KR20120037128A - 시간지연추정을 이용한 로봇시스템의 외력 추정방법 - Google Patents

시간지연추정을 이용한 로봇시스템의 외력 추정방법 Download PDF

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KR20120037128A
KR20120037128A KR1020100098700A KR20100098700A KR20120037128A KR 20120037128 A KR20120037128 A KR 20120037128A KR 1020100098700 A KR1020100098700 A KR 1020100098700A KR 20100098700 A KR20100098700 A KR 20100098700A KR 20120037128 A KR20120037128 A KR 20120037128A
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Abstract

본 발명은 시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법으로서, 로봇이 자유 공간(free surface) 상에서 구속동작(constrained motion)을 모방하도록 선행 실험을 하여 제1 시간지연추정치
Figure pat00172
를 메모리에 저장하는 제1 단계와, 로봇이 구속 공간(constrained space) 상에서 구속 환경(constrained environment)에 접촉하는 접촉 상황하에서 제2 시간지연추정치
Figure pat00173
를 계산하는 제2 단계와, 계산된 제2 시간지연추정치
Figure pat00174
와 메모리에 저장된 제1 시간지연추정치
Figure pat00175
의 차이를 통해 실시간으로 외력을 계산하는 제3 단계를 포함하는, 시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법에 관한 것이다.

