KR102003445B1 - 로봇 매니퓰레이터의 개방 루프 제어 및 폐쇄 루프 제어를 수행하는 장치 및 방법 - Google Patents

로봇 매니퓰레이터의 개방 루프 제어 및 폐쇄 루프 제어를 수행하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 M 개의 액추에이터들(ACTm)에 의해 구동되며 엔드 이펙터를 갖는 로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외력 와인더(external force winder)
Figure 112017093449034-pct00177
를 기록하고 및/또는 가용되게 하는 제1 유닛(101) 및 상기 제1 유닛(101) 및 상기 액추에이터들(ACTm)에 연결된 조절기(102)로서, 힘 조절기인 제1 조절기(R1) 및 상기 제1 조절기(R1)에 연결된 제2 조절기(R2)를 포함하며, 상기 제2 조절기(R2)는 임피던스 조절기, 어드미턴스 조절기, 위치 조절기 또는 정속 제어기이며, 상기 조절기(102)는 조작된 변수들 um(t)을 결정하고, 상기 조작된 변수들에 의해서, 상기 엔드 이펙터가 물체의 표면과 접촉할 때 상기 물체에 사전규정된 힘 와인더
Figure 112017093449034-pct00178
를 가하도록, 상기 액추에이터들(ACTm)가 작동되는, 상기 조절기(102);를 포함하며, um(t) = um,R1(t) + um,R2(t) 이고, 상기 제 1 조절기(R1)는 상기 조작된 변수 um,R1(t)가 조작된 변수 um,R1(t)* 및 함수 S(v(t))의 적(product)으로서, 또는 Q-차원 함수 S*(v*(t), um,R1(t)*)로서 결정되도록 실시 및 구성되며, 여기서, um,R1(t) = S(v(t))um,R1(t)* 또는 um,R1(t) = S*(v*(t), um,R1(t)*); v(t) = v(
Figure 112017093449034-pct00179
,
Figure 112017093449034-pct00180
); v ∈ [va, ve], v*(t) = v*(
Figure 112017093449034-pct00181
,
Figure 112017093449034-pct00182
) = [v1*(
Figure 112017093449034-pct00183
,
Figure 112017093449034-pct00184
),...,vQ*(
Figure 112017093449034-pct00185
,

Description

로봇 매니퓰레이터의 개방 루프 제어 및 폐쇄 루프 제어를 수행하는 장치 및 방법
본 발명은 M 개의 액추에이터 ACTm(m = 1, 2, ..., M)에 의해 구동되고 엔드 이펙터(end effector)를 갖는 로봇 매니퓰레이터(manipulator)의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 데이터 프로세싱 장치를 갖는 컴퓨터 시스템, 디지털 저장 매체, 컴퓨터 프로그램 제품 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
로봇 매니퓰레이터는 반복 가능한 속도와 정밀도와 관련하여, 작업을 핸들링하는 성능이 인간을 능가할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 작업을 수행함에 있어서, 힘을 민감하게 가하는 것과 순응성의 측면에서, 인간이 로봇 매니퓰레이터보다 우수하며, 이러한 바는 물체들이 민감하게 조작되거나 조립되는 것을 요구하는 실제 용도들에서 대체적으로 명백하게 나타난다. 로봇 매니퓰레이터는 접촉력과 이동 순서들의 복잡한 조율을 필요로 한다.
이러한 맥락에서, 로봇 매니퓰레이터의 "임피던스 제어(impedance control)"가 알려져 있다. 로봇 매니퓰레이터의 임피던스 제어 개념은 예를 들어, 외부에서 에니메이션된 질량 스프링 댐퍼 모델(externally animated mass spring damper model)을 기반으로 하는, 로봇 매니퓰레이터의 능동 제어에 의해 인간의 행동을 모방하는 것을 목표로 한다.
일반적으로, 로봇 매니퓰레이터의 목표된 순응성은, 능동 제어에 의해서, 유연성 구성요소들을 로봇 매니퓰레이터 내에 삽입함으로써 또는 이들의 조합에 의해서, 생성될 수 있다. 커플링되지 않은 탄성 조인들들에 의해서만 임의의 Cartesian 순응성을 생성하는 것을 불가능하다고 또한 알려져 있으며(Albu-Schaffer, A., Fischer, M., Schreiber, G., Schoeppe, F., & Hirzinger, G. (2004). Soft robotics: What Cartesian stiffness can obtain with passively compliant, uncoupled joints. IROS . 참조), 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해서, 로봇 매니퓰레이터의 수동적 순응성이 언제나 능동 제어와 결합되어야 한다. 이렇게 함으로써, 물체 모델/표면 모델에서의 부정확성을 피할 수 있고, 규정된 힘을 환경에 가할 수 있으며, 및/또는, 물체를 조작할 수 있다.
또한, "능동 상호작용 제어(active interaction control)"도 알려져 있다. 능동 상호작용 제어는 "직접" 강제 제어 및 "간접" 강제 제어로 분류될 수 있다(Villani, L., & De Schutter, J. (2008). force Control. In O. Khatib, Springer Handbook of Robotics (p. 161--185). Springer. 참조). 최근에, 가상 위치의 변화를 갖는 그러한 힘 조절기가 도입되었다(Lutscher, E., & Cheng, G. (2014). Constrained Manipulation in Unstructured Environment Utilizing Hierarchical Task Specification for Indirect force Controlled Robots. IEEE International Conference on Robotics and Automation 2014 ( ICRA2014 ), 및 Lee, D., & Huang, K. (2010). Passive-set-position-modulation framework for interactive robotic systems. IEEE Transactions on Robotics (p. 354--369). IEEE 참조). 또한, 상이한 공간들에서 미리 정해진 강제 조건 하에서의 힘, 위치 및/또는 임피던스 제어가 알려져 있다(Borghesan, G., & De Schutter, J. (2014). Constraint-based specification of hybrid position-impedance-power tasks. IEEE International Conference on Robotics and Automation 2014 (ICRA2014) 참조).
로봇 매니퓰레이터 제어 분야에서 상당한 발전이 이루어졌지만, 다음과 같은 단점들이 계속 존재한다.
예를 들어, 전적으로 임피던스 제어형 로봇 매니퓰레이터는 오직 피드 포워드 제어(pure feed forward control)에 기초하거나 로봇 매니퓰레이터의 엔드 이펙터의 가상 목표 위치(virtually desired position)의 각각의 변위에 기초하여, 목표된 힘을 발생시킨다. 따라서, 이러한 조절기 부류는 외력을 명시적으로 고려하지 않지만, 로봇 매니퓰레이터의 엔드 이펙터의 사전결정된 힘/토크가 충분한 정확도로 환경/물체/가공물 등에 가해지는 경우에, 외력을 고려하는 것이 필요하다. 또한, 이러한 조절기 방식이 작동하기 위해서는 기하학적 특성 및 순응성 특성과 관련하여 충분한 정확도로 해당 환경이 모델링되어야 한다. 그러나, 이는 임피던스 제어가 모델링되지 않은 환경에서 작동한다는 임피던스 제어의 기본적인 사상과 모순된다.
미리 규정된 큰 힘이 피드 포워드 제어를 통해 로봇 매니퓰레이터의 이펙터에 의해 물체(환경)에 가해진다면, 이펙터와 물체 사이의 접촉이 단절되는 경우에 잠재적으로 위험한 순간적이면서 큰 움직임이 (이동된 이펙터 경로, 속도 및 가속도와 관련하여) 로봇 매니퓰레이터에 의해서 실행된다는 것은, 순수한 임피던스 제어형 로봇 매니퓰레이터에 대해서 더욱 불리한 점이다. 이러한 바는, 예를 들어, 접촉 단절의 경우에 이펙터의 실제 위치로부터 멀리 떨어져 있는 이펙터의 가상 목표 위치로 인해 초래된다.
