KR101401415B1 - 접촉 및 힘 제어를 포함한 일관된 동작 생성을 위한 로봇 제어 장치 및 방법 - Google Patents

접촉 및 힘 제어를 포함한 일관된 동작 생성을 위한 로봇 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 로봇 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 물체에 대한 로봇의 접촉 상태와 힘 제어를 수행할 수 있는 로봇 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 제어 장치는, 접촉을 발생시키고자 하는 로봇 부위의 현재 위치와 목표 위치를 기반으로 위치 제어 명령을 발생시키는 위치 제어 명령부; 로봇과 물체가 접촉 상태에 있는지를 판정하는 접촉 상태 판정부; 및 상기 로봇이 물체와 접촉 상태에 있는 경우 상기 물체에 작용하는 힘을 제어하는 힘 제어 명령부를 포함한다.

Description

접촉 및 힘 제어를 포함한 일관된 동작 생성을 위한 로봇 제어 장치 및 방법 {ROBOT CONTROL DEVICE AND METHOD FOR CONSISTENT MOTION GENERATION INCLUDING CONTACT AND FORCE CONTROL}
본 발명은 로봇 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 물체에 대한 로봇의 접촉 상태와 힘 제어를 수행할 수 있는 로봇 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래의 로봇 제어를 위한 명령은 주로 목적지의 자세, 위치, 오리엔테이션 및 도착 시간에 대한 정의로 이루어진다. 힘 제어를 위해서는 접촉면에 수직힘을 제어하는 경우와 수직힘을 제어하면서 수평으로 움직이는 복합 제어(hybrid control) 방식이 주로 사용된다.
종래의 로봇 제어는 주로 물체를 회피하는 동작, 접촉을 위해 접촉 위치로 접근하는 동작, 접촉 후 힘을 제어하는 동작 등으로 구분하여, 힘 제어와 동작 제어에 대한 명령이 대부분 독립적으로 이루어지며, 동시에 일관적으로 힘 제어와 동작 제어를 수행하는 연구는 미흡한 실정이다.
또한, 종래의 로봇 제어는 대부분 작업 수행을 근간으로 제어를 수행하므로, 로봇과 물체의 다중 접촉 상황 및 로봇의 말단이 아닌 임의 위치에서의 접촉 상황에 대한 연구도 미흡한 실정이다.
로봇은 사람과 같은 공간에서 활동하고, 복잡한 작업을 수행하고 있으므로, 종래와 같이 의도된 접촉 상황 뿐만 아니라 종래와 다른 다양한 형태의 접촉 상황이 발생하고 있으며, 이에 적응하기 위해서는 일관된 접촉 상황 표현 및 명령 체계가 요구된다.
특허공개 10-2012-0048107 (한국과학기술연구원) 2012.05.15. 특허공개 10-2009-0118153 (삼성전자주식회사) 2009.11.18.
본 발명의 목적은 로봇의 운동 상태, 접촉 상태 및 힘 전달을 일관되게 제어하여 로봇의 동작을 생성할 수 있는 로봇 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 제어 장치는, 접촉을 발생시키고자 하는 로봇 부위의 현재 위치와 목표 위치를 기반으로 위치 제어 명령을 발생시키는 위치 제어 명령부; 로봇과 물체가 접촉 상태에 있는지를 판정하는 접촉 상태 판정부; 및 상기 로봇이 물체와 접촉 상태에 있는 경우 상기 물체에 작용하는 힘을 제어하는 힘 제어 명령부를 포함한다.
상기 로봇 제어 장치는, 상기 로봇의 관절의 위치 정보를 감지하여 상기 위치 제어 명령부로 전달하는 관절 위치 감지부를 더 포함할 수 있다.
상기 위치 제어 명령부는 복수의 위치에서 상기 로봇과 물체의 접촉을 위한 위치 제어 명령을 생성할 수 있다.
상기 위치 제어 명령은 접촉을 발생시키고자 하는 로봇 부위의 위치와 오리엔테이션 정보를 포함할 수 있다.
