KR20090118152A - 로봇 및 그 협조작업 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 로봇 머니퓰레이터가 임피던스 제어를 통해 협조작업(coordinated work)을 수행하는 로봇 및 그 협조작업 제어방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 작업을 수행하는 복수의 머니퓰레이터에 각각 마련된 엔드 이펙터의 절대좌표 위치를 계산하고; 상기 각 엔드 이펙터의 절대좌표 위치로부터 상대좌표 위치를 계산하고; 상기 상대좌표 위치를 이용하여 상기 복수의 머니퓰레이터의 관절 토크를 계산하고; 상기 관절 토크에 따라 상기 복수의 머니퓰레이터의 협조작업을 제어하는 것을 포함하여 하나의 엔드 이펙터에 대한 다른 엔드 이펙터의 상대 자코비안을 이용하는 임피던스 제어를 통해 복수의 로봇 머니퓰레이터를 하나의 로봇 머니퓰레이터처럼 제어하는 여유 자유도 확보로 작업공간의 제약을 극복할 수 있다.

Description

로봇 및 그 협조작업 제어방법{ROBOT AND METHOD FOR CONTROLLING COOPERATIVE TASK OF THE SAME}
본 발명은 로봇 및 그 협조작업 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 로봇 머니퓰레이터가 임피던스 제어를 통해 협조작업(coordinated work)을 수행하는 로봇 및 그 협조작업 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기적 또는 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작과 닮은 운동을 행하는 기계장치를 로봇이라고 한다. 최근 들어 로봇은 제어기술의 발달로 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 그 예로는 가정에서의 가사 도우미 로봇, 공공장소용 서비스 로봇, 생산 현장에서의 반송 로봇, 작업자 지원 로봇 등이 있다. 이러한 로봇은 전기적ㆍ기계적 메카니즘에 의해서 팔이나 손의 동작에 가깝게 운동할 수 있도록 만들어진 머니퓰레이터(manipulator)를 이용하여 작업을 수행한다.
현재 사용되고 있는 대부분의 로봇 머니퓰레이터는 여러 개의 링크(link)들이 서로 연결되어 구성된다. 각 링크들의 부위를 관절(joint)이라 하는데 로봇 머니퓰레이터는 이러한 링크와 관절들 사이의 기하학적인 관계에 따라 운동 특성이 결정된다. 이 기하학적인 관계를 수학적으로 표현한 것이 기구학(Kinematics)이며 대부분의 로봇 머니퓰레이터는 이러한 기구학적 특성(kinematics characteristic)을 가지고 작업을 수행하기 위한 방향으로 로봇 선단(end-effector;이하 엔드 이펙터라 한다)을 이동시킨다.
이러한 로봇 머니퓰레이터를 이용하여 작업을 수행하는 예를 도 1에 나타내었다.
도 1에 도시한 바와 같이, 병 뚜껑을 돌려서 여는 작업을 수행하기 위해서는 적어도 두 대의 로봇 머니퓰레이터(1, 3)가 필요하며, 이 경우 두 대의 로봇 머니퓰레이터(1, 3)가 서로 협조작업을 수행해야 한다. 두 대의 로봇 머니퓰레이터(1, 3)가 협조작업을 수행하기 위해서는 먼저 두 엔드 이펙터(1-1, 3-1)의 궤적을 계산하여 각 로봇 머니퓰레이터(1, 3)의 절대위치를 계산하고, 두 엔드 이펙터(1, 3)의 위치와 방향 벡터에 따라 관절 토크를 제어부(5)에서 계산하여 각각의 로봇 머니퓰레이터(1, 3)를 제어한다. 이와 같이 두 대의 로봇 머니퓰레이터(1, 3)를 이용하여 협조작업을 수행하는 일례로는 대한민국 등록특허공보 특0160693호가 있다.
