KR102333782B1 - 인터페이스 장치 및 이를 이용한 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인터페이스 장치 및 이를 이용한 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법은, 인터페이스 장치에 대한 조작에 근거하여, 상기 로봇 장치를 구동하기 위한 제어 명령을 생성하는 단계와, 상기 제어 명령에 의하여 상기 로봇 장치가 구동되는 것에 근거하여 상기 로봇 장치에서 발생되는 힘과 관련된 힘 정보를 상기 로봇 장치로부터 수신하는 단계, 및 상기 힘 정보에 대응되는 햅틱 피드백을 상기 인터페이스 장치에 출력하는 단계를 포함하고, 상기 출력하는 단계에서는, 상기 힘 정보에 대해 상기 인터페이스 장치에서 발생하는 마찰력을 보상하여 상기 햅틱 피드백을 생성하는 것을 특징으로 한다.

Description

인터페이스 장치 및 이를 이용한 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법{INTERFACE APPARATUS AND METHOD FOR BILATERAL TELEOPERATION OF ROBOT}

본 발명은 햅틱 피드백을 이용하여 로봇을 제어하는 인터페이스 장치 및 이를 이용한 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법에 관한 것이다.

전세계적으로 고령화가 진행되고 있으며, 그에 따라 노동인구 감소 및 인건비 상승과 같은 사회적인 문제가 대두되고 있다. 이러한 문제로 인하여, 산업 전반적으로 자동화의 필요성이 증가하고 있으며, 그 해법으로서, 로봇을 통한 자동화가 각광받고 있다. 이러한 추세에 맞추어, 최근에는 사회 곳곳에서 인력을 로봇으로 대체하려는 움직임이 활발해지고 있다.

그러나, 전통적 제조 로봇 시장에서는 단순하고 반복적인 작업을 빠르고 정확하게 수행하는 데에만 로봇 기술이 집중되어 있어 전기전자, 물류 등 신규한 산업 분야에서 로봇을 이용한 자동화 수요에 대해 유연한 대처가 어려운 실정이다. 예를 들어, 전기전자 부품의 제조는 공정의 표준화가 어렵고, 작업의 난이도가 매우 높으며, 생산라인의 수명이 매우 짧아, 획일적인 작업을 반복적으로 수행하는 기존의 로봇 기술을 적용하기에 부적절하다. 또한, 물류 서비스 분야는 로봇의 작업을 정형화시킬 수 없으며, 다양한 상황에 대처가 필요하다. 예를 들어, 택배 서비스를 수행하는 로봇은 다양한 무게의 배송물품을 들어올려야 하며, 로봇은 배송물품의 무게에 따라 적절한 제어를 수행해야 한다. 이와 같이, 서로 다른 작업의 형태는, 작업의 형태에 따라 서로 다른 “힘 정보”가 요구되며, 로봇은 작업의 형태에 따라 서로 다른 힘 정보가 요구되는 다양한 작업을 수행해야 하는 어려움이 발생하게 된다.

한편, 현재 햅틱 디바이스로 연구되고 있는 유형은, 펜 타입, Tendon/Cable 기반 햅틱 장치, 단방향 명령 전달 방식 등이 있다. 하지만, 펜 타입으로는 사람의 움직임을 전달하기에 범위가 너무 좁고, 단방향 전달 방식은 로봇이 받은 주변환경의 영향을 사용자가 느끼지 못하는 문제가 있다. 또한, Tendon/Cable 기반 햅틱 장치의 경우에는 유지 보수가 난해하고 강성 확보가 어려운 단점이 있다.

따라서, 힘 정보를 필요로 하는 작업을 로봇에게 학습시키기 위하여, 힘을 반영하는 새로운 형태의 햅틱 인터페이스에 대한 고려가 요구될 수 있다. 특히, 이를 위하여 인간 규모의 크기와 높은 자유도를 가지며, 힘의 햅틱 피드백이 가능한 양방향 원격 조종장치가 착안될 수 있다.

본 발명은, 직관적이고, 힘을 반영하는 작업 프로그래밍의 인터페이스로 이용가능한 햅틱 인터페이스 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은, 폐쇄 루프 안정성과 사용자가 느끼는 투명성을 강화하는 인터페이스 장치 및 이를 이용한 로봇 제어 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은, 마찰 추정의 정확성을 가지는 인터페이스 장치의 제어 방법을 제공하는 것이다.

위에서 살펴본 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법은 인터페이스 장치에서 발생하는 마찰력을 보상하여 햅틱 피드백을 생성한다.

구체적으로, 상기 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법은, 인터페이스 장치에 대한 조작에 근거하여, 상기 로봇 장치를 구동하기 위한 제어 명령을 생성하는 단계와, 상기 제어 명령에 의하여 상기 로봇 장치가 구동되는 것에 근거하여 상기 로봇 장치에서 발생되는 힘과 관련된 힘 정보를 상기 로봇 장치로부터 수신하는 단계, 및 상기 힘 정보에 대응되는 햅틱 피드백을 상기 인터페이스 장치에 출력하는 단계를 포함하고, 상기 출력하는 단계에서는, 상기 힘 정보에 대해 상기 인터페이스 장치에서 발생하는 마찰력을 보상하여 상기 햅틱 피드백을 생성한다.

나아가, 본 발명에서, 상기 마찰력은, 사용자가 인지하는 제1마찰력과, 오차 동역학(error dynamics)에 반영되는 제2마찰력을 포함할 수 있다.

이 경우에, 상기 출력하는 단계는, 상기 인터페이스 장치의 핸들과 상기 로봇 장치의 엔드 이펙터에 작용하는 외부의 힘과 환경적 힘을 이용하여 동역학 방정식을 설정하는 단계와, 입력 토크를 분해하여, 상기 동역학 방정식의 작업 공간(task space)을 정규화하고, 작업 공간의 입력 렌치를 상기 제1마찰력과 제2마찰력을 이용하여 분해하는 단계, 및 상기 제1마찰력과 제2마찰력에 대한 마찰력 보상을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제1마찰력은 마찰력의 보상력과 동일하도록 설정되고, 상기 제2마찰력은 랴푸노프 안정성 (Lyapunov stability)에서 안정한 조건을 이용하여 설정될 수 잇다.

또한, 본 발명은, 작업 공간을 기준으로 모델링한 상기 인터페이스 장치 및 상기 로봇 장치의 동역학 모델과 상기 인터페이스 장치의 모터를 기준으로 모델링한 상기 모터의 동역학 모델을 이용하여 상기 마찰력 보상을 최적화할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 인터페이스 장치는, 베이스와, 상기 베이스와 이격 배치되는 핸들, 및 상기 베이스와 핸들의 사이에서 서로 순차적으로 연결되는 복수의 링크들, 및 상기 복수의 링크들에 동력을 전달하는 복수의 모터를 구비하고, 상기 보상되는 마찰력은 상기 복수의 링크들의 사이에서 발생하는 링크 마찰력과 상기 복수의 모터에서 발생하는 모터 마찰력 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 인터페이스 장치는, 상기 복수의 링크들을 서로 회전 가능하게 연결하며, 상기 복수의 모터의 합력이 조인트 토크를 형성하도록 상기 복수의 모터로부터 동력을 전달받는 차동기어부를 구비할 수 있다.

