KR101086364B1 - Robot parameter estimation method using Kalman filter - Google Patents

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Abstract

칼만 필터를 이용한 로봇 기구학 변수 추정 방법 및 시스템이 개시된다. 로봇의 자세 제어를 위한 기구학 변수 추정 방법으로서, 측정 시스템으로부터 상기 로봇의 자세에 관한 측정값 정보를 획득하는 단계; 상기 로봇에 관하여 정기구학 모델링 식을 이용하여 정기구학 모델링 결과 정보를 획득하는 단계; 및 상기 측정값 정보 및 상기 정기구학 모델링 결과 정보에 기초하고, 상기 측정값 정보 및 상기 로봇의 모델링에 포함되는 노이즈 성분을 고려하여, 칼만 필터를 적용함으로써, 상기 로봇의 기구학 변수를 추정하는 단계를 포함하는 로봇 기구학 변수 추정 방법이 제공된다. 이에 의하면 측정 시스템에서의 센서 노이즈 및 기구학 모델링에서의 불확실성에 강건한 로봇 기구학 변수 추정 방법을 구현할 수 있다. A method and system for estimating robot kinematic parameters using Kalman filter is disclosed. A method of estimating kinematic parameters for controlling a robot, the method comprising: obtaining measured value information about a posture of the robot from a measurement system; Acquiring static kinematic modeling result information using the static kinematic modeling equation for the robot; And estimating a kinematic parameter of the robot by applying a Kalman filter based on the measured value information and the static kinematic modeling result information and considering the measured value information and the noise component included in the modeling of the robot. A robot kinematic variable estimation method is provided. This makes it possible to implement a robot kinematics parameter estimation method that is robust to sensor noise in measurement systems and uncertainties in kinematic modeling.

칼만 필터, 모델링 노이즈, 센서 노이즈, POE Kalman Filter, Modeling Noise, Sensor Noise, POE

Description

칼만 필터를 이용한 로봇 기구학 변수 추정 방법 및 시스템 {Robot parameter estimation method using Kalman filter} Robot parameter estimation method and system using Kalman filter {Robot parameter estimation method using Kalman filter}

본 발명은 칼만 필터를 이용한 로봇 기구학 변수 추정 방법 및 그 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a method and system for estimating robot kinematic parameters using Kalman filter.

선박 건조 과정의 용접 자동화에 사용되는 로봇 시스템의 제어 기술은 많은 발전을 거듭하고 있다. 이러한 로봇 시스템(매니퓰레이터, manipulator)들의 정확한 제어를 저해하는 장애물로는 기구학 변수 오차, 기계 가공에서의 공차, 연결되는 구성 요소들의 오정렬 등이 있다. 이러한 방해 요소들은 로봇 시스템의 일단부에 위치하는 용접봉 등의 말단장치(end-effector)의 정확한 위치 제어를 힘들게 한다. The control technology of the robotic system used for welding automation in shipbuilding process is making great progress. Obstacles to the precise control of these robotic systems (manipulators) include kinematic parameter errors, tolerances in machining, and misalignment of connected components. These disturbances make it difficult to accurately position end-effectors such as electrodes located at one end of the robotic system.

앞서 언급된 요인들에 의한 위치 제어 오차를 최소화 하기 위해 여러가지 보정(calibration)방법들이 적용되어 왔다. 종래 기술에 따른 보정 방법들은 측정 시스템을 통해 로봇 시스템의 위치 및 자세에 대한 정보를 획득하고, 획득된 정보와 로봇 정기구학 식의 결과를 비교하여 오차를 최소화 하는 기구학 변수 추정 방법을 적용하여 왔다.Various calibration methods have been applied to minimize the position control error caused by the aforementioned factors. The correction methods according to the prior art have been applied to the kinematic variable estimation method to obtain the information on the position and attitude of the robot system through the measurement system, and to minimize the error by comparing the obtained information with the results of the robot kinematic equation.

이에 따르면, 측정 시스템에서의 신호와 로봇 정기구학 식에서의 결과를 비교하여 로봇의 위치 및 자세 오차를 구하고, 이에 대하여 로봇 기구학 변수 추정 알고리즘을 적용함으로써 기구학 변수를 추정한다. 추정된 기구학 변수를 이용하여 로봇 끝단의 위치 및 자세를 보정함으로써 원하는 형태의 로봇 자세 제어를 구현하고자 한다. According to this, the position and attitude error of the robot is obtained by comparing the signal in the measurement system with the result of the robot static kinematic equation, and the kinematic variable is estimated by applying the robot kinematic variable estimation algorithm. By using the estimated kinematic variables, the position and attitude of the robot tip are corrected to implement the desired robot attitude control.

이러한 종래의 로봇 기구학 변수 추정 알고리즘이 보여주는 한계점 및 문제점은 다음과 같다. 종래의 로봇 기구학 변수 추정 알고리즘에서는 측정 시스템의 노이즈 성분과 로봇 정기구학식의 모델링 오차(노이즈)가 고려되지 않는다. 이러한 요소를 고려하지 않음으로 인해 반복적인 연산과정을 통해 최적 값을 구하는 과정에서 기구학 변수 추정의 신뢰성이 저하된다. Limitations and problems of the conventional robot kinematic variable estimation algorithm are as follows. In the conventional robot kinematic variable estimation algorithm, the noise component of the measurement system and the modeling error (noise) of the robot static kinematic equation are not considered. By not considering these factors, the reliability of the kinematic variable estimation is degraded when the optimal value is obtained through iterative computation.