또한, 로봇 매니퓰레이터의 "순수한 힘 제어"가 알려져 있다. 로봇 매니퓰레이터의 힘 제어는 환경과 충분한 외력을 교환하기 위한 기초사항을 제공하고 따라서 물체 또는 물체의 표면의 정확한 조작을 용이하게 한다. 이러한 능력은 로봇 매니퓰레이터의 산업적 용도에서 본질적인 필수 요소이다. 따라서, 다소 부정확한 임피던스 제어는 힘 제어에 대한 대안이 아니다. 이러한 문제는 다양한 방식의 소위 혼성 위치 힘 제어로 이어졌다(Raibert, M. H., & Craig, J. J. (1981). Hybrid position/power control of manipulators. ASME Journal of Dynamical Systems, Measurement and Control, (p. 126-133) 참조). 이러한 혼성 위치 힘 제어는 개별 공간들에서 힘 또는 토크와 움직임이 가해지고 제어되도록 소위 "작업 공간"을 보완적인 힘 및 위치 공간들로 분할하는 사상에 기초한다.
공지된 혼성 위치 힘 제어의 단점은 로봇 매니퓰레이터와 환경 간의 접촉이 단절된 경우에 매우 낮은 신뢰성을 갖는다는 점이다. 또한, 이러한 경우에, 양호한 제어 성능을 확보하기 위해 환경이 정확하게 모델링되어야 하지만, 이러한 모델링은 충분한 품질을 거의 갖지 못한다.
이러한 조절기의 안정성을 확보하기 위해서, 해당 환경은 일반적으로 간단한 스프링 댐퍼 시스템으로 모델링된다. 그의 안정성 분석에 대한 코멘트를 포함한, 다양한 힘 조절기에 대한 개요는 Zeng, G., & Hemami, A. (1997). An overview of robot force control. Robotica (p. 473 - 482). Cambridge Univ Press에서 찾아 볼 수 있다. 그러한 힘 조절기에 대한 매우 일반적인 단점이 Duffy, J. (1990). The fallacy of modern hybrid control theory that is based on orthogonal complements of twist and wrench spaces. (p. 139--144). Wiley Online Library에 명시되어 있는데, 이러한 단점은 메트릭이나 좌표 시스템에 대한 잘못된 선택이 종종 발생하기 때문이다.
본 발명의 목적은, 위에서 언급한 단점들을 상당 부분 피할 수 있는, 엔드 이펙터를 갖는 M 개의 액추에이터들(ACTm)(m = 1, 2, ... M)에 의해 구동되는 로봇 매니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 장치 및 방법을 특정하는 것이다. 특히, 엔드 이펙터가 물체와의 접촉이 단절된 후에 로봇 매니퓰레이터의 더 큰 움직임이 억제되어야 한다.
본 발명은 독립항들의 특징들로부터 명백해진다. 유리한 추가 진보사항들 및 실시형태들이 종속항들에 기재되어 있다. 본 발명의 다른 특징들, 적용 가능성들 및 이점들은 도면들에 예시된 본 발명의 예시적인 실시예들의 설명 및 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
제 1 양태에 따르면, 상기 목적은 엔드 이펙터를 갖는 M 개의 액추에이터들 (ACTm)(m = 1, 2, ..., M)에 의해 구동되는 로봇 매니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 장치에 의해 달성된다. 본 명세서에서 "액추에이터"라는 용어는 광범위하게 이해되어야 한다. 액추에이터는 예를 들어, 전기 모터, 선형 모터, 다상(multiphase) 모터, 압전 액추에이터 등을 포함한다.
본 장치는 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외력 와인더(external force winder)
Figure 112017093449034-pct00001
를 기록하고 및/또는 가용되게 하는 제 1 유닛을 포함하며, 여기서
Figure 112017093449034-pct00002
:= 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외력이며,
Figure 112017093449034-pct00003
:= 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외부 토크이다. 이를 위해서, 상기 제 1 유닛은 상기 외력 와인더
Figure 112017093449034-pct00004
를 기록하기 위한 센서 시스템, 및/또는 상기 외력 와인더
Figure 112017093449034-pct00005
를 추정하기 위한 추정기를 갖는다. 상기 센서 시스템은 유리하게는 하나 이상의 힘 센서 및/또는 토크 센서를 포함한다. 상기 추정기는 바람직하게는 외력 와인어
Figure 112017093449034-pct00006
를 추정하도록 프로그램을 실행시키는 프로세서를 포함한다.
또한, 본 제안된 장치는 상기 제 1 유닛 및 상기 액추에이터들(ACTm)에 연결된 조절기(regulator)를 포함하며, 상기 조절기는 힘 조절기(force regulator)인 제 1 조절기(R1), 및 상기 제 1 조절기(R1)에 연결된 제 2 조절기(R2)를 포함하며, 상기 제 2 조절기(R2)는 임피던스 조절기(impedance regulator), 어드미턴스 조절기(admittance regulator), 위치 조절기 또는 정속 제어부(cruise control) 또는 이들의 조합이며, 상기 조절기는 조작된 변수들 um(t)을 결정하고, 상기 조작된 변수들에 의해서, 상기 액추에이터들(ACTm)이, 상기 엔드 이펙터가 물체의 표면과 접촉할 때에, 상기 엔드 이펙터가 상기 물체에 사전규정된 힘 와인더
Figure 112017093449034-pct00007
를 가하도록, 작동되며,
여기서
Figure 112017093449034-pct00008
Figure 112017093449034-pct00009
:= 사전규정된 힘이며,
Figure 112017093449034-pct00010
:= 사전규정된 토크이며, um,R1(t) := 상기 제 1 조절기(R1)의 조작된 변수들의 비이며, um,R2(t) := 상기 제 2 조절기(R2)의 조작된 변수들의 비이며, t는 시간이다. 상기 사전규정된 힘 와인더
Figure 112017093449034-pct00011
는 로봇에 대어진 물체로부터 기인된다.
이렇게 함으로써, 상기 제 1 조절기(R1)는 상기 조작된 변수 um,R1(t)가 조작된 변수 um,R1(t)*및 함수 S(v(t))의 적(product)으로서, 또는 Q-차원 함수 S*(v*(t), um,R1(t)*)로서 결정되도록 실시 및 구성되며, 여기서,
Figure 112017093449034-pct00012
,
um,R1*(t) := 상기 사전규정된 힘 와인더
Figure 112017093449034-pct00013
를 생성하도록 상기 제 1 조절기(R1)에 의해서 결정된 조작된 변수이며,
Figure 112017093449034-pct00014
:= 상기 조절기에 의해서 가용되게 되는 조절기 편차이며, S(v(t)) :=
Figure 112017093449034-pct00015
및
Figure 112017093449034-pct00016
에 의존하는, 변수 v(t)의 단조적으로 감소하는 함수이며, S*(v*(t),um,R1(t)*) := um,R1(t)*의 영향이 Q 개의 개별 성분들 [v1*(t), v2*(t), ..., VQ*(t)] 각각에서 기본적으로 단조적으로 감소하는 함수이며, [va,ve] := 상기 변수 v(t)의 사전규정된 정의역(definition area)이며, [v1a, v1e], [v2a, v2e], ..., [vQa, vQe] := 차원 Q의 벡터 정량 v*(t)의 성분별 사전규정된 정의역이다.
이로써, 일 대안에서, 본 발명은 힘 조절기(R1)의 상기 조작된 변수들의 비 um,R1(t)를 특징으로 하며, 이러한 비는 통상적으로 결정되며, 단조 감소하는 함수 S(v(t)) = S(v(
Figure 112017093449034-pct00017
,
Figure 112017093449034-pct00018
)) (이른바 "성형 함수")와 함께 승산되며, 이로써, 상기 엔드 이펙터가 환경과의 접촉이 차단되는 때에, 상기 로봇 메니퓰레이터의 더 큰 움직임이 억제될 수 있다. 상기 "성형" 효과는 또한 일 대안에서, um,R1(t)가 함수 S*(v(t), um,R1(t)*)로서 결정되는 경우에도 달성될 수 있다. 그렇게 함으로써, 본 발명에 따른 "성형" 효과는 상기 힘 조절기의 모든 구성들에 대해서 달성되며, 이러한 힘 조절기는 조작된 변수 um,R1(t)* 및 함수 S(v(t)) 간의 적으로서 수학적으로는 표현될 수 없다. 예를 들어서, PID 조절기의 개별 구성요소들은 서로 상이한, 각기 단조적으로 감소하는 성형 함수 S*1(v*1(t)), S*2(v*2(t)), ...를 가질 수 있다.