상기 모터와 차동기어부가 Quasi-Direct Drive (QDD) 액추에이터를 형성하도록, 상기 모터와 상기 차동기어부의 감속비는 1:10 내지 1:100의 범위에서 설정될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 복수의 링크들은 제1링크, 제2링크 및 제3링크를 구비하고, 상기 제1링크는 상기 베이스에 연결되고, 상기 제2링크는 상기 제1 및 제2 링크의 사이에 배치되며, 상기 제3링크는 상기 핸들과 연결될 수 있다. 상기 제2링크는 상기 제1링크와 상기 제3링크보다 길이가 길도록 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명은 인터페이스 장치와 로봇 장치를 구비하는 로봇 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 인터페이스 장치에 대한 조작에 근거하여, 상기 인터페이스 장치에서 상기 로봇 장치를 구동하기 위한 제어 명령을 생성하는 단계와, 상기 로봇 장치가 상기 제어 명령을 이용하여 매니퓰레이터를 구동하며, 상기 매니퓰레이터가가 구동되는 것에 근거하여 발생되는 힘과 관련된 힘 정보를 감지하는 단계, 및 상기 힘 정보를 이용하여 상기 인터페이스 장치에서 출력하는 햅틱 피드백을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 햅틱 피드백을 생성하는 단계는, 상기 힘 정보에 대해 상기 인터페이스 장치에서 발생하는 마찰력을 보상하여 상기 햅틱 피드백을 생성하는 것을 특징으로 하는 인터페이스 장치와 로봇 장치를 구비하는 로봇 시스템의 제어 방법을 개시한다.

또한, 본 발명은, 베이스와, 상기 베이스와 이격 배치되는 핸들, 및 복수의 조인트를 형성하도록, 상기 베이스와 핸들의 사이에서 서로 순차적으로 연결되는 복수의 링크들과, 상기 복수의 링크들에 동력을 전달하는 복수의 모터, 및 상기 핸들에 대한 조작을 감지하여, 로봇 장치의 구동을 위한 제어명령을 생성하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 로봇 장치의 구동에 의하여 발생되는 힘과 관련된 힘 정보를 상기 로봇 장치로부터 전송받는 단계, 및 상기 힘 정보에 상기 조인트 및 모터에서 장치에서 발생하는 마찰력 중 적어도 일부를 보상하여 상기 인터페이스에 장치에 햅틱 피드백을 출력하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 인터페이스 장치를 개시한다.

본 발명에 따른 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법은, 햅틱 장치에서 마찰력을 보상하여 햅틱 피드백 생성함에 따라, 사용자가 보다 정확한 힘 정보를 피드백 받게 된다. 이를 통하여, 폐쇄 루프 안정성과 사용자가 느끼는 힘의 투명성이 강화될 수 있다.

또한, 본 발명은 사용자가 느끼는 마찰력과, 오차 동역학(error dynamics)에 반영되는 마찰력을 각각 보상함에 따라, 인터페이스 장치에서 보다 정확한 마찰력 보상을 할 수 있다. 또한, 이러한 방법에 의하여, 사용자가 느끼는 마찰력은 완전히 보상될 수 있다.

또한, 본 발명은 마찰을 보상하여 양방향 원격제어를 수행함에 따라, 인터페이스 장치를 조작하기 위한 사용자의 노력을 최소화하면서, 로봇 장치가 느끼는 외력을 사용자에게 피드백 할 수 있다. 이를 통하여, 즉각적인 충격을 필요로 하는 해머링 모션, 특정 힘 레벨을 제한해야 하는 하이 파이브 모션 및 인간과의 지속적인 힘 상호 작용을 필요로 하는 협력 모션과 같은 다양한 형태로, 인간과 유사한 작업이 수행될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 햅틱 인터페이스 장치는, 마찰력을 보상함에 따라, 높은 토크 전달 효율과 낮은 감속비를 가지는 Quasi-Direct Drive (QDD) 액추에이터를 적용할 수 있게 된다. 이를 통하여, 보다 정확한 크기의 힘을 햅틱 피드백으로 출력하는 인터페이스 장치가 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 햅틱 인터페이스 장치 및 이를 구비하는 로봇 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 햅틱 인터페이스 장치의 정면도 및 측면도이다.
도 3은 도 2b의 A 부분의 확대도이다.
도 4는 차동 구조의 토크 변환을 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제어 방법의 전체 프로세스를 나타내는 개념도이다.
도 6은 도 5의 햅틱 피드백 생성에서 마찰력을 보상하는 방법을 상세하게 나타내는 흐름도이다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 본 발명의 마찰력 보상의 효과를 나타내는 그래프들이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법이나, 인터페이스 장치와 로봇 장치를 구비하는 로봇 시스템의 제어 방법을 제공한다. 이러한 제어 방법에 대한 상세한 설명전에, 먼저 상기 제어 방법이 적용될 수 있는 인터페이스 장치 및 이를 구비하는 로봇 시스템에 대하여 도면을 참조하여 먼저 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 인터페이스 장치 및 이를 구비하는 로봇 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 로봇 시스템(10)은 로봇 장치(20)와 인터페이스 장치(100)를 구비한다.

또한, 본 명세서에서 로봇 장치(20)는 i) 사람과 유사한 기능을 가진　기계, 또는　ii) 하나 또는 복수의　컴퓨터 프로그램으로 작동할 수 있고(programmable), 자동적으로 복잡한 일련의 작업(comlex series of actions)을 수행하는 기계적 장치를 말한다. 또 다른 예로, 로봇 장치(20)는 형태가 있으며, 자신이 생각할 수 있는 능력을 가진 기계를 의미할 수 있다. 또한, 상기 로봇 장치(20)는, 로봇으로 지칭될 수 있으며, 본 명세서에서는 설명의 편의상 로봇과 로봇 장치를 혼용하여 사용한다.

특히, 본 명세서에서 예시하는 로봇 장치(20)는, 기능적 관점에서 제조공장에서 조립, 용접, 핸들링 등을 수행하는 산업용 로봇, 생활주변에서 개인 또는 전문적인 서비스를 제공하는 서비스 로봇, 또는 환경을 인식하고 스스로 판단하는 기능을 가진 지능형 로봇 등이 될 수 있다. 또한, 상기 로봇 장치(20)는 한 가지 기능이 아니라, 여러가지 기능을 복합적으로 수행하도록 이루어질 수 있다.

나아가, 상기 로봇 장치(20)는, 모습과 행동이 인간을 닮은 안드로이드(android) 로봇, 인간과 유사한 신체 구조를 지닌 휴머노이드(humanoid) 로봇, 신체 일부가 기계로 개조된　사이보그(cyborg) 등의 형태로 구현될 수 있다.

또한, 상기 로봇 장치(20)는, 용도적 관점에서, 청소로봇, 오락로봇, 교육로봇, 재활로봇 등의 개인 서비스용 로봇 (service robot for personal and private use)과, 안내로봇, 소방로봇, 의료로봇, 배달로봇, 재난구조로봇, 이사로봇 등의 전문서비스용 로봇 (service robot for professional use)과, 용접로봇, 도장로봇, 이송로봇 등의 제조용 로봇 (industrial robot), 전투로봇, 정찰로봇 등의 군사용 로봇(military robot) 등을 포함할 수 있다.

