KR20160118559A - 로봇 제어 시스템, 제어 방법 및 컴퓨터 판독 기록매체 - Google Patents

로봇 제어 시스템, 제어 방법 및 컴퓨터 판독 기록매체 Download PDF

Info

Publication number
KR20160118559A
KR20160118559A KR1020150046858A KR20150046858A KR20160118559A KR 20160118559 A KR20160118559 A KR 20160118559A KR 1020150046858 A KR1020150046858 A KR 1020150046858A KR 20150046858 A KR20150046858 A KR 20150046858A KR 20160118559 A KR20160118559 A KR 20160118559A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
impedance
robot
parameter
external environment
calculated
Prior art date
Application number
KR1020150046858A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101675522B1 (ko
Inventor
배준규
배강태
Original Assignee
동영오에이퍼니처 (주)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 동영오에이퍼니처 (주) filed Critical 동영오에이퍼니처 (주)
Priority to KR1020150046858A priority Critical patent/KR101675522B1/ko
Publication of KR20160118559A publication Critical patent/KR20160118559A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101675522B1 publication Critical patent/KR101675522B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
    • B25J9/1692—Calibration of manipulator

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

본 발명은 로봇 제어 시스템, 제어 방법 및 컴퓨터 판독 기록매체에 관련된 것이다. 본 발명은 로봇의 복수개의 임피던스 파라미터를 변경하는 로봇 제어 시스템에 있어서, 상기 복수개의 임피던스 파라미터를 설정하는 임피던스 설정부와, 상기 로봇이 외부 환경과 접촉 시에, 상기 외부 환경으로부터 받은 힘을 측정하는 센서부와, 상기 힘으로부터 상기 외부 환경의 강성에 관한 정보를 가지는 환경 강성 임피던스를 산출하는 환경 강성 산출부 및 상기 환경 강성 임피던스에 대응하여, 상기 복수개의 임피던스 파라미터 중 적어도 하나의 값을 변화시키는 임피던스 제어부를 포함한다.

