KR101731066B1

KR101731066B1 - 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101731066B1
Application number: KR1020150163084A
Authority: KR
Inventors: 양기훈; 원종하
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-04-27

Abstract

본 발명은 사용자의 임피던스를 측정하여, 그 변화에 따라 로봇에 대한 제어 신호를 생성하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 방법은 사용자의 마스터 디바이스에 대한 조작에 따른 휴먼 임피던스 정보를 획득하여 전송하는 단계 및 사용자 조작에 따라 슬레이브 로봇의 위치 이동을 제어하되, 위치 이동에 따라 환경과의 접촉이 발생한 경우, 측정한 힘 정보를 피드백 송신하고, 휴먼 임피던스 정보를 이용하여 슬레이브 로봇의 강성을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND FOR GENERATING CONTORL SIGNAL USING IMPEDANCE VARIATION}

본 발명은 사용자의 임피던스를 측정하여, 그 변화에 따라 로봇에 대한 제어 신호를 생성하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

원격 로봇 공학(Tele-Robotics)은 원격지에 있는 로봇을 통제하여 다양한 작업을 수행하도록 하는 로봇 공학의 한 분야로서, 위험한 장소나 인간이 직접 접근할 수 없는 장소에서 인간을 대신해 목적하는 행동을 로봇에게 대행시키는 기술로 발전하고 있다.

이는 원자력 발전소, 우주 공간 등 인간의 육체적 한계를 뛰어넘는 상황이나, 초미세 세계 등 의학분야 등 여러 다양한 분야에 걸쳐 적용이 되고 있다.

종래 기술에 따른 전통적인 PID 제어는 고강성 기반 제어로서, 로봇이 가하는 힘을 정밀하게 제어할 수 없고, 예컨대 물체를 옮길 때 과다한 힘을 주게 되어 그 물체가 손상되는 경우가 발생하고, 떨어지는 물체를 받는 작업에 있어서 과도한 로봇의 강성으로 인해 마치 물체가 바닥에 자유낙하 하는 것과 같게 되어 물체의 손상이 발생되는 문제점이 있다.

따라서, 작업자가 의도하는 힘을 정밀하게 감지하고, 이를 통하여 원격지의 로봇이 작업 대상물에 가하는 힘을 정밀하게 제어하는 기술에 대한 니즈가 증대되고 있는 실정이다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 원격 제어 로봇 시스템에 있어서 사람의 의도나 임피던스를 측정 또는 추정하여, 이를 이용하여 로봇의 강성을 변화시킴으로써, 작업의 안전성을 증대하고 외부 환경 대응에 유연한 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 시스템 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명에 따른 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 방법은 사용자의 마스터 디바이스에 대한 조작에 따른 휴먼 임피던스 정보를 획득하여 전송하는 단계 및 사용자 조작에 따라 슬레이브 로봇의 위치 이동을 제어하되, 위치 이동에 따라 환경과의 접촉이 발생한 경우, 측정한 힘 정보를 피드백 송신하고, 휴먼 임피던스 정보를 이용하여 슬레이브 로봇의 강성을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 시스템은 사용자의 마스터 디바이스 조작에 대한 휴먼 임피던스 정보를 획득하는 센서와, 획득한 휴먼 임피던스 정보를 이용하여 슬레이브 로봇의 위치 이동을 제어하되, 슬레이브 로봇의 위치 이동에 따른 환경과의 접촉에 의하여 측정된 힘 정보를 피드백 송신하고, 휴먼 임피던스 정보를 이용하여 슬레이브 로봇의 강성을 변화시키는 슬레이브 로봇 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 시스템 및 방법은 로봇의 위치 제어 및 강성 제어를 동시에 수행하고, 로봇에 장착된 센서(F/T 센서)로부터의 피드백 신호에 대응하는 작업자의 휴먼 임피던스(EMG 신호)를 감지하여, 작업자가 의도하는 힘을 정밀하게 감지함으로써, 작업 대상물에게 로봇이 가하는 힘을 정밀 제어하는 것이 가능한 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 휴먼 임피던스를 측정하고, 이를 통하여 로봇의 강성을 변화시켜 로봇이 다양한 작업물에 대하여 그 용도에 따라 효과적인 접촉 및 작업이 가능하도록 한다.

