KR101417486B1

KR101417486B1 - 착용로봇의 의도토크 추출방법 및 추출시스템

Info

Publication number: KR101417486B1
Application number: KR1020120147914A
Authority: KR
Inventors: 유수정; 양우성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2014-07-08
Also published as: US9199377B2; US20140172170A1; KR20140078494A

Abstract

관절을 구동하는 모터의 회전각 또는 회전각속도와 관절에 연결된 링크의 회전각 또는 회전각속도를 이용한 착용로봇의 의도토크 추출방법으로서, 모터의 회전각속도로부터 마찰토크의 추정값을 출력하는 마찰출력단계; 모터의 회전각속도로부터 모터토크를 산출하는 모터토크산출단계; 링크의 회전각속도를 산출하는 링크회전산출단계; 및 모터토크와 링크의 회전각속도를 외란관측기에 대입하여 착용자가 가한 의도토크의 추정값을 산출하는 의도토크산출단계;를 포함하는 착용로봇의 의도토크 추출방법 및 추출시스템이 소개된다.

Description

착용로봇의 의도토크 추출방법 및 추출시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR EXTRACTING INTENDED TORQUE FOR WEARABLE ROBOT}

본 발명은 외란관측기를 이용하여 착용자의 의도토크를 산출하고, 오픈루프의 함수를 이용하여 마찰보상을 산출하는 착용로봇의 의도토크 추출방법 및 추출시스템에 관한 것이다.

최근 산업 현장에서 고 하중 작업이 많아지면서 인체 관절 부하를 줄이고 편의성을 증가시킬 수 있는 방안에 대한 연구 필요성이 증가하고 있다. 이러한 요구에 의해 작업자가 로봇을 착용하여 움직이는 착용식 로봇은 그 대안 중 하나로 등장하게 되었다. 본 발명은 착용식 로봇이 착용자 의도에 따라 정확하게 움직일 수 있도록 착용자 의도 토크 추출 기법을 제안하였다.

종래의 KR10-2008-0079590 A "마찰 보상 방법, 마찰 보상기 및 모터 제어 장치"는 "실위치 추정부(21)가 위치 지령 신호에 대응하는 이동체의 실위치를 추정하여 실위치 신호를 생성하고, 미분기(22)가 그 실위치 신호를 미분하여 속도 신호를 구하면, 적분기(24)가 이 속도 신호를 적분함에 의해 이동체가 운동 방향을 반전하는 위치로부터의 변위 신호를 생성하고, 절대치 산출부(25)가 그 절대치를 구한다. 마찰 특성 추정부(26)는 마찰력 또는 마찰 토크의 변위에 대한 변화율을 구하고, 승산기(27)가 이 변위에 대한 변화율에 속도 신호를 승산하여 시간에 대한 변화율을 구하면, 적분기(28)가 이 시간에 대한 변화율을 적분하여 마찰력 또는 마찰 토크를 추정한다"를 제시한다.

그러나 이러한 방안에 의하더라도 실제 구동에 있어 실시간으로 마찰을 구하고 이를 구동부에 보상함으로써 착용자의 의도에 부합하는 적절한 움직임을 구현하기 위한 방안이 필요하였던 것이다.

또한, 일반적으로 착용식 로봇에서 사용자 인가 토크를 측정하기 위해 힘-토크 측정 센서를 부착하여 사용하고 있으나 이러한 센서의 사용은 기구부의 무게 증가뿐 아니라 가격 상승에도 영향을 미친다.

따라서, 종래에는 착용자의 의도토크를 파악하기 위하여 힘-토크센서 등을 이용하는바, 이러한 값비싼 센서를 사용하지 않고도 유효하게 착용자의 의도토크를 계산하는 방안이 필요하였다.