Description

시간지연추정을 이용한 로봇시스템의 외력 추정방법{METHOD FOR ESTIMATING EXTERNAL FORCE 0N ROBOTIC SYSTEM USING TIME-DELAY ESTIMATION}
본 발명은 시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법으로서, 로봇이 자유 공간(free surface) 상에서 구속동작(constrained motion)을 모방하도록 선행 실험을 하여 제1 시간지연추정치
Figure pat00001
를 메모리에 저장하는 제1 단계와, 로봇이 구속 공간(constrained space) 상에서 구속 환경(constrained environment)에 접촉하는 접촉 상황하에서 제2 시간지연추정치
Figure pat00002
를 계산하는 제2 단계와, 계산된 제2 시간지연추정치
Figure pat00003
와 메모리에 저장된 제1 시간지연추정치
Figure pat00004
의 차이를 통해 실시간으로 외력을 계산하는 제3 단계를 포함하는, 시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법에 관한 것이다.
로봇의 활용이 산업 현장에서 서비스 산업으로 폭넓게 확대되면서 인간과의 근접 거리, 혹은 접촉 작업의 빈도가 증가하면서 안전성이 크게 이슈화 되고 있다. 안전성을 확보하기 위한 가장 대표적인 로봇 제어 방법인 컴플라이언스 제어(Compliance control)를 구현하기 위해서는 외력에 대한 정확한 정보가 필수인데, 기존 로봇에서는 대부분 고가의 힘/토크 센서를 사용하고 있고, 일부 로봇 동역학식을 사용하여 외력을 추정하고 있다. 힘/토크 센서는 개당 약 1,000만원 내외(예, ATI Gamma SI-130-10)로 산업 현장에서 사용되는 로봇 매니퓰레이터 가격의 약 1/3에 이르고, 장착을 위해서는 추가적인 가공이 필요하다. 이는 서비스 로봇의 단가를 높이는 주요 원인이 되어 소수, 혹은 개인을 위한 서비스 로봇의 저변 확대에 큰 제약이 되고 있다.
또한, 로봇 동역학식을 사용하여 외력을 추정하는 방법은 정확한 로봇 동역학 모델을 알기가 어렵고, 많은 시간과 노력이 소요되는 파라미터 아이덴티피케이션(parameter identification)을 수행한다고 할지라도 모델링 오차(modeling error)를 피하기가 어려워 정확한 외력을 추정하기가 어렵다. 이에 쉽고 간단하면서도 추가 비용 발생이 없는 고성능의 외력 추정 방법이 요구된다.
한국공개특허 2010-0086070 에서는 산업용 로봇 및 산업용 로봇을 프로그래밍하는 방법이 개시되어 있는데, 산업용 로봇은 공간 안의 가상 표면으로 수동으로 안내되며, 가상 표면에 도달할 시 산업용 로봇은 더 이상 수동으로 안내될 수 없도록 제어되는 동시에, 산업용 로봇이 가상 표면에 도달함에도 불구하고 계속 수동으로 안내하고자 시도하면 산업용 로봇에 작용하는 힘과 토크가 검출되어 저장되는 발명이 개시되어 있다.
한국공개특허 2010-0133869 에서는 수술 로봇용 수술도구의 힘을 측정하는 장치 및 방법에 개시되어 있는데, 수술 로봇을 이용하여 수술도구를 조작하여 수술을 수행할 때 수술도구에 작용하는 외력을 의사가 원격조정부를 통하여 느낄 수 있도록 수술도구에 작용하는 외력을 산출하여 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 제어부는 커플된 복수 개의 액추에이터를 통하여 수술도구를 조작하고, 수술도구의 조작에 따라 수술도구에 작용하는 외력에 의한 액추에이터에 각각 설치된 토크 센서의 변형량을 검출하는 변형량 검출부로부터 검출된 변형량을 수신한다. 제어부는 수신된 변형량을 각각의 액추에에터별로 작용한 토크로 분리한다. 그리고 제어부는 각각의 액추에이터별 토크로부터 외력에 의한 수술도구의 롤, 피치 및 요 방향의 힘을 산출하고 이를 원격조정부로 전달하게 된다.
이러한 종래의 기술은 로봇에 작용하는 힘을 측정하기 위해서 별도의 센서를 사용하고 있고, 이로 인해 비용이 증가하고 고장의 위험성이 높아지는 문제점을 안고 있다.
본 발명은 로봇에 작용하는 외력에 대한 정보를 효과적이고 효율적으로 추정하는 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 보다 구체적으로는 고가의 힘/토크 센서를 사용하지 않아 로봇의 단가를 낮출 수 있고, 로봇 동역학식을 이용하지 않기 때문에 복잡한 동역학 모델을 구할 필요가 없으며, 쉽고 간단한 방법에 의해서 정확한 외력 추정이 가능한 외력추정 방법 및 그 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공하고 있다.
본 발명에 의한 일실시예로서, 시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법은, 로봇이 자유 공간(free surface) 상에서 구속동작(constrained motion)을 모방하도록 선행 실험을 하여 제1 시간지연추정치
Figure pat00005
를 메모리에 저장하는 제1 단계와, 로봇이 구속 공간(constrained space) 상에서 구속 환경(constrained environment)에 접촉하는 접촉 상황하에서 제2 시간지연추정치
Figure pat00006
를 계산하는 제2 단계와, 계산된 제2 시간지연추정치
Figure pat00007
와 메모리에 저장된 제1 시간지연추정치
Figure pat00008
의 차이를 통해 실시간으로 외력을 계산하는 제3 단계를 포함한다.
이때, 시간지연추정치의 값은 아래의 식들을 만족하고,
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
여기에서
Figure pat00015
는 각각 로봇의 조인트의 각도, 속도 및 가속도를,