Description

로봇 제어 시스템, 제어 방법 및 컴퓨터 판독 기록매체{Robot control system, method and computer readable medium}
본 발명은 로봇의 제어 시스템, 제어 방법 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것이다. 더 상세하게는 외부의 환경강성에 대응하여 최적화된 임피던스 파라미터를 제어하는 로봇 제어 시스템, 제어 방법 및 컴퓨터로 실행시키기위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것이다.
현대사회에서 로봇 기술의 발전과 더불어 제조산업, 서비스업 등 다양한 분야에서 로봇의 수요가 급증하고 있다. 특히, 조립과 같이 작업물과 로봇의 직접적인 접촉이 주를 이루는 작업의 경우, 힘제어 기술을 사용하여 얼마나 정확하고 빠르게 작업을 수행할 수 있는지가 중요하다.
현재 개발된 기술로는 로봇 머니퓰레이터를 사용하여 조립작업을 성공적으로 수행할 수는 있지만 아직까지 작업현장에서 노동자를 대체할 수단으로 완벽하게 자리 잡지는 못했다. 이는 로봇이 숙련된 작업자와 비교했을 때, 작업속도가 현저히 떨어지기 때문이다. 뿐만 아니라 작업의 종류, 접촉하는 작업물의 물리적 특성에 따라 힘 제어 파라미터 값을 매번 직접 설정을 해주어야 하는 번거로움이 있기 때문이다.
최근 조립작업의 효율을 극대화 하기 위하여, 물체와 로봇 사이의 안정된 접촉을 유지하면서, 응답속도를 향상시키는 제어방법에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명의 일 측면은 조립/접촉환경에 대한 사전정보 없이 로봇 시스템이 미지의 환경과 접촉하여 작업을 할 때, 조립/접촉로봇의 접촉안정성과 응답속도를 향상시키는 로봇 제어 장치, 제어 방법 및 이를 기록한 컴퓨터 판독 기록 매체를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은 로봇의 복수개의 임피던스 파라미터를 변경하는 로봇 제어 시스템에 있어서, 상기 복수개의 임피던스 파라미터를 설정하는 임피던스 설정부와, 상기 로봇이 외부 환경과 접촉 시에, 상기 외부 환경으로부터 받은 힘을 측정하는 센서부와, 상기 힘으로부터 상기 외부 환경의 강성에 관한 정보를 가지는 환경 강성 임피던스를 산출하는 환경 강성 산출부 및 상기 환경 강성 임피던스에 대응하여, 상기 복수개의 임피던스 파라미터 중 적어도 하나의 값을 변화시키는 임피던스 제어부를 포함하는 로봇 제어 시스템을 제공한다.
또한, 상기 복수개의 임피던스 파라미터는 상기 로봇의 질량에 관한 매개변수인 제1 임피던스 파라미터, 상기 로봇의 댐핑에 관한 매개변수인 제2 임피던스 파라미터 및 상기 로봇의 강성에 관한 매개변수인 제3 임피던스 파라미터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 임피던스 제어부는 하기 수학식를 이용하여 상기 복수개의 임퍼던스 파라미터를 제어할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, m은 기 설정된 제1 임피던스 파라미터, b`는 산출된 제2 임피던스 파라미터, k는 기 설정된 제3 임피던스 파라미터, τ필터부의 시상수, ke 는 산출된 환경 강성 임피던스를 각각 의미한다.
또한, 상기 임피던스 제어부는 상기 제2 임피던스 파라미터를 상기 임피던스 설정부에서 설정된 값에서 상기 수학식에 의해 산출된 값으로 변경할 수 있다.
또한, 상기 센서부는 수동성 관측기(passivity observer, PO)와 수동성 제어기 (passivity controller, PC)에 의해서 상기 로봇이 상기 외부 환경에 접촉을 유지한 상태에서 힘을 측정할 수 있다.
또한, 상기 환경 강성 산출부는 하기 수학식을 이용하여 상기 환경 강성 임피던스를 산출할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, Fm는 상기 외부 환경으로부터 받은 힘, k는 기 설정된 제3 임피던스 파라미터, ke는 산출된 환경 강성 임피던스, |(xei-xev)|는 상기 로봇이 상기 외부 환경과 접촉한 상태에서 이동한 거리를 각각 의미한다.
본 발명의 다른 측면은 로봇의 질량에 관한 매개변수인 제1 임피던스 파라미터, 상기 로봇의 댐핑에 관한 매개변수인 제2 임피던스 파라미터 및 상기 로봇의 강성에 관한 매개변수인 제3 임피던스 파라미터를 설정하는 단계와, 상기 로봇을 외부 환경에 접촉시켜서 상기 외부 환경으로부터 힘을 측정하는 단계와, 상기 측정된 힘으로부터 상기 외부 환경의 환경 강성 임피던스를 산출하는 단계 및 상기 환경 강성 임피던스에 대응하는 상기 제2 임피던스 파라미터를 산출하는 단계를 포함하는 로봇 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 제2 임피던스 파라미터를 설정된 값에서 산출된 값으로 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 외부 환경으로부터 힘을 측정하는 단계는 수동성 관측기(passivity observer, PO)와 수동성 제어기 (passivity controller, PC)에 의해서 상기 로봇이 상기 외부 환경에 접촉을 유지한 상태에서 상기 힘을 측정할 수 있다.
또한, 상기 제2 임피던스 파라미터를 변경하는 단계는 임피던스 제어부가 하기 수학식을 이용하여 상기 제2 임피던스 파라미터를 산출할 수 있다.
Figure pat00003
여기서, m은 기 설정된 제1 임피던스 파라미터, b`는 산출된 제2 임피던스 파라미터, k는 기 설정된 제3 임피던스 파라미터, τ는 필터부의 시상수, ke는 산출된 환경 강성 임피던스를 각각 의미한다.
또한, 상기 환경 강성 임피던스를 산출하는 단계는 하기 수학식을 이용하여 상기 환경 강성 임피던스를 산출할 수 있다.
Figure pat00004
여기서, Fm는 상기 외부 환경으로부터 받은 힘, k는 기 설정된 제3 임피던스 파라미터, ke는 산출된 환경 강성 임피던스, |(xei-xev)|는 상기 로봇이 상기 외부 환경과 접촉한 상태에서 이동한 거리를 각각 의미한다.
또한, 본 발명에 따른 로봇 제어 방법을 컴퓨터로 실행시키기 위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 제어 시스템, 제어 방법 및 컴퓨터 판독 기록매체에 의하면, 로봇과 외부 환경과의 접촉 안정성을 유지하면서 로봇을 응답속도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 제어 시스템을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 로봇 제어 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 3 및 도 4는 도 1의 로봇 제어 시스템과 외부 환경과의 관계를 보여주는 개념도이다.