또한, 측정 시스템의 노이즈는 기구 변수의 수렴성을 저해하는 요소로서 정확한 값의 추정이 어려우며, 기구학적인 요소 이외에 백래쉬(backlash), 제어기 성능 등의 영향으로 그 추정 값의 정확도가 저하되는 현상이 발생한다. In addition, the noise of the measurement system is a factor that hinders the convergence of the instrument variables, and it is difficult to estimate the exact value, and in addition to the kinematic factors, the accuracy of the estimated value is degraded due to the influence of backlash and controller performance. .

따라서, 로봇 기구학 변수의 추정에 있어서 측정 시스템의 센서 노이즈 성분 및 기구학 모델의 불확실성까지 함께 고려하는 로봇 기구학 변수 추정방법의 개발이 요구된다. Therefore, in the estimation of robot kinematics variables, development of a method for estimating robot kinematics variables that takes into account the uncertainty of the sensor noise component and the kinematics model of the measurement system is required.

본 발명은 로봇의 자세 제어에 관하여, 측정 시스템의 노이즈 및 로봇 기구학 모델링 노이즈를 고려하는 칼만 필터를 적용하는 로봇 기구학 변수 추정 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.The present invention provides a method and system for estimating a robot kinematics parameter applying a Kalman filter that takes into account the noise of the measurement system and the robot kinematic modeling noise with respect to the attitude control of the robot.

본 발명의 일 측면에 따르면, 로봇의 자세 제어를 위한 기구학 변수 추정 방법으로서, 측정 시스템으로부터 상기 로봇의 자세에 관한 측정값 정보를 획득하는 단계; 상기 로봇에 관하여 정기구학 모델링 식을 이용하여 정기구학 모델링 결과 정보를 획득하는 단계; 및 상기 측정값 정보 및 상기 정기구학 모델링 결과 정보에 기초하고, 상기 측정값 정보 및 상기 로봇의 모델링에 포함되는 노이즈 성분을 고려하여, 칼만 필터를 적용함으로써, 상기 로봇의 기구학 변수를 추정하는 단계를 포함하는 로봇 기구학 변수 추정 방법이 제공된다. According to an aspect of the present invention, a method for estimating kinematic parameters for the attitude control of the robot, comprising the steps of: obtaining measurement value information about the attitude of the robot from a measurement system; Acquiring static kinematic modeling result information using the static kinematic modeling equation for the robot; And estimating a kinematic parameter of the robot by applying a Kalman filter based on the measured value information and the static kinematic modeling result information and considering the measured value information and the noise component included in the modeling of the robot. A robot kinematic variable estimation method is provided.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 로봇의 자세 제어를 위한 기구학 변수 추정 시스템으로서, 상기 로봇의 측정 시스템으로부터 측정 값 정보를 획득하는 측정 값 정보 획득부; 상기 측정 값 정보 획득부에 의하여 획득된 측정값 정보 및 로봇에 관하여 정기구학 모델링 식을 이용하여 정기구학 모델링 결과 정보에 기초하여 상기 로봇의 기구학 변수를 추정하는 기구학 변수 추정부를 포함하고, 상기 기구학 변수 추정부는 상기 측정값 정보 및 상기 로봇의 모델링에 포함되는 노이즈 성분을 고려하여, 칼만 필터를 적용함으로써 상기 로봇의 기구학 변수를 추정하는 로봇 기구학 변수 추정 시스템이 제공된다.According to another aspect of the present invention, a kinematic variable estimation system for controlling the attitude of the robot, comprising: a measurement value information acquisition unit for obtaining measurement value information from the measurement system of the robot; And a kinematic variable estimator configured to estimate kinematic parameters of the robot based on static kinematic modeling result information using the kinematic modeling equation for the measured value information and the robot acquired by the measured value information acquisition unit. The estimator is provided with a robot kinematic variable estimation system for estimating kinematic parameters of the robot by applying a Kalman filter in consideration of the measured value information and noise components included in the modeling of the robot.

제어 대상 로봇의 정기구학 식은 그 제어 대상 로봇의 조인트 회전 각도에 관한 POE 기반으로 구성될 수 있다. The static kinematic equation of the controlled robot can be constructed based on the POE on the joint rotation angle of the controlled robot.

칼만 필터를 통한 기구학 변수 추정과정에 있어서, 시스템 다이나믹스를 나타내는 행렬은 시간에 따라 변화하지 않는 단위 행렬로 가정될 수 있다. In the kinematic parameter estimation process using the Kalman filter, a matrix representing system dynamics may be assumed to be a unit matrix that does not change with time.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features, and advantages other than those described above will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 로봇 제어 시스템에서 있어서 측정 시스템의 노이즈 및 기구학 모델의 불확실성을 함께 고려하는 로봇 기구학 변수 추정 방법을 제공할 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, it is possible to provide a method for estimating a robot kinematics variable that considers both the noise of the measurement system and the uncertainty of the kinematic model in the robot control system.