그런데, 종래 로봇 머니퓰레이터를 이용한 협조작업 방법은 로봇의 궤적을 계산하는데 있어서 각각의 절대좌표계에 대한 두 엔드 이펙터(1-1, 3-1)의 위치와 방향을 기술해야 하므로 복잡한 협조작업을 수행하는 경우 사용자가 일일이 각 엔드 이펙터(1-1, 3-1)의 위치와 방향을 고려해야 하는 계산상의 불편함이 있으며, 또한 하나의 로봇 머니퓰레이터(1)가 물체를 잡고 위치를 고정한 상태에서 다른 하나의 로봇 머니퓰레이터(3)에서 협조작업을 가하는 경우 관절각의 제한에 의해 작업공간에 제약을 받게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 하나의 엔드 이펙터에 대한 다른 엔드 이펙터의 상대 자코비안을 이용하는 임피던스 제어를 통해 작업공간의 제약없이 협조작업(coordinated work)을 수행할 수 있는 로봇 및 그 협조작업 제어방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 로봇의 협조작업 제어방법은 작업을 수행하는 복수의 머니퓰레이터에 각각 마련된 엔드 이펙터의 절대좌표 위치를 계산하고; 상기 각 엔드 이펙터의 절대좌표 위치로부터 상대좌표 위치를 계산하고; 상기 상대좌표 위치를 이용하여 상기 복수의 머니퓰레이터의 관절 토크를 계산하고; 상기 관절 토크에 따라 상기 복수의 머니퓰레이터의 협조작업을 제어하는 것을 포함한다.
상기 복수의 엔드 이펙터의 절대좌표 위치를 계산하는 것은, 상기 복수의 머니퓰레이터의 관절각을 측정하여 상기 측정된 관절각의 함수로 상기 복수의 엔드 이펙터의 현재 절대좌표 위치를 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 로봇의 협조작업 제어방법은 상기 복수의 엔드 이펙터의 절대좌표 위치가 미리 입력된 목표위치에 도달하였는가 판단하는 것을 더 포함하고, 상기 복수의 엔드 이펙터의 절대좌표 위치가 상기 목표위치에 도달한 경우 상기 복수의 머니퓰레이터의 협조작업을 종료하는 것을 특징으로 한다.
상기 목표위치는 상기 복수의 엔드 이펙터 중 어느 하나의 엔드 이펙터의 절대좌표 위치에 대한 다른 엔드 이펙터의 궤적을 추적하여 입력하는 것을 특징으로 한다.
상기 상대좌표 위치를 계산하는 것은, 상기 각 엔드 이펙터의 절대좌표 위치로부터 상대 엔드 이펙터의 상대적인 좌표 위치를 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기 상대적인 좌표 위치는 상기 복수의 엔드 이펙터 중 어느 하나의 엔드 이펙터의 절대좌표 위치에서 상대 엔드 이펙터의 절대좌표 위치를 뺀 값인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 로봇의 협조작업 제어방법은 상기 복수의 엔드 이펙터 중 어느 하나의 엔드 이펙터에 대한 상대 엔드 이펙터의 상대 자코비안을 구하는 것을 더 포함하고, 상기 상대 자코비안을 구하는 것은, 상기 상대좌표 위치에 따라 자코비안 행렬을 이용하여 임피던스 제어 입력을 구하는 것을 특징으로 한다.
상기 임피던스 제어는 상기 상대 자코비안과 상기 상대좌표 위치를 입력으로 하여 상기 복수의 머니퓰레이터의 관절 토크를 계산하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 로봇의 협조작업 제어방법은 작업을 수행하는 제1 및 제2머니퓰레이터에 각각 마련된 제1 및 제2엔드 이펙터의 절대좌표 위치를 계산하고; 상기 제1 및 제2엔드 이펙터 중 어느 하나의 절대좌표 위치로부터 다른 엔드 이펙터의 상대좌표 위치를 계산하고; 상기 상대좌표 위치를 이용하여 상기 제1 및 제2머니퓰레이터의 관절 토크를 계산하고; 상기 관절 토크에 따라 상기 제1 및 제2머니퓰레이터의 협조작업을 제어하는 것을 포함한다.
