KR101970951B1 - 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 매니퓰레이터 끝단 가속도, 조인트의 위치 및 속도를 검출하는 센싱부 및 센싱부의 검출 결과에 기초하여 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값을 산출하고, 센싱부에서 검출된 매니퓰레이터 끝단 가속도와 산출된 예측값을 비교하여 매니퓰레이터의 충돌을 판단하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로봇 조인트와 엔드 이팩터 사이의 기구학적 관계를 이용하여 로봇 매니퓰레이터의 충돌을 감지하는 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
로봇 기술이 발전함에 따라 로봇과 사람이 같은 작업 공간을 공유하는 경우가 늘어나고 있다. 이러한 경우 로봇이 사람과 가까이 작업을 하면서 사람 또는 알려져 있지 않은 주변 환경에 충돌을 하는 경우가 발생되어 사람이 다치거나 주변 환경의 물품들이 파손되는 경우가 발생될 수 있다.
이에 따라 예기치 않은 접촉 상황에 대한 인식 및 대응에 관련된 많은 연구가 이루어지고 있다. 인간과 로봇의 충돌은 10~15ms 이내의 짧은 시간 동안 큰 접촉력이 전달되는 특징을 가지고 있으며, 인간의 접촉에 대한 반응 속도는 100ms 정도에 해당하므로, 인간만의 반응으로는 로봇과의 충돌에 원활한 대응을 하기 어렵다.
이러한 이유로 로봇이 인간보다 빠르게 충돌 상황을 인식하고 적절한 대응을 수행하도록 하는 방안들이 연구되고 있으며, 종래의 방안은 주로 조인트 토크 데이터와 동역학 모델에 의한 추정 토크의 차이를 계산하여 충돌에 의한 외란 토크를 추정하는 방식으로 동작한다.
그러나, 종래의 충돌 감지 알고리즘들의 경우 로봇의 동역학 모델이 실제 로봇의 동역학과 일치하는 경우에는 외란에 의한 조인트 토크를 성공적으로 추정할 수 있으나, 실제 작업 환경에서는 작업물의 종류나 파지 형태에 따라 로봇의 동역학 모델이 변하게 되므로, 이를 완전히 모델링하기가 어려워 실적용에는 많은 문제점들이 존재하였다.
한편 본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-1369286호(2014.02.25.)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 로봇 충돌 검출 알고리즘의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 로봇 동역학 모델링 오차의 영향을 받지 않는 로봇 조인트와 엔드 이팩터 사이의 기구학적 관계만을 이용하여 로봇의 충돌을 검출하는 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치는 매니퓰레이터 끝단 가속도, 조인트의 위치 및 속도를 검출하는 센싱부; 및 상기 센싱부의 검출 결과에 기초하여 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값을 산출하고, 상기 센싱부에서 검출된 매니퓰레이터 끝단 가속도와 상기 산출된 예측값을 비교하여 매니퓰레이터의 충돌을 판단하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 연산부는 상기 센싱부에서 검출된 조인트의 위치 및 속도에 기초하여 상기 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 연산부는 조인트의 경로를 더 고려하여 상기 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 연산부는 자코비안(Jacobian)을 이용하는 로봇 매니퓰레이터 기구학에 따라 상기 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 연산부는 매니퓰레이터 조인트의 가속도 경로를 산출하여 상기 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 연산부는 로봇 제어기로부터 상기 조인트의 경로를 전달받는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 연산부는 상기 센싱부에서 검출된 매니퓰레이터 끝단 가속도와 상기 산출된 예측값의 차이가 임계값 이상이면 매니퓰레이터에 충돌이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 방법은 연산부가 센싱부를 통해 매니퓰레이터 끝단 가속도, 조인트의 위치 및 속도를 검출하는 단계; 상기 연산부가 검출된 조인트의 위치 및 속도에 기초하여 산출되는 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값과 검출된 매니퓰레이터 끝단 가속도의 차이를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 차이가 임계값 이상이면 상기 연산부가 매니퓰레이터에 충돌이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값과 검출된 매니퓰레이터 끝단 가속도의 차이를 산출하는 단계에서, 상기 연산부는 조인트의 경로를 더 고려하여 상기 차이를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값과 검출된 매니퓰레이터 끝단 가속도의 차이를 산출하는 단계에서, 상기 연산부는 매니퓰레이터 조인트의 가속도 경로를 산출하여 상기 차이를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치 및 방법은 로봇 조인트의 위치, 속도 등으로부터 추정되는 매니퓰레이터 끝단 가속도와 실제 검출치를 비교하여 매니퓰레이터의 충돌을 판단함으로써, 동역학 모델링과 조인트 토크 측정 오차에 의한 충돌 감지의 왜곡 가능성을 방지하고, 적은 비용 추가만으로 로봇 매니퓰레이터의 충돌을 검출할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치의 구성을 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치 및 방법의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치의 구성을 나타낸 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터를 나타낸 예시도로서, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치는 연산부(120)와 센싱부(130)를 포함한다.
