는다.

디지털 컴퓨터는 로봇의 제어기능을 떠맡았다. 고급 컴퓨터 언어를 사용하면 로봇이 수행해야 할, 좀더 복잡한 운용 및 작업에 대한 프로그래밍이 가능해진다.

그러나, 이러한 일을 하기 위해서는 앞에서 언급한 대로 오퍼레이터는 컴퓨터 및 고급언어를 사용하는 데 경험이 있어야 하고, 프로그래밍 논리작성에 대한 해박한 지식이 있어야 한다.

오프라인 프로그래밍 (off-line programming) 을 이용하면 원격 컴퓨터 단말기에서 로봇 프로그램을 준비하여 실행을 위해서 로봇 제어기로 다운로드 (download) 할 수 있다. 오프라인 프로그래밍의 장점은 시뮬레이션 기법 (simulation techniques) 과 새로운 프로그램을 사용하여 로봇의 귀중한 시간을 차지하지 않고서도 운용을 세련되게 하고 수정할 수 있다는 것이다. 과거의 오프라인 프로그래밍 패키지는 3차원 컴퓨터 모델과 실제의 물리적 셀과의 기하학적 차이점을 조정해야만 했다.

오늘날, 비전과 센서 시스템을 사용하여 최신의 컴퓨터 모델을 갱신함으로써 현재의 오프라인 프로그래밍 방법에서는 보정 (calibration) 할 필요가 없어졌다. 이런 방법을 기준 모델링 (world modeling) 이라 부르며 고급 언어문 (high-level language statement) 과 관련이 많다. 고급 언어문에서 프로그래머는 수행할 작업의 절차를 자세히 설명하지 않아도 그 작업을 규명할 수 있다.

오프라인 프로그래밍 응용은 근래에 늘어나고 있으며, 프로그램의 발전을 확인시켜 줄 그래픽 컴퓨터 모의실험때문에 미래에는 더욱 성장할 것이다.

오프라인 프로그래밍 시스템은 일반적으로 컴퓨터 그래픽 인터페이스를 제공함으로써, 프로그래밍 동안에 로봇 자체에 대한 접근없이도 로봇을 프로그램할 수 있도록 해준다. 또한 오프라인 프로그래밍은 생산품의 설계단계에서 사용되는 CAD (computer-aided design) 데이터베이스를 생산품의 실제 제작과 한데 묶을 수 있는, 자연스러운 매개수단 역할도 한다. 몇몇 경우에서는 CAD 데이터의 직접적인 사용으로 말미암아 제작공정에 요구되는 프로그래밍 시간을 대폭 줄일 수 있다.

오프라인 프로그램은 프로그래밍이 교시 모드 (teaching mode) 에서 행해지기보다는 오히려 로봇 프로그램 언어를 사용함으로써 프로그래밍이 미리 이루어짐을 의미한다. 오프라인 프로그래밍의 장점은 다음과 같다:

1. 로봇 없이도 프로그램을 마련할 수 있으므로 로봇을 다른 일에 활용할 수 있다.

2. 배치 (layout) 와 작동 사이클 시간을 사전에 최적화시킬 수 있다.

3. 이전에 실시된 적이 있는 절차나 루틴 (routines) 이 오프라인 프로그램 내에 통합되어 이용될 수 있다. 따라서 각각의 작업은 필요할 때마다 매번 다시 설계할 필요가 없다.

4. 오프라인 프로그래밍에서 센서는 외부의 자극을 검출하는 데 사용될 수 있고, 그 자극에 대한 응답으로 적절한 조치를 취할 수 있다. 이러한 활동은 프로그램의 복잡성을 증가시킬 것이며, 이때 로봇은 우용상의 적응 모드 (adaptive mode) 에 있다고 볼 수 있다.

5. 기존의 CAD와 CAM 정보가 오프라인 프로그래밍의 제어기능에 통합되어 이용될 수 있다.

6. 오프라인 프로그램을 사전에 실행해 봄으로써 시스템에 대한 물리적인 손상의 위험성을 초래하지 않고서도, 실제로 프로그램되어 있는 (로봇의) 동작을 시뮬레이션해 볼 수 있다.

7. 미리 개발된 (소프트웨어) 루틴을 호출함으로써 제품의 각 부품을 생산하는 데 로봇을 활용할 수 있다.

8. 설계상의 특별한 특성을 제어하는 프로그램의 일부만을 교체함으로써 엔지니어링 (engineering) 에서의 변화를 신속히 반영할 수 있다.

한 대의 로봇 팔을 제어하여 작업을 수행하도록 하는 경우에 프로그램은 매우 단순해진다. 비적응 (nonadptive) 시스템에서는 주변환경으로부터의 센서 피드백 (sensory feedback) 이 없으며 유일한 입력은 관절에서의 위치 센서뿐이다. 따라서 간단한 프로그램 설계가 이용될 수 있다. 여타의 다른 프로그래밍 언어뿐만 아니라 VAL II 프로그래밍 언어도 이러한 작업 모드에서는 매우 유용한 것으로 알려져 있다.

오프라인 프로그래밍 시스템은 현재의 산업 자동화를 위한 프로그래밍용 보조역할 뿐만 아니라 로봇 연구를 위한 플랫폼 (platform) 으로서 중요하다.

오프라인 프로그래밍 시스템에는 물체의 공간적 표현과 이의 그래프적인 해석, 자동 충돌탐지, 기구학의 활용, 경로계획과 동역학적 시뮬레이션, 센서의 시뮬레이션, 동시 (concurrent) 프로그래밍, 포스트프로세서 (postprocessor) 에 의한 다양한 목적언어 (target language) 로의 번역, 그리고 작업셀의 보정이 포함된다.

이 책에서는 고급언어를 다루지 않기 때문에 기존의 고급언어의 예제에 대한 좀더 완벽한 설명에 흥미를 갖고 있는 독자는 이 책의 말미에서 논의하는 로봇 제조회사의 사용자 안내서를 참조하기 바란다.

3. 프로그래밍 언어

로봇 프로그램 언어는 위드 (words) 와 이것의 사용을 통제하는 규칙의 집합으로서 프로그램을 작성하는 데 활용된다. 그 프로그램은 의도된 작업을 로봇이 수행하는 데 필요로 하는 제어명령(지령)들을 제공한다.