상기 제1 및 제2엔드 이펙터의 절대좌표 위치를 계산하는 것은, 상기 제1 및 제2머니퓰레이터의 관절각(θA, θB)을 측정하여 상기 측정된 관절각(θA, θB)의 함수[f(θA, θB)]로 상기 제1 및 제2엔드 이펙터의 현재 절대좌표 위치(XA, XB)를 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 로봇의 협조작업 제어방법은 상기 제1 및 제2엔드 이펙터 중 어느 하나의 엔드 이펙터에 대한 상대 엔드 이펙터의 상대 자코비안을 구하는 것을 더 포함하고, 상기 상대 자코비안을 구하는 것은, 상기 제1 및 제2엔드 이펙터의 현재 절대좌표 위치(XA, XB)로부터 계산된 상대좌표 위치에 따라 자코비안 행렬을 이용하여 임피던스 제어 입력을 구하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2머니퓰레이터의 관절 토크를 계산하는 상기 임피던스 제어 식은 아래와 같은 것을 특징으로 한다.
(τA, τB) = JrelKrel(Xd rel-Xrel)
여기서, Jrel는 상대 자코비안이고, Xd rel는 목표위치이고, Xrel는 상대위치이고, Krel는 상대좌표계에 대해 미리 입력된 강성계수이고, (τA, τB)는 상기 제1 및 제2머니퓰레이터의 관절 토크이다.
그리고, 본 발명의 로봇은 작업을 수행하는 복수의 머니퓰레이터; 상기 복수의 머니퓰레이터에 각각 마련된 복수의 엔드 이펙터; 상기 각 엔드 이펙터의 절대좌표 위치로부터 상대좌표 위치를 계산하는 상대위치 계산부; 상기 상대좌표 위치를 이용하여 상기 복수의 머니퓰레이터의 관절 토크를 계산하고, 상기 관절 토크에 따라 상기 복수의 머니퓰레이터의 협조작업을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 상대위치 계산부는 상기 각 엔드 이펙터의 절대좌표 위치로부터 상대 엔드 이펙터의 상대적인 좌표 위치를 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기 상대적인 좌표 위치는 상기 복수의 엔드 이펙터 중 어느 하나의 엔드 이펙터의 절대좌표 위치에서 상대 엔드 이펙터의 절대좌표 위치를 뺀 값인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 로봇은 상기 복수의 엔드 이펙터 중 어느 하나의 엔드 이펙터에 대한 상대 엔드 이펙터의 상대 자코비안을 구하는 상대 자코비안 생성부를 더 포함하고, 상기 상대 자코비안 생성부는 상기 상대좌표 위치에 따라 자코비안 행렬을 이용하여 임피던스 제어 입력을 구하는 것을 특징으로 한다.
상기 임피던스 제어는 상기 상대 자코비안과 상기 상대좌표 위치를 입력으로 하여 상기 복수의 머니퓰레이터의 관절 토크를 계산하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 의한 로봇 및 그 협조작업 제어방법은 하나의 엔드 이펙터에 대한 다른 엔드 이펙터의 상대 자코비안을 이용하는 임피던스 제어를 통해 복수의 로봇 머니퓰레이터가 협조작업(coordinated work)을 수행하도록 함으로서 복수의 로봇 머니퓰레이터를 하나의 로봇 머니퓰레이터처럼 제어하는 여유 자유도 확보로 작업공간의 제약을 극복할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 로봇의 외관 구성도이다.
도 2에서, 본 발명의 로봇(10)은 인간과 마찬가지로 두 개의 다리부(11, 12)에 의해 직립 이동하는 2족 보행 로봇으로 상체부(13), 두 개의 팔부(14, 15;이하 제1 및 제2머니퓰레이터 한다), 머리부(18)를 구비하여 자율 주행한다.