한편 로봇 매니퓰레이터(1)는 로봇 제어기(110)에 의해 그 동작이 제어되며, 개념상 양 구성을 분리하여 도시하였을 뿐, 일반적으로 로봇 제어기(110)는 로봇 매니퓰레이터(1)에 포함되는 형태이다.
도 2에 도시된 것과 같이, 로봇 매니퓰레이터(1)는 적어도 하나 이상의 조인트(10)를 포함하며, 조인트(10)의 운동(일반적으로 회전운동)에 따라 전체적인 동작이 수행된다.
또한 매니퓰레이터 끝단(20)에는 작업을 위한 구성이 배치되는 것이 일반적이며, 예를 들어 연장 파지를 위한 인간형 로봇 손 등이 배치된다.
센싱부(130)는 매니퓰레이터 끝단 가속도, 조인트의 위치 및 속도를 검출할 수 있다. 구체적으로, 센싱부(130)는 매니퓰레이터 끝단(20)에 설치된 가속도센서를 통해 매니퓰레이터 끝단 가속도를 검출할 수 있으며, 조인트 인코더(joint encoder)를 통해 조인트의 위치 및 속도를 검출할 수 있다.
일반적으로 로봇 매니퓰레이터(1)의 구동 및 제어는 조인트(10)에 포함되어 있는 액추에이터(예: 모터)를 제어하는 것을 통해 이루어지며, 이러한 액추에이터를 제어하기 위해 피드백 제어가 사용되는 것이 일반적이다. 즉, 로봇 매니퓰레이터(1)의 구동 및 제어를 위해 조인트의 상태를 검출하는 센서(예: 조인트 인코더)가 구비되어 있는 것이 일반적이며 이러한 구성을 센싱부(130)로서 활용하는 것이 가능하다.
또한 연산부(120)의 경우에도 로봇 제어기(110)와 별도로 구성되는 것뿐만 아니라, 하나의 제어기(예: CPU, MCU 등) 내에 연산부(120)의 기능 및 로봇 제어기(110)의 기능이 구비되거나, 복수의 제어기들의 통합 제어에 의해 연산부(120)와 로봇 제어기(110)의 기능이 구현되는 것도 가능하므로, 본 발명에 따른 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치의 경우, 소프트웨어적 변경은 별론으로 하되, 기존의 로봇 매니퓰레이터에 가속도센서만을 추가하는 하드웨어 변경을 통해 구현이 가능하므로, 적은 비용 추가만으로 로봇 매니퓰레이터의 충돌을 검출할 수 있도록 한다.
연산부(120)는 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값을 산출하고, 이를 센싱부(130)에 의해 검출된 매니퓰레이터 끝단 가속도의 검출값과 비교하여 로봇 매니퓰레이터의 충돌을 검출할 수 있다.