도 5는 도 1의 로봇 제어 시스템의 제어 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 6 및 도 7은 도 1의 제어 로봇 시스템과 외부환경 사이의 접촉안정성을 보여주는 그래프이다.
도 8은 도 1의 제어 로봇 시스템을 사용하여 응답속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 제어 시스템(10)을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 로봇 제어 시스템(10)을 도시하는 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 로봇 제어 시스템(10)은 제어장치(11), 제어장치(11)로부터 제어 신호를 받아 구동하는 로봇(15) 및 외부 환경(20)으로부터 받는 힘을 측정하는 센서부(130)를 구비할 수 있다.
제어장치(11)는 로봇(15)의 변경 가능한 복수개의 임피던스 파라미터를 설정하거나 변경하여 로봇(15)의 특성을 제어할 수 있다. 제어장치(11)는 임피던스 설정부(110), 임피던스 제어부(120), 환경 강성 산출부(140) 및 임피던스 산출부(150)를 구비할 수 있다.
복수개의 임피던스 파라미터는 로봇(15)의 질량에 관한 매개변수인 제1 임피던스 파라미터(m), 로봇(15)의 댐핑에 관한 매개변수인 제2 임피던스 파라미터(b) 및 로봇(15)의 강성에 관한 매개변수인 제3 임피던스 파라미터(k)를 구비할 수 있다.
임피던스 설정부(110)는 복수개의 임피던스 파리미터를 설정할 수 있다. 외부의 사용자가 입력장치(미도시)로 직접 각각의 임피던스 파라미터의 값을 설정할 수 있으며, 메모리부(미도시)에서 저장된 각각의 임피던스 파라미터의 값을 설정할 수 있다.
임피던스 제어부(120)는 임피던스 설정부(110)에서 설정된 임피던스 파라미터의 값을 로봇(15)에 적용하거나, 임피던스 산출부(150)에서 산출된 값으로 기 설정된 임피던스 파라미터의 값을 변경할 수 있다.
환경 강성 산출부(140)는 센서부(130)에서 측정된 힘으로부터 외부 환경(20)의 강성에 관한 정보인 환경 강성 임피던스(ke)를 측정할 수 있다. 외부 환경(20)의 환경 강성 임피던스(ke)를 산출할 수 있다. 환경 강성 산출부(140)는 센서부(130)에서 측정된 힘과 임피던스 설정부(110)에서 설정된 제3 임피던스 파라미터(k)와 로봇(15)의 이동거리를 측정하여 환경 강성 산출부(ke)를 측정할 수 있다.
임피던스 산출부(150)는 환경 강성 산출부(140)에서 측정된 환경 강성 임피던스(ke)에 대응하는 복수개의 임피던스 파라미터 중 적어도 하나의 값을 산출 할 수 있다. 임피던스 산출부(150)는 리아프노프 안정도 이론(Lyapunov theory)을 이용하여 로봇(15)의 댐핑에 관한 파라미터인 제2 임피던스 파라미터(b)를 산출할 수 있다. 이에 대해서는 아래에서 상술하기로 한다.
로봇(15)은 제어장치(11)에서 제어 신호를 받아 작동할 수 있다. 로봇(15)은 복수개의 로봇 암(15a), 로봇 암(15a)을 연결하는 복수개의 엑츄에이터(15b), 로봇 암(15a)의 일단에 설치되는 엔드 이펙터(15c), 제어장치(11)과 연결되는 매니퓰레이터(15d)를 구비할 수 있다.
엑츄에이터(15b)는 제어장치(11)에서 위치, 각도, 각 속도에 관한 신호를 받아서 로봇(15)의 위치 및 힘을 제어할 수 있다. 엔드 이펙터(15c)는 로봇(15)의 사용 목적에 따라 변형할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해서 그립퍼 형태의 엔드 이펙터(15c)를 중심으로 설명하기로 한다.
센서부(130)는 엔드 이펙터(15c)와 인접하게 설치되어, 엔드 이펙터(15c)가 외부 환경(20)으로부터 받는 접촉 힘을 측정할 수 있다. 엔드 이펙터(15c)가 외부 환경(20)과 접촉하면, 외부 환경(20)으로부터 힘을 받는다.
외부 환경(20)은 로봇(15)과 접촉하여 로봇(15) 접촉력을 전달할 수 있다. 외부 환경(20)은 임의의 환경으로 불확실성을 포함한다. 도 3 및 4을 보면, 외부 환경(20)은 질량에 관한 파라미터(me)와 댐핑에 관한 파라미터(be) 및 강성에 관한 파라미터(ke)를 가질 수 있다. 각 파라미터들은 외부 환경(20)의 특성을 나타내는 고유값이다. 따라서 로봇(15)과 접촉하는 외부 환경(20)에 따라 로봇(15)과 외부 환경(20)사이에는 불안정한 상태이거나, 안정한 상태일 수 있다.
로봇(15)과 외부 환경(20)이 불안정해지면 로봇(15)은 목적하고자 하는 일을 효과적으로 수행할 수 없다. 예를 들어, 엔드 이펙터(15c)가 물체(16)를 외부 환경(20)의 특정 위치로 이동시키는 것을 목적으로 하는 로봇(15)은 외부 환경(20)과의 상태가 불안정해 질 수 있다. 로봇(15)과 외부 환경(20) 사이의 접촉이 불안정해지면, 로봇(15)은 진동하거나, 시스템에 외란이 발생할 수 있다.
도 3 및 도 4는 도 1의 로봇 제어 시스템(10)과 외부 환경(20)과의 관계를 보여주는 개념도이다.
도 3과 도4을 참조하면, 센서부(130)에서 측정된 접촉력으로부터 외부 환경(20)의 환경 강성 임피던스(ke)를 산출할 수 있다.
Figure pat00005
여기서 Fm는 외부 환경(20)으로부터 받은 힘으로 센서부(130)에서 측정될 수 있다. k는 임피던스 설정부(110)에서 설정된 제2 임피던스 파라미터이고, |(xei-xev)|는 로봇(15)이 상기 외부 환경과 접촉한 상태에서 이동한 거리이다.
|(xei-xev)|는 로봇(15)의 엔드 이펙터(15c)가 외부 환경(20)과 접촉 안정성을 유지한 상태에서, 로봇(15)의 이동거리이다. 는 엔드 이펙터(15c)가 외부 환경(20)과 접촉을 시작한 시점에서 엔드 이펙터(15c)의 위치이고, 는 엔드 이펙터(15c)의 이동이 종료된 시점에서 엔드 이펙터(15c)의 위치이다. 거리의 측정은 엑츄에이터(15b)와 연결된 엔코더(미도시)가 엑츄에이터(15b)의 회전각의 변화로부터 산출 할 수 있다.
ke는 수학식 1에 의해서 산출될 수 있다. 산출된 환경 강성 임피던스(ke)는 외부 환경(20)의 강성에 관한 특성을 나타낸다.
