KR102156655B1 - Control framework based on dynamic simulation for robot - Google Patents

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KR102156655B1
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박종훈
이웅용
허영진
정완균
이동현
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주식회사 뉴로메카
포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a control framework based on a dynamic simulation for a robot. The control framework based on a dynamic simulation for a robot comprises: a dynamic simulation module that calculates movements of a virtual robot designed based on the mechanical characteristics of a real robot; an impedance control module configured to generate movements of the virtual robot by generating virtual external force to the virtual robot; a robot joint control module that controls a driving part of the real robot so that the real robot can simulate the movements of the simulated virtual robot based on the virtual force; and a module for determining the proximity of a singular point that adjusts the joint friction force of the virtual robot according to the current state of the virtual robot and the proximity of the kinematic singular point of the virtual robot. According to the present invention, the control framework based on a dynamic simulation for a robot has an effect of improving stability by making the virtual robot operate in a direction intended by a user without losing stability even near a singular point.

Description

로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크{CONTROL FRAMEWORK BASED ON DYNAMIC SIMULATION FOR ROBOT}Control framework based on dynamics simulation for robots{CONTROL FRAMEWORK BASED ON DYNAMIC SIMULATION FOR ROBOT}

본 발명은 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크에 관한 것이며, 보다 상세하게는 기구학적 특이점에서 로봇이 안정적으로 동작시킬 수 있는 프레임 워크에 관한 것이다.The present invention relates to a dynamic simulation-based control framework for a robot, and more particularly, to a framework capable of stably operating a robot in a kinematic singularity.

최근 다양한 분야에 적용되는 로봇이 활발하게 개발되고 있으며, 목적에 따라 다양한 형태의 로봇이 개발되고 있다. 이러한 로봇은 다수의 축과 관절을 포함하여 구성되며, 설계가 완료되는 경우 기구학적인 특성이 결정된다. 이러한 로봇은 기구학적으로 도달할 수 없는 자세 또는 동작, 즉 물리적으로 이루어낼 수 없는 특이점들이 존재하게 된다. 특히 산업용 작업에 널리 활용되는 6 축 로봇의 경우 일반적인 3차원 공간의 작업에 대해 여유 자유도를 가지지 못하기 때문에 기구학적 특이점을 통과할 수 없다. 한편, 실제 로봇의 제어를 위한 시뮬레이터에서는 가상 로봇이 특이점에 해당하는 경우가 발생하게 되며, 특이점에서 입력을 발생시키는 경우 발산하게 되어 제어적으로 불안정한 결과를 초래한다.Recently, robots applied to various fields have been actively developed, and various types of robots are being developed according to the purpose. Such a robot is composed of a number of axes and joints, and when the design is completed, the kinematic characteristics are determined. Such a robot has a posture or motion that cannot be kinematically reached, that is, there are singularities that cannot be achieved physically. In particular, in the case of a 6-axis robot that is widely used in industrial work, it cannot pass through the kinematic singularity because it does not have an extra degree of freedom for work in a general 3D space. On the other hand, in a simulator for controlling a real robot, a case where a virtual robot corresponds to a singular point occurs, and when an input is generated at the singular point, it is emitted, resulting in a controllically unstable result.

이와 같은 종래의 로봇 제어와 관련하여 대한민국 공개특허 제 20050022757 호가 개시되어 있다. 그러나 이러한 종래 기술은 전술한 특이점에서의 불안정성을 여전히 내포하고 있는 문제점이 있었다.In connection with such a conventional robot control, Korean Patent Application Publication No. 20050022757 is disclosed. However, such a conventional technique has a problem that still contains instability in the above-described singularity.

대한민국 공개특허 제 제20050022757 호(2005.03.08. 공개)Republic of Korea Patent Publication No. 20050022757 (published on March 08, 2005)

본 발명은 종래의 로봇 제어시 특이점에서 제어적 불안정성을 해소하여 안정적으로 운용할 수 있는 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크를 제공하는 것에 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a dynamic simulation-based control framework for a robot capable of stably operating by solving control instability at a singular point during conventional robot control.

상기 과제의 해결 수단으로서, 실제 로봇의 기구적 특성을 근거로 설계되는 가상 로봇의 움직임을 계산하는 동역학 시뮬레이션 모듈, 가상 로봇에 가상의 외력을 발생시켜 가상 로봇의 움직임을 발생시킬 수 있도록 구성되는 임피던스 제어 모듈, 가상의 힘을 근거로 시뮬레이션된 가상 로봇의 움직임을 실제 로봇이 모사할 수 있도록 실제 로봇의 구동부를 제어하는 로봇 관절 제어 모듈 및 가상 로봇의 현재 상태와 가상 로봇의 기구학적 특이점의 인접도에 따라 가상 로봇의 관절 마찰력을 조절하는 특이점과의 인접도 판단 모듈을 포함하는 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크가 제공될 수 있다.As a means of solving the above problems, a dynamics simulation module that calculates the motion of a virtual robot designed based on the mechanical characteristics of the real robot, and an impedance configured to generate the motion of the virtual robot by generating a virtual external force in the virtual robot. Control module, robot joint control module that controls the driving part of the real robot so that the motion of the simulated virtual robot based on the virtual force can be simulated, and the proximity of the current state of the virtual robot and the kinematic singularity of the virtual robot Accordingly, a control framework based on dynamics simulation for a robot including a module for determining the proximity of a singular point for adjusting the joint friction force of the virtual robot may be provided.