제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)는 인간의 팔에 관절이 있듯이 로봇(10)의 어깨ㅇ팔굽ㅇ손목에 해당하는 부분이 회전할 수 있도록 여러 개의 링크(14A, 15A)들이 서로 연결되어 있다. 각 링크(14A, 15A)들의 연결부위를 관절(joint)이라 하며 각 관절의 움직임에 따라 어느 정도 움직임이 가능한 축이 갖추어져 있는가 하는 것을 자유도라 하며 한 방향으로밖에 축이 안 되어 있는 것을 1자유도라 한다.
제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)의 선단에는 작업 대상물(물체)을 잡는 그리 퍼, 대상물을 도장하는데 사용하는 스프레이 건, 스폿 용접의 전극 접점, 용접의 용접 토치, 드릴, 그라인더, 절단용 워터 제트 등 인간의 손에 해당하는 작업을 수행하는 엔드 이펙터(16, 17:end effector)가 각각 마련되어 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 로봇의 머니퓰레이터 제어 블록도로서, 목표위치 입력부(20), 제1 및 제2현재위치 계산부(22, 24), 위치비교부(26), 상대위치 계산부(28), 상대 자코비안 생성부(30), 임피던스 제어부(32), 제1 및 제2관절 토크 제어부(34, 36)를 포함한다.
목표위치 입력부(20)는 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)를 이용하여 협조작업을 수행하기 위해서 제1엔드 이펙터(또는 제2엔드 이펙터)(16, 17)의 좌표계에 대한 제2엔드 이펙터(또는 제1엔드 이펙터)(17, 16)의 궤적에서 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)가 이동해야 할 목표 상대위치(Xd rel;이하 목표위치라 한다)를 입력한다.
제1 및 제2현재위치 계산부(22, 24)는 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15) 각각의 관절각을 측정하는 위치센서(또는 타고메타와 같은 속도센서) 등을 이용하여 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)의 관절각(θA, θB)을 읽어 들이고, 읽어 들인 관절각(θA, θB)으로부터 제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17)의 현재 절대좌표 위치(XA, XB;이하, 현재위치라 한다)를 각각 계산한다.
위치비교부(26)는 제1 및 제2현재위치 계산부(22, 24)에서 계산된 제1 및 제 2엔드 이펙터(16, 17)의 현재위치(XA, XB)를 입력된 목표위치(Xd rel)와 비교하여 제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17)의 현재위치(XA, XB)가 목표위치(Xd rel)에 도달하였는가를 판단한다.
상대위치 계산부(28)는 위치비교부(26)의 판단결과 제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17)의 현재위치(XA, XB)가 목표위치(Xd rel)에 도달하지 않은 경우 제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17)의 현재위치(XA, XB)로부터 상대좌표 위치(Xrel;이하 상대위치라 한다) 즉, 상대좌표계를 계산한다.
상대 자코비안 생성부(30)는 상대위치 계산부(28)에서 계산된 상대위치(Xrel) 즉, 상대좌표계를 이용하여 제1엔드 이펙터(또는 제2엔드 이펙터)(16, 17)에 대한 제2엔드 이펙터(또는 제1엔드 이펙터)(17, 16)의 상대 자코비안(Jrel)을 구한다. 상대좌표계를 이용하여 상대 자코비안을 구하는 본 발명의 협조작업 방법은 절대좌표계를 이용하는 종래의 방법에 비해서 직관적으로 모션을 구현할 수 있으며, 또한 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)를 연결된 하나의 머니퓰레이터로 제어할 수 있는 임피던스 제어를 통해 충분한 여유 자유도를 활용할 수 있도록 한다.
임피던스 제어부(32)는 상대 자코비안 생성부(30)에서 구한 상대 자코비안(Jrel), 목표위치 입력부(20)에서 입력된 목표위치(Xd rel), 상대위치 계산부(28)에 서 계산된 상대위치(Xrel)와 상대좌표계에 대해 미리 입력된 강성계수(Krel)를 이용하여 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)의 관절 토크(τA, τB)를 계산하는 임피던스 제어를 수행한다. Krel는 임피던스 제어의 강성계수로, 미리 입력되어 있는 값이다.