엔드 이펙터(15c)와 외부 환경(20)이 접촉 안정성을 유지하기 위해서 수동성 관측기(passivity observer, PO)와 수동성 제어기 (passivity controller, PC)를 사용할 수 있다.
수동성 관측기(PO)는 시스템의 안정도를 에너지 변화의 관찰을 통해 분석하는 방법이다. 이러한 방법은 시스템의 샘플링 속도가 시스템의 동역학보다 더 빨라야 한다는 특징이 있으며, 수동성 관측기에서는 하기 수학식 2와 같이 에너지를 나타낸다.
Figure pat00006
여기서 △T는 샘플링시간, f는 엔드 이펙터(15c)에서의 접촉력이고, v는 엔드 이펙터(15c)의 속도이다. Eovsv는 힘과 속도에 의해 생성되는 에너지이다. Eovsv(n)≥0이면 로봇 제어 시스템(10)이 에너지를 소모하는 수동형 시스템이 되어 항상 안정하지만, Eovsv(n)〈0이면 로봇 제어 시스템(10)이 생성하는 에너지 -Eovsv(n)가 로봇 제어 시스템(10)의 원치 않은 움직임을 발생시켜서 시스템을 불안정하게 할 수도 있다. 수동성 관측기(PO)를 통하여 에너지의 상태변화를 관측하고 시스템의 안정도를 판단할 수 있다.
접촉안정성은 로봇이 외부 환경과 접촉하였을 때 진동없이 안정적으로 접촉하는 것이다. 그러나 환경 강성이 높을 경우 측정되는 힘 정보의 반응속도가 빨라지고 로봇시스템의 반응속도가 이를 추종하지 못하여 시스템이 불안정해지게 된다.
이를 극복하기 위해서, 시스템의 불안정성을 안정도 판별기법을 활용하여 감지하고 시스템의 불안정성을 해결하는 방법을 사용할 수 있다. 종래의 안정도 판별기법은 외부환경에 대한 강성 및 파라미터 정보가 있어야지만 시스템이 안정하기 위한 시스템 파라미터를 계산할 수 있다. 반면에 PO/PC방법의 경우 외부 환경에 대한 강성 및 파라미터정보 없이 측정되는 힘과 매니퓰레이터의 속도정보를 활용하여 에너지 관점에서 시스템의 안정도를 판별하고 계산된 시스템의 에너지을 소산시키는 방향으로 시스템이 항상 안전할 수 있도록 한다.
PO/PC방법이 기존의 안정도 판별법으로 활용되지 않는 이유는 시스템이 항상 안정할 수 있도록 발생된 에너지를 수동성 제어기를 활용하여 제거하므로 필요이상의 높은 수치의 파라미터 보상을 하여 시스템 응답속도를 느리게 하기 때문이다.
본 발명의 일 실시예는 환경에 대한 강성정보 없이 안정된 접촉을 하기 위하여 환경 상태에 관계없이 시스템을 안정하게 하는PO/PC의 특성을 활용하여 안정된 접촉을 유지하면서, 매니퓰레이터(15d)의 위치정보와 측정되는 접촉력으로부터 환경 강성 임피던스(ke) 정보를 계산할 수 있다.
일반적으로 센서부(130)와 액츄에이터(15b) 간의 대역폭 차이로 발생하는 시간지연은 로봇 제어 시스템의 접촉 안정성에 큰 영향을 미치게 된다. 시간지연에 대한 영향으로 접촉시에 측정되는 힘과 로봇(15)의 속도가 반대 방향으로 작용하면서 수동성 관측기(PO)에서 관측되는 에너지가 음이 되고, 시스템을 불안정하게 하는 에너지를 생성한다. 수동성 제어기(PC)는 생성된 에너지의 정확한 양을 아는 경우, 시간 변화에 따라 생성된 에너지를 소산하여 시스템을 수동 상태로 유지할 수 있다.
로봇 제어 시스템(10)은 수동성 관측기와 수동성 제어기에 의해서 시스템을 수동상태로 유지할 수 있다. 로봇 제어 시스템(10)은 에너지가 양인 상태를 유지되어 외부 환경(20)과 접촉 안정성이 유지된다. 이러한 방법은 로봇 제어 시스템(10)의 추가적인 정보가 필요하지 않을 뿐만 아니라, 임의의 외부 환경(20)에서도 임피던스 제어 시스템을 강인하게 제어할 수 있다.
환경 강성 산출부(140)에서 산출된 환경 강성 임피던스(ke)의 값으로, 외부 환경(20)에 최적화된 로봇(15)의 임피던스 파라미터 값을 산출할 수 있다. 특히, 댐핑에 관한 제2 임피던스 파라미터(b)의 값을 리아프노프 안정도 이론으로부터 산출할 수 있다.
외부 환경(20)과 접촉 이후 로봇(15)의 거동은 임피던스 특성에 의하여 결정된다. 일반적인 임피던스 방정식은 하기의 수학식3과 같다.
Figure pat00007
여기서 F는 힘, x는 변위 m, b, k는 각각 제1 임피던스 파라미터, 제2 임피던스 파라미터, 제3 임피던스 파라미터이다.
센서부(130)는 노이즈에 의해 영향을 많이 받으므로 일반적으로 노이즈 제거를 위해 필터를 사용한다. 임피던스 모델과 필터 모델을 입력 힘에 대한 로봇 제어 시스템의 출력관계로 하기의 수학식4와 같은 전달함수로 나타낼 수 있다. τ는 필터의 시상수이다.
Figure pat00008
로봇 제어 시스템을 상태공간 상에서 하기의 수학식5로 표현되고, 상태공간 상에서 상태행렬로 표현하면 하기의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다. 수학식 6는 안정도 조건을 판단하는 조건으로 사용될 수 있다.
Figure pat00009
Figure pat00010
리아프노프 안정도 이론으로부터 상태행렬 x의 일반적인 스칼라 방정식V를 하기의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다. 또한 안정도 판별 조건은 하기와 같다.
Figure pat00011
안정도 판별 조건으로 수학식 7은 V(x)가 양의 값을 가지고 (제1 조건),
Figure pat00012
는 음의 값을 가지며(제2 조건), V(x)→∞ as ∥x∥→∞ (제3 조건)을 만족하여야 한다.
제1 조건을 만족하기 위해서는 수학식 7의 행렬가 양의 정부호 행렬이 되어야 하므로 대각항들이 양의 값을 가져야 한다. 이 방정식의 시간에 대한 미분은 하기의 수학식 8과 같다.
Figure pat00013
수학식 8의 행렬 Q가 양의 정부호 행렬을 가질 경우
Figure pat00014
의 결과값이 음의 정부호 행렬이 된다. 그리하여 제2 조건을 만족한다.
수학식5를 수학식8에 대입하면 하기 수학식9를 얻을 수 있다.
Figure pat00015
행렬Q를 계산의 간소화를 위하여 단위행렬로 가정하고, 하기의 임의의 행렬P와 수학식10의 행렬A를 수학식 9에 대입한다.
Figure pat00016
P12=P21=P23=P32=-1로 가정하는 경우 행렬 P는 하기의 [수학식 11]로 표현된다.
Figure pat00017
수학식 11을 수학식 9에 대입하여 P11,P22,P33에 대한 방정식을 하기의 수학식 12로 표현할 수 있다.
Figure pat00018