이하, 본 발명에 따른 로봇 기구학 변수 추정 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있 어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the robot kinematic variable estimation method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same or corresponding components will be given the same reference numerals and redundant description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 기구학 변수 추정 방법이 활용되는 제어 환경을 예시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a control environment in which a method for estimating robot kinematics variables is used according to an embodiment of the present invention.

제어 대상 로봇(100)은 다수의 조인트를 포함하는 로봇으로서, 로봇의 자세에 대한 정보를 측정하는 센서를 포함하는 측정 시스템(102) 및 모터 등의 액츄에이터(actuator)를 포함하는 구동 시스템(104)을 포함할 수 있다. 측정 시스템(102)은 가변 저항 및 스트레인 게이지 등의 소자를 포함하는 센서를 이용하여 제어 대상 로봇(100)의 조인트 회전 각도, 링크 내지 암의 변위 등을 측정할 수 있다. 구동 시스템(104)은 모터, 실린더 등의 구성요소를 포함할 수 있다. 측정 시스템(102) 및 구동 시스템(104)의 구현은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 자명한 사항이므로 이하 그 구체적인 설명은 생략된다. The robot 100 to be controlled is a robot including a plurality of joints, and includes a measuring system 102 including a sensor for measuring information about the attitude of the robot and a driving system 104 including an actuator such as a motor. It may include. The measurement system 102 may measure a joint rotation angle, a link to an arm displacement, and the like of the robot 100 to be controlled by using a sensor including a device such as a variable resistance and a strain gauge. Drive system 104 may include components such as motors, cylinders, and the like. The implementation of the measurement system 102 and the drive system 104 is obvious to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, and thus the detailed description thereof will be omitted.

한편, 제어 대상 로봇(100)은 선박 건조 과정에서 이용되는 용접 자동화 로봇일 수 있다. 제어 대상 로봇의 일단부에는 말단 장치(end effector)가 부착될 수 있다. 제어 대상 로봇이 선박 건조 등에 사용되는 용접 자동화 로봇인 경우 그 말단 장치는 용접봉 내지 용접 기구가 될 것이다. On the other hand, the control target robot 100 may be a welding automation robot used in the ship building process. An end effector may be attached to one end of the controlled robot. If the robot to be controlled is a welding automation robot used for ship building or the like, the end device will be a welding rod or a welding mechanism.

이러한 제어 대상 로봇(100)은 로봇 자세 제어 시스템(120)에 의하여 제어된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 자세 제어 시스템(120)은 측정 값 정보 획득부(122), 기구학 변수 추정부(124) 및 제어 신호 생성부(126)를 포함할 수 있다. The controlled robot 100 is controlled by the robot attitude control system 120. The robot attitude control system 120 according to an exemplary embodiment of the present invention may include a measurement value information acquirer 122, a kinematic variable estimator 124, and a control signal generator 126.

측정 값 정보 획득부(122)는 측정 시스템(102)으로부터 로봇의 자세에 관한 센서들의 측정 결과 정보를 획득한다. 측정 시스템(102)과 측정 값 정보 획득부(122)사이의 신호 전달은 유선 케이블 또는 무선 통신을 통해 이루어질 수 있다. 측정 값 정보 획득부(122)에 의하여 획득된 정보는 기구학 변수 추정부(124)로 전달되어 제어 대상 로봇의 기구학 변수를 추정하는 기초 자료로서 활용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 기구학 변수 추정부(124)는 칼만 필터를 이용하는 것을 특징으로 하며, 일반적인 칼만 필터와 다르게 측정 시스템(102)에서의 센싱 노이즈 및 시스템 모델링 노이즈를 고려함으로써 개선된 추정 성능을 보이는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기구학 변수 추정부는 칼만 필터의 적용과 관련하여 시간 도메인에서 이산화된 칼만 필터의 상태 벡터 계산과정에서 시스템 다이나믹스 매트릭스를 단위 행렬로 가정함으로써 종래의 칼만 필터 적용 기법과 차별화 될 수 있다. 칼만 필터를 이용한 기구학 변수 추정 방법의 구체적인 과정은 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명될 것이다. The measurement value information acquisition unit 122 obtains measurement result information of sensors regarding a posture of the robot from the measurement system 102. Signal transmission between the measurement system 102 and the measurement value information acquisition unit 122 may be made through a wired cable or wireless communication. The information obtained by the measured value information obtaining unit 122 may be transferred to the kinematic variable estimating unit 124 and used as basic data for estimating the kinematic variable of the robot to be controlled. The kinematic variable estimator 124 according to an embodiment of the present invention is characterized by using a Kalman filter, and unlike the general Kalman filter, the estimation performance improved by considering sensing noise and system modeling noise in the measurement system 102. It is characterized by showing. In addition, the kinematic parameter estimator according to an embodiment of the present invention assumes a system dynamics matrix as a unit matrix in the process of calculating the state vector of the Kalman filter discretized in the time domain in relation to the application of the Kalman filter. Can be differentiated. A detailed process of the kinematic parameter estimation method using the Kalman filter will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 4.