한편, 인접도 판단 모듈은 가상 로봇의 기구학적 특이점과 가상 로봇의 현재 상태의 인접도가 높아짐에 따라 가상 로봇의 관절 마찰력을 증가시키도록 구성될 수 있다.Meanwhile, the proximity determination module may be configured to increase the joint friction force of the virtual robot as the kinematic singularity of the virtual robot and the proximity of the current state of the virtual robot increase.

한편, 임피던스 제어 모듈은 가상의 스프링과 가상의 댐퍼를 생성하여 외력을 발생시키도록 구성될 수 있다. Meanwhile, the impedance control module may be configured to generate an external force by generating a virtual spring and a virtual damper.

또한, 임피던스 제어 모듈은 사용자로부터 입력받은 목표 궤적에 따라 가상 로봇의 엔드 이펙터(End effector)가 움직일 수 있도록 가상의 스프링 및 가상의 댐퍼 각각의 일측은 가상 로봇의 엔드 이펙터에 연결하며, 타측은 목표 궤적에 연결할 수 있다.In addition, the impedance control module connects one side of each of the virtual spring and the virtual damper to the end effector of the virtual robot so that the end effector of the virtual robot can move according to the target trajectory received from the user, and the other side is the target. Can be connected to the trajectory.

한편, 가상 로봇은 특이점에서 임피던스 제어 모듈에 의해 작용하는 외력으로 움직이도록 구성될 수 있다. Meanwhile, the virtual robot may be configured to move with an external force acting by the impedance control module at the singular point.

그리고, 구동부는 실제 로봇의 관절에 구비된 모터를 포함할 수 있다.In addition, the driving unit may include a motor provided in a joint of an actual robot.

한편, 가상 로봇 및 실제 로봇은 6축 구동이 가능하도록 구성될 수 있다. Meanwhile, the virtual robot and the real robot may be configured to be capable of 6-axis driving.

한편, 실제 로봇은 일측이 외부에 마운트되며, 타측에 엔드 이펙터(end effector)가 구비될 수 있다.Meanwhile, in an actual robot, one side is mounted externally, and an end effector may be provided on the other side.

본 발명에 따른 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크는 가상 로봇에서 특이점 근처에서도 안정성을 잃지 않고 사용자가 의도한 방향으로 작동이 가능하므로 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The control framework based on dynamics simulation for a robot according to the present invention has an effect of improving stability since the virtual robot can operate in a direction intended by the user without losing stability even near a singular point.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예인 제어 프레임 워크의 블록도이다.
도 2는 실제 로봇과 가상 로봇의 개념을 나타낸 개념도이다.
도 3은 가상 로봇과 특이점의 개념을 도시한 도면이다.1 is a block diagram of a control framework according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram showing the concept of a real robot and a virtual robot.
3 is a diagram showing the concept of a virtual robot and a singular point.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크-에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술 분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.Hereinafter, a control framework based on dynamics simulation for a robot according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in the description of the following embodiments, the names of each component may be referred to as different names in the art. However, if they have functional similarities and identity, even if a modified embodiment is employed, it can be viewed as an even configuration. In addition, symbols added to each component are described for convenience of description. However, the content illustrated on the drawings in which these symbols are indicated does not limit each component to the range within the drawings. Likewise, even if an embodiment in which some of the configurations in the drawings are modified is employed, if there is functional similarity and identity, it can be viewed as an equivalent configuration. In addition, in view of the level of a general technician in the relevant technical field, if it is recognized as a component that should be included, a description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예인 제어 프레임 워크의 블록도이다.1 is a block diagram of a control framework according to an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크는 동역학 시뮬레이션 모듈(10), 임피던스 제어 모듈(20), 로봇 관절 제어 모듈(40) 및 인접도 판단 모듈을 포함하여 구성될 수 있다.As shown, the dynamics simulation-based control framework for a robot according to the present invention may include a dynamics simulation module 10, an impedance control module 20, a robot joint control module 40, and a proximity determination module. have.

동역학 시뮬레이션 모듈(10)은 실제 로봇(200)의 기구적 특성을 근거로 가상 로봇(100)의 움직임을 계산하도록 구성된다. 동역학 시뮬레이션 모듈(10)에서 생성된 가상 로봇(100)은 실제 로봇(200)과 동일하게 복수의 링크(140)와 관절(130)을 포함하여 구성될 수 있다. 가상 로봇(100)은 능동적인 구동부를 제외하고 외력에 의해 수동적으로 동작하는 모델로 생성된다. 구체적으로 외부와의 마찰, 중력과 같은 방해요소를 생략하고 사용자의 입력에 의한 외력에 의해 작동하도록 구성된다. 따라서 가상 로봇(100)은 자체적으로 발생하는 힘과 움직임이 없어 한정된 크기의 외력에 대하여 항상 안정적인 움직임이 이루어진다. The dynamics simulation module 10 is configured to calculate the motion of the virtual robot 100 based on the mechanical characteristics of the real robot 200. The virtual robot 100 generated by the dynamics simulation module 10 may be configured to include a plurality of links 140 and joints 130 in the same manner as the real robot 200. The virtual robot 100 is created as a model that passively operates by an external force except for an active driving unit. Specifically, it is configured to operate by an external force generated by a user's input, omitting interference elements such as friction and gravity with the outside. Therefore, since the virtual robot 100 does not have a force and motion generated by itself, a stable motion is always made with respect to an external force of a limited size.