로봇 제어 시스템(10)이 안정되기 위해서는 P11,P22,P33가 양의 값을 가져야 한다. 제1 임피던스 파라미터(m), 제2 임피던스 파라미터(b), 제3 임피던스 파라미터(k) 및 환경 강성 임피던스(ke)는 특성상 항상 양의 값을 가지므로 로봇 제어 시스템(10)이 안정할 수 있는 조건은 하기의 수학식 13을 만족해야 한다. 하기의 수학식 13을 만족하기 위해서는 하기의 수학식14을 만족해야한다. 따라서 외부 환경(20)에 최적화된 제2' 임피던스 파라미터(b')를 산출할 수 있다.
Figure pat00019
Figure pat00020
외부 환경(20)의 강성에 대한 정보만 실시간으로 얻을 수 있다면, 외부 환경(20)의 변화에 따른 최적화된 제2' 임피던스 파라미터(b')를 산출 할 수 있다.
도 5는 도 1의 로봇 제어 시스템의 제어 방법을 도시하는 흐름도이다.
임피던스 설정부(110)에서 제1 임피던스 파라미터(m), 제2 임피던스 파라미터(b) 및 제3 임피던스 파라미터(k)를 설정할 수 있다.(S10) 외부의 사용자가 입력장치(미도시)로 직접 각각의 임피던스 파라미터의 값을 설정할 수 있으며, 메모리부(미도시)에서 저장된 각각의 임피던스 파라미터의 값을 설정할 수 있다.
설정된 임피던스 파라미터의 값들은 임의의 값들이기 때문에 외부 환경(20)과 안정성을 보장할 수 없다. 그리하여 외부 환경(20)에 따라 로봇(15)이 불안정해 질 수 있다.
외부 환경(20)의 강성에 관한 정보를 얻기 위해서, 센서부(130)는 로봇(15)과 외부 환경(20)은 접촉안정성을 유지하면서 로봇(15)이 외부 환경(20)으로 받는 힘을 측정할 수 있다.(S20) 로봇(15)과 외부 환경(20)의 안정성을 보장하기 위해서 엔드 이펙터(15c)와 외부 환경(20)은 PO/PC 방법을 사용할 수 있다.
환경 강성 산출부(140)는 센서부(130)에서 측정된 힘으로부터 외부 환경(20)의 환경 강성 임피던스(ke)를 산출할 수 있다.(S30) 외부 환경(20)과 엔드 이펙터(15c)는 직렬로 연결되는바 상기 수학식 1을 만족한다. 수학식 1에 의해서 산출된 환경 강성 임피던스(ke)는 외부 환경(20)의 고유한 특성으로, 외부 환경(20)이 변화하면 달라질 수 있다.
임피던스 산출부(150)는 수학식 14로부터 외부 환경(20)에 최적화된 제2' 임피던스 파라미터(b')의 값을 산출할 수 있다.(S40) 즉, 산출된 환경 강성 임피던스(ke), 기 설정된 제1 임피던스 파라미터(m), 기 설정된 제3 임피던스 파라미터(k), 필터의 시상수(τ)를 대입하여 제2' 임피던스 파라미터(b')를 산출할 수 있다.
임피던스 제어부(120)는 기 설정된 제2 임피던스 파라미터(b)에서 제2' 임피던스 파라미터(b')로 변경할 수 있다.(S50) 로봇(15)은 외부 환경(20)의 환경 강성 임피던스(ke)에 최적화된 제2' 임피던스 파라미터(b')로 변경될 수 있다.
로봇(15)의 안정성 여부를 판단할 수 있다.(S60) 로봇(15)이 불안정하다면 다시 외부 환경(20)의 환경 강성 임피던스(ke)를 산출한다.
한편, 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 제어 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
도 6 및 도 7은 도 1의 로봇 제어 시스템(10)과 외부 환경(20) 사이의 접촉안정성을 보여주는 그래프이다.
도 6 및 도7을 비교하면 수동성 관측기(passivity observer, PO)와 수동성 제어기 (passivity controller, PC)에 의해서 로봇(15)과 외부 환경(20)의 안정성이 향상됨을 알 수 있다. 도 6은 PO/PC 방법을 적용없이 로봇(15)을 외부 환경(20)에 접촉하였으며, 도7은 PO/PC 방법을 적용하여 로봇(15)을 외부 환경(20)에 접촉하였다. x축은 접촉 시간을 나타내고, y축은 센서부(130)에 의해서 측정된 접촉력을 나타낸다.
도6을 보면, 엔드 이펙터(15c)가 처음 외부 환경(20)과 접촉하면 충돌힘(Collision force)이 발생하고, 이후 시간이 경과하더라도 접촉력이 일정하게 유지되지 않아 시스템이 불안정해 진다.
도 7을 보면, 엔드 이펙터(15c)가 처음 외부 환경(20)과 접촉하면 충돌힘(Collision force)이 발생하나, 이후 시간이 경과하면 접촉력이 일정하게 유지된다. 즉, PO/PC 방법에 의해서 엔드 이펙터(15c)와 외부 환경(20)은 접촉 안정성을 유지할 수 있다.
도 8은 도 1의 제어 로봇 시스템(10)을 사용하여 응답속도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8을 참고하면, PO/PC 방법으로 접촉안정성을 유지하고, 리아프노프 안정도 이론으로 제2 임피던스 파라미터(b)를 변경하면, 로봇(15)의 응답속도가 향상되는 것을 알 수 있다.
PO/PC 방법만으로 로봇(15)을 구동시에 감쇠비(Damping ratio)를 측정하였다. 또한 본 발명의 일 실시예의 제어 방법과 같이 PO/PC 방법과 리아프노프 안정도 이론으로 제2' 임피던스 파라미터(b')를 이용하여 로봇(15)을 구동하고 이때 감쇠비를 측정하였다.
PO/PC 방법과 리아프노프 안정도 이론으로 제2' 임피던스 파라미터(b')를 사용하여 로봇(15)을 구동하면, PO/PC 방법만으로 로봇(15)을 구동한 것에 비하여 감쇠비가 줄어드는 것을 알 수 있다. 즉, 로봇(15)의 감쇠비가 최소화 되어 응답속도가 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 제어 시스템(10), 제어 방법 및 컴퓨터 판독 기록매체는 불확실한 외부 환경(20)에 대한 접촉 안정성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 제어 시스템(10), 제어 방법 및 컴퓨터 판독 기록매체는 외부 환경(20)의 환경 강성 임피던스(ke)를 계산하고, 이를 이용하여 로봇(15)의 댐핑에 관한 제2' 임피던스 파라미터(b')를 산출 및 변경하여 응답속도를 향상할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 제어 시스템(10), 제어 방법 및 컴퓨터 판독 기록매체는 외부 환경(20)의 변화에 따라 임피던스 파라미터를 설정하는 작업을 생략하는바, 작업 속도 및 효율을 향상시킬 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10: 로봇 제어 시스템
11: 제어장치
15: 로봇
20: 외부 환경
110: 임피던스 설정부
120: 임피던스 제어부
130: 센서부
140: 환경 강성 산출부
150: 임피던스 산출부

