KR101778030B1 - 로봇 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

로봇 및 로봇의 파지제어방법이 개시된다. 본 발명에 따른 로봇 및 로봇의 파지제어방법은　적어도 하나의 관절부 및 손으로 구성된 로봇 팔을 좌우에 구비한 로봇의 파지 제어방법으로서,　물체를 파지목표영역 및 파지가능영역으로 나누어 파지목표영역과 파지가능영역에 대응하는 파지방법을 각각 저장하고, 물체, 　관절부 및 장애물의 각각의 위치를 감지하고, 각각의 위치가 감지되면, 장애물과 물체의 위치 및 관절부의 가동 가능한 각도 범위를 고려하여 파지목표영역에 파지가 가능한지 판단하고,　판단결과 물체의 파지목표영역에 파지가 가능하면, 파지목표영역의 파지방법으로 파지 경로를 생성하고, 불가능하면 파지가능영역의 파지방법으로 파지경로를 생성하고, 생성된 파지경로를 추종하도록 관절부 및 손을 제어한다.
따라서, 본 발명은 파지목표영역에 장애물이 존재하더라도 파지가능영역에 먼저 파지가 수행하고 파지목표영역에 대해 파지작업이 수행될 때까지 안정적인 재파지(Regrasping)를 제어할 수 있다.

Description

로봇 및 그 제어방법{ROBOT AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 물체를 자연스럽고 안정적으로 파지할 수 있도록 하는 로봇 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전기적 또는 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작과 닮은 운동을 행하는 기계장치를 로봇이라고 한다. 초기의 로봇은 생산 현장에서의 작업 자동화, 무인화 등을 목적으로 한 매니퓰레이터나 반송 로봇 등의 산업용 로봇으로 인간을 대신하여 위험한 작업이나 단순한 반복 작업, 큰 힘을 필요로 하는 작업을 수행하였으나, 최근에는 인간과 유사한 외관을 가지고 인간의 작업 및 생활공간에서 인간과 공존하며 다양한 서비스를 제공하는 인간형 로봇의 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 인간형 로봇의 경우 일상 생활에서 인간과 원활하게 교류하고 협업하기 위하여 물체를 파지할 수 있도록 하는 로봇 핸드를 구비하며, 로봇 핸드는 인간의 손과 유사하게 복수의 손가락과 손바닥을 포함한다. 이러한 로봇 핸드는 임피던스 제어를 통해 손가락 끝의 강성(stiffness)을 조절함으로서 정밀한 작업과 유연하고 안정적인 작업을 모두 구현할 수 있다.

종래의 로봇의 파지 제어는 물체의 일정영역을 파지영역으로 설정하고, 파지영역에 장애물이 존재하면 파지할 수 없어 작업실패로 귀결되거나, 상기 물체를 파지하기 위해 사용자가 일일이 물체의 어느 부분을 파지해야하는지 설정해야 하는 번거로움이 있었다.

본 발명의 일 측면에 의하면 물체를 영역으로 나누어 각 영역에 대응하는 파지방법을 저장하고, 물체, 관절부 및 장애물의 위치에 따라 적절한 영역에 대해 파지를 수행하여 안정된 파지를 수행할 수 있는 로봇 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 로봇 제어방법은　적어도 하나의 관절부 및 손으로 구성된 복수의 로봇 팔을 구비한 로봇의 제어방법으로서,　물체를 파지목표영역 및 파지가능영역으로 나누어 파지목표영역과 파지가능영역에 대응하는 파지방법을 각각 저장하고, 물체, 관절부 및 장애물의 각각의 위치를 감지하고, 각각의 위치가 감지되면, 장애물과 물체의 위치 및 관절부의 가동 가능한 각도 범위를 고려하여 파지목표영역에 파지가 가능한지 판단하고,　판단결과 물체의 파지목표영역에 파지가 가능하면, 파지목표영역의 파지방법으로 파지 경로를 생성하고, 불가능하면 파지가능영역의 파지방법으로 파지경로를 생성하고, 생성된 파지경로를 추종하도록 관절부 및 손을 제어한다.

한편, 이러한 로봇 제어는 물체의 파지목표영역에 대해 파지가 수행될 때까지 물체, 관절부, 장애물의 각각의 위치를 감지하고, 각각의 위치에 따라 파지목표영역에 파지가 가능한지 판단하고, 파지경로를 생성하여 이를 추종하도록 제어하는 과정을 반복할 수 있다.

또한, 파지방법은 물체를 파지하는 손 및 파지하는 손과 물체의 상대적인 위치에 대한 정보일 수 있다.