본 발명에 따르면, EMG를 이용하여 사용자의 의도에 따라서 슬레이브 로봇 매니퓰레이터의 환경 접촉력을 극복하는 가변 강성 컴플라이언스 제어 기법을 제공함으로써, 예컨대 사람과 로봇이 함께 작업하는 중량물 핸들링 작업에 있어 중량물을 들어 올리는 방향으로는 큰 강성, 세부 위치 조절을 사람이 하여야 하는 경우 중량물을 좌우로 움직이는 방향으로는 작은 강성을 가지도록 제어하여, 사용자의 작업이 용이하도록 하며 사용자의 안전을 보장하는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마스터 디바이스에 대한 사용자의 조작 및 슬레이브 로봇의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마스터 디바이스와 슬레이브 로봇을 포함하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 슬레이브 로봇 제어기의 제어 로직을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 방법을 나타내는 순서도이다.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.

일반적으로 외력이 발생하였을 때 변위가 생기게 되는데, 임피던스가 변화한다는 것은 이러한 변위값이 같은 힘에 대해서도 달라지는 것을 의미한다.

다시 말해서, 로봇이 움직이지 않는 상태에서도 외력에 대한 반응은 달라진다는 것을 의미하며, 본 발명의 실시예에서는 마스터 디바이스(100)의 조작부(110)에 대한 사용자의 조작 시, 센서(EMG 센서, 300)를 통해 사용자의 의도가 반영된 휴먼 임피던스를 측정하고, 이를 이용하여 슬레이브 로봇(200)의 제어를 수행하는 것에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마스터 디바이스(100)에 대한 사용자의 조작 및 슬레이브 로봇(200)의 전체 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마스터 디바이스(100)와 슬레이브 로봇(200)을 포함하는 블록도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 슬레이브 로봇 제어기의 제어 로직을 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 시스템은 사용자의 마스터 디바이스(100) 조작에 대한 휴먼 임피던스 정보를 획득하는 센서(EMG 센서, 300) 및 획득한 휴먼 임피던스 정보를 이용하여 슬레이브 로봇(200)의 위치 이동을 제어하되, 슬레이브 로봇(200)의 위치 이동에 따른 환경과의 접촉에 의하여 측정된 힘 정보를 피드백 송신하고, 휴먼 임피던스 정보를 이용하여 슬레이브 로봇(200)의 강성을 변화시키는 슬레이브 로봇 제어기(미도시)를 포함하여 구성된다.

사용자가 EMG 센서(300)를 부착한 채, 마스터 디바이스(100)의 조작부(110)를 쥐고 조작을 수행하면, 이에 따라 슬레이브 로봇(200)이 제어된다.

EMG 센서(300)는 그 부착되는 위치 및 그에 따라 측정되는 사용자의 근육 종류에 대응하여, 휴먼 임피던스 정보를 획득하고, 본 발명의 일 실시예에 따르면 복수 채널을 통하여 휴먼 임피던스 정보를 획득함으로써, 다자유도의 로봇팔에 대응하는 제어 신호 생성에 활용된다.

EMG 센서(300)를 통해 측정된 EMG 신호는 신호 처리 과정을 통해 사용자의 의도를 나타내며, 이는 마스터 디바이스(100)의 위치 정보와 함께, TCP 통신 채널을 통해 슬레이브 로봇(200)으로 전송되며(S100), 슬레이브 로봇 제어기는 이러한 EMG 신호에 따라 로봇의 강성을 가변 제어한다(S200).

슬레이브 로봇(200)은 일단에 부착된 센서(F/T 센서, 210)를 통해, 슬레이브 로봇(200) 및 환경(Environment) 사이 반력을 측정한다.

본 발명에 따른 시스템은 위치-힘 기반의 양방향 원격 제어 구조에 대한 것이며, 사용자가 조작하여 발생된 마스터 디바이스(100)의 위치 정보는 TCP 통신을 통해 슬레이브 로봇(200)으로 전달된다.

슬레이브 로봇(200)은 위치 기반으로 제어되는데, 제어의 결과로 위치 이동이 발생된다.