함수 S(v(t))는 바람직하게는 [1, 0]의 값 영역을 가지며, 여기서 상기 엔드 이펙터가 환경과 접촉하는 경우에(정상적인 동작의 경우에), S(v(t)) = 1이다. 상기 엔드 이펙터와 환경 간의 접촉이 손실되면, 큰 음의 편차
Figure 112017093449034-pct00019
)가 상기 조절기에서 발생한다. S(v(t))는 바람직하게는, 상기 음의 편차
Figure 112017093449034-pct00020
) 및 상기 엔드 이펙터에 인가될 상기 힘 와인더
Figure 112017093449034-pct00021
가 클수록, 상기 함수 v(t)가 보다 신속하게 1에서 제로로 감소하도록 작동된다. 이는 유사하게 S*(v*(t))에 적용가능하다.
본 제안된 장치의 추가 실시형태는, 상기 물체가 탄성이고(엔드 이펙터는 상기 물체와 접촉하여 상기 물체에 힘 와인더
Figure 112017093449034-pct00022
를 인가함), 상기 물체의 표면이 유연성이 있는 경우에, 상기 조절기는 상기 조작된 변수들 um(t)을 결정할 때상기 물체의 사전규정된 탄성 특성들을 고려하는 것을 특징으로 한다.
본 제안된 장치의 추가 실시형태는, 상기 장치가 제 2 유닛을 포함하며, 상기 제 2 유닛은, 상기 조절기의 비활성화(passivation) 동안 에너지 저장부 역할을 하며, 사전규정된 에너지 저장 동력학에 따라서 상기 조절기로부터 유래되는 에너지(T1)를 저장하며, 에너지(T2)를 상기 조절기에 공급하며, 상기 제 2 유닛 및 상기 조절기는 폐쇄-루프를 형성하고, 에너지(T0)를 갖는 상기 제 2 유닛의 초기화는 상기 로봇 메니퓰레이터의 현 작업을 구현하기 위한 결정된 또는 사전규정된 에너지 소모량(EExpenditure)에 의존하는 것을 특징으로 한다. 이렇게 함으로써, 제 2 유닛에 의해서 저장된 상기 저장된 에너지(E)는 가상 또는 물리적 에너지일 수 있다. 저장된 에너지가 가상 에너지인 경우에, 가상 에너지는 오직 연산자이다. 저장된 에너지가 물리적 에너지인 경우에, 물리적 에너지는 예를 들어 전기적 에너지이며, 이 경우에, 제 2 유닛은 대응하는 물리적 에너지 저장부(예를 들어, 배터리)를 포함한다. 이러한 추가 실시형태의 두 번째 경우는 로봇 메니퓰레이터의 개선된, 즉 비활성화된(passivated) 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 실현하며, 이 뿐만 아니라, 이와 동시에, 로봇 메니퓰레이터의 동작 동안에는 에너지 소모량을 저감시킨다.
상기와 같은 추가 실시형태에서, 유리하게는, 에너지 상한치(G1)가 규정되고, 상기 제 2 유닛은 E ≤ G1가 상기 제 2 유닛 내에 저장된 상기 에너지(E)에 대해서 언제나 성립하도록 실시 및 구성된다. 또한, 유리하게는, 에너지 하한치(G2)가 0 < G2 < G1로서 규정되고, G2 < E ≤ G1이 상기 제 2 유닛 내에 저장된 상기 에너지(E)에 대해서 성립되는 경우에, 상기 제 2 유닛은 상기 조절기에 연결되고, E ≤ G2가 상기 제 2 유닛 내에 저장된 상기 에너지(E)에 대해서 성립되는 경우에, 상기 제 2 유닛은 상기 조절기로부터 분리되도록, 상기 제 2 유닛은 구성된다.
본 발명의 다른 양태는 엔드 이펙터를 가지며 m = 1, 2, ..., M인 M 개의 액추에이터들(ACTm)에 의해 구동되는 로봇 메니퓰레이터를 갖는 로봇으로서, 상술한 장치를 갖는, 로봇에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양태는 m = 1, 2, ..., M인 M 개의 액추에이터들(ACTm)에 의해 구동되며 엔드 이펙터를 갖는 로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다: 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외력 와인더
Figure 112017093449034-pct00023
를 기록하고 및/또는 가용되게 하는 제 1 단계로서,
Figure 112017093449034-pct00024
:= 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외력이며,
Figure 112017093449034-pct00025
:= 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외부 토크인, 상기 제 1 단계; 및 상기 제 1 유닛 및 상기 액추에이터들(ACTm)에 연결된 조절기로서, 상기 조절기는 힘 조절기인 제 1 조절기(R1), 및 상기 제 1 조절기(R1)에 연결된 제 2 조절기(R2)를 포함하며, 상기 제 2 조절기(R2)는 임피던스 조절기, 어드미턴스 조절기, 위치 조절기 또는 정속 제어부 또는 이들의 조합인, 상기 조절기를 사용하여서, 조작된 변수들 um(t)을 결정하는 제 2 단계로서, 상기 조작된 변수들에 의해서, 상기 액추에이터들(ACTm)이, 상기 엔드 이펙터가 물체의 표면과 접촉할 때에, 상기 엔드 이펙터가 상기 물체에 사전규정된 힘 와인더
Figure 112017093449034-pct00026
를 가하도록, 작동되는, 상기 제 2 단계를 포함하며, 여기서,
Figure 112017093449034-pct00027
Figure 112017093449034-pct00028
:= 사전규정된 힘이며,
Figure 112017093449034-pct00029
:= 사전규정된 토크이며, um,R1(t) := 상기 제 1 조절기(R1)의 조작된 변수들의 비이며, um,R2(t) := 상기 제 2 조절기(R2)의 조작된 변수들의 비이며, 상기 제 1 조절기(R1)는 상기 조작된 변수 um,R1(t)가 조작된 변수 um,R1(t)*및 함수 S(v(t))의 적으로서, 또는 Q-차원 함수 S*(v*(t), um,R1(t)*)로서 결정하도록 실시 및 구성되며, 여기서,
Figure 112017093449034-pct00030
여기서, um,R1*(t) := 상기 사전규정된 힘 와인더
Figure 112017093449034-pct00031
를 생성하도록 상기 제 1 조절기(R1)에 의해서 결정된 조작된 변수이며,
Figure 112017093449034-pct00032
:= 상기 조절기의 제공된 음의 편차이며, S(v(t)) :=
Figure 112017093449034-pct00033
및
Figure 112017093449034-pct00034
에 의존하는, 변수 v(t)의 단조적으로 감소하는 함수이며, S*(v*(t),um,R1(t)*) := um,R1(t)*의 영향이 Q 개의 개별 성분들 [v1*(t), v2*(t), ..., VQ*(t)] 각각에서 기본적으로 단조적으로 감소하는 함수이며, [va,ve] := 상기 변수 v(t)의 사전규정된 정의역(definition area)이며, [v1a, v1e], [v2a, v2e], ..., [vQa, vQe] := 차원 Q의 벡터 정량 v*(t)의 성분별 사전규정된 정의역이다.
바람직하게는, 상기 물체가 탄성이고 상기 물체의 표면이 유연성이 있는 경우에, 상기 조절기는 상기 조작된 변수들 um(t)을 결정할 때상기 물체의 사전규정된 탄성 특성들을 고려할 것이다.
