KR20170016631A - 여자유도 로봇 제어 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 - Google Patents

여자유도 로봇 제어 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 Download PDF

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KR20170016631A
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Abstract

여자유도 로봇 제어 시스템은 입력 정보 설정부, 위치 제어 정보 생성부, 작업 공간 강성 정보 생성부, 자세 제어 정보 생성부, 및 관절 제어 정보 생성부를 포함한다. 입력 정보 설정부는 여자유도 로봇의 작업공간 위치 정보, 관절공간 강성 정보, 작업 방향 정보를 설정하고, 위치 제어 정보 생성부는 작업공간 위치 정보를 이용하여 여자유도 로봇의 작업공간 위치 제어 정보를 생성하고, 작업 공간 강성 정보 생성부는 여자유도 로봇의 관절공간 강성 정보를 이용하여 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성 정보를 생성하고, 자세 제어 정보 생성부는 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성 정보 및 작업 방향 정보를 이용하여 여자유도 로봇의 작업공간에서 작업 방향으로의 강성을 최대화하는 자세 제어 정보를 생성하며, 관절 제어 정보 생성부는 작업공간 위치 제어 정보와 자세 제어 정보를 이용하여 여자유도 로봇의 관절 제어 정보를 생성한다.

Description

여자유도 로봇 제어 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체{SYSTEM, METHOD FOR CONTROLLING REDUNDANT ROBOT, AND A RECORDING MEDIUM HAVING COMPUTER READABLE PROGRAM FOR EXECUTING THE METHOD}
본 발명은 로봇 제어 시스템, 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 여유 자유도를 가지는 여자유도 로봇의 제어 시스템, 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가공기는 주로 정밀 부품을 대량 생산하는데 사용되며 그 용도는 지속적으로 확대되고 있다. 하지만, 가공기는 가격이 비싸고 다양한 환경에 대해 적용이 어려워 이를 대체하기 위한 시도가 계속되어 왔다.
로봇 머니퓰레이터(manipulator)를 이용한 가공이 대표적인 것으로서, 로봇 머니퓰레이터는 다양한 환경에 적용이 용이하고 가격이 저렴하여 기존 가공기의 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
그러나 가공 중 가공기에는 큰 외력이 가해지게 되는데 로봇 머니퓰레이터는 기존 가공기에 비해 낮은 강성을 가지며, 이에 따라 가공 중 외력에 대해 큰 위치 오차를 보인다. 이는 로봇 머니퓰레이터를 이용한 가공품의 정확도 저하로 이어지며, 이러한 문제로 인해 로봇 머니퓰레이터를 이용한 가공은 현재 제한적으로만 사용되고 있다.
이러한 문제의 해결을 위하여 로봇 머니퓰레이터의 강성을 높이기 위한 연구 또한 많이 진행되고 있는데, 로봇 기구 자체의 강성을 높이는 것은 현실성이 떨어지고 기존 로봇에는 적용이 힘들기 때문에 추가적인 제어나 기구를 이용하여 로봇의 낮은 강성으로 인한 오차를 보상하는 방법이 주로 시도되고 있다.
이러한 방법은 크게 2가지로 구분될 수 있는데, 첫 번째 방법은 로봇의 관절 강성 모델과 가공 중 가해지는 외력 정보를 이용하여 로봇의 위치 오차를 예측하고 이를 보상하는 방법이다.
도 1에는 이러한 제어 알고리즘의 예를 나타내었는데, 측정된 외력에 frame transform과 stiffness model을 거쳐 위치 오차를 추정하고 이를 보상해 주는 구성을 확인할 수 있다. 도 1은 종래의 로봇 머니퓰레이터의 작업 중 강성을 높이기 위한 위치 오차 측정 및 보상 알고리즘의 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