동역학 시뮬레이션 모듈(10)에서 생성된 가상 로봇(100)은 각 관절(130)을 연결하는 링크(140)가 강성재질로 설정되어 변형이 일어나지 않는 모델로 생성된다. 이때 외력에 의하여 발생하는 로봇의 움직임은 다음의 식으로 표현될 수 있다.The virtual robot 100 generated in the dynamics simulation module 10 is generated as a model in which the link 140 connecting each joint 130 is set as a rigid material and does not undergo deformation. At this time, the movement of the robot caused by an external force can be expressed by the following equation.

Figure 112020014363902-pat00001
(수식 1)
Figure 112020014363902-pat00001
(Equation 1)

여기서

Figure 112020014363902-pat00002
는 로봇의 관절(130) 속도와 로봇 말단의 도구의 이동 속도 사이를 매핑하는 자코비안 (Jacobian) 행렬이며,
Figure 112020014363902-pat00003
는 로봇 말단 도구에 작용하는 외력이다.
Figure 112020014363902-pat00004
은 가상 로봇(100)이 과도하게 움직이는 것을 방지하기 위한 로봇의 관절(130)에서 발생하는 마찰을 모사하는 관절(130) 토크이다.
Figure 112020014363902-pat00005
와
Figure 112020014363902-pat00006
는 각각 로봇의 관절(130) 각도 및 속도 벡터이다.
Figure 112020014363902-pat00007
,
Figure 112020014363902-pat00008
는 가상 로봇(100)의 관절(130) 각도 및 속도에 따른 관성 (inertia), 전향력 (Coriolis) 행렬이다. 자코비안, 관성, 전향력 행렬은 로봇의 구조에 따라 결정되며, 일반적으로 로봇 제조사의 라이브러리 함수를 통해 계산될 수 있다. 가상 로봇 관절의 현재 상태가
Figure 112020014363902-pat00009
,
Figure 112020014363902-pat00010
이고,
Figure 112020014363902-pat00011
가 외부로부터 가상 로봇(100)에 가해졌을 때 그 결과로 발생하는 가상 로봇(100)의 관절(130) 가속도
Figure 112020014363902-pat00012
및 그 이후의 가상 로봇(100)의 관절(130) 상태 (
Figure 112020014363902-pat00013
,
Figure 112020014363902-pat00014
) 가 다음의 식과 같이 결정될 수 있다.here
Figure 112020014363902-pat00002
Is a Jacobian matrix mapping between the speed of the robot's joint 130 and the speed of movement of the tool at the end of the robot,
Figure 112020014363902-pat00003
Is the external force acting on the robot end tool.
Figure 112020014363902-pat00004
Is a torque of the joint 130 that simulates friction occurring in the joint 130 of the robot to prevent the virtual robot 100 from moving excessively.
Figure 112020014363902-pat00005
Wow
Figure 112020014363902-pat00006
Is the angle and velocity vector of the joint 130 of the robot, respectively.
Figure 112020014363902-pat00007
,
Figure 112020014363902-pat00008
Is an inertia and a Coriolis matrix according to the angle and velocity of the joint 130 of the virtual robot 100. The Jacobian, inertia, and forward force matrices are determined according to the structure of the robot, and can generally be calculated through the robot manufacturer's library function. The current state of the virtual robot joint
Figure 112020014363902-pat00009
,
Figure 112020014363902-pat00010
ego,
Figure 112020014363902-pat00011
The acceleration of the joint 130 of the virtual robot 100 that occurs as a result of when is applied to the virtual robot 100 from the outside
Figure 112020014363902-pat00012
And the state of the joint 130 of the virtual robot 100 thereafter (
Figure 112020014363902-pat00013
,
Figure 112020014363902-pat00014
) Can be determined by the following equation.

Figure 112020014363902-pat00015
(수식 2)
Figure 112020014363902-pat00015
(Equation 2)

Figure 112020014363902-pat00016
Figure 112020014363902-pat00016

Figure 112020014363902-pat00017
Figure 112020014363902-pat00017

결국 동역학 시뮬레이션 모듈(10)에서는 임의의 외력

Figure 112020014363902-pat00018
가 가상 로봇(100)에 가해질 때 매 순간의 움직임을 예측할 수 있게 된다.After all, in the dynamics simulation module 10, an arbitrary external force
Figure 112020014363902-pat00018
When is applied to the virtual robot 100, it is possible to predict the movement of every moment.

임피던스 제어 모듈(20)은 사용자의 입력에 의한 가상의 외력을 가상 로봇(100)에 적용시킬 수 있도록 구성된다. 임피던스 제어 모듈(20)은 가상 스프링(110)과 가상 댐퍼(120)를 생성하도록 구성된다. 가상 스프링(110) 및 가상 댐퍼(120)가 발생시키는 힘은 시뮬레이션 상의 가상 로봇(100)에 작용하여 로봇의 움직임을 발생시킨다. 가상 스프링(110)은 고유의 탄성으로 로봇에 힘을 작용하게 되며, 가상 댐퍼(120)는 로봇이 지나치게 과도한 속도를 내는 것을 방지하는 기능을 한다.The impedance control module 20 is configured to apply a virtual external force according to a user's input to the virtual robot 100. The impedance control module 20 is configured to generate a virtual spring 110 and a virtual damper 120. The force generated by the virtual spring 110 and the virtual damper 120 acts on the virtual robot 100 in the simulation to generate a movement of the robot. The virtual spring 110 exerts a force on the robot with inherent elasticity, and the virtual damper 120 functions to prevent the robot from exerting excessively excessive speed.