또한, 파지목표영역에 대한 파지 가능여부는 파지목표영역에 장애물이 위치하거나 파지목표영역이 상기 관절부의 가동 가능한 각도범위를 초과하는 위치에 존재하거나 파지목표영역에 대한 파지수행이 로봇의 균형(balance)을 잃게 하면, 파지목표영역에 파지가 불가능한 것으로 판단할 수 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 로봇은　적어도 하나의 관절부 및 손으로 구성된 로봇 팔을 좌우에 구비한 로봇으로서, 물체를 파지목표영역 및 파지가능영역으로 나누어 파지목표영역과 파지가능영역에 대응하는 파지방법을 각각 저장하는 메모리부, 물체, 관절부 및 장애물의 각각의 위치를 감지하는 감지부 및 감지부에서 각각의 위치가 감지되면, 장애물과 물체의 위치 및 관절부의 가동 가능한 각도범위를 고려하여 파지목표영역에 파지가 가능한지 판단하고, 물체의 파지목표영역에 대한 파지가 가능하면 메모리부에 저장된 파지목표영역의 파지방법으로 파지경로를 생성하고, 불가능하면 메모리부에 저장된 파지가능영역의 파지방법으로 파지경로를 생성하는 파지제어부를 포함한다.

한편, 파지제어부는 물체의 파지목표영역에 대해 파지가 수행될 때까지 물체, 관절부, 장애물의 각각의 위치를 감지하여 파지목표영역에 파지가 가능한지 판단하고, 파지경로를 생성하는 과정을 반복할 수 있다.

또한, 파지제어부는　생성된 파지경로를 추종하도록 관절부 및 손을 제어할 수 있다.

또한, 메모리부는 물체를 파지하는 손 및 파지하는 손과 물체의 상대적인 위치에 대한 정보인 파지방법을 저장할 수 있다.

또한, 파지제어부는 파지목표영역에 장애물이 위치하거나 파지목표영역이 관절부의 가동 가능한 각도범위를 초과하는 위치에 존재하거나 파지목표영역에 대한 파지수행이 로봇의 균형(balance)을 잃게 하면, 파지목표영역에 파지가 불가능한 것으로 판단할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇 및 그 제어방법에 의하면 파지목표영역에 장애물이 존재하더라도 파지가능영역에 먼저 파지가 수행되고 파지목표영역에 대해 파지작업이 수행될 때까지 안정적인 재파지(Regrasping)가 제어될 수 있다.

또한, 양손조작을 고려한 파지방법에 의해 파지포즈가 산출되고 파지포즈 산출시 양손간의 충돌(self-collision)을 고려하므로 효율적인 양손조작의 제어가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의 외관 구성도이다.
도 2는, 도 1에 도시된 로봇의 주요 관절 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 로봇 핸드의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의　파지　제어　블록도이다.
도 5는 파지영역이 설정된 물체의 일 예를 도시한 도면이다.
도 6은 도 4의 메모리부에 저장된 파지방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 7은, 도 4의 메모리부에 저장된 파지방법 데이터베이스를 도시한 도면이다. 　　
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의 제어방법을 나타낸 　순서도이다.
도 9a는, 도 8의 로봇의 제어방법에 따라 로봇이 물체를 파지하는 모습을 도시한 도면이다.
도 9b는, 도 8의 로봇의 제어방법에 따라 로봇이 물체를 파지하는 모습을 도시한 도면이다.
도 9c는, 도 8의 로봇의 제어방법에 따라 로봇이 물체를 파지하는 모습을 도시한 도면이다.
도 9d는, 도 8의 로봇의 제어방법에 따라 로봇이 물체를 파지하는 모습을 도시한 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 로봇 및 그 제어방법의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의 외관 구성도이다.

도 1에서, 로봇(100)은 인간과 마찬가지로 두 개의 다리(110)에 의해 직립 이동하는 로봇으로, 몸통(102), 머리(104), 팔(106)로 이루어진 상체(101)와, 두 개의 다리(110)로 이루어진 하체(103)를 가진다.

로봇(100)의 상체(101)는 몸통(102)과, 몸통(102)의 상부에 목(120)을 통해 연결된 머리(104)와, 몸통(102)의 상부 양측에 어깨(114L, 114R)를 통해 연결된 두 개의 팔(106L, 106R)과, 이 두 개의 팔(106L, 106R)의 말단에 각각 연결된 손(108L, 108R)으로 이루어진다.

로봇(100)의 하체(103)는 상체(101)의 몸통(102) 하부 양측에 연결된 두 개의 다리(110L, 110R)와, 두 개의 다리(110L, 110R) 말단에 각각 연결된 발(112L, 112R)로 이루어진다.

참조 부호에서, "R"과 "L"는 각각 로봇(100)의 오른쪽(right)과 왼쪽(left)을 나타내고, COG(Center Of Gravity)는 로봇(100)의 무게 중심을 나타낸다.

도 2는 도 1에 나타낸 로봇의 주요 관절 구조를 나타낸 도면이다.

도 2에서, 로봇(100)의 몸통(102)에는 포즈 센서(pose sensor; 14)가 설치된다. 포즈 센서(14)는 연직축에 대한 상체(101)와 두 다리(110L, 110R)의 기울기인 경사 각도와 그 각속도를 검출하여 자세 정보를 발생시킨다. 이 포즈 센서(14)는 몸통(102) 뿐만 아니라 두 다리(110L, 110R)에 설치해도 좋다.

몸통(102)에는 상체(101)가 회전할 수 있도록 요우 방향의 1 자유도를 가지는 허리 관절부(15)가 설치된다.