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

10-2008-0079590

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 외란관측기를 이용하여 착용자의 의도토크를 산출하고, 오픈루프의 함수를 이용하여 마찰보상을 산출하는 착용로봇의 의도토크 추출방법 및 추출시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 착용로봇의 의도토크 추출시스템은, 관절을 구동하는 모터의 회전각 또는 회전각속도를 측정하는 모터센서; 관절에 연결된 링크의 회전각 또는 회전각속도를 측정하는 링크센서; 모터의 회전각속도를 입력으로 하고 마찰토크의 추정값을 출력으로 하는 함수가 구비되며, 모터의 회전각속도로부터 산출한 모터토크와 링크의 회전각속도를 외란관측기에 대입하여 착용자가 가한 의도토크의 추정값을 산출하는 제어부;를 포함한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 착용로봇의 의도토크 추출방법은, 관절을 구동하는 모터의 회전각 또는 회전각속도와 관절에 연결된 링크의 회전각 또는 회전각속도를 이용한 착용로봇의 의도토크 추출방법으로서, 모터의 회전각속도로부터 마찰토크의 추정값을 출력하는 마찰출력단계; 모터의 회전각속도로부터 모터토크를 산출하는 모터토크산출단계; 링크의 회전각속도를 산출하는 링크회전산출단계; 및 모터토크와 링크의 회전각속도를 외란관측기에 대입하여 착용자가 가한 의도토크의 추정값을 산출하는 의도토크산출단계;를 포함한다.

상기 모터토크산출단계는 모터의 회전각에서 링크의 회전각을 제거하고 비례제어한 성분과 모터의 회전각속도에서 링크의 회전각속도를 제거한 후 미분제어한 성분을 합하고 의도토크 추정값을 제거하여 모터토크를 산출할 수 있다.

상기 의도토크산출단계는 링크의 회전각속도와 링크의 공칭모델의 역함수를 곱하여 모터토크의 추정값을 산출하고 모터토크를 제거한 후 Q필터를 통과시켜 의도토크의 추정값을 산출할 수 있다.

요구토크에 의도토크 추정값을 더하고 마찰토크 추정값을 제거하여 확정요구토크를 구하고 확정요구토크에 따라 모터를 제어하는 모터제어단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 마찰출력단계는 모터의 회전각속도를 입력으로 하고 마찰토크의 추정값을 출력으로 하는 함수를 이용하여 마찰토크의 추정값을 산출할 수 있다.

상기 함수는 쿨롱마찰토크 + 점성마찰토크와 모터회전각속도의 곱 + 정지마찰력과 모터회전각속도의 시그넘값의 곱으로 구성될 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 착용로봇의 의도토크 추출방법 및 추출시스템에 따르면, 별도의 힘-토크 센서 사용 없이 오픈루프의 함수를 이용하여 구동부 마찰을 제거 후, 기존의 외란 예측에 사용되던 외란관측기를 사용하여 착용자 의도 토크를 추출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용로봇의 의도토크 추출시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용로봇의 의도토크 추출방법의 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용로봇의 의도토크 추출방법의 블록도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 착용로봇의 의도토크 추출방법 및 추출시스템에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용로봇의 의도토크 추출시스템의 구성도로서, 본 발명의 착용로봇의 의도토크 추출시스템은, 관절(G)을 구동하는 모터(100)의 회전각 또는 회전각속도를 측정하는 모터센서(120); 관절(G)에 연결된 링크(200)의 회전각 또는 회전각속도를 측정하는 링크센서(300); 및 모터(100)의 회전각속도를 입력으로 하고 마찰토크의 추정값을 출력으로 하는 함수가 구비되며, 모터(100)의 회전각속도로부터 산출한 모터토크와 링크(200)의 회전각속도를 외란관측기에 대입하여 착용자가 가한 의도토크의 추정값을 산출하는 제어부(400);를 포함한다.

즉, 로봇의 관절(G)에는 모터(100)를 통해 링크(200)가 연결되는데, 착용자의 작동시 이를 모터센서(120)와 링크센서(300)의 회전형 인코더로 파악하고 그에 따라 모터(100)를 구동제어하며 관절(G)에 존재하는 마찰을 보상하고, 착용자의 의도토크를 파악하는 것이다. 이를 위해 모터센서(120)와 링크센서(300)가 필요하며 제어부(400)가 필요하다.

구체적으로, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 착용로봇의 의도토크 추출방법의 순서도로서, 본 발명의 착용로봇의 의도토크 추출방법은, 관절을 구동하는 모터의 회전각 또는 회전각속도와 관절에 연결된 링크의 회전각 또는 회전각속도를 이용한 착용로봇의 의도토크 추출방법으로서, 모터의 회전각속도로부터 마찰토크의 추정값을 출력하는 마찰출력단계(S10); 모터의 회전각속도로부터 모터토크를 산출하는 모터토크산출단계(S100); 링크의 회전각속도를 산출하는 링크회전산출단계(S200); 및 모터토크와 링크의 회전각속도를 외란관측기에 대입하여 착용자가 가한 의도토크의 추정값을 산출하는 의도토크산출단계(S300);를 포함한다.