제1 및 제2관절 토크 제어부(34, 36)는 임피던스 제어부(32)에서 계산된 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)의 관절 토크(τA, τB) 명령에 따라 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)를 목표위치(Xd rel)로 이동시켜 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)의 협조작업을 수행한다.
이하, 상기와 같이 구성된 로봇 및 그 협조작업 제어방법의 동작과정 및 작용효과를 설명한다.
본 발명의 동작원리를 설명하기 위해 먼저 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)의 자코비안과 임피던스 제어에 대해 설명한다.
제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17)의 현재위치는 아래의 식 [1]과 같이 관절각(θ)의 함수로 나타낼 수 있다.
식 [1]
Figure 112008033529633-PAT00001
식 [1]을 미분하여 나온 식 [2]의 Ｊ 를 자코비안으로 하는데 데카르트(Cartesian) 공간과 관절각(θ)의 함수 공간의 맵핑을 의미한다.
식 [2]
Figure 112008033529633-PAT00002
여기서, Ｊ 는 절대좌표계에 대한 자코비안의 전치행렬(tranposed matrix)을 나타낸다.
임피던스 제어는 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)가 상호작용 시 적절한 힘을 가할 수 있도록 큰 강성(Stiffness;K=임피던스 특성에 있어서 강성계수)을 갖는 위치 제어의 한계를 극복하고 적절하게 강성을 조절할 수 있도록 하기 위한 제어방법으로, 데카르트(Cartesian) 공간상에서의 임피던스 제어식은 아래의 식 [3]과 같이 나타낼 수 있다.
식 [3]
Figure 112008033529633-PAT00003
여기서, X는 제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17)의 현재위치를 나타내고, X d 는 제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17)의 목표위치를 나타내며, τ는 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)의 관절 토크를 나타낸다.
제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)가 임피던스 제어를 이용한 협조작업을 수행하려면 먼저 절대좌표계상의 제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17)의 궤적으로부터 위치를 계산하여 식 [3]을 이용하여 관절 토크를 계산한다. 그러나 이러한 과정을 거쳐 관절 토크 명령을 주기 위해서는 사용자가 일일이 제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17) 의 위치를 고려해야 하므로 계산상의 불편함을 초래한다. 이를 극복하기 위해 제안된 본 발명은 제1엔드 이펙터(또는 제2엔드 이펙터)(16, 17)에 대해서 제2엔드 이펙터(또는 제1엔드 이펙터)(17, 16)의 상대적인 좌표를 직관적으로 줄 수 있는 상대 자코비안의 개념을 고안하였으며, 본 발명에서 사용된 상대 자코비안의 개념은 참고문헌[1], [2]에 개시된 방법을 사용한 것으로 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
참고문헌[1]: Akira Mohri, Cooperative Path Planning for Two Manipulators", International Conf. on Robotics and Automation pp.2853-2858, 1996
참고문헌[2]: Christopher L. Lewis, "Trajectory Generation For Two Robots Cooperating To Perform A Task", Inter. Conf. on Robotics and Automation pp.1626-1631, 1996
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 로봇의 협조작업 제어방법을 도시한 동작 순서도이다.
도 4에서, 작업 대상물에 대한 작업을 수행하기 위해서 적어도 두 대의 머니퓰레이터(14, 15) 즉, 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)가 필요한 경우 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)가 서로 협조작업을 수행해야 한다. 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)가 협조작업을 수행하기 위해서는 먼저 제1엔드 이펙터(또는 제2엔드 이펙터)(16, 17)의 좌표계에 대한 제2엔드 이펙터(또는 제1엔드 이펙터)(17, 16)의 궤적에서 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)가 이동해야 할 목표위치(Xd rel)를 목표위치 입력부(20)에서 입력한다(100). 이때 목표위치(Xd rel)는 사용자(또는 프로그램 개발 설계자)가 입력한다.