이용할 수 있는 프로그래밍 언어는 많지만 대부분이 한 대 또는 불과 몇 대의 로봇에서만 사용되도록 제한되어 있다. 이러한 프로그래밍 언어의 대다수가 명시형 (explicit), 즉 각각의 지령어는 로봇에게 큰 작업의 일부로서 작은 단계의 일을(예를 들어, 그리퍼 (gripper))를 열어라) 하도록 지시하는 특정의 명령어이다. 그러나, 진보된 고급언어에서는 작업수준 (task level)에서 지령을 할 수 있다(예를 들어, 생산품 xyz 100개를 조립하라.)

고급언어는 베이직, C, 또는 C++과 같은 프로그래밍 언어로서, 컴퓨터의 기계어 (machine language) 에 의존하지 않는다. 고급언어에서는 영어에서 쓰이는 단어와 비슷한 워드를 사용하도록 고안되었다.

저급언어 (low-level language) 는 심볼릭 코드를 사용하는 프로그래밍 언어로서, 특정한 컴퓨터의 언어에 기초를 두고 있으며 어셈블러 (assembler) 로 하여금 그 언어를 다시 실제의 기계어로 번역하도록 하고 있다.

기계어는 고유한 기계 코드의 조합으로 이루어진 프로그래밍 언어로서 주어진 컴퓨터에 의해 곧바로 실행될 수 있다. 각 컴퓨터는 자신의 기계어를 가지고 있다. 기계어에서는 지령과 데이터가 2진수로 반드시 표기되어야 하기 때문에 오늘날의 프로그래머는 거의 기계어를 사용하지 않는다. 이와는 대조적으로 고급언어는 쉽게 기계어로 전환될 수 있기 때문에 선호되고 있다. 넓은 의미로 기계어를 어셈블리 언어라고 한다.

오늘날 설치된 대부분의 로봇의 프로그래밍에서는 언어 프로그래밍과 교시 펜던트 제어 프로그래밍의 조합 형태가 활용되고 있다. 고급언어 프로그래밍은 로봇의 동작에 대해 프로그램의 논리와 순차를 정의하는 데 이용되고 있다. 특정한 점의 위치 또는 작업공간 내에서의 배치는 교시 펜던트를 이용하여 정의된다.

최초의 로봇 프로그램 언어는 WAVE 이다. 이 언어는 Stanford 인공지능 연구소에 의해, 연구목적을 위한 실험적 언어로서 1973년에 개발되었다.

뒤이은 두 번째 언어의 개발도 역시 Stanford에서 1974년에 시작되었다. AL이라 불리는 이 언어는 여러 대의 로봇 팔을 조정하여 제어할 수 있다. Stanford arm 으로 알려져 있는, WAVE 와 AL의 개념은 최초의 상업적으로 이용가능한, 로봇의 문장언어의 개발로 이어졌다. WAVE 와 AL 언어의 조합체인 VAL 은 (스탠포드 암의 개발자인 Victor Scheinman의 이름을 따서 Victor's Assembly Language라고 하는 언어의 약어임) 1979년에 Unimation 사에 의해 PUMA 로봇 시리즈용으로 소개되었다. VAL II는 VAL 언어를 업그레이드시켜 1984년에 발표되었다.

그후로도 많은 다른 언어가 다양한 응용과 로봇 제어의 향상을 위해 개발되었다. 로봇 제작사의 숫자만큼의 로봇 언어가 존재한다. 산업체에서는 로봇 제작사들간의 프로그램의 호환성을 위한 표준이 여태까지 구축되지 않았다.

몇 가지의 많이 쓰이는 언어들과 그것들의 출처는 다음과 같다:

• ㆍ AML - IBM
• ㆍ HELP - General Electric
• ㆍ VAL & VAL II - Unimation ,Adept
• ㆍ RAIL - Automatrix
• ㆍ MCL - McDonnell Douglas
• ㆍ RPL - SRI
• ㆍ AL - Stanford University
• ㆍ AR-BASIC - American Cimflex
• ㆍ Robot-BASIC - Intelledex
• ㆍ Karel - GM, Fanuc Robotics
• ㆍ JARS - NASA's Jet Propulsion Laboratory
• ㆍ T3 - Cincinnati Milacron

비록 로봇 프로그래밍 언어들이 서로 다른 제조회사들에 의해 개발되었다고는 하지만, 대다수 언어의 구조는 비슷하다. J.J. Craig(1989) 에 따르면, 주요한 차이점은 키워드 (key words) 와 명령의 선택이다. 다음은 AL 과 KAREL로 작성된, 두 개의 예제 프로그램을 보여주고 있다:

AL 로 작성된 팰리타이징 응용 프로그램

KAREL 로 작성된 팰리타이징 응용 프로그램

 Gurver 와 Soroka (1988) 에 의해 작성된, 위의 두 가지의 예제 프로그램에서는 팰리타이징 작업에 대해 서로 다른 로봇 프로그래밍 언어로 어떻게 작성하는지에 대한 실제의 코드를 보여주고 있다.

이들 프로그램의 각각은 동일한 시나리오로 그 작업을 수행한다. 즉, r1열과 c1행의 팰릿 (pallet) 으로부터 부품을 집은 후, r2열과 c2행의 팰릿으로 그 부품을 갖다놓는 시나리오이다. 여기서 신호는 가득차 있거나 비어 있는 팰릿을 갖다놓거나 치워 버리기 위한 기다림 (wait) 에 대한 신호이다. 이 프로그램에서는 문서화하거나 프로그램 스스로 문서화하는 능력을 가지고 있음으로 말미암아 사용자들은 주의깊게 프로그램을 읽어봄으로써 프로그램을 이해할 수 있다.

기초 로봇 프로그래밍

로봇 프로그램은 3가지의 범주로 나누어진다:

1. 운영체제 (operating system) 프로그램

2. 응용(또는 사용자) 프로그램

3. 특수 프로그램

운영체제 프로그램은 로봇 시스템의 기본적인 운영을 제어한다. 로봇 제작사에 의해 개발된 운영체제 프로그램은 로봇의 일반적인 운영에 필요한 루틴 (routines) 을 로봇 제어기에 재공한다. 이러한 프로그램은 로봇의 운영체제에 손상을 주지 않고서는 사용자에 의해 변경될 수 없다.

응용 프로그램은 사용자나 (자신들의 필요에 의한) 응용을 만족시키기 위해 작성하는 프로그램이다. 이 프로그램은 관절 속도 데이터 및 기하학적인 위치에 대한 정보를 포함한다. 아울러 응용 프로그램에서는 로봇이 프로그램되어 있는 자리로 위치할 때에 특수한 정보를 로봇이 활용할 수 있도록 해준다.