Claims (12)

  1. 로봇의 복수개의 임피던스 파라미터를 변경하는 로봇 제어 시스템에 있어서,
    상기 복수개의 임피던스 파라미터를 설정하는 임피던스 설정부;
    상기 로봇이 외부 환경과 접촉 시에, 상기 외부 환경으로부터 받은 힘을 측정하는 센서부;
    상기 힘으로부터 상기 외부 환경의 강성에 관한 정보를 가지는 환경 강성 임피던스를 산출하는 환경 강성 산출부; 및
    상기 환경 강성 임피던스에 대응하여, 상기 복수개의 임피던스 파라미터 중 적어도 하나의 값을 변화시키는 임피던스 제어부;를 포함하는, 로봇 제어 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수개의 임피던스 파라미터는,
    상기 로봇의 질량에 관한 매개변수인 제1 임피던스 파라미터, 상기 로봇의 댐핑에 관한 매개변수인 제2 임피던스 파라미터 및 상기 로봇의 강성에 관한 매개변수인 제3 임피던스 파라미터 중 적어도 하나를 포함하는, 로봇 제어 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 임피던스 제어부는,
    하기 수학식을 이용하여 상기 복수개의 임퍼던스 파라미터를 제어하는, 로봇 제어 시스템.
    Figure pat00021

