KR101448465B1 - 일체화 운동기반의 양방향 원격제어기 및 원격제어방법 - Google Patents

일체화 운동기반의 양방향 원격제어기 및 원격제어방법 Download PDF

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KR101448465B1
KR101448465B1 KR1020130056173A KR20130056173A KR101448465B1 KR 101448465 B1 KR101448465 B1 KR 101448465B1 KR 1020130056173 A KR1020130056173 A KR 1020130056173A KR 20130056173 A KR20130056173 A KR 20130056173A KR 101448465 B1 KR101448465 B1 KR 101448465B1
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이호길
신은철
김재준
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Abstract

본 발명은 일체화 운동기반의 양방향 원격제어기 및 원격제어방법에 관한 것으로, 마스터 로봇에서 발생되는 동작 신호를 수신하여 슬레이브 로봇으로 전달하고, 슬레이브 로봇과 작업 대상물 간의 접촉력에 대한 정보를 마스터 로봇으로 전달하는 양방향 원격제어기로서, 마스터 원격제어기와, 슬레이브 원격제어기와, 상기 마스터 원격제어기와 슬레이브 원격제어기 간의 신호를 전송하는 통신수단으로 구성되며, 상기 슬레이브 원격제어기는, 마스터 원격제어기로부터 마스터 로봇의 속도를 전송받고, 슬레이브 로봇의 로봇 제어기로부터 슬레이브 로봇의 속도와 작업 대상물의 속도 및 작업 대상물과 슬레이브 로봇의 접촉시 발생되는 접촉력을 전송받아 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 질량에 비례하는 힘 보상치를 산출하고, 산출된 힘 보상치를 마스터 원격제어기와 슬레이브 로봇의 로봇 제어기로 전송하며, 더불어, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 간의 상대속도 또는 상대거리가 0이 되도록 하는 힘 보상치를 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 상대운동을 억제하기 위한 인공결합력으로서 생성하여 마스터 원격제어기와 슬레이브 로봇의 로봇 제어기로 전송하는 것을 특징으로 하는 일체화 운동기반의 양방향 원격제어기를 제공한다.

Description

일체화 운동기반의 양방향 원격제어기 및 원격제어방법{Unified Motion-Based Bilateral Teleoperation Controller and Bilateral Teleoperation Control method}
본 발명은 마스터 로봇을 통해 슬레이브 로봇을 원격조작함에 있어서, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇간의 상대운동을 억제하여 일체운동을 하는 가상적 강체(Virtual rigid body)를 실현함으로써, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 위치/속도/가속도 모두가 동일한 운동학적인 투명성을 확보하고, 더불어 시스템의 안정성을 확보할 수 있도록 한 일체화 운동기반의 양방향 원격제어기 및 원격제어방법에 관한 것이다.
로봇은 산업, 의료, 탐사, 일상생활 등 다양한 분야에서 인간을 대신하여 각종 작업을 실시하는 수단으로 활용되고 있다.
한편, 원격지에서 로봇이 요구되는 작업을 정확하게 수행할 수 있도록 하기 위하여 마스터 로봇과 슬레이브 로봇이 사용된다.
이때 마스터 로봇은 사용자로부터 조작정보를 취득하는 로봇이고, 상기 슬레이브 로봇은 원격지에서 실제 작업을 수행하는 로봇으로, 사용자가 마스터 로봇에 구비된 핸들을 이용하여 마스터 로봇을 움직일 경우, 마스터 로봇에서 취득되는 조작정보에 의하여 슬레이브 로봇이 마스터 로봇과 동일한 움직임을 구현하며 요구되는 작업을 실시하게 된다.
이와 같이 마스터 로봇과 슬레이브 로봇을 이용하여 원격지에서 로봇을 제어함에 있어서, 슬레이브 로봇이 작업을 실시할 때 발생되는 반력이나 충격과 같은 정보를 마스터 로봇에 반영하여 사용자가 자신의 손을 직접 이용하여 작업을 실시하는 것과 같은 느낌을 받을 수 있도록 하는 환경을 제공함으로써, 보다 정교한 원격제어가 가능하도록 하고 있다.
이때 마스터 로봇의 위치(또는 속도)가 슬레이브 로봇의 위치(또는 속도)와 같고, 더불어 마스터 로봇의 힘이 슬레이브 로봇의 힘과 같은 관계에 있을 때, 즉 마스터 로봇과 슬레이브 로봇이 완전히 일치한 거동을 보인다면, 이상적인 투명성(Ideal Transparency)이 있다고 한다. 결국 투명성이 있을 때, 마스터 로봇 조정자는 속도(또는 위치)를 지령으로 하여 슬레이브 로봇이 작업 대상물로부터 발생되는 반력을 똑같이 느끼면서 작업을 실시할 수 있다.
그러나, 일반적으로 마스터 로봇과 슬레이브 로봇은 질량과 형상 등이 다르므로, 두 로봇간에는 위치, 힘 간에 편차가 발생되어 투명성이 보장되지 않는다.
한편 종래에도 투명성을 확보하기 위한 양방향 원격제어기술이 제안되고 있으나, 종래의 양방향 원격제어기술은 위치편차를 피드백하고, 힘도 일치시키기 위해 힘 정보를 가공하여 시스템의 동특성을 보상하는 것이 기본원리이다.