특수 프로그램은 완전 자동화된 작업셀에 흔히 사용된다. 그 사용 목적은 셀 (cell) 제어기를 통해서 정보의 흐름을 프로그램하여, 생산환경에서 지능형 디바이스 (devices) 와 표준 프로그램 사이의 네트워크 통신을 구축하기 위함이다. 이러한 특수 프로그램은 특정한 응용을 위해 작성되거나 기존의 소프트웨어와 접목되어 개발되기 때문에 사용자 또는 제 3자에 의해 특수 프로그램이 만들어진다.

로봇 시스템을 위한 프로그램 개발은 다음 4가지 단계를 포함한다:

1. 사용된 로봇의 형태에 대해 정의함

2. 로봇의 작업을 정의함

3. 프로그램을 구성하기 위해 반드시 필요한 이벤트 (event) 의 순서를 규명함

4. 프로그램의 조건을 밝힘

사내용 (in-house) 프로그램을 만들기 위해서는 컴퓨터 프로그램에서와 동일한 절차가 적용된다. 그 프로그램은 먼저 위에서 개설한 4가지의 단계를 통해서 개발된 후 이것에 대응하는 순서도 (flowchart) 또는 유사코드 (pseudo code)(프로그램에 대한 설명을 열거한 것임)를 작성하여 프로그래밍 과정을 규명한다. 다음으로, 순서도는 기계어로 변환되고, 최종적으로는 그 프로그램은 로봇에게 교시해 주는 장치를 통해서 로봇 제어기로 입력된다. 최종 프로그램이 입력된 후, 메모리로부터 그 프로그램을 호출함으로써 저장되어 있는 (작업의) 단계들을 재연할 수 있다.

4. 로봇 프로그래밍의 단계

오늘날, 대부분의 산업용 로봇은 계층적인 (hierarchical) 제어 프로그램을 사용한다. 그러나, 작업지향적 (task-oriented) 프로그래밍을 향한 추세이며 이러한 경향은 프로그래밍 작업을 단순화시킨다. 4장에서는 계층적인 제어위치를 여러 개의 단계로 나누어서 논의한 바가 있다. 그림 4.2.1에서는 제어구조 및 그 계층구조가 어떻게 단순한 작업으로 분할되는지를 보여주고 있다.

그림 4.1 에 보인 바와 같이 로봇 프로그래밍과 로봇 시스템 제어의 4가지 기본단계에 대해 일부의 관계자(관계회사)들은 잘 알고 있기 때문에 이에 대한 논의를 간략히 하도록 하겠다.

단계 1 의 프로그래밍에서는 관절이나 축, 손에 의한 교시(수동 교시) 및 프런트-패널 프로그래밍 (front-panel programming) 을 통한 로봇 동작의 물리적 제어에 집중하고 있다. 입ㆍ출력은 이 프로그램에서는 통합되지 않는다. 이러한 프로그래밍 단계는 1970년대 초반에 통용되었다. 응용으로서는 일부 점 용접 (spot welding) 및 픽-플레이스 (pick-and-place) 작업을 들 수 있다.

단계 2 프로그램은 단순한 로봇 프로그래밍 언어로 작성되며 단계 2의 기법은 동작, 가지치기 (branching), 좌표변환 및 신호지령을 입력하는 데 프로그래머에게 도움을 준다. 단계 2프로그램도 역시 단계 1에서 제공할 수 있는 기능들 중의 일부인, 손에 의해 주도된 작동 (lead-by-hand operation) 및 제어 패널 운용 (control-panel operation)을 제공할 수 있다. 이러한 단계 2의 프로그래밍 기능은 단계 1시스템보다도 더 복잡한 사용자 프로그램 (user programs) 을 실행할 수 있도록 해준다. 대표적인 응용으로는 팰리타이징과 아크 용접을 들 수 있다.

[그림 4.1] 로봇 프로그래밍의 단계

단계 3 프로그램은 가장 현대적이면서 점차 발전하고 있는, 로봇 프로그래밍 방법이다. 이 프로그래밍 언어는 구조화된 구성, 충분한 수리적 기능, 외부의 로봇-경로 수정, 감시기능을 가진 컴퓨터-통신 지원을 포함하는 확장된 기능을 통합하고 있다. 단계 3 시스템은 낮은 두 개의 단계에서 찾아볼 수 있는 기능과 특징도 지원할 수 있기 때문에, 단계 3시스템은 단계 2의 응용을 다룰 수 있을 뿐만 아니라, 기계 비전 (machine vision) 을 포함하는 외부의 감지장치로부터 전달된 데이터에 기초하여 로봇 팔의 경로를 수정할 수 있다.

단계 4 프로그래밍의 주요한 기능은 사용자 명령어와 프로그램 구조로부터 무엇이 프로그래머에 의하여 일반적으로 작성된 것인지를 분간해 내는 것이다.

저비용 운용이 성공을 위해서 아주 중요한, 오늘날의 제조환경에서는, 사용자들은 자신들의 문제를 해결하기 위하여 좀더 높은 단계의 관리를 필요로 한다. 그러나, 각각의 좀더 높은 단계를 만족스럽게 수행하기 위해서는 좀더 복잡한 작업 명령어 및 좀더 높은 단계의 센서 (sensor) 정보가 필요하다. 단계 4에서의 프로그래밍은 다음의 특성을 지니고 있어야 한다:

1. 배치 (positioning) 명령을 위한 더 높은 단계의 제어

2. 경로제어 또는 로봇 동작이 명시되지 않으면 1의 사항이 반드시 결정되어야만 한다.

3. 자연 언어 (natural language) 로 프로그래밍이 허용될 것

4. 모델링 시스템은 로봇이 대상물 (objects) 을 기억할 수 있도록 지원할 것

5. 프로그래밍에서는 사고 없는 동작이 가능하도록 할 것

6. 로봇 교육은 간단할 것

그러나, 오늘날 단계 4에서 몇 가지의 제한된 프로그래밍은 가능하다. 단계 4의 시스템에 대한 엄청난 연구가 대학교와 기업체 연구소에서 진행되고 있지만, 그러한 시스템이 구현되기에 앞서서 훨씬 더 많은 연구가 필요하다. 산업의 응용 측면에서는 단계 3의 로봇 프로그래밍이 오늘날 가장 빈번히 사용되는 방법이다. 그림 4.2에서는 구조화된 (structured) 프로그래밍 언어에 의해서 로봇 시스템이 조정되고 있음을 보여주고 있다.

