KR101465705B1 - 안정화 장치가 구비된 로봇 및 로봇의 안정화 방법 - Google Patents

Abstract

안정화 장치가 구비된 로봇이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇은, 관절이 형성되어 구동가능하게 마련되는 안정화 장치가 구비된 로봇으로서, 로봇의 현재 위치를 검출하는 위치검출유닛; 위치검출유닛으로부터 검출된 현재 위치와, 로봇의 목표 위치와의 오차에 기초하여 로봇의 위치를 제어하는 제어유닛; 및 로봇에 결합되어 로봇이 장애물과 접촉하는 경우의 외력을 측정하는 힘센서를 포함하며, 제어유닛은, 로봇이 장애물과 접촉하여 장애물로부터 로봇으로 제공되는 외력이 힘센서를 통해 측정된 경우, 로봇의 안정화를 위해 외력으로부터 발생되는 에너지를 소모하도록 마련된다.

Description

안정화 장치가 구비된 로봇 및 로봇의 안정화 방법{ROBOT HAVING A STABILIZATION APPARATUS AND METHOD FOR STABLIZING ROBOT}

본 발명은, 안정화 장치가 구비된 로봇 및 로봇의 안정화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 로봇의 응답 속도가 빠르면서도 시스템이 안정적인, 안정화 장치가 구비된 로봇 및 로봇의 안정화 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 작업자에게 유해하거나 작업자가 접근하지 못하는 공간에서의 작업을 위해 다양한 종류의 로봇이 사용되고 있다.

이때, 로봇이 물건을 옮기거나 이동하는 경우, 로봇은 물건 등의 환경과 접촉하게 되는데, 이러한 환경과의 접촉시 로봇 또는 환경이 파괴될 수 있으므로, 로봇이 환경에 접촉시 외력에 순응하여 동작하도록 하는 연구가 진행되고 있다.

여기서, 로봇이 환경에 순응하도록 제어하는 기법으로서 임피던스 제어가 사용될 수 있다. 임피던스 제어는 외력에 대해 지정된 임피던스를 만족하도록 로봇의 위치를 변경시키는 제어 기법이다.

보다 구체적으로는, 로봇이 외부 환경과 접촉이 요구되는 작업을 진행할 때, 로봇의 말단부와 작업대상간의 통합된 운동관계를 표현한 것을 임피던스(Impedance)라고 하며, 이를 제어하는 것을 임피던스 제어라고 한다.

한편, 임피던스 제어에서 중요한 이슈 중의 하나는, 로봇이 환경과 접촉하는 경우에 있어 제어 시스템의 안정성이다. 예를 들어, 로봇이 오버 댐핑(Over Damping)을 갖도록 설계되었더라도, 큰 스프링 상수를 가지는 견고한 벽 등에 부딪히게 되면, 로봇은 언더 댐핑(Under Damping)으로 동작할 수 있으며, 이에 의해, 로봇의 전체 시스템 및 동작 특성이 불안정해지는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 로봇의 감쇠율을 증대시키는 방식이 사용될 수 있지만, 로봇의 감쇠율을 증대시키게 되면 로봇의 제어 시스템 응답이 느려진다는 단점이 있다.

따라서, 제어 시스템의 응답 속도가 빠르면서도 제어 시스템이 안정한 로봇의 연구가 필요한 실정이다.

대한민국등록특허 등록번호:제10-0238983호(공고일자:2000년04월01일)

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 로봇의 장애물 접촉시 발생하는 에너지를 소모하도록 마련되는 것을 통해, 기준 임피던스의 감쇠율을 낮게 설정하여 빠른 응답 속도를 가지는 경우에도 안정적인 응답 특성을 가질 수 있는 안정화 장치가 구비된 로봇 및 로봇의 안정화 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 관절이 형성되어 구동가능하게 마련되는 안정화 장치가 구비된 로봇으로서, 상기 로봇의 현재 위치를 검출하는 위치검출유닛; 상기 위치검출유닛으로부터 검출된 현재 위치와, 상기 로봇의 목표 위치와의 오차에 기초하여 상기 로봇의 위치를 제어하는 제어유닛; 및 상기 로봇에 결합되어 상기 로봇이 장애물과 접촉하는 경우의 외력을 측정하는 힘센서를 포함하며, 상기 제어유닛은, 상기 로봇이 장애물과 접촉하여 상기 장애물로부터 상기 로봇으로 제공되는 외력이 상기 힘센서를 통해 측정된 경우, 상기 로봇의 안정화를 위해 외력으로부터 발생되는 에너지를 소모하도록 마련되는 안정화 장치가 구비된 로봇이 제공될 수 있다.

또한, 상기 제어유닛은, 외력으로부터 발생되는 에너지를 소모하도록 마련되는 에너지 기반 보상 수단을 포함할 수 있다.

그리고, 상기 제어유닛은, 상기 로봇의 예상 소모 에너지와 실제 소모 에너지의 차이인 잉여에너지를 계산 후, 에너지 기반 보상 수단을 통해 잉여에너지를 소모하도록 마련될 수 있다.

또한, 상기 에너지 기반 보상 수단은 로봇의 경로 수정시 발생되는 수정된 위치 제어 오차에 대한 댐퍼 형태로 설계될 수 있다.

그리고, 상기 에너지 기반 보상 수단은 아래 식을 만족하도록 설계될 수 있다.

(여기서,

는 원하는 임피던스의 질량,

는 댐핑,

는 스프링 상수,

는 외력,

는 외력에 의한 위치 제어 오차,

는 수정된 위치 제어 오차,

는 에너지 기반 보상 수단의 댐핑게인을 나타낸다.)