예컨대, Yokokohji는 FR Servo를 제안, 슬레이브 로봇의 끝단 힘과 마스터 로봇핸들에서 측정된 힘을 마스터 로봇측의 제어기에 입력하여 보상하는 제어방식을 제시하고 있으나, 시스템이 불안정하다.
한편, Strassberg의 제어기는 동특성 보상 루프를 추가해 안정성을 확보하였으나, 투명성이 다시 나빠지는 문제점이 있다.
한편, Kwon은 슬레이브 로봇에도 로컬 힘 피드백을 추가하는 방법을, Lawrence는 마스터 로봇핸들에서 측정된 힘도 슬레이브 제어기로 추가하는 투명한 최적제어기(Transparency Optimized Controller)를 개발하였다. 이러한 제어기는 안정성 확보와 투명성 확보에 장점이 있지만, 환경접촉 등 외란이 존재할 때 시스템이 불안정해지는 취약점이 있다.
한편, Zaad는 마스터 로봇, 슬레이브 로봇, 작업 대상물의 동적모델을 임피던스로 표현하고, 임피던스 보상제어를 통해 일치시키는 방식을 취하였으나, 이러한 방식은 노이즈가 많아 실제 활용이 어려운 가속도를 측정해야만 하는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 10-2012-0012722 (2012.02.10)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 마스터 로봇과 슬레이브 로봇간의 상대운동을 없애 일체운동을 하는 가상적 강체를 인공결합력 생성을 통해 실현함으로써, 안정성과 투명성을 모두 확보할 수 있는 일체화 운동기반의 양방향 원격제어기 및 원격제어방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 마스터 로봇에서 발생되는 동작 신호를 수신하여 슬레이브 로봇으로 전달하고, 슬레이브 로봇과 작업 대상물 간의 접촉력에 대한 정보를 마스터 로봇으로 전달하는 양방향 원격제어기로서, 마스터 원격제어기와, 슬레이브 원격제어기와, 상기 마스터 원격제어기와 슬레이브 원격제어기 간의 신호를 전송하는 통신수단으로 구성되며, 상기 슬레이브 원격제어기는, 마스터 원격제어기로부터 마스터 로봇의 속도를 전송받고, 슬레이브 로봇의 로봇 제어기로부터 슬레이브 로봇의 속도와 작업 대상물의 속도 및 작업 대상물과 슬레이브 로봇의 접촉시 발생되는 접촉력을 전송받아 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 질량에 비례하는 힘 보상치를 산출하고, 산출된 힘 보상치를 마스터 원격제어기와 슬레이브 로봇의 로봇 제어기로 전송하며, 더불어, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 간의 상대속도 또는 상대거리가 0이 되도록 하는 힘 보상치를 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 상대운동을 억제하기 위한 인공결합력으로서 생성하여 마스터 원격제어기와 슬레이브 로봇의 로봇 제어기로 전송하는 것을 특징으로 하는 일체화 운동기반의 양방향 원격제어기를 제공한다.
또한 본 발명은, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 및 작업 대상물 각각의 속도(
Figure 112014038514752-pat00001
,
Figure 112014038514752-pat00002
,
Figure 112014038514752-pat00003
)정보, 질량(mm,ms,me)정보, 위치정보를 기반으로 하여 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 및 작업 대상물이 일체화된 물체로서의 총질량중심속도(
Figure 112014038514752-pat00004
)를 산출하는 것과 더불어 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 간의 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00005
), 및 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 총질량중심과 작업 대상물 간의 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00006
)를 산출하는 단계(S110); 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 및 작업 대상물 각각의 질량(mm,ms,me)정보로부터 마스터-슬레이브의 질량비(α)와, 마스터-슬레이브의 합질량과 작업 대상물 간의 질량비(αe)를 산출하는 단계(S120); 상기 총질량중심속도(
Figure 112014038514752-pat00007
)가 마스터 로봇의 지령 속도(
Figure 112014038514752-pat00008
)를 추종하도록 마스터 로봇과 슬레이브 로봇으로 힘 보상치를 산출하여 마스터 로봇과 슬레이브 로봇으로 전송하되, 상기 힘 보상치를 마스터-슬레이브의 질량비(α)에 따라 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 각각에 배분하여 전송하는 단계(S130); 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00009
) 또는 상대거리(r) 정보를 이용하여 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 상대속도 또는 상대거리가 0이 되도록 하는 힘 보상치를 마스터 로봇과 슬레이브 로봇으로 전송하는 단계(S140); 슬레이브 로봇과 작업 대상물 간의 접촉력(fs)과, 슬레이브 로봇과 작업 대상물의 상대거리(re) 또는 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00010
