KR101227092B1 - Motion Control System and Method for Robot - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따르면 로봇의 현재 위치에서 목표 위치까지의 목표 궤적을 생성하는 목표 궤적 생성 모듈 및 상기 목표 궤적을 따라 상기 로봇을 동작시키는 동작 제어기를 포함하고, 상기 동작 제어기는, 상기 목표 궤적을 기준 입력으로 하여 가상의 힘을 계산하고, 상기 가상의 힘 값을 상기 로봇에 부여하여 상기 로봇의 동작이 상기 목표 궤적을 추종하도록 제어하는 가상 힘 기반의 동작 제어기인 로봇의 동작을 제어하기 위한 동작 제어 시스템이 제공된다.According to an aspect of the present invention includes a target trajectory generation module for generating a target trajectory from the current position of the robot to the target position, and an operation controller for operating the robot along the target trajectory, wherein the motion controller includes the target trajectory. The virtual force is calculated using the reference input and the virtual force value is applied to the robot to control the operation of the robot, which is a virtual force-based motion controller that controls the robot's motion to follow the target trajectory. An operation control system is provided.
Description
본 발명은 로봇의 동작 제어 시스템 및 동작 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생성된 목표 궤적을 기준 입력으로 계산된 가상의 힘 값을 이용해 로봇의 동작을 제어하는 로봇의 동작 제어 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a motion control system and a motion control method of a robot, and more particularly, to a motion control system and a control method of a robot for controlling the motion of a robot using a virtual force value calculated as a reference input based on a generated target trajectory. It is about.
최근 인간의 환경에서 인간에게 도움을 줄 수 있는 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 로봇이 인간과 공존하며 인간에게 도움을 주기 위해서는 인간의 동작과 유사한 자연스러운 동작이 가능하면서도, 외부 환경에 능동적으로 반응할 수 있는 제어 방법을 필요로 한다. Recently, researches on robots that can help human beings in the human environment have been actively conducted. In order for robots to coexist with and help human beings, they need a natural control method similar to human motions, but a control method that can actively respond to the external environment.
최대한 자연스러운 동작을 만들어내기 위하여, 인간의 동작 패턴과 같은 기본동작의 패턴을 추출하고, 추출한 동작에 따라 로봇의 동작을 제어하는 기술이 알려져 있다. In order to produce the most natural motion, a technique of extracting a pattern of basic motion such as a human motion pattern and controlling the motion of the robot according to the extracted motion is known.
하지만 종래의 로봇 동작 시스템 및 동작 제어 방법에 의하면, 원하는 패턴으로 로봇을 동작시키기 위해 매우 복잡한 계산 과정을 거쳐야 한다. However, according to the conventional robot operation system and motion control method, a very complicated calculation process is required to operate the robot in a desired pattern.
또한, 로봇이 주어진 목표 궤적에 따라서 동작하는 동안에 외부의 자극이나 장애물에 의한 교란이 있을 때, 주어진 궤적을 벗어나 동작하는 등의 능동적인 제어가 어렵다. 따라서, 로봇과 주위의 물체 특히 사람과의 접촉이 발생하는 경우, 로봇이 주어진 목표 궤적을 견지함에 따라서, 로봇이 고장이 발생하거나, 최악의 경우 사람이 부상을 입을 수 있다는 문제점이 있다. In addition, when the robot operates according to a given target trajectory, when there is disturbance by an external stimulus or obstacle, active control such as moving out of a given trajectory is difficult. Therefore, when a contact between the robot and an object around it, in particular, a person occurs, there is a problem that the robot may fail or, in the worst case, a person may be injured as the robot maintains a given target trajectory.
본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 간단한 방법으로 로봇이 자연스럽게 동작하도록 제어가 가능하며, 외부 환경에 대해서 능동적으로 반응할 수 있는 로봇의 동작 제어 시스템 및 동작 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems of the prior art, it is possible to control the robot to operate naturally by a simple method, and to provide a motion control system and motion control method of the robot that can actively react to the external environment For the purpose of
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면 로봇의 현재 위치에서 목표 위치까지의 목표 궤적을 생성하는 목표 궤적 생성 모듈 및 상기 목표 궤적을 따라 상기 로봇을 동작시키는 동작 제어기를 포함하고, 상기 동작 제어기는, 상기 목표 궤적을 기준 입력으로 하여 가상의 힘을 계산하고, 상기 가상의 힘 값을 상기 로봇에 부여하여 상기 로봇의 동작이 상기 목표 궤적을 추종하도록 제어하는 가상 힘 기반의 동작 제어기인 로봇의 동작을 제어하기 위한 동작 제어 시스템이 제공된다. In order to achieve the above object, according to an aspect of the present invention includes a target trajectory generation module for generating a target trajectory from the current position of the robot to the target position, and an operation controller for operating the robot along the target trajectory, The motion controller calculates a virtual force by using the target trajectory as a reference input, and assigns the virtual force value to the robot to control the motion of the robot to follow the target trajectory. An motion control system for controlling the motion of an robot is provided.