또한, 상기 제어유닛은 검출된 현재 위치와, 상기 로봇의 목표 위치의 오차에 기초하여 PID 제어를 통해 상기 로봇의 위치를 제어할 수 있다.

그리고, 상기 위치검출유닛은 상기 로봇 단부의 각도값을 검출할 수 있는 엔코더로 마련될 수 있다.

또한, 상기 로봇의 위치 제어는 위치 기반(position-based) 임피던스 제어에 기초하여 마련될 수 있다.

한편, 관절이 형성되어 구동가능하게 마련되는 안정화 장치가 구비된 로봇으로서, 위치검출유닛을 통해 상기 로봇의 현재 위치를 검출하는 단계; 상기 위치검출유닛으로부터 검출된 현재 위치와, 상기 로봇의 목표 위치의 오차에 기초하여 제어유닛이 상기 로봇의 위치를 제어하는 단계; 상기 로봇이 장애물과 접촉하는 경우 힘센서를 통해 외력을 측정하는 단계; 및 상기 로봇이 장애물과 접촉하여 상기 장애물로부터 상기 로봇으로 제공되는 외력이 상기 힘센서를 통해 측정된 경우, 상기 로봇의 안정화를 위해 외력으로부터 발생되는 에너지를 소모하는 단계를 포함하는 로봇의 안정화 방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 에너지를 소모하는 단계는, 상기 로봇의 예상 소모 에너지와 실제 소모 에너지의 차이인 잉여에너지를 계산 후, 에너지 기반 보상 수단을 통해 잉여에너지를 소모하도록 마련될 수 있다.

그리고, 상기 에너지 기반 보상 수단은 위치 제어 오차에 대한 댐퍼 형태로 설계될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 로봇의 장애물 접촉시 발생하는 에너지를 소모하도록 마련되는 것을 통해, 기준 임피던스의 감쇠율을 낮게 설정하여 빠른 응답 속도를 가지는 경우에도 안정적인 응답 특성을 가질 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇 및 로봇의 안정화 방법에 관한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇 중 로봇팔의 위치 제어를 도시한 도면이다.
도 3은 상대적으로 높은 감쇠율을 가지는 일반적인 로봇을 사용하여 외력에 대한 위치응답의 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 상대적으로 낮은 감쇠율을 가지는 일반적인 로봇을 사용하여 외력에 대한 위치응답의 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 상대적으로 낮은 감쇠율을 가지는 일반적인 로봇을 사용하여 에너지에 대한 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇을 사용하여 외력에 대한 위치응답의 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇을 사용하여 에너지에 대한 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇을 사용하여 에너지 계산시, 외력과 임피던스 에러의 커플링 효과에 의해 발생되는 에너지를 도시한 그래프이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100) 및 로봇의 안정화 방법에 관한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100) 중 로봇팔의 위치 제어를 도시한 도면이며, 도 3은 상대적으로 높은 감쇠율을 가지는 일반적인 로봇을 사용하여 외력에 대한 위치응답의 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프이고, 도 4는 상대적으로 낮은 감쇠율을 가지는 일반적인 로봇을 사용하여 외력에 대한 위치응답의 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프이며, 도 5는 상대적으로 낮은 감쇠율을 가지는 일반적인 로봇을 사용하여 에너지에 대한 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)을 사용하여 외력에 대한 위치응답의 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)을 사용하여 에너지에 대한 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)을 사용하여 에너지 계산시, 외력과 임피던스 에러의 커플링 효과에 의해 발생되는 에너지를 도시한 그래프이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)은 관절이 형성되어 구동가능하게 마련되는 안정화 장치가 구비된 로봇(100)으로서, 로봇의 현재 위치를 검출하는 위치검출유닛(200)과, 위치검출유닛(200)으로부터 검출된 현재 위치와, 로봇의 목표 위치와의 오차에 기초하여 로봇의 위치를 제어하는 제어유닛(300)과, 로봇에 결합되어 로봇이 장애물(600)과 접촉하는 경우의 외력을 측정하는 힘센서(400)를 포함하며, 제어유닛(300)은, 로봇이 장애물(600)과 접촉하여 장애물(600)로부터 로봇으로 제공되는 외력이 힘센서(400)를 통해 측정된 경우, 로봇의 안정화를 위해 외력으로부터 발생되는 에너지를 소모하도록 마련된다.

본 명세서에서 사용되는 용어인 로봇은 기계적인 작동의 제어가 가능한 다양한 형상의 일반적인 로봇을 포함하는 개념이며, 다만, 설명의 편의를 위해, 도 2에 도시된 로봇의 일부인 로봇팔을 본 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)으로 설명하기로 한다.

한편, 전술한 바와 같이, 본 명세서에서 사용되는 임피던스 제어는 외력에 대해 지정된 임피던스를 만족하도록 로봇의 위치를 변경시키는 제어 기법으로서, 보다 구체적으로는, 로봇이 외부 환경과 접촉이 요구되는 작업을 진행할 때, 로봇의 말단부와 작업대상간의 통합된 운동관계를 표현한 것을 임피던스(Impedance)라고 하며, 이를 제어하는 것을 임피던스 제어라고 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)은 관절이 형성되어 구동가능하게 마련된다. 그리고, 로봇은 유선 또는 무선을 통해 연결되는 로봇조작기를 사용하여 로봇의 동작을 조절하는 원격조작로봇으로 마련될 수 있다.

