KR20090124560A

KR20090124560A - 로봇 매니퓰레이터의 제어장치 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20090124560A
Application number: KR1020080050848A
Authority: KR
Inventors: 심영보; 오연택; 윤석준
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-03
Also published as: JP2009285824A; US20090295324A1

Abstract

본 발명은 로봇 매니퓰레이터의 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 특히 본 발명은 매니퓰레이터의 관절 가속도를 이용하지 않고서도 매니퓰레이터에 작용하는 외란 토크를 정확히 추정할 수 있어 관절 가속도를 획득하기 위해 관절 위치를 2차 미분하거나 가속도센서를 별도로 설치할 필요가 없어 외란 토크를 보다 정확히 추정할 수 있고, 제조비용을 낮출 수 있거나 공간 활용도를 높일 수 있으며, 유지 보수를 간편히 할 수 있다.

Description

로봇 매니퓰레이터의 제어장치 및 그 제어방법{DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING A MANIPULATOR}

본 발명은 로봇 매니퓰레이터의 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 매니퓰레이터에 가해진 외란 토크를 추정하여 매니퓰레이터와 인간간의 충돌을 검출하고, 인간과의 충돌시 인간이 충격받지 않도록 유연성을 제어할 수 있는 로봇 매니퓰레이터의 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반 산업용 로봇은 인간의 의한 동작이나 감독이 없이도 정확한 작업을 수행하기 위해 생산 라인 등에서 광범위하게 사용되고 있다. 예를 들면 자동차 산업에서 사용되고 있는 로봇은 자동차의 몸체를 운반하거나 용접하는 등의 여러 가지 작업을 수행하고 있다.

지능형 서비스 로봇(이하에서는 로봇이라 칭함)은 일반 산업용 로봇과는 달리 사람이 거주하고 활동하는 공간 내에서 작업을 수행하게 된다. 따라서, 인간과 부딪쳐서 인간에게 충격을 가할 위험성이 있으므로 로봇이 사람에 대해 어느 정도의 안전성을 확보할 수 있는가가 중요한 사양이 된다. 특히 지능형 서비스 로봇 중에서 사람과의 충돌 발생 가능성이 가장 높은 매니퓰레이터의 경우 더욱 그러하다. 매니퓰레이터는 인간의 손과 팔의 형태로 이루어져 손과 팔의 동작을 제공하는 기계적인 장치이다. 현재 사용되고 있는 대부분의 매니퓰레이터는 여러 개의 링크(link)들이 서로 연결되어 구성된다. 각 링크들의 부위를 관절(joint)이라 하는데 매니퓰레이터는 이러한 링크와 관절들 사이의 기하학적인 관계에 따라 운동 특성이 결정된다.

이를 위한 일반적인 기술적 해결 방안으로써 매니퓰레이터의 소프트웨어적인 지능을 향상시켜 사전에 주위 장애물을 인식, 이를 통해 충돌 가능성을 사전에 예측하여 위험을 제거하는 방법론이 가장 이상적이지만, 이는 연산 속도 및 기타 알고리즘/지능 구현 기술 수준이 아직은 절대적 안전성을 보장하지 못하는 수준에 머물고 있다. 따라서, 매니퓰레이터를 개발하는 경우에는 충돌을 전제로 한 안전 보장 대책이 필수적이다.

매니퓰레이터가 인간과 충돌할 때 인간이 충격을 받지 않도록 매니퓰레이터에 유연성을 부여할 필요가 있다. 이와 같은 기술적 해결 방안을 로봇 컴플라이언스(robot compliance)라고 일컫는다. 매니퓰레이터에 로봇 컴플라이언스를 부여하는 방법으로는 스프링, 댐퍼 등의 요소를 이용하여 기계적인 메커니즘으로 유연성을 부여하는 수동적인 방법과, 매니퓰레이터에 장착된 센서의 피드백 신호를 제어기에서 감지하여 외부에서 작용된 힘이나 충격에 대해 적절한 유연성을 부여하는 능동적인 방법이 있다.