그러나 이러한 방법은 로봇의 정확한 gravity model과 stiffness model을 요구하며 이러한 모델의 정확도는 보상 정확도에 큰 영향을 미친다. 따라서 이러한 stiffness 및 gravity model은 별도의 과정을 통해 측정이 되어야 하는 불편함이 있다. 또한, 가공 중 외력 측정을 위해선 값 비싼 축 힘토크 센서 (6 DOF Force torque sensor)등이 필요하며 이는 전체 시스템의 가격 상승 요인이 된다.
두 번째 방법은 로봇 머니퓰레이터 외에 별도의 높은 동적 성능을 가지는 능동형 메커니즘을 이용하여 로봇의 변형으로 인한 위치 오차를 보상하는 방법이다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 로봇 2대가 협조 제어되어 로봇 머니퓰레이터가 가공물의 가공을 담당하며 능동형 메커니즘은 가공 중 로봇의 위치 오차를 보상한다. 도 2는 추가적인 능동형 메커니즘을 이용한 로봇의 위치 오차 보상 시스템의 예가 도시된 도면이다. 그런데 이러한 방법은 로봇 머니퓰레이터 외에도 별도의 메커니즘을 필요로 하므로 전체 시스템이 복잡해지고 가격이 높아진다는 문제가 있다.
또한, 상기 두 가지 방법은 로봇 머니퓰레이터의 위치 오차 측정 방법에서는 차이가 있지만 모델 및 센서 정보에 기반하여 로봇의 위치 오차를 측정하고 이를 바탕으로 보상 제어를 실시한다는 공통점을 가지고 있다. 따라서 이러한 방법들의 보상 성능은 로봇의 자체 강성 및 센서 정보의 정확도에 크게 영향을 받게 된다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 로봇의 위치 제어를 위해 추가적인 별도의 장치나 복잡한 연산이 없이도 로봇 머니퓰레이터의 작업 공간에서의 강성을 효과적으로 증가시킬 수 있는 제어 시스템, 및 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 여자유도 로봇 제어 시스템은, 입력 정보 설정부, 위치 제어 정보 생성부, 작업 공간 강성 정보 생성부, 자세 제어 정보 생성부, 및 관절 제어 정보 생성부를 포함한다.
입력 정보 설정부는 여자유도 로봇의 작업공간 위치 정보, 관절공간 강성 정보, 작업 방향 정보를 설정하고, 위치 제어 정보 생성부는 작업공간 위치 정보를 이용하여 여자유도 로봇의 작업공간 위치 제어 정보를 생성하고, 작업 공간 강성 정보 생성부는 여자유도 로봇의 관절공간 강성 정보를 이용하여 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성 정보를 생성하고, 자세 제어 정보 생성부는 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성 정보 및 작업 방향 정보를 이용하여 여자유도 로봇의 작업공간에서 작업 방향으로의 강성을 최대화하는 자세 제어 정보를 생성하며, 관절 제어 정보 생성부는 작업공간 위치 제어 정보와 자세 제어 정보를 이용하여 여자유도 로봇의 관절 제어 정보를 생성한다.
이와 같은 구성에 의하면, 작업공간에서의 여자유도 로봇의 자세를 작업방향으로의 강성이 최대화되도록 제어함으로써, 로봇의 위치 제어를 위해 추가적인 별도의 장치나 복잡한 연산이 없이도 로봇 머니퓰레이터의 작업 공간에서의 강성을 효과적으로 증가시킬 수 있게 된다.
이때, 여자유도 로봇 제어 시스템은 여자유도 로봇 각 관절의 강성 데이터로부터 여자유도 로봇의 관절공간 강성 정보를 생성하는 관절공간 강성 정보 생성부를 더 포함할 수 있으며, 여자유도 로봇의 관절공간 강성 정보(Kjoint)는
Figure pat00001
의 수학식을 이용하여 산출되고, K1 내지 Kn은 상기 여자유도 로봇 각 관절의 강성 데이터일 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 여자유도 로봇 제어 시스템은, 실험적으로 계측되거나 매뉴얼로부터 획득된 여자유도 로봇의 각 관절 강성 데이터로부터 여자유도 로봇의 관절공간 강성정보를 생성할 수 있게 된다.