한편, 상기 로봇 장치(20)는, 전술한 기능이나 용도를 구현하기 위하여, 액추에이터(actuator), 제어 시스템(control system), 엔드 이펙터(end effector), 매니퓰레이터(Manipulator), 센서(sensor) 등을 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 로봇 장치(20)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 다양한 작업을 수행하기 위한 적절한 형태를 갖추기 위하여, 다관절의 매니퓰레이터를 가지는 다관절 로봇으로 구현될 수 있다.

본 발명에서는 상기 다관절 로봇에 대하여 직관적이고, 힘을 반영하는 작업 프로그래밍의 인터페이스로 이용가능한 인터페이스 장치(100)를 제공한다. 상기 인터페이스 장치(100)는 힘에 대한 햅틱 피드백을 출력하므로, 햅틱 인터페이스 장치가 될 수 있다. 이하, 상기 인터페이스 장치는 햅틱 인터페이스 장치라 지칭한다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 인터페이스 장치는 햅틱 피드백을 출력하지 않는 장치로도 사용이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 다관절 로봇을 기준으로, 본 발명의 햅틱 인터페이스 장치 및 이를 구비하는 로봇 시스템에 대하여 설명하나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 이하 설명되는 실시예에는 다관절 로봇이 아닌 다른 형태의 로봇이 적용될 수 있다.

도면을 참조하면, 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)는, 햅틱 기능이 있는 원격 조종장치, 조작기기 또는 제어 디바이스로서, 로봇 작업을 지도하기 위하여 상기 로봇 장치(20)에 사용자의 구동명령을 부여하는 기능을 수행할 수 있다.

여기에서, “지도”는 로봇을 가르쳐 이끈다는 의미이며, 가이드(guiding), 교시(teaching) 등으로 지칭되는 것도 가능하다.

상기 햅틱 인터페이스 장치(100)는 로봇 장치와 사용자의 인터페이스로서, 사용자의 조작에 따라서, 구동명령을 생성하여 상기 로봇 장치(20)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)는 원격 조종장치로 상기 로봇 장치(20)와 통신을 통하여 구동명령을 전달한다.

또한, 햅틱(haptic)은, 컴퓨터 촉각기술로서, 구체적으로 사용자의 입력 장치를 통해 촉각과 힘, 운동감 등을 느끼게 하는 기술을 의미한다. 이 경우, 촉각과 힘, 운동감의 효과는, 진동, 공기 분사, 온도제어 등을 통하여 구현될 수 있으며, 다른 예로서, 사용자가 손가락이나 팔 등의 근 감각을 통해 느낄 수 있도록 구현할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 설명하는 햅틱 피드백은 입력장치를 통한 피드백을 이용하여 촉각과 힘, 운동감 등을 느끼게 하는 기술을 의미한다.

이와 같이, 본 발명은 로봇의 원격 조종장치에 햅틱 피드백을 출력하여 원격 조종장치의 사용자가 실제의 작업환경에서 로봇에서 생성되는 힘을 인지하도록 한다.

여기에서, 작업환경이란, 로봇이 작업을 수행하기 위한 환경으로서, 로봇을 둘러싼 다양한 환경적인 요인을 포함할 수 있다. 특히, 작업환경은, 로봇이 수행해야 하는 작업과 관련된 재료, 도구, 작업 대상 등을 모두 포함하는 의미로 이해되어 질 수 있다.

예를 들어, 도시된 바와 같이 사용자가 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)를 당기면, 상기 당기는 동작에 연동하여 각각의 관절에는 굽혀짐, 펴짐, 회전 등의 운동이 발생하게 된다. 이를 통하여, 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)는 다관절의 움직임을 보이게 되며, 이 때에, 상기 당기는 동작에 해당하는 구동명령을 생성하여, 상기 로봇 장치로 전송한다. 상기 로봇 장치(20), 보다 구체적으로 로봇 암은 상기 구동명령에 따라 당기는 동작을 수행한다.

상기 햅틱 인터페이스 장치(100)는 상기 로봇 장치(20)를 제어하기 위한 보다 직관적인 작업 프로그래밍과, 힘 정보의 피드백을 위하여, 인간 규모로 이루어질 수 있다. 이러한 예로서, 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)는 다관절의 인터페이스 장치가 될 수 있으며, 7-dof 의 높은 자유도를 가질 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 새로운 형태의 햅틱 인터페이스 장치를 구현하는 것으로서, 이하에서는, 첨부된 도면과 함께, 본 발명에 따른 햅틱 인터페이스 장치에 대하여 첨부된 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 햅틱 인터페이스 장치의 정면도 및 측면도이다.

본 도면들을 참조하면, 개시된 햅틱 인터페이스 장치(100)는 일 방향으로 긴 바 형태의 바디를 구비하고 있다. 다만, 본 발명은 여기에 한정되지 않고 본 도면들은 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)의 특정 상태에서의 모습을 도시한 것으로 이해되어야 한다. 즉, 본 도면에서는 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)의 관절들이 모두 펴진 상태에서, 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)가 일 방향으로 긴 바 형태를 형성하는 것을 예시한다.

구체적으로, 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)는 지지부(110)와 조작부(120)를 구비할 수 있다.

상기 지지부(110)는 지면에 배치되는 받침대(111)와 상기 받침대(111)에서 상측으로 연장되는 포스트(112)를 구비하며, 상기 포스트(112)의 일단에는 베이스(113)가 연결될 수 있다. 이러한 구조를 통하여 상기 베이스(113)는 지면으로부터 기설정된 높이만큼 이격될 수 있다.

상기 조작부(120)는 상기 지지부(110)와 연결되며, 사용자에 의하여 실질적으로 조작되는 조종장치가 될 수 있다. 본 예시에서는 상기 조작부(120)는 상기 베이스(113)에 연결될 수 있다. 따라서 사용자는 로봇 장치와 유사한 자세, 예를 들어, 서있는 자세에서 상기 조작부(120)를 조작할 수 있게 된다.

도시에 의하면, 상기 조작부(120)는 핸들(121) 및 복수의 링크들(122, 123, 124)을 구비할 수 있다.

상기 핸들(121)은 상기 베이스(113)와 이격 배치되며, 사용자가 손으로 잡을 수 있도록 이루어진다. 이 경우, 상기 핸들(121)은 상기 로봇 장치(20, 도 1 참조)와 유사하게 엔드 이펙터로 지칭되는 것도 가능하다.

상기 복수의 링크들(122, 123, 124)은 상기 베이스(113)와 핸들(121)의 사이에서 서로 순차적으로 연결된다. 이러한 구조를 통하여, 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)는 다관절 형태의 조종장치나 햅틱장치가 될 수 있다.

이러한 구조를 이용하여, 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)는 힘을 기반으로 상기 로봇 장치(20)를 지도하도록, 상기 로봇 장치(20)에 대해 상기 지도가 이루어지는 동안에 힘 정보에 근거하여 상기 햅틱 피드백을 출력할 수 있다.

한편, 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)는 사용자와 로봇 장치의 충돌을 최소화하기 위하여, 컴팩트한 구조를 가진다. 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)는 인간규모에서 용이한 조작을 위하여 충분한 자유도 (6 이상)를 가질 수 있다. 또한, 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)의 액추에이터는 힘 또는 토크 제어가 가능하며 핸들에서 큰 하중과 강성을 관리할 수 있도록 형성된다.