또한, 상기 동작 제어 시스템은, 유사한 패턴의 기본동작들의 궤적 정보를 수집하여, 상기 기본동작들의 궤적에 대한 데이터 베이스를 구축하는 데이터 베이스 구축 모듈과, 상기 데이터 베이스로부터 상기 기본동작의 평균 궤적을 구하고, 구해진 평균 궤적으로부터 상기 기본동작의 주성분 궤적을 추출하는 주성분 추출 모듈과, 상기 목표 위치의 정보를 계산하는 위치 정보 계산 모듈을 더 포함하고, 상기 목표 궤적 생성 모듈은, 상기 평균 궤적과 상기 주성분 궤적을 결합하고, 상기 목표 위치의 정보를 이용해 목표 궤적을 생성하도록 할 수도 있다. The operation control system may further include a database building module configured to collect trajectory information of basic operations having a similar pattern to construct a database of the trajectories of the basic operations, and obtain an average trajectory of the basic operations from the database. And a principal component extraction module for extracting a principal component trajectory of the basic motion from the obtained average trajectory, and a position information calculation module for calculating information of the target position. May be combined to generate a target trajectory using the information of the target position.
또한, 상기 동작 제어기는, 가상의 스프링-댐퍼 힘 값을 상기 로봇에 부여하는 가상 스프링-댐퍼 힘 제어기일 수도 있다. The motion controller may also be a virtual spring-damper force controller that imparts a virtual spring-damper force value to the robot.
또한, 상기 가상 스프링-댐퍼 힘 제어기는, 상기 로봇의 관절 및 말단부에 부착될 수도 있다.The virtual spring-damper force controller may also be attached to the joint and distal end of the robot.
또한, 상기 동작 제어 시스템은 상기 로봇에 부착되어 외력을 측정하는 힘/토크 센서를 더 포함하고, 상기 힘/토크 센서에서 외력이 측정되면, 상기 동작 제어기는 측정된 외력값을 상기 로봇에 추가로 부여하여, 상기 로봇이 상기 외력에 순응하여 동작하도록 할 수도 있다. The motion control system may further include a force / torque sensor attached to the robot to measure an external force, and when the external force is measured by the force / torque sensor, the motion controller further adds the measured external force value to the robot. In addition, the robot may be operated in compliance with the external force.
또한, 상기 위치 정보 계산 모듈은 상기 목표 궤적 상의 장애물의 위치 정보를 계산하고, 상기 목표 궤적 생성 모듈은 상기 장애물의 위치와 상기 로봇의 현재 위치 사이의 가상의 힘 벡터를 정의하고, 상기 동작 제어기는 상기 힘 벡터의 힘 값을 상기 로봇에 추가로 부여하여, 상기 로봇이 상기 장애물을 회피하여 동작하도록 할 수도 있다. In addition, the position information calculation module calculates position information of the obstacle on the target trajectory, the target trajectory generation module defines a virtual force vector between the position of the obstacle and the current position of the robot, and the motion controller The force value of the force vector may be further added to the robot so that the robot operates by avoiding the obstacle.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 로봇의 현재 위치에서 목표 위치까지의 목표 궤적을 생성하는 단계(S1) 및 상기 목표 궤적을 기준 입력으로 하여 가상의 힘을 계산하고, 상기 계산된 가상의 힘 값을 상기 로봇에 부여하여 상기 로봇이 상기 목표 궤적을 추종하도록 제어하는 단계(S2)를 포함하는 로봇의 동작을 제어하기 위한 동작 제어 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, generating a target trajectory from the current position of the robot to the target position (S1) and calculating the virtual force by using the target trajectory as a reference input, and the calculated virtual force value Is provided to the robot to control the robot to follow the target trajectory (S2) is provided a motion control method for controlling the operation of the robot.
상기 주성분 궤적은 복수 개가 추출되며, 상기 단계(S2)에서는 상기 복수의 주성분 궤적 중 상기 평균 궤적의 특성을 지배적으로 나타내는 상위 4개의 주성분 궤적과, 상기 평균 궤적을 선형 결합하여 상기 목표 궤적을 생성할 수도 있다.A plurality of main component trajectories are extracted, and in step S2, the target trajectories may be generated by linearly combining the upper four main component trajectories that dominate the characteristics of the average trajectory among the plurality of main component trajectories and the average trajectories. It may be.
본 발명에 따른 동작 제어 시스템 및 동작 제어 방법에 따르면, 간단한 방법으로도 로봇이 자연스럽게 동작할 수 있으며, 주어진 동작을 수행하는 동안 예기치 못한 외란이 발생하여도 그에 능동적으로 대처할 수 있다는 장점이 있다. According to the motion control system and the motion control method according to the present invention, there is an advantage that the robot can operate naturally by a simple method, and can actively cope with unexpected disturbances during a given motion.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 동작 제어 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 상체구조를 나타내는 개념도이다.
