KR101338082B1 - 착용식 로봇의 외란제거방법 및 외란제거시스템 - Google Patents

Abstract

착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값과 현재 각속도관련값의 차이로부터 로봇관절에 입력될 요구토크를 산출하는 요구산출단계; 상기 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거하여 외란토크를 산출하는 외란산출단계; 및 상기 요구토크에서 외란토크를 제거하여 실제 입력토크를 산출하는 실제산출단계;를 포함하는 착용식 로봇의 외란제거방법 및 이를 위한 외란제거시스템이 소개된다.

Description

착용식 로봇의 외란제거방법 및 외란제거시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR ELIMINATING DISTURBANCE OF ROBOT}

본 발명은 착용식 로봇을 제어함에 있어 외란에 의한 영향을 제거하여 착용자로 하여금 반력이 느껴지지 않도록 하기 위한 착용식 로봇의 외란제거방법 및 외란제거시스템에 관한 것이다.

외골격 형태의 착용식 로봇에 있어서, 로봇에 의한 저항 반력을 최소화하고 사람의 동작 의도를 실시간으로 반영하여 부드러운 동작을 하는 것은 로봇의 작동감과 정확도의 보강 측면에서 매우 중요한 문제이다.

그러나, 착용식 로봇은 사람과 결합한 로봇 시스템이기 때문에 시스템에 있어서 부정확한 상태 변수가 만들어지기가 쉽고, 센서에 포함된 노이즈 및 로봇 기구에 타고오는 진동에 의한 노이즈, 높은 전압 구동에 의한 자기장 및 전류에 따른 노이즈 등 다양한 노이즈가 존재하기 때문에 착용자 의도 반영한 제어의 성능을 향상시키기가 쉽지 않다.

또한, 사람과 로봇이 정확히 결박되지 않는 부위에서 생기는 인적토크의 불안정한 입력값이 생성되는데 이 또한 외란으로 간주 될 수 있다. 따라서 이러한 외란에 강인하도록 하기 위한 제어기 구성이 요구된다.

기존의 착용식 로봇은 대한민국 공개특허 제10-2005-0053214호에 기재된 바와 같이, 오직 사용자가 가한 힘에 대해 조인트 토크를 계산하여 로봇을 구동시키는 알고리즘이 대부분이며, 센서에 포함된 노이즈나 외란이 고려되지 않아, 작은 외란에도 제어 영역이 불안정해질 수 있는 문제가 있다.

따라서, 이를 해결하기 위해 외란관측기를 통한 센서 노이즈 및 시스템의 외란 저감을 위한 방법이 필요하였던 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2005-0053214 A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 외란관측기를 통한 센서 노이즈 및 시스템의 외란 저감을 위한 착용식 로봇의 외란제거방법 및 외란제거시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 착용식 로봇의 외란제거방법은, 착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값과 현재 각속도관련값의 차이로부터 로봇관절에 입력될 요구토크를 산출하는 요구산출단계; 상기 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거하여 외란토크를 산출하는 외란산출단계; 및 상기 요구토크에서 외란토크를 제거하여 실제 입력토크를 산출하는 실제산출단계;를 포함한다.

상기 실제산출단계는, 요구토크에서 외란토크를 제거하고 착용자가 가하는 인적토크를 합산하여 실제 입력토크를 산출할 수 있다.

착용자가 가하는 인적토크로부터 가상의 어드미턴스 모델을 통하여 목표 각속도관련값을 생성하는 목표생성단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 외란산출단계는, 상기 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거한 후 저역통과필터링을 통해 외란토크를 산출할 수 있다.

상기 각속도관련값은 착용식 로봇관절의 각속도 및 각가속도 값일 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 착용식 로봇의 외란제거시스템은, 착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값과 현재 각속도관련값의 차이로부터 로봇관절에 입력될 요구토크를 산출하고, 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하며 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거하여 외란토크를 산출하고, 산출된 요구토크에서 외란토크를 제거하여 실제 입력토크를 산출하는 제어부;를 포함한다.

