KR102067901B1 - 다관절로봇을 위한 동역학 적용 알고리즘의 고속 제어주기 구현 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다관절로봇을 위한 동역학 적용 알고리즘의 고속 제어주기 구현 방법 및 시스템에 관한 것으로, 본 발명은 로봇의 전체 동역학을 고려한 알고리즘을 분산시켜 각 관절을 담당하는 하위 제어기에 직접 적용함으로써, 제어 입력 연산주기를 획기적으로 개선한 고속 제어주기 구현 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 양상인 다관절로봇은, 비선형적인 관계를 통해 동역학적으로 서로 커플링(coupling)된 복수의 관절; 상기 복수의 관절 각각에 구비되고, 상기 다관절로봇의 구동을 제어하는 복수의 하위 제어기; 및 상기 복수의 하위 제어기의 동작을 제어하는 상위 제어기;를 포함하되, 상기 복수의 하위 제어기 각각은, 배치된 관절과 관련된 상기 다관절로봇의 구동을 제어하기 위해, 제어입력을 미리 설정된 수학식에 따라 연산하고, 상기 복수의 하위 제어기 각각의 연산 동작에 의해, 상기 상위 제어기와의 통신 없이도 상기 다관절로봇의 전체 동역학을 고려한 제어 알고리즘을 실현함으로써, 상기 제어 입력을 갱신하는 주기가 상기 복수의 하위 제어기와 상기 상위 제어기 간의 통신 주기보다 빨라질 수 있다.
Description
본 발명은 다관절로봇을 위한 동역학 적용 알고리즘의 고속 제어주기 구현 방법 및 시스템에 관한 것으로, 본 발명은 로봇의 전체 동역학을 고려한 알고리즘을 분산시켜 각 관절을 담당하는 하위 제어기에 직접 적용함으로써, 제어 입력 연산주기를 획기적으로 개선한 고속 제어주기 구현 방법 및 시스템에 관한 것이다.
다관절로봇 구동 시 높은 수준의 제어성능을 얻고자 할 때 로봇동역학을 고려한 제어 알고리즘이 사용되는 경우가 많다.
그런데 다관절로봇의 각 관절은 비선형적인 관계를 통해 동역학적으로 서로 커플링(coupling) 되어 있다. 따라서 상위 제어기에서 모든 관절에 대한 제어입력을 계산하고 그 결과값을 통신을 통해 각 관절을 담당하는 하위 제어기에 전달하는 구현 방식이 자주 적용된다.
하지만 이 방식은 제어입력을 갱신하는 주기가 상위 제어기와 하위 제어기 사이의 통신주기 보다 빨라질 수 없다는 제약을 수반한다는 문제점이 있다.
제어주기가 빨라지면 이득(gain)을 더 높일 수 있고 이로 인해 더 빠르고 정확한 제어성능을 얻을 수 있기 때문에 제어주기가 이처럼 제한되는 것은 명확한 단점으로 작용한다.
따라서 다관절로봇의 동역학을 고려한 제어 알고리즘을 상위 제어기와 하위 제어기간의 통신주기보다 고속으로 동작시키는 방법이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명에서는 다관절로봇을 제어함에 있어 로봇동역학을 고려하는 기존의 제어 방법을 사용할 경우 상위 제어기와 하위 제어기간의 통신 속도 제한 때문에 제어 입력 연산주기가 느려지는 단점을 해결하고자 한다.
구체적으로, 본 발명은 다관절로봇을 위한 동역학 적용 알고리즘의 고속 제어주기 구현 방법 및 시스템에 관한 것으로, 로봇의 전체 동역학을 고려한 알고리즘을 분산시켜 각 관절을 담당하는 하위 제어기에 직접 적용함으로써, 제어 입력 연산주기를 획기적으로 개선한 고속 제어주기 구현 방법 및 시스템을 사용자에게 제공하고자 한다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상인 다관절로봇은, 비선형적인 관계를 통해 동역학적으로 서로 커플링(coupling)된 복수의 관절 상기 복수의 관절 각각에 구비되고, 상기 다관절로봇의 구동을 제어하는 복수의 하위 제어기 및 상기 복수의 하위 제어기의 동작을 제어하는 상위 제어기를 포함하되, 상기 복수의 하위 제어기 각각은, 배치된 관절과 관련된 상기 다관절로봇의 구동을 제어하기 위해, 제어입력을 하기의 수학식 1에 따라 연산하고, 상기 복수의 하위 제어기 각각의 연산 동작에 의해, 상기 상위 제어기와의 통신 없이도 상기 다관절로봇의 전체 동역학을 고려한 제어 알고리즘을 실현함으로써, 상기 제어 입력을 갱신하는 주기가 상기 복수의 하위 제어기와 상기 상위 제어기 간의 통신 주기보다 빨라질 수 있다.