도 2를 참조하면, 위치검출유닛(200)은 로봇의 현재 위치를 검출하도록 마련되며, 여기서, 위치검출유닛(200)은 로봇 단부의 각도값을 검출할 수 있는 엔코더로 마련될 수 있다.

즉, 로봇 단부의 작동을 위해 로봇 단부로 구동력을 제공하는 모터축에 엔코더가 결합되어 모터 회전의 변화량을 측정하며, 엔코더에 의해 측정된 모터 회전의 변화량을 통해 로봇 단부의 각도값을 검출할 수 있다. 다만, 엔코더의 작동원리는 일반적으로 알려져 있는 방식이 적용될 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

그리고, 제어유닛(300)에서는 검출된 로봇 단부의 각도값을 기초로 로봇 단부의 현재 위치를 검출할 수 있다. 제어유닛(300)은 하나의 통합된 컨트롤러로 마련될 수도 있고, 또는, 도 1에 도시된 바와 같이, 주 컨트롤러(300a)와 보조 컨트롤러(300b)를 포함하여 캔 통신을 통해 정보를 전달하도록 마련될 수도 있다.

여기서, 로봇의 단부는 로봇팔의 끝부분일 수 있다. 다만 이에 한정되지는 않고 로봇다리의 끝부분 뿐만 아니라 작동의 제어가 필요한 로봇 몸체의 다양한 끝부분을 포함하는 개념임을 밝혀 둔다.

도 2를 참조하면, 제어유닛(300)은 위치검출유닛(200)으로부터 검출된 현재 위치와, 로봇의 목표 위치와의 오차에 기초하여 로봇의 위치를 제어하도록 마련된다.

로봇은 소정의 경로를 통해 목적한 위치까지 단순히 이동하도록 제어될 수도 있고, 또는 물건과 접촉하여 물건을 이송시키도록 제어될 수도 있다. 이러한 과정에서 제어의 오차로 인해, 로봇의 현재 위치는 목적한 경로를 동일하게 이동하는 경우의 목표 위치와 차이가 발생될 수 있다.

여기서, 제어유닛(300)은 위치검출유닛(200)으로부터 검출된 현재 위치와 목표 위치의 차이를 통해 오차를 계산하게 되며, 그 오차에 근거하여 현재 위치로부터 목표 위치로 동작하거나 이동하도록 제어할 수 있다.

그리고, 도 1을 참조하면, 제어유닛(300)은 검출된 현재 위치와, 로봇의 목표 위치의 오차에 기초하여 PID 제어를 통해 로봇의 위치를 제어할 수 있다. 여기서, PID 제어는 비례(P:Proportional), 적분(I:Integral) 및 미분(D:Differential)의 3항 동작을 조합시켜서 사용하는 제어 방식을 의미한다. 여기서, PID 제어는 일반적으로 알려져 있는 방식이므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

한편, 전술한 로봇의 위치 제어는 로봇 위치에 관한 기본적인 제어인데, 로봇이 작동되거나 이동하는 중 장애물(600) 등의 환경에 부딪히거나 접촉하게 되는 경우를 고려하면, 로봇은 목적한 경로를 수정하여 동작하거나 이동해야 한다.

왜냐하면, 로봇이 장애물(600) 등의 환경에 부딪히거나 접촉하게 된 이후에도 계속 목적한 경로로 이동하거나 작동하게 되면, 로봇 또는 환경이 파괴되거나 손상이 발생될 수 있다.

따라서, 로봇이 장애물(600) 등의 환경에 부딪히거나 접촉되는 경우, 경로를 수정해서 로봇이 이동하거나 작동하도록 제어할 필요가 있으며, 이러한 로봇의 경로 또는 위치에 대한 제어는 위치 기반 임피던스 제어를 통해 가능할 수 있다.

즉, 로봇의 위치 제어는 위치 기반(position-based) 임피던스 제어에 기초하여 마련될 수 있다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 임피던스 제어는 크게 위치 기반(position-based) 기법과 동역학 기반(dynamics-based) 기법으로 나눌 수 있다. 또한, 최근 에는 토크 기반(torque-based)의 기법이 제시되고 있다.

여기서, 토크 기반 기법의 경우 제어 성능이 우수하다고 알려져 있지만, 조인트 토크센서 등의 하드웨어가 뒷받침되어야 하며, 비용적인 측면에서 단점을 지닌다.

그리고, 동역학 기반 기법은 그 특성상 중앙집중제어로 구현해야 하므로 고사양의 제어기가 필요하다. 또한, 메인제어기로 모든 구동기와 센서가 연결되어야 하므로 배선이 복잡해진다는 단점을 갖는다.

반면, 위치 기반 기법은 분산제어로 구현 가능하며, 비용 및 구현 용이성 측면에서 유리하다. 따라서, 외력을 측정할 수 있는 수단만 마련된다면, 기존 산업용 로봇에도 하드웨어의 큰 수정 없이 위치 기반 기법의 적용이 가능해진다는 장점이 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)은 위치 기반(position-based) 임피던스 제어에 기초하여 임피던스 제어가 가능하도록 마련될 수 있다.

우선, 임피던스 제어를 설명하면, 임피던스 제어는 외력이 존재하는 경우 외력과 로봇의 위치가 아래 식 1의 관계를 가지도록 제어하는 것이다.

(식 1)

여기서,

는 원하는 임피던스의 질량이고,

는 댐핑이며,

는 스프링 상수이고,

는 외력을 나타낸다.