매니퓰레이터가 인간과 충돌한 경우, 이를 정확히 검출할 수 있어야 한다. 일본 공개특허공보 특개평 6-131050호와 특개평 11-254380호에서는 외란 추정기에 의해 로봇 팔에 가해진 외란 토크를 추정하고 이 외란 토크가 미리 설정된 값 이상인 경우, 로봇 팔이 충돌한 것으로 판단한다. 이 방법은 힘 센서 등의 충돌 검출용의 센서를 사용하지 않고서도 로봇 팔의 충돌 발생을 검출한다.

상기한 관련기술에서는 외란 추정기가 외란 토크를 다음과 같이 표현되는 매니퓰레이터에 대한 동역학 모델에 기초한 상태 공간방정식에 의해 구하고 있다.

식 [1]

여기서, M은 매니퓰레이터의 관성 행렬(Inertia Matrix), C는 코리올리 행렬(Corioli's and Centrifugal Matrix) g는 중력 벡터(Gravity Vector), τ는 각 관절에 작용하는 구동 토크, d는 외부 작용력에 의해 발생하는 관절의 외란 토크(Disturbance Torque)이고,

는 관절 가속도,

는 관절 속도이다.

상기한 식 [1] 및 [2]에서 알 수 있듯이 기존에는 외란 토크를 추정하기 위해서는 반드시 관절 가속도를 알아야 한다. 따라서, 관절 가속도를 알기 위해서는 관절 위치를 측정하여 2차 미분하거나 매니퓰레이터의 관절에 가속도센서를 별도로 설치해야 한다.

하지만, 관측된 관절 위치값을 2차의 수치 미분을 하여 관절 가속도를 구하는 경우, 측정된 관절 위치값에 포함된 노이즈까지도 함께 증폭되기 때문에 정확한 관절 가속도를 얻기 어렵다. 또한, 매니퓰레이터의 관절에 가속도센서를 설치하는 경우, 매니퓰레이터의 운동에 제한요소로 작용하고, 센서 노이즈로 인해 정확한 관절 가속도를 얻기 어려울 수 있다. 또한, 부품 추가로 인해 제조비용이 증가하고, 유지 보수가 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 매니퓰레이터의 관절 가속도를 이용하지 않고서도 매니퓰레이터에 작용하는 외란 토크를 정확히 추정할 수 있는 로봇 매니퓰레이터의 제어장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 로봇 매니퓰레이터의 제어장치는 매니퓰레이터의 관절위치와 관절토크를 감지하는 감지기와, 상기 감지된 관절위치와 관절토크를 입력으로 하는 상기 매니퓰레이터에 대한 상태 공간방정식을 이용하여 외란 토크를 추정하는 외란추정기와, 상기 추정된 외란 토크에 기초하여 상기 매니 퓰레이터를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 로봇 매니퓰레이터의 제어방법은 매니퓰레이터의 관절위치와 관절토크를 감지하는 단계와, 상기 감지된 관절위치와 관절토크에 기초하여 상기 매니퓰레이터에 대한 상태 공간방정식을 이용하여 외란 토크를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 매니퓰레이터의 관절 가속도를 이용하지 않고서도 매니퓰레이터에 작용하는 외란 토크를 정확히 추정할 수 있어 관절 가속도를 획득하기 위해 관절 위치를 2차 미분하거나 가속도센서를 별도로 설치할 필요가 없어 외란 토크를 보다 정확히 추정할 수 있고, 제조비용을 낮출 수 있거나 공간 활용도를 높일 수 있으며, 유지 보수가 간편한 효과가 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

