KR20120108318A - 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법 - Google Patents

주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 하나 이상의 구동 모터를 통하여 가동되는 하나 이상의 관절부를 구비하는 로봇 머니퓰레이터의 제어부의 감지 제어 신호에 따라 상기 관절부의 감지 관절 토크 정보를 취득하는 감지 단계와, 상기 감지 단계에서 취득된 상기 감지 관절 토크 정보 및 상기 제어부와 연결되는 저장부에 사전 설정 저장된 추정 데이터에 기초하여 상기 관절부의 추정 관절 토크가 산출되고, 상기 추정 관절 토크의 주파수 성분이 분석되는 추정 분석 단계와, 상기 추정 관절 토크의 주파수 성분과 상기 저장부에 저장된 사전 설정 작업 기준 데이터에 기초하여 상기 관절부의 사전 설정된 작업 수행 여부를 판단하고 판단 결과에 따라 상기 로봇 머니퓰레이터의 작업 모드를 설정하는 모드 결정 단계와, 상기 제어부의 모드 실행 제어 신호에 따라 상기 모드 결정 단계에서 결정된 모드를 실행하는 모드 실행 단계를 포함하는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법을 제공한다.

Description

주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING ROBOT MANIPULATOR DEVICE BASED ON FREQUENCY ANALYSYS OF IMPACT ON THE DEVICE}
본 발명은 안전 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보다 안전하고 신속한 충돌 제어를 이루기 위한 로봇 충돌 제어 방법에 관한 것이다.
로봇에 대한 수요는 산업용으로서 뿐만 아니라 가정용에 대한 수요도 증대되고 있고, 이에 따라 로봇 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 로봇의 동작에 관절 운동이 로봇 동작의 중요 부분을 이루는데, 종래 기술에 로봇은 강성과 위치 제어를 위하여 복잡한 구조와 상당한 장착 공간을 요구하였다.
이러한 기계적 장치들은 통상 산업 설비 뿐만 아니라 일상 생활까지 활용범위를 넓혀가고 있고 이에 따라 안전성 확보는 로봇 등의 장치를 설계함에 있어 가장 중요한 설계 인자로 작용한다. 이와 같이 로봇 등에 장착되는 안전 장치는 수행되는 방식에 따라 수동 제어 방식과 능동 제어 방식으로 분류되는데, 능동 제어 방식은 외부 충격을 감지하여 이에 따라 소정의 안전 장치를 가동시킴으로써 감지된 외부 충격에 대응하는 구성을 취한다. 즉, 로봇과 외부 물체 간에 충돌이 발생하는 경우 센서 등이 충돌 여부 및 충돌 세기 등을 감지하여 이를 제어부로 전달하고, 제어부는 감지된 신호에 기초하여 소정의 제어 신호를 생성하고 안전 장치에 구비되는 액추에이터가 제어부로부터의 소정의 제어 신호에 따라 작동함으로써 외부 충격에 대응하는 기능을 실행한다. 수동 제어 방식은 센서 및 액추에이터를 사용하지 않고 입력되는 충격에 대하여 스프링 및/또는 댐퍼 등의 기계 요소를 통한 외부 충격에 대응한다.
능동 제어 방식은 다양한 외부 충격에 대하여 능동적 대응을 가능케 하여 범용성을 확보할 수 있다는 장점이 있으나, 센서 감지 및 제어 신호 출력 등에 요구되는 상당한 제어 시간이 로봇팔이 외부 물체 등과 충돌이 발생하는 경우 대부분의 충격은 약 10ms 내지 20ms의 시간 이내에 발생하는 물리적 시간 제약보다 커서 원활한 능동 제어를 이루기 어렵다는 문제점이 있다.
수동 제어 방식의 경우 원가 절감을 이루는 장점이 있으나, 비선형적 동작 제어가 어렵다. 즉, 로봇 팔에 스프링 등의 수동 제어 구성요소가 배치되는 경우 충격 흡수를 필요로 하지 않는 경우에도 외력에 비례하는 변형이 발생하고, 충격 흡수를 요하는 경우에도 스프링에 작용하는 물체의 중량에 비례하여 로봇팔의 처짐이 발생하는 등 소기의 안전 기능을 확보함과 동시에 설계 자유도가 증진이 제한되는 문제점이 수반되었다.