그리고,

은 카테시안 좌표계에서 로봇 단부의 목적한 경로이고,

는 실제 경로이며, 로봇 단부의 목적한 경로와 실제 경로 사이의 오차인 위치 제어 오차

의 경우,

로 정의된다.

한편, 위치 기반 임피던스 제어는 로봇이 장애물(600) 등의 환경에 부딪히거나 접촉하는 경우, 최초 목적한 경로를 상기 식 1의 임피던스에 맞게 수정하며, 로봇이 수정된 경로를 추종하도록 위치 제어를 수행한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 로봇 단부가 목적한 경로를 따라 이동 내지 작동하던 중 장애물(600) 등의 환경에 부딪히거나 접촉하게 되면, 로봇 단부의 목적한 경로

은 임피던스 모듈(700)을 통해

로 경로를 수정하게 된다. 여기서,

는 장애물(600) 등의 환경에 의해 수정된 후의 로봇 단부의 경로로서, 로봇은

를 추종하도록 마련된다.

그리고, 수정 후의 로봇 단부의 경로

는 역기구학(800)을 통해 로봇의 조인트 공간의 경로

로 변환된다. 여기서, 로봇 관련 역기구학(800)은 로봇 단부의 위치 또는 자세에 대응되는 조인트 변수 내지 관절의 회전각을 결정하기 위한 과정을 포함한다. 이후, 로봇의 단부는 변환된

를 추종하도록 위치 제어된다.

한편, 외력에 의해 로봇 단부의 경로가 수정되면 제어유닛(300)은 상기 식 1에 따라 외력에 의한 위치 제어 오차

를 계산하게 된다. 즉, 위치 기반 임피던스 제어에서 외력에 의한 위치 제어 오차

가 아래 식 2와 같은 관계를 가지도록 설계된다.

(식 2)

여기서, 외력에 의한 위치 제어 오차

로 정의되므로, 수정 후의 로봇 단부의 경로

의 경우,

와 같이 계산될 수 있다.

상기 식 2에서 외력에 의한 위치 제어 오차

를 계산하는 것은 수치적 계산을 통해 실시간으로 구현될 수 있는데, 상기 식 2를 상태공간 형태(State Space Form)로 변경하면 아래 식 3과 같이 표현될 수 있다.

(식 3)

그리고, 수치적분에는 적분오차가 적다고 알려진 4th order Runge-Kutta 기법을 적용할 수 있다.

여기서, 전술한 바와 같이, 위치 기반 임피던스 제어에서 제어유닛(300)은 로봇이 수정된 후의 로봇 단부의 경로

를 추종하도록 위치제어를 수행하지만, 위치제어는 현실적으로 완벽하게 제어되지 못하고 오차를 발생시키게 된다.

즉, 로봇이 작동 내지 이동중 장애물(600) 등의 환경과 부딪히거나 접촉하게 되면, 장애물(600) 등으로부터 파손이나 손상되지 않을 수 있는 경로를 계산하게 되며, 이후, 최초 목적된 경로를 수정하여 계산된 경로를 통해 로봇이 작동하거나 이동하도록 제어하게 된다.

하지만, 로봇이 수정된 경로를 이동하는 경우에도 위치 제어에 오차가 발생하게 되는데, 이렇게 발생되는 오차가 수정된 위치 제어 오차

에 해당된다. 여기서, 수정된 위치 제어 오차

의 경우,

로 정의될 수 있으며, 전술한 위치 제어 오차

와, 외력에 의한 위치 제어 오차

와, 수정된 위치 제어 오차

를 연립하여 계산하면, 위치 제어 오차

가 된다.

따라서, 전체 제어시스템은 상기 식 2의 기준 임피던스를 완벽히 따르지 못하며 임피던스 오차를 가지게 되는데, 임피던스 오차

는 아래 식 4와 같이 정의할 수 있다.

(식 4)

그리고, 식 4에 식 2와 위치 제어 오차

를 적용하면 임피던스 오차는 아래 식 5와 같이 표현될 수 있다.

(식 5)

상기 식 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 임피던스 오차는 위치 제어 오차에 의해서 유발되며, 식 2의 기준 임피던스가 정확히 구현되는 것을 방해하는 요인이 된다. 여기서, 기준 임피던스의 감쇠율(damping ratio)이 낮게 설정된 경우에는 전체 시스템을 불안정하게 만드는 원인이 되기도 한다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)은 힘센서(400)를 통해 외력을 측정하며, 장애물(600)로부터 로봇으로 제공되는 외력에 의해 발생되는 에너지를 소모하여 로봇의 전체 시스템을 안정화시키도록 마련된다.

도 2를 참조하면, 힘센서(400)는 로봇에 결합되어 로봇이 장애물(600)과 접촉하는 경우의 외력을 측정하도록 마련된다.

전술한 바와 같이, 로봇이 장애물(600) 등의 환경에 부딪히거나 접촉하게 되면, 제어유닛(300)은 위치 기반 임피던스 제어에 기초하여 로봇의 목적한 경로를 수정한 후 로봇이 수정된 경로를 추종하도록 위치 제어를 수행한다.

하지만, 로봇이 장애물(600)에 부딪히거나 접촉하게 되면, 장애물(600)로부터 로봇으로 제공되는 외력에 의해 낮은 감쇠율을 가지는 로봇의 경우 시스템이 불안정해지는 문제가 있다.

여기서, 시스템이 안정하기 위한 감쇠율의 선정 기준은 아래 식 6에 의해 제시될 수 있다.