Figure pat00016
는 관성 행렬을,
Figure pat00017
는 관성 행렬 중 상수값을,
Figure pat00018
는 코리올리 힘과 원심력을,
Figure pat00019
는 중력을
Figure pat00020
는 쿨롱마찰과 점성마찰을 포함한 마찰력을,
Figure pat00021
는 좌표 벡터를,
Figure pat00022
는 야코비안(Jacobian)을,
Figure pat00023
는 동작공간(operational space or task space)에 작용하는 힘을,
Figure pat00024
는 외력을,
Figure pat00025
는 야코비안의 가중 수도 인버스(weighted pseudo-inverse)를 나타내 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 다른 실시예로서, 시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법은, 로봇에 작용하는 외력이 없는 상태에서, 로봇이 특정의 거동을 따라가게 하는 제1 단계와, 상기 제1 단계에서 제1 시간지연추정치를 메모리에 저장하는 제2 단계와, 로봇에 실제 외력이 작용하는 상태에서, 로봇이 특정의 거동을 따라가게 하는 제3 단계와, 상기 제3 단계에서 제2 시간지연추정치를 계산하는 제4 단계와, 상기 제2 시간지연추정치로부터 상기 제1 시간지연추정치를 뺀 값으로부터 로봇에 작용하는 외력을 실시간으로 구하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 시간지연추정치의 값 H는 아래의 식들을 만족하고,
Figure pat00026
Figure pat00027
Figure pat00028
Figure pat00029
Figure pat00030
Figure pat00031
여기에서
Figure pat00032
는 각각 로봇의 조인트의 각도, 속도 및 가속도를,
Figure pat00033
는 관성 행렬을,
Figure pat00034
는 관성 행렬 중 상수값을,
Figure pat00035
는 코리올리 힘과 원심력을,
Figure pat00036
는 중력을
Figure pat00037
는 쿨롱마찰과 점성마찰을 포함한 마찰력을,
Figure pat00038
는 좌표 벡터를,
Figure pat00039
는 야코비안(Jacobian)을,
Figure pat00040
는 동작공간(operational space or task space)에 작용하는 힘을,
Figure pat00041
는 외력을, 및
Figure pat00042
는 야코비안의 가중 수도 인버스(weighted pseudo-inverse)를 나타내는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 또 다른 실시예로서, 로봇이 특정 거동을 예측가능한 상태에서 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법은,
로봇이 상기 특정 거동을 외력이 없는 상태에서 따라가면서 제1 시간지연추정치를 구해 저장한 후, 로봇이 상기 특정 거동을 외력이 있는 상태에서 따라가면서 제2 시간지연추정치를 구하고, 제2 시간지연추정치에서 제1 시간지연추정치를 공제하여 로봇에 작용하는 외력을 구하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제2 시간지연추정치에서 제1 시간지연추정치를 공재하여 외력을 구하는 것은 실시간으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 시간지연추정치의 값 H는 아래의 식들을 만족하고,
Figure pat00043
Figure pat00044
Figure pat00045
Figure pat00046
Figure pat00047
Figure pat00048
여기에서
Figure pat00049
는 각각 로봇의 조인트의 각도, 속도 및 가속도를,
Figure pat00050
는 관성 행렬을,
Figure pat00051
는 관성 행렬 중 상수값을,
Figure pat00052
는 코리올리 힘과 원심력을,
Figure pat00053
는 중력을
Figure pat00054
는 쿨롱마찰과 점성마찰을 포함한 마찰력을,
Figure pat00055
는 좌표 벡터를,
Figure pat00056
는 야코비안(Jacobian)을,
Figure pat00057
는 동작공간(operational space or task space)에 작용하는 힘을,
Figure pat00058
는 외력을, 및
Figure pat00059
는 야코비안의 가중 수도 인버스(weighted pseudo-inverse)를 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 시간 지연 추정기법을 이용한 외력 추정 방법은 고가의 힘/토크 센서를 사용하지 않아 로봇의 단가를 낮출 수 있고, 로봇 동역학식을 이용하지 않기 때문에 복잡한 동역학 모델을 구할 필요가 없으며, 쉽고 간단한 방법에 의해서 정확한 외력 추정이 가능하다는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명에 의한 시간지연추정 기법에 사용되는 선행 실험의 개념을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 의한 시간지연추정 기법에 사용되는 접촉 실험의 개념을 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 의한 시간지연추정 기법에 의해 외력을 추정하는 방법의 개념도.
도 4는 본 발명에 의한 시간지연추정 기법에 의한 외력을 추정하는 방법의 흐름도.