또한, 바람직하게는, 상기 방법은 제 2 유닛을 사용하여, 상기 조절기의 비활성화 동안에 에너지를 저장하고, 사전규정된 에너지 저장 동력학에 따라서 상기 조절기로부터 유래되는 에너지(T1)를 저장하며, 에너지(T2)를 상기 조절기에 공급하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 유닛 및 상기 조절기는 폐쇄-루프를 형성하고, 에너지(T0)를 갖는 상기 제 2 유닛의 초기화는 상기 로봇 메니퓰레이터의 현 작업을 구현하기 위한 결정된 또는 사전규정된 에너지 소모량(EExpenditure)에 의존한다.
상기 제안된 방법에 대한 이점 및 바람직한 추가 실시형태들은 상기 제안된 장치에 관한 상기 설명들을 유사하게 적용하거나 필요한 부분을 약간 수정함으로써 달성된다.
본 발명의 다른 양태는 데이터 프로세싱 장치를 갖는 컴퓨터 시스템에 관한 것으로, 상기 데이터 프로세싱 장치는 상기 설명된 방법이 상기 데이터 프로세싱 장치 상에서 실행되도록 설계된다.
본 발명의 또 다른 양태는 전자적으로 판독 가능한 제어 신호를 갖는 디지털 저장 매체에 관한 것으로, 상기 제어 신호는 상술한 바와 같은 방법이 실행되도록 프로그램 가능한 컴퓨터 시스템과 상호 작용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는, 머신 판독가능한 매체(carrier) 상에 저장된 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램 제품으로서, 상기 프로그램 코드가 데이터 프로세싱 장치 상에서 실행되면, 상기 프로그램 코드는 상술한 방법을 구현한다.
본 발명의 또 다른 양태는, 컴퓨터 프로그램이 데이터 프로세싱 장치 상에서 실행되는 경우, 상술한 바와 같은 방법을 구현하도록 하는 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다. 이렇게 하기 위해, 데이터 프로세싱 장치는 당업계에 공지된 임의의 컴퓨터 시스템으로서 설계될 수 있다.
이로써, M = 1, 2, ..., M인 M 개의 액추에이터(ACTm)에 의해 구동되며 엔드 이펙터를 갖는 로봇 매니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하기 위한 제안된 장치 및 제안된 방법은 힘 제어를 임피던스 제어(도 1 참조) 및 에너지 탱크와 결합함으로써 기인되는 신뢰성이 있는 수동-기반 접근 방식에 기초한다. 본 발명은 임의의 수동적 환경이 수용될 수 있게 하며, 따라서 가상 목표 위치의 변화에 대한 필요가 없으며, 한편 이러한 가상 목표 위치 변화는 다소 신뢰성이 덜한 거동을 갖게 된다. 본 발명은 힘 제어 또는 임피던스 제어 중 하나를 선택할 필요없이 로봇 매니퓰레이터가 환경에 대해서 신뢰할만하면서 유연성이 있고 안정한 조작을 가능하게 한다. 또한, 상술한 힘 제어 및 임피던스 제어의 고유한 단점이 회피되고, 힘 제어 및 임피던스 제어의 장점이 가능한 한 최상으로 조합된다. 특히, 엔드 이펙터와 환경 간의 접촉 손실로 인해 야기되는 로봇 매니퓰레이터의 위험한 움직임이 회피된다.
이하의 설명은 A) 로봇 모델링, B) 조절기 설계, C) 접촉 손실의 안정화, 및 D) 유연성이 있고 강하게 순응하는 물체의 취급과 같은 주제들과 관련하여서 본 발명을 상세히 설명한다.
A. 로봇 모델링
A1. 강체 동력학 (Rigid body dynamics)
n 개의 조인트들(joints)(자유도(degree of freedom): DOF)을 갖는 로봇 메니퓰레이터의 알려진 동력학은 다음과 같다:
Figure 112019016974472-pct00194
(5)
여기서,
Figure 112019016974472-pct00195
는 조인트 위치이다. 질량 행렬은
Figure 112019016974472-pct00196
로 주어지며, Coriolis 및 원심 벡터는
Figure 112019016974472-pct00197
로 주어지며, 중력 벡터는
Figure 112019016974472-pct00198
로 주어진다. 본 시스템의 제어 입력은 모터 토크는
Figure 112019016974472-pct00199
이며, 여기서,
Figure 112019016974472-pct00200
는 모든 외부적으로 입력되는 토크들을 포함한다. 이렇게 함으로써, 마찰력은 무시되고 이로써 본 예시를 단순화시킨다. Cartesian 공간 내에서의 외력들은 벡터
Figure 112019016974472-pct00201
로 주어지고, 이는 힘-토크 벡터를 나타낸다. 상기 벡터는 전치된 Jacobian 행렬
Figure 112019016974472-pct00044
에 의해서 외부 조인트 토크들로 표현되며 이는 다시
Figure 112019016974472-pct00202
에 의해서 표현될 수 있다.
A2. 유연성 조인트의 동역학
경량 설계 로봇 매니퓰레이터 또는 조인트들에서 스프링을 갖는 로봇 매니퓰레이터를 위해서, 상기 등식(5)은 트랜스미션과 같은 유연성 구조체의 존재에 의해 생성된 고유한 동역학을 설명하기에 충분하지 않다. 따라서, 탄성 조인트를 가진 로봇 매니퓰레이터의 (축소) 모델이 이러한 구조체에 대해 아래와 같이 가정된다(Spong, M. (1987). Modeling and Control of Elastic Joint Robots. ASME J. on Dynamic Systems, Measurement, and Control, (p. 310-319) 참조):
Figure 112019016974472-pct00203
(6)
Figure 112019016974472-pct00204
(7)
Figure 112019016974472-pct00205
(8)
여기서,
Figure 112019016974472-pct00206
는 상기 모터 위치이다. 등식들(6) 및 (7) 각각은 출력 측 동력학 및 구동 측 동력학을 기술한다. 등식(8)은 등식들(6) 및 (7)을, 상기 조인트 토크
Figure 112019016974472-pct00207
에 의해서 결합시키며, 이러한 조인트 토크는 선형 스프링 토크로서 가정된다. 이는 본 기술 분야의 당업자에 의해서 비선형 조인트 스프링으로 용이하게 확장될 수 있다. 그렇게 함으로써, 조인트에서의 댐핑은 무시될 수 있는데, 그 이유는 그러한 확장은 사소한 것이며 따라서 본 명세서에서 고려되지 않기 때문이다. 행렬들
Figure 112019016974472-pct00208
및
Figure 112019016974472-pct00209
은 모두 일정한, 양의(positive) 규정된 대각 행렬들이며, 이들은 각각 상기 모터의 관성 및 조인트의 스티프니스(stiffness)를 기술한다. 상기 출력 측 동력학 및 구동 측 동력학은 본 명세서에서 고려되지 않는다.