(식 6)

여기서,

이며,

는 환경의 스프링 상수이다.

환경이 알루미늄 벽인 경우를 예를 들어 설명하면, 로봇의 스프링 상수

로 설정된 경우, 알루미늄 벽의 스프링 상수

이므로, 감쇠율

의 경우,

인 범위에서 로봇이 안정하다고 볼 수 있다.

하지만, 환경이 알루미늄 벽인 경우 로봇이 안정화되기 위해서는 상대적으로 큰 감쇠율을 가져야 하는데, 여기서, 감쇠율을 증가시키면 로봇의 전체 시스템을 안정하게 만들 수는 있지만 시스템 응답이 느려진다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)은, 감쇠율이 상대적으로 낮게 설정되어 시스템 응답은 빠르지만, 외력에 의해 발생되는 에너지를 소모하여 시스템이 전체적으로 안정하도록 마련될 수 있다.

이를 위해, 로봇에는 힘센서(400)가 결합되어 있으며, 힘센서(400)를 통해 장애물(600) 등의 환경으로부터 로봇으로 제공되는 외력을 측정한다. 그리고, 제어유닛(300)에서 힘센서(400)를 통해 측정된 외력에 의해 발생되는 에너지를 소모하도록 마련된다.

한편, 환경으로부터 로봇으로 제공되는 외력에 의해 발생되는 에너지를 소모하기 위해서는 에너지량을 계산하는 과정이 필요하다.

즉, 로봇이 실제로 소모하는 실제 소모 에너지

와 상기 식 2의 기준 임피던스가 정확히 구현되었을 때 로봇이 소모해야 하는 예상 소모 에너지

와의 차이인 잉여에너지

를 구하여 에너지 소모 여부를 결정할 수 있다.

여기서, 하나의 시스템을 고려할 때, 하나의 시스템에서 발생 또는 소모되는 에너지는 그 시스템으로 유입되는 힘(Effort)과 속도(Flow)의 곱을 적분하는 것을 통해 계산할 수 있으며, 이러한 계산 방식을 통해 로봇이 소모해야 하는 에너지를 계산할 수 있게 된다.

로봇으로 유입되는 힘(Effort) 및 속도(Flow)는 상기 식 2로부터 아래 식 7 및 식 8과 같이 구해진다.

(식 7)

(식 8)

그리고, 기준 임피던스가 정확히 구현되었을 때 로봇이 소모해야 하는 예상 소모 에너지

는 힘(Effort)과 속도(Flow)의 곱을 적분하는 것을 통해 아래 식 9와 같이 구해진다.

(식 9)

동일한 방식으로, 로봇이 실제로 소모하는 실제 소모 에너지

는 아래 식 10과 같이 구해진다.

(식 10)

그리고, 로봇이 소모해야 하는 예상 소모 에너지

와, 로봇이 실제로 소모하는 실제 소모 에너지

사이에는 차이가 발생되는 데, 이러한 에너지의 차이인 잉여에너지

는

의 관계를 고려하면, 아래 식 11과 같이 구해진다.

(식 11)

여기서,

는 외력과 임피던스 에러의 커플링(coupling) 효과에 의해 나타나는 값으로, 시스템이 정상 상태이거나, 외력에 의한 위치 제어 오차

와 수정된 위치 제어 오차

가 서로 상관관계(correlation)가 낮을 때, 0에 가까운 값이 된다.

좀더 구체적으로 설명하면,

는 아래 식 12와 같이 정의될 수 있다.

(식 12)

위 식에서 알 수 있는 바와 같이,

는 외력에 의한 위치 제어 오차

와 수정된 위치 제어 오차

의 커플링 효과에 의한 일률을 의미한다. 그리고, 식 (12)를 적분함으로써,

에 의한 에너지를 계산할 수 있으며, 아래 식 13과 같이 정리하여 표현할 수 있다.

(식 13)

그리고, 초기값이 모두 0(Zero)인 경우, 부분적분을 통해 상기 식 13은 아래 식 14와 같이 표현될 수 있다.

(식 14)

결국, 상기 식 11에 포함되어 있는

에 의한 에너지는 상기 식 14와 같이 표현된다. 상기 식 14의 우변 중 첫번째와 세번째 항은 제어 시스템이 정상상태에 도달하면 0(Zero)이 된다.

여기서, 위치제어기는 적분기를 포함하여 설계되는 것이 일반적이며, 이 경우 정상상태에서 수정된 위치 제어 오차

와 그 미분값이 0이 되기 때문이다.

또한, 외력에 의한 위치 제어 오차

와, 수정된 위치 제어 오차

가 제로-민(Zero Mean)이고 서로 상관성(correlation)이 낮다면, 상관관계의 특성에 의해 상기 식 14의 두번째 항도 0(Zero)에 가까운 값이 된다. 부연하면, 상기 식 2와 상기 식 5로부터 외력에 의한 위치 제어 오차

는 외력에 의해 결정되는 값인 반면, 수정된 위치 제어 오차

는 임피던스 오차(혹은 위치제어기의 성능)에 의해 결정되는 값이 된다. 따라서, 두 값의 상관성은 낮다고 할 수 있으며, 상기 식 14의 에너지 값은 과도상태(transident)를 제외하면 0(Zero)에 가까운 값이 됨을 유추할 수 있다.