특히, 본 발명에서는 컴팩트한 구조와 높은 자유도를 가지면서도, 힘 또는 토크 제어가 가능하며 큰 하중과 강성을 관리할 수 있는 새로운 메커니즘을 제공한다. 이하, 이러한 메커니즘에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 3은 도 2b의 A 부분의 확대도이이고, 도 4는 차동 구조의 토크 변환을 나타내는 개념도이다.

도 3을 참조하면, 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)는 상기 로봇 장치(20)의 구동명령을 생성하고, 힘을 기반으로 한 햅틱 피드백을 출력하기 위하여 액추에이터를 구비할 수 있다.

상기 액추에이터는 전기, 화학 또는 열에너지를 회전 또는 직선 운동으로 변환하는 장치로서, 모터, 공압 실린더, 인공 근육 등이 될 수 있다.

이 경우에, 상기 액추에이터는 Quasi-Direct Drive (QDD) 액추에이터가 될 수 있다. 즉, 상기 햅틱 인터페이스 장치(100)의 액추에이터는 높은 토크 전달 효율과 낮은 감속비를 갖는 QDD 액추에이터가 될 수 있다.

또한, 상기 QDD 액추에이터는 역 드라이브가 가능하고 높은 대역폭의 센서리스 힘 제어에 적합하며 특정 수준의 토크 강도를 관리할 수 있다. QDD 액츄에이터는 마찰이 적고, 역 구동이 가능하며, 페이로드가 적은 장점이 있으며, 입력 모터에서 출력 토크를 관찰할 수 있어 높은 대역폭 제어가 가능하다.

보다 구체적으로, 상기 QDD 액추에이터는 QDD (Quasi-Direct-Drive )방식으로 구동되는 모터(130)를 구비할 수 있다. QDD 방식은 출력단에 걸리는 힘을 입력단의 센서로 감지가 가능하다. 이 때에, 상기 QDD방식의 모터(130)의 전류 센서에 의해 외력이 감지될 수 있고 모터(130)의 전류를 제어하여 토크가 예측될 수 있다. 이와 같이, 별도의 토크 센서없이 힘을 제어할 수 있어 동적 안정성이 비교적 쉽게 유지될 수 있다.

하지만, QDD 액추에이터는 토크 리미트가 비교적 낮은 문제가 있으나, 본 발명에서는 차동 조인트 구조를 통하여 이러한 문제를 해결한다.

도 3을 참조하면, 상기 복수의 링크들(122, 123, 124) 중 어느 하나에는 복수의 모터(130)가 장착된다. 상기 복수의 모터(130)는 각각 차동기어부(140)에 동력을 전달하도록 형성될 수 있다.

상기 차동기어부(140)는 어느 기어가 다른 기어의 주위를 돌면서 동력을 전달하는 장치로서, 태양기어의 주변을 유성기어가 돌면서 회전하는 구조를 가질 수 있다.

이 경우에, 상기 모터(130)와 차동기어부(140)가 상기 QDD 액추에이터를 형성하도록, 상기 모터(130)와 상기 차동기어부(140)의 감속비는 1:10 보다 작은 크기로 이루어질 수 있다. 이러한 예로서, 상기 모터(130)와 상기 차동기어부(140)의 감속비는 1:10 내지 1:100의 범위에서 설정된다. 보다 구체적인 예로서, 상기 모터(130)와 상기 차동기어부(140)의 감속비는 1:50 이하의 범위로 설정될 수 있다.

상기 복수의 모터(130)의 합력이 조인트 토크를 형성하여 상기 핸들(121)에 햅틱 피드백을 출력하도록, 상기 복수의 링크들(122, 123, 124) 중 적어도 한 쌍은 상기 차동기어부(140)에 의하여 서로 상대 회전하도록 연결될 수 있다. 여기서 조인트 토크는 2개의 모터의 토크의 합으로 도 4와 같이 표현될 수 있다.

이러한 구조에 의하면, 복수의 모터의 힘이 구동력이 되므로, 액추에이터의 토크 리미트가 상승하게 된다. 또한, 상대적으로 높은 파워 대 중랑비가 구현될 수 있다.

이 때에, 상기 조인트 토크는 하기 식 (1)으로 표현될 수 있다.

(1)

여기서, τ_θ, τ 는 조인트와 모터 토크의 벡터들이고,

는 모터 각도와 조인트 각도 사이의 자코비안 매핑(Jacobian of the mapping)이다. 만약, 모터가 조인트에 직접 연결되면,

이 되고, 만약 조인트와 모터가 차동 구조이면,

가 된다.

또한, 모터가 동일한 제어 이득을 사용하여 제어된다고 가정할 때, 모터가 각 조인트에 장착될 때보다 하기의 식 (2)와 같이 높은 조인트 레벨 강성을 얻을 수 있게 된다. 이러한 점에서 본 발명의 햅틱 인터페이스 장치는 보다 높은 레벨의 힘 투명도를 실현할 수 있다.

(2)

여기서, K_θ 는 조인트 레벨 강성이고, K_q는 모터 레벨 강성이다.

도시에 의하면, 상기 복수의 링크들(122, 123, 124)은 제1링크(122), 제2링크(123) 및 제3링크(124)를 구비할 수 있다. 도시에 의하면, 상기 제1링크(122)는 상기 베이스(113)에 연결되는 링크이며, 상기 제3링크(124)는 상기 핸들(121)에 연결되는 링크가 될 수 있다. 또한, 상기 제2링크(123)는 상기 제1링크(122) 및 제3링크(124)의 사이에 배치되는 링크가 될 수 있다.

이 때에, 상기 제1링크(122)와 제2링크(123)의 사이에는 제1차동기어부(141)가 배치될 수 있다. 또한, 상기 제2링크(123)와 제3링크(124)의 사이에는 제2차동기어부(142)가 배치되고, 상기 제3링크(124)와 핸들(121)의 사이에 제3 차동기어부(143)가 배치될 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 베이스(113), 제1링크(122), 제1차동기어부(141), 제2링크(123), 제2차동기어부(142), 제3링크(124), 제3 차동기어부(143) 및 핸들(121)이 차례로 연결되는 구조를 실시예로서 예시한다.

다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 차동기어부(140)는 한 쌍의 링크들의 사이에만 존재하는 것도 가능하다. 다른 예로서, 상기 차동기어부(140)는 링크들의 사이들 중 2 지점에 존재하는 것도 가능하다.

한편, 본 실시예에서 상기 제1차동기어부(141), 제2차동기어부(142), 제3 차동기어부(143)는 각각 링크로 지칭되는 것도 가능하다. 특히, 동역학 모델링을 하는 경우에, 상기 제1차동기어부(141), 제2차동기어부(142), 제3 차동기어부(143)는 각각 링크로 해석될 수 있다. 이런 경우에, 상기 핸들(121)도 링크로 해석되며, 따라서, 베이스에는 7개의 링크가 순차적으로 연결되는 구조로 가정하여, 상기 동역학 모델링이 수행될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 베이스(113)와 제1링크(122)의 사이에는 하나의 조인트 축이 형성되고, 다른 부분에서는 복수의 조인트 축이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스(113)와 제1링크(122)의 사이에는 제1조인트 축이, 상기 제1링크(122)와 제2링크(123)의 사이에는 서로 수직한 제2조인트 축 및 제3조인트 축이, 상기 제2링크(123)와 제3링크(124)의 사이에는 서로 수직한 제4조인트 축 및 제5조인트 축이, 상기 제3링크(124)와 핸들(121)의 사이에는 서로 수직한 제6조인트 축 및 제7조인트 축이 형성된다. 또한, 각 조인트 축의 회전 범위는 하기의 표 1과 같이 설정될 수 있다.