B. 조절기 설계(Regulator design)
B1. Cartesian 임피던스 조절기
탄성 조인트들을 갖는 로봇 메니퓰레이터들의 안정된 임피던스 제어는 본 시스템의 능숙한 비활성화(passivation)에 의해서 달성될 수 있다. 이는 예를 들어, 상기 위치 피드백이 θ 및
Figure 112019016974472-pct00054
대신에, θ의 함수로서 발생한다는 점에서 달성된다. 이렇게 함으로써,
Figure 112019016974472-pct00056
는 그의 정적 등가치
Figure 112019016974472-pct00210
로 대체되며, 이 등가치는 내포 함수
Figure 112019016974472-pct00211
에 의한 축소(contraction)에 의해서 수치적으로 달성되며, 여기서
Figure 112019016974472-pct00212
는 평형 포인트의 출력 측 위치이다. 약한 가정 하에서,
Figure 112019016974472-pct00213
는
Figure 112019016974472-pct00061
에 대한 추정자로서 사용될 수 있다. 내포 함수
Figure 112019016974472-pct00062
및 이의 기초가 되는 이론의 세부내용에 대해서는, 문헌 Albu-Schaffer, A., Ott, C., & Hirzinger, G. (2007). A Unified Passivity-based Control Framework for Position, Torque and Impedance Control of Flexible Joint Robots. The Int. J. of Robotics Research, (p. 23-39)이 참조된다. 유연성 조인트들을 갖는 로봇 메니퓰레이터의 임피던스 제어의 수동-기반 기계적 제어 법칙이 이제 다음과 같이 작성될 수 있다:
Figure 112019016974472-pct00214
(9)
Figure 112019016974472-pct00215
(10)
B2. Cartesian 힘 조절기
조절기 설계는 다음과 같이 Cartesian 힘 조절기에 기초한다:
Figure 112019016974472-pct00216
(11)
여기서,
Figure 112019016974472-pct00217
및
Figure 112019016974472-pct00218
는 각각, 조절기의 미분 비 및 적분 비에 대한 대각, 양의 유한 행렬들이다.
Figure 112019016974472-pct00219
는 항등 행렬을 기술하며, 행렬
Figure 112019016974472-pct00220
은
Figure 112019016974472-pct00070
가 또한 대각 양의 유한 행렬이 되도록 선택된다. 환경에 대해 인가되는 목표 힘
Figure 112019016974472-pct00221
은 사용자 또는 대응하는 설계자에 의해서 사전규정된다. 또한, 후속하는 판독성을 개선하기 위해서,
Figure 112019016974472-pct00222
가 규정될 수 있다.
Figure 112019016974472-pct00073
는 관측자에 의해서 또는 힘 센서에 의해서 획득될 수 있다(Haddadin, S. (2013). Towards Safe Robots: Approaching Asimov's 1st Law. Springer Publishing Company, Incorporated 참조). 힘 조절기가 강성 로봇에 적용되면,
Figure 112019016974472-pct00223
가 유연성 조인트들을 갖는 로봇들에 대해서 등식 (5) 및 (7)에 삽입된다.
B3. 통합 힘 및 임피던스 조절기
위의 힘 조절기와 임피던스 조절기의 간단한 조합은 다음과 같은 수학적 제어 법칙으로 이어진다:
Figure 112019016974472-pct00224
(12)
그러나, 안정성은 이러한 법칙에 의해 보장될 수 없다. 그러므로, 시스템의 수동성 및 이로써 안정성이 보장되도록 조절기는 에너지 탱크(도 2 참조)로 보강되어야 한다. 따라서, 새로운 수학적 제어 법칙이 다음과 같이 생성된다:
Figure 112019016974472-pct00225
(13)
여기서,
Figure 112019016974472-pct00077
는 에너지 탱크의 조건이며,
Figure 112019016974472-pct00226
은 다음과 같이 규정된다:
Figure 112019016974472-pct00227
(14)
에너지 탱크의 동력학은 다음에 의해서 기술될 수 있다:
Figure 112019016974472-pct00228
(15)
에너지 탱크의 입력은 본 명세서에서
Figure 112019016974472-pct00081
로서 기술된다. 이진 스칼라 α, β, γ 는 언제나 전체 시스템의 안정성을 보장한다.
B4. 작업 기반 초기화
작업 에너지를 계산하기 위해, 힘의 통계적 균형
Figure 112017093449034-pct00083
이 사용되며, 여기서
Figure 112017093449034-pct00084
및
Figure 112017093449034-pct00085
각각은 임피던스 스티프니스에 대한 힘 및 환경의 반력(counterforce)이다. 물체의 표면에 의해 발생되는 반력은 본 명세서에서 댐핑을 고려하지 않고 스티프니스의 선형 함수로서 모델링된다.
Figure 112017093449034-pct00086
을 풀기 위해서, 힘을 조절한 후에, 표면의 위치가 획득된다. 상기 표면을 이동시키는 데 필요한 일은 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure 112019016974472-pct00229
(16)
여기서, 병진운동 에너지만이 고려된다. 물론, 회전운동 경우로의 확장이 필요하며, 이는 본 기술 분야의 당업자가 용이하게 가능하다.
특정 제어 경우
Figure 112017093449034-pct00088
에 있어서, 작업 에너지는 다음과 같이 계산된다:
Figure 112019016974472-pct00230
(17)
이에 따라서, 작업 에너지가 초기화된다.
C. 접촉 손실의 안정화
로봇 매니퓰레이터의 개방 루프 및 폐쇄 루프 제어를 수행하기 위한 안정성은 임의의 고려가능한 경우에 대해 보장되지만, 이는 로봇 메니퓰레이터가 오로지 안전한 이동을 수행한다는 것을 자동으로 의미하지는 않는다. 엔드 이펙터가 물체의 표면과 접촉을 예기치 않게 손실하는 바는, 에너지 탱크가 비워 질 때까지, 로봇 메니퓰레이터를 갖는 로봇이 힘을 조절하려고 계속 시도하게 한다. 에너지 탱크의 잔여 에너지에 따라, 이러한 바는 또한 로봇 메니퓰레이터의 크고 빠르며 특히 바람직하지 않은 움직임을 유발할 수 있다.
이를 방지하기 위해, 조절기는 엔드 이펙터와 환경/물체 간의 접촉이 더 이상 감지되지 않는 즉시 비활성화된다. 그러나, 이는 예를 들어, 센서 노이즈에 기초한 바람직하지 않은 전환 동작을 야기한다.
이를 피하기 위해, 본 명세서에서, 조절기-성형 함수
Figure 112019016974472-pct00231
를 사용하는 신뢰할만한 위치-기반 방법이 제안되며, 상기 조절기-성형 함수는 해당 조절기 내에 통합된다. 본 명세서에서, 상기 함수는 다음과 같다:
Figure 112019016974472-pct00232
이 함수는 병진운동 비 및 회전운동 비로서 구성되며, 병진운동 비 및 회전운동 비 각각은 다음과 같이 규정된다:
Figure 112019016974472-pct00233
및,
Figure 112019016974472-pct00234
falls = if
sonst = otherwise.
본 예에서 상기 함수
Figure 112017093449034-pct00094
는 위의 함수 S(v)에 대응한다.
Figure 112017093449034-pct00095
는 조절기 편차
Figure 112017093449034-pct00096
에 대응한다.
로봇 자세
Figure 112019016974472-pct00235
는 병진운동 비
Figure 112019016974472-pct00236
및 적합한 회전운동 표현, 예를 들어, 오일러 각
Figure 112019016974472-pct00237
으로 구성된다.
Figure 112019016974472-pct00238
는 엔드 이펙터로부터 가상 목표 위치를 가리키는 소정의 벡터이며,
Figure 112019016974472-pct00239
은 소정의 목표 6-차원 힘 와인더(도 2 참조)이다. Δp 및
Figure 112019016974472-pct00103
가 90°보다 큰 각을 포함하면, 조절기는 비활성화되어야 한다.
부드러운 천이를 보장하기 위해, 보간 함수
Figure 112019016974472-pct00240
가 선택되며, 이 보간 함수는 사용자-정의 영역
Figure 112019016974472-pct00106
내에서 보간한다. 회전운동 비
Figure 112019016974472-pct00241
에 대해서, 쿼터니온(quaternion)은 정칙 표현으로서 작동된다. 단위 쿼터니온
Figure 112019016974472-pct00108
은 현 배향을 표시하며, 쿼터니언
Figure 112019016974472-pct00109
은 목표 배향을 표시한다.