) 정보를 이용하여 슬레이브 로봇과 작업 대상물 간의 접촉력을 보상하고, 슬레이브 로봇과 작업 대상물의 상대속도 또는 상대거리가 0이 되도록 하는 힘 보상치를 슬레이브 로봇으로 전송하는 단계(S150); 및 마스터 로봇에서 발생되는 힘 지령치(fm)와 마스터 로봇의 속도(
Figure 112014038514752-pat00011
)를 기반으로 한 비례제어를 통하여 마스터 임피스던스 제어력을 생성하고, 생성된 임피스던스 제어력에 상기 S130 단계에서 출력되는 힘 보상치와, 상기 S140 단계에서 출력되는 힘 보상치와, 상기 S150 단계에서 출력되는 힘 보상치를 합하여 마스터 로봇으로 전송하는 단계(S160)로 이루어진 것을 특징으로 하는 일체화 운동기반의 양방향 원격제어방법을 제공한다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 사용자(Human)가 마스터 로봇을 조작함으로서 속도지령을 하면, 슬레이브 로봇이 작업 대상물에 대해 운동하게 되며, 이때 슬레이브 로봇과 작업 대상물의 접촉시 발생되는 반력이 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 질량비에 비례하여 배분되고, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 간의 인공결합력을 생성하여 가상적 강체로 일체화된 움직임을 구현함에 따라 투명성이 보장되며, 슬레이브 로봇이 작업 대상물에 접촉할 때 발생되는 접촉력을 보상하여 힘반영 양방제어기에서 문제가 되고 있는 시스템의 안정성도 보장할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 양방향 원격제어기의 구조도,
도 2 는 본 발명에 따른 마스터 원격제어기의 구조도,
도 3 은 본 발명에 따른 슬레이브 원격제어기의 구조도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 마스터 로봇을 통해 슬레이브 로봇을 원격조작함에 있어서, 마치 내 손 같이 슬레이브 로봇의 위치를 지시하면서 슬레이브 로봇과 작업 대상물이 접촉하는 힘을 느끼게 하는 '일체운동 원리에 기반한 양방향 원격제어기(Unified Motion Based Bilateral Teleoperation Controller)'에 관한 것으로, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 간의 상대운동을 억제하여 일체운동을 하는 가상적 강체(Virtual rigid body)를 실현하면, 위치/속도/가속도 모두가 동일한 운동학적인 투명성이 확보된다는 점에 착안하여, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 각각의 개별운동을 가상적 강체로서의 질량중심운동과 상대운동으로 변환하고, 상대속도 또는 상대거리 정보로부터 인공결합력을 생성하여 마스터 로봇과 슬레이브 로봇이 완전히 일체화된 움직임을 구현할 수 있도록 한 특징을 갖는 발명이다.
참고로, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 두 물체의 '개별운동'은 총질량중심의 '외부운동'과, 마스터-슬레이브 로봇 간의 '상대운동'으로 표현이 가능하다. 여기서 언급된 상기 '총질량중심'은 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 각각의 질량과 위치 정보를 기반으로 하여 추출되는 위치정보이다.
한편, 강체란 상호간에 '결합력'이 존재하여 외력을 받을 경우에도 한 몸체로서 움직이는 것으로서, 본 발명은 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 간의 상대속도, 상대거리를 이용하여 인공적으로 결합력을 부여하여 상대운동을 구속한다. 외력에 비해 충분한 결합력이 인가되었다면 두 장치간에 가상적인 강체인 '마스터-슬레이브 로봇 시스템'이 형성된다. 또한 가상적인 강체 즉 '마스터-슬레이브 로봇 시스템'과 작업 대상물 간에도 상대운동을 구속하여 일체화시키는 인공결합력을 부여한다. 이 인공결합력은 슬레이브 로봇과 작업 대상물의 접촉시 발생되는 충돌에너지를 최소화하여 시스템의 안정성을 높여주게 된다. 그 결과로 사용자가 마스터 로봇에 구비된 핸들로 속도지령을 하면, 총질량중심의 외부에 대한 운동으로 나타나며, 슬레이브 로봇의 끝단 힘에 비례한 반력을 받게 되어 사용자는 작업 대상물과의 접촉을 느끼면서 작업이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 양방향 원격제어기의 구조도를 도시하고 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 일체화 운동기반의 양방향 원격제어기는 마스터 원격제어기(110)와 슬레이브 원격제어기(120) 및 통신수단(130)으로 구성된다.
도 2는 본 발명에 따른 마스터 원격제어기의 구조도를 도시하고 있다.
상기 마스터 원격제어기(110)는 마스터 로봇(10)에 구비된 핸들에 붙어있는 힘센서(또는 토크센서)로부터 전송되는 지령치(fm)을 임피던스 환산 파라미더(kvf)로 나누어 임피던스 목표 값으로 환산하고, 상기 임피던스 목표값과 마스터 로봇(10)의 속도(
Figure 112013043702464-pat00012
)의 편차에 대해 임피던스 게인(kv)을 곱하여 마스터 임피던스 제어력을 생성하는 한편, 슬레이브 원격제어기(120)로부터 전송되는 마스터 힘 보상치(um)를 합하여 마스터 로봇(10)으로 출력하는 제어기이다.
보다 구체적으로, 상기 마스터 원격제어기(110)는 마스터 로봇(10)에 구비된 로봇 제어기와 전기적으로 연결되어 신호를 주고받으며, 통신수단(130)을 매개로 슬레이브 원격제어기(120)와 연결되어 신호를 주고받도록 구성된다.