단계 2 프로그래밍 시스템의 발전된 좋은 예는 VAL-II이다. VAL-II 프로그래밍 시스템은 Unimation사에 의해서 개발되었으며, 일부의 단계 3 시스템 기능을 제공한다. 그림 4.3에 의하면, 기본 하드웨어는 표준 19인치 Q-bus 백플레인 (backplane), 서보제어 시스템, 궤적-인간-인터페이스 서브시스템 (trajectory-human-interface subsystem), 그리고 전원공급 시스템으로 구성되어 있다. VAL-II는 초기의 VAL-I을 보강한 것으로서 64K 바이트의 C-MOS 메모리(초기 VAL-I의 약 두배) 를 가지고 있다. 또 다른 64K 바이트의 C-MOS 메모리는 운영체제을 포함하고 있으며, 한 디스켓당 10,000개의 프로그램 단계, 또는 약 1 메가바이트의 메모리에 해당되는 것을 저장할 수 있다. VAL-II는 또한 사용자에게 8개의 이용가능한 직렬 포트 (serial port) 를 제공한다.

[그림 4.2] 구조화된 프로그래밍 언어에 의하여 로봇 시스템이 조정되는 다이어그램

더욱이, VAL-II 운영체제는 시분할 (time-sliced) 제어 전략을 사용한다. 운영 중에는 각각의 주요한 시간 사이클의 반 정도는 팔-궤적 (arm-trajectory) 계획 및 계산에 소요된다. 남은 부분의 시간 사이클은 CRT 인터페이스, 감독기능을 위한 컴퓨터 인터페이스, 외부경로의 변경, 모니터 -명령 실행, 주 프로그램 단계 실행, 프로세스-제어 (process-control) 단계 실행 등을 위한 시간대 (time slots) 로 나누어져 있다. 각각의 주요 사이클 시간의 할당된 시간대 동안에 각 작업을 수행하도록 스케줄 되어 있다. 이렇게 함은 시스템이 중요한 시간대의 이벤트 (event) 에 대해 최대한 신속히 대응할 수 있도록 확실히 해두기 위함이다. 어떠한 이벤트에 대해서도 발생한지 28ms(milliseconds) 이내에 그 이벤트를 수신하여 이에 대해 작용하도록 한다.

경로 변경은 Alter라고 하는 인터페이스를 사용하여 이루어진다. RS-232C 표준 인터페이스는 이 목적으로 사용된다. RS-232C는 주변장치를 CPU로 연결하기 위한 통신 표준 컴퓨터 인터페이스로서 직렬 전송 (serial transmission) 의 요구사항을 만족시키도록 특수하게 설계된 것이다.

로봇 경로는 두 개의 모드 (modes), 즉 기준모드 (world mode) 또는 공구모드 (tool mode) 에서 변경될 수 있다. 기준 좌표 모드는 각 로봇의 디폴트 절차 (default procedure) 에 의하여 미리 결정된, 고정된 x, y, z 방향을 참조한다. 그림 4.4 는 직각 좌표계를 이용하는, 로봇의 기준 좌표계를 보여준다. 공구좌표 모드는 로봇이 임의의 순간에 가리키는 방향을 참조한다. (그림 2.3.9와 2.3.10은 이 두 가지 모드의 위치를 가리킨다.)

간단하게 "WHERE" 라는 명령어를 사용하여 실시간으로 로봇 동작을 볼 수 있다. 이 명령어에 의해 x, y, z 방향으로 직각좌표의 위치 오프셋과 이 3개의 축에 대한 각각의 회전각도로 이루어진 데이터가 CRT 화면에 나타난다. 그림 4.5는 실시간 제어 시스템에서의 명령어와 상태정보에 대한 이러한 흐름을 잘 보여주고 있다. 비전 시스템 (vision system) 은 기계 비전 시스템의 시야 (field of view) 로부터 받아들인 데이터를 이용하여 로봇의 위치를 수정한다.

[그림 4.3] VAL-II로봇 제어 시스템. Unimation 사에서는 Q-bus를 사용하여 마이크로프로세서인 LSI-11을 시스템의 구성요소로 연결한다. J-bus를 사용하여 64K 바이트의 사용자 메모리를 프로세서-제어 시스템에 연결한다.

[그림 4.4] 원점으로부터의 직각 좌표계로서, 구형 (spherical) 및 수직 다관절형 머니퓰레이터에 규명된 기준 좌표계

[그림 4.5] 실시간 제어 시스템에서의 명령과 상태정보의 흐름

VAL-II 도 또한 네트워크 통신에서 Digital Equipment사에 의해 사용되는 Digital Data Communication Message Protocol (DDCMP)을 통해 감시기능을 가진 컴퓨터 시스템과 인터페이스될 수 있다. 물리적인 접속은 초당 9,600 비트로 작동되는 표준 RS-232C 직렬 링크 (serial link) 이다.

어떠한 로봇 동작을 포함하지 않는 이면작업인 프로세스 제어 프로그램도 VAL-II 시스템에서 동작 제어 프로그램과 함께 동시에 실행될 수 있다. 프로세스 제어작업도 "WHERE" 명령을 사용함으로써 로봇 경로를 실시간으로 수정하는 데 이용될 수 있다. 이러한 경로 수정에 대한 계산은 VAL-II시스템 내부에서나 또는 다양한 외부입력을 기초로 해서 이루어질 수 있다. 이와 같은 프로그램은 표 1에서 볼 수 있다.

프로그램 진술문 (program statement) 은 여러 개의 명령어들의 순서들을 의미한다. 즉, 명령어들의 순서들은 VAL-II 언어와 함께 사용자 프로그램 부분들을 논리적으로 잘 조직하여 그것들이 실행되는 순서를 제어하는 데 이용될 수 있다. 이러한 프로그램 진술문은 IF..THEN...ELSE...END, WHILE..DO..END, DO...UNTIL, 그 밖의 다른 것들도 포함한다. IF..THEN...ELSE...END의 형태 (format) 는 키워드 (key word) END 가 진술문의 순서의 끝을 표시하기 위해 사용된다는 점을 제외하고는 통상의 의미와 동일하다. 이와 동일한 키워드,즉 END는 WHILE...DO 명령 순서의 끝에도 사용된다. DO...UNTIL 명령은 WHILE...DO 진술문에 대해서는 역순으로 작용한다. 왜냐하면 논리적 조건은 진술문이 실행된 후에 판단되기 때문이다. 표 2는 이와 같은 프로그램 진술문의 예를 보여준다.