임피던스 제어 모듈(20)에서 발생시키는 가상의 외력은 가상 로봇(100)을 사용자가 입력한 목표 궤적에 가까워지도록 유도하는 방향으로 작용한다. 구체적으로 가상 스프링(110)의 일측은 로봇의 말단인 엔드 이펙터(150)(end effector)에 연결되며, 타측은 목표 궤적(1000)에 연결되도록 구성된다. 따라서 가상 스프링(110)이 엔드 이펙터(150)에 작용하는 힘의 방향은 목표 궤적(1000)을 향하는 방향이 된다. 다시말해 엔드 이펙터(150)를 목표 궤적(1000) 방향으로 잡아당기는 힘이 발생한다. 가상 댐퍼(120)는 가상 스프링(110)과 마찬가지로 일측이 가상 로봇(100)의 엔드 이펙터(150)와 연결되고 타측이 목표 궤적(1000)에 연결되도록 구성된다. The virtual external force generated by the impedance control module 20 acts in a direction to induce the virtual robot 100 to be close to a target trajectory input by the user. Specifically, one side of the virtual spring 110 is connected to an end effector 150 that is an end of the robot, and the other side is configured to be connected to the target trajectory 1000. Accordingly, the direction of the force applied by the virtual spring 110 to the end effector 150 is a direction toward the target trajectory 1000. In other words, a force is generated to pull the end effector 150 toward the target trajectory 1000. Like the virtual spring 110, the virtual damper 120 is configured such that one side is connected to the end effector 150 of the virtual robot 100 and the other side is connected to the target trajectory 1000.

가상 스프링(110)은 다음의 식과 같이 출력되며, 힘의 크기가 제한되는 특수한 형태의 스프링으로 설정된다.The virtual spring 110 is output as shown in the following equation, and is set as a special type of spring in which the magnitude of the force is limited.

Figure 112020014363902-pat00019
(수식 3)
Figure 112020014363902-pat00019
(Equation 3)

여기서,

Figure 112020014363902-pat00020
는 가상 로봇(100) 말단 부 위치와 사용자에 의해 주어진 목표 궤적(1000) 사이의 위치 오차이다.
Figure 112020014363902-pat00021
는 사용자에 의해서 정해지는 스프링 상수,
Figure 112020014363902-pat00022
는 댐퍼 상수,
Figure 112020014363902-pat00023
는 가상 스프링(110)의 임계 출력이다. here,
Figure 112020014363902-pat00020
Is a position error between the position of the end of the virtual robot 100 and the target trajectory 1000 given by the user.
Figure 112020014363902-pat00021
Is the spring constant determined by the user,
Figure 112020014363902-pat00022
Is the damper constant,
Figure 112020014363902-pat00023
Is the critical output of the virtual spring 110.

일반적으로

Figure 112020014363902-pat00024
값이 높을수록 가상 로봇(100)의 목표 궤적(1000)에 대한 추종 적확도는 높아지나, 시뮬레이션 상에서 지나치게 높은 스프링 상수로 설정하면 스프링에 의해 과도하게 큰 외력이 발생하여 가상의 로봇이 발산하게 된다. 따라서 스프링 상수가 과도하게 설정되어 발산되는 경우를 방지할 수 있도록 수치 해석적으로 무조건 안정성(unconditionally stable)을 가진 암시적 방법 (implicit method)을 사용하여 가상 로봇(100)에 가해지는 외력을 아래와 같이 계산할 수 있다.Generally
Figure 112020014363902-pat00024
The higher the value, the higher the accuracy of tracking the target trajectory 1000 of the virtual robot 100, but if the spring constant is set too high in the simulation, an excessively large external force is generated by the spring and the virtual robot radiates. . Therefore, the external force applied to the virtual robot 100 is numerically analyzed by using an implicit method with unconditionally stable in order to prevent the case of dissipation due to excessive setting of the spring constant. Can be calculated.

Figure 112020014363902-pat00025
Figure 112020014363902-pat00025

(수식 4)(Equation 4)

*여기서

Figure 112020014363902-pat00026
는 가상 로봇(100) 말단 부인 엔드 이펙터 위치이다. 이 때
Figure 112020014363902-pat00027
는 현재 알 수 없는 동역학 시뮬레이션의 결과 값이다. 따라서 전술한 수식 2와 수식 4를 이용하여 아래와 같이
Figure 112020014363902-pat00028
를 계산한다. *here
Figure 112020014363902-pat00026
Is the position of the distal female end effector of the virtual robot 100. At this time
Figure 112020014363902-pat00027
Is the result of the currently unknown dynamics simulation. Therefore, using Equation 2 and Equation 4 above,
Figure 112020014363902-pat00028
Calculate

Figure 112020014363902-pat00029
Figure 112020014363902-pat00029

(수식 5)(Equation 5)

전술한 암시적 방법을 사용하여 외력을 계산하는 임피던스 제어 모듈(20)은 스프링 상수

Figure 112020014363902-pat00030
를 매우 높게 설정할 수 있으며, 이를 통해 동역학 시뮬레이션 상의 가상 로봇(100)은 기구학적 특이점이 아닌 구간에서 높은 정확도로 목표 궤적(1000)을 추종할 수 있다. The impedance control module 20 for calculating the external force using the above-described implicit method is a spring constant
Figure 112020014363902-pat00030
Can be set very high, and through this, the virtual robot 100 in the dynamics simulation can follow the target trajectory 1000 with high accuracy in a section other than the kinematic singularity.