한편, 상기 마스터 원격제어기(110)는 마스터 로봇(10)에 구비된 센서로부터 취득되는 힘 지령치(fm)와 마스터 로봇(10)의 속도(
Figure 112013043702464-pat00013
)를 전송받으며, 전송된 힘 지령치(fm)를 임피던스 환산 파라미터(kvf)로 나누어 임피던스 목표값으로 환산하고, 마스터 로봇(10)의 속도(
Figure 112013043702464-pat00014
)와 임피던스 목표값(fm/kvf)의 편차에 속도편차에 대한 피드백 게인(kv)을 곱하여 마스터 임피던스 제어력을 생성하는 한편, 슬레이브 원격제어기(120)로부터 전송되는 마스터 힘 보상치(um)를 상기 마스터 임피던스 제어력과 합하여 마스터 로봇(10)의 로봇 제어기로 전송한다.
다시 말해, 상기 마스터 원격제어기(110)는 마스터 로봇(10)에서의 힘 지령치(fm), 마스터 로봇(10)의 속도(
Figure 112013043702464-pat00015
), 및 슬레이브 원격제어기(120)로부터 전송되는 마스터 힘 보상치(um)를 입력정보로 하고, 속도편차에 대한 피드백 게인(kv) 및 임피던스 환산 파라미터(kvf)를 매개변수로 하여 하기 [수식1]에 따라 처리함으로써, 마스터 로봇(10)으로 전송될 힘 보상치를 출력하게 된다.
Figure 112013043702464-pat00016
---------- [수식1]
한편, 상기 임피던스 환산 파라미터(kvf)와 속도편차에 대한 피드백 게인(kv)은 출력의 반응속도(마스터 조종자가 경험적으로 선정)를 고려하여 추출되는 변수이다.
도 3은 본 발명에 따른 슬레이브 원격제어기의 구조도를 도시하고 있다.
상기 슬레이브 원격제어기(120)는 마스터 원격제어기(110)로부터 마스터 로봇(10)의 속도(
Figure 112014038514752-pat00017
)를 전송받고, 슬레이브 로봇(20)의 로봇 제어기로부터 슬레이브 로봇(20)의 속도(
Figure 112014038514752-pat00018
)와 작업 대상물(30)의 속도(
Figure 112014038514752-pat00019
) 및 작업 대상물(30)과의 접촉시 발생되는 접촉력(fs)을 전송받아 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)의 질량비에 따라 힘 보상치를 적절하게 배분하고, 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)이 일체화된 움직임을 구현하도록 하기 위한 인공적인 결합력을 형성하여 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 간의 상대운동을 구속하며, 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)의 가상적 강체와 작업 대상물(30) 간에도 상대운동을 구속하여 일체화시키는 인공결합력을 부여하는 것이다.
이러한 슬레이브 원격제어기(120)는 변환모듈(121)과, 질량비 산출모듈(122)과, 속도 제어모듈(123)과, 마스터-슬레이브 결합력 생성모듈(124)과, 로봇-환경 결합력 생성모듈(125)로 구성된다.
상기 변환모듈(121)은 작업좌표상의 마스터 로봇(10), 슬레이브 로봇(20), 작업 대상물(30) 각각의 속도(
Figure 112014038514752-pat00020
,
Figure 112014038514752-pat00021
,
Figure 112014038514752-pat00022
)와, 질량비 산출모듈(122)로부터 제공되는 마스터-슬레이브의 질량비(α)와, 마스터-슬레이브의 합질량과 작업 대상물(30) 간의 질량비(αe)를 이용하여 총질량중심속도(
Figure 112014038514752-pat00023
)를 산출하고, 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 간의 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00024
) 및 총질량중심과 작업 대상물(30) 간의 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00025
)를 산출하는 모듈이다.
보다 구체적으로, 상기 변환모듈(121)은 통신수단(130)을 통하여 마스터 원격제어기(110)로부터 전송되는 마스터 로봇(10)의 속도(
Figure 112014038514752-pat00026
)와, 슬레이브 로봇(20)의 로봇 제어기로부터 전송되는 슬레이브 로봇(20)의 속도(
Figure 112014038514752-pat00027
) 및 작업 대상물(30)의 속도(
Figure 112014038514752-pat00028
)를 입력정보로 하며, 마스터-슬레이브의 질량비(α)와 마스터-슬레이브의 합질량과 작업 대상물(30) 간의 질량비(αe)를 매개변수로 하여 하기 [수식2]에 따라 처리함으로써, 총질량중심속도(
Figure 112014038514752-pat00029
)와, 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 간의 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00030
)와, 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)의 총질량중심과 작업 대상물(30) 간의 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00031
)를 출력하게 된다.
Figure 112013043702464-pat00032
---------- [수식2]
한편, 상기 총질량중심속도(
Figure 112013043702464-pat00033
)는 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 각각의 질량과 위치로부터 산출되는 정보로서, 속도는 상기 [수식2]와 같은 (속도는 수식2를 미분하면되고, 이때 동일한 변환 매트릭스의 수식2의 관계가 성립한다. 물리적으로는 운동량보존법칙이 성립함을 의미한다) 과정을 통하여 산출될 수 있다.
상기 질량비 산출모듈(122)은 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 및 작업 대상물(30) 각각에 대한 질량(mm,ms,me)을 이용하여 마스터-슬레이브의 질량비(α)와, 마스터-슬레이브의 합질량과 작업 대상물(30) 간의 질량비(αe)를 출력하는 모듈이다.