[표 1] X-Y 평면에서 원을 그리고 Z 평면에서 그것을 수정하기 위한 VAL-II 프로그램

VAL-II도 역시 진행동작 능력을 가짐으로서 사용자로 하여금 로봇 동작을 수학적 식으로 정의할 수 있도록 해준다.

앞으로의 VAL-II의 확장에서는 매개변수 (parameter) 를 서브루틴에 넘겨줄 수 있는 능력을 보유함으로써 사용자로 하여금 그들에게 친숙한 언어로 일할 수 있도록 해준다. 또한, 이 확장을 통해서 로봇을 용접 포지셔너 (positioner) 및 겐트리 (gantry) 시스템과 조화되도록 동작시키고 인터페이스시킬 수 있는 능력이 향상될 것이다. 로봇이 용접을 하고 있는 부품을 붙들고 있는 용접 포지셔너는 로봇의 동작범위가 용접할 전체의 영역에 충분히 미치지 못할 때에 사용된다.

[표 2] 구조화된 VAL-II 프로그램(Structured VAL-II program)

5. 공간 위치 프로그래밍

3장에서 논의한 대로, 4가지의 기본적인 로봇 골격이 있다: 극좌표형, 원통형, 직교좌표형, 다관절형 팔 (arm). 각각의 골격에서는 팔 및 몸체 형상과 관련된 3개의 축이 있고 손목과 관련된 2개 또는 3개의 추가 축 (additional axes) 이 있다. 팔 및 몸체 관절은 말단장치 (end effector) 의 공간에서 일반적인 위치를 결정하고, 손목은 말단장치의 방위 (orientation) 를 결정한다. 로봇 프로그램에서 공간상의 한 점을 말단장치의 위치 및 방위로 간주하면, 로봇이 그 점에 도달하는 데 사용될 수 있는 관절 좌표값의 집합은 일반적으로 한 개보다 더 많다. 예를 들면, 그림 5.1에 보여진 다관절형 로봇이 목표점에 도달하는 데 사용될 수 있는 관절 형상은 두 가지이며 이 중 하나를 택할 수 있다. 그 점에 관한 손목의 방위에는 차이가 있다. 따라서 공간상에 한 점을 규명한다고 해도 로봇의 관절 좌표를 유일하게 정의할 수는 없다.

[그림 5.1] 목표점에 도달하기 위한 양자택일 형태의 축 형상

두 개의 축 및 각 축에 대해 두 개의 접근 가능한 점을 가진 지점간 (point-to-point) 직교 좌표형 로봇을 프로그래밍한다고 하자. 로봇의 작업공간과 프로그램의 시퀀스를 결정하라.

풀이

그림 5.2 는 로봇의 사각형 작업공간에서 가능한 4점을 보여주고 있다. 이 로봇이 좌측 하단에서 출발해서 사각형 작업공간의 주변을 경유하는 프로그램이 표 A에 작성되어 있다. 점의 지정은 그림 5.2에서 보듯이 직교좌표 시스템의 x, y 좌표 위치에 대응한다.따라서 이 예제에서는 공간에서 정의된 점의 정의는 관절 좌표값과 정확하게 일치한다.

[그림 5.2] 예제 1의 로봇 작업공간

예제 1과 동일한 로봇을 사용하여 표 B에 보여진 프로그램을 수행하라.

풀이

이 프로그램은 우측 상단의 점(2,2) 가 빠져 있다는 것을 제외하고는 예제 9.1과 동일하다. 이 프로그램에서는 점 2,1에서 1,2로 움직이기 위해서는 두 개의 관절 모두가 움직여야 한다.

다음의 질문이 떠오른다. 즉, 로봇이 첫 번째 점에서 두 번째 점으로 움직일 때 어떤 경로를 따라갈 것인가? 한 가지 가능성은 두 축 모두가 동시에 움직여서 로봇이 두 점 사이의 대각선을 따라 경로를 추적하도록 하는 것이다. 따라서 로봇이 따라가는 경로 사이의 대각선을 따라 경로를 추적하도록 하는 것이다. 따라서 로봇이 따라가는 경로는 느린 동작을 (3장에서 서술한 바와 같이) 포함하고 있다.

그 경로는 그림 5.3에 보인 바와 같이 대각선을 따라가는 것이다. 예제 9.2에서 앞서 토론한 바와 같이 프로그래머는 어떤 형태의 로봇에 대해서는 프로그램 내에서 실제로 그 점들을 포함시키지 않고도 그 로봇으로 하여금 그 점들을 지나도록 프로그래밍할 수 있다. 중요한 구절은 지나간다 (pass through) 는 것이다. 이 점들은 프로그램 내에서 언급할 수 있는 점들이 아니고 로봇이 접근 가능한 점이라는 의미에서 그 점들을 실제로 꼭 지나간다는 것은 아니다.

[그림 5.3] 예제 2에 대한 로봇 경로

공간에서 위치를 정의하는 방법

로봇 형상에 관계없이, 프로그래머가 교시 모드 동안에 로봇의 팔과 손목을 작동시키기 위해 사용할 수 있는 방법에는 여러 가지가 있다. 공간에서 위치를 정의하는 세가지 방법은 다음과 같다.

1. 관절의 움직임에 의해

2. x, y, z 좌표계의 동작에 의해(기준좌표라고도 불려짐)

3. 공구 좌표계의 동작에 의해

관절 동작방법은 가장 기본적이며 보통 교시 펜던트에 의한, 각 관절의 동작을 포함한다. 이러한 교시 점 (teaching points) 의 방법은 흔히 관절 모드 (joint mode) 로 지칭된다. 순차적인 점들을 정의하기 위해 이러한 방법으로 로봇 팔에 대해 연속적으로 위치를 잡는 것은 아주 지루하고 로봇을 프로그래밍하는 데 시간 낭비이다.

x, y, z 좌표 운동 또는 기준모드 (world mode) 를 이용하면 손목의 위치는 로봇 몸체 내의 어떤 위치에 원점을 둔, 전통적인 직교좌표 시스템을 이용해서 정의될 수 있다. 직교 좌표계 로봇의 경우 이러한 방법은 사실상 프로그래밍의 관절 모드와 동등하다. 극좌표형, 원통형, 다관절형 로봇에 대해서 제어기는 로봇의 회전 관절운동을 직교좌표 시스템으로 전환하기 위해서는 일련의 수학방정식을 반드시 풀어야 한다. 프로그래머는 제어기가 수행하고 있는 (전환에 필요한) 실질적인 계산에 관심을 가질 필요성을 못 느끼도록 이러한 전환이 이루어지고 있다. 공간에서 x, y, z 점을 정의하는 방법은 그림 4.4에 잘 설명되어 있다.