본 발명에서는 링크들의 사이에서 상기 회전 범위를 가지는 차동 조인트 구조가 적용된다. 이하에서는, 본 발명에 적용된 차동 조인트 구조에 대하여 보다 상세히 설명한다.

보다 구체적으로, 도 3을 참조하면, 상기 제1링크(122)의 하단부에 복수의 모터가 장착되고, 제1차동기어부(141)에 벨트와 풀리를 이용하여 동력을 전달하도록 이루어진다.

도시에 의하면, 상기 제1링크(122)의 상단부에는 상기 제1차동기어부(141)가 장착될 수 있다. 복수의 모터는, 제1차동기어부(141)의 서로 마주보는 한 쌍의 기어에 벨트와 풀리를 이용하여 각각 연결된다. 한편, 상기 제2링크(123)는 제1차동기어부(141)의 다른 기어축과 연결될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에서는 풀리와 벨트의 연결구조를 이용하여, 모터를 베이스에 최대한 가깝게 배치할 수 있었다. 이를 통하여 자체 중량 보정에 필요한 토크가 최소화될 수 있다. 이는 동일한 모터를 차동 조인트에 직접 연결하는 것과 비교하여 자체 중량 보정을 위한 토크를 약 20 % 줄일 수 있으며, 따라서 더 높은 하중을 보장한다.

상기에서 설명한 차동 조인트 구성에서는, 상기 제2링크(123)는 상기 한 쌍의 동일방향으로 회전하면 제1방향으로 틸팅하고, 서로 반대방향으로 회전하면 상기 제1방향과 수직한 방향으로 회전할 수 있다.

이상에서는 제1링크(122)와 제2링크(123)의 사이에서, QDD 액추에이터와 차동기어부가 조합되는 메커니즘에 대하여 설명하였으며, 상기 제2링크(123)와 제3링크(124)의 사이와, 상기 제3링크(124)와 상기 핸들(121)의 사이에서도 유사한 메커니즘이 적용될 수 있다.

다만, 도시에 의하면, 상기 제1링크(122)와 달리, 상기 제2링크(123)에서는 상기 복수의 모터가 상하방향으로 배치될 수 있다. 이러한 구조를 위하여, 상기 제2링크(123)는 상기 제1링크(122)보다 길이가 길도록 이루어질 수 있다.

한편, 상기 제2링크(123)의 상단부에는 상기 제2차동기어부(142)가 장착될 수 있다. 상기 제2차동기어부(142)는 각 구성요소가 전술한 제1차동기어부(141)와 동일하거나 유사하며, 이에 대한 상세한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다.

도시에 의하면, 상기 제3링크(124)에서는 상기 제2링크(123)와 같이 상기 복수의 모터가 상하방향으로 배치될 수 있다. 즉, 상기 제3링크(124)에서는 복수의 모터가 상기 링크의 길이 방향을 따라 순차적으로 배치된다. 이러한 구조를 위하여, 상기 제3링크(124)는 상기 제1링크(122)보다 길이가 길도록 이루어질 수 있다.

한편, 상기 제3링크(124)에는 제3차동기어부(143)가 장착되며, 상기 제3차동기어부(143)는 각 구성요소가 전술한 제1차동기어부(141)나 제2차동기어부(142)와 동일하거나 유사하며, 이에 대한 상세한 설명은 전술한 내용으로 갈음한다. 다만, 상기 제3차동기어부(143)의 기어에는 핸들(121)이 연결될 수 있다.

본 발명의 햅틱 인터페이스 장치는, 각 링크의 길이는 조작 범위가 넓고 모든 위치에서 움직임이 좋아야 한다. 또한, 사용자와 로봇 사이의 충분한 수준의 운동학적 조작 가능성이 요구된다. 이러한 요구를 만족시키기 위하여, 본 발명에서는 마찰력을 보상하여 햅틱 피드백 생성함에 따라, 사용자가 보다 정확한 힘 정보를 느낄 수 있도록 제어한다.

이하, 이러한 본 발명의 제어 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 제어 방법의 전체 프로세스를 나타내는 개념도이며, 도 6은 도 5의 햅틱 피드백 생성에서 마찰력을 보상하는 방법을 상세하게 나타내는 흐름도이다.

먼저, 도 5를 참조하면, 본 발명의 제어 방법에서는 인터페이스 장치에 대한 조작(S110)에 근거하여, 상기 인터페이스 장치에서 상기 로봇 장치를 구동하기 위한 제어 명령을 생성하는 단계(S120)가 진행된다.

예를 들어, 상기 인터페이스 장치는 상기 로봇 장치를 지도하도록 조작 가능하게 형성되며, 사용자가 상기 인터페이스 장치를 조작하여 상기 로봇 장치에 대하여 작업에 대한 지도를 수행할 수 있다. 상기 인터페이스 장치는 6자유도 이상을 갖는 장치가 될 수 있으며, 각 자유도는 액츄에이터에 의하여 움직이는 구조가 될 수 있다.

상기 제어 명령을 생성하기 위하여, 상기 인터페이스 장치에는 제어부가 구비될 수 있다. 상기 제어부는 상기 인터페이스 장치의 핸들에 대한 조작을 감지하여, 로봇 장치의 구동을 위한 제어명령을 생성할 수 있다.

상기 제어부는 작업을 수행하는 동작과 더불어, 통상적으로 인터페이스 장치의 전반적인 동작을 제어한다. 상기 제어부는 상기 인터페이스 장치의 내에 존재할 수도 있고, 외에 존재할 수도 있다.

도시에 의하면, 생성된 제어명령은 통신을 통하여 상기 로봇 장치로 전송된다(S130). 상기 인터페이스 장치는 원격 조종장치로 상기 로봇 장치와 통신을 통하여 구동명령을 전달한다. 또한, 이를 위하여, 상기 인터페이스 장치와 로봇 장치에는 각각 무선 통신부가 구비될 수 있다. 상기 무선 통신부는 무선 통신을 위한 무선 인터넷 모듈, 근거리 통신 모듈, 위치정보 모듈 등을 구비할 수 있다.

이후에, 상기 로봇 장치가 상기 제어 명령을 이용하여 매니퓰레이터를 구동한다(S140). 상기 매니퓰레이터의 구동은 예시적인 것으로서, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 로봇 장치의 다른 부분이 구동되는 것도 가능하다. 구체적인 예로서, 상기 로봇 장치의 구동은, 엔드 이펙터나 액추에이터 등을 구동하는 것이 될 수 있다.