이어서, 회전운동 오차가
Figure 112019016974472-pct00242
및
Figure 112019016974472-pct00243
로서 규정된다. 신뢰성을 나타내는 사용자 정의 영역은 각도
Figure 112019016974472-pct00244
로 표시될 수 있으며, 이러한 각도는
Figure 112019016974472-pct00245
에 의해서 쿼터니언의 스칼라 성분과의 관계를 나타낸다. 안정성 분석의 관점에서 볼 때, 이러한 성형 기능은
Figure 112019016974472-pct00246
의 성형으로 해석될 수 있으며, 이러한 성형은 결합된 힘의 힘 조절기 및 임피던스 조절기만을 스케일링한다. 따라서,
Figure 112019016974472-pct00247
은
Figure 112019016974472-pct00248
로서 새롭게 규정될 수 있으며, 안정성이 다시 보장된다.
Figure 112019016974472-pct00249
의 곱셈은 본 명세서에서 성분별로 수행된다.
D) 유연성이 있으면서 강하게 순응하는 물체의 취급
이전 장에서 소개했듯이, 위치 기반 방법이 제어를 위해서 사용되는 경우, 부드럽고 변형 가능한 재료는 특정 취급을 필요로 한다는 점을 고려해야 한다. 환경의 순응성 또는 변형 없이, 가상 목표 위치를 계획하는 것을 고려하게 되면, 일부 상황에서는, 힘 조절기가 비자발적으로 비활성화되거나 스케일링되는 문제가 발생한다. 이러한 바는 현재, 순응성에 기초하여, 순응성이 존재하지 않는 경우에 비해, 다른 현 위치가 존재한다는 사실에 의해 이루어진다. 따라서, 보정용의 가상 목표 위치
Figure 112019016974472-pct00250
가 이러한 유연성이 있고 강하게 순응하는 재료에 대한 조절기의 가상 목표 위치를 조절하는데 도입된다. 이하에서,
Figure 112019016974472-pct00119
는 처리될 물체 또는 이의 표면의 가정된 스티프니스(반드시 알려질 필요는 없음)를 표시한다. 따라서, 준-정적 수학적 보정 법칙(quasi-static mathematical correction law)은 다음과 같다:
Figure 112019016974472-pct00251
(18)
또는, 더 간단히 말하자면,
Figure 112019016974472-pct00121
이다. 가상 목표 위치가 변위되어 이에 따라서 연성 탄성 재료에 의해 야기되는 편차가 보정됨을 알 수 있다(도 4 참조). 물론, 이러한 방식에 있어서, 환경적 스티프니스가 알려져야 하거나 적어도 추정되어야 한다. 그러나, 등식(18)으로부터,
Figure 112019016974472-pct00252
에 대해, 이전의 경우가 달성된다는 것을 직관적으로 알 수 있다. 물론, 이러한 법칙은 환경의 댐핑 (dampening)도 또한 고려되는 방식으로 확장될 수 있다. 그러나, 이러한 바는 계산을 더욱 복잡하게 한다.
참고 문헌
Figure 112017093449034-pct00123
Figure 112017093449034-pct00124
Figure 112017093449034-pct00125
Figure 112017093449034-pct00126
추가적인 이점들, 특징들 및 세부 사항들은 다음의 설명으로부터 비롯되며, 다음의 설명에서, 필요하다면, 도면을 참조하여, 적어도 하나의 예시적인 실시예들이 상세하게 설명된다. 동일한, 유사한 및/또는 동일하게 기능하는 구성요소들은 동일한 참조 번호들로 표시된다.
도 1a 내지 도 1c는 임피던스 조절기 및 힘 조절기를 갖는 제안된 혼성 조절기를 예시하기 위한 개념적으로 단순화된 도면을 도시한다.
도 2는 환경과 상호 작용하는 로봇 매니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하기 위한 예시적인 모델 시스템을 도시한다.
도 3a는 엔드 이펙터(EFF) 및 사전규정된 병진운동 신뢰성 영역(dmax)을 갖는 개략적인 예시적인 임피던스 제어형 로봇 매니퓰레이터를 도시한다.
도 3b는 병진운동의 경우에 대한 조절기 성형 함수 ρ(Ψ) = S(v(t))를 도시한다.
도 4는 병진운동의 경우에 엔드 이펙터의 인가된 압력에 의한 탄성 재료의 변형에 대한 그래프를 도시한다.
도 5는 제안된 장치의 개략적인 흐름도를 도시한다.
도 6은 제안된 방법의 개략적인 흐름도를 도시한다.
도 1은 임피던스 조절기 및 힘 조절기를 갖는 제안된 혼성 조절기를 예시하기 위한 개념적으로 단순화된 도면을 도시한다. 댐퍼는 명료성을 이유로 도시되지 않는다. 도 1a는 엔드 이펙터(EFF)를 갖는 순수한 임피던스 제어형 로봇 매니퓰레이터를 도시한다. 이러한 임피던스 제어는 예시된 스프링으로 표시된다. 도 1b는 물체 표면(음영 라인)에 대해 사전규정된 힘 Fd을 가압하는 엔드 이펙터(end effector; EFF)를 갖는 순수한 힘 조절형 로봇 매니퓰레이터를 도시한다. 도 1c는도 1a 및 도 1b로부터의 본 발명에 따른 힘 조절기 및 임피던스 조절기의 조합을 도시한다.
도 2는 환경/물체/가공물과 상호 작용하는, 엔드 이펙터를 갖는 본 발명에 따른 로봇 매니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하기 위한 모델 시스템 예시를 도시한다. 로봇 메니퓰레이터(= : "강체 동역학(rigid body dynamics)") 및 액추에이터(= : "모터 동역학")와 상호 작용하는 환경(= : "환경")이 기능 블록들로서 표현되어 있다. 액추에이터의 제어 및 조절은 에너지 탱크(=: "에너지 탱크")가 결합될 수 있는 조절기 (= : "힘/임피던스 조절기")를 통해 구현된다. 서로 상호 연결된 블록들 간의 연결 및 피드백 연결은 대응하는 입력/출력들 및 및 교환된 정량들과 함께 도시된다. 조절기의 수동성을 위반한 경우 조절기를 에너지 탱크로부터 분리함으로써, 외부 힘의 피드백이 무효화된다.
도 3a는 엔드 이펙터(EFF) 및 사전규정된 병진운동 신뢰성 영역 dmax을 갖는 개략적으로 예시된 임피던스 제어형 로봇 매니퓰레이터를 도시한다. Δp = ps - p는 엔드 이펙터 위치 p로부터 설정 점 ps를 향하는 벡터를 나타내며, 여기서 fd는 사전규정된 힘 와인더(force winder)를 나타낸다.
도 3b는 병진 운동의 경우에 조절기 성형 함수 ρ(ψ) = S(v(t))를 도시한다. 성형 함수 ρ(Ψ)에 대한 보다 상세한 설명은 위의 설명에서 찾을 수 있다(파트: "C 접촉 손실의 안정화" 참조).
도 4는 위의 설명에서보다 상세하게 설명되는 병진운동의 경우에 엔드 이펙터(EFF)의 가해진 압력에 의한 탄성 재료의 변형에 대한 그래프를 도시한다(파트: "D 유연성이 있고 강하게 순응하는 물체의 취급" 참조).