공구 좌표운동은 x-y 평면이 손목의 면판 (faceplate) 과 평행하도록 방향지어지고 공구 좌표계의 원점은 손목상의 어느 점에 위치하는 직교좌표 시스템으로 정의될 수 있다. 그림 2.3.9와 2.3.10에서 보여진 바와 같이, z축은 면판과 수직하면서 공구와 같은 방향을 가리키도록 설정된다.

운동을 관절 좌표에서 기준 좌표 또는 공구 좌표로 변경시키는 것에 대한 물리적인 한계 및 특징은 다음과 같다.

관절운동은 연속적인 점들로 정의된 대형 작업공간 때문에 로봇을 프로그래밍하는 데에는 지루하고 시간 낭비적이다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 많은 로봇에서는 기준 좌표계를 적용하여 보다 작은 사각형의 작업공간을 변환시키도록 함으로써 교시 모드 (teach mode) 동안에 x, y, z 좌표 운동을 하도록 로봇이 제어되고 있다. 이렇게 함으로써 프로그래머는 제어기가 수행하고 있는 본질적인 계산에는 관심을 가질 필요가 없어진다. 일반적으로 손목은 제어기에 의해 일정한 방위로 유지되고 있다.

공구의 움직임에서는, 연속적인 점들에 의해 정의된 작은 작업공간 때문에, 프로그래머가 공구 동작을 활용하여 방위를 정의할 수 있도록 하기 위해서 제어기는 상당한 분량의 계산을 반드시 수행해야만 한다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 프로그래머는 앞서서 언급했던 동일한 절차들을 적절한 동작과 점을 정의하는 데 적용할 수 있다.

그러므로 전술한 바에 따르면 프로그래밍은 실행 동작과 관계없음을 분명히 알 수 있다. 프로그래머는 어떤 형태의 로봇에 대해서는 프로그램 내에서 어떤 점들을 실제로 포함하지 않고서도 그 점들을 경유하게 할 수 있다.

점을 정의하는 이유

프로그램에서 점들을 정의하는 2가지 중요한 이유는 다음과 같다:

1. 말단장치의 작업위치를 정의하기 위해

2. 장애물을 회피하기 위해

첫 번째의 범주는 가장 솔직한 이유이다. 이러한 경우는 로봇이 주어진 위치에 있는 부품을 집어 올리거나 지정된 위치에서 점 (spot) 용접을 수행하도록 프로그램된 경우이다.

각각위치는 프로그램 내에서는 점으로 정의된다. 이 범주는 또한 작업 사이클에서 요구되는 안전한 위치도 포함한다. 두 번재 범주는 공간상에서 로봇이 추종해야 할, 한 개나 그보다 많은 점들을 정의하는 데 이용된다. 이렇게 함으로써 로봇이 작업 셀 내에 위치한 다른 물체들과 충돌하지 않게 될 것이다.

속도 제어

대부분의 로봇의 프로그램이 실행되는 동안 운동속도를 조절한다. 교시 펜던트상의 하나 또는 여러 개의 다이얼을 사용하여 프로그램의 부분부분마다 속도를 설정할 수 있다. 말단장치가 작업셀 내의 장애물에 가까이서 움직일 대는 상대적으로 느린 속도로 작동하고, 장애물이 없는 먼 거리를 이동할 때는 더 빠른 속도로 작동하는 것이 좋은 관계로 생각된다.

속도는 walk-through 방법을 통해 프로그램된, 로봇의 말단장치 끝의 선형 속도 (linear velocity) 로는 일반적으로 주어지지 않는다. 여기에는 여러 가지 이유가 있다. 첫째, 로봇의 말단장치의 선형 속도는 한번에 몇 개의 축이 움직이고 그 축들이 어느 축인지에 따라 다르기 때문이다. 둘째, 극좌표계 로봇의 종단 (top) 속도는 팔이 완전히 접힌 위치보다 팔이 완전히 펴진 위치일 대 훨씬 더 크기 대문이다. 마지막으로, 로봇의 속도는 가속도와 감속도의 힘 대문에 로봇이 들고 있는 부하 (load) 의 영향을 받기 때문이다. 이 모든 이유로 말미암아 제어 컴퓨터를 이용하여 손목관절 끝의 속도를 결정하도록 프로그램하고자 할 때 상당한 계산상의 난관을 초래한다.

6. 운동 보간법

여러 개의 독립변수들의 이산값에 대응하는 종속변수의 값들이 알려져 있을 때, 독립변수들의 함수인 종속변수의 중간값을 예측하는 데 이용되는 처리과정을 보간법 (interpolation) 이라고 한다.

각 축에 8개의 접근 가능한 (addressable) 점들이 있는, 2축 서보제어 직교좌표형 로봇을 프로그램한다고 가정하자. 따라서, 작성될 프로그램 내에서는 총 64(= 8 × 8)개의 접근 가능한 점들이 있을 것이다. 작업공간은 그림 6.1에 보여져 있다.

[그림 6.1]  8 × 8개의 접근 가능한 점을 지닌 로봇 작업영역

풀이

축의 크기는 앞에서 설명한 제한 시퀀스 로봇 (limited sequence robot) 의 것과 동일하다고 가정하면, 2축 서보제어 직교좌표형 로봇으로 하여금 예제 9.1과 동일한 작업 사이클을 수행하도록 하는 프로그램은 다음의 설명을 통해서 작성될 수 있다.

(예제 9.2와 비슷한) 이 프로그램에서 step 3을 제거한다면 서보제어 로봇은 점 (8,1)에서 점 (1,8) 까지 대각선의 경로를 따라서 step 4를 실행한다. 이 과정을 보간법이라고 한다.

3장에서 언급한 바와 같이, 로봇이 한 점에서 다른 점으로 이동하는 것을 규명하기 위한 보간법에는 여러 가지의 다른 방법이 있다. 많은 로봇에서 프로그래머는 어떠한 형태의 보간법을 사용할 것인지를 지정할 수 있다. 사용 가능한 보간법은 다음과 같다:

1. 관절 보간법

2. 직선 보간법

3. 원형 보간법

4. 불규칙하지만 부드러운 동작(수동의 교시 펜던트 프로그래밍)

상업적으로 이용할 수 있는 많은 로봇들에 대해서 관절 보간법은 제어기가 사용할 수 있는 디폴트 (default) 방법이다. 즉, 프로그래머가 직선 또는 어떤 다른 형태의 보간법을 지정하지 않는다면 제어기는 두 점 사이의 관절 보간된 동작을 취할 것이다.