제어 신호 생성부(126)는 추정된 기구학 변수에 기초하여 제어 대상 로봇(100)의 자세를 원하는 대로 제어하기 위해 구동 시스템(104)에 전달할 제어 신호를 생성할 수 있다. 생성된 제어 신호는 구동 시스템(104)의 구성 요소인 모터 및/또는 유압 실린더에 반영되어 제어 대상 로봇(100)의 자세를 변경할 수 있다. The control signal generator 126 may generate a control signal to be transmitted to the driving system 104 to control the attitude of the controlled robot 100 as desired based on the estimated kinematic variable. The generated control signal may be reflected to a motor and / or a hydraulic cylinder that is a component of the driving system 104 to change the attitude of the robot 100 to be controlled.

도 2는 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 기구학 변수 추정 방법의 흐름도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 기구학 변수 추정 과정을 예시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 대상 로봇의 영점 자세 를 예시한 도면이다. 2 is a flowchart of a method for estimating robot kinematics parameters according to an embodiment of the present invention. 3 is a diagram illustrating a robot kinematics parameter estimation process according to an embodiment of the present invention. 4 is a diagram illustrating a zero posture of a control target robot according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 기구학 변수 추정 방법은 측정 시스템으로부터 측정 값 정보를 획득하는 단계(S210), 정기구학 모델링 결과 정보를 획득하는 단계(S220), 칼만 필터를 이용하여 기구학 변수를 추정하는 단계(S230), 추정된 기구학 변수를 이용하여 제어 신호를 생성하는 단계(S240)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, in the method of estimating robot kinematic variables according to an embodiment of the present invention, the method may include obtaining measurement value information from a measurement system (S210), acquiring static kinematic modeling result information (S220), and using a Kalman filter. Estimating a kinematic variable by using a signal (S230), and generating a control signal by using the estimated kinematic variable (S240).

측정 시스템으로부터 측정 값 정보를 획득하는 단계(S210)는 제어 대상 로봇(100)의 측정 시스템(102)으로부터 센서 신호를 획득하는 단계이다. 획득되는 측정 값 정보의 유형은 설치된 센서의 종류에 상응하여 변화될 수 있으며, 로봇 기구학 변수 추정에 이용되는 상태 변수에 상응하는 측정 값 정보를 획득할 수 있도록 측정 시스템(102)을 구성하는 것도 가능하다. 획득된 측정 값 정보는 로봇 정기구학 모델링에 의한 계산 결과와 함께 기구학 변수 추정의 기초 자료로 활용될 수 있다. Acquiring measurement value information from the measurement system (S210) is a step of acquiring a sensor signal from the measurement system 102 of the control target robot 100. The type of measurement value information obtained may vary according to the type of sensor installed, and the measurement system 102 may be configured to obtain measurement value information corresponding to a state variable used for robot kinematic variable estimation. Do. The acquired measured value information can be used as basic data for the estimation of kinematic variables together with the calculation result by robot static kinematics modeling.

정기구학 모델링 결과 정보를 획득하는 단계(S220)는 제어 대상 로봇(100)의 모델링을 통하여 로봇 기구학 변수 추정의 기초 자료가 되는 모델링 결과 정보를 획득하는 과정이다. 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 기구학 변수 추정 기법이 적용되는 제어 대상 로봇의 정기구학 모델링에 대하여 구체적으로 살펴본다. Obtaining static kinematic modeling result information (S220) is a process of obtaining modeling result information that is a basic data of robot kinematic parameter estimation through modeling of the controlled robot 100. Hereinafter, the static kinematic modeling of the control target robot to which the robot kinematic variable estimation technique is applied according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 4를 참조하면 제어 대상 로봇(100)은 6개의 조인트를 포함한다. 제어 대상 로봇의 영점 자세는 도 4에서 예시된 바와 같이 각 로봇 조인트의 각 암(링크) 들이 직교하는 상태로 설정될 수 있다. 제어 대상 로봇이 원하는 작업을 수행하기 위해 제어되어야 할 변수는 그 말단 장치(end-effector)의 자세(위치 및 각도)이다. Referring to FIG. 4, the control target robot 100 includes six joints. As illustrated in FIG. 4, the zero posture of the robot to be controlled may be set to a state where each arm (link) of each robot joint is orthogonal to each other. The variables that must be controlled in order for the controlled robot to perform the desired task are the pose (position and angle) of the end-effector.

본 발명의 일 실시예에서 말단 장치의 자세는 각 조인트의 각도에 기초하여 계산될 수 있다. 아래의 수학식은 도 4에 예시된 영점자세에 기초하여, POE(product-of-exponentials)기반으로 표현되는 말단 장치의 자세(위치 및 방향)이다. In one embodiment of the present invention, the pose of the end device can be calculated based on the angle of each joint. The following equation is the attitude (position and orientation) of the end device expressed on a product-of-exponentials (POE) basis, based on the zero posture illustrated in FIG.