또한, 로봇(100)의 머리(104)에는 주위를 촬영하는 카메라(41)와, 사용자 음성을 입력하는 마이크로폰(42)이 설치된다.

머리(104)는 목 관절부(280)를 통해 상체(101)의 몸통(102)과 연결된다. 목 관절부(280)는 요우 방향(yaw, Z축 회전)의 회전 관절(281)과, 피치 방향(pitch, Y축 회전)의 회전 관절(282) 및 롤 방향(roll, X축 회전)의 회전 관절(283)을 포함하여 3 자유도를 가진다.

목 관절부(280)의 각각의 회전 관절(281, 282, 283)에는 머리(104)의 회전을 위한 모터들(예를 들어, 전기 모터, 유압 모터 등의 액츄에이터)이 연결된다.

로봇(100)의 두 개의 팔(106L, 106R)은 각각 상박 링크(31), 하박 링크(32) 및 손(33)을 가진다.

상박 링크(31)는 어깨 관절부(250L, 250R)를 통해 상체(101)에 연결되고, 상박 링크(31)와 하박 링크(32)는 팔꿈치 관절부(260)를 통해 서로 연결되며, 하박 링크(32)와 손(33)은 손목 관절부(270)를 통해 서로 연결된다.

어깨 관절부(250L, 250R)는 상체(101)의 몸통(102)의 양측에 설치되어 두 개의 팔(106L, 106R)을 상체(101)의 몸통(102)에 연결한다.

팔꿈치 관절부(260)는 피치 방향의 회전 관절(261)과, 요우 방향의 회전 관절(262)를 포함하여 2 자유도를 가진다.

손목 관절부(270)는 피치 방향의 회전 관절(271)과, 롤 방향의 회전 관절(272)을 포함하여 2 자유도를 가진다.

손(33)에는 5개의 손가락(33a)이 설치된다. 각각의 손(33a)에는 모터에 의해 구동되는 다수의 관절(미도시)들이 설치될 수 있다. 손가락(33a)은 팔(106)의 움직임에 연동하여 물건을 파지하거나 특정 방향을 가리키는 것과 같은 다양한 동작을 실행한다.

그리고, 로봇(100)의 두 개의 다리(110L, 110R)는 각각 대퇴 링크(21)와 하퇴 링크(22), 발(112L, 112R)을 가진다.

대퇴 링크(21)는 인간의 허벅다리(허벅지)에 해당하는 부분으로 　고관절부(210)를 통해 상체(101)의 몸통(102)에 연결되고, 대퇴 링크(21)와 하퇴 링크(22)는 무릎 관절부(220)를 통해 서로 연결되며, 하퇴 링크(22)와 발(112L, 112R)은 발목 관절부(230)를 통해 서로 연결된다.

고관절부(210)는 요우 방향(yaw, Z축 주위의 회전)의 회전 관절(211; 힙 요우 조인트)과, 피치 방향(pitch, Y축 주위의 회전)의 회전 관절(212; 힙 피치 조인트)과, 롤 방향(roll, X축 주위의 회전)의 회전 관절(213; 힙 롤 조인트)을 포함하여 3 자유도를 가진다.

무릎 관절부(220)는 피치 방향의 회전 관절(221)을 포함하여 1 자유도를 가진다.

발목 관절부(230)는 피치 방향의 회전 관절(231)과, 롤 방향의 회전 관절(232)을 포함하여 2 자유도를 가진다.

두 개의 다리(110L, 110R) 각각에는 고관절부(210), 무릎 관절부(220), 발목 관절부(230)에 대해 6개의 회전 관절이 마련되므로, 두 개의 다리(110L, 110R) 전체에 대해서는 12개의 회전 관절이 마련된다.

도면에 도시되어 있지 않지만, 로봇(100)에는 각 회전 관절을 구동하는 모터 등과 같은 액츄에이터가 설치된다. 로봇(100)의 파지를 제어하는 파지 제어부는 이 모터를 적절히 제어함으로써 로봇(100)의 다양한 파지 동작을 구현할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 로봇 손의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.

도 3에서, 본 발명의 실시예에 의한 로봇 손(300)은 손바닥(310)과 이 손바닥(310)에 연결되는 복수의 손가락(320,330)으로 구성되며, 손바닥(310)은 적어도 1자유도 이상으로 팔(340)에 연결된다.

복수의 손가락(320,330)은 손바닥(310)의 일단의 가장자리에서 동일한 방향으로 연장되게 설치되어 손바닥(310) 방향으로 구부러지는 복수의 주파지 손가락(320;이하, 제1손가락이라 한다)과, 복수의 제1손가락(320)과는 다른 방향으로 연장되게 설치되어 손바닥(310) 방향으로 구부러지는 하나 이상의 보조 파지 손가락(330;이하, 제2손가락이라 한다)으로 구성된다.

복수의 제1손가락(320)은 인간의 검지, 중지, 약지, 소지에 각각 해당하며, 하나 이상의 제2손가락(330)은 인간의 엄지에 해당한다. 제1 및 제2손가락(320,330) 각각은 복수의 링크부재(321,323,325),(331,333,335)와, 복수의 링크부재(321,323,325),(331,333,335)를 연결하는 복수의 관절(322,324,326),(332,334,336)을 포함한다.