다음으로, 상기 로봇 장치는 상기 매니퓰레이터가 구동되는 것에 근거하여 발생되는 힘과 관련된 힘 정보를 감지한다(S150). 상기 힘 정보의 감지를 위하여, 상기 로봇 장치에는 센싱부가 구비될 수 있다.

상기 센싱부는 작업에서 발생하는 힘 정보, 로봇 장치 내 정보(특히, 로봇의 구동상태), 로봇 장치를 둘러싼 주변 환경 정보, 로봇 장치의 위치 정보 및 사용자 정보 중 적어도 하나를 센싱하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다.

상기 작업에서 발생하는 힘 정보는 예를 들어, 상기 로봇 장치에 가해지는 외력이 될 수 있다. 이 경우에, 상기 외력은 힘-토크 센서를 이용하여 측정하거나 모터에 인가되는 전류 등 로봇의 상태를 이용하여 추정하는 방식으로 산출될 수 있다.

상기 로봇의 구동상태는 모터의 각도, 가속도 및 각속도, 모터에 인가되는 토크 또는 전류 등이 될 수 있다. 상기 로봇 장치를 둘러싼 주변 환경 정보에는 작업환경이 포함될 수 있다. 이를 위하여, 센싱부는 오브젝트와의 거리, 작업환경의 온도 등과 같은 데이터를 특정 센서들을 이용하여 측정할 수 있다.

도시에 의하면, 상기 센싱된 힘 정보는 인터페이스 장치로 전송(S160)되며, 상기 인터페이스 장치에서 상기 힘 정보를 수신하게 된다(S170). 본 실시예에서는 상기 힘 정보를 상기 인터페이스 장치에서 수신하는 것을 예시하지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 인터페이스 장치와 상기 로봇 장치의 사이에 별도의 서버가 존재하여, 상기 힘 정보를 수신하는 것도 가능하다.

이 후에, 상기 힘 정보를 이용하여 상기 인터페이스 장치에서 출력하는 햅틱 피드백을 생성하는 단계가 진행된다(S180). 예를 들어, 상기 인터페이스 장치의 제어부가 상기 힘 정보를 이용하여 피드백 제어를 연산하여, 상기 인터페이스 장치의 액추에이터를 구동하여 힘에 대한 햅틱 피드백을 출력한다.

구체적인 예로서, 로봇 장치가 못을 나무에 박기 위하여, 못을 망치로 내려치면, 반력이 발생하여 로봇에게 힘을 가하게 된다. 이러한 반력의 데이터가 힘 정보로서 상기 인터페이스 장치에 전달될 수 있다. 상기 인터페이스 장치는 사용자가 손으로 잡는 핸들에 상기 반력에 해당하는 힘을 가하여, 사용자가 못을 박는 작업에서 상기 반력을 느낄 수 있게 한다. 다만, 본 명세서는 반력을 예시로서 설명하나, 망치의 무게 등, 작업환경에서는 다양한 형태의 외력이 발생할 수 있으며, 이러한 외력들이 상기 힘 정보에 포함될 수 있다.

햅틱 피드백을 위하여 햅틱 모듈을 구동하는 구동 명령은 상기 인터페이스 장치에서 생성한다. 다른 예로서, 상기 로봇 장치나 서버에서 상기 데이터로부터 도출한 상기 인터페이스 장치에 대한 제어명령을 도출할 수 있으며, 이 경우에 상기 제어명령을 상기 햅틱 모듈을 구동하게 된다.

상기에서 설명한 본 발명의 제어 방법은 전체 프로세스에 대한 것이나, 상기 인터페이스를 기준으로 정리되는 것도 가능하다.

이러한 예로서, 본 발명의 양방향 원격제어 방법은, 먼저 인터페이스 장치에 대한 조작에 근거하여, 상기 로봇 장치를 구동하기 위한 제어 명령을 생성한다(S120).

이후에, 상기 제어 명령에 의하여 상기 로봇 장치가 구동되는 것에 근거하여 상기 인터페이스 장치가 상기 로봇 장치에서 발생되는 힘과 관련된 힘 정보를 상기 로봇 장치로부터 수신(S170)하고, 상기 힘 정보에 대응되는 햅틱 피드백이 상기 인터페이스 장치에 출력(S190)될 수 있다.

상기 출력하는 단계에서는, 전술한 것과 마찬가지로, 상기 힘 정보에 대해 상기 인터페이스 장치에서 발생하는 마찰력을 보상하여 상기 햅틱 피드백을 생성(S180)하게 된다.

이와 같이, 상기 인터페이스 장치의 제어부는, 상기 로봇 장치의 구동에 의하여 발생되는 힘과 관련된 힘 정보를 상기 로봇 장치로부터 전송받은 후에, 상기 힘 정보에 상기 조인트 및 모터에서 장치에서 발생하는 마찰력 중 적어도 일부를 보상하여 상기 인터페이스에 장치에 햅틱 피드백을 출력하게 된다.

예를 들어, 상기 보상되는 마찰력은 상기 복수의 링크들의 사이에서 발생하는 링크 마찰력과 상기 복수의 모터에서 발생하는 모터 마찰력 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 실시예에서는 작업 공간을 기준으로 모델링한 상기 인터페이스 장치 및 상기 로봇 장치의 동역학 모델과 상기 인터페이스 장치의 모터를 기준으로 모델링한 상기 모터의 동역학 모델을 이용하여 상기 마찰력 보상을 최적화하는 것을 예시한다. 이하, 이러한 마찰력 보상에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 6을 참조하면, 상기 마찰력 보상을 위하여 먼저 동역학 방정식을 설정한다(S181). 이 경우에, 상기 인터페이스 장치의 핸들과 상기 로봇 장치의 엔드 이펙터에 작용하는 외부의 힘과 환경적 힘을 이용하여 동역학 방정식을 설정할 수 있다.

보다 구체적으로, 먼저, 간결성을 위해 제어법의 도출에서 동역학 방정식 (마찰 제외)에 나타나는 모든 속도 의존 비선형 항, 예를 들어 코리올리 항 등은 무시될 수 있다. 또한, 중력 토크는 사전에 보상되었다고 가정된다. 이 후에, 인터페이스 장치(master) 및 로봇 장치(slave)의 역학 방정식은 다음과 같이 단순화될 수 있다.

여기서 첨자 '1' 및 '2'를 가지는 변수는 각각 인터페이스 장치 및 로봇 장치 역학을 나타낸다. F_user, F_env ∈ R⁶ 은 각각 인터페이스 장치의 핸들과 로봇 장치의 엔드 이펙터에 작용하는 외부/환경적 렌치(wrenches)를 나타낸다. J_i ∈ R^6X7 은 모터 각도 q_i ∈ R⁷ 과 6 자유도 엔드 이펙터 위치 벡터 xi ∈ R⁶ 사이의 매핑 자코비안을 나타낸다.

다음으로, 입력 토크를 분해하여, 상기 동역학 방정식의 작업 공간(task space)을 정규화하고, 작업 공간의 입력 렌치를 상기 제1마찰력과 제2마찰력을 이용하여 분해하는 단계(S182)가 진행된다. 이 때에, 입력 토크는 다음과 같이 분해될 수 있다.

여기서 F_i는 작업 공간 역학(task space dynamics)에 순전히 작용하는 렌치이고, N_iτ_ni 는 작업 공간 역학을 방해하지 않고 각 매니퓰레이터의 (1-dof) 영공간(nullspace) 동작에만 영향을 주는 잔류 입력 토크가 될 수 있다.