도 3은 로봇의 팔이 초기 위치에서 임의의 위치로 곡선을 그리는 동작을 기본 동작으로 반복 수행한 때에 궤적을 2차원으로 나타낸 그래프이다.
도 4는 데이터베이스에 대하여 5개의 주성분 궤적을 추출한 것을 2차원으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 일 실시예에 따른 로봇의 목표 궤적을 3차원으로 표현한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가상의 스피링-댐퍼 힘을 통해 로봇의 팔을 움직일 수 있게 하는 가상의 스피링-댐퍼 힘 제어기가 부착된 로봇의 개념도이다.
도 7은 장애물의 위치와 로봇의 현재 위치 사이의 가상의 힘 벡터를 정의하는 개념을 도시한 것이다.
도 8은 장애물을 회피하여 동작하는 로봇의 궤적을 나타낸 그래프이다. 1 is a block diagram of a motion control system of a robot according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram illustrating an upper body structure of a robot according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the trajectory in two dimensions when the robot's arm repeatedly performs the operation of drawing a curve from an initial position to an arbitrary position as a basic operation.
4 is a graph illustrating two-dimensional extraction of five principal component traces from a database.
5 is a graph representing a target trajectory of a robot according to an embodiment of the present invention in three dimensions.
FIG. 6 is a conceptual diagram of a robot to which a virtual spring-damper force controller is attached to enable the arm of the robot to move through the virtual spring-damper force in accordance with an embodiment of the present invention.
7 illustrates the concept of defining a virtual force vector between the position of an obstacle and the current position of the robot.
8 is a graph showing the trajectory of a robot operating by avoiding obstacles.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is described as one embodiment, whereby the technical spirit of the present invention and its core configuration and operation are not limited.
로봇이 인간을 대신해서 실질적인 작업을 수행하기 위해서는 인간의 도움 없이 스스로 인지하여 작업에 알맞은 동작을 생성해 내야 한다. 예를 들어, 로봇에게 물체를 잡으라는 명령이 주어진다면 로봇이 스스로 물체의 위치를 인식하고, 물체를 잡기 위한 동작을 생성해 내야 하며 동작 생성 중 외부 환경과의 접촉 또는 장애물이 동작 경로에 있을 경우 이에 반응하여 작업을 수행할 수 있는 능력을 필요로 한다. In order for a robot to perform a practical task on behalf of a human, it must recognize itself without human help and generate a motion suitable for the task. For example, if a robot is given a command to grab an object, the robot must recognize the location of the object itself, generate a motion to grab the object, and contact with an external environment or obstacle in the motion path during motion creation. It requires the ability to do work in response.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 동작 제어 시스템의 구성도이다. 1 is a block diagram of a motion control system of a robot according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 동작 제어 시스템은, 로봇의 제어하기 위한 목표 궤적을 생성하는 목표 궤적 생성 모듈(1)과, 상기 목표 궤적을 따라 로봇을 동작시키는 동작 제어기(2)를 포함한다. 또한, 유사한 패턴의 기본동작들의 궤적 정보를 수집하여, 상기 기본동작들의 궤적에 대한 데이터 베이스를 구축하는 데이터 베이스 구축 모듈(3)과, 상기 데이터 베이스로부터 상기 기본동작의 평균 궤적을 구하고, 구해진 평균 궤적으로부터 상기 기본동작의 주성분 궤적을 추출하는 주성분 추출 모듈(4)과, 상기 목표 위치의 정보를 계산하는 위치 정보 계산 모듈(5)을 더 포함한다. Referring to FIG. 1, the motion control system includes a target
본 실시예에서 상기 로봇은 도 2에 도시된 바와 같이, 허리관절과 양팔을 포함하는 총 13자유도의 상체 구조를 가지는 인간형 로봇이며, 본 실시예에서는 로봇의 팔 동작을 제어하는 방법에 대해 설명한다. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the robot is a humanoid robot having an upper body structure having a total of 13 degrees of freedom including a hip joint and both arms, and in this embodiment, a method of controlling the arm motion of the robot will be described. .
먼저 데이터 베이스 구축 모듈(3)은 유사한 패턴의 기본 동작들의 궤적 정보를 수집하여 그 정보들에 대한 데이터 베이스를 구축한다. First, the
본 실시예에서는 인간과 가까운 동작을 구현하기 위하여 유사한 동작으로 정해진 작업을 반복적으로 수행하는 인간의 동작들을 모션캡쳐 장비(미도시)를 이용하여 획득한 후 획득된 각각의 작업 동작들을 분할한다. 분할된 동작은 작업 공간에서의 3차원 좌표계를 기준으로 위치 변화 궤적들로 표현할 수 있으며, 이러한 동작을 "기본 동작"이라고 정의한다. In the present embodiment, the motions obtained by using a motion capture device (not shown) are repeatedly divided by the respective motions obtained by using motion capture equipment (not shown). The divided motions can be represented by position change trajectories based on a three-dimensional coordinate system in the work space, and this motion is defined as a "basic motion".