또한, 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성(Kcartesian) 정보는
Figure pat00002
의 수학식을 이용하여 산출되고, J는 로봇의 자코비안이고, -1은 역행렬이고, T는 전치행렬일 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 여자유도 로봇의 관절공간 강성 정보로부터 작업공간에서의 자세 제어에 필요한 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성 정보를 획득할 수 있게 된다.
자세 제어 정보(
Figure pat00003
)는
Figure pat00004
의 수학식에 의해 산출되고, In은 단위행렬(identity matrix)이고, n은 여자 유도 로봇의 자유도이고, +는 의사역행렬(pseudo inverse)이고,
Figure pat00005
이고, k0는 미리 설정된 게인이고,
Figure pat00006
이고, Funit은 여자유도 로봇의 작업공간에서 작업 방향으로의 단위 벡터(unit vector)일 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성 정보로부터 여자유도 로봇의 작업공간에서 작업 방향으로의 강성을 최대로 할 수 있는 목적 함수(objective function)를 설정할 수 있게 된다.
작업공간 위치 제어 정보(
Figure pat00007
)는,
Figure pat00008
의 수학식에 의해 산출되고,
Figure pat00009
는 여자유도 로봇의 작업공간 속도 벡터일 수 있다. 또한, 여자유도 로봇의 작업공간 위치 정보로부터 여자유도 로봇의 작업공간 속도 벡터를 산출하는 작업공간 속도 벡터 산출부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 사용자가 입력한 로봇의 작업공간 궤적으로부터 여자유도 로봇의 작업공간 위치 제어 정보를 산출할 수 있게 된다.
아울러, 상기 시스템을 방법의 형태로 구현한 발명과 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록매체가 개시된다.
본 발명에 의하면, 작업공간에서의 여자유도 로봇의 자세를 작업방향으로의 강성이 최대화되도록 제어함으로써, 로봇의 위치 제어를 위해 추가적인 별도의 장치나 복잡한 연산이 없이도 로봇 머니퓰레이터의 작업 공간에서의 강성을 효과적으로 증가시킬 수 있게 된다.
또한, 여자유도 로봇 제어 시스템은, 실험적으로 계측되거나 매뉴얼로부터 획득된 여자유도 로봇의 각 관절 강성 데이터로부터 여자유도 로봇의 관절공간 강성정보를 생성할 수 있게 된다.
또한, 여자유도 로봇의 관절공간 강성 정보로부터 작업공간에서의 자세 제어에 필요한 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성 정보를 획득할 수 있게 된다.
또한, 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성 정보로부터 여자유도 로봇의 작업공간에서 작업 방향으로의 강성을 최대로 할 수 있는 목적 함수(objective function)를 설정할 수 있게 된다.
또한, 사용자가 입력한 로봇의 작업공간 궤적으로부터 여자유도 로봇의 작업공간 위치 제어 정보를 산출할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 로봇 머니퓰레이터의 작업 중 강성을 높이기 위한 위치 오차 측정 및 보상 알고리즘의 예를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 추가적인 능동형 메커니즘을 이용한 로봇의 위치 오차 보상 시스템의 예가 도시된 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 여자유도 로봇 제어 시스템의 개략적인 블록도.
도 4는 자코비안을 이용한 로봇 모션 제어 개념을 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 여자유도 로봇 제어 방법을 수행하기 위한 알고리즘의 개략적인 도식도.