그리고, 상기 모터토크산출단계(S100)는 모터의 회전각에서 링크의 회전각을 제거하고 비례제어한 성분과 모터의 회전각속도에서 센서노이즈를 제거한 후 미분제어한 성분을 합하고 의도토크 추정값을 제거하여 모터토크를 산출할 수 있다.

또한, 상기 의도토크산출단계(S300)는 링크의 회전각속도와 링크의 공칭모델의 역함수를 곱하여 모터토크의 추정값을 산출하고 모터토크를 제거한 후 Q필터를 통과시켜 의도토크의 추정값을 산출할 수 있다.

그리고, 요구토크에 의도토크 추정값을 더하고 마찰토크 추정값을 제거하여 확정요구토크를 구하고 확정요구토크에 따라 모터를 제어하는 모터제어단계(S400);를 더 포함하며, 상기 마찰출력단계(S10)는 모터의 회전각속도를 입력으로 하고 마찰토크의 추정값을 출력으로 하는 함수를 이용하여 마찰토크의 추정값을 산출할 수 있다.

구체적으로, 상기 함수는 쿨롱마찰토크 + 점성마찰토크와 모터회전각속도의 곱 + 정지마찰력과 모터회전각속도의 시그넘값의 곱으로 구성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 착용로봇의 의도토크 추출방법의 블록도로서, 이를 통해 좀 더 구체적으로 설명한다.

먼저, 착용자가 로봇을 구동하고자 하는 요구토크(

)를 산출한다. 요구토크(

)에 착용자의 의도토크의 추정값(

)을 더하고 마찰토크의 추정값(

)을 제거하여 최종요구토크를 구한다. 요구토크(

)의 경우 중량물을 들지 않는 경우라면 0으로 할 수도 있고, 중량물을 들 경우 그에 따라 필요한 토크를 가하는 것으로 책정할 수도 있을 것이다. 또한, 중력보상 증의 로봇의 반응을 위해 다양한 종류의 토크를 인가하는 것으로 이해될 수 있다. 그리고 이에 착용자의 의도와 마찰보상을 통해 최종요구토크를 모터에 전류제어를 통해 입력하는 것이다.

이 경우 모터(PM(S))는 최종요구토크에서 지령된 만큼 토크를 출력하는데, 이에는 마찰토크가 물리적인 한계에 의해 개입하게 되는 것이다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 마찰토크를 추정하여 추정값(

)을 제거함으로써 최종요구토크에 반영시키는 것이다.

한편, 모터에서는 출력에 따라 모터회전각(

)과 모터회전각속도(

)가 도출된다. 이는 모터센서에 의해 측정 또는 산출한다. 그리고, 상기 마찰토크의 추정값은

의 함수에 의해 구해질 수 있다. 즉, 쿨롱마찰력에 의한 토크를 상수로 하고 점성마찰력에 의한 토크에 모터회전각속도를 곱하며, 이에 정지마찰력의 토크와 모터회전각속도의 시그넘값을 곱한 후 모두 더하여 산출하는 것이다. 따라서, 이러한 함수의 계산을 위해서는 미리 모터회전각속도에 대한 각각의 쿨롱마찰력, 점성마찰력, 정지마찰력값을 출력으로 하는 테이블을 실험에 의해 마련해야 하는 것이다.

그리고, 모터회전각(

)에서 링크회전각(

)을 제거한 후 비례제어(KP)를 하고, 모터회전각속도(

)에서 링크회전각속도(

)를 제거한 후 미분제어(KD)한 값을 더하고, 이에 의도토크 추정값(

)을 제거하여 링크토크(

)를 구한다. 링크(PL(S))에서는 결국 이러한 모터에 의한 링크토크(

)와 착용자가 실제 인가한 의도토크 실제값(

)이 더해져 구동된다.

외란관측기에서는 노이즈(n)가 더해진 링크회전각속도(

)를 링크의 역 전달함수에 대입하여 링크토크의 추정값(

)을 구하고 이에 링크토크(

)를 제거한 후 Q필터에 대입하여 의도토크 추정값(

)을 구한다. 그리고, 의도토크 추정값은 다시 모터의 입력으로 들어가 최종요구토크의 산출에 이용되는 것이다.