도 5는 m = 1, 2, ..., M인 M 개의 액추에이터들(ACTm)에 의해 구동되며 엔드 이펙터를 갖는 로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 제안된 장치의 개략화된 흐름도를 도시한다. 이 장치는 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외력 와인더(external force winder)
Figure 112017093449034-pct00127
를 기록하고 및/또는 가용되게 하는 제 1 유닛(101)으로서,
Figure 112017093449034-pct00128
:= 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외력이며,
Figure 112017093449034-pct00129
:= 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외부 토크인, 상기 제 1 유닛(101); 및 상기 제 1 유닛(101) 및 상기 액추에이터들(ACTm)에 연결된 조절기(regulator)(102)로서, 상기 조절기(regulator)(102)는 힘 조절기(force regulator)인 제 1 조절기(R1), 및 상기 제 1 조절기(R1)에 연결된 제 2 조절기(R2)를 포함하며, 상기 제 2 조절기(R2)는 임피던스 조절기(impedance regulator)이며, 상기 조절기(102)는 조작된 변수들 um(t)을 결정하고, 상기 조작된 변수들에 의해서, 상기 액추에이터들(ACTm)이, 상기 엔드 이펙터가 물체의 표면과 접촉할 때에, 상기 엔드 이펙터가 상기 물체에 사전규정된 힘 와인더
Figure 112017093449034-pct00130
를 가하도록, 작동되는, 상기 조절기(102)를 포함하며, um(t) = um,R1(t) + um,R2(t),
Figure 112017093449034-pct00131
:= 사전규정된 힘이며,
Figure 112017093449034-pct00132
:= 사전규정된 토크이며, um,R1(t) := 상기 제 1 조절기(R1)의 조작된 변수들의 비이며, um,R2(t) := 상기 제 2 조절기(R2)의 조작된 변수들의 비이며, 상기 제 1 조절기(R1)는 상기 조작된 변수 um,R1(t)가 조작된 변수 um,R1(t)*및 함수 S(v(t))의 적(product)으로서 결정되도록 실시 및 구성되며, um,R1(t) = S(v(t))um,R1(t)*, v(t) = v(
Figure 112017093449034-pct00133
,
Figure 112017093449034-pct00134
), v ∈ [va, ve]이며, 여기서um,R1*(t) := 상기 사전규정된 힘 와인더
Figure 112017093449034-pct00135
를 생성하도록 상기 제 1 조절기(R1)에 의해서 결정된 조작된 변수이며,
Figure 112017093449034-pct00136
:= 상기 조절기(102)의 제공된 음의 편차이며, S(v(t)) :=
Figure 112017093449034-pct00137
및
Figure 112017093449034-pct00138
에 의존하는, 변수 v(t)의 단조적으로 감소하는 함수이며, [va,ve] := 상기 변수 v(t)의 사전규정된 정의역(definition area)이다.
도 6은 m = 1, 2, ..., M인 M 개의 액추에이터들(ACTm)에 의해 구동되며 엔드 이펙터를 갖는 로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다. 단계(201)에서, 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외력 와인더
Figure 112017093449034-pct00139
를 기록하고 및/또는 가용되게 하는 것이 발생하며, 여기서
Figure 112017093449034-pct00140
:= 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외력이며,
Figure 112017093449034-pct00141
:= 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외부 토크이다. 단계(202)에서, 상기 제 1 유닛(101) 및 상기 액추에이터들(ACTm)에 연결된 조절기(102)로서, 상기 조절기(102)는 힘 조절기인 제 1 조절기(R1), 및 상기 제 1 조절기(R1)에 연결된 제 2 조절기(R2)를 포함하며, 상기 제 2 조절기(R2)는 임피던스 조절기, 상기 조절기(102)를 사용하여서, 조작된 변수들 um(t)이 결정되고, 상기 조작된 변수들에 의해서, 상기 액추에이터들(ACTm)이, 상기 엔드 이펙터가 물체의 표면과 접촉할 때에, 상기 엔드 이펙터가 상기 물체에 사전규정된 힘 와인더
Figure 112017093449034-pct00142
를 가하도록, 작동되며, um(t) = um,R1(t) + um,R2(t),
Figure 112017093449034-pct00143
:= 사전규정된 힘이며,
Figure 112017093449034-pct00144
:= 사전규정된 토크이며, um,R1(t) := 상기 제 1 조절기(R1)의 조작된 변수들의 비이며, um,R2(t) := 상기 제 2 조절기(R2)의 조작된 변수들의 비이며, 상기 제 1 조절기(R1)는 상기 조작된 변수 um,R1(t)가 조작된 변수 um,R1(t)*및 함수 S(v(t))의 적(product)으로서 결정하며, um,R1(t) = S(v(t))um,R1(t)*, v(t) = v(
Figure 112017093449034-pct00145
,
Figure 112017093449034-pct00146
), v ∈ [va, ve]이며, um,R1*(t) := 상기 사전규정된 힘 와인더
Figure 112017093449034-pct00147
를 생성하도록 상기 제 1 조절기(R1)에 의해서 결정된 조작된 변수이며,
Figure 112017093449034-pct00148
:= 상기 조절기(102)의 제공된 음의 편차이며, S(v(t)) :=
Figure 112017093449034-pct00149
및
Figure 112017093449034-pct00150
에 의존하는, 변수 v(t)의 단조적으로 감소하는 함수이며, [va,ve] := 상기 변수 v(t)의 사전규정된 정의역(definition area)이다.
본 발명은 바람직한 예시적인 실시예들에 의해 보다 상세히 설명되고 예시되었지만, 본 발명은 개시된 실시예들에 의해 제한되지 않고, 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않고서 본 기술 분야의 당업자에 의해 다른 변형예들이 도출될 수 있다. 따라서, 복수의 변형예의 가능성들이 존재하는 것으로 이해된다. 또한, 예시된 실시예들은 실제로 단순한 예일 뿐이며, 본 발명의 보호 범위, 적용 가능성들 또는 구성들 등을 제한으로 것으로서 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이전의 설명들 및 도면의 설명들은 본 기술 분야의 당업자가 예시적인 실시예들을 구체적으로 구현할 수 있게 하고, 본 기술 분야의 당업자라면 본 발명의 개시된 사상을 파악하면서 다양한 변경예들을 구현할 수 있으며, 이러한 변경예들의 변경은 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않고 예시적인 실시예들에서 언급된 개별 요소들의 기능 또는 구성에 대해서 이루어질 수 있으며, 본 발명의 보호 범위는 청구항들, 및 이와의 법적 균등 사항들, 예를 들어, 설명 부분에서의 추가 사항들에 의해서 규정된다.