여기서, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)을 사용하여 에너지 계산시, 외력과 임피던스 에러의 커플링 효과에 의해 발생되는 에너지를 도시한 그래프로서, 도 8을 참조하면, 감쇠율

이고 후술하는 에너지 기반 보상 수단(500)을 적용한 경우,

에 의한 에너지 변화는 매우 작음을 확인할 수 있다. 여기서, 도 8의

의 경우,

의 관계가 성립된다.

한편, 상기 식 11을 고려하면, 임피던스 제어에 의한 로봇이 실제로 소모하는 실제 소모 에너지

는 로봇이 소모해야 하는 예상 소모 에너지

와 차이가 발생되는 것을 확인할 수 있는데, 이러한 차이는 주로 위치 제어 오차로부터 발생된다.

그리고, 로봇의 실제 소모 에너지

와 예상 소모 에너지

의 차이인 잉여에너지

가 0(Zero)보다 큰 경우, 로봇으로 유입되는 에너지가 과다함을 의미하는데, 로봇으로 유입되는 에너지가 과다한 경우 로봇에 진동을 발생시키는 등 로봇의 시스템이 불안정해질 수 있다.

여기서, 제어유닛(300)은 로봇으로 유입되는 에너지가 과다한 경우, 즉, 장애물(600)로부터 로봇으로 제공되는 외력으로부터 발생되는 에너지가 과다한 경우, 로봇의 안정성을 확보하기 위해, 이러한 과다 에너지를 소모하도록 마련될 수 있는데, 제어유닛(300)은 외력으로부터 발생되는 에너지를 소모하기 위해, 에너지 기반 보상 수단(500)을 포함할 수 있다.

그리고, 제어유닛(300)에서 로봇의 실제 소모 에너지

와 예상 소모 에너지

의 차이인 잉여에너지

를 계산하면, 제어유닛(300)에 포함되는 에너지 기반 보상 수단(500)에서 잉여에너지

를 소모하도록 마련될 수 있다.

여기서, 에너지 기반 보상 수단(500)은 전술한 바와 같이, 장애물(600) 등의 환경에 부딪히거나 접촉하여 로봇의 경로 수정시 발생되는 수정된 위치 제어 오차

에 대한 댐퍼 형태로 설계될 수 있다.

즉, 에너지 기반 보상 수단(500)은 상기 식 2에서 수정된 위치 제어 오차

에 대한 댐퍼 형태로 마련되어 아래 식 15를 만족하도록 설계될 수 있다.

(식 15)

여기서,

는 에너지 기반 보상 수단(500)의 댐핑게인이며, 잉여에너지

에 기반하여 아래 식 16과 같이 설계된다. 그리고,

는 샘플링 시간이다.

(식 16)

한편, 상기 식 11을 고려하면, 잉여에너지

는 주로 수정된 위치 제어 오차

에 의해 발생하므로, 에너지 기반 보상 수단(500)은 상기 식 15와 같이 수정된 위치 제어 오차

에 대한 댐퍼 형태로 설계될 수 있다.

여기서, 댐퍼는 에너지를 소모하는 요소이므로, 로봇에 잉여에너지

가 발생한 경우, 수정된 위치 제어 오차

에 기초하여 잉여에너지

를 소모하는 것을 통해 로봇의 안정화가 가능해지는 효과가 있다.

즉, 상기 식 4에서 정의된 임피던스 오차

는 상기 식 15를 고려하여, 아래 식 17과 같이 표현될 수 있다.

(식 17)

상기 식 17을 살펴보면, 수정된 위치 제어 오차

에 대한 댐퍼 형태의 에너지 기반 보상 수단(500)은, 수정된 위치 제어 오차

에 대한 추가적인 댐핑게인으로 작용하여 로봇으로 유입되는 에너지를 소모하도록 마련됨을 확인할 수 있다.

상기 식 17을 고려하여 잉여에너지

를 다시 계산해보면 아래 식 18과 같이 표현될 수 있다.

(식 18)

상기 식 18에서 수정된 위치 제어 오차

에 대한 댐퍼 형태의 에너지 기반 보상 수단(500)은, 에너지를 소모하는 역할을 하게 된다. 상기 식 16을 고려하면, 상기 에너지 기반 보상 수단(500)은 0(Zero)보다 큰 잉여에너지

가 발생하였을 때, 한 샘플링 시간동안 잉여에너지

를 소비하게 된다. 따라서, 로봇의 가지는 에너지 오차에 해당되는 잉여에너지

가 항상 0(Zero)이하로 유지되도록 하게 된다.

그리고, 에너지 기반 보상 수단(500)을 수정된 위치 제어 오차

에 기초하여 설계하는 것을 통해 에너지 기반 보상 수단(500)이 기준 임피던스를 훼손하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

즉, 에너지 기반 보상 수단(500)이 위치 제어 오차

와, 외력에 의한 위치 제어 오차

에 기초하여 설계되는 경우라면, 에너지 기반 보상 수단(500)이 상기 식 15의 좌변항들과 연동되어 기준 임피던스를 변화시킬 수 있게 된다. 하지만, 에너지 기반 보상 수단(500)이 수정된 위치 제어 오차

에 기초하여 설계된다면, 수정된 위치 제어 오차

는 외력에 의한 위치 제어 오차

와 연관이 적으므로, 기준 임피던스의 부작용을 최소화할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)의 실험에 대한 결과를 그래프를 참조하여 설명한다.

도 3은 상대적으로 높은 감쇠율을 가지는 일반적인 로봇을 사용하여 외력에 대한 위치응답의 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프로서, 실험조건은 임피던스의 질량

, 댐핑

, 스프링 상수

로 설정했으며, 임피던스 게인이 가지는 감쇠율

으로 설정되었다.