본 실시예에 따르면 유사한 패턴의 기본 동작들의 궤적 정보를 수집하기 위해 인간의 동작을 모션캡쳐 장비를 이용해 획득하였지만 반드시 이에 한정되지 않는다. 정해진 작업을 수행하기 위한 다양한 패턴의 기본동작들은 시뮬레이션을 통해 가공 생성될 수도 있다는 것이 당업자에게 용이하게 이해될 것이다. According to the present exemplary embodiment, a human motion is acquired using motion capture equipment to collect trajectory information of basic motions of a similar pattern, but is not limited thereto. It will be readily understood by those skilled in the art that the basic operations of the various patterns for performing a given task may be generated and processed by simulation.
분할된 기본동작들의 궤적에 대한 데이터 베이스는 하기 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.
The database of the trajectories of the divided basic operations may be expressed as in
[수학식 1][Equation 1]
여기서 M은 동작 데이터 베이스이고, xi(i= 1,..,n)는 분할된 기본동작의 임의의 위치 궤적이라고 할 수 있으며, 1×m 벡터 형태로 이루어져 있다. n은 분할된 기본 동작의 개수, m은 각 기본 동작에 대한 프레임(frame) 수를 의미한다.Where M is the motion database, x i (i = 1, ..., n) is an arbitrary position trajectory of the divided basic motion, it is in the form of 1 × m vector. n is the number of divided basic operations, and m is the number of frames for each basic operation.
각 기본 동작 프레임에 대한 평균(sample mean)을 
The sample mean for each basic motion frame
[수학식 2]&Quot; (2) "
이때, 기본 동작에 대한 공분산 행렬 
In this case, the covariance matrix for the basic operation
[수학식 3]&Quot; (3) "
이러한 공분산 행렬(S)로부터 고유값과 고유벡터를 하기 [수학식 4]과 같이 구할 수 있다.
From the covariance matrix S, the eigenvalues and the eigenvectors can be obtained as shown in
[수학식 4]&Quot; (4) "
여기서, 
주성분 추출 모듈(4)은 상기와 같은 개념을 이용하여 상기 데이터 베이스로부터 기본 동작들에 대한 궤적의 평균 궤적을 구하고, 구해진 평균 궤적으로부터 주성분 궤적을 추출한다. The principal
도 3은 로봇의 팔이 초기 위치에서 임의의 위치로 곡선을 그리는 동작을 기본 동작으로 반복 수행한 때에 궤적을 2차원으로 나타낸 그래프이며, 도 4는 데이터베이스에 대하여 5개의 주성분 궤적을 추출한 것을 2차원으로 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing the trajectories in two dimensions when the robot arm repeatedly performs the operation of drawing a curve from an initial position to an arbitrary position as a basic operation, and FIG. 4 is a two-dimensional representation of five principal component trajectories extracted from a database. It is a graph.
목표 궤적 생성 모듈(1)은 평균 궤적과 주성분 궤적을 결합하여 목표 궤적을 생성한다.The target
구체적으로 설명하면, 생성되는 목표 궤적은 하기 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
Specifically, the generated target trajectory may be represented as shown in
[수학식 5][Equation 5]
여기서, x(t)는 목표 궤적으로서 작업 공간의 3차원 기준좌표계에 대한 위치 변화 궤적이다. xmean(t)는 데이터 베이스의 평균 궤적을 의미하고, φi는 i번째 주성분 궤적, αi는 스칼라 가중 계수이다. 본 실시예에서는 목표 궤적 생성을 위해서 기본 동작의 지배적인 특성을 가장 잘 나타내는 상위 4개의 주성분 궤적만을 이용하였다.Here, x (t) is a position change trajectory with respect to the three-dimensional reference coordinate system of the work space as the target trajectory. x mean (t) means the average trajectory of the database, φ i is the i th principal component trajectory, and α i is a scalar weighting coefficient. In the present embodiment, only the top four principal component trajectories that best represent the dominant characteristics of the basic motion are used to generate the target trajectories.
로봇을 제어하여 초기 위치(xo)로부터 목표 위치(xf)로 제어하고자 하는 경우, 상기 목표 궤적은 하기 [수학식 6]의 경계 조건을 만족하여야 한다.
When the robot is to be controlled from the initial position x o to the target position x f , the target trajectory must satisfy the boundary condition of
[수학식 6]&Quot; (6) "
여기서, xo는 초기 시간 to에서의 초기위치 값이고, xf는 최종시간 tf에서의 위치값으로 목표 위치값을 나타낸다. Here, x o is an initial position value at an initial time t o , and x f is a position value at a final time t f , and represents a target position value.
다시 도 1을 참조하면, 목표 위치값은 비젼 시스템 등과 같은 위치 정보 계산 모듈(6)을 이용해 구해진다.Referring again to FIG. 1, the target position value is obtained using the position
한편, 상기 [수학식 5]에서 스칼라 가중 계수(αi)를 구할 수 있다면, 상기 [수학식 6]의 경계 조건을 만족하면서 데이터 베이스의 기본 동작들의 궤적과 유사한 패턴을 가지는 새로운 목표 궤적을 생성할 수 있다. On the other hand, if the scalar weighting coefficient α i can be obtained from
본 실시예에 따르면, 스칼라 가중 계수를 구하기 위한 방법으로 하기 [수학식 7]로 표현되는 라그랑지안 멀티플라이어 최적화 (Lagrangian Multiplier Optimization) 방법이 사용되었다.