보다 구체적으로, 상기 질량비 산출모듈(122)은 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 및 작업 대상물(30) 각각에 대한 질량(mm,ms,me)를 입력정보로 하여 하기 [수식3]에 따라 처리함으로써, 마스터-슬레이브의 질량비(α)와, 마스터-슬레이브의 합질량과 작업 대상물(30) 간의 질량비(αe)를 산출하고, 산출된 결과값을 변환모듈(121), 속도 제어모듈(123), 마스터-슬레이브 결합력 생성모듈(124), 로봇-환경 결합력 생성모듈(125)로 전송하게 된다.
Figure 112013043702464-pat00034
---------- [수식3]
이러한 질량비 산출모듈(122)은, 마스터 로봇(10)의 사용자가 예정된 작업에 대해(작업에 따라 작업 대상물의 질량의 변경, 마스터나 슬레이브의 교체 등으로 인한 변경을 i로 표기) 각 질량값을 전송하면 질량비를 변경하게 된다.
상기 속도 제어모듈(123)은 마스터 로봇(10)으로부터 전달되는 속도 지령치를 목표로, 총질량중심속도와 속도 지령치의 편차를 계산한 후, 속도 피드백 게인(kvm)을 곱하여 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)이 속도 지령치에 추종하여 움직일 수 있도록 하는 힘 보상치를 출력하는 모듈이다,
보다 구체적으로, 상기 속도 제어모듈(123)은 마스터 로봇(10)의 로봇 제어기로부터 지령 속도(
Figure 112013043702464-pat00035
)를 전송받고, 변환모듈(121)로부터 총질량중심속도(
Figure 112013043702464-pat00036
)를 전송받으며, 질량비 산출모듈(122)로부터 마스터-슬레이브의 질량비(α)를 전송받아 입력정보로 처리하며, 이와 같은 입력정보와 속도편차에 대한 피드백 게인(kvm)을 매개변수로 하여 하기 [수식4]에 따라 처리함으로써, 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)으로 전송될 힘 보상치를 출력하게 된다.
여기서, 상기 지령 속도(
Figure 112013043702464-pat00037
)는 마스터 로봇의 속도(
Figure 112013043702464-pat00038
)에 스케일(k)을 곱한 값으로, 상기 스케일(k)은 마스터 로봇의 조작량과, 이에 대응하는 작동하는 슬레이브 로봇이 움직이는 양을 비율로 나타내는 값이다.
Figure 112013043702464-pat00039
---------- [수식4]
한편, 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)으로 힘 보상치를 전송함에 있어서, 마스터-슬레이브의 질량비(α)에 비례하여 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)으로 힘 보상치를 배분하여 전송하게 된다.
한편, 속도편차에 대한 피드백 게인(kvm)은 제어성능(반응속도 등) 을 고려하여 추출되는 변수이다.
상기 마스터-슬레이브 결합력 생성모듈(124)은 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 간의 상대운동을 억제하여 마스터 로봇(10)와 슬레이브 로봇(20)의 가상적 강체로 서로 결합되어 일체화된 운동을 하도록 결합력을 생성하는 모듈이다.
이러한 마스터-슬레이브 결합력 생성모듈(124)은 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 간의 상대속도(
Figure 112013043702464-pat00040
)와 상대거리(r)를 변환모듈(121)로부터 전송받아 입력정보로 처리하고, 상대속도의 피드백 게인(kd), 상대위치의 피드백 게인(kp), 최소근접거리(r0), 프리 스트레스 게인(kb)을 매개변수로 하여 하기 [수식5]에 따라 처리함으로써, 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)의 상대운동을 억제하기 위한 결합력을 생성하는 힘 보상치를 출력하게 된다.
Figure 112013043702464-pat00041
--------- [수식5]
한편, 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 각각의 힘 보상치는 상호 반대값, 즉 크기는 같고 방향이 반대인 값으로 배분하게 된다.
한편, 상기 상대속도의 피드백 게인(kd), 상대위치의 피드백 게인(kp)은 제어특성(반응속도)을 고려하여 설정되는 고정 값이고, 최소근접거리(r0), 프리 스트레스 게인(kb)은 마스터로봇과 슬레이브 로봇간의 밀착정도, 상호간의 강성을 고려하여 설정되는 고정 값이다.
상기 로봇-환경 결합력 생성모듈(125)은 슬레이브 로봇(20)과 작업 대상물(30)의 사이에 발생되는 접촉력을 보상하고, 슬레이브 로봇(20)과 작업 대상물(30)이 일체화된 운동을 하도록 근접시 내력을 생성하는 모듈이다.
이러한 로봇-환경 결합력 생성모듈(125)은 슬레이브 로봇(20)의 로봇 제어기로부터 접촉력을 전송받고, 변환모듈(121)로부터 상대거리(re)와 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00042
)를 전송받으며, 이처럼 전송되는 정보를 입력정보로로 하면서 슬레이브 로봇(20)과 작업 대상물(30) 간의 최소근접거리(re0)와 프리 스트레스 게인(keb,kde)을 매개변수로 하여 하기 [수식6]에 따라 처리함으로써, 슬레이브 로봇(20)과 작업 대상물(30)의 일체화된 운동을 위한 힘 보상치를 출력하게 된다.