도 6은 알고리즘의 입력과 출력이 정리된 표.
도 7은 시뮬레이션을 위한 3자유도 로봇의 개략적인 도면.
도 8은 강성 최적화에 따른 로봇의 자세 변화를 도시한 도면.
도 9는 여자유도 로봇의 자세 변화에 따른 위치 오차 감소를 도시한 그래프.
도 10은 이동중인 로봇의 외력에 대한 위치 오차를 도시한 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 여자유도 로봇 제어 시스템의 개략적인 블록도이다.
여자유도 로봇 제어 시스템(100)은, 입력 정보 설정부(110), 위치 제어 정보 생성부(120), 작업 공간 강성 정보 생성부(130), 자세 제어 정보 생성부(140), 관절 제어 정보 생성부(150), 관절공간 강성 정보 생성부(160), 및 작업공간 속도 벡터 산출부(170)를 포함한다.
이때, 여자유도 로봇 제어 시스템(100)의 각 구성 요소들은 하드웨어만으로 구성될 수도 있겠지만, 하드웨어 상에서 동작하는 소프트웨어로 구현되는 것이 일반적일 것이다.
입력 정보 설정부(110)는 여자유도 로봇의 작업공간 위치 정보, 관절공간 강성 정보, 작업 방향 정보를 설정한다.
이때, 관절공간 강성 정보 생성부(160)는 여자유도 로봇 각 관절의 강성 데이터로부터 여자유도 로봇의 관절공간 강성 정보를 생성한다. 이러한 구성에 의하면, 여자유도 로봇 제어 시스템(100)이 관절공간 강성 정보를 직접 입력받지 못하는 경우에도, 실험적으로 계측되거나 매뉴얼로부터 획득된 여자유도 로봇의 각 관절 강성 데이터로부터 여자유도 로봇의 관절공간 강성정보를 생성하여 설정할 수 있게 된다.
또한, 작업공간 속도 벡터 산출부(170)는 여자유도 로봇의 작업공간 위치 정보로부터 여자유도 로봇의 작업공간 속도 벡터를 산출한다. 이와 같은 구성에 의하면, 사용자가 입력한 여자유도 로봇의 작업공간 궤적으로부터 여자유도 로봇의 작업공간 위치제어를 위해 직접 필요한 정보인 작업공간 속도벡터를 산출할 수 있게 된다.
위치 제어 정보 생성부(120)는 작업공간 위치 정보를 이용하여 여자유도 로봇의 작업공간 위치 제어 정보를 생성하고, 작업 공간 강성 정보 생성부(130)는 여자유도 로봇의 관절공간 강성 정보를 이용하여 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성 정보를 생성하고, 자세 제어 정보 생성부(140)는 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성 정보 및 작업 방향 정보를 이용하여 여자유도 로봇의 작업공간에서 작업 방향으로의 강성을 최대화하는 자세 제어 정보를 생성하며, 관절 제어 정보 생성부(150)는 작업공간 위치 제어 정보와 자세 제어 정보를 이용하여 여자유도 로봇의 관절 제어 정보를 생성한다.
이와 같은 구성에 의하면, 작업공간에서의 여자유도 로봇의 자세를 작업방향으로의 강성이 최대화되도록 제어함으로써, 추가적인 별도의 장치나 복잡한 연산이 없이도 로봇 머니퓰레이터의 작업 공간에서의 강성을 증가시킬 수 있게 된다.
이하, 도 3의 실시예를 보다 구체적인 예와 함께 상세히 설명한다.
일반적으로 로봇의 말단부(end-effector)는 6개의 자유도(X, Y, Z 3축에 대한 3개의 위치 자유도와 각 축에 대한 회전을 통한 3개의 회전 자유도)를 지니며 따라서 일반적인 산업용 로봇들은 6개의 관절을 지닌다. 여자유도 로봇이란 이러한 기존의 로봇과 달리 6개 이상의 관절을 가지는 로봇으로 이러한 여자유도를 이용하면 역기구학(inverse kinematics)에 대해 무한개의 해를 가지게 된다.
따라서 일반적인 로봇이 주어진 말단부 목표 위치에 대해 하나의 자세만으로 접근이 가능하다면 여자유도 로봇은 주어진 말단부 목표 위치에 대해 다양한 자세로 접근이 가능하다. 이를 이용하여 가공 중 여자유도 로봇의 무한대의 역기구학 해 중에서 작업 방향으로의 강성을 최대화할 수 있는 해로 로봇을 제어하게 되면 외력으로 인한 로봇 위치 오차를 최소화시킬 수 있다.