원형 보간법은 프로그래머가 로봇의 작업공간 내에서 원 (circle) 을 정의할 것을 요구한다. 원의 정의는 원주상에 위치한 3개 또는 4개의 점들을 지정해 줌으로써 간편하게 해결된다. 그 다음에는 제어기가 정의된 원에 가장 가까운, 접근 가능한 점들을 선택함으로써 근사 원이 구성된다. 로봇에 의해 만들어지는 움직임은 실제적으로는 짧은 직선부분으로 이루어져 있다. 그래서, 원형 보간법은 원의 선형적인 근사값을 만들어 낸다. 만약 접근 가능한 점들의 눈금이 충분히 조밀하면, 선형 근사값들은 꼭 진짜 원처럼 보일 것이다. 원형 보간법은 교시 펜던트 기법보다는 프로그래밍 언어에 기초한 방법을 이용하면 곧바로 쉽게 프로그램된다.

수동 교시 팬던트 프로그래밍에서, 프로그래머가 머니퓰레이터 손목관절을 움직여서 스프레이 도장 (spray painting) 또는 아크 용접을 교시할 대, 그 손목관절의 움직임은 전형적으로 부드러운 동작 구획 (segment) 의 조합으로 이루어져 있다. 이러한 구획은 때때로 직선 근사, 때때로 곡선 근사, 그리고 때때로 전후 (back-and-forth) 운동 근사이다. 이러한 움직임을 불규칙하지만 부드러운 동작으로 지칭하고 있으며 이러한 동작을 얻기 위해서는 보간 과정이 관련되고 있다. 프로그래머가 교시한, 불규칙하지만 부드러운 모양을 근사시키기 위해서는 운동경로는 연속하면서 조밀하게 위치한 점들로 분할되어 있으며 이 점들은 제어기 메모리에 기억된다. 이 위치(점)들은 프로그래밍 동안에 추종하게 될 경로에 가장 근접하는 점들로 이루러진다. 보간 경로는 수천 개의 개별 점으로 구성되어 있으며, 곧이어 프로그램 실행 동안에 로봇이 이 점들을 재생해야만 한다.

7. 프로그램 진술문

로봇은 일반적으로 작업공간 내에서 다른 어떤 무엇과 더불어 작업을 한다. 간단한 경우에는 그 무엇이 로봇의 작업 사이클의 실행 동안에 로봇이 집어 올리거나, 움직이거나, 떨어뜨리는 부품일 수 있다. 좀더 복잡한 경우에는 로봇은 작업셀 (workcell) 내에서 장비의 다른 부분과 함께 작업하게 될 것이며, 다양한 장비의 활동은 반드시 조정되어야 한다.

거의 모든 산업용 로봇은 프로그램이 실행되는 동안, 신호를 보내거나 신호를 기다리도록 지령을 받을 수 있다. 이러한 신호를 가끔 인터록 (interlock) 이나 프로그램 진술문이라고 한다. 인터록 신호의 가장 일반적인 형태는 로봇의 말단장치 (end effector) 를 작동시키는 것이다. 그리퍼 (gripper) 의 경우, 이 신호는 그리퍼를 열거나 닫는  것이다.

이러한 조정을 하기 위해서 프로그램을 하는 동안 사용할 수 있는 두 가지 명령어를 소개한다. 첫 번째 명령어는 SIGNAL M으로서 M선(여기서 M은 로봇 제어기에 이용될 수 있는 여러 개의 출력선 중의 하나임)을 통해 신호를 출력하도록 로봇 제어기로 명령하는 것이다. 두 번째 명령어는 WAIT N으로서 로봇이 N선(여기서 N은 로봇 제어기에 이용될 수 있는 여러 개의 입력선 중의 하나임)상에서 신호를 받을 때까지 현재 위치에서 로봇이 기다리도록 지시하는 것이다.

표 C에 보여진 프로그램은 그림 7.1에서 보여진 바와 같이, 프레스 탈착 (unloading) 작업을 수행하기 위한 것인데, 여기서 그리퍼는 열린 위치 (open position) 에서 시작하도록 한다.

[그림 7.1] 예제 9.4에 대한 프레스 탈착작업

풀이

프로그램에서 각 단계는 순서대로 실행되며, 그 의미는 로봇이 그 앞의 단계에서 지시한 지점으로 움직이기 전까지는 SIGNAL 과 WAIT 명령어는 실행되지 않는다는 것이다. 그리퍼의 작동은 즉시 이루어진다고 가정함으로써, 프로그램에서 다음 단계가 시작되기 전에 그리퍼의 작용이 완료될 수 있을 것이다.

이 문제에 접근하는 또 다른 방법은 다음 단계로 지행하기 전에 로봇을 지연시키도록 하는 것이다. 이 경우에 그 지연의 작동이 확실히 일어나도록 하기 위해 지정된 시간 동안 로봇이 기다리도록 프로그램될 것이다. 이 두 번째 경우에 대한 명령어 형태는 입력선 (input line) 이라기보다는 그 명령어의 변수로서 다음에 보여진 바와 같이 시간의 길이를 가진다:

DELAY X SEC

이 명령어는 프로그램에서 다음 단계로 진입하기 전에 로봇이 X초를 기다려야 함을 나타낸다.

그리퍼가 열릴 것인지 닫힐 것인지를 확실히 해두기 위한 수단으로서 지연시간을 사용하는, 예제 9.4의 수정판 (modified version) 이 표 D에 보여져 있다.

8. 예제 프로그램

그림 8.1에 보여진 로봇에 대해 고려해 보자.이 로봇은 전기구동, 오버헤드 겐트리 (overhead gantry) 형태로서 접촉센서 기술을 활용하고 있다. 설계된 대로, 이 기계는 완전히 구비된 워크스테이션 (workstation) 으로서 독자형 (stand-alone) 또는 통합형 조립라인 형태로 이용될 수 있다. 이것은 디스크 드라이브, 인쇄회로기판 (PCB: printed circuit board), 배선설비, 원거리 통신장비, 전기기계 장치의 조립용으로 이용되는 등의 높은 수준의 다양성을 가지고 있다. 나중에는 자동 레이저 검사가 이 시스템에 추가될 것이다.

