KR101417485B1

KR101417485B1 - 로봇 핸들장치 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR101417485B1
Application number: KR1020120147909A
Authority: KR
Inventors: 신완재
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2014-07-08
Also published as: KR20140078491A

Abstract

착용식 로봇의 핸들에 반력을 제공하는 구동부; 로봇 관절의 각도를 측정하는 측정부; 및 측정된 관절각을 각도를 변수로 하는 자코비안행렬 방정식에 대입하여 자코비안행렬을 도출하고, 자코비안행렬과 그 전치행렬을 곱하여 고유벡터와 고유값을 산출한 후, 산출된 고유값의 역수를 절대좌표계에 투영하여 절대값을 생성하고, 절대값을 구동토크로 환산하여 핸들 구동부를 제어하는 제어부;를 포함하는 로봇 핸들장치 및 그 제어방법이 소개된다.

Description

로봇 핸들장치 및 그 제어방법 {ROBOT HANDLE UNIT AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 착용식 로봇 등에서 사용자가 햅틱 디바이스에 힘을 가해 조작을 하려고 할 때, 조작자에게 로봇의 방향 조작성을 피드백해주어 구동 가능 영역을 알려주게 하는 로봇 핸들장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

착용식 로봇 또는 원격조종식 로봇의 경우 사용자가 핸들을 잡고 그에 입력을 주면 그에 따라 로봇이 각 관절을 제어하여 구동하는 방식을 취함이 일반적이다.

그러나 경우에 따라서는 구동하는 방향에 따라 관절의 움직임이 달라지거나 제한될 수 있고, 따라서 이를 사용자가 알고 로봇을 조작할 경우 로봇의 조작성이 매우 높아지는 것이다.

그러나 아직까지는 이러한 부분에 대한 연구나 성과가 제시되지 않고 있는바, 본 발명의 경우 비교적 간단한 방법을 통하여 이를 쉽게 구현하는 것을 제시한다.

종래의 KR10-2010-0060974 A "3자유도 햅틱 조이스틱 및 이를 이용한 로봇 시스템"은 "베이스; 상기 베이스의 상면에 배열되는 3개의 실린드리컬(cylindrical) 조인트; 상기 각 실린드리컬 조인트에 연결되는 4절 링크; 상기 4절 링크의 상부에 연결되는 상판; 및 상기 상판에 결합되는 핸들을 포함하는 3자유도 햅틱 조이스틱"을 제시한다. 그러나 이러한 종래기술 역시 햅틱 핸들을 지세하고 있을뿐, 이를 통하여 조작성을 인지할 수 있도록 하는 방안은 제시되지 않았던 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

10-2010-0060974

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 착용식 로봇 등에서 사용자가 햅틱 디바이스에 힘을 가해 조작을 하려고 할 때, 조작자에게 로봇의 방향 조작성을 피드백해주어 구동 가능 영역을 알려주게 하는 로봇 핸들장치 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇 핸들장치는, 착용식 로봇의 핸들에 반력을 제공하는 구동부; 로봇 관절의 각도를 측정하는 측정부; 및 측정된 관절각을 각도를 변수로 하는 자코비안행렬 방정식에 대입하여 자코비안행렬을 도출하고, 자코비안행렬과 그 전치행렬을 곱하여 고유벡터와 고유값을 산출한 후, 산출된 고유값의 역수를 절대좌표계에 투영하여 절대값을 생성하고, 절대값을 구동토크로 환산하여 핸들 구동부를 제어하는 제어부;를 포함한다.

본 발명의 로봇 핸들장치 제어방법은, 로봇의 관절각을 측정하는 측정단계; 측정된 관절각을 각도를 변수로 하는 자코비안행렬 방정식에 대입하여 자코비안행렬을 도출하는 도출단계; 자코비안행렬과 그 전치행렬을 곱하고 고유벡터와 고유값을 산출하는 산출단계; 산출된 고유값의 역수를 절대좌표계에 투영하여 절대값을 생성하고 투영된 절대값을 구동토크로 환산하는 환산단계; 및 환산된 구동토크를 통해 핸들 구동부를 제어하는 제어단계;를 포함한다.