상기 로봇 제어 장치는, 소정 공간 내에 위치하는 물체의 위치 및 형상 정보를 감지하는 물체 위치 감지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 제어 방법은, 로봇 제어 장치에 제어할 로봇 부위의 현재 위치(Ps), 목표 위치(Pt), 접촉 상태(ts) 및 전달 힘(f)에 대한 제어 명령이 입력되는 단계; 상기 제어 명령이 지시하는 로봇 부위가 현재 물체와 접촉 상태인지 여부를 접촉 상태 판정부에서 판단하는 단계; 상기 제어할 로봇 부위와 물체의 접촉 여부가 접촉 상태(ts) 명령과 일치하는지 여부를 접촉 상태 판정부에서 판단하는 단계; 상기 제어할 로봇 부위의 목표 위치(Pt) 명령에 따라 로봇이 현재 위치(Ps)로부터 목표 위치(Pt)로 이동하도록 위치 제어 명령부에서 제어하는 단계; 및 상기 전달 힘(f)에 대한 명령에 따라 힘 제어 명령부에서 로봇의 힘 발생을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 위치 제어 명령을 발생시키는 단계는, 복수의 로봇 부위가 물체에 접촉하도록 복수의 현재 위치와 목표 위치를 기반으로 위치 제어 명령을 발생시킬 수 있다.
상기 위치 제어 명령은 접촉을 발생시키고자 하는 로봇 부위의 위치와 오리엔테이션 정보를 포함할 수 있다.
본 발명의 로봇 제어 장치 및 방법은 로봇의 운동 상태, 접촉 상태 및 힘 전달을 일관되게 제어하므로, 로봇의 움직임을 부드럽게 하며, 다양한 형태의 접촉과 관련된 동작을 수행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 로봇 제어 장치 및 방법은 로봇의 말단이 물체와 접촉하는 것뿐만 아니라, 로봇의 임의의 부위에서 물체와 접촉하는 동작이나 로봇의 복수의 부위에서 물체와 접촉하는 동작을 수행할 수 있으므로, 복잡한 작업에 대한 명령도 가능하다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따라 로봇이 접촉 동작을 수행하는 것을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 제어 방법을 도시한 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇 제어 장치 및 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이며, 도 2는 본 발명에 따라 로봇이 접촉 동작을 수행하는 것을 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 로봇 제어 장치(100)는 위치 제어 명령부(110), 힘 제어 명령부(120) 및 접촉 상태 판정부(130)를 포함하며, 선택적으로 관절 위치 감지부(140) 및/또는 물체 위치 감지부(150)를 더 포함한다.
위치 제어 명령부(110)는 접촉을 발생시키고자 하는 로봇 부위의 현재 위치(Ps)와 목표 위치(Pt)를 기반으로 위치 제어 명령을 발생시킨다. 사용자는 소정 공간 내에 위치하는 물체(A)에 로봇을 접촉시키기 위해, 수동적으로 로봇의 현재 위치(Ps)와 목표 위치(Pt)를 위치 제어 명령부(110)에 입력할 수 있다. 상기 위치 제어 명령은 접촉을 발생시키고자 하는 로봇 부위의 위치와 오리엔테이션(orientation) 정보를 포함할 수 있다. 3차원 공간에서 로봇과 물체(A)를 접촉시키고자 하는 경우, 물체(A)의 같은 부위에 접촉하더라도 로봇의 오리엔테이션은 다를 수 있으므로, 물체(A)와 접촉하는 로봇의 오리엔테이션을 조정하기 위해 위치 제어 명령에 로봇의 오리엔테이션(orientation) 정보를 포함할 수 있다.