수학식 1
수학식 2
수학식 3
한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 양상인 다관절 로봇의 제어방법은, 비선형적인 관계를 통해 동역학적으로 서로 커플링(coupling)된 복수의 관절; 상기 복수의 관절 각각에 구비되고, 상기 다관절로봇의 구동을 제어하는 복수의 하위 제어기 및 상기 복수의 하위 제어기의 동작을 제어하는 상위 제어기를 포함하는 다관절로봇의 제어방법에 있어서, 상기 복수의 하위 제어기 각각은, 배치된 관절과 관련된 상기 다관절로봇의 구동을 제어하기 위해, 제어입력을 하기의 수학식 1에 따라 연산하고, 상기 복수의 하위 제어기 각각의 연산 동작에 의해, 상기 상위 제어기와의 통신 없이도 상기 다관절로봇의 전체 동역학을 고려한 제어 알고리즘을 실현함으로써, 상기 제어 입력을 갱신하는 주기가 상기 복수의 하위 제어기와 상기 상위 제어기 간의 통신 주기보다 빨라질 수 있다.
수학식 1
상기 수학식 1은, 복수의 관절이 연결된 관절의 위치벡터를 로 표현할 때, 가 추종하길 바라는 폐루프 오차동역학(closed-loop error dynamics)이 의 형태로 표현될 수 있는 경우에 한정한다.
상기 수학식 1에서, 는 i번째 관절의 구동을 제어하는 하위 제어기의 제어입력이고, 는 i번째 관절의 제어 게인 중 하나에 해당하며, 는 의 i번째 성분을 나타내고, 는 의 i번째 성분을 나타내며, , 은 각각 , 의 한 제어 주기 이전의 값을 의미한다.
수학식 2
수학식 3
본 발명에서는 다관절로봇을 제어함에 있어 로봇 동역학을 고려하는 기존의 제어 방법을 사용할 경우 상위 제어기와 하위 제어기간의 통신 속도 제한 때문에 제어 입력 연산주기가 느려지는 단점을 해결할 수 있다.
구체적으로, 본 발명은 다관절로봇을 위한 동역학 적용 알고리즘의 고속 제어주기 구현 방법 및 시스템에 관한 것으로, 로봇의 전체 동역학을 고려한 알고리즘을 분산시켜 각 관절을 담당하는 하위 제어기에 직접 적용함으로써, 제어 입력 연산주기를 획기적으로 개선한 고속 제어주기 구현 방법 및 시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1는 본 발명과 관련하여, 로봇동역학을 고려하는 종래의 제어 방법의 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명과 관련하여, 로봇의 전체 동역학을 고려한 알고리즘을 분산시켜 각 관절을 담당하는 하위 제어기에 직접 적용함으로써, 고속 제어가 가능한 본 발명이 제안하는 제어 방법의 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명과 관련하여, 로봇의 전체 동역학을 고려한 알고리즘을 분산시켜 각 관절을 담당하는 하위 제어기에 직접 적용함으로써, 고속 제어가 가능한 본 발명이 제안하는 제어 방법의 일례를 도시한 것이다.
도 1는 본 발명과 관련하여, 로봇 동역학을 고려하는 종래의 제어 방법의 일례를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 다관절로봇(1)은 복수의관절(30a, …… 30i, …… 30n)과 복수의 관절(30a, …… 30i, …… 30n) 각각과 연관된 하위 제어부(40a, …… 40i, …… 40n)를 포함한다.
또한, 복수의 하위 제어부(40a, …… 40i, …… 40n)는 버스(20)를 통해 상위 레벨 제어부(10)와 통신하면서 느린 제어입력 갱신 주기로 제어를 구현한다.
일반적으로 로봇 매니퓰레이터의 동역학은 다음의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다
수학식 4
상기 수학식 4 에서 관성행렬 의 비대각 요소(off-diagonal element)들은 일반적으로 0이 아니며, 및 의 각 성분들은 각 관절별 위치 및 속도에 대한 함수가 아닌 전체 관절의 위치 및 속도 벡터에 대한 함수이다.
이 같이 로봇동역학의 각 관절은 서로 비선형적으로 커플링 되어 있다
많은 연구들에서 더 높은 제어성능을 얻기 위해 제어입력 연산에 로봇동역학을 고려하고 있다.