목표위치(Xd rel)가 입력되면, 제1 및 제2현재위치 계산부(22, 24)에서 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15) 각각의 관절각(θA, θB)을 측정하는 위치센서(또는 타고메타와 같은 속도센서) 등을 이용하여 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)의 관절각(θA, θB)을 읽어 들이고(102), 읽어 들인 관절각(θA, θB)으로부터 제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17)의 현재위치(XA, XB)를 각각 계산한다(104).
이후, 제1 및 제2현재위치 계산부(22, 24)에서 계산된 제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17)의 현재위치(XA, XB)를 입력된 목표위치(Xd rel)와 비교하여 제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17)의 현재위치(XA, XB)가 목표위치(Xd rel)에 도달하였는가를 위치비교부(26)에서 판단한다(106).
단계 106의 판단결과, 제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17)의 현재위치(XA, XB)가 목표위치(Xd rel)에 도달한 경우 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)를 이용한 협조작업 을 종료하고, 제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17)의 현재위치(XA, XB)가 목표위치(Xd rel)에 도달하지 않은 경우 제1 및 제2엔드 이펙터(16, 17)의 현재위치(XA, XB)로부터 상대적인 좌표(Xrel=XA-XB) 즉, 상대위치(상대좌표계)를 상대위치 계산부(28)에서 계산한다(108).
이후, 상대위치 계산부(28)에서 계산된 상대적인 좌표(Xrel) 즉, 상대좌표계를 이용하여 제1엔드 이펙터(또는 제2엔드 이펙터)(16, 17)에 대한 제2엔드 이펙터(또는 제1엔드 이펙터)(17, 16)의 상대 자코비안(Jrel)을 상대 자코비안 생성부(30)에서 구한다(110). 상대좌표계를 이용하여 상대 자코비안을 구하는 본 발명의 협조작업 임피던스 제어방법은 절대좌표계를 이용하는 종래의 방법에 비해서 직관적으로 모션을 구현할 수 있으며, 또한 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)를 연결된 하나의 머니퓰레이터로 제어할 수 있는 임피던스 제어를 통해 충분한 여유 자유도를 활용할 수 있게 하는 것이다.
제1엔드 이펙터(또는 제2엔드 이펙터)(16, 17)에 대해서 제2엔드 이펙터(또는 제1엔드 이펙터)(17, 16)의 상대좌표계를 이용하여 상대 자코비안(Jrel)을 구하는 방법은 위에서 제시한 참고문헌[1], [2]에 개시된 방법을 사용하였다.
참고문헌[1], [2]에 개시된 방법을 사용하여 하나의 엔드 이펙터(예를 들어, 제1엔드 이펙터;16)에 대한 다른 엔드 이펙터(예를 들어, 제2엔드 이펙터;17)의 상 대 자코비안(Jrel)이 구해지면, 임피던스 제어부(32)는 상대 자코비안 생성부(30)로부터 상대 자코비안(Jrel)을 입력받고, 목표위치 입력부(20)에서 목표위치(Xd rel)를 입력받고, 상대위치 계산부(28)에서 계산된 상대위치(Xrel)를 입력받아 임피던스 제어를 수행함으로서 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)의 관절 토크(τA, τB)를 계산하여 제1 및 제2관절 토크 제어부(34, 36)에 입력한다(112).
제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)의 관절 토크(τA, τB)를 계산하는 임피던스 제어 식은 아래의 식 [4]와 같이 나타낸다.
식 [4]
(τA, τB) = JrelKrel(Xd rel-Xrel)
여기서, Krel는 상대좌표계에 대해 미리 입력된 강성계수이다.
임피던스 제어는 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)가 상호작용 시 적절한 힘을 가하여 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)의 움직임에 경도나 부드러움을 줌으로서 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)가 원하는 위치로 이동하면서 협조작업을 수행할 수 있도록 관절 토크(τA, τB) 명령을 계산하는 알고리즘이다.