According to this embodiment, a Lagrangian Multiplier Optimization method represented by
[수학식 7][Equation 7]
여기서, x(t)-xmean(t)와, d=Cα는 각각 하기 [수학식 8]과 [수학식 9]로 표현될 수 있다.
Here, x (t) -x mean (t) and d = Cα may be represented by Equations 8 and 9, respectively.
[수학식 8][Equation 8]
[수학식 9]&Quot; (9) "
한편, 최적화를 위한 라그랑지안 식은 하기 [수학식 10]과 같다.
On the other hand, the Lagrangian equation for optimization is as shown in [Equation 10].
[수학식 10]&Quot; (10) "
또한, 최적화 조건은 하기 [수학식 11]과 같다.
In addition, optimization conditions are as shown in [Equation 11].
[수학식 11]&Quot; (11) "
상기 [수학식 11]을 정리하면 하기 [수학식 12]를 통해 스칼라 가중 계수를 구할 수 있다.
Summarizing [Equation 11], a scalar weighting coefficient can be obtained through Equation 12 below.
[수학식 12][Equation 12]
여기서 구한 라그랑지안 멀티플라이어 최적화 기법을 사용한다는 것은 데이터 베이스의 평균 궤적(xmean(t))이 각 데이터의 특성을 모두 포함하고 있기 때문에 새롭게 생성하고자 하는 목표 궤적(x(t))와 평균 궤적의 차이를 최소화시킬 수 있는 스칼라 가중 계수를 구한다는 것을 의미한다. 따라서, 생성된 목표 궤적 역시 인간의 자연스러운 동작 정보를 포함하는 데이터 베이스의 특성을 최대한 포함하면서 초기 위치와 목표 위치에 대한 경계조건을 만족하는 궤적을 생성하게 되는 것이다. Using the Lagrangian multiplier optimization technique obtained here means that the mean trajectory (x mean (t)) of the database includes all the characteristics of each data. This means that we get a scalar weighting factor that minimizes the difference. Accordingly, the generated target trajectory also generates a trajectory that satisfies the boundary condition between the initial position and the target position while including the characteristics of the database including the human's natural motion information as much as possible.
본 실시예에 따르면, 상술한 개념을 이용하여 로봇의 어깨, 팔꿈치, 손가락(엄지, 중지 및 약지의 3지점)의 위치에 대한 목표 궤적을 생성한다. According to this embodiment, a target trajectory is generated for the position of the robot's shoulder, elbow, and fingers (three points of thumb, middle finger and ring finger) using the above-described concept.
도 5는 상술한 개념에 따라 생성된 한 팔에 대한 상기 5지점에 대한 목표 궤적을 3차원으로 표현한 그래프이다. 도 5를 참조하면, 목표 궤적이 매우 자연스러운 곡선으로 생성되는 것을 확인할 수 있다. 5 is a graph representing three-dimensional target trajectories of the five points for one arm generated according to the above concept. Referring to FIG. 5, it can be seen that the target trajectory is generated as a very natural curve.
상술한 바와 같은 주성분 궤적 분석을 이용하면 인간의 동작과 유사한 매우 자연스러운 동작을 생성할 수 있다. 하지만, 목표 궤적을 추종하도록 제어하는 것만으로는 외부 환경에 반응하는 작업을 수행하기에는 한계가 있다. Principal component trajectory analysis as described above can produce very natural motions similar to human motion. However, there is a limit to performing a task that responds to the external environment only by controlling to follow the target trajectory.
이와 같은 한계를 해결하기 위하여, 본 실시예에 따르면 로봇의 동작을 제어하기 위한 제어기로서 가상 힘을 기반으로 하는 가상 힘 기반의 동작 제어기를 도입한다. 구체적으로 본 실시예에 따른 동작 제어기는 가상의 스프링-댐퍼 힘을 통한 힘 제어기이다.In order to solve such a limitation, according to the present embodiment, a virtual force-based motion controller based on a virtual force is introduced as a controller for controlling the operation of the robot. Specifically, the motion controller according to the present embodiment is a force controller through a virtual spring-damper force.
도 6은 가상의 스피링-댐퍼 힘을 통해 로봇의 팔을 움직일 수 있게 하는 가상의 스피링-댐퍼 힘 제어기가 부착된 로봇의 개념도이다. 6 is a conceptual diagram of a robot to which a virtual spring-damper force controller is attached that allows the robot's arm to move through a virtual spring-damper force.
도 6에 도시된 바와 같이, 제어기는 로봇의 양 어깨, 팔꿈치 및 엄지, 중지, 약지의 3 지점에 부착된다. As shown in Figure 6, the controller is attached to three points of the shoulder, elbow and thumb of the robot, middle finger, ring finger.