상기 자코비안행렬 방정식은 관절좌표계의 각속도를 직교좌표계의 속도로 변환하는 행렬이며, 관절좌표계의 각도를 변수로 할 수 있다.

상기 환산단계는 투영된 절대값에 각 좌표축에서의 변위와 튜닝게인을 곱하여 각 좌표축에 대한 구동토크를 산출할 수 있다.

상기 투영단계는 고유값이 설정된 최소값보다 작은 경우에는 설정된 최소값의 역수를 절대좌표계에 투영할 수 있다.

상기 구동토크는 아래의 식으로 표현될 수 있다.

(i,j,k는 절대좌표계의 단위벡터이고, τ_f는 각 좌표축에서의 토크값)

상기 각 좌표축에서의 토크값은 아래의 식으로 표현될 수 있다.

(k는 튜닝게인, σ는 고유값, u는 고유벡터, i j k는 절대좌표계의 단위벡터 △x △y △z는 절대좌표계의 변위)

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 로봇 핸들장치 및 그 제어방법에 따르면, 착용식 로봇 등에서 사용자가 햅틱 디바이스에 힘을 가해 조작을 하려고 할 때, 조작자에게 로봇의 방향 조작성을 피드백해주어 구동 가능 영역을 알려주게 할 수 있다.

또한, 로봇의 동작에 있어서, 사용자에게 로봇의 작동 영역의 여유분을 알려주어, 로봇이 특이점으로의 이동을 사용자가 인지할 수 있게 할 수 있다.

또한, 설정 게인(k, d)등을 이용하여 제어의 민감도를 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 핸들장치 및 그 제어방법의 이론을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 핸들장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 핸들장치 제어방법의 순서도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 로봇 핸들장치 및 그 제어방법에 대하여 살펴본다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 핸들장치의 구성도로서, 본 발명의 로봇 핸들장치는, 착용식 로봇의 핸들(100)에 반력을 제공하는 구동부(200); 로봇 관절(300)의 각도를 측정하는 측정부(320); 및 측정된 관절각을 각도를 변수로 하는 자코비안행렬 방정식에 대입하여 자코비안행렬을 도출하고, 자코비안행렬과 그 전치행렬을 곱하여 고유벡터와 고유값을 산출한 후, 산출된 고유값의 역수를 절대좌표계에 투영하여 절대값을 생성하고, 절대값을 구동토크로 환산하여 핸들 구동부(200)를 제어하는 제어부(500);를 포함한다.

즉, 본 발명의 로봇 핸들장치는 우선 사용자가 로봇을 조종하는 핸들(100)이 마련되고 그 핸들(100)에는 구동부(200)가 마련되어 사용자에게 다시 반력이나 진동 등의 신호를 제공할 수 있도록 한다.

그리고, 로봇의 관절(300)에는 그 관절각이나 각속도를 측정할 수 있는 센서가 측정부(320)로서 구비되고, 제어부(500)는 측정부(320)의 측정값을 받아 로봇의 조작성을 평가하고 이를 사용자에게 핸들(100)의 구동부(200)를 제어하여 알려주도록 하는 것이다.

한편, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 핸들장치 및 그 제어방법의 이론을 설명하기 위한 도면으로서, 도시된 바와 같이 로봇의 최종적인 제어지점인 로봇 끝단(20)에서의 움직임은 타원으로 표현될 수 있다.

즉, 기존의 로봇제어 이론에 따르면, 로봇의 이동 조작성(Velocity Manipulability)은 로봇 기구학에서 로봇 끝단(end effector)이 움직일 수 있는 변화량의 지수로 간주된다.

즉, 로봇의 관절(10)의 관절각이 단위각을 움직여도 현재 로봇 링크의 형상에 따라 로봇 끝단은 크게 움직일 수 있는 방향이 있고, 작게 움직일 수 있는 방향이 발생하며, 아예 움직이지 못하게 될 수도 있는데, 이를 특이점(singular point)이라고 지칭한다.

그리고, 그 조작성 지수는 아래의 식과 같이 정의된다.