도 5는 본 발명에 의한 시간지연추정 기법에 의한 외력을 추정하는 방법의 흐름도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 시간 지연 추정기법을 이용한 외력 추정 알고리즘을 제안한다. 시간지연추정(Time-Delay Estimation)은 로봇 동력학 모델에서 훌륭한 솔루션이며, TDE는 비교적 정확하고 효율적으로 외력(external force)을 포함한 로봇 동력학을 예측한다. 본 발명은 이러한 시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 예측하는 방법을 제공한다.
본 발명에서는 외력이 있을 때의 시간지연 추정치(TDE Estimate)에서, 외력이 없을 때 저장된 시간지연 추정치의 차이로 외력을 추정한다. 시간지연 추정치에는 로봇의 모든 비선형 동역학 항들과 외력이 포함된다. 외력이 없을 때의 시간지연추정치는 비선형 동역학 항들만을 포함하게 되는데, 외력이 있을 때의 로봇의 거동을 따라가게 하는 선행 실험에서 시간지연추정치를 저장하게 되면 외력이 있을 때의 로봇의 모든 비선형 동역학 항들이 저장되는 것과 같다. 따라서, 외력이 있을 때와 없을 때의 시간지연추정치의 차이가 추정하고자 하는 외력이 된다. 이하에서 자세히 설명한다.
n개의 자유도를 갖는 로봇의 강체 동역학 식은 다음과 같다.
Figure pat00060
(1)
여기서,
Figure pat00061
는 각각 조인트의 토크와 외력의 작용에 의한 토크를 나타내며,
Figure pat00062
는 각각 조인트의 각도, 속도 및 가속도를 나타내며,
Figure pat00063
는 관성 행렬을 나타내며,
Figure pat00064
는 코리올리 힘과 원심력을 나타내며,
Figure pat00065
는 중력을
Figure pat00066
는 쿨롱마찰과 점성마찰을 포함한 마찰력을 나타낸다.
이때, 알려진 관성을 나타내는 값으로서 상수행열
Figure pat00067
을 도입하면, 식(1)은 다음과 같이 표현 가능하다.
Figure pat00068
(2)
여기서,
Figure pat00069
는 로봇의 모든 비선형 동역학 항을 나타내며, 아래와 같이 표현된다.
Figure pat00070
(3)
태스크(task)를 좌표 벡터
Figure pat00071
와 야코비안(Jacobian)
Figure pat00072
으로 나타내면, 이차 미분 기구학적 방정식은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00073
(4)
동작공간(operational space or task space)에 작용하는 힘
Figure pat00074
과 외력은
Figure pat00075
각각 다음과 같은 식을 만족하게 된다.
Figure pat00076
,
Figure pat00077
(5)
동작공간에서의 운동 방정식을 표현하면 다음의 식들과 같다.
식(2) 및 식(5)로부터 조인트의 가속도는 다음과 같이 얻어질 수 있다.
Figure pat00078
(6)
식(6)을 식(4)에 대입하면 다음과 같다.
Figure pat00079
Figure pat00080
(7)
여기에서 다음의 식을 만족한다.
Figure pat00081
(8)
Figure pat00082
(9)
Figure pat00083
(10)
Figure pat00084
(11)
Figure pat00085
는 야코비안의 가중 수도 인버스(weighted pseudo-inverse)를 의미한다. 운동 잉여값(kinetic redundancy)가 존재하지 않는다면, 즉 m=n이라면, 야코비안은 정사각행렬이 되고,
Figure pat00086
는 야코비안의 역
Figure pat00087
이 된다.
이하 시간지연추정(TDE)에 대해 좀 더 자세하게 설명하기로 한다.
Figure pat00088
는 시간지연추정 기법에 의해 효율적이고 정확하게 측정이 가능하다.
Figure pat00089
가 시간 t에 대하여 연속적이거나 적어도 구분적으로(piece-wise) 연속적임을 가정한다. 식(7)로부터
Figure pat00090
의 추정값은 다음과 같이 충분히 작은 시간 지연 L에 대해 획득될 수 있다.
Figure pat00091
(12)
여기에서
Figure pat00092
는
Figure pat00093
의 추정값(estimate)이며,
Figure pat00094
는
Figure pat00095
의 시간 지연값이다. 식에서 알 수 있듯이, TDE는 동력학모델을 요구하지도 않고 또한
Figure pat00096
를 제외하고는 파라메타를 요구하지도 않는다는 점에서 가치가 있다. 이는 오직 가속도와 입력 힘(input force)의 직전 값을 필요로 할 뿐이다.
이하, 시간지연추정을 이용하여 외력을 추정하는 기법에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
시간지연추정이 외력을 포함한 전체 비선형 동역학을 추정할 수 있는데, 다음의 두 가지 경우를 고려할 수 있다. 외부와의 상호 작용을 포함시키는 경우와 포함시키지 않는 경우이다. 외부와의 상호 작용을 제외한 모든 조건은 두 경우가 동일하다고 하면, 두 가지 경우의 시간지연추정의 유일한 차이점은 외력에 있다. 이 점이 아래에 설명하는 본 발명의 핵심적인 내용이다.
주위의 영향(외력)을 받으면서 일어나는 구속동작(constrained motion)을 사전에 알 수 있다고 가정한다. 그렇다면, 외력은 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이 하나의 선행 실험(preceding ecperiment)에 의해 추정이 가능하다.
도 1은 선행실험의 개략도를 도시한 것이고, 도 2는 접촉실험의 개략도를 도시한 것이다. 도 3은 본 발명에 의한 시간지연추정의 알고리즘을 도시한 것이다.
로봇 매니퓰레이터는 일반적으로 링크(11) 및 조인트(10)로 구성되어 있다.
1) 선행실험