로봇의 동역학 운동 방정식은 하기 [수학식 13]과 같이 표현할 수 있다.
The dynamic equation of motion of the robot can be expressed as shown in [Equation 13].
[수학식 13]&Quot; (13) "
여기서, q는 로봇의 관절 벡터, 
상기 [수학식 13]의 동역학 운동방정식을 통해 하기 [수학식 14] 및 [수학식 15]로 표현되는 가상 스프링-댐퍼 힘 제어기를 설정할 수 있다.
Through the dynamic equations of equation [13], a virtual spring-damper force controller represented by the following [Equation 14] and [Equation 15] can be set.
[수학식 14]&Quot; (14) "
[수학식 15]&Quot; (15) "
여기서, k는 가상 스프링 계수, Pd는 목표 위치 벡터이고, Pc는 현재 위치 벡터, 
본 실시예에 따르면, 목표 위치와 현재 사이 위치 사이에 가상의 스프링-댐퍼 힘을 부여하여 로봇이 목표 위치를 추종하도록 한다. 즉, 인간의 동작 데이터 베이스를 통해 생성한 어깨, 팔꿈치, 손가락(엄지, 중지, 약지의 3지점)의 위치 변화 궤적을 목표 위치에 대한 궤적으로 정하고, 정기구학을 통해 로봇의 현재 위치와 속도를 구하여 상기 [수학식 14]와 같이 가상의 스프링-댐퍼 힘을 발생 시켜 로봇이 목표 궤적을 따라 동작을 생성하도록 하는 것이다. According to this embodiment, the virtual spring-damper force is applied between the target position and the present position to allow the robot to follow the target position. In other words, the position change trajectory of the shoulders, elbows and fingers (thumb, middle finger, and ring finger) generated by the human motion database is defined as the trajectory for the target position, and the current position and speed of the robot are determined by the forward kinematics. The robot generates a motion along the target trajectory by generating a virtual spring-damper force as shown in [Equation 14].
이제 상기 [수학식 5]를 통해 생성된 동작 궤적을 가상 스프링-댐퍼 힘 제어기의 목표 위치(Pd)로 입력함으로써 로봇이 목표 궤적을 추종하도록 한다. The robot then follows the target trajectory by inputting the motion trajectory generated by
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 로봇의 손목에 힘/토크 센서(미도시)가 부착된다. According to another embodiment of the invention, a force / torque sensor (not shown) is attached to the wrist of the robot.
전술한 실시예에 관한 상기 과정들을 통해 로봇이 목표 궤적을 추종하여 동작하는 도중에 다른 사람이 로봇과 악수를 하는 등과 같이 로봇에 외력이 가해지는 상황이 발생하게 되면, 로봇의 동작이 외부 힘에 순응하도록 하기 위하여 힘/토크 센서에서 측정된 힘이 상기 [수학식 13]의 JTFC 부분에 추가되어 상기 로봇에 추가로 부여된다. 따라서, 상기 로봇은 외력이 작용하는 경우, 설정된 목표 궤적을 추종하는 동작을 견지하지 않고, 궤적을 수정하여 상기 외력에 순응하여 동작하게 된다. When the robot is subjected to an external force such as someone shaking hands with the robot while the robot follows the target trajectory while the robot operates following the target trajectory, the operation of the robot conforms to an external force. The force measured by the force / torque sensor is added to the J T F C portion of Equation 13 to be added to the robot. Therefore, when the external force acts, the robot does not maintain the operation of following the set target trajectory, and corrects the trajectory to operate in compliance with the external force.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 목표 궤적 상에 장애물이 위치하는 경우 이를 회피하여 로봇이 동작하기 위한 방법이 제공된다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for operating the robot by avoiding the obstacle is located on the target trajectory.
위치 정보 계산 모듈(6)은 먼저 목표 궤적 상의 장애물이 있는 경우 장애물의 위치 정보를 계산한다. 이때, 목표 궤적 생성 모듈(1)은 상기 장애물의 위치와 상기 로봇의 현재 위치 사이의 가상의 힘 벡터를 정의한다. The position
도 7은 상기 장애물의 위치와 상기 로봇의 현재 위치 사이의 가상의 힘 벡터를 정의하는 개념을 도시한 것이다. Figure 7 illustrates the concept of defining a virtual force vector between the position of the obstacle and the current position of the robot.
도 7에 도시된 바와 같이, 로봇의 현재 위치를 Pc, 장애물의 위치를 Po 라고 하고, 기설정된 힘 스케일 계수를 So라고 하면 하기 [수학식 16]과 같은 가상의 힘 벡터가 정의된다.
As shown in FIG. 7, when the current position of the robot is P c , the position of the obstacle is P o , and the preset force scale factor is S o , a virtual force vector is defined as shown in Equation 16 below. .