상기 식의 행렬 J는 자코비안 행렬로써, 본 발명에서는 우측에서와 같이 로봇 관절의 각속도와 로봇 관절 끝단의 속도의 관계로서 관절좌표계의 값과 직교좌표계의 값을 상호 환산하는 도구로서 이용되는 행렬이다. 그리고, 그 자코비안 행렬의 각 행렬값들은 각도를 변수로 하는 방정식으로 풀이될 수 있다. 이는 관절좌표와 직교좌표의 환산과정에서 당연히 도출될 수 있는 것이다.

따라서, 자코비안 행렬을 파악할 경우에는 상기 수식에 의거하여 자코비안 행렬과 그 전치행렬의 곱에 관한 디터미넌트를 구하고 그 제곱근을 취함으로써 조작성을 판단하는 것이다.

본 발명의 경우 이러한 이론적 배경에 근거하여, 자코비안 행렬을 통해 직접 조작성을 빠르게 판단하고 이를 사용자에게 햅틱 핸들을 통해 알려주는 것이 목적이다.

한편, 이러한 과정을 수행하기 위해, 본 발명의 로봇 핸들장치 제어방법은, 로봇의 관절각을 측정하는 측정단계(S100); 측정된 관절각을 각도를 변수로 하는 자코비안행렬 방정식에 대입하여 자코비안행렬을 도출하는 도출단계(S200); 자코비안행렬과 그 전치행렬을 곱하고 고유벡터와 고유값을 산출하는 산출단계(S300); 산출된 고유값의 역수를 절대좌표계에 투영하여 절대값을 생성하고 절대값을 구동토크로 환산하는 환산단계(S600); 및 환산된 구동토크를 통해 핸들 구동부를 제어하는 제어단계(S700);를 포함한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 핸들장치 제어방법의 순서도로서, 먼저 로봇의 관절에 마련된 측정부를 통해 로봇의 관절각 또는 각속도를 도출한다. 이는 모터의 인코더 등을 이용할 수 있으며 각속도로 측정된 경우 이를 각속도로 환산토록 한다.

그리고, 앞서 언급한 자코비안 행렬 방정식에 변수인 각도를 대입하여 자코비안 행렬을 완성토록 한다. 자코비안 행렬은 로봇의 시스템으로부터 얻는 것으로서, 이는 이미 파악하여 제어부에 저장된 것으로 가정한다. 그리고 변수인 각도값을 대입함으로써 진정한 각속도와 속도의 관계를 나타내는 자코비안 행렬식이 완성되는 것이다.

그 후 자코비안행렬과 그 전치행렬을 곱하고 고유벡터와 고유값을 산출하는 산출단계(S300)를 거친다. 즉, 상기 조작성 판단의 근거가 되는 자코비안 행렬과 그 전치행렬의 곱을 구하고, 그 고유벡터(eigen vector)와 고유값(eigen value)을 산출하여, 로봇 끝단에서 구비한 고정된 직교좌표계에서의 값과 벡터를 구하는 것이다. 물론, 로봇의 끝단에서는 좌표가 고정되어 있는바, 끝단의 움직임에 따라 절대좌표계를 기준으로 로봇의 끝단 좌표계는 움직이게 된다. 따라서, 추후 이를 절대좌표계에 투영하는 것이다.

고유벡터와 고유값의 경우에는 도 1에서 볼 수 있듯이, 로봇 끝단에서의 장축과 단축의 길이 및 방향을 나타낸다. 3차원의 경우에는 세가지 종류의 고유벡터와 고유값이 도출될 것이다. 도 1의 경우에서도 볼 수 있듯이, 만약 로봇이 단축의 방향으로 움직이려고 한다면 장축의 방향으로 움직이는 경우에 비해 동일한 각도로 관절을 움직이더라도 그 변위가 작을 것임을 알 수 있다. 따라서, 그러한 고유벡터와 고유값을 절대좌표에 투영하고 비교한다면, 로봇의 조작성을 어느정도 유추할 수 있는 것이다.

따라서, 산출된 고유값의 역수를 절대좌표계에 투영하여 절대값을 생성하고 절대값을 구동토크로 환산하는 환산단계(S600) 및 환산된 구동토크를 통해 핸들 구동부를 제어하는 제어단계(S700)를 수행함으로써 이를 즉, 로봇의 조작성을 사용자에게 알려주도록 하는 것이다.