따라서, 제1 및 제2관절 토크 제어부(34, 36)는 임피던스 제어부(32)에서 계산된 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)의 관절 토크(τA, τB) 명령에 따라 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)를 목표위치(Xd rel)로 이동시켜 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)의 협조작업을 수행하면서(114) 제1 및 제2머니퓰레이터(14, 15)가 목표위치(Xd rel)에 도달할 때까지 이후의 동작을 반복 진행한다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 두 대의 머니퓰레이터(14, 15)를 갖는 인간형 로봇을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 여러 대의 산업용 로봇을 이용하여 협조작업을 수행할 경우에도 사용자가 작업을 기술함에 있어서 상대 자코비안을 이용하는 임피던스 제어를 통해 여러 대의 로봇을 하나의 로봇처럼 제어함으로서 충분한 여유 자유도를 확보하여 작업공간의 제약을 극복할 수 있음은 물론이다.
도 1은 로봇 머니퓰레이터를 이용하여 협조작업을 수행하는 종래의 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 로봇의 외관 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 로봇의 머니퓰레이터 제어 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 로봇의 협조작업 제어방법을 도시한 동작 순서도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
10 : 로봇 14, 15 : 제1 및 제2머니퓰레이터
14A, 15A : 링크 16, 17 : 제1 및 제2엔드 이펙터
20 : 목표위치 입력부 22, 24 : 제1 및 제2현재위치 계산부
26 : 위치비교부 28 : 상대위치 계산부
30 : 상대 자코비안 생성부 32 : 임피던스 제어부
34, 36 : 제1 및 제2관절 토크 제어부

Claims (17)

  1. 작업을 수행하는 복수의 머니퓰레이터에 각각 마련된 엔드 이펙터의 절대좌표 위치를 계산하고;
    상기 각 엔드 이펙터의 절대좌표 위치로부터 상대좌표 위치를 계산하고;
    상기 상대좌표 위치를 이용하여 상기 복수의 머니퓰레이터의 관절 토크를 계산하고;
    상기 관절 토크에 따라 상기 복수의 머니퓰레이터의 협조작업을 제어하는 것을 포함하는 로봇의 협조작업 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 엔드 이펙터의 절대좌표 위치를 계산하는 것은,
    상기 복수의 머니퓰레이터의 관절각을 측정하여 상기 측정된 관절각의 함수로 상기 복수의 엔드 이펙터의 현재 절대좌표 위치를 계산하는 로봇의 협조작업 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 엔드 이펙터의 절대좌표 위치가 미리 입력된 목표위치에 도달하였는가 판단하는 것을 더 포함하고,
    상기 복수의 엔드 이펙터의 절대좌표 위치가 상기 목표위치에 도달한 경우 상기 복수의 머니퓰레이터의 협조작업을 종료하는 로봇의 협조작업 제어방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 목표위치는 상기 복수의 엔드 이펙터 중 어느 하나의 엔드 이펙터의 절대좌표 위치에 대한 다른 엔드 이펙터의 궤적을 추적하여 입력하는 로봇의 협조작업 제어방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상대좌표 위치를 계산하는 것은,
    상기 각 엔드 이펙터의 절대좌표 위치로부터 상대 엔드 이펙터의 상대적인 좌표 위치를 계산하는 로봇의 협조작업 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상대적인 좌표 위치는 상기 복수의 엔드 이펙터 중 어느 하나의 엔드 이펙터의 절대좌표 위치에서 상대 엔드 이펙터의 절대좌표 위치를 뺀 값인 로봇의 협조작업 제어방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 엔드 이펙터 중 어느 하나의 엔드 이펙터에 대한 상대 엔드 이펙터의 상대 자코비안을 구하는 것을 더 포함하고,
    상기 상대 자코비안을 구하는 것은,
    상기 상대좌표 위치에 따라 자코비안 행렬을 이용하여 임피던스 제어 입력을 구하는 로봇의 협조작업 제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 임피던스 제어는 상기 상대 자코비안과 상기 상대좌표 위치를 입력으로 하여 상기 복수의 머니퓰레이터의 관절 토크를 계산하는 로봇의 협조작업 제어방법.