가장 대표적인 예로 하기의 수학식 5와 같이 표현될 수 있는 계산 토크법(computed torque method)을 들 수 있다
수학식 5
전술한 수학식 5에서 알 수 있듯이 로봇동역학을 고려하는 일반적인 제어방법에서는 도 1과 같이 상위 제어기(10)가 하위 제어부(40a, …… 40i, …… 40n)로부터 상태 값(ex. 각 관절(30a, …… 30i, …… 30n)의 위치)을 받아 취합하여 전체 관절에 대한 제어입력을 연산한 후 그 결과를 다시 하위 제어부(40a, …… 40i, …… 40n)에 전달하는 방식을 취하게 된다.
따라서 제어입력을 생성하는 주기는 상위 제어기(10)와 하위 제어부(40a, …… 40i, …… 40n) 사이의 통신주기보다 빨라질 수 없다는 제약이 발생한다.
일반적으로 제어주기를 빠르게 할수록 더 높은 이득(gain)을 적용할 수 있고 이로 인해 더 빠르고 정밀한 제어성능을 얻을 수 있기 때문에 기술된 바와 같이 통신주기에 제어주기가 제한된다는 사실은 제어성능에 있어서 단점으로 작용한다
본 발명에서는 다관절로봇을 제어함에 있어 로봇동역학을 고려하는 기존의 제어 방법을 사용할 경우 상위 제어기와 하위 제어기간의 통신 속도 제한 때문에 제어 입력 연산주기가 느려지는 단점을 해결하고자 한다.
구체적으로, 본 발명은 다관절로봇을 위한 동역학 적용 알고리즘의 고속 제어주기 구현 방법 및 시스템에 관한 것으로, 로봇의 전체 동역학을 고려한 알고리즘을 분산시켜 각 관절을 담당하는 하위 제어기에 직접 적용함으로써, 제어 입력 연산주기를 획기적으로 개선한 고속 제어주기 구현 방법 및 시스템을 사용자에게 제공하고자 한다.
하기의 도 2는 본 발명과 관련하여, 로봇의 전체 동역학을 고려한 알고리즘을 분산시켜 각 관절을 담당하는 하위 제어기에 직접 적용하여 고속 제어가 가능한 본 발명이 제안하는 제어 방법의 일례를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 도 1에서 설명한 각각의 구성요소가 그대로 적용되나 하위 제어부(50a, …… 50i, …… 50n)가 다른 기능을 제공하게 된다.
즉, 본 발명이 제안하는 방법에 따르면 로봇동역학을 고려하면서도 각 축(30a, …… 30i, …… 30n)에 대한 제어입력 연산 알고리즘을 하위 제어부(50a, …… 50i, …… 50n)에 직접 적용함으로써 통신주기의 제약 없이 하위 제어부(50a, …… 50i, …… 50n)의 연산속도만큼 빠른 속도의 제어입력 갱신이 가능하다.
본 발명에 따른 하위 제어부(50a, …… 50i, …… 50n)에서는, 시간지연추정 개념을 이용해 로봇동역학을 추정하여 제어에 적용하고, 이를 각 관절을 담당하는 하위 제어기에 분산시켜 직접 적용하여, 고속 제어를 가능하도록 할 수 있다.
본 발명의 방법은 제어 입력 연산주기를 획기적으로 개선할 수 있다.
구체적으로 전술한 수학식 4의 로봇동역학을 다음과 같이 수학식 6으로 표현할 수 있다.
수학식 6
수학식 6의 플랜트를 제어하기 위한 제어입력은 하기의 수학식 7과 같이 구성될 수 있다.
수학식 7
만약, 이 만족된다면 수학식 6에 수학식 7을 대입한 폐루프 오차동역학(closed-loop error dynamics)은 의 형태로 구현되며, 따라서 상황에 맞게 를 구성함에 따라 원하는 오차동역학을 달성할 수 있다.
수학식 8
최종적으로 시간지연추정을 이용한 제어기법은 수학식 7에 수학식 8을 대입함으로써, 하기의 수학식 9와 같이 표현된다.
수학식 9
시간지연추정 기법을 사용하게 되면, 수학식 9를 하기의 수학식 10과 같이 손쉽게 디커플링(decoupling) 시킬 수 있다
수학식 10
본 발명에서 제안하는 방법은 수학식 10과 같이, 디커플링 된 제어입력 연산 알고리즘을 도 2에 도시된 것과 같이, 각 축을 담당하고 있는 하위 제어부(50a, …… 50i, …… 50n)에 분산시켜 직접 구현하는 형태를 취하고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 것과 같이 제어 시스템을 구성한 후, 각 축의 하위 제어부(50a, …… 50i, …… 50n)에 있는 를 상기 수학식 10을 이용해 하기의 수학식 11 과 같이 연산함으로써 실시가 가능하다
수학식 11
본 발명을 실시할 경우, 로봇의 동역학적인 특성을 고려하는 고급 제어알고리즘을 구현하면서도 제어주기는 상위 제어기와 하위 제어기간의 통신주기보다 빠르게 할 수 있다.