[그림 8.1] 광학 센싱 및 스트레인 게이지 센서를 통합한, 그리퍼가 있는, 지능형, 고정밀 부품-조립용 로봇(자료: Adaptive Intelligence Corp.)

그림 8.1에서 보듯이, 지능형 그리퍼 ("Adaptive Touch"^TM) 에서는 두 가지 기술, 즉 광학 센싱 (sensing) 기술 및 힘-센싱 (force-sensing) 경계값을 3개의 사각 축으로 프로그램하는 스트레인 게이지 (strain gauge) 설계기술이 통합되어 있다. 공차를 벗어난 부품이나 적합한 방위를 가지지 못한 부품은 신속히 검출하여 로봇으로 하여금 필요한 조치를 취하도록 한다. 지능형 그리퍼는 특별한 조립작업을 인식하여 수용하기 위해서는 그리퍼로 프로그램되어 있는 특정한  "힘 서명 (force signature)" 에 기초를 둔 지능적인 작동을 한다. 이 기계의 설계에서는 3, 4, 6축의 팽창 모듈러 형상 (expandable modular configuration) 이 존재한다. 이 축들은 최고속도 40 인치/초에서, 각각 9, 15, 17파운드의 적재하중 (payload)을 취급한다. 6개의 축들의 요서는 3개의 선형 축 (x, y ,z) 과 3개의 회전 축 (yaw, pitch, roll) 으로 구성되어 있다. 모두 DC 서보모터에 의해 구동된다. 정확도 (accuracy) 와 반복 정밀도 (repeatability) 는 각각 ±0.002와 ±0.001인치이다. 분해능 (resolution) 은 0.0005 인치로 밝혀져 있다.

교시 펜던트 (teach pendant) 는 생산라인의 변화를 수용하기 위해 온라인 프로그래밍과 재 프로그래밍용으로 제공된다. 손에 들 수 있는 도구로 말미암아 생산요원은 모든 로봇의 움직임, 시간지연, 자체보정 (self-calibration) 을 위한 고급 명령어를 제어할 수 있고 복잡한 서브루틴을 호출할 수 있다.

교시 펜던트를 지원하는 것은 IBM 호환 컴퓨터를 이용하는 온라인 및 오프라인 프로그래밍도 포함하며 Adaptive Intelligence 사의 AAMPL (Adaptive Assembly Machine Programming Language) 가 대표적인 예이다. 프로그램은 온라인으로 상호 작용하면서 작성되고 시험되거나 오프라인으로 작성되어 실제의 구현을 위해 디스크로부터 다운의 요소로 구성되어 있다: (1) 교시 펜던트, (2) 로봇 프로그래머, (3) 로봇 제어기, (4) 로봇 파워 섀시 (power chassis).

AAMPL 프로그램은 표 3에서 묘사한 것처럼 세 가지의 가능한 상황을 준비한다. 표 4는 예제 로봇 프로그램이다. 그리고 표 5 와 6 은 입ㆍ출력 제어 진술문 (statements) 을 가진 로봇 제어에 대한 요약이다.

[그림 8.2] 4가지 별개의 서브시스템으로 구성되어 있는 AAMPL 시스템의 구조(자료:Adaptive Intelligence Corp.)

[표 3] 3개의 주요한 설치를 위한 AAMPL언어의 적용

[표 4] AAMPL 언어가 있는 예제 로봇 프로그램

[표 5] AAMPL 프로그래밍 언어를 가진 로봇 제어의 요약

[표 6] AAMPL 프로그래밍 언어를 가진, 입ㆍ출력 제어문

9. 요 약

이 장에서는 로봇 프로그래밍이란 주제에 대해 살펴보았다. 프로그래밍은 로봇 기술에서 가장 향상된 영역 중의 하나이다.

프로그래밍은 특별한 문제를 해결하기 위한, 자세하고 순차적인 작동지령 (operating instructions) 을 준비하고, 그것의 정확성을 확실히 해두기 위해 시험해 보고, 디지털 컴퓨터상에 이것을 실행하기 위해 문서화 (documentation) 를 준비하는 과정이다.

로봇 프로그래밍은 머니퓰레이터가 움직이도록 지시를 받은 공간에서의 경로로서 정의될 수 있다. 프로그램은 프로그래밍 지령이 논리적으로 잘 배열된 집합이다.

로봇에 대한 프로그램은 두 개의 범주로 세분화된다: 로봇에게 어떤 일을 어떻게 할 것인지에 대해 알려주는 운영체제 프로그램과 로봇에게 어떤 일을 언제 할 것인지에 대해 알려주는 응용 프로그램. 로봇의 지능은 운영체제로부터 나온다. 로봇 운영체제는 기계적인 것에서부터 매우 정교한 다중 프로세서 디지털 컴퓨터에 이르기까지 다양하다. 로봇 운영체제의 능력은 제어기의 형태, 로봇 팔의 형상, 그리고 로봇 훈련방법에 따라 다르다.

제어기 메모리로 프로그래밍 명령어를  입력시키는 방법에는 5가지가 있다: 수동, 교시 펜던트, walk-through, 컴퓨터 단말기, 그리고 오프라인.

로봇 프로그래밍 언어는 단어들 (words) 과 그 단어들을 지배하는 규칙의 집합으로서 프로그램의 구성 (construction) 에 활용된다.

대다수의 특별한 프로그래밍 언어는, 즉 기계적 언어 (mechanical language), 기계어 (machine language),어셈블리어 (assembly language), 그리고 BASIC, COBOL, C 와 같은 고급언어는 로봇 운영체제 프로그램을 작성하는 데 이용될 수 있다.

기계적 설정을 통한 프로그래밍에서는 로봇 제어기가 할 일은 최소인 반면에 작업 프로그래밍은 최대가 된다. 로봇을 프로그래밍하고 시스템을 제어하는 데에는 4가지 단계가 있다:

1. 관절 제어 (joint control)

2. 초기의 동작 (primitive motion)

3. 구조화된 구성 (structured construct)

4. 작업 지향적 (task-oriented)

기계적 설정에 의한 단계 1 프로그램에서는 로봇 제어기가 해야 될 일이 가장 작고, 작업 지향적 프로그래밍인 단계 4에서는 로봇 제어기가 해야 될 일은 최대가 된다.

현재, 가장 빈번히 사용되는 방법은 단계 3의 구조화된 프로그래밍 범주이다. 센서로부터 정보를 받아 해석하는 일을 시스템의 지능에 대한 요구를 더 한층 증가시켰다.