복수의 링크부재(321,323,325),(331,333,335)는 손바닥(310)에 인접한 것으로부터 차례로 제1링크부재(321),(331), 제2링크부재(323),(333), 제3링크부재(325),(335)라 하고, 복수의 관절(322,324,326),(332,334,336)은 손바닥(310)에 인접한 것으로부터 차례로 제1관절(322),(332), 제2관절(324),(334), 제3관절(326),(336)이라 한다. 제1관절(322),(332)은 손바닥(310)과 제1링크부재(321),(331)를 연결하고, 제2관절(324),(334)은 제1링크부재(321),(331)와 제2링크부재(323),(333)를 연결하며, 제3관절(326),(336)은 제2링크부재(323),(333)와 제3링크부재(325),(335)를 연결한다. 제3링크부재(325),(335)의 끝(327) 지점이 각 손가락(302,330)의 끝(fingertip) 위치이며, 복수의 관절(322,324,326),(332,334,336)에는 복수의 링크부재(321,323,325),(331,333,335)가 인접한 링크부재와 이루는 각도 즉, 각각의 관절각(θ)을　측정하기 위한 엔코더(미도시)가 설치된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의　파지　제어　블록도로서, 감지부(410), 파지영역 설정부(421), 파지방법 설정부(422), 파지경로 생성부(423), 작업종료 판단부(424), 토크제어부(425), 메모리부(430) 및 구동부(440)를 포함한다.

감지부(410)는 로봇의 몸통에 설치되어 좌우 양팔의 기울기나 자세를 검출하는 포즈센서와 파지 대상인 물체를 인식하는 센서를 포함한다. 본 실시예에서 감지부(410)는 어깨관절부, 팔꿈치관절부, 손목관절부 및 로봇의 손을 구성하는 다수개의 관절의 각도를 측정한다. 또한, 파지 대상인 물체를 인식하고, 상기 물체의 위치 및 물체 주변의 장애물이 있는지 여부 및 장애물의 위치를 인식하여 이를 파지제어부(420)에 전송한다.

파지영역 설정부(421)는 미리 저장된 복수 개의 물체의 형상데이터에서 물체의 영역을 나누어 설정한다. 구체적으로, 파지영역 설정부(421)는 복수 개의 물체의 형상을 각각 최종적으로 파지 작업이 수행되어야 할 파지목표영역과 파지목표영역을 제외한 나머지 영역인 파지가능영역으로 나누어 설정한다.

도 5는 파지영역이 설정된 물체의 일 예를 도시한 도면으로서, 도 5에 도시된 바와 같이 파지목표영역(S1)은 물체의 형상에서 일정영역으로 한정되지만, 파지가능영역(S2, S3, S4)은 임의의 복수 개 영역으로 나누어 설정될 수 있다.

파지방법 설정부(422)는 파지영역에 따라 로봇 손과 물체의 상대적인 위치 및 물체를 파지해야하는 로봇 손의 정보를 포함하는 파지방법(Grasp Policy)을 설정한다. 즉, 설정된 파지 영역을 잡으려면 좌우 로봇 손 중 어느 손으로 잡아야 하는지 및 파지 영역에 대해 로봇 손이 어디에 위치해야 하는지의 orientation 정보가 각각의 파지영역에 대해 설정되는 것이다. 또한, 파지방법은 로봇 손과 파지영역의 상대적인 위치 뿐만 아니라 상기 위치에서 로봇 손이 물체를 중심으로 x, y, z축으로 평행 이동할 수 있는 범위인 variation정보도 포함할 수 있다.

도 5의 파지가능영역 중 S4에 대한 파지방법을 예로 들어 도 6을 통해 설명하면, S4를 잡으려면 로봇의 오른손으로 잡아야 하고, 물체를 중심으로 오른손이 S4의 y축상에 위치해야 하는 orientation 정보가 설정될 수 있다. 또한, 오른손은 y축상의 위치에서 x축 또는 z축으로 평행이동할 수 있는 variation 정보가 더 포함될 수 있다.

이렇게 생성된 파지영역에 대응한 파지방법 정보는 메모리부(430)에 전송되어 파지방법 데이터베이스로 저장된다.

파지경로 생성부(423)는 메모리부(430)에 저장된 파지방법 데이터베이스를 　이용하여 파지경로를 생성한다.

구체적으로, 파지경로 생성부(423)는 감지부(410)를 통해 감지된 로봇 팔을 구성하는 관절부의 각도, 파지대상 물체와 장애물의 위치정보를 포함하는 현재상태와 메모리부(430)에 저장된 파지방법 데이터베이스를 통해 파지목표영역에 파지가 가능한지 판단한다.