따라서 보다 높은 이득(gain)을 적용할 수 있고 이로 인하여 더 빠르고 정밀한 제어성능을 기대할 수 있다.
현재 라인업되어 있는 로봇들의 상위 제어기와 하위 제어기간의 통신주기는 약 1kHz수준이며 하위 제어기 내부에서 구현 가능한 제어주기는 약 10kHz 임을 감안할 때 약 10배 수준의 제어주기 속도 증가 효과를 얻을 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.
하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
Claims (8)
- 비선형적인 관계를 통해 동역학적으로 서로 커플링(coupling)된 복수의 관절
상기 복수의 관절 각각에 구비되고, 다관절로봇의 구동을 제어하는 복수의 하위 제어기 및
상기 복수의 하위 제어기의 동작을 제어하는 상위 제어기를 포함하되,
상기 복수의 하위 제어기 각각은, 배치된 관절과 관련된 다관절로봇의 구동을 제어하기 위해, 제어입력을 하기의 수학식 1에 따라 연산하고,
상기 복수의 하위 제어기 각각은 상기 각 하위 제어기에 직접 적용된 연산 동작에 의해, 상기 상위 제어기와 상기 하위 제어기간의 통신 속도로 인하여 상기 하위 제어기의 제어 입력 연산주기가 느려지는 것을 방지하도록, 상기 각 하위 제어기의 상기 제어 입력을 갱신하는 제어주기가 상기 복수의 하위 제어기와 상기 상위 제어기 간의 통신 주기보다 빨라지는 것을 특징으로 하는 다관절로봇.
수학식 1
상기 수학식 1은, 다관절 로봇의 관절 위치벡터를 로 표현할 때, 가 추종하길 바라는 폐루프 오차동역학(closed-loop error dynamics)이 의 형태로 표현될 수 있는 경우에 한정한다.
상기 수학식 1에서, 는 i번째 관절의 구동을 제어하는 하위 제어기의 제어입력이고, 는 i번째 관절의 제어 게인 중 하나에 해당하며, 는 의 i번째 성분을 나타내고, 는 의 i번째 성분을 나타내며, , 은 각각 , 의 한 제어 주기 이전의 값을 의미한다. - 비선형적인 관계를 통해 동역학적으로 서로 커플링(coupling)된 복수의 관절 상기 복수의 관절각각에 구비되고, 다관절로봇의 구동을 제어하는 복수의 하위 제어기 및 상기 복수의 하위 제어기의 동작을 제어하는 상위 제어기를 포함하는 다관절로봇의 제어방법에 있어서,
상기 복수의 하위 제어기 각각은, 배치된 관절과 관련된 다관절로봇을 구동을 제어하기 위해, 제어입력을 하기의 수학식 1에 따라 연산하고,
상기 복수의 하위 제어기 각각은 상기 각 하위 제어기에 직접 적용된 연산 동작에 의해, 상기 상위 제어기와 상기 하위 제어기간의 통신 속도로 인하여 상기 하위 제어기의 제어 입력 연산주기가 느려지는 것을 방지하도록, 상기 각 하위 제어기의 상기 제어 입력을 갱신하는 제어주기가 상기 복수의 하위 제어기와 상기 상위 제어기 간의 통신 주기보다 빨라지는 것을 특징으로 하는 다관절로봇의 제어방법.
수학식 1
상기 수학식 1은, 다관절로봇의 관절 위치벡터를 로 표현할 때, 가 추종하길 바라는 폐루프 오차동역학(closed-loop error dynamics)이 의 형태로 표현될 수 있는 경우에 한정한다.
상기 수학식 1에서, 는 i번째 관절의 구동을 제어하는 하위 제어기의 제어입력이고, 는 i번째 관절의 제어 게인 중 하나에 해당하며, 는 의 i번째 성분을 나타내고, 는 의 i번째 성분을 나타내며, , 은 각각 , 의 한 제어 주기 이전의 값을 의미한다.
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Title |
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Gun Rae Cho 외 3명, "Robust Tracking Under Nonlinear Friction Using Time-Delay Control With Internal Model", IEEE Trans. Control Systems Technology, Vol.17, No.6, pp.1406-1414(2009.11.)* |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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KR20200001380A (ko) | 2020-01-06 |
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