Figure 112009017020373-pat00001
Figure 112009017020373-pat00001

Figure 112009017020373-pat00002
는 말단 장치의 자세(위치 및 방향),
Figure 112009017020373-pat00003
는 호모지니어스 좌표계(homogeneous coordinate)에서의 정기구학식(forward kinematics),
Figure 112009017020373-pat00004
는 각 조인트의 각도,
Figure 112009017020373-pat00005
는 기구학 파라미터(kinematic parameter),
Figure 112009017020373-pat00006
은 영점 자세 호모지니어스 매트릭스(zero-configuration homogenous matrix)를 의미한다.
Figure 112009017020373-pat00002
Is the posture (position and orientation) of the end device,
Figure 112009017020373-pat00003
Is the forward kinematics in homogeneous coordinates,
Figure 112009017020373-pat00004
Is the angle of each joint,
Figure 112009017020373-pat00005
Kinematic parameter,
Figure 112009017020373-pat00006
Denotes a zero-position homogenous matrix.

수학식 1에서 표현된 바와 같은 POE 기반으로 표현된 기구학 식에서 각 링크의 길이와 같은 모든 기구학 파라미터는 각 회전축(조인트)의 회전각도 및 각 회전축 사이의 변위로 표현될 수 있다. 또한, 각 조인트 오프셋 역시 모델링 되어 모델링에 포함될 수 있다.In the kinematic equation expressed on the basis of POE as expressed in Equation 1, all kinematic parameters such as the length of each link may be expressed by the rotation angle of each rotation axis (joint) and the displacement between each rotation axis. In addition, each joint offset may also be modeled and included in the modeling.

도 4에서 예시된 제어 대상 로봇(100)의 경우 일반적으로 사용되는 D-H 파라미터를 적용하면 4개의 파라미터 만으로도 로봇의 자세가 표현될 수 있으나, 본 발 명의 일 실시예에 따른 모델링에서는 6개의 정보 즉, 각 조인트에서의 회전각 정보를 이용하는 POE 기반의 모델링을 적용할 수 있다. 이와 같이 POE 기반의 모델링을 적용할 경우 역기구학에서 과도한 프레임을 적용하지 않고도 보다 효율적으로 해를 구할 수 있다는 장점이 있다. In the case of the control target robot 100 illustrated in FIG. 4, if the DH parameter is generally used, the attitude of the robot may be represented by only four parameters. In the modeling according to an embodiment of the present invention, six pieces of information, POE-based modeling using rotation angle information at each joint can be applied. The application of POE-based modeling has the advantage that the inverse kinematics can solve the solution more efficiently without applying excessive frames.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 기구학 변수 추정 방법에서는 다음과 같이 선형화된 기구학 변수 오차 방정식을 적용할 수 있다. In addition, in the robot kinematic variable estimation method according to an embodiment of the present invention, a linearized kinematic variable error equation may be applied as follows.

Figure 112009017020373-pat00007
Figure 112009017020373-pat00007

수학식 2에서 선형화된 오차 방정식은 공간 좌표계에서의 말단 장치의 속도를 의미하는 다음 수학식 3으로부터 획득된다. The error equation linearized in Equation 2 is obtained from Equation 3, which means the speed of the end device in the spatial coordinate system.

Figure 112009017020373-pat00008
Figure 112009017020373-pat00008

이상의 수학식에서

Figure 112009017020373-pat00009
는 측정된(measured 또는 real)
Figure 112009017020373-pat00010
및 명목(nominal)
Figure 112009017020373-pat00011
을 사용하여 다음 수학식과 같이 근사적으로 표현될 수 있다. In the above equation
Figure 112009017020373-pat00009
Is measured (measured or real)
Figure 112009017020373-pat00010
And nominal
Figure 112009017020373-pat00011
It can be approximated using the following equation.

Figure 112009017020373-pat00012
Figure 112009017020373-pat00012

Figure 112009017020373-pat00013
Figure 112009017020373-pat00013

이상의 수학식에서 보여진 바와 같이 제어 대상 로봇(100)의 각 조인트의 오프셋(offset)만으로 구성된 선형화된 기구학 변수 오차 방정식이 유도될 수 있다. 이와 같은 특징은 일반적인 칼만 필터와, 시스템 다이나믹스 행렬(system dynamics matrix)가 단위 행렬(indentity matrix)로 가정된다는 점에서 명확히 구분된다. 즉, 기구학 파라미터가 시간에 따른 변화없이 일정하게 유지될 것이므로 시스템 다이나믹스를 표현하는 행렬이 단위 행렬로 가정될 수 있으며, 이러한 가정은 제안된 칼만 필터의 성능을 개선시켜 로봇의 기구학 파라미터 추정 성능을 개선시키는 성과를 거둘 수 있다. As shown in the above equation, a linearized kinematic variable error equation consisting only of an offset of each joint of the controlled robot 100 may be derived. This feature is clearly distinguished in that the general Kalman filter and the system dynamics matrix are assumed to be an identity matrix. That is, since the kinematic parameters will be kept constant over time, the matrix representing the system dynamics can be assumed as the unit matrix. This assumption improves the performance of the proposed Kalman filter, which improves the kinematic parameter estimation performance of the robot. You can achieve the result.

한편, 수학식 5에서 적용된 수반 변환(adjoint transformation)과 수반 행렬 (adjoint matrix) A에 대한 상세한 설명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항으로 구체적인 설명은 이하 생략된다. Meanwhile, the detailed description of the adjoint transformation and the adjoint matrix A applied in Equation 5 is obvious to those skilled in the art to which the present invention pertains, and a detailed description thereof will be omitted below. .