상기 제어부는 착용자가 가하는 인적토크로부터 가상의 어드미턴스 모델을 통하여 목표 각속도관련값을 생성할 수 있다.

로봇관절의 링크에 마련되어 착용자가 가하는 인적토크를 측정하는 토크센서;를 더 포함할 수 있다.

로봇관절에 마련되어 현재 각속도관련값을 측정하는 회전형 엔코더;를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 착용식 로봇의 외란제거방법 및 외란제거시스템에 따르면, 착용자에 의한 로봇의 동작 생성 시 착용자의 동작 의도를 외부 노이즈와 외란에 강인하도록 정확하게 로봇에 전달할 수 있으며, 제어 안정성 확보에 커다란 효과를 가져올 수 있다.

또한, 외란 관측기에 의하여 시스템 모델을 기반으로 한 외란 제거를 통해 입력에 대한 보다 정확한 출력을 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 외란제거시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 외란제거방법의 블록도.
도 3은 도 2에 도시된 로봇의 외란제거방법의 순서도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 착용식 로봇의 외란제거방법 및 외란제거시스템에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 외란제거시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 외란제거방법의 블록도이며, 도 3은 도 2에 도시된 로봇의 외란제거방법의 순서도이다.

먼저, 본 발명의 로봇의 외란제거방법을 먼저 살펴보면, 로봇의 외란제거방법은, 착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값과 현재 각속도관련값의 차이로부터 로봇관절에 입력될 요구토크를 산출하는 요구산출단계(S200); 상기 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거하여 외란토크를 산출하는 외란산출단계(S300); 및 상기 요구토크에서 외란토크를 제거하여 실제 입력토크를 산출하는 실제산출단계(S400);를 포함한다.

도 2를 참조하여 본 발명의 로봇의 외란제거방법을 설명하면, 먼저 착용자가 가하는 인적토크

로부터 가상의 어드미턴스 모델(Admittance model)을 통하여 목표 각속도관련값

을 생성하는 목표생성단계(S100)를 수행토록 한다. 여기서 말하는 각속도관련값이란 각속도 및 각가속도 값을 포함하는 개념이나, 반드시 여기에 한정되는 것은 아니다.

착용자는 신체를 움직여 로봇에 토크를 가하고, 로봇은 이를 센싱하여 인적토크

를 얻는다. 그리고 로봇의 제어부(90)에서는 어드미턴스모델을 통하여 착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값

을 도출한다. 목표 각속도관련값이란 측정된 인적토크를 바탕으로 로봇의 관절이 추종해야할 목표적 의미를 갖는 각속도 또는 각가속도를 말한다.

여기서, 어드미턴스모델은 일 예로 아래의 수학식 1 같이 표현될 수 있을 것이다.

상기의 식은 일반적인 로보틱스에서 로봇의 동역학적 기본 모델을 나타내는 것으로서, 인적토크를 입력으로 하였을 때 목표 각속도와 목표 각가속도를 얻을 수 있음을 나타낸다. 그리고, 착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값

과 현재 각속도관련값

의 차이로부터 로봇관절에 입력될 요구토크를 산출하는 요구산출단계(S200)를 수행한다.

요구토크

는 컨트롤러(Controller)를 통하여 도출되는데, 목표로 하는 각속도의 정도와 현재 진행되는 각속도의 정도의 차이만큼만 실제 로봇의 관절 구동부에 인가하면 되기 때문에, 그 차이를 컨트롤러에 대입하여 요구토크

를 산출하는 것이다. 컨트롤러는 간단히 PD 제어를 통한 입력도 가능하고, 이 밖에도 최적제어, 인공지능제어(Fuzzy, Artificial Neural Network) 등의 제어 기법이 모두 사용 가능하다.

일 예로, 컨트롤러의 제어는 아래의 수학식 2의 방식과 같이 수행될 수 있다.

한편, 로봇에는 실제 관절의 구동을 특정하는 엔코더 등을 통하여 실제 각속도관련값

을 취득할 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 실제 각속도관련값에서 외란관측기(Disturbance Observer)를 통하여 외란에 의한 영향을 도출하는 것이다.