한편 기구학적 특이점(singularity)이란 어느 하나의 좌표가 아닌 기구학적으로 도달할 수 없는 '상태'를 뜻한다. 이러한 특이점에서는 가상 로봇(100)을 발산 또는 작동중단시키지 않도록 임피던스 제어 모듈(20)에 의한 외력 이외에는 추가적인 동력을 발생시키지 않는다. 또한, 임피던스 제어 모듈(20)의 가상 스프링(110) 또한 수식 3에서와 같이 출력 힘의 크기가 제한되어 있기 때문에 가상 로봇(100)은 목표 궤적(1000)에서 벗어나기는 하지만 안정적인 움직임을 보이게 된다. On the other hand, kinematic singularity means a'state' that cannot be reached kinematically rather than a single coordinate. In this singularity, additional power is not generated other than an external force by the impedance control module 20 so as not to diverge or stop the operation of the virtual robot 100. In addition, since the virtual spring 110 of the impedance control module 20 also has a limited output force as in Equation 3, the virtual robot 100 deviates from the target trajectory 1000 but exhibits a stable movement.

로봇 관절 제어 모듈(40)은 실제 로봇(200)의 관절(130)을 제어할 수 있도록 구성된다. 로봇 관절 제어 모듈(40)은 임피던스 제어 모듈(20) 및 동역학 시뮬레이션 모듈(10)에 의해 외력이 발생할 때 예측되는 가상 로봇(100)의 움직임을 모사하여 실제 로봇(200)의 구동부를 제어할 수 있다. 로봇 관절 제어 모듈(40)은 제어 step 별로 가상 로봇(100)과 실제 로봇(200) 관절(130) 각도의 오차에 기반하여 이를 최소화 하는 방향으로 구동부를 제어하는 입력을 발생시킨다. 한편, 도시되지는 않았으나, 로봇의 구동부는 관절(130)에 구비되며, 일 예로 로터리 액추에이터, 모터와 같은 회전 구동요소로 구성될 수 있다. 실제 로봇(200) 관절(130)이 모터로 구성된 경우 로봇 관절 제어 모듈(40)은 모터 입력 토크

Figure 112020014363902-pat00031
를 계산한다. The robot joint control module 40 is configured to control the joint 130 of the actual robot 200. The robot joint control module 40 can control the driving unit of the actual robot 200 by simulating the motion of the virtual robot 100 predicted when an external force is generated by the impedance control module 20 and the dynamics simulation module 10. have. The robot joint control module 40 generates an input for controlling the driving unit in a direction that minimizes the error of the angle of the virtual robot 100 and the joint 130 of the virtual robot 100 and the actual robot 200 for each control step. On the other hand, although not shown, the driving unit of the robot is provided in the joint 130, and for example, may be composed of a rotary driving element such as a rotary actuator and a motor. When the actual robot 200 joint 130 is composed of a motor, the robot joint control module 40 is a motor input torque
Figure 112020014363902-pat00031
Calculate

이때 모터 입력 토크인

Figure 112020014363902-pat00032
는 일반적으로 널리 사용되는 PID 제어로서 다음의 식으로 계산될 수 있다.At this time, the motor input torque
Figure 112020014363902-pat00032
Is generally widely used PID control and can be calculated by the following equation.

Figure 112020014363902-pat00033
(수식 6)
Figure 112020014363902-pat00033
(Equation 6)

또한

Figure 112020014363902-pat00034
는 더욱 정확한 동작을 위하여 가상 로봇(100)의 관성, 전향력 행렬에 의한 효과를 감안한
Figure 112020014363902-pat00035
optimal PID 제어기로서 다음의 식을 이용하여 계산될 수 있다.Also
Figure 112020014363902-pat00034
For a more accurate operation, consider the effect of the inertia of the virtual robot 100 and the omnidirectional force matrix.
Figure 112020014363902-pat00035
As the optimal PID controller, it can be calculated using the following equation.

Figure 112020014363902-pat00036
Figure 112020014363902-pat00036

(수식 7)(Equation 7)

Figure 112020014363902-pat00037
Figure 112020014363902-pat00037

Figure 112020014363902-pat00038
Figure 112020014363902-pat00038

여기서 수식 6 및 수식 7에 나타난

Figure 112020014363902-pat00039
은 실제 로봇(200)의 관절(130) 위치와 속도를 의미하다. 또한
Figure 112020014363902-pat00040
은 실제 로봇(200)과 동역학 시뮬레이션 상 가상 로봇(100)의 관절(130) 각도 차이를 의미한다.
Figure 112020014363902-pat00041
,
Figure 112020014363902-pat00042
,
Figure 112020014363902-pat00043
,
Figure 112020014363902-pat00044
,
Figure 112020014363902-pat00045
는 각각 사용자가 위치 정확도를 위해 조절해주어야 하는 제어기 파라미터이다.Where shown in Equation 6 and Equation 7
Figure 112020014363902-pat00039
Means the position and speed of the joint 130 of the actual robot 200. Also
Figure 112020014363902-pat00040
Denotes a difference in the angle of the joint 130 of the real robot 200 and the virtual robot 100 in the dynamic simulation.
Figure 112020014363902-pat00041
,
Figure 112020014363902-pat00042
,
Figure 112020014363902-pat00043
,
Figure 112020014363902-pat00044
,
Figure 112020014363902-pat00045
Is a controller parameter that the user must adjust for location accuracy.