Figure 112013043702464-pat00043
---------- [수식6]
이러한 로봇-환경 결합력 생성모듈(125)로부터 출력되는 힘 보상치는 마스터 로봇(20)과 슬레이브 로봇(30)으로 전송되며, 이때 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 각각의 힘 보상치는 상호 반대값, 즉 크기는 같고 방향이 반대인 값으로 배분된다.
한편, 상기 최소근접거리(re0)와 프리 스트레스 게인(keb,kde)은 슬레이브 로봇과 작업 대상물 간의 밀착정도, 상호간의 강성을 고려하여 설정되는 고정 값이다.
상기 통신수단(130)은 원격지에 위치한 마스터 원격제어기(110)와 슬레이브 원격제어기(120) 간의 신호를 전송하는 것으로, 공지의 스마트폰, 무선 인터넷, 유선 인터넷, 위성통신 채널 등으로 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 일체화 운동기반의 양방향 원격제어기를 이용하여 구현되는 본 발명의 양방향 원격제어방법은 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 및 작업 대상물(30) 각각의 속도(
Figure 112014038514752-pat00044
,
Figure 112014038514752-pat00045
,
Figure 112014038514752-pat00046
)정보, 질량(mm,ms,me)정보, 위치정보를 기반으로 하여 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 및 작업 대상물(30)가 일체화된 물체로서의 총질량중심속도(
Figure 112014038514752-pat00047
)를 산출하는 것과 더불어 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 간의 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00048
), 및 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)의 총질량중심과 작업 대상물(30) 간의 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00049
)를 산출하는 단계(S110);
마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 및 작업 대상물(30) 각각의 질량(mm,ms,me)정보로부터 마스터-슬레이브의 질량비(α)와, 마스터-슬레이브의 합질량과 작업 대상물(30) 간의 질량비(αe)를 산출하는 단계(S120);
상기 총질량중심속도(
Figure 112013043702464-pat00050
)가 마스터 로봇(10)의 지령 속도(
Figure 112013043702464-pat00051
)를 추종하도록 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)으로 힘 보상치를 산출하여 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)으로 전송하되, 상기 힘 보상치를 마스터-슬레이브의 질량비(α)에 따라 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 각각에 배분하여 전송하는 단계(S130);
마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)의 상대속도(
Figure 112013043702464-pat00052
) 또는 상대거리(r) 정보를 이용하여 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)의 상대속도 또는 상대거리가 0이 되도록 하는 힘 보상치를 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)으로 전송하는 단계(S140);
슬레이브 로봇(20)과 작업 대상물(30) 간의 접촉력(fs)과, 슬레이브 로봇(20)과 작업 대상물(30)의 상대거리(re) 또는 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00053
) 정보를 이용하여 슬레이브 로봇(20)과 작업 대상물(30) 간의 접촉력을 보상하고, 슬레이브 로봇(20)과 작업 대상물(30)의 상대속도 또는 상대거리가 0이 되도록 하는 힘 보상치를 슬레이브 로봇(20)으로 전송하는 단계(S150); 및
마스터 로봇(10)에서 발생되는 힘 지령치(fm)와 마스터 로봇(10)의 속도(
Figure 112013043702464-pat00054
)를 기반으로 한 비례제어를 통하여 마스터 임피스던스 제어력을 생성하고, 생성된 임피스던스 제어력에 상기 S130 단계에서 출력되는 힘 보상치와, 상기 S140 단계에서 출력되는 힘 보상치와, 상기 S150 단계에서 출력되는 힘 보상치를 합하여 마스터 로봇(10)으로 전송하는 단계(S160)로 구성된다.
상기 S110 단계는 변환모듈(121)에서 이루어지는 단계로써, 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 및 작업 대상물(30) 각각의 속도(
Figure 112014038514752-pat00055
,
Figure 112014038514752-pat00056
,
Figure 112014038514752-pat00057
)정보, 질량(mm,ms,me)정보, 위치정보와, 상기 [수식2]를 이용하여 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 및 작업 대상물(30)이 일체화된 물체로서의 총질량중심속도(
Figure 112014038514752-pat00058
)를 산출하는 것과 더불어 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 간의 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00059
), 및 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)의 총질량중심과 작업 대상물(30) 간의 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00060
)를 산출하는 단계이다.
상기 S120 단계는 질량비 산출모듈(122)에서 이루어지는 단계로써, 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 및 작업 대상물(30) 각각의 질량(mm,ms,me)과, 상기 [수식3]을 이용하여 마스터-슬레이브의 질량비(α)와, 마스터-슬레이브의 합질량과 작업 대상물(30) 간의 질량비(αe)를 산출하는 단계이다.
상기 S130 단계는 속도 제어모듈(123)에서 이루어지는 단계로써, 마스터 로봇(10)의 지령 속도(
Figure 112013043702464-pat00061
), 총질량중심속도(
Figure 112013043702464-pat00062
), 마스터-슬레이브의 질량비(α), 속도편차에 대한 피드백 게인(kvm)과, 상기 [수식4]를 이용하여 마스터-슬레이브의 질량비(α)에 따라 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20) 각각에 배분하여 전송하는 단계이다.