먼저, 본 발명에 적용되는 로봇 매니퓰레이터에 관하여 간단하게 설명한다. 도 1은 액추에이터와 링크가 감속기에 의해 결합된 1 자유도 로봇 매니퓰레이터의 개략도를 나타내고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 적용되는 로봇 매니퓰레이터(1)는 액추에이터(2), 감속기(3), 링크(4), 엔드 이펙터(End effector)(5), 토크센서(6) 및 위치센서(6)를 구비한다. 액추에이터(2)는 서보 모터로 이루어지며, 감속기(3)를 개재하여 링크(4)에 연결되며 회전에 의해 링크(4)를 움직인다. 엔드 이펙터(5)는 링크(2)의 끝단에 마련되며, 직접적인 작업을 수행하는 역할을 한다. 토크센서(6)와 위치센서(7)는 감지부를 구성한다. 토크센서(6)는 매니퓰레이터(1)의 관절 토크를 감지하고, 위치센서(7)는 매니퓰레이터(1)의 관절 위치를 감지하는 센서이다. 참고로, 고효율의 감속기를 채용한 경우에는 토크센서 대신에 액추에이터의 구동전류를 감지하는 전류센서를 대체하여 사용할 수 있으며, 이러한 경우, 액추에이터의 구동전류로부터 매니퓰레이터의 관절 토크를 추정한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터 제어장치의 개략적인 제어블록도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터의 제어장치는 매니퓰레이터의 관절위치와 관절토크를 감지하는 감지기로부터 감지된 관절위치와 관절토크를 입력으로 하는 매니퓰레이터에 대한 상태 공간방정식을 이용하여 외란 토크를 추정하는 외란추정기(30)와, 이 외란추정기(30)에 의해 추정된 외란 토크에 기초하여 매니퓰레이터를 제어하는 제어기(10)를 구비한다.

전체 제어 주기 내에서 매 샘플마다 작동하는 제어기는 먼저, 목표 위치값(qd), 매니퓰레이터의 관절위치(q)와 관절속도(dq/dt)를 입력받는다. 제어기는 입력된 정보들에 기초하여 매니퓰레이터를 목표위치로 제어하기 위한 기준 관절 토크(τref)를 매니퓰레이터에 출력한다. 제어기(10)로부터 매니퓰레이터에 전달된 기준 관절토크(τref)에 의해 매니퓰레이터는 작동하게 한다. 이와 함께 제어기(10)로부터 매니퓰레이터에 전달된 기준 관절토크(τref)는 외란추정기(30)에 입력된다. 이때, 매니퓰레이터의 관절마찰을 보상하기 않는 경우에는 외란추정기(30) 에 입력된 관절토크(τ)가 기준 관절토크(τref)이지만, 시스템 성능을 높이기 위해서 관절 마찰을 보상하기 위해 관절마찰추정기(20)에 의해 추정된 관절 마찰이 있는 경우에는 외란추정기(30)에 입력된 관절토크(τ)는 기준 관절토크(τref)와 추정된 관절 마찰값을 합한 값이다.

한편, 매니퓰레이터의 작동 중에 매니퓰레이터가 물체와 충돌하게 되면, 충돌로 인한 실제 외란(Real disturbances)에 의해 매니퓰레이터의 출력이 변화하게 된다. 이 매니퓰레이터의 출력(q,dq/dt)은 제어기(10) 및 관절마찰추정기(20)의 입력으로 피드백된다. 또한, 이 매니퓰레이터의 출력(q,dq/dt)은 외란추정기의 입력으로 피드백된다.

외란추정기(30)는 매니퓰레이터의 관절위치(q), 관절속도(dq/dt), 관절 토크(τ)를 입력으로 하는 매니퓰레이터에 대한 동역학 모델에 따른 상태 공간방정식을 이용하여 외란 토크를 추정한다. 이에 따라, 외란추정기는 관절 가속도를 사용하지 않고서도 외란 토크를 추정할 수 있다.

한편, 제어기(10)는 외란추정기(30)에 의해 추정된 외란 토크값(estimated disturbances)을 입력받고, 입력된 외란 토크값이 미리 설정된 값 이상인 경우, 매니퓰레이터와 물체간의 충돌로 판단한다. 충돌로 판단되면, 매니퓰레이터의 강성을 가변시켜 매니퓰레이터의 특성을 구조적으로 유연하게 만들어 줌으로써 물리적 충격을 최소화한다. 매니퓰레이터의 강성을 가변하는 것에 대해서는 대한민국 공개특허공보 제2008-0014343호에 개시되어 있다. 이 기술에서는 일반적인 동작 상황에서는 높은 강성을 유지하다가 일정 크기 이상의 충격이 가해지는 경우 낮은 강성을 갖도록 기계적으로 변환하는 관절 메카니즘이 개시되어 있다.