도 2에서는, 로봇의 한 지점에서만 접촉이 일어나는 상태를 도시하나, 위치 제어 명령부(110)는 로봇의 복수의 위치에서의 접촉을 위한 위치 제어 명령을 생성할 수도 있다. 로봇의 복수의 위치에서 물체(A)와 접촉시키고자 할 때, 로봇의 기하학적 형상으로 인해 물체(A)와 접촉하는 것이 불가능할 수 있다. 관절 위치 감지부(140)는 로봇의 관절(10, 20, 30)의 위치 정보를 감지하여 위치 제어 명령부(110)에 전달함으로써, 위치 제어 명령부(110)가 로봇의 관절(10, 20, 30)의 위치, 링크 길이 및 형상 등을 고려하여, 기하학적으로 접촉 동작이 가능한 복수의 위치에서 로봇이 물체(A)와 접촉할 수 있도록 제어 명령을 생성할 수 있게 한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 로봇 제어 장치(100)는 물체 위치 감지부(150)를 더 구비하여, 소정 공간 내에 위치하는 물체(A)의 위치 정보를 감지할 수 있다. 상기 물체(A)의 위치 정보는 물체(A)의 형상에 관한 정보를 포함할 수 있다. 물체 위치 감지부(150)가 구비되면, 접촉을 발생시키고자 하는 로봇 부위의 현재 위치(Ps)와 목표 위치(Pt)를 설정하는 동작을 용이하게 수행할 수 있다.
힘 제어 명령부(120)는 로봇이 물체(A)와 접촉 상태에 있는 경우, 상기 물체(A)에 작용하는 힘을 제어한다. 접촉은 서로 다른 두 물체의 특정 위치가 같으며, 그 위치에서 상대 물체에 전달되는 힘이 작거나 없는 상태를 의미하며, F < Fd 로 나타낼 수 있다. 여기서, F는 로봇이 물체(A)에 작용하는 실제 힘이며, Fd는 접촉과 힘 전달을 구별하는 임계치(threshold value)이다. 또한, 힘 전달은 접촉 상태에 있는 두 물체가 일방 또는 쌍방에게 힘을 가하고 있는 상태를 의미하며, F ≥ Fd로 나타낼 수 있다.
본 발명은 위치 제어 명령부(110)에서 로봇의 특정 부위의 좌표와 물체(A)의 특정 부위의 좌표를 일치시키는 명령을 통해 로봇이 이동하여 로봇과 물체(A)가 접촉하고, 접촉한 후에는, 힘 제어 명령부(120)를 통해 로봇이 물체(A)와 단순히 접촉 상태만 유지할 것인지 아니면 물체(A)에 힘을 전달하여 물체(A)에 변위를 발생시킬 것인지를 정할 수 있다.
로봇은 로봇과 물체(A)의 상대적인 운동 상태에 따라, 하기 표와 같이 정지, 이동, 접촉, 누르기, 스침 및 문지름의 동작을 수행할 수 있는데, 본 발명은 위치 제어 명령부(110)와 힘 제어 명령부(120)를 통해 로봇의 이동, 접촉 및 힘 전달을 제어함으로써, 로봇의 동작을 일관적으로 제어할 수 있다.
접촉 힘전달 이동 비고
정지 × × ×
이동 × × Ｏ 물체 회피 동작 포함
접촉 Ｏ × ×
누르기 Ｏ Ｏ × 밀기, 잡기, 기대기 포함
스침 Ｏ × Ｏ 쓰다듬기 포함
문지름 Ｏ Ｏ Ｏ 닦기 포함
접촉 상태 판정부(130)는 로봇과 물체(A)가 접촉 상태에 있는지를 판정하는 수단이다. 접촉 상태 판정부(130)에서 접촉 상태에 있지 않다고 판정하는 경우, 위치 제어 명령부(110)나 힘 제어 명령부(120)를 통해 로봇을 제어하여, 로봇과 물체(A)를 접촉시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 우선, 로봇 제어 장치(100)에 4가지 파라메터, 즉, 제어할 로봇 부위의 현재 위치(Ps), 목표 위치(Pt), 접촉 상태(ts) 및 전달 힘(f)에 대한 제어 명령이 입력되며(S300), 이에 따라 제어가 개시된다(S302).