상기 S140 단계는 마스터-슬레이브 결합력 생성모듈(124)에서 이루어지는 단계로써, 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)의 상대속도(
Figure 112013043702464-pat00063
) 또는 상대거리(r), 상대속도의 피드백 게인(kd), 상대위치의 피드백 게인(kp), 최소근접거리(r0), 프리 스트레스 게인(kb)과, 상기 [수식 5]를 이용하여 마스터 로봇(10)과 슬레이브 로봇(20)의 상대운동을 억제하기 위한 결합력을 생성하는 힘 보상치를 출력하는 단계이다.
상기 S150 단계는 로봇-환경 결합력 생성모듈(125)에서 이루어지는 단계로써, 슬레이브 로봇(20)과 작업 대상물(30) 간의 접촉력(fs), 상대거리(re), 상대속도(
Figure 112014038514752-pat00064
), 최소근접거리(re0)와 프리 스트레스 게인(keb,kde)과, 상기 [수식6]을 이용하여 슬레이브 로봇(20)과 작업 대상물(30) 간의 접촉력을 보상하고, 슬레이브 로봇(20)이 작업 대상물(30)에 근접시 내력을 생성하기 위한 힘 보상치를 출력하는 단계이다.
상기 S160 단계는 마스터 원격제어기(110)에서 이루어지는 단계로써, 마스터 로봇(10)으로부터 전송되는 힘 지령치(fm), 마스터 로봇(10)의 속도(
Figure 112013043702464-pat00065
), 임피던스 환산 파라미터(kvf), 속도편차에 대한 피드백 게인(kv)와, 상기 [수식1]을 이용하여 마스터 로봇(10)의 제어를 위한 마스터 임피던스 제어력을 생성하고, 생성된 마스터 임피던스 제어력에 상기 S130 단계와 S140 단계 및 S150 단계에서 출력되는 힘 보상치를 합하여 마스터 로봇(10)의 로봇 제어기로 전송하게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10: 마스터 로봇 20: 슬레이브 로봇
30: 작업 대상물 110: 마스터 원격제어기
120: 슬레이브 원격제어기 121: 변환모듈
122: 질량비 산출모듈 123: 속도 제어모듈
124: 마스터-슬레이브 결합력 생성모듈
125: 로봇-환경 결합력 생성모듈 130: 통신수단

Claims (4)

  1. 마스터 로봇에서 발생되는 동작 신호를 수신하여 슬레이브 로봇으로 전달하고, 슬레이브 로봇과 작업 대상물 간의 접촉력에 대한 정보를 마스터 로봇으로 전달하는 양방향 원격제어기로서,
    마스터 원격제어기와, 슬레이브 원격제어기와, 상기 마스터 원격제어기와 슬레이브 원격제어기 간의 신호를 전송하는 통신수단으로 구성되며,
    상기 슬레이브 원격제어기는, 마스터 원격제어기로부터 마스터 로봇의 속도를 전송받고, 슬레이브 로봇의 로봇 제어기로부터 슬레이브 로봇의 속도와 작업 대상물의 속도 및 작업 대상물과 슬레이브 로봇의 접촉시 발생되는 접촉력을 전송받아 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 질량에 비례하는 힘 보상치를 산출하고, 산출된 힘 보상치를 마스터 원격제어기와 슬레이브 로봇의 로봇 제어기로 전송하며,
    더불어, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 간의 상대속도 또는 상대거리가 0이 되도록 하는 힘 보상치를 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 상대운동을 억제하기 위한 인공결합력으로서 생성하여 마스터 원격제어기와 슬레이브 로봇의 로봇 제어기로 전송하는 것을 특징으로 하는 일체화 운동기반의 양방향 원격제어기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 마스터 원격제어기는,
    마스터 로봇에서의 힘 지령치(fm), 슬레이브 로봇의 속도(
    Figure 112013043702464-pat00066
    ), 및 슬레이브 원격제어기로부터 전송되는 마스터 힘 보상치(um)를 입력정보로 하고, 속도편차에 대한 피드백 게인(kv) 및 임피던스 환산 파라미터(kvf)를 매개변수로 하여 하기 [수식1]에 따라 처리함으로써, 마스터 로봇으로 전송될 힘 지령치를 출력하는 것을 특징으로 하는 일체화 운동기반의 양방향 원격제어기.