판단결과, 파지목표영역에 대해 파지가 가능하면, 파지경로 생성부(423)는 파지목표영역의 파지방법을 이용하여 파지경로를 생성하고, 불가능하면 파지가능영역에 대해 파지경로를 생성한다. 즉, 파지목표영역에 장애물이 존재하거나 관절부의 가동각 범위를 넘어선 곳에 파지목표영역이 존재하거나 혹은 파지목표영역에 대한 파지수행이 로봇의 균형(balance)을 잃게 하여　파지가 불가능할 경우, 적절한 파지가능영역에 먼저 파지가 수행되는 것이다.

한편, 파지가능영역에 파지가 수행되야 하는 것으로 판단되고, 　파지가능영역이 복수 개로 존재할 경우, 파지경로 생성부(423)는 복수의 파지가능영역 중 감지된 물체, 관절부, 장애물의 위치에서 가장 파지하기 적절한 곳 순으로 우선순위를 설정한다. 또한, 파지경로 생성부(423)는 설정된 우선순위가 높은 영역서부터 파지경로가 생성되도록 제어한다.

이하, 파지경로 생성부(423)에서 파지경로가 생성되는 과정에 대해 구체적으로 상술한다.

먼저, 물체에 대해 파지영역이 설정되면, 파지경로 생성부(423)는 상기 파지영역에 대응하는 파지방법을 메모리부(430)로부터 전송받아, 파지방법의 역기구학(Inverse Kinetics)를 푼다. 즉, 파지방법을 이용하여 물체와 로봇 손의 위치가 world coordinate상으로 변환되고, 관절부 각각의 회전각도가 world coordinate를 기준으로 산출되는 것이다. 여기서, 로봇의 관절부는 어깨관절부, 팔꿈치관절부, 손목관절부 및 로봇의 손을 구성하는 다수개의 관절을 의미한다.

역기구학의 해가 구해지면, 제약조건인 각 관절부의 가동각 범위, 장애물과의 충돌여부 및 손과 손끼리의 충돌(self-collision)을 고려하여 적절한 파지포즈가 산출된다.

또한, 각 관절부의 파지경로를 생성하는 motion planning이 수행된다. 즉, 산출된 파지포즈를 이용하여 2차 곡선이 생성(IK-Bi-RRT)되고, 이러한 2차 곡선은 각 관절부의 이동경로가 되는 것이다. 　　　

작업종료 판단부(424)는 생성된 파지경로가 어느 영역에 대한 파지경로인지 검증하고, 이에 따라 작업종료여부를 판단한다. 작업종료요건은 파지목표영역에 대해 파지경로가 생성되었을 때로 설정된다.

구체적으로, 작업종료 판단부(424)는 파지가능영역에 대해 파지경로가 생성되면 '중간작업성공'으로 판단하고, 파지목표영역에 대해 파지경로가 생성되면 '최종작업성공'으로 판단한다. 또한, 물체의 모든 영역에 대해 역기구학의 해가 존재하지 않아 파지경로의 생성이 불가능하면 작업종료 판단부(424)는 '작업실패'로 판단한다.

즉, 작업종료 판단부(424)는 파지목표영역에 대해 파지가 수행될 때까지 일련의 과정이 반복되도록 제어한다. 이로써 파지목표영역에 대해 파지 수행이 완료될 때까지 사용자의 개입없이 안정적인 재파지(Regrasping)가 이루어질 수 있다. 　

메모리부(430)는 파지방법 설정부(422)에서 설정된 파지방법(Grasp Policy)의 데이터베이스를 저장한다.

파지방법 데이터베이스는 미리 설정된 물체별로 저장되고, 로봇 손과 물체의 상대적인 위치(orientation), 물체를 잡아야 할 로봇 손(왼손, 오른손, 양손 중 어느 하나) 및 variation 정보를 포함한다.

이하, 파지방법 데이터베이스의 일 예를 도 7을 통해 설명한다. 도 7은, 도 5에 도시된 물체의 파지방법 데이터베이스를 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 파지방법 데이터베이스는 미리 설정된 물체별(ID)로 저장된다. 또한, 파지방법 데이터베이스에는 일정한 물체(ID 1)의 나누어진 영역별(S1, S2, S3, S4)로 파지방법(Grasp Policy 1, 2, 3, 4)이 각각 저장된다.

토크제어부(425)는 파지경로 생성부(423)에서 생성된 파지경로를 로봇의 각 관절부가 추종하도록 각 관절부의 토크를 산출하고 제어한다.

구동부(440)는 토크제어부(425)에서 산출된 제어토크를 관절부에 제공하고, 관절부에 설치된 모터 등의 액츄에이터를 구동시키도록 계산된 제어토크에 대응하는 토크 제어 신호를 관절부에 출력한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의 파지 제어 방법을 나타낸 　순서도이다.

먼저, 파지영역 설정부는 물체의 영역을 나누어 설정(510)한다. 즉, 물체는 최종적으로 파지 작업이 수행되어야 할 파지목표영역과 파지의 목표영역은 아니지만 파지가 가능한 영역인 파지가능영역으로 나누어진다. 한편, 파지목표영역은 물체의 일정영역으로 한정되지만, 파지가능영역은 복수의 영역으로 설정될 수 있다.