본 발명에서는 이러한 제어를 위한 알고리즘을 제시한다. 이러한 방법에 의하면, 추가적인 센서나 기구부가 필요 없음으로 추가 비용이 들지 않고 기존 로봇에 쉽게 적용이 가능하며 정확한 강성 및 외력 정보가 없이도 로봇의 위치 오차 최소화가 가능하다는 장점이 있다.
자코비안(Jacobian)은 로봇의 기구적 구성으로부터 쉽게 도출이 가능하여 로봇 제어에 널리 사용된다. 일반적인 여자유도를 가지지 않는 로봇은 자코비안을 이용하여 수학식 1과 같이 제어할 수 있다.
Figure pat00010
여기서
Figure pat00011
는 로봇 관절 공간 속도 벡터, J는 로봇 자코비안 그리고
Figure pat00012
는 로봇 작업공간 속도 벡터이다. 사용자가 원하는 로봇의 작업공간 궤적을 설정하며 궤적 생성기를 사용해 이로부터 로봇 작업공간 속도 벡터
Figure pat00013
를 계산할 수 있다.
이를 수학식 1에 따라 로봇 관절 벡터
Figure pat00014
로 변환하여 로봇 각 관절의 액추에이터를 제어함으로써 로봇은 이러한 모션을 수행하게 된다. 도 4는 자코비안을 이용한 로봇 모션 제어 개념을 개략적으로 도시한 도면이다.
여자유도 로봇 또한 자코비안을 이용하여 제어할 수 있는데 이때 제어 수식은 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00015
여기서 I n 은 identity matrix, n은 로봇 자유도이며 +는 pseudo inverse로 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00016
여기서, T는 전치행렬, -1은 matrix 역행렬을 의미한다.
수학식 2를 일반 6자유도 로봇 제어 수식인 수학식 1과 비교해볼 때,
Figure pat00017
의 항목이 추가되었음을 알 수 있다. 이 추가된 항과
Figure pat00018
을 정의함으로써 로봇의 말단부를 고정한 채로 로봇의 자세 변경이 가능하다. 이때
Figure pat00019
은 다음과 같이 정의된다:
Figure pat00020
여기서, k o 은 게인이며 w(q)은 목적 함수(objective function)이다. 수학식 2와 4를 이용하여 로봇을 제어하게 되면 목적 함수(objective function) w(q)가 최대화되며, 본 발명에서는 이를 이용하여 로봇의 강성을 최대화하기 위해 다음과 같은 목적 함수(objective function)을 제시한다.
Figure pat00021
K - 1 cartesian 은 가해진 외력으로 인한 작업공간상의 로봇의 변형을 나타내며, 따라서 수학식 5를 이용하면 로봇 작업공간상의 변형이 최소화됨을 알 수 있다. 여기서 K cartesian 는 로봇 작업공간상의 강성이며 F unit 은 작업 중 가해지는 방향으로의 단위 벡터(unit vector)이다. 이 K cartesian 은 수학식 6으로 계산될 수 있으며 로봇 관절공간 강성 K joint 는 수학식 7에 정의되어 있다.
Figure pat00022
Figure pat00023
수학식 7의 K i 는 로봇 각 관절의 강성으로 이는 실험적으로 계측하거나 로봇 및 감속기 매뉴얼에서 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 여자유도 로봇 제어 방법을 수행하기 위한 알고리즘의 개략적인 도식도이다.
도 5에서, 먼저 로봇 제어기(proposed algorithm)에 궤적 생성기(trajectory planner)로부터의 모션 정보 (
Figure pat00024
)와 작업 관리자(task planner)로부터 F unit , 즉 강성을 최대화할 방향이 주어진다. 이때 F unit 은 로봇이 하고자 하는 작업에 맞추어 결정되게 된다.
다음으로, 이 정보로부터 로봇 궤적
Figure pat00025
를 계산하게 되는데 그 과정은 다음과 같다.
1. 로봇 말단부 위치 제어를 위해 로봇 궤적 생성기로부터 주어진
Figure pat00026
와 계산된 로봇 자코비안을 이용, 수학식 8을 통해 로봇 궤적을 생성한다. 이 과정은 도 5의 Motion controller에 의해 수행된다.
Figure pat00027
