KR19990059516A

KR19990059516A - 로봇 머니퓰레이터의 제어방법 및 장치

Info

Publication number: KR19990059516A
Application number: KR1019970079724A
Authority: KR
Inventors: 성영휘
Original assignee: 구자홍; 엘지전자 주식회사
Priority date: 1997-12-30
Filing date: 1997-12-30
Publication date: 1999-07-26

Abstract

본 발명은 특이점 근방에서의 운전능력을 향상시키도록한 로봇 머니퓰레이터의 제어방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 머니퓰레이터의 특이점영역을 판별하고, 머니퓰레이터의 현재위치값에 따라 자코비안 행렬을 이용하여 특이값의 상대적인 크기에 의해 제어입력을 산출하여, 이 제어입력에 따라 머니퓰레이터를 제어하게 된다.

본 발명의 로봇 머니퓰레이터의 제어방법 및 장치는 특이점 또는 그 근방에서 로봇 머니퓰레이터를 안정적으로 동작시킬 수 있다.

Description

로봇 머니퓰레이터의 제어방법 및 장치

본 발명은 로봇 머니퓰레이터의 제어방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 특이점 근방에서의 운전능력을 향상시키도록한 로봇 머니퓰레이터의 제어방법 및 장치에 관한 것이다.

현재 사용되고 있는 대부분의 로봇 머니퓰레이터는 여러 개의 링크(link)들이 서로 연결되어 구성된다. 각 링크들의 부위를 관절(joint)이라 하는데 머니퓰레이터는 이러한 링크와 관절들 사이의 기하학적인 관계에 따라 운동 특성이 결정된다. 이 기하학적인 관계를 수학적으로 표현한 것을 기구학(Kinematics)이라 하면 대부분의 머니퓰레이터는 이러한 기구학적 특성(kinematic characteristic)에 따라 고유의 특이점(singular points)을 갖게 된다. 이 특이점에서 또는 특이점 근방에서는 머니퓰레이터의 손끝(end-effector)을 특정한 방향으로 이동시키고자 할 때 매우 큰 관절속도를 필요로 한다. 하지만 실제 머니퓰레이터의 제어기는 물리적인 한계가 있으므로 이러한 영역에서는 필요한 만큼의 관절속도를 제공할 수 없게 되고 따라서 머니퓰레이터는 주어진 명령을 수행할 수 없게 된다. 이와 같이, 특이점 근방에서 머니퓰레이터를 제어하기 위해서는 특이값(singular values)에 대한 정보를 알아야 하는데 특이값들을 구하는데 사용하는 알고리즘인 특이 값 분리법(singular value decomposition)은 매우 계산량이 많이 때문에 실시간으로는 사용할 수 없게 된다. 이에 따라, 머니퓰레이터를 모든 작업 영역 내에서 안정적으로 제어하기 위해서는 특이점 부근에서 적은 계산량으로 머니퓰레이터가 주어진 작업을 수행하는데 필요한 경로를 계산할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 특이점 또는 그 근방에서 로봇 머니퓰레이터를 안정적으로 동작시키도록한 로봇 머니퓰레이터의 제어방법 및 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 머니퓰레이터의 제어를 위해 경로 산출에 필요한 계산량을 최소화시키도록한 로봇 머니퓰레이터의 제어방법 및 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로봇 머니퓰레이터의 제어장치를 나타내는 블록도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 위치 검출/산출부4 : 제어기

6 : 머니퓰레이터

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 로봇 머니퓰레이터의 제어방법은 머니퓰레이터의 특이점영역을 판별하는 제1단계와, 머니퓰레이터의 현재위치 값에 따라 자코비안 행렬을 이용하여 특이값의 상대적인 크기에 의해 제어입력을 산출하는 제2단계와, 제어입력에 따라 머니퓰레이터를 제어하는 제3단계를 포함한다.

본 발명의 로봇 머니퓰레이터의 제어장치는 공간적인 작업을 수행하는 머니퓰레이터와, 머니퓰레이터에 접속되어 머니퓰레이터의 특이점 영역을 판별하고 머니퓰레이터의 현재위치 값에 따라 자코비안 행렬을 이용하여 특이값의 상대적인 크기에 의해 제어입력을 산출하는 위치검출/산출수단과, 머니퓰레이터와 위치검출/산출수단에 공통으로 접속되어 제어입력에 따라 머니퓰레이터를 제어하는 제어수단을 구비한다.

상기 목적들 외에 본 발명의 다른 목적 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도 1을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로봇 머니퓰레이터의 제어장치를 나타낸다.

도 1의 구성에서, 본 발명의 로봇 머니퓰레이터의 제어장치는 궤환루프를 이루며 접속된 제어기(4), 머니퓰레이터(6) 및 위치 검출/산출부(2)를 구비한다.