Claims (14)

  1. M 개의 액추에이터들(ACTm)(m = 1, 2, ..., M)에 의해 구동되며 엔드 이펙터(end effector)를 갖는 로봇 메니퓰레이터(robot manipulator)의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 장치로서,
    상기 엔드 이펙터에 작용하는 외력 와인더(external force winder)
    Figure 112017093449034-pct00151
    를 기록하고 및/또는 가용되게 하는 제1 유닛(101)으로서,
    Figure 112017093449034-pct00152
    := 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외력이며,
    Figure 112017093449034-pct00153
    := 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외부 토크인, 상기 제 1 유닛(101); 및
    상기 제1 유닛(101) 및 액추에이터들(ACTm)에 연결된 조절기(regulator)(102)로서, 힘 조절기인 제1 조절기(R1) 및 상기 제1 조절기(R1)에 연결된 제2 조절기(R2)를 포함하며, 상기 제2 조절기(R2)는 임피던스 조절기, 어드미턴스 조절기(admittance regulator), 위치 조절기 또는 정속 제어기(cruise control)이며, 상기 조절기(102)는 조작된 변수들 um(t)을 결정하고, 상기 조작된 변수들에 의해서, 상기 엔드 이펙터가 물체의 표면과 접촉할 때 상기 물체에 사전규정된 힘 와인더
    Figure 112017093449034-pct00154
    를 가하도록, 상기 액추에이터들(ACTm)이 작동되는, 상기 조절기(102);를 포함하며,
    Figure 112017093449034-pct00155
    이고,
    Figure 112017093449034-pct00156
    := 사전규정된 힘이며,
    Figure 112017093449034-pct00157
    := 사전규정된 토크이며,
    um,R1(t) := 상기 제 1 조절기(R1)의 조작된 변수들의 비이며,
    um,R2(t) := 상기 제 2 조절기(R2)의 조작된 변수들의 비이며,
    상기 제 1 조절기(R1)는 상기 조작된 변수 um,R1(t)가 조작된 변수 um,R1(t)* 및 함수 S(v(t))의 적(product)으로서, 또는 Q-차원 함수 S*(v*(t), um,R1(t)*)로서 결정되도록 실시 및 구성되며, 여기서,
    Figure 112017093449034-pct00158
    이고,
    um,R1*(t) := 상기 사전규정된 힘 와인더
    Figure 112017093449034-pct00159
    를 생성하도록 상기 제 1 조절기(R1)에 의해서 결정된 조작된 변수이며,
    Figure 112017093449034-pct00160
    := 상기 조절기(102)의 제공된 음의 편차이며,
    S(v(t)) :=
    Figure 112017093449034-pct00161
    및
    Figure 112017093449034-pct00162
    에 의존하는, 변수 v(t)의 단조적으로 감소하는 함수이며,
    S*(v*(t),um,R1(t)*) := um,R1(t)*의 영향이 단조적으로 감소하는 함수이며,
    [va,ve] := 상기 변수 v(t)의 사전규정된 정의역(definition area)이며,
    [v1a,v1b,],... := 상기 Q-차원 변수 v*(t)의 성분별 사전규정된 정의역인,
    로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체가 탄성이 있고 상기 물체의 표면이 유연성이 있는 경우에, 상기 조절기(102)는 상기 조작된 변수들 um(t)을 결정할 때 상기 물체의 사전규정된 탄성 특성들을 고려하는, 로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 조절기(102)의 비활성화(passivation) 동안에 에너지 저장부 역할을 하는 제 2 유닛이 제공되고, 상기 제 2 유닛은 사전규정된 에너지 저장 동력학에 따라 상기 조절기(102)로부터 유래되는 에너지(T1)를 저장하고, 에너지(T2)를 상기 조절기(102)에 공급하며,
    상기 제 2 유닛 및 조절기(102)는 폐쇄-루프를 형성하고, 에너지(T0)를 갖는 제 2 유닛의 초기화는 상기 로봇 메니퓰레이터의 현 작업을 구현하기 위해 결정된 또는 사전규정된 에너지 소모량(EExpenditure)에 의존하는, 로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 유닛 내에 저장된 에너지(E)는 가상 또는 물리적 에너지인, 로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    에너지 상한치(G1)가 규정되고, 상기 제 2 유닛은, 상기 제 2 유닛 내에 저장된 에너지(E)에 대해서 항상 E ≤ G1가 성립하도록 실시 및 구성되는, 로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    에너지 하한치(G2)가 0 < G2 < G1로서 규정되고,
    - 상기 제 2 유닛 내에 저장된 에너지(E)에 대해서 G2 < E ≤ G1이 성립되는 경우에, 상기 제 2 유닛은 상기 조절기(102)에 연결되고,
    - 상기 제 2 유닛 내에 저장된 에너지(E)에 대해서 E ≤ G2가 성립되는 경우에, 상기 제 2 유닛은 상기 조절기(102)로부터 분리되도록, 상기 제 2 유닛이 구성되는,
    로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유닛(101)은 상기 외력 와인더
    Figure 112019016974472-pct00163
    를 기록하기 위한 센서 시스템, 및/또는 상기 외력 와인더
    Figure 112019016974472-pct00164
    를 추정하기 위한 추정기를 갖는, 로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 장치.
  8. M 개의 액추에이터들(ACTm)(m = 1, 2, ..., M)에 의해 구동되며 엔드 이펙터를 갖는 로봇 메니퓰레이터를 구비하는 로봇으로서, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 구비하는 로봇.
  9. M 개의 액추에이터들(ACTm)(m = 1, 2, ..., M)에 의해 구동되며 엔드 이펙터를 갖는 로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 방법으로서,
    상기 엔드 이펙터에 작용하는 외력 와인더
    Figure 112019016974472-pct00165
    를 기록하고 및/또는 가용되게 하는 단계(201)로서,
    Figure 112019016974472-pct00166
    := 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외력이며,
    Figure 112019016974472-pct00167
    := 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외부 토크인, 상기 단계(201); 및
    제 1 유닛(101) 및 액추에이터들(ACTm)에 연결된 조절기(102)로서, 힘 조절기인 제 1 조절기(R1) 및 상기 제 1 조절기(R1)에 연결된 제 2 조절기(R2)를 포함하며, 상기 제 2 조절기(R2)는 임피던스 조절기, 어드미턴스 조절기, 위치 조절기 또는 정속 제어기인, 상기 조절기(102)를 사용하여, 조작된 변수들 um(t)을 결정하는 단계(202)로서, 상기 조작된 변수들에 의해서, 상기 엔드 이펙터가 물체의 표면과 접촉할 때 상기 물체에 사전규정된 힘 와인더
    Figure 112019016974472-pct00168
    를 가하도록, 상기 액추에이터들(ACTm)이 작동되는, 상기 단계(202)를 포함하며,
    Figure 112019016974472-pct00169
    이고,
    Figure 112019016974472-pct00170
    := 사전규정된 힘이며,
    Figure 112019016974472-pct00171
    := 사전규정된 토크이며,
    um,R1(t) := 상기 제 1 조절기(R1)의 조작된 변수들의 비이며,
    um,R2(t) := 상기 제 2 조절기(R2)의 조작된 변수들의 비이며,
    상기 제 1 조절기(R1)는, 조작된 변수 um,R1(t)* 및 함수 S(v(t))의 적으로서 또는 Q-차원 함수 S*(v*(t), um,R1(t)*)로서 상기 조작된 변수 um,R1(t)를 결정하며, 여기서,
    Figure 112019016974472-pct00172
    이고,
    um,R1*(t) := 상기 사전규정된 힘 와인더
    Figure 112019016974472-pct00173
    를 생성하도록 상기 제 1 조절기(R1)에 의해서 결정된 조작된 변수이며,
    Figure 112019016974472-pct00174
    := 상기 조절기(102)의 제공된 음의 편차이며,
    S(v(t)) :=
    Figure 112019016974472-pct00175
    및
    Figure 112019016974472-pct00176
    에 의존하는, 변수 v(t)의 단조적으로 감소하는 함수이며,
    S*(v*(t),um,R1(t)*) := um,R1(t)*의 영향이 단조적으로 감소하는 함수이며,
    [va,ve] := 상기 변수 v(t)의 사전규정된 정의역(definition area)이며,
    [v1a,v1b,],... := 상기 Q-차원 변수 v*(t)의 성분별 사전규정된 정의역인,
    로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 방법,
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 물체가 탄성이 있고 상기 물체의 표면이 유연성이 있는 경우에, 상기 조절기(102)는 상기 조작된 변수들 um(t)을 결정할 때상기 물체의 사전규정된 탄성 특성들을 고려하는, 로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 조절기(102)의 비활성화 동안에 에너지 저장부 역할을 하는 제 2 유닛이 제공되고, 상기 제 2 유닛은 사전규정된 에너지 저장 동력학에 따라 상기 조절기(102)로부터 유래되는 에너지(T1)를 저장하고, 에너지(T2)를 상기 조절기(102)에 공급하며,
    상기 제 2 유닛 및 조절기(102)는 폐쇄-루프를 형성하고, 에너지(T0)를 갖는 제 2 유닛의 초기화는 상기 로봇 메니퓰레이터의 현 작업을 구현하기 위해 결정된 또는 사전규정된 에너지 소모량(EExpenditure)에 의존하는, 로봇 메니퓰레이터의 개방-루프 및 폐쇄-루프 제어를 수행하는 방법.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 방법이 수행되도록 구성되는 데이터 프로세싱 장치를 포함하는 컴퓨터 시스템.
  13. 전자적으로 판독가능한 제어 신호들을 갖는 디지털 저장 매체로서,
    상기 전자적으로 판독가능한 제어 신호들은, 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 방법이 실행되도록 프로그램가능한 컴퓨터 시스템과 상호작용할 수 있는, 디지털 저장 매체.
  14. 컴퓨터로 판독가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로서,
    상기 컴퓨터 프로그램의 프로그램 코드가 데이터 프로세싱 장치 상에서 실행될 때, 상기 프로그램 코드는 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 구현하는, 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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