    여기서, m은 기 설정된 제1 임피던스 파라미터, b`는 산출된 제2 임피던스 파라미터, k는 기 설정된 제3 임피던스 파라미터, τ필터부의 시상수, ke 는 산출된 환경 강성 임피던스를 각각 의미한다.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 임피던스 제어부는,
    상기 제2 임피던스 파라미터를 상기 임피던스 설정부에서 설정된 값에서 상기 수학식에 의해 산출된 값으로 변경하는, 로봇 제어 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 센서부는,
    수동성 관측기(passivity observer, PO)와 수동성 제어기 (passivity controller, PC)에 의해서 상기 로봇이 상기 외부 환경에 접촉을 유지한 상태에서 힘을 측정하는, 로봇 제어 시스템.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 환경 강성 산출부는,
    하기 수학식을 이용하여 상기 환경 강성 임피던스를 산출하는, 로봇 제어 시스템.
    Figure pat00022

    여기서, Fm는 상기 외부 환경으로부터 받은 힘, k는 기 설정된 제3 임피던스 파라미터, ke는 산출된 환경 강성 임피던스, |(xei-xev)|는 상기 로봇이 상기 외부 환경과 접촉한 상태에서 이동한 거리를 각각 의미한다.
  7. 로봇의 질량에 관한 매개변수인 제1 임피던스 파라미터, 상기 로봇의 댐핑에 관한 매개변수인 제2 임피던스 파라미터 및 상기 로봇의 강성에 관한 매개변수인 제3 임피던스 파라미터를 설정하는 단계;
    상기 로봇을 외부 환경에 접촉시켜서 상기 외부 환경으로부터 힘을 측정하는 단계;
    상기 측정된 힘으로부터 상기 외부 환경의 환경 강성 임피던스를 산출하는 단계; 및
    상기 환경 강성 임피던스에 대응하는 상기 제2 임피던스 파라미터를 산출하는 단계; 를 포함하는 로봇 제어 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 임피던스 파라미터를 설정된 값에서 산출된 값으로 변경하는 단계;를 더 포함하는 로봇 제어 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 외부 환경으로부터 힘을 측정하는 단계는,
    수동성 관측기(passivity observer, PO)와 수동성 제어기 (passivity controller, PC)에 의해서 상기 로봇이 상기 외부 환경에 접촉을 유지한 상태에서 상기 힘을 측정하는, 로봇 제어 방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 임피던스 파라미터를 변경하는 단계는,
    임피던스 제어부가 하기 수학식을 이용하여 상기 제2 임피던스 파라미터를 산출하는, 로봇 제어 방법.
    Figure pat00023

    여기서, m은 기 설정된 제1 임피던스 파라미터, b`는 산출된 제2 임피던스 파라미터, k는 기 설정된 제3 임피던스 파라미터, τ는 필터부의 시상수, ke는 산출된 환경 강성 임피던스를 각각 의미한다.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 환경 강성 임피던스를 산출하는 단계는,
    하기 수학식을 이용하여 상기 환경 강성 임피던스를 산출하는, 로봇 제어 방법.
    Figure pat00024