발생된 위치 이동에 따라 환경과 접촉력이 발생되면, F/T 센서(210)를 통해 측정된 힘(f_s)이 슬레이브 로봇 제어기(400)의 입력으로 사용되고, 이는 TCP 통신 채널을 통해 마스터 디바이스(100)에 전달되어, 사용자에게 임장감을 제공하게 된다.

슬레이브 로봇 제어기는 TCP 통신 채널을 통해 목표 위치값을 전달 받고, 이와 슬레이브 로봇(200)의 현재 위치값과의 차연산을 통해, PD 제어기(213)와 스프링 모델(214)의 입력값으로 이용한다.

도 3에 도시된 행렬 C는 힘 제한기(215)를 통과한 슬레이브 로봇(200)과 환경 사이의 반력(f_s)을 이용하여 PD 제어기(213) 및 스프링 모델(214)의 제어 비중을 결정하기 위한 행렬이며, 스프링 모델(214)의 스프링 계수 Kemg는 슬레이브 로봇(200)으로 전송되는 EMG 값에 의해 결정된다.

PD 제어기(213)로부터 전송된 힘 F_P 및 스프링 모델(214)로부터 전송된 힘 Fspring은 합산되어 Ftotal을 구성하고, 이는 관절 토크로 변환되어, 슬레이브 로봇(200)을 제어하게 된다.

종래 기술에 따른 일반적인 산업용 로봇의 경우, 위치기반 제어 신호를 이용하기 때문에, 외력에 대해서는 상당히 큰 고정 강성 계수를 가질 수 밖에 없으나, 본 발명의 실시예에 따르면 슬레이브 로봇(200) 끝단에 배치된 F/T 센서(210)를 활용하여 외력 추정이 가능하므로, 변화 강성 계수를 갖도록 구성하는 것이 가능하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 슬레이브 로봇(200)은 자유 공간(비구속 구간, 환경 반력이 거의 0에 가까운 경우)에서 PD 제어기(213)에 의하여 고강성 제어되고, 환경과의 접촉이 발생하는 구속 공간에서는 EMG 양에 따라서 가변적인 강성으로 제어된다.

즉, 로봇의 원격 제어 분야에 적용되어 사용자가 조작하는 마스터 디바이스(100)의 위치 및 그에 가해지는 힘에 대응하여, 슬레이브 로봇(200)의 위치와 힘이 결정되며, 사용자 임피던스에 맞추어 슬레이브 로봇(200)의 강성이 함께 변화되는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 슬레이브 로봇(200)과 사람이 같은 공간에서 작업을 하는 경우, 특정 방향으로는 고강성이 필요하고, 이외의 방향에 대하여는 강성이 요구되지 않는 환경에 적용되는 것이 가능하다.

즉, 중량물 핸들링 작업 시 중량물을 들어올리는 방향으로는 큰 강성을, 세부 위치 조절을 사람이 하여야 하는 경우 중량물을 좌우로 움직이는 방향으로는 작은 강성을 유지하도록 제어하여, 사람의 안전을 보장하고 작업의 용이성을 증대시키는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 사용자의 EMG 신호를 통하여 휴먼 임피던스를 획득하고, 이를 통해 슬레이브 로봇(200)의 매니퓰레이터의 강성을 변화시킴으로써, 로봇의 외력에 대한 강성 계수를 조절하여 태스크(task) 전환에 따른 수동 작업 없이 자동적으로 변화하는 환경에 적절히 대응할 수 있도록 제어하는 것이 가능하다.

이제까지 본 발명의 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 마스터 디바이스 110: 조작부
200: 슬레이브 로봇 201: 힘/토크 센서
210: F/T 센서 212: 포워드 키네메틱
213: PD 제어기 214: 스프링 모델
215: 힘 제한기 300: EMG 센서