2. 주어진 F unit 과 계산된 K cartesian 을 이용하여 수학식 9를 이용하여 로봇 여자유도 모션을 생성한다. 이때 K joint 는 미리 매뉴얼이나 실험을 통해 얻어진 것으로 가정한다. 이 부분은 도 5의 null space motion에 의해 수행된다.
Figure pat00028
마지막으로, 수학식 8과 9의 결과를 이용하여 여자유도 로봇의 관절을 제어한다. 이와 같이, 수학식 8과 9를 더하면 수학식 2가 되는 것을 확인할 수 있으며, 이렇게 계산된
Figure pat00029
을 통해 로봇을 제어함으로써 로봇이 원하는 궤적을 추종하면서도 원하는 방향으로의 강성을 극대화시킬 수 있게 된다. 도 5의 알고리즘의 입력 및 출력은 도 6의 표에 정의되어 있다. 도 6은 알고리즘의 입력과 출력이 정리된 표이다.
이러한 제어 방식은 다음과 같은 장점을 지닌다. 첫 번째로 수학식들에서 알 수 있듯이 본 발명에서 제안하는 제어 알고리즘은 많은 계산량을 요구하지 않고, 따라서 기존 로봇에 쉽게 적용이 가능하다. 또한, 가공으로 인한 외력 정보를 요구하지 않으므로 추가적인 센서 및 비용이 필요하지 않으며, F unit 을 조정함으로써 최대화할 강성의 방향 또한 선택이 가능하다.
본 제어 방법을 검증하기 위해 시뮬레이션을 진행하였다. 도 7에서와 같이, 2차원 평면에서 동작하는 3자유도 로봇을 가정하였으며, 시뮬레이션 프로그램 Matlab을 이용하여 이 로봇을 통한 밀링(milling)작업을 구현하였다. 도 7은 시뮬레이션을 위한 3자유도 로봇의 개략적인 도면이다.
우선 로봇의 강성 최적화에 따른 자세 변화를 보기 위하여 3자유도 로봇의 말단부 위치를 고정한 상태에서 X축으로의 로봇의 강성을 최대화하는 제어를 수행하였다. 이때 로봇의 자세 변화를 도 8에 나타내었다. 도 8은 강성 최적화에 따른 로봇의 자세 변화를 도시한 도면이다. 도 8에서 로봇 말단부의 위치는 동일하지만 로봇 자세가 최적화되었음을 확인할 수 있다.
이와 같이, 로봇의 자세가 변하는 동안 1N의 힘이 X방향으로부터 가해졌다고 가정하고 이때 자세 변화에 따른 로봇 위치 오차의 변화를 도 9에 나타내었다. 도 9는 여자유도 로봇의 자세 변화에 따른 위치 오차 감소를 도시한 그래프이다.
도 9에서 2개의 그래프는 각각 X, Y축의 위치 오차를 나타내며, 결과에서 알 수 있듯이 자세가 변함에 따라 동일한 외력에 대해 위치 오차가 감소함을 알 수 있다. 분석 결과 각 축에 대해 각각 18.3%와 47.7%의 위치 오차 감소를 보였다.
또한, 로봇이 제안한 알고리즘을 사용하여 X축으로 이동할 시에 X축으로 1N의 힘이 가해 졌다고 가정하고 이때의 위치 오차를 도 10에 그래프에 나타내었다. 도 10은 이동중인 로봇의 외력에 대한 위치 오차를 도시한 그래프이다.
도 10에서 붉은색 선이 제안한 알고리즘을 사용했을 때의 위치 오차이며 파란색 선은 일반적인 위치 제어를 수행하였을 때의 결과이다. 그래프에서 알 수 있듯이 제안한 알고리즘을 사용하면 로봇이 이동 중에도 외력으로 인한 위치 오차를 최소화할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명은 다음과 같이 확장될 수 있다.
1. 로봇의 강성제어는 가공뿐만 아니라 다양한 분야에 적용이 가능하다. 본 발명에서 제안하는 제어 알고리즘을 사용하면 로봇과 사물의 충돌 안전보장을 위해 로봇이 사물과의 충돌을 예측할 수 있지만 회피가 힘든 경우, 충돌 방향으로의 강성을 최소화하여 충격량을 줄이는 제어 또한 가능하다.
2. 본 발명에서는 로봇 자코비안을 이용한 여자유도 제어를 강성 최대화 방법으로 제시하였지만 여자유도 로봇 제어는 다양한 알고리즘으로 구현이 가능하며 이때도 본 발명에서 제시한 방법과 유사한 목적 함수(objective function)를 사용함으로써 작업공간 강성 제어가 가능하다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.
100: 여자유도 로봇 제어 시스템
110: 입력 정보 설정부
120: 위치 제어 정보 생성부
130: 작업 공간 강성 정보 생성부
140: 자세 제어 정보 생성부
150: 관절 제어 정보 생성부
160: 관절공간 강성 정보 생성부
170: 작업공간 속도 벡터 산출부