[수학식 16] &Quot; (16) "
가상의 힘(Fobstacle)은 로봇의 현재 위치에 따라서 계속 방향이 변하는 힘으로서 장애물 위치를 중심으로 한 동력장 즉, 힘의 벡터장에 포함되는 힘이다. The imaginary force (F obstacle ) is a force continuously changing in accordance with the current position of the robot, and is a force included in the power field centered on the obstacle position, that is, the vector field of the force.
정의된 가상의 힘(Fobstacle)은 상기 [수학식 13]의 JTFC 부분에 추가되어 상기 로봇에 추가로 부여된다. The defined virtual force (F obstacle ) is added to the J T F C portion of Equation 13 and added to the robot.
따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 로봇은 가상의 힘(Fobstacle)의 크기에 대응하는 위치만큼 원래 목표 궤적으로부터 벗어나 장애물을 회피하여 동작할 수 있게 된다. Accordingly, as shown in FIG. 8, the robot may operate by avoiding the obstacle from the original target trajectory by a position corresponding to the magnitude of the virtual force F obstacle .
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 간단한 방법으로 자연스러운 로봇의 동작을 구현해 낼 수 있다는 장점이 있다. According to the embodiments of the present invention as described above, there is an advantage that it is possible to implement the operation of the natural robot in a simple manner.
또한, 가상의 힘을 기반으로 로봇의 동작을 제어하므로, 외부에서 작용하는 힘을 직접 제어기에 추가하거나, 또는 장애물에 대한 가상 힘을 제어기에 추가함으로써 외란에 대한 능동적인 제어가 가능하다는 장점이 있다. In addition, since the operation of the robot is controlled based on a virtual force, there is an advantage that active control of disturbance is possible by adding an external force directly to the controller or adding a virtual force to an obstacle to the controller. .
1: 목표 궤적 생성 모듈
2: 동작 제어기
3: 데이터 베이스 구축 모듈
4: 주성분 추출 모듈
5: 위치 정보 계산 모듈1: Target trajectory generation module
2: motion controller
3: Database building module
4: principal component extraction module
5: location information calculation module
Claims (12)
상기 로봇의 현재 위치에서 목표 위치까지의 목표 궤적을 생성하는 목표 궤적 생성 모듈;
상기 목표 궤적을 따라 상기 로봇을 동작시키는 동작 제어기;
유사한 패턴의 기본동작들의 궤적 정보를 수집하여, 상기 기본동작들의 궤적에 대한 데이터 베이스를 구축하는 데이터 베이스 구축 모듈;
상기 데이터 베이스로부터 상기 기본동작의 평균 궤적을 구하고, 구해진 평균 궤적으로부터 상기 기본동작의 주성분 궤적을 추출하는 주성분 추출 모듈; 및
상기 목표 위치의 정보를 계산하는 위치 정보 계산 모듈을 포함하고,
상기 동작 제어기는, 상기 목표 궤적을 기준 입력으로 하여 가상의 힘을 계산하고, 상기 가상의 힘 값을 상기 로봇에 부여하여 상기 로봇의 동작이 상기 목표 궤적을 추종하도록 제어하는 가상 힘 기반의 동작 제어기이고,
상기 목표 궤적 생성 모듈은, 상기 평균 궤적과 상기 주성분 궤적을 결합하고, 상기 목표 위치의 정보를 이용해 목표 궤적을 생성하며,
상기 위치 정보 계산 모듈은 상기 목표 궤적 상의 장애물의 위치 정보를 계산하고,
상기 목표 궤적 생성 모듈은 상기 장애물의 위치와 상기 로봇의 현재 위치 사이의 가상의 힘 벡터를 정의하며,
상기 동작 제어기는 상기 힘 벡터의 힘 값을 상기 로봇에 추가로 부여하여, 상기 로봇이 상기 장애물을 회피하여 동작하도록 하는 것을 특징으로 하는 동작 제어 시스템. An operation control system for controlling the operation of the robot,
A target trajectory generation module for generating a target trajectory from the current position of the robot to a target position;
An operation controller for operating the robot along the target trajectory;
A database construction module for collecting trajectory information of basic operations of a similar pattern and constructing a database of the trajectories of the basic operations;
A principal component extraction module for obtaining an average trajectory of the basic motion from the database and extracting a principal component trajectory of the basic motion from the obtained average trajectory; And
A location information calculation module for calculating information of the target location;
The motion controller calculates a virtual force by using the target trajectory as a reference input, and assigns the virtual force value to the robot to control the motion of the robot to follow the target trajectory. ego,
The target trajectory generation module combines the average trajectory and the principal component trajectory, generates a target trajectory using information of the target position,
The position information calculation module calculates position information of the obstacle on the target trajectory,
The target trajectory generation module defines a virtual force vector between the position of the obstacle and the current position of the robot,
And the motion controller further gives a force value of the force vector to the robot so that the robot can operate by avoiding the obstacle.