인접도 판단 모듈은 동역학 시뮬레이션 모듈(10)에서 가상 로봇(100)이 작동할 때 매 순간 기구학적 특이점에 얼마나 접근하였는지를 계산하도록 구성된다. 인접도 판단 모듈은 가상 로봇(100)이 기구학적 특이점에 인접한 경우 가상 모델의 관절(130) 마찰력을 조절하여 안정성을 높일 수 있도록 구성된다. 구체적으로 가상 로봇(100)이 기구학적 특이점에 인접하는 경우 관절(130) 마찰력을 증가시키는 방향으로 파라미터가 조절될 수 있다. The proximity determination module is configured to calculate how close the kinematic singular point is approached every moment when the virtual robot 100 operates in the dynamics simulation module 10. The proximity determination module is configured to increase stability by adjusting the frictional force of the joint 130 of the virtual model when the virtual robot 100 is adjacent to the kinematic singularity. Specifically, when the virtual robot 100 is adjacent to the kinematic singular point, the parameter may be adjusted in the direction of increasing the frictional force of the joint 130.

인접도 판단 모듈에서 인접도의 판단은

Figure 112020014363902-pat00046
를 계산하여 유추할 수 있다. 기구학적 특이점에서는 로봇이 특정 방향으로 더 이상 진행하지 못하는 현상이 발생하기 때문에
Figure 112020014363902-pat00047
값이 0이 되므로,
Figure 112020014363902-pat00048
의 절대값의 크기를 통해 로봇의 현재 상태가 기구학적 특이점과 얼마나 인접해 있는지 알 수 있다. In the proximity determination module, the determination of the proximity is
Figure 112020014363902-pat00046
Can be inferred by calculating In the kinematic singularity, there is a phenomenon in which the robot can no longer proceed in a specific direction.
Figure 112020014363902-pat00047
Since the value is 0,
Figure 112020014363902-pat00048
It is possible to know how close the current state of the robot is to the kinematic singularity through the magnitude of the absolute value of.

많은 물리적 현상의 시뮬레이션에서 마찰의 모델은 물체의 움직임을 방해하는 효과를 표현하기 때문에, 다음과 같이 그 힘의 크기가 속도에 비례하는 댐퍼 형태로 표현된다. In simulations of many physical phenomena, the friction model expresses the effect of hindering the movement of an object, so the magnitude of the force is expressed in the form of a damper in proportion to the velocity as follows.

{bold{tau}}_{friction}=-{bold{B}}`{dot{bold{q}} (수식 8){bold{tau}}_{friction}=-{bold{B}}`{dot{bold{q}} (Equation 8)

나아가, 본 발명에서는 기구학적 특이점 근처에서 가상 로봇(100)의 움직임의 안정성을 높이기 위해 다음과 같이

Figure 112020014363902-pat00049
값의 절대값이 0에 가까워졌을 때 댐핑 상수가 증가하도록 하였다. Furthermore, in the present invention, in order to increase the stability of the movement of the virtual robot 100 near the kinematic singular point,
Figure 112020014363902-pat00049
When the absolute value of the value approaches 0, the damping constant increases.

Figure 112020014363902-pat00050
(수식 9)
Figure 112020014363902-pat00050
(Equation 9)

여기서

Figure 112020014363902-pat00051
와
Figure 112020014363902-pat00052
Figure 112020014363902-pat00053
는 각각 댐핑 상수를 결정하기 위한 파라미터이며, 소정범위 내에서 적절한 값으로 결정될 수 있다.here
Figure 112020014363902-pat00051
Wow
Figure 112020014363902-pat00052
Figure 112020014363902-pat00053
Each is a parameter for determining the damping constant, and may be determined as an appropriate value within a predetermined range.

전술한 바와 같이 본 발명에 따라 사용자가 목표 궤적(1000)을 입력하는 경우 가상 로봇(100)이 목표 궤적(1000)을 추종할 수 있도록 가상의 외력이 작용하여 로봇을 작동시키게 된다. 이때 가상 로봇(100)이 기구학적 특이점에 인접함에 따라 가상 로봇(100)의 관절(130) 마찰력을 증가시켜 안정성을 향상시키고 지속적으로 목표 궤적(1000)을 추종할 수 있도록 제어된다. 따라서 특이점에서 발생하는 발산 또는 불안정한 동작을 방지할 수 있는 효과가 있다.As described above, when the user inputs the target trajectory 1000 according to the present invention, a virtual external force acts so that the virtual robot 100 can follow the target trajectory 1000 to operate the robot. At this time, as the virtual robot 100 is adjacent to the kinematic singular point, it is controlled to increase the frictional force of the joint 130 of the virtual robot 100 to improve stability and to continuously follow the target trajectory 1000. Therefore, there is an effect of preventing divergence or unstable motion occurring at the singular point.