외란산출단계(S300)에서는 현재 각속도관련값

으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거하여 외란토크를 산출하도록 한다. 예상 입력토크는 로봇의 모델링 식에 역전달함수를 취하여 역으로 구해질 수 있다. 즉, 아래의 수학식 3과 같은 방식으로 현재의 각속도를 대입하여 역으로 입력되어야 했을 예상 입력토크를 구하는 것이다.

상기 외란산출단계(S300)는, 상기 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거한 후 저역통과필터링을 통해 외란토크

를 산출하도록 한다.

그리고 상기 요구토크에서 외란토크

를 제거하여 실제 입력토크를 산출하는 실제산출단계(S400);를 수행한다. 다만, 외란토크의 경우 저역통과필터를 통하여 어느 정도 필터링된 외란토크

를 산출하여 제거하도록 함이 바람직하다.

실제산출단계(S400)는, 요구토크

에서 필터링된 외란토크

를 제거하고 착용자가 가하는 인적토크

를 합산하여 실제 입력토크

를 산출하는데, 실제 입력토크

에는 실제 외란

이 더해지는 것이고, 그에 따라 로봇의 현재 각속도 관련값은 항상 오차를 지니는 것이다.

다만, 본 발명의 착용식 로봇의 외란제거방법에 따르면, 로봇에 가해지는 요구토크에서 외란

에 의한 영향이 피드백되어 다음 요구토크

를 계산할 때 반영되기 때문에 로봇의 움직임이 착용자의 의도에 더욱 잘 부합하도록 제어되는 것이다.

한편, 본 발명의 착용식 로봇의 외란제거시스템은, 착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값과 현재 각속도관련값의 차이로부터 로봇관절에 입력될 요구토크를 산출하고, 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하며 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거하여 외란토크를 산출하고, 산출된 요구토크에서 외란토크를 제거하여 실제 입력토크를 산출하는 제어부(90);를 포함한다.

여기서, 상기 제어부(90)는 착용자가 가하는 인적토크로부터 가상의 어드미턴스 모델을 통하여 목표 각속도관련값을 생성하도록 할 수 있다.

그리고, 외란제거시스템은 로봇관절(30)의 링크(50)에 마련되어 착용자(10)가 가하는 인적토크를 측정하는 토크센서(70); 및 로봇관절에 마련되어 현재 각속도관련값을 측정하는 회전형 엔코더(32);를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

30 : 로봇관절 32 : 엔코더
50 : 링크 70 : 토크센서
90 : 제어부

Claims (9)

1. 착용자가 가하는 인적토크로부터 가상의 어드미턴스 모델을 통하여 목표 각속도관련값을 생성하는 목표생성단계(S100);
   착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값과 현재 각속도관련값의 차이로부터 로봇관절에 입력될 요구토크를 산출하는 요구산출단계(S200);
   상기 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거하여 외란토크를 산출하는 외란산출단계(S300); 및
   상기 요구토크에서 외란토크를 제거하고 착용자가 가하는 인적토크를 합산하여 실제 입력토크를 산출하는 실제산출단계(S400);를 포함하는 착용식 로봇의 외란제거방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 외란산출단계(S300)는, 상기 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거한 후 저역통과필터링을 통해 외란토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 외란제거방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 각속도관련값은 착용식 로봇관절의 각속도 및 각가속도 값인 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 외란제거방법.
6. 로봇관절의 링크에 마련되어 착용자가 가하는 인적토크를 측정하는 토크센서(70);
   로봇관절에 마련되어 현재 각속도관련값을 측정하는 회전형 엔코더(32); 및
   착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값과 현재 각속도관련값의 차이로부터 로봇관절에 입력될 요구토크를 산출하고, 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하며 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거하여 외란토크를 산출하고, 산출된 요구토크에서 외란토크를 제거하여 실제 입력토크를 산출하는 제어부(90);를 포함하고,
   상기 제어부(90)는 착용자가 가하는 인적토크로부터 가상의 어드미턴스 모델을 통하여 목표 각속도관련값을 생성하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 외란제거시스템.
7. 삭제
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