접촉 상태 판정부(130)는 상기 제어 명령이 지시하는 로봇 부위가 현재 물체와 접촉 상태인지 여부를 판단한다(S304). 이때, 제어 명령이 지시하는 로봇 부위가 현재 물체와 접촉 상태이면 좌측으로 분기하고, 미접촉 상태이면 우측으로 분기한다.
계속하여, 제어하고자 하는 로봇 부위가 현재 물체와 접촉 상태인 경우, 접촉 상태 판정부(130)는 접촉 상태(ts) 명령과 일치하는지 여부를 판정한다(S306). 만약, 현재 접촉 상태에 있으나, 접촉 상태(ts) 명령은 비접촉인 경우, S316 단계로 이동한다. 반면, 현재 접촉 상태에 있고 접촉 상태(ts) 명령도 접촉인 경우, S308 단계와 S312 단계로 이동한다.
이어서, 위치 제어 명령부(110)는 제어할 로봇 부위의 목표 위치(Pt)와 현재 위치(Ps)가 다른 경우, 로봇이 목표 위치(Pt)로 이동하도록 제어하며(S308), 로봇이 목표 위치(Pt)에 도달할 때까지 제어를 계속한다(S310).
한편, 힘 제어 명령부(120)는 전달 힘(f)에 대한 명령에 따라 로봇을 제어하며(S312), 제어할 로봇 부위에서 발생하는 힘이 전달 힘(f)에 일치할 때까지 제어를 계속한다(S314).
제어할 로봇 부위에 대한 위치 제어와 힘 제어는 상호 영향을 미치므로, 제어할 로봇 부위에 대한 목표 위치(Pt) 및 전달 힘(f)이 제어 명령과 일치할 때 제어가 종료된다. S308, S310, S312, S314 단계를 통해, 로봇과 물체의 접촉 상태를 유지하면서 위치 제어와 힘 제어가 동시에 이루어지게 되면, 로봇은 물체에 대해 쓰다듬기, 밀기, 문지르기 등의 동작을 수행할 수 있다.
S316 단계는 S304 단계로부터 명령이 전달되는 것과 S306 단계로부터 명령이 전달되는 것으로 구분할 수 있다.
S304 단계로부터 S316 단계로의 이동은, 로봇이 물체와 접촉하고 있지 않으나, 접촉시키고자 하는 경우이고, S306 단계로부터 S316 단계로의 이동은, 로봇이 물체와 접촉하고 있으나, 접촉을 해지하고자 하는 경우이다.
다음으로, 위치 제어 명령부(110)는 제어할 로봇 부위의 목표 위치(Pt)와 현재 위치(Ps)가 다른 경우, 로봇이 목표 위치(Pt)로 이동하도록 제어하며(S316), 로봇이 목표 위치(Pt)에 도달할 때까지 제어를 계속한다(S318). 이 단계에서, 위치 제어가 정확히 수행되면, S300 단계에서 입력된 접촉 상태(ts) 명령에 부합하도록 로봇이 물체가 접촉하거나 접촉하지 않게 된다.
이어서, 접촉 상태 판정부(130)는 제어할 로봇 부위와 물체의 접촉 상태가 접촉 상태(ts) 명령과 일치하는지 여부를 판정한다(S320). 만약, 접촉 상태(ts) 명령과 불일치 하는 경우, 위치 제어 명령부(110)는 로봇이 접촉 상태(ts) 명령에 부합하는 위치로 이동하도록 제어한다(S322). 여기서, 위치 제어 명령부(110)는 본래의 목표 위치(Pt)로 로봇이 이동하였으나, 접촉 상태(ts) 명령에 부합하지 않는 경우, 본래의 목표 위치(Pt) 근방의 다른 위치로 로봇을 이동시켜서, 접촉 상태(ts) 명령에 부합하도록 로봇을 제어할 수 있다.