로봇이 자유롭게 구속동작을 모방하도록 한 선행 실험에서, 외력은 자유 공간(free space) 상에 존재하지 않기 때문에, 식(9)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00097
(13)
여기에서 'mimic'의 표기는 선행 실험에서의 값을 의미한다. 이러한 선행실험을 통한 시간지연추정치
Figure pat00098
는 기억장치에 저장된다.
2) 접촉실험
식(9)로부터 외력은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00099
(14)
로봇이 선행 실험에서 구속 동작을 정확하게 모방했다면,
Figure pat00100
은
Figure pat00101
으로 근사(approximation)된다. 따라서, 식(13)으로부터
Figure pat00102
는 다음과 같이 추정될 수 있다.
Figure pat00103
(15)
식(14) 및 식(15)로부터 외력은 다음과 같이 추정된다.
Figure pat00104
(16)
여기에서
Figure pat00105
는 선행 실험 단계에서 기억된 값이다.
이하 본 발명에서 시간지연추정을 수행하는 과정에서 실제적으로 고려해야 할 사항에 대해 설명한다.
1) 시간지연값 L의 선택 : 시간지연추정 기법의 정확성은 시간지연값 L에 의해 결정된다. 시간지연값이 작을수록 시간지연추정의 결과는 더 정확해진다. 샘플링 시간(sampling period)은 디지탈 임플리멘테이션(digital implementation)에서 얻을 수 있는 가장 작은 L이 되기 때문에 실제적으로 시간지연값은 샘플링 시간(sampling period)으로 선택된다.
디지털 제어 시스템은 샘플링 비율이 시스템 밴드위드(bandwidth)의 30배 보다 빠르면 연속시스템과 유사하게 작동한다. 따라서 L 이 이 값보다 작다면 H 는 시간지연추정기법에 의해 추정될 수 있다.
2)
Figure pat00106
의 선택 : 알려진 관성값은 시간지연추정 환경 내에서 일정한 대각 행렬로서 선택되어질 수 있다. 일정한 대각 행렬인
Figure pat00107
는 계산 효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 조인트 공간 운동을 분산시켜(decentralize) 제어가능하게 한다.
Figure pat00108
의 각각의 대각 요소는 다음과 같이 개별적으로 조절될 수 있다. 초기의 대각 요소들은 작은 양의 값을 가지는 것으로 설정한다. 이후 클로즈-루프(close-loop) 시스템이 노이즈 응답을 형성하기 전까지 각각의 대각 요소값을 증가시킨다.
3) 저주파 통과 필터(low-pass filter) : 외력은 선행 실험과 접촉 실험의 시간지연추정값의 차이로부터 추정될 수 있음은 앞에서 본 바와 같다. 다만, 이는 입력 힘과 가속도를 포함하기 때문에 실제 장치에서는 노이즈를 포함할 수 있다. 따라서 저주파 통과 필터는 실제 장치를 구현하는데 있어서 필수적이다.
이렇듯 식(14)로부터 SMEE(Sensorless and Modless Estimation of Wxternal Force)의 정확도는
Figure pat00109
및
Figure pat00110
의 추정치의 정확도에 의해 결정된다.
Figure pat00111
의 정확도 : SMEE(Sensorless and Modless Estimation of Wxternal Force)에 있어서
Figure pat00112
는
Figure pat00113
의 가정하에
Figure pat00114
으로서 획득된다. 유지해야 할 가정의 필요 조건은 선행 실험에서 예측되는 구속 동작은 접촉 실험에서 실제 구속 동작과 정확하게 일치한다는 점이다. 이러한 조건에서 외부 환경의 정확한 정보값은 필수적이다. 예측되는 구속 동작과 실제 동작의 차이가 클수록 SMEE의 추정치의 오차값은 커지게 된다.
Figure pat00115
의 정확도 : 유한한 시간 지연 L 하에서, 시간지연추정의 오차는 필연적일 수밖에 없다. 시간지연추정의 오차는 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00116
(17)
선행된 연구들에 따르면 쿨롱 마찰과 같은 급격하게 변화하는 동역학에서는 시간지연추정의 오차는 무시될 수 없다고 알려져 있다. 하지만, 많은 연구 문헌들에 따르면 시간지연추정 오차의 크기는 매우 작다고 알려져 있다.
결론적으로 구속동작이 예측가능하다면, 동력학 모델이나 힘/토크센서가 없어도 외력을 추정할 수 있다.
요약하면, 외력이 있을 때의 로봇의 거동을 알면, 로봇이 이 거동을 따라가게 하는 선행 실험을 수행하고, 이때의 시간지연추정치(이를 '제1시간지연추정치'라고 한다)를 저장하게 되면 로봇의 모든 비선형 동역학 항들이 저장되는 것과 같다. 마지막으로 실제 외력이 있을 때의 시간지연추정치(이를 '제2시간지연추정치'라고 한다)에서 위 선행 실험에서 저장된 제1시간지연추정치를 빼면 실시간으로 외력의 추정이 가능한 것이다.
본 발명에서 제안하고 있는 시간 지연 추정기법을 이용한 외력 추정 방법은 고가의 힘/토크 센서를 사용하지 않아 로봇의 단가를 낮추고, 로봇 동역학식을 이용하지 않기 때문에 복잡한 동역학 모델을 구하기 위한 많은 시간과 노력 없이, 쉽고 간단하게 비교적 정확한 외력 추정이 가능하다는 장점을 갖는다.
도 4 및 도 5는 본 발명을 구현하는 흐름도를 도시한 것이다. 자세한 설명은 앞에서 하였으므로 생략하기로 한다.
본 발명은 상기와 같은 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적인 사상을 가지고 있다면 모두 본 발명의 권리범위에 해당된다고 볼 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 권리범위가 정해짐을 밝혀둔다.
10 : 조인트
11 : 관절