이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명에 따라 시뮬레이션 되는 가상 로봇(100)과 실제 로봇(200)에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a virtual robot 100 and a real robot 200 simulated according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

도 2(a)는 실제 로봇(200)과 가상 로봇(100)의 개념을 나타낸 개념도이다. 도시된 바와 같이 가상 로봇(100)은 복수개의 6축 좌표를 따라 순차적으로 이동할 수 있도록 외력이 작용하며, 가상 로봇의 자세에 따라 실제 로봇이 거동하도록 구성된다. 다만, 설명의 편의를 위해 가상 로봇의 엔드 이펙터에는 가상 스프링과 가상 댐퍼가 나타나 있으나 시각화된 모델에서는 표시되지 않을 수 있다. 또한, 도 3에는 설명의 편의를 위하여 3D 모델링으로 시각화 영상(300)으로 표시된 가상 로봇이 도시되어 있으나, 가상 로봇은 별도의 3D 모델링으로 시각화하지 않고 수학식으로만 구동될 수 있다. 2(a) is a conceptual diagram showing the concept of the real robot 200 and the virtual robot 100. As shown, the virtual robot 100 is configured such that an external force acts to sequentially move along a plurality of 6-axis coordinates, and the real robot moves according to the posture of the virtual robot. However, for convenience of explanation, a virtual spring and a virtual damper are shown in the end effector of the virtual robot, but may not be displayed in the visualized model. In addition, although a virtual robot displayed as a visualization image 300 by 3D modeling is illustrated in FIG. 3 for convenience of explanation, the virtual robot may be driven only by mathematical expressions without visualization by separate 3D modeling.

한편 도 2(b)와 같이 가상 로봇(100)의 시뮬레이션에 의해 실제 로봇이 가상 로봇의 자세를 추종할 수 있도록 제어된다. 다만, 본 발명은 도시된 실제 로봇의 구성에 한정하지 않고 다양하게 구성의 로봇에 적용될 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 2(b), the actual robot is controlled to follow the posture of the virtual robot by simulation of the virtual robot 100. However, the present invention is not limited to the configuration of the illustrated actual robot and can be applied to a robot having various configurations.

도 3은 가상 로봇과 특이점의 개념을 도시한 도면이다. 3 is a diagram showing the concept of a virtual robot and a singular point.

도 3(a)에는 자세를 유지한 상태에서 실제 로봇(200)이 이동할 때 기구적으로 도달할 수 없는 특이점에 해당하는 예가 도시되어 있다. 실제 로봇(200)은 도시된 자세에서 기구적인 한계로 엔드 이펙터(150)가 화살표 방향으로 이동하지 못하는 특이점에 해당한다. 가상 로봇(100)은 동역학 시뮬레이터 모듈(10) 상에서 엔드 이펙터(150)가 특이점에 가까워질수록 관절의 마찰력이 증가하여 특이점에 도달하지 않게 된다.3(a) shows an example corresponding to a singular point that cannot be mechanically reached when the actual robot 200 moves while maintaining the posture. The actual robot 200 corresponds to a singular point in which the end effector 150 cannot move in the direction of the arrow due to mechanical limitations in the illustrated posture. The virtual robot 100 does not reach the singular point by increasing the frictional force of the joint as the end effector 150 approaches the singular point on the dynamics simulator module 10.

도 3(b)에는 위치를 유지한 상태에서 실제 로봇(200)의 엔드 이펙터가 특정 각도를 이룰 수 없는 특이점에 해당하는 예가 도시되어 있다. 실제 로봇(200)은 기구적인 한계로 엔드 이펙터의 각도가 화살표 방향으로 조절되지 못한다. 전술한 바와 같이 이러한 특이점에 인접하는 경우 가상 로봇의 관절 마찰력이 증가되어 동작이 정지시키고, 실제 로봇은 가상 로봇의 자세를 추종할 수 있다.3(b) shows an example corresponding to a singular point in which the end effector of the actual robot 200 cannot achieve a specific angle while maintaining the position. Actually, the robot 200 cannot adjust the angle of the end effector in the direction of the arrow due to mechanical limitations. As described above, when adjacent to such a singular point, the joint friction force of the virtual robot is increased to stop the motion, and the real robot can follow the posture of the virtual robot.

전술한 바와 같이 가상 로봇(100)이 특이점에 인접할수록 가상 로봇의 관절에 작용하는 마찰력이 증가되므로 가상 로봇(100)은 특이점에 도달하지 않고 안정적으로 정지하게 된다. 또한 이에 따라 실제 로봇(200)은 가상 로봇을 추종한 자세를 유지하게 된다. 즉 가상 로봇이 특이점에 해당하여 전체 시스템의 작동이 중단되지 않고 가상 로봇의 자세 및 위치만이 정지될 수 있다. 이후 사용자가 목표 궤적을 재입력하는 경우 가상 로봇은 자연스럽게 다음 궤적을 향하여 움직이게 된다.As described above, as the virtual robot 100 approaches the singular point, the frictional force acting on the joint of the virtual robot increases, so that the virtual robot 100 stops stably without reaching the singular point. In addition, accordingly, the real robot 200 maintains a posture following the virtual robot. That is, since the virtual robot corresponds to a singular point, the operation of the entire system is not stopped, and only the posture and position of the virtual robot can be stopped. After that, when the user re-inputs the target trajectory, the virtual robot naturally moves toward the next trajectory.