제어기(4)는 위치 검출/산출부(2)로부터 공급되는 제어입력으로 머니퓰레이터의 속도 및 위치를 제어하게 된다. 위치 검출/산출부(2)는 머니퓰레이터(6)의 각 관절에 접속된 인코더를 사용하여 현재위치를 감지한 후, 현재 위치가 특이점 근방인지를 판별하여 특이점에서 거리가 먼 경우에는 기존의 목표위치를 제어기(4)에 입력하고 특이점 근방으로 판별된 경우에는 다음의 알고리즘을 사용하여 목표위치를 수정한 제어 입력 값을 제어기(4)에 입력하게 된다. 머니퓰레이터(6)의 손끝의 속도(머니퓰레이터가 실제의 3차원 공간에서 움직이게 되는 속도)와 관절 속도(모터의 속도)사이의 기구학적 관계는 다음과 같이으로 주어진다. 한편, 임의의 실수 행렬에 포함된 자코비안 행렬 J∈R^m×n에 대하여 두 개의 서로 수직인 행렬인 U∈R^m×n와 V∈R^m×n가 존재하며 다음의 수식1과 같은 관계가 성립하게 된다.

[수식1]

여기서, σ₁≥σ₂…≥σ_m≥0을 J의 특이값이라 하고 UU^T=I_mVV^T=I_n이고 U^-1=U^T, V^-1=V^T인 성질이 있다.

이와 같은 관계에 의해 본 발명의 로봇 머니퓰레이터의 제어장치에서의 관절속도를 아래의 수식2에 의해 구해질 수 있다.

[수식2]

여기서, α는 이득값을 나타내고,

이다

는 아래의 수식 3과 같이 구해진다.

[수식3]

위 식에서 대략 행렬의 원소들의 크기를 살펴보면 첫 번째 원소가 가장 크고 마지막 원소가 가장 작다. 즉, 대각 행렬의 원소들은 크기 순으로 나열되어 있다. 따라서, 이와 같은 방법으로 관절속도를 구하게 되면 특이값이 작을수록 제동을 많이 하게 되어 관절속도의 크기를 줄일 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명의 로봇 머니퓰레이터의 제어방법 및 장치는 머니퓰레이터(6)의 속도 기구학식에서 사용되는 자코비안 행렬을 통하여 특이값의 상대적인 크기만으로 관절속도를 감쇠시키므로 로봇 머니퓰레이터(6)의 실시간 제어에 사용됨은 물론, 머니퓰레이터(6)의 구조와 관계없이 모든 머니퓰레이터에 적용 가능하게 된다. 또한, 본 발명은 머니퓰레이터가 특이점 근방 즉, 일정정역의 특이점 영역 내에 있을 때에도 원활하게 작동되어 실질적인 머니퓰레이터(6)의 작업영역을 넓힐 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 로봇 머니퓰레이터의 제어방법 및 장치는 특이점 또는 그 근방에서 로봇 머니퓰레이터를 안정적으로 동작시킬 수 있다.

본 발명의 로봇 머니퓰레이터의 제어방법 및 장치는 머니퓰레이터의 제어를 위해 경로 산출에 필요한 계산량을 최소화시킬 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims

머니퓰레이터의 특이점영역을 판별하는 제1단계와,

상기 머니퓰레이터의 현재위치 값에 따라 자코비안 행렬을 이용하여 특이값의 상대적인 크기에 의해 제어입력을 산출하는 제2단계와,

상기 제어입력에 따라 머니퓰레이터를 제어하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 머니퓰레이터의 제어방법.
제1항에 있어서,

상기 제2단계에서, 상기 머니퓰레이터의 손끝의 속도를, 자코비안 행렬을 J, 상기 행렬 J의 전치행렬을 J^T, 이득값을 α라 하면,

상기 제어입력의 관절 속도는,

에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 로봇 머니퓰레이터의 제어방법.
공간적인 작업을 수행하는 머니퓰레이터와,

상기 머니퓰레이터에 접속되어 머니퓰레이터의 특이점 영역을 판별하고 상기 머니퓰레이터의 현재위치 값에 따라 자코비안 행렬을 이용하여 특이값의 상대적인 크기에 의해 제어입력을 산출하는 위치검출/산출수단과,

상기 머니퓰레이터와 위치검출/산출수단에 공통으로 접속되어 상기 제어입력에 따라 상기 머니퓰레이터를 제어하는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 로봇 머니퓰레이터의 제어장치.
제3항에 있어서,

상기 위치검출/산출수단은 상기 머니퓰레이터의 각 관절의 현재위치를 감지하여 상기 현재위치 값이 특이점 근방으로 판별되면 상기 자코비안 행렬을 이용하여 특이값의 상대적인 크기에 의해 제어입력을 산출하는 것을 특징으로 하는 로봇 머니퓰레이터의 제어장치.
제3항에 있어서,

상기 위치검출/산출수단은 상기 머니퓰레이터의 각 관절의 현재위치를 감지하여 상기 현재위치 값이 특이점으로부터 큰 이격거리로 판별되면 정상적인 목표위치값의 제어입력을 상기 제어수단에 공급하는 것을 특징으로 하는 로봇 머니퓰레이터의 제어장치.