이하에서는 외란추정기(30)에서 외란 토크를 추정하는 방법을 도 3을 참조하여 설명한다.

상술한 바와 같이, 매니퓰레이터에 대한 동역학 모델에 기초한 상태 공간방정식은 식 [1]로 나타낼 수 있다.

식 [1]을 외란 토크에 대하여 다시 정리하면, 다음의 식 [2]로 나타낼 수 있다.

식 [2]

는 관절 가속도,

는 관절 속도이다.

외란 토크의 인식 문제는 결국 다음의 d의 값을 구하는 문제로 귀착된다.

그러나, 외란 토크를 센서로부터 직접적으로 얻기에는 신호의 잡음 및 모델 불확실성과 같은 데이터의 신뢰성에 악영향을 미치는 요소들이 많으므로 다음의 식 [3]과 같은 추정치를 이용하게 된다.

식 [3]

여기서, L 은 양의 정부호(Positive Definite)한 행렬로서 관측기 이득 행렬이다. 또한, 외란 토크는 비교적 저주파 영역에서 발생하므로, 다음의 식 [4]와 같 이 가정한다.

식 [4]

이러한 외란추정기(30) 설계 문제를 쉽게 풀고 또한 각 관절의 가속도 센서를 사용하지 않기 위해서 다음의 식 [5]와 같은 보조 상태변수를 정의한다. 일반적으로 관절의 가속도는 관절 각도(관절 위치)을 두 번 미분하게 되는데 이 경우 신호 잡음이 증폭되어 나타나게 된다.

식 [5]

이 상태변수 z에 대한 상태 변이 방정식(State Transition Equation)을 유도해 보면, 다음의 식 [6]으로 나타낼 수 있다.

식 [6]

이 때, 관절 가속도센서의 영향을 제거하기 위해서 p의 역학(Dynamics)을 다음의 식 [7]과 같이 정의한다.

식 [7]

따라서, 이를 이용하여 식 [6]을 다시 표현하면 다음의 식 [8]과 같다.

식 [8]

p 에 대한 역학 식[7]은 로봇 매니퓰레이터 모델 식 [1]을 구성하는 행렬 간의 관계식에 의해 다음의 식 [9] 및 식 [10]으로 재 정의할 수 있다.

식 [9]

식 [10]

여기서는 C^T는 C의 전치행렬이다.

식 [10]은 식 [7]을 부분 적분하여 얻을 수 있다.

지금까지의 과정을 정리하여 외란추정기(30)의 지배방정식을 제시하면 다음의 식 [11] 내지 [13]과 같다.

식 [11]

식 [12]

식 [13]

도 3은 상기한 과정들을 순차적으로 도시하고 있다.

이때, 외란추정기(30)의 오차가 0에 수렴함을 리아프노프 안정도 이론(Lyapunov Stability Theory)을 이용하여 증명해보면 다음과 같다.

즉, 외란추정기의 오차 항은,

식 [14]

식 [15]

으로 정의되며, 리아프노프(Lyapunov) 함수를 다음의 식 [16]과 같이 정의하면,

식 [16]

이에 대한 미분은 다음의 식 [17]과 같이 정의되며 항상 음의 반정부호(Negative Semidefinite) 함을 알 수 있다.

식 [17]

식 [17]은 다음에 제시하는 식 [18]의 오차 동역학에 의해 유도된다.

식 [18]