역학 방정식의 작업 공간 공식은 다음과 같이 주어진다.

여기서, ∧_i=(J_iM_i ^-1J_i ^T)^-1 은 작업 공간 질량 매트릭스가 될 수 있다. 또한, 비선형 속도 의존 항목들은 제거하고 나면, 작업 공간 입력 렌치는 다음과 같이 분해될 수 있다.

여기서, F_e, F_u ∈ R⁶ 가 된다.

이후에, 작업 공간 역학 방정식은 다음과 같이 재배열된다.

여기서, e = x1-x2 는 위치 좌표 에러 벡터이고, ∧_e=[∧₁ ^-1+∧₂ ^-1]^-1은 위치 좌표 에러 역학과 관련된 질량 매트릭스이다. 또한,

은 오차 동역학(error dynamics)에 반영되는 마찰력이고,

는 사용자가 느끼는 반사 마찰력이 될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 보상되는 마찰력은 사용자가 인지하는 제1마찰력과, 오차 동역학(error dynamics)에 반영되는 제2마찰력을 포함할 수 있다.

상기 제1마찰력과 제2마찰력에 대한 마찰력 보상을 수행(S183)함에 따라, 마찰력이 보상된 힘에 대한 햅틱 피드백이 출력될 수 있게 된다.

이 경우에, 위치 좌표 에러 역학 및 조정된 원격 제어 역학을 위한 제어 설계는 Fe 및 Fu의 독립적인 선택을 통해 분해된다. 따라서, Fe 및 Fu에 대한 피드백 제어법은 다음과 같이 설계될 수 있다.

여기서,

은 대칭의 양의 유한한 PD 이득 매트릭스이고,

,

는 마찰 보상 항목들이다. 그러면, 폐쇄 루프 역학은 다음과 같이 주어진다.

,

이 때에, 사용자가 느끼는 마찰력을 최소화하기 위하여, 다음과 같이 설정될 수 있다.

이와 같은 설정은, 조정된 원격 제어 역학에 반영된 마찰 효과를 완전히 보상한다. 즉, 상기 사용자가 인지하는 제1마찰력을 완전히 보상하게 된다. 이와 같이, 상기 제1마찰력은 마찰력의 보상력과 동일하도록 설정되어, 사용자에게 전술한 힘 정보를 투명하게 전달하는 역할을 하게 된다.

한편, 위치 좌표 에러 역학에서 마찰은 완전히 보상될 필요는 없지만, 폐쇄 루프 에러 역학의 안정성을 향상시키기 위해 적절한 마찰력 보상이 수행될 수 있다.

이러한 마찰력 보상의 예로서, 랴푸노프 안정성 (Lyapunov stability)에서 안정한 조건을 이용하여 마찰력의 보상이 설정될 수 있다.

랴푸노프 안정성은 모든 상태에 대해서 upper-bounded 되어 있는 함수는 Lyapunov stable 하다고 보는 것으로서, 동역학 시스템의 경우에 초기 에너지가 유한하게 정의되어 있고, 에너지의 도함수가 음수인 경우가 해당한다. 이런 경우는 시간에 따라 유한하게 정의된 초기 에너지보다 작게 되므로, Lyapunov stable 하다.

본 발명의 시스템에서 위치 오차(e)에 대한 에너지가 항상 영(0)보다 작거나 같기에, Lyapunov stable 하고 시간이 흐르면 위치 오차가 영으로 되는 방향으로 수렴하게 된다.

즉, 위치 좌표 에러 역학에서 마찰 보상이 100% 이루어지는 것은 아니지만, 하기와 같이 설정할 수 있다.

여기서,

가 성립하여, 안정성 확보 및 개선이 가능하게 된다.

이상에서는 사용자가 인지하는 제1마찰력과, 오차 동역학(error dynamics)에 반영되는 제2마찰력으로 보상의 대상이 되는 마찰력으로 결정하고, 상기 제1마찰력은 마찰력의 보상력과 동일하도록 설정되고, 상기 제2마찰력은 랴푸노프 안정성 (Lyapunov stability)에서 안정한 조건을 이용하여 설정하여 마찰력 보상을 수행하였다.

이하에서는, 본 발명의 마찰력 보상의 유용함에 대하여 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 설명한다. 도 7a, 도 7b 및 도 7c는 본 발명의 마찰력 보상의 효과를 나타내는 그래프들이다.

Position Coordination

도 7a는 좌측에 마찰 보상이 없는 경우의 위치 에러를 도시하고, 우측에 마찰 보상을 한 경우의 위치 에러를 도시한 그래프이다.

본 그래프를 참조하면, 외부 환경과의 접촉이 없는 자유 운동의 경우, 마찰력의 보상의 적용 여부에 관계없이 인터페이스 장치와 로봇 장치 사이의 위치 오차가 약 2cm 미만인 것이 확인되었다. 이 경우, 마찰 보상의 적용 여부에 따라 위치 오차가 발생하지 않는 이유는 사용자가 느끼는 마찰만을 보상하는 양방향 제어법이 적용되었기 때문이다.

Friction Compensation

도 7b는 좌측에 마찰 보상이 없는 경우의 측정된 힘을 도시하고, 우측에 마찰 보상을 한 경우의 측정된 힘을 도시한 그래프이다.

자유로운 움직임에도 불구하고, 사용자는 인터페이스 장치를 조작할 때 외부 힘을 느끼는데, 이는 인터페이스 장치와 로봇 장치의 보상되지 않은 역학을 나타낸다. 도 7b 로부터 본 발명의 마찰력 보상의 적용에 따라 사용자가 느끼는 힘의 크기가 효과적으로 감소됨을 알 수 있다.

Force Reflection

도 7c는 힘-토크 센서의 측정된 질량의 크기를 나타내는 그래프이다. 이 그래프로부터, 정적인 상황에서 사용자는 인터페이스 장치를 통해 로봇 장치 무게의 약 78 %를 느낌을 알 수 있다. 이를 통해 본 발명에서 제시하는 방법은 인터페이스 장치를 통해 로봇 장치의 외력을 충분히 느낄 수 있음을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 마찰을 보상하여 양방향 원격제어를 수행함에 따라, 인터페이스 장치를 조작하기 위한 사용자의 노력을 최소화하면서, 로봇 장치가 느끼는 외력을 사용자에게 피드백 할 수 있다.