칼만 필터를 이용하여 기구학 변수를 추정하는 단계(S230)는 측정 값 정보 획득부(122)가 측정 시스템(102)으로부터 획득한 측정 값 정보 및 로봇 정기구학 모델링 결과값에 기초하여, 칼만 필터를 적용함으로써 로봇 기구학 변수를 추정하 는 단계이다. 시간적으로 이산화된 시스템에 대한 칼만 필터의 적용은 다음과 같은 수학식으로 표현될 수 있다.Estimating the kinematic variable using the Kalman filter (S230) is based on the measured value information and robot static kinematic modeling result obtained by the measurement value information obtaining unit 122 from the measurement system 102, and applies the Kalman filter By estimating the robot kinematics variables. The application of the Kalman filter to the temporally discretized system can be expressed by the following equation.

Figure 112009017020373-pat00014
Figure 112009017020373-pat00014

Figure 112009017020373-pat00015
는 상태 벡터,
Figure 112009017020373-pat00016
는 시스템 입력,
Figure 112009017020373-pat00017
Figure 112009017020373-pat00018
는 시스템 다이나믹스(system dynamics)를 의미한다.
Figure 112009017020373-pat00019
는 측정 값,
Figure 112009017020373-pat00020
Figure 112009017020373-pat00021
는 각각 측정 시스템 및 기구학 모델링에서의 노이즈 성분을 의미한다.
Figure 112009017020373-pat00015
State vector,
Figure 112009017020373-pat00016
Input system,
Figure 112009017020373-pat00017
And
Figure 112009017020373-pat00018
Means system dynamics.
Figure 112009017020373-pat00019
Is the measured value,
Figure 112009017020373-pat00020
And
Figure 112009017020373-pat00021
Denote noise components in the measurement system and kinematic modeling, respectively.

칼만 필터의 적용 과정에서 제어 대상 로봇(100)의 자세를 표현하는 상태 벡터는 두 개의 업데이트 단계를 반복적으로 수행함으로써 추정될 수 있다. 이 두 업데이트 단계들은 각각 시간 갱신(time update) 단계 및 측정 업데이트(measurement update) 단계이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 칼만 필터를 이용한 로봇 기구학 변수 추정의 과정은 다음 수학식으로 표현될 수 있다. During the application of the Kalman filter, the state vector representing the attitude of the robot 100 to be controlled may be estimated by repeatedly performing two update steps. These two update phases are a time update phase and a measurement update phase, respectively. The process of robot kinematic parameter estimation using the Kalman filter according to an embodiment of the present invention can be expressed by the following equation.

각 공변 매트릭스(covariance matrix) 및 게인 값들은 시간에 따라 변할 수 있으며, 주어진 모델링 노이즈 크기

Figure 112009017020373-pat00022
,측정 노이즈 크기
Figure 112009017020373-pat00023
및 초기 조건들에 대하여 추정 오차들을 최소화하는 방향으로 결정된다. 칼만 필터의 적용에 관한 두 업데이트 단계 중 측정 업데이트 단계는 다음의 수학식들에 의하여 표현될 수 있다. Each covariance matrix and gain values can change over time, given the modeling noise magnitude
Figure 112009017020373-pat00022
Measuring noise magnitude
Figure 112009017020373-pat00023
And for minimizing estimation errors with respect to initial conditions. The measurement update step of the two update steps related to the application of the Kalman filter may be represented by the following equations.

Figure 112009017020373-pat00024
Figure 112009017020373-pat00024

칼만 필터의 적용에 관한 시간 업데이트 단계는 다음의 수학식으로 표현될 수 있다. The time update step for applying the Kalman filter can be expressed by the following equation.

Figure 112009017020373-pat00025
Figure 112009017020373-pat00025

완벽한 모델링이 존재하지 않는 다는 가정하에서,

Figure 112009017020373-pat00026
는 일종의 시스템 디스터번스를 고려하기 위해 앞서 언급된 업데이트 단계들에서 고려된다. 이와 같이 시스템 디스터번스를 고려함으로써 업데이트 과정에서 상태 벡터가 실제 값으로 수렴하지 못하는 현상을 예방할 수 있다. 이상에서 언급된 칼만 필터링을 적용한 모의 실험 결과는 도 6A 내지 도 6F, 그리고 도 7을 참조하여 상세히 설명될 것이다. Assuming no perfect modeling exists,
Figure 112009017020373-pat00026
Is considered in the update steps mentioned above to take into account a kind of system disturbance. By considering the system disturbance as described above, it is possible to prevent the state vector from converging to the actual value during the update process. Simulation results applying the Kalman filtering mentioned above will be described in detail with reference to FIGS. 6A to 6F and FIG. 7.

기구학 변수를 이용하여 제어 신호를 생성하는 단계(S240)는 기구학 변수 추정부에 의하여 추정된 기구학 변수에 기초하여 제어 대상 로봇(100)의 자세를 보정하기 위한 제어 신호를 생성하는 단계이다. 기구학 변수들의 추정 결과 제어 대상 로봇(100)의 자세가 원하는 자세와 오차를 가지는 경우, 제어 신호 생성부(126)은 그 오차를 보정하기 위한 제어 신호를 생성하여 제어 대상 로봇(100)의 구동 시스템(104)로 전달한다. Generating a control signal using the kinematic variable (S240) is a step of generating a control signal for correcting the attitude of the control target robot 100 based on the kinematic variable estimated by the kinematic variable estimator. As a result of the estimation of the kinematic variables, when the attitude of the control target robot 100 has a desired posture and an error, the control signal generator 126 generates a control signal for correcting the error to drive the system of the control target robot 100. Forward to 104.