물체의 영역이 설정(510)되면, 각 영역에 대응하는 파지방법(Grasp Policy)이 설정(520)되고, 이는 파지방법 데이터베이스로 메모리부에 저장(520)된다.

파지방법은 물체의 영역별로 설정되고, 로봇 손과 물체의 상대적인 위치(orientation), 상기 위치에서 로봇 손의 평행이동 및 회전이동의 가능범위인 variation의 정보를 포함한다. 또한, 파지방법은 상기 물체의 영역을 파지해야하는 손(왼손, 오른손, 양손 중 어느 하나)의 정보를 포함함으로써 안정적인 양손파지도 가능하게 한다.

즉, 파지방법은 물체를 중심으로 로봇 손이 어디에 위치해야 하는지 어느 손으로 잡아야 하는지의 정보이다.

물체별로 파지방법 데이터베이스가 저장되면, 감지부는 파지대상인 물체, 각 관절부, 장애물의 위치인 현재상태를 감지(530)한다. 즉, 감지부는 물체를 감지하여 물체의 종류, 위치 및 물체 주변의 장애물 존재여부와 위치를 감지한다. 또한, 어깨관절부, 팔꿈치관절부, 손목관절부 및 로봇의 손을 구성하는 다수개의 관절의 각도와 관절부의 위치를 감지한다.

감지부에 의해 물체와 각 관절부의 현재상태가 감지(530)되면, 파지경로 생성부는 물체의 파지목표영역에 파지가 가능한지 판단(541)한다.

파지목표영역에 대한 파지 가능여부는 파지목표영역에 장애물의 존재여부 및 각 관절부의 가동각 범위를 기준으로 판단된다. 즉, 파지목표영역에 장애물이 존재하거나 각 관절부의 가동각 범위를 초과하는 곳에 파지목표영역이 위치하면, 파지가 불가능함으로 판단된다.

판단결과, 파지목표영역에 파지가 가능하면 파지목표영역에 대해 파지경로가 생성(551)되지만, 파지목표영역이 아닌 파지가능영역에 대해 파지가 가능하면(542) 상기 영역에 대해 파지경로가 생성(552)되고 불가능하면 '파지작업실패'로서 작업이 종료(542)된다.

즉, 파지경로생성부는 물체 내의 파지목표영역에 파지경로 생성이 가능한지 판단(541)하고, 파지목표영역에 파지가 불가능하다면 복수의 파지가능영역 중에서 감지부에서 감지된 현재상태를 기준으로 가장 파지하기 적절한 곳에 대해 파지를 수행하도록 파지경로를 생성(542, 552)한다.

파지경로 생성부는 물체내의 파지할 영역이 결정되면, 상기 영역에 대한 파지방법을 메모리부로부터 전송받아 grasp planning을 수행한다. grasp planning은 메모리부에 저장된 파지방법의 역기구학의 해를 구하여 복수의 파지포즈들을 world coordinate를 기준으로 산출하는 과정을 의미한다.

구체적으로, 메모리부에 저장된 파지방법은 물체를 중심(object coordinate)으로 한 물체와 로봇 손의 상대적인 위치로서, 감지부에 의해 감지된 현재상태를 이용하여 물체와 로봇 손의 위치가 world coordinate 상으로 변환된다. 또한, world coordinate 상으로 변환된 물체와 로봇 손의 위치를 이용하여 역기구학의 해가 산출되고, 이를 통해 각 관절의 회전각도가 산출된다.

즉, 역기구학의 해가 산출되면, 각 관절부의 가동각 범위, 장애물과의 충돌여부 및 손과 손끼리의 충돌여부를 고려하여 적절한 복수의 파지포즈들이 산출된다.

상기와 같은 grasp planning을 통해 구해진 복수의 파지포즈들을 이용하여 각 관절부의 파지경로를 생성하는 motion planning이 수행된다. motion planning이란, 산출된 복수의 파지포즈를 수행하기 위한 각 관절부의 이동경로를 생성하는 것으로서 IK-Bi-RRT에 의해 생성될 수 있다.

물체의 파지영역에 대해 파지경로가 생성(551, 552)되면, 상기 파지경로에 따라 로봇 팔을 제어(561,562)한다.

구체적으로, 토크제어부는 상기 생성된 파지경로를 로봇의 관절부가 추종하도록 각 관절부의 토크를 산출한다. 또한, 구동부는 토크제어부에서 산출된 제어토크를 관절부에 제공하고, 각 관절부에 설치된 모터 등의 액츄에이터를 구동시키도록 계산된 제어토크에 대응하는 토크 제어 신호를 관절부에 출력한다.

생성된 파지경로에 따라 로봇 팔을 제어(561, 562)하면, 작업종료 판단부는 생성된 파지경로가 어느 영역에 대한 경로인지 검증하여 이에 따라 작업종료 여부를 판단한다.

구체적으로, 작업종료 판단부는 파지가능영역에 대한 파지경로가 수행되면 '중간작업성공'으로 판단하고, 파지목표영역에 대한 파지경로가 수행되면 '최종작업성공'으로 판단한다. 또한, 파지가능영역 및 파지목표영역 모두에 대해 역기구학의 해가 존재하지 않아 파지경로가 생성되지 않으면 '작업 실패'로 판단하여 작업을 종료시킨다.