그리고, 에너지 기반 보상 수단(500)은 적용되지 않았으며, 정지된 로봇에 대해 외력을 제공하여 실험을 수행하였다.

도 3은 카테시안 6자유도 중 y축만 도시하였으며, 도 3을 참조하면, 비록, 에너지 기반 보상 수단(500)이 적용되지 않아도 감쇠율이 상대적을 높은 경우에는 외력에 대해 로봇이 잘 순응하고 있음을 확인할 수 있다. 다만, 이 경우, 로봇 시스템의 응답이 느려진다는 단점이 있다.

여기서, 정상상태에서의 응답 결과로부터 실제로 구현된 임피던스의 스프링 상수가

로 계산되었다. 이 결과는

과 매우 유사한 값으로, 원하는 임피던스가 잘 구현되었음을 확인할 수 있다. 또한, 도 3에서 수정된 위치 제어 오차

가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

한편, 도 4는 상대적으로 낮은 감쇠율을 가지는 일반적인 로봇을 사용하여 외력에 대한 위치응답의 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프이고, 도 5는 상대적으로 낮은 감쇠율을 가지는 일반적인 로봇을 사용하여 에너지에 대한 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프로서, 실험조건은 임피던스의 질량

, 댐핑

, 스프링 상수

로 설정했고, 임피던스 게인이 가지는 감쇠율

으로 설정되었으며, 에너지 기반 보상 수단(500)은 적용되지 않았다.

도 4를 참조하면, 에너지 기반 보상 수단(500)의 적용없이 감쇠율을 상대적으로 작게하면 외력이 존재할 때 제어시스템이 크게 진동하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 5를 참조하면, 실험시의 에너지 변화를 도시하였는데, 에너지 오차가 점진적으로 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 에너지 기반 보상 수단(500)의 적용없이 감쇠율을 상대적으로 작게하면 로봇 시스템이 불안정해지는 문제점이 있음을 확인할 수 있다.

또한, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)을 사용하여 외력에 대한 위치응답의 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)을 사용하여 에너지에 대한 임피던스 제어의 실험결과를 도시한 그래프로서, 실험조건은 임피던스의 질량

, 댐핑

, 스프링 상수

로 설정했고, 임피던스 게인이 가지는 감쇠율

으로 설정되었으며, 에너지 기반 보상 수단(500)을 적용하였다.

도 6을 참조하면, 에너지 기반 보상 수단(500)을 적용하지 않은 도 4의 그래프에 비해 응답의 진동이 크게 감소하였으며, 외력에 대해 부드럽게 순응하는 것을 알 수 있다.

그리고, 도 7을 참조하면, 잉여에너지

는 거의 0(Zero)에 가까운 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 실험 결과로부터, 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)에 포함된 에너지 기반 보상 수단(500)을 통해 로봇으로 유입되는 에너지가 잘 보상되는 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 3과 도 6를 비교시, 도 3의 경우 외력이 제거되었을 때 위치 응답이 완만하게 변화하는 데 비해, 도 6의 경우, 외력이 제거되었을 때 위치 응답이 빠르게 변화하며, 이를 통해 도 6의 경우가 도 3의 경우보다 위치 응답이 더 빨리 변함을 확인할 수 있다.

이러한 결과는 도 6의 임피던스 게인이 가지는 감쇠율이 도 3의 임피던스 게인이 가지는 감쇠율보다 더 낮게 설계되었기 때문이다.

이에 의해, 로봇의 장애물(600) 접촉시 발생하는 에너지 소모를 통해, 기준 임피던스의 감쇠율을 낮게 설정하여 빠른 응답 속도를 가지는 경우에도 안정적인 응답 특성을 가질 수 있는 효과가 있음을 확인할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)의 작용 및 효과에 대해 설명한다.

우선, 위치검출유닛(200)에 의해 로봇의 현재 위치를 검출하게 되면, 제어유닛(300)에서 목표 위치와의 오차에 기초하여 로봇의 위치를 제어하게 된다.

여기서, 로봇의 이동이나 작동 중 장애물(600) 등의 환경에 부딪히거나 접촉하게 되면, 제어유닛(300)은 댐퍼 형태로 설계되는 에너지 기반 보상 수단(500)을 통해 외력으로부터 발생되는 에너지를 소비하게 된다. 이때, 에너지 기반 보상 수단(500)은 수정된 위치 제어 오차

에 대한 댐퍼 형태로 설계될 수 있다.

즉, 로봇이 실제로 소모하는 실제 소모 에너지

와 기준 임피던스가 정확히 구현되었을 때 로봇이 소모해야 하는 예상 소모 에너지

와의 차이인 잉여에너지

는 주로 수정된 위치 제어 오차

에 의해 발생하므로, 에너지 기반 보상 수단(500)을 수정된 위치 제어 오차

에 대한 댐퍼 형태로 설계하게 되면, 로봇에 잉여에너지

가 발생한 경우, 에너지 기반 보상 수단(500)은 수정된 위치 제어 오차

에 기초하여 잉여에너지

를 소모하는 것을 통해 로봇을 안정화시킬 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 안정화 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)은 관절으로 형성되어 구동가능하게 마련되며, 유선 또는 무선을 통해 연결되는 로봇조작기를 사용하여 로봇의 동작을 조절하는 원격조작로봇으로 마련될 수 있는 점은 전술한 바와 공통된다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 안정화 방법 중 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 장치가 구비된 로봇(100)과 공통되는 설명은 전술한 설명으로 대체하기로 한다.