도 5는 종래의 일반적인 로봇 기구학 변수 추정 방법의 모의 실험 결과를 예시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 6개의 각 조인트 회전 축에 대하여 서로 다른 두 노이즈 레벨 (v=0.05 또는 0.005)에 따라서 로봇 기구학 변수인 조인트 회전 각도 추정결과의 수렴성이 변화하는 것을 관찰할 수 있다.5 is a diagram illustrating a simulation result of a conventional robot kinematic variable estimation method. Referring to FIG. 4, it can be observed that the convergence of the joint rotation angle estimation result, which is a robot kinematic variable, changes according to two different noise levels (v = 0.05 or 0.005) for each of the six joint rotation axes.

상대적으로 큰 노이즈 레벨을 가지는 경우(v=0.05)의 기구학 변수 추정값은 빨간색 점선으로 표시되어 있으며, 상대적으로 작은 노이즈 레벨을 가지는 경우(v=0.005)의 기구학 변수 추정값의 수렴 성능은 파란색 실선을 이용하여 표시되어 있다. Kinematic variable estimates with relatively large noise levels (v = 0.05) are shown in red dotted lines, and the convergence performance of kinematic variable estimates with relatively small noise levels (v = 0.005) is indicated by a solid blue line. Are displayed.

도 5를 참조하면, 상대적으로 큰 노이즈 레벨을 가지는 경우 기구학 변수 추정 값의 수렴속도 역시 저하되며 그 수렴값과 역시 실제 변수 값의 차이 역시 상대적으로 큰 값을 가짐을 알 수 있다. 즉, 측정 값의 노이즈가 클 수록, 기구학 변수 추정 값의 수렴성에 큰 영향이 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that the convergence speed of the kinematic variable estimation value also decreases when the noise level is relatively large, and the difference between the convergence value and the actual variable value also has a relatively large value. In other words, the larger the noise of the measured value, the greater the influence on the convergence of the estimated kinematic variable.

도 6A 내지 도 6F는 본 발명의 일 실시예에 따른 기구학 변수 추정 알고리즘의 모의 실험 결과를 예시한 도면이다. 도 7은 도 6A 내지 도 6F의 모의 실험에 적용된 노이즈 세트를 예시한 도면이다. 6A to 6F illustrate simulation results of a kinematic variable estimation algorithm according to an embodiment of the present invention. 7 is a diagram illustrating a noise set applied to the simulation of FIGS. 6A to 6F.

도 2 내지 도 4를 참조하여 설명된 칼만 필터의 적용 방법을 모의 실험에서 적용하기 위하여 적용된 수학식 6 내지 8의 각 인자는 다음과 같다. 센서 노이즈 및 모델 노이즈는 도 7에서 예시된 4개의 조합을 대상으로 모의 실험이 수행되었 다. Each factor of Equations 6 to 8 applied to apply the method of applying the Kalman filter described with reference to FIGS. 2 to 4 in the simulation is as follows. Sensor noise and model noise were simulated using the four combinations illustrated in FIG. 7.

Figure 112009017020373-pat00027
Figure 112009017020373-pat00027

도 6A 내지 도 6F를 참조하면, 제어 대상 로봇의 각 조인트에 대하여 4개의 서로 다른 노이즈 환경에서의 기구학 변수 추정 결과의 수렴성향이 예시되었다. 도 6A 내지 도 6F의 변수 추정 과정에서도 노이즈 레벨에 따라서 그 수렴 속도가 달라짐을 확인할 수 있다. 그러나, 도 5에서 관찰된 바와 같이 노이즈 레벨에 따라 서로 다른 값으로 수렴하거나, 참 값에 수렴하지 못하는 현상이 관찰되지 않는다. 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 기구학 변수 추정 방법이 측정 시스템(102)의 노이즈 및 제어 대상 로봇(100)의 정기구학 모델의 불확실성(노이즈)에 강건한 특징으로 가지고 있음을 보여준다. 6A to 6F, the convergence propensity of kinematic parameter estimation results in four different noise environments is illustrated for each joint of the controlled robot. In the variable estimation process of FIGS. 6A to 6F, the convergence speed may vary according to the noise level. However, as observed in FIG. 5, a phenomenon in which convergence to a different value or fail to converge to a true value is not observed according to the noise level. This shows that the kinematic parameter estimation method according to an embodiment of the present invention is robust to the noise of the measurement system 102 and the uncertainty (noise) of the static kinematic model of the controlled robot 100.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특 징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, one or more other It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or a combination thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시예를 중심으로 살펴보았다. 전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far I looked at the center of the present invention with respect to the embodiment. Many embodiments other than the above-described embodiments are within the scope of the claims of the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 기구학 변수 추정 방법이 활용되는 제어 환경을 예시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a control environment in which a method for estimating robot kinematics variables is used according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 기구학 변수 추정 방법의 흐름도이다. 2 is a flowchart of a method for estimating robot kinematics parameters according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 기구학 변수 추정 과정을 예시한 도면이다. 3 is a diagram illustrating a robot kinematics parameter estimation process according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 대상 로봇의 영점 자세를 예시한 도면이다. 4 is a diagram illustrating a zero posture of a control target robot according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 5는 종래의 일반적인 로봇 기구학 변수 추정 방법의 모의 실험 결과를 예시한 도면이다.5 is a diagram illustrating a simulation result of a conventional robot kinematic variable estimation method.