이러한 연산부(120)는 종래에 일반적으로 사용되던 로봇 동역학이 아니라, 자코비안(Jacobian)을 이용하는 로봇 매니퓰레이터 기구학에 따라 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값을 산출함으로써, 동역학 모델링과 조인트 토크 측정 오차에 의한 충돌 감지의 왜곡 가능성을 방지할 수 있으며, 그 구체적인 방법은 다음과 같다.
구체적으로, 연산부(120)는 센싱부(130)에서 검출된 조인트의 위치 및 속도와 조인트의 경로를 고려하여 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값을 산출할 수 있다. 이때 조인트의 경로는 로봇 제어기(110)로부터 전달받을 수 있다.
좀 더 구체적으로, 매니퓰레이터의 속도 기구학은 아래의 수학식 1과 같이 자코비안(
)을 이용하여 표현된다.
여기서 
은 매니퓰레이터 끝단의 속도를, 
은 조인트 속도를 나타내는 열벡터이다. 또한 θ는 조인트의 각도를 나타내며, 로봇 매니퓰레이터(1)에 포함된 조인트의 개수에 따라 자코비안 행렬의 크기가 결정될 수 있고, 여기서의 값들은 모두 글로벌 좌표계 상에서의 값을 나타낸다.
가속도에 관한 정보를 얻기 위하여 이러한 수학식 1을 미분하면 아래의 수학식2를 얻을 수 있다.
여기서 α는 매니퓰레이터 조인트의 가속도 경로에 해당한다.
한편 가속도센서에 의한 가속도 측정값은 가속도센서의 좌표계 상에서 표현되므로, 가속도센서의 좌표계와 글로벌 좌표계 사이의 회전행렬인 R을 도입하고, 가속도센서에 의한 측정값과 연산부(120)에 의한 예측값 사이의 차이를 d로 표현하면, 다음의 수학식 3을 얻을 수 있다.
여기서 아래첨자 s는 가속도센서에 의해 측정된 값을 의미한다.
따라서 측정값과 예측값 사이의 차이인 d에 대해 수직을 정리하면 다음과 같은 수학식 4를 얻을 수 있다.
따라서 연산부(120)는 d의 값이 미리 설정된 임계값 이상이면 매니퓰레이터에 충돌이 발생한 것으로 판단할 수 있으므로, 이러한 d의 값을 모니터링하여 충돌이 발생한 것을 즉각적으로 파악할 수 있다.
이러한 방법을 통해 연산부(120)는 충돌의 발생 직후(예: 5ms 이후)에 충돌이 발생하였음을 파악할 수 있으므로, 충돌이 발생하였음을 알리는 신호를 로봇 제어기(110)에 전달하여, 충돌에 따른 제어가 수행되도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 3에 도시된 것과 같이, 연산부(120)는 먼저 센싱부(130)를 통해 조인트 위치, 속도 및 매니퓰레이터 끝단 가속도를 측정한다(S200). 예를 들어, 매니퓰레이터 끝단(20)에 설치된 가속도센서를 통해 매니퓰레이터 끝단 가속도를 검출할 수 있으며, 조인트의 상태를 검출하는 인코더를 통해 조인트의 위치 및 속도를 검출할 수 있다.
이어서 연산부(120)는 상기 단계(S200)에서 측정된 조인트 위치 및 속도와 조인트 경로에 근거하여 예상되는 끝단 가속도를 산출한다(S210). 즉, 연산부(120)는 로봇 동역학이 아닌 로봇 매니퓰레이터의 속도 기구학을 이용하여 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값을 산출할 수 있다.