    [수식1]
    Figure 112013043702464-pat00067
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 슬레이브 원격제어기는,
    마스터 로봇과 슬레이브 로봇 및 작업 대상물 각각에 대한 속도(
    Figure 112014038514752-pat00068
    ,
    Figure 112014038514752-pat00069
    ,
    Figure 112014038514752-pat00070
    )를 입력정보로 하고, 마스터-슬레이브의 질량비(α)와, 마스터-슬레이브의 합질량과 작업 대상물 간의 질량비(αe)를 매개변수로 하여 하기 [수식2]에 따라 처리함으로써, 총질량중심속도(
    Figure 112014038514752-pat00071
    )와, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 간의 상대속도(
    Figure 112014038514752-pat00072
    )와, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 총질량중심과 작업 대상물 간의 상대속도(
    Figure 112014038514752-pat00073
    )를 출력하는 변환모듈;
    마스터 로봇과 슬레이브 로봇 및 작업 대상물 각각에 대한 질량(mm,ms,me)을 입력정보로 하여 하기 [수식3]에 따라 처리함으로써, 마스터-슬레이브의 질량비(α)와, 마스터-슬레이브의 합질량과 작업 대상물 간의 질량비(αe)를 출력하는 질량비 산출모듈;
    마스터 로봇의 지령 속도(
    Figure 112014038514752-pat00074
    )와 총질량중심속도(
    Figure 112014038514752-pat00075
    )를 입력정보로 하고, 마스터-슬레이브의 질량비(α)와 속도편차에 대한 피드백 게인(kvm)을 매개변수로 하여 하기 [수식4]에 따라 처리함으로써, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇으로 전송될 힘 보상치를 출력하는 속도 제어모듈;
    마스터 로봇과 슬레이브 로봇 간의 상대속도(
    Figure 112014038514752-pat00076
    )와 상대거리(r)를 입력정보로 하고, 상대속도의 피드백 게인(kd), 상대위치의 피드백 게인(kp), 최소근접거리(r0), 프리 스트레스 게인(kb)을 매개변수로 하여 하기 [수식5]에 따라 처리함으로써, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 상대운동을 억제하기 위한 결합력을 생성하는 힘 지령치를 출력하는 마스터-슬레이브 결합력 생성모듈; 및
    슬레이브 로봇과 작업 대상물 간의 접촉력(fs)과, 상대거리(re)와, 상대속도(
    Figure 112014038514752-pat00077
    )를 입력정보로 하고, 최소근접거리(re0)와 프리 스트레스 게인(keb,kde)를 매개변수로 하여 하기 [수식6]에 따라 처리함으로써, 슬레이브 로봇과 작업 대상물 간의 접촉력을 보상하고, 슬레이브 로봇이 작업 대상물에 근접시 내력을 생성하기 위한 힘 지령치를 출력하는 로봇-환경 결합력 생성모듈로 구성된 것을 특징으로 하는 일체화 운동기반의 양방향 원격제어기.
    [수식2]
    Figure 112014038514752-pat00078

    [수식3]
    Figure 112014038514752-pat00079

    [수식4]
    Figure 112014038514752-pat00080

    [수식5]
    Figure 112014038514752-pat00081

    [수식6]
    Figure 112014038514752-pat00082
  4. 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 및 작업 대상물 각각의 속도(
    Figure 112014038514752-pat00083
    ,
    Figure 112014038514752-pat00084
    ,
    Figure 112014038514752-pat00085
    )정보, 질량(mm,ms,me)정보, 위치정보를 기반으로 하여 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 및 작업 대상물이 일체화된 물체로서의 총질량중심속도(
    Figure 112014038514752-pat00086
    )를 산출하는 것과 더불어 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 간의 상대속도(
    Figure 112014038514752-pat00087
    ), 및 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 총질량중심과 작업 대상물 간의 상대속도(
    Figure 112014038514752-pat00088
    )를 산출하는 단계(S110);
    마스터 로봇과 슬레이브 로봇 및 작업 대상물 각각의 질량(mm,ms,me)정보로부터 마스터-슬레이브의 질량비(α)와, 마스터-슬레이브의 합질량과 작업 대상물 간의 질량비(αe)를 산출하는 단계(S120);
    상기 총질량중심속도(
    Figure 112014038514752-pat00089
    )가 마스터 로봇의 지령 속도(
    Figure 112014038514752-pat00090
    )를 추종하도록 마스터 로봇과 슬레이브 로봇으로 힘 보상치를 산출하여 마스터 로봇과 슬레이브 로봇으로 전송하되, 상기 힘 보상치를 마스터-슬레이브의 질량비(α)에 따라 마스터 로봇과 슬레이브 로봇 각각에 배분하여 전송하는 단계(S130);
    마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 상대속도(
    Figure 112014038514752-pat00091
    ) 또는 상대거리(r) 정보를 이용하여 마스터 로봇과 슬레이브 로봇의 상대속도 또는 상대거리가 0이 되도록 하는 힘 보상치를 마스터 로봇과 슬레이브 로봇으로 전송하는 단계(S140);
    슬레이브 로봇과 작업 대상물 간의 접촉력(fs)과, 슬레이브 로봇과 작업 대상물의 상대거리(re) 또는 상대속도(
    Figure 112014038514752-pat00092
    ) 정보를 이용하여 슬레이브 로봇과 작업 대상물 간의 접촉력을 보상하고, 슬레이브 로봇과 작업 대상물의 상대속도 또는 상대거리가 0이 되도록 하는 힘 보상치를 슬레이브 로봇으로 전송하는 단계(S150); 및
    마스터 로봇에서 발생되는 힘 지령치(fm)와 마스터 로봇의 속도(
    Figure 112014038514752-pat00093
    )를 기반으로 한 비례제어를 통하여 마스터 임피스던스 제어력을 생성하고, 생성된 임피스던스 제어력에 상기 S130 단계에서 출력되는 힘 보상치와, 상기 S140 단계에서 출력되는 힘 보상치와, 상기 S150 단계에서 출력되는 힘 보상치를 합하여 마스터 로봇으로 전송하는 단계(S160)로 이루어진 것을 특징으로 하는 일체화 운동기반의 양방향 원격제어방법.
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