우선, 로봇은 위치검출유닛(200)을 통해 로봇의 현재 위치를 검출하게 되며, 위치검출유닛(200)으로부터 검출된 현재 위치와, 로봇의 목표 위치의 오차에 기초하여 제어유닛(300)이 로봇의 위치를 제어하게 된다.

여기서, 제어유닛(300)은 장애물(600) 등의 환경에 접촉하지 않은 경우에도 로봇의 위치를 제어하게 된다.

그리고, 로봇이 장애물(600)과 접촉하게 되면 로봇의 일측에 결합된 힘센서(400)를 통해 외력을 측정하게 된다.

다음, 로봇이 장애물(600)과 접촉하여 장애물(600)로부터 로봇으로 제공되는 외력이 힘센서(400)를 통해 측정된 경우, 제어유닛(300)은 로봇의 안정화를 위해 외력으로부터 발생되는 에너지를 소모하게 된다.

다음, 에너지를 소모하는 경우, 로봇의 예상 소모 에너지와 실제 소모 에너지의 차이인 잉여에너지를 계산 후, 에너지 기반 보상 수단(500)을 통해 잉여에너지를 소모하도록 마련될 수 있는데, 여기서, 에너지 기반 보상 수단(500)은 위치 제어 오차에 대한 댐퍼 형태로 설계될 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100 : 안정화 장치가 구비된 로봇 200 : 위치검출유닛
300 : 제어유닛 400 : 힘센서
500 : 에너지 기반 보상 수단 600 : 장애물

Claims (11)

1. 관절이 형성되어 구동가능하게 마련되는 안정화 장치가 구비된 로봇으로서,
   상기 로봇의 현재 위치를 검출하도록 마련되는 위치검출유닛;
   상기 위치검출유닛으로부터 검출된 현재 위치와, 상기 로봇의 목표 위치와의 오차에 기초하여 상기 로봇의 위치를 제어하는 제어유닛; 및
   상기 로봇에 결합되어 상기 로봇이 장애물과 접촉하는 경우의 외력을 측정하는 힘센서를 포함하며,
   상기 제어유닛은,
   상기 로봇이 장애물과 접촉하여 상기 장애물로부터 상기 로봇으로 제공되는 외력이 상기 힘센서를 통해 측정된 경우, 상기 로봇의 안정화를 위해 외력으로부터 발생되는 에너지를 소모하도록 마련되는 안정화 장치가 구비된 로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어유닛은,
   외력으로부터 발생되는 에너지를 소모하도록 마련되는 에너지 기반 보상 수단을 포함하는 안정화 장치가 구비된 로봇.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어유닛은,
   상기 로봇의 예상 소모 에너지와 실제 소모 에너지의 차이인 잉여에너지를 계산 후, 에너지 기반 보상 수단을 통해 잉여에너지를 소모하도록 마련되는 안정화 장치가 구비된 로봇.
4. 제3항에 있어서,
   상기 에너지 기반 보상 수단은 로봇의 경로 수정시 발생되는 수정된 위치 제어 오차에 대한 댐퍼 형태로 설계되는 안정화 장치가 구비된 로봇.
5. 제4항에 있어서,
   상기 에너지 기반 보상 수단은 아래 식을 만족하도록 설계되는 안정화 장치가 구비된 로봇.
   

   

   
   (여기서,
   

   

   는 원하는 임피던스의 질량,
   

   

   는 댐핑,
   

   

   는 스프링 상수,
   

   

   는 외력,
   

   

   는 외력에 의한 위치 제어 오차,
   

   

   는 수정된 위치 제어 오차,
   

   

   는 에너지 기반 보상 수단의 댐핑게인을 나타낸다.)
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어유닛은 검출된 현재 위치와, 상기 로봇의 목표 위치의 오차에 기초하여 PID 제어를 통해 상기 로봇의 위치를 제어하는 안정화 장치가 구비된 로봇.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 위치검출유닛은 상기 로봇 단부의 각도값을 검출할 수 있는 엔코더로 마련되는 안정화 장치가 구비된 로봇.
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 로봇의 위치 제어는 위치 기반(position-based) 임피던스 제어에 기초하여 마련되는 안정화 장치가 구비된 로봇.
9. 관절이 형성되어 구동가능하게 마련되는 안정화 장치가 구비된 로봇으로서,
   위치검출유닛을 통해 상기 로봇의 현재 위치를 검출하도록 마련되는 단계;
   상기 위치검출유닛으로부터 검출된 현재 위치와, 상기 로봇의 목표 위치의 오차에 기초하여 제어유닛이 상기 로봇의 위치를 제어하는 단계;
   상기 로봇이 장애물과 접촉하는 경우 힘센서를 통해 외력을 측정하는 단계; 및
   상기 로봇이 장애물과 접촉하여 상기 장애물로부터 상기 로봇으로 제공되는 외력이 상기 힘센서를 통해 측정된 경우, 상기 로봇의 안정화를 위해 외력으로부터 발생되는 에너지를 소모하는 단계를 포함하는 로봇의 안정화 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 에너지를 소모하는 단계는,
    상기 로봇의 예상 소모 에너지와 실제 소모 에너지의 차이인 잉여에너지를 계산 후, 에너지 기반 보상 수단을 통해 잉여에너지를 소모하도록 마련되는 로봇의 안정화 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 에너지 기반 보상 수단은 위치 제어 오차에 대한 댐퍼 형태로 설계되는 로봇의 안정화 방법.
    

Images