따라서, 외란추정기의 추정오차는 항상 0에 수렴하며 외란추정기에 의해 추정된 외란 토크값을 신뢰할 수 있다는 것을 수학적으로 증명할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 기존의 단순 위치 제어가 아닌, 동역학 효과를 모델에 기반하여 피드 포워드(Feedforward)로 보상함으로써 매니퓰레이터의 어떤한 자세에서도 동일한 제어 성능을 나타낼 수 있다. 이후 외란추정기의 추정 결과에 의해 물체와의 충돌이 판단되면 이를 회피 또는 충격을 흡수하기 위한 적절한 대응을 해주어야 한다. 본 발명의 실시예에서는 인식된 충격의 크기에 따라 제어 이득을 변화시킴으로써 매니퓰레이터의 강성을 변화시킨다. 충격력이 일정 임계값을 초과하게 되면 비례제어 및 미분제어 이득을 낮춤으로써 시스템 강성 및 감쇠를 낮추어 충돌 물체에 가해지는 반작용을 최소화한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터와 물체와의 충돌시의 매니퓰레이터의 강성 변화를 보이고 있다. 제어이득의 충돌 후 시간에 따른 값은 다음의 그래프에 의해 설명될 수 있다. 즉, 매니퓰레이터가 물체와 충돌하면, 제어이득을 급격히 낮춰 매니퓰레이터의 강성을 낮추고, 물체와의 충돌이 해소되면, 제어이득을 서서히 올려 매니퓰레이터의 강성을 원래대로 높인다.

도 1은 본 발명에 적용되는 로봇 매니퓰레이터의 개략적인 구성을 보인 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터의 제어장치의 제어블록도이다.

도 3은 도 2에 도시된 외란 추정기를 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터와 물체와의 충돌시의 매니퓰레이터의 강성 변화를 보인 도면이다.

*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명*

1 : 매니퓰레이터 10 : 제어기(10)

20 ; 외란추정기 30 : 관성마찰추정기

Claims

매니퓰레이터의 관절위치와 관절토크를 감지하는 감지기;

상기 감지된 관절위치와 관절토크를 입력으로 하는 상기 매니퓰레이터에 대한 상태 공간방정식을 이용하여 외란 토크를 추정하는 외란추정기;

상기 추정된 외란 토크에 기초하여 상기 매니퓰레이터를 제어하는 제어기를 포함하는 로봇 매니퓰레이터의 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 외란추정기는 상기 매니퓰레이터의 관절토크값과, 중력보상값과, 코리올리힘 보상값과, 관성보상값에 기초하여 상기 외란 토크를 추정하는 것을 포함하는 로봇 매니퓰레이터의 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 상태 공간방정식은 다음의 식을 포함하는 로봇 매니퓰레이터의 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 감지기는 상기 매니퓰레이터의 관절위치를 감지하는 위치센서와, 상기 매니퓰레이터의 관절토크를 감지하는 토크센서를 포함하는 로봇 매니퓰레이터의 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 감지기는 상기 매니퓰레이터의 관절위치를 감지하는 위치센서와 상기 매니퓰레이터의 관절을 구동하는 모터의 전류를 감지하는 전류센서를 구비하고, 상기 감지된 모터전류로부터 상기 관절 토크를 추정하는 것을 포함하는 로봇 매니퓰레이터의 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 매니퓰레이터는 강성 가변 가능하고, 상기 제어기는 상기 외란추정기에 의해 추정된 외란 토크가 미리 설정된 값보다 크면, 상기 매니퓰레이터의 강성을 가변하는 것을 포함하는 로봇 매니퓰레이터의 제어장치.
매니퓰레이터의 관절위치와 관절토크를 감지하는 단계;

상기 감지된 관절위치와 관절토크에 기초하여 상기 매니퓰레이터에 대한 상태 공간방정식을 이용하여 외란 토크를 추정하는 단계를 포함하는 로봇 매니퓰레이 터의 제어방법.
제7항에 있어서,

상기 외란 토크를 추정하는 단계는, 다음의 상태 공간방정식을 이용하여 상기 외란 토크를 추정하는 것을 포함하는 로봇 매니퓰레이터의 제어방법.
제7항에 있어서,

상기 추정된 외란 토크에 기초하여 상기 매니퓰레이터의 강성을 가변하는 단계를 더 포함하는 로봇 매니퓰레이터의 제어방법.
제9항에 있어서,

상기 강성을 가변하는 단계는, 상기 추정된 외란 토크와 미리 설정된 값을 비교하는 단계와, 상기 비교결과 상기 추정된 외란 토크가 상기 미리 설정된 값보다 크면 상기 매니퓰레이터가 물체와 충돌한 것으로 판단하는 단계와, 상기 판단결과에 따라 상기 매니퓰레이터의 강성을 가변하는 단계를 포함하는 로봇 매니퓰레이터의 제어방법.