외란관측기를 간단히 소개하자면, 일반적으로, 이러한 외란관측기는 시스템의 수학적 모델에 의한 출력과 실제 시스템의 출력간의 차이를 외란으로 가정하고, 관측된 외란을 이용해 입력을 보상하는 알고리즘이다. 시스템의 모델링 오차가 크지 않다면, 이러한 외란 보상을 통해 외란에 대해 강인한 제어기의 설계가 가능해진다.

일반적인 외란관측기는 제어입력 u와 출력 y에 공칭 모델(nominal model)의 역함수를 곱한 것의 차이를 외란으로서 관측하고 이 신호를 필터 Q에 통과시켜 제어입력에 가함으로써 모델링되지 않은 외란을 보상한다. 이때 Q 필터는 측정신호 잡음(noise)과 고주파 입력의 증폭을 방지하기 위해 저역통과필터(low pass filter)로 설계한다. Q 필터에 사용되는 저역통과필터의 차수나 계수의 조절에 따라 외란보상 효과가 크게 좌우되므로 Q 필터의 섬세한 조정이 필요하다.

Q 필터의 차단주파수(cutoff frequency)가 높을수록 외란차단 효과가 높아지지만 측정 신호 잡음 등의 문제가 있으므로 설정할 수 있는 주파수에는 제한이 있어 완벽한 외란차단은 사실상 어렵다. 따라서 목적하는 문제현상에 맞는 적정한 시스템 모델링과 현실적인 외란억제 목표를 갖는 것이 필요하다.

따라서, 본 발명에 따르면, 토크-힘센서 등의 고가의 무거운 장비 없이도 모터와 링크의 회전형 인코더만으로도 마찰토크과 의도토크를 산출할 수 있고, 이를 시스템에 반영하여 좀 더 안정적이고 의도에 부합하는 착용로봇의 제어가 가능해지는 것이다. 즉, 의도토크를 추정하고 이를 + 피드백함으로써 로봇이 착용자가 의도한 만큼 모터가 구동되어 움직일 수 있는 것이다.

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 : 모터 200 : 링크
300 : 링크센서 400 : 제어부

Claims

삭제
관절을 구동하는 모터의 회전각 또는 회전각속도와 관절에 연결된 링크의 회전각 또는 회전각속도를 이용한 착용로봇의 의도토크 추출방법으로서,
모터의 회전각속도로부터 마찰토크의 추정값을 출력하는 마찰출력단계(S10);
모터의 회전각속도로부터 모터토크를 산출하는 모터토크산출단계(S100);
링크의 회전각속도를 산출하는 링크회전산출단계(S200);
모터토크와 링크의 회전각속도를 외란관측기에 대입하여 착용자가 가한 의도토크의 추정값을 산출하는 의도토크산출단계(S300); 및
요구토크에 의도토크 추정값을 더하고 마찰토크 추정값을 제거하여 확정요구토크를 구하고 확정요구토크에 따라 모터를 제어하는 모터제어단계(S400);를 포함하는 착용로봇의 의도토크 추출방법.
청구항 2에 있어서,
상기 모터토크산출단계(S100)는 모터의 회전각에서 링크의 회전각을 제거하고 비례제어한 성분과 모터의 회전각속도에서 링크의 회전각속도를 제거한 후 미분제어한 성분을 합하고 의도토크 추정값을 제거하여 모터토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 의도토크 추출방법.
청구항 2에 있어서,
상기 의도토크산출단계(S300)는 링크의 회전각속도와 링크의 공칭모델의 역함수를 곱하여 모터토크의 추정값을 산출하고 모터토크를 제거한 후 Q필터를 통과시켜 의도토크의 추정값을 산출하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 의도토크 추출방법.
삭제
청구항 2에 있어서,
상기 마찰출력단계(S10)는 모터의 회전각속도를 입력으로 하고 마찰토크의 추정값을 출력으로 하는 함수를 이용하여 마찰토크의 추정값을 산출하는 것을 특징으로 하는 착용로봇의 의도토크 추출방법.
청구항 6에 있어서,
상기 함수는 쿨롱마찰토크 + 점성마찰토크와 모터회전각속도의 곱 + 정지마찰력과 모터회전각속도의 시그넘값의 곱으로 구성된 것을 특징으로 하는 착용로봇의 의도토크 추출방법.