Claims (7)

  1. 시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법으로서,
    로봇이 자유 공간(free surface) 상에서 구속동작(constrained motion)을 모방하도록 선행 실험을 하여 제1 시간지연추정치
    Figure pat00117
    를 메모리에 저장하는 제1 단계와,
    로봇이 구속 공간(constrained space) 상에서 구속 환경(constrained environment)에 접촉하는 접촉 상황하에서 제2 시간지연추정치
    Figure pat00118
    를 계산하는 제2 단계와,
    계산된 제2 시간지연추정치
    Figure pat00119
    와 메모리에 저장된 제1 시간지연추정치
    Figure pat00120
    의 차이를 통해 실시간으로 외력을 계산하는 제3 단계를 포함하는,
    시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    시간지연추정치의 값은 아래의 식들을 만족하고,
    Figure pat00121

    Figure pat00122

    Figure pat00123

    Figure pat00124

    Figure pat00125

    Figure pat00126

    여기에서
    Figure pat00127
    는 각각 로봇의 조인트의 각도, 속도 및 가속도를,
    Figure pat00128
    는 관성 행렬을,
    Figure pat00129
    는 관성 행렬 중 상수값을,
    Figure pat00130
    는 코리올리 힘과 원심력을,
    Figure pat00131
    는 중력을
    Figure pat00132
    는 쿨롱마찰과 점성마찰을 포함한 마찰력을,
    Figure pat00133
    는 좌표 벡터를,
    Figure pat00134
    는 야코비안(Jacobian)을,
    Figure pat00135
    는 동작공간(operational space or task space)에 작용하는 힘을,
    Figure pat00136
    는 외력을, 및
    Figure pat00137
    는 야코비안의 가중 수도 인버스(weighted pseudo-inverse)를 나타내는,
    시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법.
  3. 로봇에 작용하는 외력이 없는 상태에서, 로봇이 특정의 거동을 따라가게 하는 제1 단계와,
    상기 제1 단계에서 제1 시간지연추정치를 메모리에 저장하는 제2 단계와,
    로봇에 실제 외력이 작용하는 상태에서, 로봇이 특정의 거동을 따라가게 하는 제3 단계와,
    상기 제3 단계에서 제2 시간지연추정치를 계산하는 제4 단계와,
    상기 제2 시간지연추정치로부터 상기 제1 시간지연추정치를 뺀 값으로부터 로봇에 작용하는 외력을 실시간으로 구하는 제5 단계를 포함하는,
    시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    시간지연추정치의 값 H는 아래의 식들을 만족하고,
    Figure pat00138