상기와 같이 설명된 인터페이스 장치 및 이를 이용한 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (14)

1. 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법에 있어서,
   인터페이스 장치에 대한 조작에 근거하여, 상기 로봇 장치를 구동하기 위한 제어 명령을 생성하는 단계;
   상기 제어 명령에 의하여 상기 로봇 장치가 구동되는 것에 근거하여 상기 로봇 장치에서 발생되는 힘과 관련된 힘 정보를 상기 로봇 장치로부터 수신하는 단계; 및
   상기 힘 정보에 대응되는 햅틱 피드백을 상기 인터페이스 장치에 출력하는 단계를 포함하고,
   상기 출력하는 단계에서는,
   상기 힘 정보에 대해 상기 인터페이스 장치에서 발생하는 마찰력을 보상하여 상기 햅틱 피드백을 생성하며,
   상기 출력하는 단계는,
   상기 인터페이스 장치의 핸들과 상기 로봇 장치의 엔드 이펙터에 작용하는 외부의 힘과 환경적 힘을 이용하여 동역학 방정식을 설정하는 단계;
   입력 토크를 분해하여, 상기 동역학 방정식의 작업 공간(task space)을 정규화하고, 작업 공간의 입력 렌치를 제1마찰력과 제2마찰력을 이용하여 분해하는 단계; 및
   상기 제1마찰력과 상기 제2마찰력에 대한 마찰력 보상을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법.
2. 제1항에 있어서,　
   상기 마찰력은,
   사용자가 인지하는 상기 제1마찰력과, 오차 동역학(error dynamics)에 반영되는 상기 제2마찰력을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1마찰력은 마찰력의 보상력과 동일하도록 설정되고,
   상기 제2마찰력은 랴푸노프 안정성 (Lyapunov stability)에서 안정한 조건을 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법.
5. 제1항에 있어서,　
   작업 공간을 기준으로 모델링한 상기 인터페이스 장치 및 상기 로봇 장치의 동역학 모델과 상기 인터페이스 장치의 모터를 기준으로 모델링한 상기 모터의 동역학 모델을 이용하여 상기 마찰력 보상을 최적화하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법.
6. 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법에 있어서,
   인터페이스 장치에 대한 조작에 근거하여, 상기 로봇 장치를 구동하기 위한 제어 명령을 생성하는 단계;
   상기 제어 명령에 의하여 상기 로봇 장치가 구동되는 것에 근거하여 상기 로봇 장치에서 발생되는 힘과 관련된 힘 정보를 상기 로봇 장치로부터 수신하는 단계; 및
   상기 힘 정보에 대응되는 햅틱 피드백을 상기 인터페이스 장치에 출력하는 단계를 포함하고,
   상기 출력하는 단계에서는,
   상기 힘 정보에 대해 상기 인터페이스 장치에서 발생하는 마찰력을 보상하여 상기 햅틱 피드백을 생성하며,
   상기 인터페이스 장치는,
   베이스;
   상기 베이스와 이격 배치되는 핸들; 및
   상기 베이스와 핸들의 사이에서 서로 순차적으로 연결되는 복수의 링크들;
   상기 복수의 링크들에 동력을 전달하는 복수의 모터; 및
   상기 복수의 링크들을 서로 회전 가능하게 연결하며, 상기 복수의 모터의 합력이 조인트 토크를 형성하도록 상기 복수의 모터로부터 동력을 전달받는 차동기어부를 구비하고,
   상기 보상되는 마찰력은 상기 복수의 링크들의 사이에서 발생하는 링크 마찰력과 상기 복수의 모터에서 발생하는 모터 마찰력 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법.
7. 삭제
8. 제6항에 있어서,　
   상기 모터와 차동기어부가 Quasi-Direct Drive (QDD) 액추에이터를 형성하도록, 상기 모터와 상기 차동기어부의 감속비는 1:10 내지 1:100의 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법.
9. 제6항에 있어서,
   상기 복수의 링크들은 제1링크, 제2링크 및 제3링크를 구비하고,
   상기 제1링크는 상기 베이스에 연결되고, 상기 제2링크는 상기 제1 및 제2 링크의 사이에 배치되며, 상기 제3링크는 상기 핸들과 연결되는 것을 특징으로 하는 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제2링크는 상기 제1링크와 상기 제3링크보다 길이가 길도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇 장치의 양방향 원격제어 방법.
11. 인터페이스 장치와 로봇 장치를 구비하는 로봇 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 인터페이스 장치에 대한 조작에 근거하여, 상기 인터페이스 장치에서 상기 로봇 장치를 구동하기 위한 제어 명령을 생성하는 단계;
    상기 로봇 장치가 상기 제어 명령을 이용하여 매니퓰레이터를 구동하며, 상기 매니퓰레이터가가 구동되는 것에 근거하여 발생되는 힘과 관련된 힘 정보를 감지하는 단계; 및
    상기 힘 정보를 이용하여 상기 인터페이스 장치에서 출력하는 햅틱 피드백을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 햅틱 피드백을 생성하는 단계는,
    상기 힘 정보에 대해 상기 인터페이스 장치에서 발생하는 마찰력을 보상하여 상기 햅틱 피드백을 생성하며,
    상기 마찰력을 보상하는 것은,
    상기 인터페이스 장치의 핸들과 상기 로봇 장치의 엔드 이펙터에 작용하는 외부의 힘과 환경적 힘을 이용하여 동역학 방정식을 설정하는 단계;
    입력 토크를 분해하여, 상기 동역학 방정식의 작업 공간(task space)을 정규화하고, 작업 공간의 입력 렌치를 제1마찰력과 제2마찰력을 이용하여 분해하는 단계; 및
    상기 제1마찰력과 상기 제2마찰력에 대한 마찰력 보상을 수행하는 단계를 통하여 수행되는 것을 특징으로 하는 인터페이스 장치와 로봇 장치를 구비하는 로봇 시스템의 제어 방법.
12. 제11항에 있어서,　
    상기 마찰력은,
    사용자가 인지하는 상기 제1마찰력과, 오차 동역학(error dynamics)에 반영되는 상기 제2마찰력을 포함하는 것을 특징으로 하는 인터페이스 장치와 로봇 장치를 구비하는 로봇 시스템의 제어 방법.
13. 인터페이스 장치에 있어서,
    베이스;
    상기 베이스와 이격 배치되는 핸들; 및
    복수의 조인트를 형성하도록, 상기 베이스와 핸들의 사이에서 서로 순차적으로 연결되는 복수의 링크들;
    상기 복수의 링크들에 동력을 전달하는 복수의 모터;
    상기 핸들에 대한 조작을 감지하여, 로봇 장치의 구동을 위한 제어명령을 생성하는 제어부; 및
    상기 복수의 링크들을 서로 회전 가능하게 연결하며, 상기 복수의 모터의 합력이 조인트 토크를 형성하도록 상기 복수의 모터로부터 동력을 전달받는 차동기어부를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 로봇 장치의 구동에 의하여 발생되는 힘과 관련된 힘 정보를 상기 로봇 장치로부터 전송받는 단계; 및
    상기 힘 정보에 상기 복수의 조인트에서 발생하는 마찰력 및 상기 복수의 모터에서 발생하는 마찰력 중 적어도 일부를 보상하여 상기 인터페이스 장치에 햅틱 피드백을 출력하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 인터페이스 장치.
14. 제13항에 있어서,　
    상기 제어부는,
    상기 핸들과 상기 로봇 장치의 엔드 이펙터에 작용하는 외부의 힘과 환경적 힘을 이용하여 동역학 방정식을 설정하는 단계;
    입력 토크를 분해하여, 상기 동역학 방정식의 작업 공간(task space)을 정규화하고, 작업 공간의 입력 렌치를 제1마찰력과 제2마찰력을 이용하여 분해하는 단계; 및
    상기 제1마찰력과 제2마찰력에 대한 마찰력 보상을 수행하는 단계를 이용하여 상기 마찰력의 보상을 수행하는 것을 특징으로 하는 인터페이스 장치.

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