구체적으로, 상기 자코비안행렬 방정식은 관절좌표계의 각속도를 직교좌표계의 속도로 변환하는 행렬이며, 관절좌표계의 각도를 변수로 하는 것이다.

그리고 상기 환산단계(S600)는 투영된 절대값에 각 좌표축에서의 변위와 튜닝게인을 곱하여 각 좌표축에 대한 구동토크를 산출하도록 한다.

한편, 상기 구동토크는 아래의 식으로 표현된다.

즉, 절대좌표에서는 구동부에서 각 방향으로 적용해야 하는 반력을 도출해야 하고, 이를 구동부에 입력하여 제어함으로써 적절한 방향으로 적절한 토크를 생성하여 사용자에게 반력을 제공하는 것이다.

그리고, 각 좌표축에서의 토크값은 아래의 식으로 표현될 수 있다.

즉, 앞서 로봇의 상대좌표에서 구한 조작성의 판단을 위한 3차원 타원체의 각각의 축에 관한 방향과 길이인 고유벡터와 고유값 중 고유값의 역수(1/σ)를 절대 직교좌표에 투영하도록 하는 것이다.

이에 따라 고유값이 큰 축의 경우 즉, 장축인 경우에는 그만큼 조작성이 그 방향으로는 크다는 것으로서, 그 역수를 취하여 투영함으로써 오히려 절대좌표에서는 작은 값으로 도출되는 것이며, 이는 결국 그 방향으로는 구동부로 하여금 작은 반력을 생성하도록 하여 조작성이 높은 방향으로의 핸들조작시에는 반력이 작게 느껴지도록 하고, 반대로 조작성이 작은 방향으로의 핸들조작시에는 반력이 크게 느껴지도록 하는 것이다.

그리고 각 투영값에는 변위와 튜닝게인을 곱하여 이를 구동토크로 도출하고, 구동부에 전달하여 제어되도록 하는 것이다.

상기 변위(△x △y △z)의 경우에는 목적값과 현위치값의 차이 또는 현재값과 이전값의 차이 등으로서 다양하게 도출하여 이용할 수 있을 것이다.

한편, 상기 환산단계(S600)는 고유값이 설정된 최소값보다 작은 경우에는 설정된 최소값의 역수를 절대좌표계에 투영하도록 함으로써, 고유값이 매우 작은 경우 그 역수가 무한대가 되어 구동부에 요청되는 구동토크가 무한대가 되는 것을 방지할 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.

100 : 핸들 200 : 구동부
300 : 관절 320 : 측정부
500 : 제어부

Claims

삭제
로봇의 관절각을 측정하는 측정단계(S100);
측정된 관절각을 각도를 변수로 하는 자코비안행렬 방정식에 대입하여 자코비안행렬을 도출하는 도출단계(S200);
자코비안행렬과 그 전치행렬을 곱하고 고유벡터와 고유값을 산출하는 산출단계(S300);
산출된 고유값의 역수를 절대좌표계에 투영하여 절대값을 생성하고 절대값을 구동토크로 환산하는 환산단계(S600); 및
환산된 구동토크를 통해 핸들 구동부를 제어하는 제어단계(S700);를 포함하고,
상기 자코비안행렬 방정식은 관절좌표계의 각속도를 직교좌표계의 속도로 변환하는 행렬이며, 관절좌표계의 각도를 변수로 하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸들장치 제어방법.
삭제
청구항 2에 있어서,
상기 환산단계(S600)는 투영된 절대값에 각 좌표축에서의 변위와 튜닝게인을 곱하여 각 좌표축에 대한 구동토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸들장치 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 환산단계(S600)는 고유값이 설정된 최소값보다 작은 경우에는 설정된 최소값의 역수를 절대좌표계에 투영하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸들장치 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 구동토크는 아래의 식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 로봇 핸들장치 제어방법.

(i,j,k는 절대좌표계의 단위벡터이고, τ_f는 각 좌표축에서의 토크값)
청구항 6에 있어서,
상기 각 좌표축에서의 토크값은 아래의 식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 로봇 핸들장치 제어방법.

(k는 튜닝게인, σ는 고유값, u는 고유벡터, i j k는 절대좌표계의 단위벡터 △x △y △z는 절대좌표계의 변위)