    Figure pat00139

    Figure pat00140

    Figure pat00141

    Figure pat00142

    Figure pat00143

    여기에서
    Figure pat00144
    는 각각 로봇의 조인트의 각도, 속도 및 가속도를,
    Figure pat00145
    는 관성 행렬을,
    Figure pat00146
    는 관성 행렬 중 상수값을,
    Figure pat00147
    는 코리올리 힘과 원심력을,
    Figure pat00148
    는 중력을
    Figure pat00149
    는 쿨롱마찰과 점성마찰을 포함한 마찰력을,
    Figure pat00150
    는 좌표 벡터를,
    Figure pat00151
    는 야코비안(Jacobian)을,
    Figure pat00152
    는 동작공간(operational space or task space)에 작용하는 힘을,
    Figure pat00153
    는 외력을, 및
    Figure pat00154
    는 야코비안의 가중 수도 인버스(weighted pseudo-inverse)를 나타내는,
    시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법.
  5. 로봇이 특정 거동을 예측가능한 상태에서 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법으로서,
    로봇이 상기 특정 거동을 외력이 없는 상태에서 따라가면서 제1 시간지연추정치를 구해 저장한 후, 로봇이 상기 특정 거동을 외력이 있는 상태에서 따라가면서 제2 시간지연추정치를 구하고, 제2 시간지연추정치에서 제1 시간지연추정치를 공제하여 로봇에 작용하는 외력을 구하는,
    시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 시간지연추정치에서 제1 시간지연추정치를 공재하여 외력을 구하는 것은 실시간으로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    시간지연추정치의 값 H는 아래의 식들을 만족하고,
    Figure pat00155

    Figure pat00156

    Figure pat00157

    Figure pat00158

    Figure pat00159

    Figure pat00160

    여기에서
    Figure pat00161
    는 각각 로봇의 조인트의 각도, 속도 및 가속도를,
    Figure pat00162
    는 관성 행렬을,
    Figure pat00163
    는 관성 행렬 중 상수값을,
    Figure pat00164
    는 코리올리 힘과 원심력을,
    Figure pat00165
    는 중력을
    Figure pat00166
    는 쿨롱마찰과 점성마찰을 포함한 마찰력을,
    Figure pat00167
    는 좌표 벡터를,
    Figure pat00168
    는 야코비안(Jacobian)을,
    Figure pat00169
    는 동작공간(operational space or task space)에 작용하는 힘을,
    Figure pat00170
    는 외력을, 및
    Figure pat00171
    는 야코비안의 가중 수도 인버스(weighted pseudo-inverse)를 나타내는,
    시간지연추정을 이용하여 로봇에 작용하는 외력을 추정하는 방법.

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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016110320A1 (en) * 2015-01-07 2016-07-14 Abb Technology Ag Method for estimation of external forces and torques on a robot arm
CN106737661A (zh) * 2016-11-21 2017-05-31 电子科技大学 一种时延力反馈遥控机器人的自调整控制系统
CN108594656A (zh) * 2018-04-04 2018-09-28 东南大学 一种双边托举机器人系统高精度抗干扰连续滑模控制方法
CN114516050A (zh) * 2022-03-03 2022-05-20 上海交通大学 基于位形雅可比条件数优化的机器人外力估计方法及系统
CN115609592A (zh) * 2022-11-22 2023-01-17 季华实验室 一种机械臂自适应跟踪控制方法
CN117226825A (zh) * 2023-08-21 2023-12-15 北京航空航天大学杭州创新研究院 一种基于环境刚度在线辨识的机器人交互力估计方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005212054A (ja) * 2004-01-30 2005-08-11 Keio Gijuku 力検出方法及び装置並びに力検出機能を備えた制御装置

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016110320A1 (en) * 2015-01-07 2016-07-14 Abb Technology Ag Method for estimation of external forces and torques on a robot arm
CN106737661A (zh) * 2016-11-21 2017-05-31 电子科技大学 一种时延力反馈遥控机器人的自调整控制系统
CN106737661B (zh) * 2016-11-21 2019-03-01 电子科技大学 一种时延力反馈遥控机器人的自调整控制系统
CN108594656A (zh) * 2018-04-04 2018-09-28 东南大学 一种双边托举机器人系统高精度抗干扰连续滑模控制方法
CN114516050A (zh) * 2022-03-03 2022-05-20 上海交通大学 基于位形雅可比条件数优化的机器人外力估计方法及系统
CN114516050B (zh) * 2022-03-03 2024-02-13 上海交通大学 基于位形雅可比条件数优化的机器人外力估计方法及系统
CN115609592A (zh) * 2022-11-22 2023-01-17 季华实验室 一种机械臂自适应跟踪控制方法
CN117226825A (zh) * 2023-08-21 2023-12-15 北京航空航天大学杭州创新研究院 一种基于环境刚度在线辨识的机器人交互力估计方法
CN117226825B (zh) * 2023-08-21 2024-03-22 北京航空航天大学杭州创新研究院 一种基于环境刚度在线辨识的机器人交互力估计方法

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