Claims (17)

  1. 여자유도 로봇의 작업공간 위치 정보, 관절공간 강성 정보, 작업 방향 정보를 설정하는 입력 정보 설정부;
    상기 작업공간 위치 정보를 이용하여 상기 여자유도 로봇의 작업공간 위치 제어 정보를 생성하는 위치 제어 정보 생성부;
    상기 여자유도 로봇의 관절공간 강성 정보를 이용하여 상기 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성 정보를 생성하는 작업 공간 강성 정보 생성부;
    상기 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성 정보 및 상기 작업 방향 정보를 이용하여 상기 여자유도 로봇의 작업공간에서 작업 방향으로의 강성을 최대화하는 자세 제어 정보를 생성하는 자세 제어 정보 생성부; 및
    상기 작업공간 위치 제어 정보와 상기 자세 제어 정보를 이용하여 상기 여자유도 로봇의 관절 제어 정보를 생성하는 관절 제어 정보 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 여자유도 로봇 각 관절의 강성 데이터로부터 상기 여자유도 로봇의 관절공간 강성 정보를 생성하는 관절공간 강성 정보 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 여자유도 로봇의 관절공간 강성 정보(Kjoint)는
    Figure pat00030

    의 수학식을 이용하여 산출되고, K1 내지 Kn은 상기 여자유도 로봇 각 관절의 강성 데이터인 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성(Kcartesian) 정보는
    Figure pat00031

    의 수학식을 이용하여 산출되고, J는 로봇의 자코비안이고, -1은 역행렬이고, T는 전치행렬인 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 자세 제어 정보(
    Figure pat00032
    )는
    Figure pat00033

    의 수학식에 의해 산출되고, In은 단위행렬(identity matrix)이고, n은 상기 여자 유도 로봇의 자유도이고, +는 의사역행렬(pseudo inverse)이고,
    Figure pat00034

    이고, k0는 미리 설정된 게인이고,
    Figure pat00035

    이고, Funit은 상기 여자유도 로봇의 작업공간에서 작업 방향으로의 단위 벡터(unit vector)인 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 작업공간 위치 제어 정보(
    Figure pat00036
    )는,
    Figure pat00037

    의 수학식에 의해 산출되고,
    Figure pat00038
    는 상기 여자유도 로봇의 작업공간 속도 벡터인 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 여자유도 로봇의 작업공간 위치 정보로부터 상기 여자유도 로봇의 작업공간 속도 벡터를 산출하는 작업공간 속도 벡터 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 여자유도 로봇의 관절 제어 정보(
    Figure pat00039
    )는 상기 여자유도 로봇의 관절공간 속도벡터이고,
    Figure pat00040

    의 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 시스템.
  9. 여자유도 로봇 제어 시스템이,
    여자유도 로봇의 작업공간 위치 정보, 관절공간 강성 정보, 작업 방향 정보를 설정하는 단계;
    상기 작업공간 위치 정보를 이용하여 상기 여자유도 로봇의 작업공간 위치 제어 정보를 생성하는 단계;
    상기 여자유도 로봇의 관절공간 강성 정보를 이용하여 상기 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성 정보를 생성하는 단계;
    상기 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성 정보 및 상기 작업 방향 정보를 이용하여 상기 여자유도 로봇의 작업공간에서 작업 방향으로의 강성을 최대화하는 자세 제어 정보를 생성하는 단계; 및
    상기 작업공간 위치 제어 정보와 상기 자세 제어 정보를 이용하여 상기 여자유도 로봇의 관절 제어 정보를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 여자유도 로봇 각 관절의 강성 데이터로부터 상기 여자유도 로봇의 관절공간 강성 정보를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 여자유도 로봇의 관절공간 강성 정보(Kjoint)는
    Figure pat00041

    의 수학식을 이용하여 산출되고, K1 내지 Kn은 상기 여자유도 로봇 각 관절의 강성 데이터인 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 여자유도 로봇의 작업공간에서의 강성(Kcartesian) 정보는
    Figure pat00042

    의 수학식을 이용하여 산출되고, J는 로봇의 자코비안이고, -1은 역행렬이고, T는 전치행렬인 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 자세 제어 정보(
    Figure pat00043
    )는
    Figure pat00044

    의 수학식에 의해 산출되고, In은 단위행렬(identity matrix)이고, n은 상기 여자 유도 로봇의 자유도이고, +는 의사역행렬(pseudo inverse)이고,
    Figure pat00045

    이고, k0는 미리 설정된 게인이고,
    Figure pat00046

    이고, Funit은 상기 여자유도 로봇의 작업공간에서 작업 방향으로의 단위 벡터(unit vector)인 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 작업공간 위치 제어 정보(
    Figure pat00047
    )는,
    Figure pat00048

    의 수학식에 의해 산출되고,
    Figure pat00049
    는 상기 여자유도 로봇의 작업공간 속도 벡터인 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 여자유도 로봇의 작업공간 위치 정보로부터 상기 여자유도 로봇의 작업공간 속도 벡터를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 여자유도 로봇의 관절 제어 정보(
    Figure pat00050
    )는 상기 여자유도 로봇의 관절공간 속도벡터이고,
    Figure pat00051

    의 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 여자유도 로봇 제어 방법.
  17. 제 9항 내지 제 16항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체.
KR1020150109960A 2015-08-04 2015-08-04 여자유도 로봇 제어 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 KR102312368B1 (ko)

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