도 6A 내지 도 6F는 본 발명의 일 실시예에 따른 기구학 변수 추정 알고리즘의 모의 실험 결과를 예시한 도면이다. 6A to 6F illustrate simulation results of a kinematic variable estimation algorithm according to an embodiment of the present invention.

도 7은 도 6A 내지 도 6F의 모의 실험에 적용된 노이즈 세트를 예시한 도면이다. 7 is a diagram illustrating a noise set applied to the simulation of FIGS. 6A to 6F.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100 : 제어 대상 로봇 102 : 측정 시스템100: control robot 102: measurement system

104 : 구동 시스템 120 : 로봇 자세 제어 시스템104: drive system 120: robot attitude control system

124 : 기구학 변수 추정부124: Kinematic variable estimation unit

Claims (6)

로봇의 자세 제어를 위한 기구학 변수 추정 방법으로서,Kinematic variable estimation method for attitude control of robot, 측정 시스템으로부터 상기 로봇의 자세에 관한 측정값 정보를 획득하는 단계;Acquiring measurement value information regarding the attitude of the robot from a measurement system; 상기 로봇에 관하여 정기구학 모델링 식을 이용하여 정기구학 모델링 결과 정보를 획득하는 단계; 및Acquiring static kinematic modeling result information using the static kinematic modeling equation for the robot; And 상기 측정값 정보 및 상기 정기구학 모델링 결과 정보에 기초하고, 상기 측정값 정보 및 상기 로봇의 모델링에 포함되는 노이즈 성분을 고려하여, 칼만 필터를 적용함으로써, 상기 로봇의 기구학 변수를 추정하는 단계를 포함하되,Estimating the kinematic parameters of the robot based on the measured value information and the static kinematic modeling result information and applying a Kalman filter in consideration of the measured value information and noise components included in the modeling of the robot. But 상기 로봇에 관한 정기구학 모델링 식은 상기 로봇의 조인트 회전 각도에 관한 POE (product of exponential) 기반으로 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 기구학 변수 추정 방법. The kinematic modeling equation for the robot is a robot kinematic variable estimation method, characterized in that configured based on the POE (product of exponential) for the joint rotation angle of the robot. 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 칼만 필터를 적용하여 기구학 변수를 추정하는 단계는, Estimate the kinematic variable by applying the Kalman filter, 칼만 필터 적용시의 시스템 다이나믹스 행렬(system dynamics matrix)를 단위 행렬로 가정하여 수행되는 것을 특징으로 하는 로봇 기구학 변수 추정 방법. A method of estimating robot kinematics variables, which is performed by assuming a system dynamics matrix as a unit matrix when applying a Kalman filter. 로봇의 자세 제어를 위한 기구학 변수 추정 시스템으로서,A kinematic variable estimation system for robot posture control, 상기 로봇의 측정 시스템으로부터 측정 값 정보를 획득하는 측정 값 정보 획득부;A measurement value information acquisition unit for obtaining measurement value information from the measurement system of the robot; 상기 측정 값 정보 획득부에 의하여 획득된 측정값 정보 및 로봇에 관하여 정기구학 모델링 식을 이용하여 정기구학 모델링 결과 정보에 기초하여 상기 로봇의 기구학 변수를 추정하는 기구학 변수 추정부를 포함하고, A kinematic variable estimator for estimating kinematic parameters of the robot based on static kinematic modeling result information using the kinematic modeling equation for the measured value information and the robot acquired by the measured value information acquisition unit, 상기 기구학 변수 추정부는 상기 측정값 정보 및 상기 로봇의 모델링에 포함되는 노이즈 성분을 고려하여, 칼만 필터를 적용함으로써 상기 로봇의 기구학 변수를 추정하고,The kinematic variable estimator estimates the kinematic variable of the robot by applying a Kalman filter in consideration of the measured value information and the noise component included in the modeling of the robot, 상기 로봇에 관한 정기구학 모델링 식은 상기 로봇의 조인트 회전 각도에 관한 POE (product of exponential) 기반으로 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 기구학 변수 추정 시스템.The kinematic modeling equation for the robot is a robot kinematics variable estimation system, characterized in that configured based on the POE (product of exponential) for the joint rotation angle of the robot. 삭제delete 제4항에 있어서,5. The method of claim 4, 상기 기구학 변수 추정부는 The kinematic variable estimator 칼만 필터 적용시의 시스템 다이나믹스 행렬(system dynamics matrix)를 단위 행렬로 가정하여 상기 로봇의 기구학 변수를 추정하는 것을 특징으로 하는 로봇 기구학 변수 추정 시스템. A robot kinematic variable estimating system comprising estimating a kinematic variable of the robot by assuming a system dynamics matrix when a Kalman filter is applied as a unit matrix.
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