계속하여, 접촉 상태 판정부(130)는 제어할 로봇 부위와 물체의 접촉 상태가 접촉 상태(ts) 명령과 일치하는 경우, 힘 제어 명령부(120)는 제어할 로봇 부위에서 발생하는 힘이 전달 힘(f) 명령과 일치하도록 제어하며(S324), 전달 힘(f) 명령에 부합할 때까지 제어를 계속한다(S326). 여기서, 접촉 상태(ts) 명령이 접촉이었으면, 제어할 로봇 부위에서 발생하는 힘이 전달 힘(f) 명령에 도달할 때까지 제어하게 되며, 접촉 상태(ts) 명령이 비접촉이었으면, 전달 힘(f) 명령이 존재하지 않거나, 0으로 세팅되어 제어가 종료된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10, 20, 30: 관절
100: 로봇 제어 장치
110: 위치 제어 명령부
120: 힘 제어 명령부
130: 접촉 상태 판정부
140: 관절 위치 감지부
150: 물체 위치 감지부

Claims (8)

  1. 접촉을 발생 또는 해제시키고자 하는 로봇 부위의 현재 위치, 목표 위치, 접촉 상태 및 전달 힘에 대한 제어 명령을 통해 로봇을 제어하는 로봇 제어 장치로서,
    상기 현재 위치와 목표 위치를 기반으로 위치 제어 명령을 발생시키는 위치 제어 명령부;
    로봇과 물체의 현재 접촉 상태를 판정하고, 상기 현재 접촉 상태가 입력된 접촉 상태에 대한 제어 명령에 일치하는지 여부를 판정하는 접촉 상태 판정부; 및
    로봇이 물체와 접촉 상태에 있는 경우 상기 물체에 작용하는 힘을 제어하는 힘 제어 명령부를 포함하고,
    로봇과 물체가 현재 접촉 상태에 있고, 로봇과 물체의 현재 접촉 상태가 입력된 접촉 상태에 대한 제어 명령과 일치하는 경우, 로봇과 물체의 접촉을 유지하면서 위치 제어와 전달 힘 제어를 동시에 수행하고,
    로봇과 물체가 현재 접촉 상태에 있지 않거나, 현재 접촉 상태에 있으나 현재 접촉 상태가 입력된 접촉 상태에 대한 제어 명령과 불일치하는 경우 각각 접촉을 발생 또는 해제시키도록 위치 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 로봇의 관절의 위치 정보를 감지하여 상기 위치 제어 명령부로 전달하는 관절 위치 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 위치 제어 명령부는 로봇의 복수의 위치에서 상기 로봇과 물체의 접촉이 발생하도록 하기 위한 위치 제어 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 위치 제어 명령은 접촉을 발생시키고자 하는 로봇 부위의 위치와 오리엔테이션 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서, 소정 공간 내에 위치하는 물체의 위치 및 형상 정보를 감지하는 물체 위치 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 장치.
  6. 제1항에 따른 로봇 제어 장치를 이용한 로봇 제어 방법으로서,
    로봇 제어 장치에 제어할 로봇 부위의 현재 위치, 목표 위치, 접촉 상태 및 전달 힘에 대한 제어 명령이 입력되는 단계;
    상기 제어 명령이 지시하는 로봇 부위가 현재 물체와 접촉 상태인지 여부를 접촉 상태 판정부에서 판단하는 단계;
    상기 제어할 로봇 부위와 물체의 접촉 여부가 접촉 상태에 대한 명령과 일치하는지 여부를 접촉 상태 판정부에서 판단하는 단계;
    상기 제어할 로봇 부위의 목표 위치에 대한 명령에 따라 로봇이 현재 위치로부터 목표 위치로 이동하도록 위치 제어 명령부에서 제어하는 단계; 및
    상기 전달 힘에 대한 명령에 따라 힘 제어 명령부에서 로봇의 힘 발생을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 위치 제어 명령을 발생시키는 단계는, 로봇의 복수의 위치에서 로봇과 물체의 접촉이 발생하도록 상기 로봇의 복수의 위치의 현재 위치와 목표 위치를 기반으로 위치 제어 명령을 발생시키는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 위치 제어 명령은 접촉을 발생시키고자 하는 로봇 부위의 위치와 오리엔테이션 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 방법.
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