즉, 생성된 파지경로가 파지목표영역에 대한 경로이면 작업이 종료되고, 파지가능영역에 대한 경로이면 파지목표영역에 대해 파지경로가 생성될 때까지 물체와 관절부의 현재상태를 인식하고 파지경로를 생성하여 이에 따라 로봇 팔을 제어하는 일련의 과정이 반복되는 것이다.

따라서 파지목표영역에 장애물이 존재하더라도 파지가능영역에 파지를 수행됨으로써, 종래의 장애물이 존재하면 '작업실패'로 귀결되거나 사용자가 일일이 잡아야하는 영역을 설정하는 문제점이 해결될 수 있다. 즉, 본 실시예는 물체의 영역을 나누어 파지목표영역에 장애물이 존재하더라도 파지가능영역에 대해 파지를 수행하고, 파지목표영역에 대해 파지 수행이 완료될 때까지 사용자의 개입없이 안정적인 재파지(Regrasping) 및 양손조작이 가능하게 한다.

이하, 도 8의 로봇 파지 제어방법에 따라 로봇이 물체를 파지하는 일련의 과정을 도 9a, 도 9b, 도 9c 및 도 9d를 통해 예를 들어 설명한다. 　　　　　　

로봇의 감지부는 현재상태와 물체의 형상을 감지한다. 한편, 현재상태는 장애물과 물체의 위치 및 각 관절부의 위치를 의미한다. 또한, 로봇은 메모리부에서 상기 감지된 물체에 대응하는 파지방법 데이터베이스를 불러온다.

도 9a 내지 도 9d에 도시된 물체(원기둥)의 파지목표영역은 오른쪽 하단(로봇을 기준으로 오른쪽임)으로서, 상기 파지목표영역의 파지방법은 로봇의 오른손으로 물체의 오른쪽 하단을 잡는 것으로 설정되어 있다.

도 9a를 살펴보면, 감지부에 의해 감지된 현재상태와 물체(원기둥)의 형상 데이터를 통해 파지경로 생성부는 물체의 파지목표영역(오른쪽 하단)에 장애물(육면체)이 존재하여 현재 파지가 불가능함을 판단한다.

따라서, 도 9b와 같이 물체의 파지가능영역 중 하나인 상단부가 파지영역으로 선정되고 상기 선정된 파지영역에 대한 파지방법을 이용하여 파지경로가 생성된다. 이에 따라 물체의 상단부를 오른손으로 잡아 올리는 파지작업이 수행된다.

상기와 같이 파지작업이 수행되면, 작업종료 판단부는 수행된 파지경로가 어느 영역인지 검증하여 작업종료여부를 판단한다. 도 9b에서, 물체의 상단부는 파지목표영역이 아닌 파지가능영역이므로 작업종료 판단부는 '중간작업성공'으로 판단한다. 또한, 작업종료 판단부는 다시 현재상태를 인식하고 파지경로를 생성하는 일련의 과정을 반복하도록 제어한다.

도 9c에서 감지부는 다시 오른손으로 물체의 상단부를 잡은 현재상태를 인식하고 이에 따라 파지경로 생성부에 의해 적절한 파지경로가 생성된다.

오른손으로 물체의 상단부를 잡은 현재상태를 기초로 파지목표영역에 파지가 가능한지 판단한다. 오른손으로 물체를 잡은 현재상태에서 동일한 손으로 파지목표영역에 대해 파지가 불가능하므로, 파지가능영역 중 하나인 물체의 좌측을 왼손으로 파지하는 경로가 생성된다. 작업종료 판단부는 '중간작업성공'으로 판단하고, 다시 일련의 과정을 반복하게 제어한다.

도 9d에서 감지부는 왼손으로 물체의 좌측을 잡은 현재상태를 인식하고 이를 기초로 파지목표영역에 오른손으로 파지가 가능함을 판단한다. 따라서, 파지목표영역인 물체의 우측 하단부를 오른손으로 파지하는 경로가 생성된다. 이로써, 작업종료 판단부는 '최종작업성공'을 판단하고, 모든 작업을 종료시킨다.

상술된 도 9a 내지 도 9d를 통해 파지목표영역에 장애물이 존재하면 파지목표영역이 아니더라도 파지가 가능한 영역에 대해 파지작업이 수행되고, 파지목표영역에 대해 파지작업이 수행될 때까지 안정적인 재파지가 이루어짐을 알 수 있다.