상기 단계(S210) 이후, 연산부(120)는 상기 단계(S210)에서 산출된 끝단 가속도 예측치와 상기 단계(S200)에서 측정된 끝단 가속도 측정치를 비교하여 매니퓰레이터의 충돌/오작동을 판단한다(S220). 즉, 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값과 검출된 매니퓰레이터 끝단 가속도의 차이가 임계값 이상이면 매니퓰레이터의 충돌/오작동이 발생하였다고 판단할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 실시예에서, 연산부(120)는 조인트 위치, 속도 및 매니퓰레이터 끝단 가속도의 측정 이후, 조인트의 위치 및 속도에 기초하여 산출되는 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값과 검출된 매니퓰레이터 끝단 가속도의 차이를 바로 산출하도록 구성될 수도 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치 및 방법은 로봇 조인트의 위치, 속도 등으로부터 추정되는 매니퓰레이터 끝단 가속도와 실제 검출치를 비교하여 매니퓰레이터의 충돌을 판단함으로써, 동역학 모델링과 조인트 토크 측정 오차에 의한 충돌 감지의 왜곡 가능성을 방지하고, 적은 비용 추가만으로 로봇 매니퓰레이터의 충돌을 검출할 수 있도록 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1: 로봇 매니퓰레이터
10: 조인트
20: 매니퓰레이터 끝단
110: 로봇 제어기
120: 연산부
130: 센싱부
10: 조인트
20: 매니퓰레이터 끝단
110: 로봇 제어기
120: 연산부
130: 센싱부
Claims (10)
- 매니퓰레이터 끝단 가속도, 조인트의 위치 및 속도를 검출하는 센싱부; 및
조인트의 경로와, 상기 센싱부에서 검출된 조인트의 위치 및 속도에 기초하여 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값을 산출하고, 상기 센싱부에서 검출된 매니퓰레이터 끝단 가속도와 상기 산출된 예측값을 비교하여 매니퓰레이터의 충돌을 판단하는 연산부를 포함하고,
상기 연산부는 자코비안(Jacobian)을 이용하는 로봇 매니퓰레이터 기구학에 따라 상기 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값을 산출하되, 매니퓰레이터 조인트의 가속도 경로를 산출하여 상기 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값을 산출하는 것을 특징으로 하는 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 연산부는 상기 센싱부에서 검출된 매니퓰레이터 끝단 가속도와 상기 산출된 예측값의 차이가 임계값 이상이면 매니퓰레이터에 충돌이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 연산부는 아래의 수학식에 따라,
(수학식)
(여기서 R은 가속도센서의 좌표계와 글로벌 좌표계 사이의 회전행렬을 의미하고, as는 검출된 가속도를 의미하며, θ는 조인트의 각도를 의미하고, ω는 조인트 속도를 의미하며, α는를 의미한다.)
상기 차이를 산출하는 것을 특징으로 하는 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 연산부는 로봇 제어기로부터 상기 조인트의 경로를 전달받는 것을 특징으로 하는 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 장치.
- 삭제
- 연산부가 센싱부를 통해 매니퓰레이터 끝단 가속도, 조인트의 위치 및 속도를 검출하는 단계;
상기 연산부가 검출된 조인트의 위치 및 속도에 기초하여 산출되는 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값과 검출된 매니퓰레이터 끝단 가속도의 차이를 산출하는 단계; 및
상기 산출된 차이가 임계값 이상이면 상기 연산부가 매니퓰레이터에 충돌이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함하고,
상기 매니퓰레이터 끝단 가속도의 예측값과 검출된 매니퓰레이터 끝단 가속도의 차이를 산출하는 단계에서, 상기 연산부는, 조인트의 경로를 더 고려하여 상기 차이를 산출하되, 자코비안(Jacobian)을 이용하는 로봇 매니퓰레이터 기구학에 따라 매니퓰레이터 조인트의 가속도 경로를 산출하여 상기 차이를 산출하는 것을 특징으로 하는 로봇 매니퓰레이터 충돌 검출 방법. - 삭제
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|---|---|---|---|---|
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| JP2017177255A (ja) * | 2016-03-29 | 2017-10-05 | ソニー株式会社 | 制御装置及び制御方法 |
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