상기 동작 제어기는, 가상의 스프링-댐퍼 힘 값을 상기 로봇에 부여하는 가상 스프링-댐퍼 힘 제어기인 것을 특징으로 하는 동작 제어 시스템.The method of claim 1,
And the motion controller is a virtual spring-damper force controller that imparts a virtual spring-damper force value to the robot.
상기 가상 스프링-댐퍼 힘 제어기는,
상기 로봇의 관절 및 말단부에 부착되는 것을 특징으로 하는 동작 제어 시스템. The method of claim 3,
The virtual spring-damper force controller,
Motion control system, characterized in that attached to the joint and the distal end of the robot.
상기 로봇에 부착되어 외력을 측정하는 힘/토크 센서를 더 포함하고,
상기 힘/토크 센서에서 외력이 측정되면, 상기 동작 제어기는 측정된 외력값을 상기 로봇에 추가로 부여하여, 상기 로봇이 상기 외력에 순응하여 동작하도록 하는 것을 특징으로 하는 동작 제어 시스템.The method of claim 1,
It further comprises a force / torque sensor attached to the robot for measuring the external force,
And when the external force is measured by the force / torque sensor, the motion controller additionally assigns the measured external force value to the robot so that the robot operates in compliance with the external force.
상기 로봇의 현재 위치에서 목표 위치까지의 목표 궤적을 생성하는 단계(S1);
상기 목표 궤적을 기준 입력으로 하여 가상의 힘을 계산하고, 상기 계산된 가상의 힘 값을 상기 로봇에 부여하여 상기 로봇이 상기 목표 궤적을 추종하도록 제어하는 단계(S2);
유사한 패턴의 기본동작들의 궤적 정보를 수집하여, 상기 기본동작들의 궤적에 대한 데이터 베이스를 구축하는 단계(S3);
상기 데이터 베이스로부터 상기 기본동작의 평균 궤적을 계산하고, 계산된 평균 궤적으로부터 상기 기본동작의 주성분 궤적을 추출하는 단계(S4);
상기 로봇의 동작 목표 위치의 정보를 계산하는 단계(S5);
상기 목표 궤적 상의 장애물의 위치 정보를 계산하는 단계(S7); 및
상기 장애물의 위치와 상기 로봇의 현재 위치 사이의 가상의 힘 벡터를 정의하는 단계(S8)를 포함하고,
상기 단계(S2)에서는,
상기 평균 궤적과 상기 주성분 궤적을 결합하고, 상기 목표 위치의 정보를 이용해 목표 궤적을 생성하며,
상기 힘 벡터의 힘 값을 상기 로봇에 추가로 부여하여, 상기 로봇이 상기 장애물을 회피하여 동작하도록 하는 것을 특징으로 하는 동작 제어 방법. As a motion control method for controlling the operation of the robot,
Generating a target trajectory from the current position of the robot to a target position (S1);
Calculating a virtual force by using the target trajectory as a reference input, and controlling the robot to follow the target trajectory by applying the calculated virtual force value to the robot (S2);
Collecting trajectory information of basic operations of a similar pattern and constructing a database of the trajectories of the basic operations (S3);
Calculating an average trajectory of the basic motion from the database, and extracting a principal component trajectory of the basic motion from the calculated average trajectory (S4);
Calculating information of an operation target position of the robot (S5);
Calculating position information of an obstacle on the target trajectory (S7); And
Defining a virtual force vector between the position of the obstacle and the current position of the robot (S8),
In the step S2,
Combining the average trajectory and the principal component trajectory, and generating a target trajectory using information of the target position;
And giving the force value of the force vector to the robot so that the robot operates by avoiding the obstacle.
상기 가상의 힘은 가상의 스프링-댐퍼 힘인 것을 특징으로 하는 동작 제어 방법. The method of claim 7, wherein
And said virtual force is a virtual spring-damper force.
상기 로봇에 부착된 힘/토크 센서를 이용해 외력을 측정하는 단계(S6)를 더포함하고,
상기 힘/토크 센서에서 외력이 측정되면, 상기 단계(S2)에서는 측정된 외력값을 상기 로봇에 추가로 부여하여, 상기 로봇이 상기 외력에 순응하여 동작하도록 하는 것을 특징으로 하는 동작 제어 방법.The method of claim 7, wherein
Further comprising the step (S6) of measuring the external force using the force / torque sensor attached to the robot,
When the external force is measured by the force / torque sensor, in step S2, the measured external force value is additionally given to the robot, so that the robot operates in compliance with the external force.
상기 주성분 궤적은 복수 개가 추출되며,
상기 단계(S2)에서는 상기 복수의 주성분 궤적 중 상기 평균 궤적의 특성을 지배적으로 나타내는 상위 4개의 주성분 궤적과, 상기 평균 궤적을 선형 결합하여 상기 목표 궤적을 생성하는 것을 특징으로 하는 동작 제어 방법.The method of claim 7, wherein
The plurality of main component traces are extracted,
In the step S2, the target trajectory is generated by linearly combining the upper four principal component trajectories that predominantly represent the characteristics of the average trajectory among the plurality of principal component trajectories, and the average trajectory.
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