Claims

(a) 사용자의 마스터 디바이스에 대한 조작에 따른 휴먼 임피던스 정보를 획득하여 전송하는 단계; 및
(b) 상기 사용자 조작에 따라 슬레이브 로봇의 위치 이동을 제어하되, 상기 위치 이동에 따라 환경과의 접촉이 발생한 경우, 측정한 힘 정보를 피드백 송신하고, 상기 휴먼 임피던스 정보를 이용하여 상기 슬레이브 로봇의 강성을 변화시키는 단계를 포함하고,
상기 (b) 단계는 상기 마스터 디바이스에 대한 사용자 조작에 따라 상기 슬레이브 로봇의 위치 이동을 위한 목표 위치값을 생성하되, 상기 슬레이브 로봇의 현재 위치 및 상기 목표 위치값의 차연산을 통해 입력 신호를 발생시키고, 상기 입력 신호 및 행렬을 이용하여 PD 제어기와 스프링 모델의 제어 비중을 결정하고, 관절 토크를 결정하여 상기 슬레이브 로봇을 제어하는 것
을 특징으로 하는 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는 상기 사용자에 부착된 EMG 센서를 이용하여 측정한 EMG 신호를 이용하여 상기 휴먼 임피던스 정보를 획득하는 것
인 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 방법.
제2항에 있어서,
상기 (a) 단계는 상기 EMG 센서가 부착되는 위치 및 그에 따라 측정되는 근육의 종류에 대응하여 상기 휴먼 임피던스 정보를 획득하는 것
인 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 방법.
제2항에 있어서,
상기 (a) 단계는 복수 채널의 상기 EMG 센서를 이용하여 상기 휴먼 임피던스 정보를 획득하여, 다자유도의 로봇팔을 구비하는 상기 슬레이브 로봇으로 이를 전송하는 것
인 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는 상기 슬레이브 로봇의 일단에 배치된 센서를 이용하여, 상기 슬레이브 로봇 및 환경 사이의 반력을 측정하는 것
인 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는 상기 측정한 힘 정보를 피드백 송신하여, 이를 상기 마스터 디바이스를 통하여 사용자에게 임장감으로 제공하는 것
인 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는 상기 환경과의 접촉 여부에 의한 환경 반력 발생 여부에 따라, 상기 휴먼 임피던스 정보를 이용하여 상기 슬레이브 로봇의 로봇팔의 강성을 가변시켜, 상기 슬레이브 로봇의 외력에 대한 강성 계수를 조절하는 것
인 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 방법.
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사용자의 마스터 디바이스 조작에 대한 휴먼 임피던스 정보를 획득하는 센서; 및
상기 획득한 휴먼 임피던스 정보를 이용하여 슬레이브 로봇의 위치 이동을 제어하되, 상기 슬레이브 로봇의 위치 이동에 따른 환경과의 접촉에 의하여 측정된 힘 정보를 피드백 송신하고, 상기 휴먼 임피던스 정보를 이용하여 상기 슬레이브 로봇의 강성을 변화시키는 슬레이브 로봇 제어기를 포함하고,
상기 슬레이브 로봇 제어기는 상기 슬레이브 로봇의 일단에 배치된 F/T 센서를 통하여 측정된 상기 슬레이브 로봇 및 환경 사이의 반력을 수신하고, 상기 마스터 디바이스에 대한 사용자 조작에 따라 상기 슬레이브 로봇의 위치 이동을 위한 목표 위치값을 생성하고, 상기 목표 위치값 및 상기 슬레이브 로봇의 현재 위치의 차연산을 통해 입력 신호를 발생시키며,
상기 슬레이브 로봇 제어기는 상기 입력 신호를 수신하는 PD 제어기 및 스프링 모델을 포함하여 구성되고, 상기 PD제어기 및 상기 스프링 모델을 통하여 얻은 힘 정보를 관절 토크로 변환하여, 상기 슬레이브 로봇을 제어하는 것
을 특징으로 하는 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 시스템.
제10항에 있어서,
상기 센서는 EMG 센서로서, 상기 EMG 센서가 부착되는 위치 및 그에 따라 측정되는 상기 사용자의 근육 종류에 대응하여, 상기 휴먼 임피던스 정보를 획득하는 것
인 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 시스템.
제11항에 있어서,
상기 EMG 센서는 복수 채널을 통하여 상기 휴먼 임피던스 정보를 획득하는 것
인 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 시스템.
삭제
제10항에 있어서,
상기 슬레이브 로봇 제어기는 상기 환경 사이의 반력이 발생하는 경우, 상기 휴먼 임피던스 정보를 이용하여 상기 슬레이브 로봇의 로봇팔의 강성을 변화시키는 것
인 임피던스 변화를 이용하여 제어 신호를 생성하는 시스템.
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