본 발명에 따른 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크는 가상 로봇에서 특이점 근처에서도 안정성을 잃지 않고 사용자가 의도한 방향으로 작동이 가능하므로 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The control framework based on dynamics simulation for a robot according to the present invention has an effect of improving stability since the virtual robot can operate in a direction intended by the user without losing stability even near a singular point.

10: 동역학 시뮬레이션 모듈
20: 임피던스 제어 모듈
30: 로봇 관절 제어 모듈
40: 인접도 판단 모듈
100: 가상 로봇
110: 가상 스프링
120: 가상 댐퍼
130: 관절
140: 링크
150: 엔드 이펙터
200: 실제 로봇
1000: 목표 궤적10: dynamics simulation module
20: impedance control module
30: robot joint control module
40: proximity determination module
100: virtual robot
110: virtual spring
120: virtual damper
130: joint
140: link
150: end effector
200: real robot
1000: target trajectory

Claims (8)

실제 로봇의 기구적 특성을 근거로 설계되는 가상 로봇의 움직임을 계산하는 동역학 시뮬레이션 모듈;
상기 가상 로봇에 가상의 외력을 발생시켜 상기 가상 로봇의 움직임을 발생시킬 수 있도록 구성되는 임피던스 제어 모듈;
상기 가상의 힘을 근거로 시뮬레이션된 가상 로봇의 움직임을 상기 실제 로봇이 모사할 수 있도록 상기 실제 로봇의 구동부를 제어하는 로봇 관절 제어 모듈; 및
상기 가상 로봇의 현재 상태와 상기 가상 로봇의 기구학적 특이점의 인접도에 따라 상기 가상 로봇의 관절 마찰력을 조절하는 특이점과의 인접도 판단 모듈을 포함하는 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크.A dynamics simulation module that calculates a motion of a virtual robot designed based on mechanical characteristics of an actual robot;
An impedance control module configured to generate a virtual external force to the virtual robot to generate a movement of the virtual robot;
A robot joint control module for controlling a driving unit of the real robot so that the real robot can simulate the motion of the virtual robot simulated based on the virtual force; And
A control framework based on dynamics simulation for a robot, comprising a module for determining proximity to a singular point for adjusting joint frictional force of the virtual robot according to the current state of the virtual robot and the proximity of the kinematic singular point of the virtual robot. 제1 항에 있어서,
상기 인접도 판단 모듈은 상기 가상 로봇의 기구학적 특이점과 상기 가상 로봇의 현재 상태의 인접도가 높아짐에 따라 상기 가상 로봇의 관절 마찰력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크.The method of claim 1,
The proximity determination module increases the joint frictional force of the virtual robot as the kinematic singularity of the virtual robot and the proximity of the current state of the virtual robot increase, the control framework based on dynamics simulation for a robot. 제2 항에 있어서,
상기 임피던스 제어 모듈은 가상의 스프링과 가상의 댐퍼를 생성하여 상기 외력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크.The method of claim 2,
The impedance control module generates a virtual spring and a virtual damper to generate the external force, a dynamic simulation-based control framework for a robot, characterized in that. 제3 항에 있어서,
상기 임피던스 제어 모듈은,
사용자로부터 입력받은 목표 궤적에 따라 상기 가상 로봇의 엔드 이펙터(End effector)가 움직일 수 있도록 상기 가상의 스프링 및 상기 가상의 댐퍼 각각의 일측은 상기 가상 로봇의 엔드 이펙터에 연결하며, 타측은 상기 목표 궤적에 연결하는 것을 특징으로 하는 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크.The method of claim 3,
The impedance control module,
One side of each of the virtual spring and the virtual damper is connected to the end effector of the virtual robot so that the end effector of the virtual robot can move according to the target trajectory input from the user, and the other side is the target trajectory. Dynamic simulation-based control framework for a robot, characterized in that connected to. 제4 항에 있어서,
상기 가상 로봇은 상기 특이점에서 상기 임피던스 제어 모듈에 의해 작용하는 외력으로 움직이는 것을 특징으로 하는 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크.The method of claim 4,
The virtual robot is a dynamic simulation-based control framework for a robot, characterized in that the movement by an external force acting by the impedance control module at the singular point. 제2 항에 있어서,
상기 구동부는 상기 실제 로봇의 관절에 구비된 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크.The method of claim 2,
The driving unit is a dynamic simulation-based control framework for a robot, characterized in that it includes a motor provided in the joint of the real robot. 제1 항에 있어서,
상기 가상 로봇 및 상기 실제 로봇은 6축 구동이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크.The method of claim 1,
The virtual robot and the real robot are dynamic simulation-based control framework for a robot, characterized in that configured to enable 6-axis driving. 제7 항에 있어서,
상기 실제 로봇은 일측이 외부에 마운트되며, 타측에 엔드 이펙터(end effector)가 구비되는 것을 특징으로 하는 로봇을 위한 동역학 시뮬레이션 기반 제어 프레임 워크.

The method of claim 7,
One side of the real robot is mounted externally, and an end effector is provided on the other side of the real robot.

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