    여기서, Fm는 상기 외부 환경으로부터 받은 힘, k는 기 설정된 제3 임피던스 파라미터, ke는 산출된 환경 강성 임피던스, |(xei-xev)|는 상기 로봇이 상기 외부 환경과 접촉한 상태에서 이동한 거리를 각각 의미한다.
  12. 제7 항 내지 제11 항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터로 실행시키기 위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
KR1020150046858A 2015-04-02 2015-04-02 로봇 제어 시스템, 제어 방법 및 컴퓨터 판독 기록매체 KR101675522B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150046858A KR101675522B1 (ko) 2015-04-02 2015-04-02 로봇 제어 시스템, 제어 방법 및 컴퓨터 판독 기록매체

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150046858A KR101675522B1 (ko) 2015-04-02 2015-04-02 로봇 제어 시스템, 제어 방법 및 컴퓨터 판독 기록매체

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160118559A true KR20160118559A (ko) 2016-10-12
KR101675522B1 KR101675522B1 (ko) 2016-11-11

Family

ID=57173693

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150046858A KR101675522B1 (ko) 2015-04-02 2015-04-02 로봇 제어 시스템, 제어 방법 및 컴퓨터 판독 기록매체

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101675522B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106774181A (zh) * 2016-12-23 2017-05-31 东南大学 基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法
KR102156655B1 (ko) * 2020-02-11 2020-09-16 주식회사 뉴로메카 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크
CN114770500A (zh) * 2022-04-02 2022-07-22 苏州艾利特机器人有限公司 基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的方法、***及应用

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001277162A (ja) * 2000-03-31 2001-10-09 Omron Corp インピーダンスパラメータ調整装置
KR100688338B1 (ko) * 2005-09-30 2007-03-02 한국과학기술원 시간영역 수동성 제어를 이용한 보행 로봇의 충격제어시스템
KR20140147267A (ko) * 2013-06-19 2014-12-30 광주과학기술원 위치 제어 산업 로봇의 제어 방법 및 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001277162A (ja) * 2000-03-31 2001-10-09 Omron Corp インピーダンスパラメータ調整装置
KR100688338B1 (ko) * 2005-09-30 2007-03-02 한국과학기술원 시간영역 수동성 제어를 이용한 보행 로봇의 충격제어시스템
KR20140147267A (ko) * 2013-06-19 2014-12-30 광주과학기술원 위치 제어 산업 로봇의 제어 방법 및 장치

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106774181A (zh) * 2016-12-23 2017-05-31 东南大学 基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法
CN106774181B (zh) * 2016-12-23 2018-11-09 东南大学 基于阻抗模型的高精度牵引示教机器人的速度控制方法
KR102156655B1 (ko) * 2020-02-11 2020-09-16 주식회사 뉴로메카 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크
CN114770500A (zh) * 2022-04-02 2022-07-22 苏州艾利特机器人有限公司 基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的方法、***及应用
CN114770500B (zh) * 2022-04-02 2024-06-04 苏州艾利特机器人有限公司 基于阻抗模式修正机械臂控制器参数的方法、***及应用

Also Published As

Publication number Publication date
KR101675522B1 (ko) 2016-11-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11298828B2 (en) Calibration device, calibration method, and control device
US10618164B2 (en) Robot system having learning control function and learning control method
Yao et al. Adaptive robust motion control of single-rod hydraulic actuators: theory and experiments
US7508155B2 (en) Controller
JP7262847B2 (ja) 安全重視用途に関する産業ロボット動力学のシステム識別
WO2010050119A1 (en) Robot control apparatus
Roveda et al. High-accuracy robotized industrial assembly task control schema with force overshoots avoidance
De Schutter A study of active compliant motion control methods for rigid manipulators based on a generic scheme
CN109382824B (zh) 用于操作机器人的方法和机器人***
CN107433590A (zh) 机械臂负载质量和传感器零漂在线辨识的重力补偿方法
KR101675522B1 (ko) 로봇 제어 시스템, 제어 방법 및 컴퓨터 판독 기록매체
CN112809667B (zh) 工业机器人的力控制方法、装置及其应用
Boukhnifer et al. $ H_ {\infty} $ Loop Shaping Bilateral Controller for a Two-Fingered Tele-Micromanipulation System
Bös et al. Iteratively learned and temporally scaled force control with application to robotic assembly in unstructured environments
Winkler et al. Position feedback in force control of industrial manipulators-an experimental comparison with basic algorithms
Norberto Pires et al. Force control experiments for industrial applications: a test case using an industrial deburring example
KR102561103B1 (ko) 로봇 보정 시스템 및 그것의 보정 방법
Gonzalez et al. Quasi-static loaded circular testing of serial articulated industrial manipulators
CN114800505B (zh) 一种机器人作业控制方法及装置
JP7167667B2 (ja) 検査方法およびロボットシステム
Ji et al. Joint control for flexible‐joint robot with input‐estimation approach and LQG method
CN113370203A (zh) 机器人控制方法、装置、计算机设备及存储介质
KR101956504B1 (ko) 로봇 시뮬레이터를 제공하는 방법, 시스템 및 비일시성의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체
Santos et al. Perceived Stiffness Estimation for Robot Force Control
CN113561170B (zh) 机器人力矩补偿方法、机器人、设备及存储介质

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190828

Year of fee payment: 4