410: 감지부
420: 파지제어부
430: 메모리부
440: 구동부

Claims (9)

1. 각각 적어도 하나의 관절부 및 로봇 손을 가지는 복수의 로봇 팔을 구비한 로봇의 제어방법에 있어서,
   물체를 파지목표영역 및 파지가능영역들로 나누어 상기 파지목표영역 및 상기 파지가능영역들에 대응하는 파지방법들을 각각 저장하되, 상기 파지목표영역은 파지 동작이 최종적으로 수행되는 상기 물체의 영역이고, 상기 파지가능영역들은 상기 물체에서 상기 파지목표영역을 제외한 나머지 영역들이고, 상기 파지방법들은 상기 나눠진 영역들의 각각에 대해, 상기 물체를 중심으로 상기 로봇 손이 어디에 위치해야 하는지 및 어떤 로봇 손으로 상기 물체를 파지해야 하는지와 관련된 정보를 포함하고;
   상기 물체, 상기 적어도 하나의 관절부 및 장애물의 각각의 위치들을 감지하고;
   상기 장애물과 상기 물체의 상기 위치들 및 상기 적어도 하나의 관절부의 가동 가능한 각도 범위를 고려하여 상기 파지목표영역의 파지가 가능한지 여부를 판단하고;
   상기 파지목표영역의 파지가 가능하다고 판단되면 상기 파지목표영역에 대한 파지방법을 이용하여 파지 경로를 생성하고, 상기 파지목표영역의 파지가 불가능하다고 판단되면 상기 파지가능영역들 중 하나에 대한 파지방법을 이용하여 상기 파지경로를 생성하고;
   상기 생성된 파지경로를 추종하도록 각 로봇 팔의 상기 적어도 하나의 관절부 및 상기 로봇 손을 제어하는 로봇 제어방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 파지목표영역의 파지가 수행될 때까지 상기 감지, 상기 판단, 상기 생성 및 상기 제어를 반복하는 로봇 제어방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 파지방법들은 상기 물체를 파지하는 로봇 손 및 상기 물체를 파지하는 상기 로봇 손과 상기 물체의 상대적인 위치에 대한 정보를 포함하는 로봇 제어방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 판단에서, 상기 장애물이 상기 파지목표영역에 위치하거나, 상기 파지목표영역이 상기 적어도 하나의 관절부의 상기 가동 가능한 각도범위를 초과하는 위치에 존재하거나, 상기 파지목표영역의 파지가 상기 로봇의 균형(balance)을 잃게 하면 상기 파지목표영역의 파지가 불가능한 것으로 판단하는 로봇 제어방법.
   
5. 각각 적어도 하나의 관절부 및 로봇 손을 가지는 좌우 로봇 팔들을 구비한 로봇에 있어서,
   물체를 파지목표영역 및 파지가능영역들로 나누어 상기 파지목표영역 및 상기 파지가능영역들에 대응하는 파지방법들을 각각 저장하는 메모리부, 상기 파지목표영역은 파지 동작이 최종적으로 수행되는 상기 물체의 영역이고, 상기 파지가능영역들은 상기 물체에서 상기 파지목표영역을 제외한 나머지 영역들이고, 상기 파지방법들은 상기 나눠진 영역들의 각각에 대해, 상기 물체를 중심으로 상기 로봇 손이 어디에 위치해야 하는지 및 어떤 로봇 손으로 상기 물체를 파지해야 하는지와 관련된 정보를 포함하고;
   상기 물체, 상기 적어도 하나의 관절부 및 장애물의 각각의 위치들을 감지하는 감지부; 및
   상기 장애물과 상기 물체의 상기 위치들 및 상기 적어도 하나의 관절부의 가동 가능한 각도범위를 고려하여 상기 파지목표영역의 파지가 가능한지 여부를 판단하고, 상기 파지목표영역의 파지가 가능하다고 판단되면 상기 메모리부에 저장된 상기 파지목표영역에 대한 파지방법을 이용하여 파지경로를 생성하고, 상기 파지목표영역의 파지가 불가능하다고 판단되면 상기 메모리부에 저장된 상기 파지가능영역들 중 하나에 대한 파지방법을 이용하여 상기 파지경로를 생성하는 파지제어부를 포함하는 로봇.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 파지목표영역의 파지가 수행될 때까지, 상기 감지부는 상기 물체, 상기 적어도 하나의 관절부 및 상기 장애물의 각각의 위치들의 상기 감지를 반복하고, 상기 파지제어부는 상기 파지목표영역의 파지가 가능한지 여부에 대한 상기 판단 및 상기 파지경로의 상기 생성을 반복하는 로봇.
   
7. 제 5항에 있어서,
   상기 파지제어부는 상기 생성된 파지경로를 추종하도록 각 로봇 팔의 상기 적어도 하나의 관절부 및 상기 로봇 손을 제어하는 로봇.
   
8. 제 5항에 있어서,
   상기 메모리부는 상기 물체를 파지하는 로봇 손 및 상기 물체를 파지하는 상기 로봇 손과 상기 물체의 상대적인 위치에 대한 정보를 포함하는 상기 파지방법들을 저장하는 로봇.
   
9. 제 5항에 있어서,
   상기 파지제어부는 상기 장애물이 상기 파지목표영역에 위치하거나, 상기 파지목표영역이 상기 적어도 하나의 관절부의 상기 가동 가능한 각도범위를 초과하는 위치에 존재하거나, 상기 파지목표영역의 파지가 상기 로봇의 균형(balance)을 잃게 하면 상기 파지목표영역의 파지가 불가능한 것으로 판단하는 로봇.

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