  9. 작업을 수행하는 제1 및 제2머니퓰레이터에 각각 마련된 제1 및 제2엔드 이펙터의 절대좌표 위치를 계산하고;
    상기 제1 및 제2엔드 이펙터 중 어느 하나의 절대좌표 위치로부터 다른 엔드 이펙터의 상대좌표 위치를 계산하고;
    상기 상대좌표 위치를 이용하여 상기 제1 및 제2머니퓰레이터의 관절 토크를 계산하고;
    상기 관절 토크에 따라 상기 제1 및 제2머니퓰레이터의 협조작업을 제어하는 것을 포함하는 로봇의 협조작업 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2엔드 이펙터의 절대좌표 위치를 계산하는 것은,
    상기 제1 및 제2머니퓰레이터의 관절각(θA, θB)을 측정하여 상기 측정된 관절각(θA, θB)의 함수[f(θA, θB)]로 상기 제1 및 제2엔드 이펙터의 현재 절대좌표 위치(XA, XB)를 계산하는 로봇의 협조작업 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2엔드 이펙터 중 어느 하나의 엔드 이펙터에 대한 상대 엔드 이펙터의 상대 자코비안을 구하는 것을 더 포함하고,
    상기 상대 자코비안을 구하는 것은,
    상기 제1 및 제2엔드 이펙터의 현재 절대좌표 위치(XA, XB)로부터 계산된 상대좌표 위치에 따라 자코비안 행렬을 이용하여 임피던스 제어 입력을 구하는 로봇의 협조작업 제어방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2머니퓰레이터의 관절 토크를 계산하는 상기 임피던스 제어 식은 아래와 같은 로봇의 협조작업 제어방법.
    (τA, τB) = JrelKrel(Xd rel-Xrel)
    여기서, Jrel는 상대 자코비안이고, Xd rel는 목표위치이고, Xrel는 상대위치이 고, Krel는 상대좌표계에 대해 미리 입력된 강성계수이고, (τA, τB)는 상기 제1 및 제2머니퓰레이터의 관절 토크이다.
  13. 작업을 수행하는 복수의 머니퓰레이터;
    상기 복수의 머니퓰레이터에 각각 마련된 복수의 엔드 이펙터;
    상기 각 엔드 이펙터의 절대좌표 위치로부터 상대좌표 위치를 계산하는 상대위치 계산부;
    상기 상대좌표 위치를 이용하여 상기 복수의 머니퓰레이터의 관절 토크를 계산하고, 상기 관절 토크에 따라 상기 복수의 머니퓰레이터의 협조작업을 제어하는 제어부를 포함하는 로봇.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 상대위치 계산부는 상기 각 엔드 이펙터의 절대좌표 위치로부터 상대 엔드 이펙터의 상대적인 좌표 위치를 계산하는 로봇.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 상대적인 좌표 위치는 상기 복수의 엔드 이펙터 중 어느 하나의 엔드 이펙터의 절대좌표 위치에서 상대 엔드 이펙터의 절대좌표 위치를 뺀 값인 로봇.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 엔드 이펙터 중 어느 하나의 엔드 이펙터에 대한 상대 엔드 이펙터의 상대 자코비안을 구하는 상대 자코비안 생성부를 더 포함하고,
    상기 상대 자코비안 생성부는 상기 상대좌표 위치에 따라 자코비안 행렬을 이용하여 임피던스 제어 입력을 구하는 로봇.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 임피던스 제어는 상기 상대 자코비안과 상기 상대좌표 위치를 입력으로 하여 상기 복수의 머니퓰레이터의 관절 토크를 계산하는 로봇.
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