본 발명은 보다 간단한 구조의 능동적 제어 방식을 구현함에 있어 충돌 발생시 의도성 여부를 판단하여 보다 정확하고 안전한 제어를 실행하기 위한 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하나 이상의 구동 모터를 통하여 가동되는 하나 이상의 관절부를 구비하는 로봇 머니퓰레이터의 제어부의 감지 제어 신호에 따라 상기 관절부의 감지 관절 토크 정보를 취득하는 감지 단계와, 상기 감지 단계에서 취득된 상기 감지 관절 토크 정보 및 상기 제어부와 연결되는 저장부에 사전 설정 저장된 추정 데이터에 기초하여 상기 관절부의 추정 관절 토크가 산출되고, 상기 추정 관절 토크의 주파수 성분이 분석되는 추정 분석 단계와, 상기 추정 관절 토크의 주파수 성분과 상기 저장부에 저장된 사전 설정 작업 기준 데이터에 기초하여 상기 관절부의 사전 설정된 작업 수행 여부를 판단하고 판단 결과에 따라 상기 로봇 머니퓰레이터의 작업 모드를 설정하는 모드 결정 단계와, 상기 제어부의 모드 실행 제어 신호에 따라 상기 모드 결정 단계에서 결정된 모드를 실행하는 모드 실행 단계를 포함하는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법을 제공한다.
상기 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법에 있어서, 상기 추정 분석 단계는: 상기 감지 관절 토크 정보와 상기 추정 데이터에 기초하여 상기 제어부의 추정 제어 신호에 따라 외력 추정 관측기에서 외력 추정 토크가 연산되는 외력 추정 토크 연산 단계와, 상기 외력 추정 토크에 기초하여 상기 제어부의 분석 제어 신호에 따라 외력 변화 추정 관측기에서 상기 외력 추정 토크의 고주파 성분을 추출하여 외력 추정 고주파 토크를 산출하는 주파수 분석 단계를 포함할 수도 있다.
상기 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법에 있어서, 상기 모드 결정 단계는: 상기 외력 추정 토크 및 상기 외력 추정 고주파 토크를 상기 사전 설정 작업 기준 데이터와 비교하는 모드 판단 단계와, 상기 모드 판단 단계에서 판단된 결과에 기초하여 실행되어야 할 작동 모드를 설정하는 모드 설정 단계를 포함할 수도 있다.
상기 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법에 있어서, 상기 모드 판단 단계는: 상기 제어부가 상기 외력 추정 고주파 토크와 상기 사전 설정 작업 기준 데이터의 고주파 문턱값을 비교하는 예상 충돌 판단 단계와, 상기 예상 충돌 판단 단계에서 상기 외력 추정 고주파 토크가 상기 고주파 문턱값 미만인 경우, 상기 제어부가 상기 외력 추정 토크와 상기 사전 설정 작업 기준 데이터의 안전 문턱값을 비교하는 안전 판단 단계를 포함할 수도 있다.
상기 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법에 있어서, 상기 모드 설정 단계는: 상기 안전 판단 단계에서 상기 외력 추정 토크가 상기 안전 문턱값 미만인 경우 실행되어야 할 작업 모드로 사용자에 의하여 설정된 입력 작업을 수행하는 작업 수행 모드로 설정하는 작업 수행 모드 설정 단계와, 상기 예상 충돌 판단 단계에서 상기 외력 추정 고주파 토크가 상기 고주파 문턱값 이상이 경우와, 상기 안전 판단 단계에서 상기 외력 추정 토크가 상기 안전 문턱값 이상인 경우에 실행되어야 할 작업 모드로 충돌 대응 모드를 설정하는 충돌 대응 모드 설정 단계를 포함할 수도 있다.
상기 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법에 있어서, 상기 작업 수행 모드 설정 단계에서 실행되어야 할 작업 모드가 작업 수행 모드로 설정된 경우, 상기 모드 실행 단계는: 입력부를 통하여 작업자에 의한 명령을 수신하는 작업자 명령 수신 단계와, 상기 작업자 명령 수신 단계에서 작업자에 의한 수신된 명령이 존재하는지 여부를 판단하는 수신 판단 단계와, 상기 수신 판단 단계에서의 수신 여부에 따라 형성된 작업을 실행하는 작업 수행 단계를 포함할 수도 있다.
상기 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법에 있어서, 상기 작업 수행 모드 설정 단계에서 실행되어야 할 작업 모드가 충돌 상태로 판단하여 대응 실행이 요구되는 충돌 대응 모드로 설정된 경우, 상기 모드 실행 단계는: 상기 관절부의 감지 관절 토크 정보로부터 충돌 방향을 검출하는 충돌 방향 검출 단계와, 상기 제어부가 상기 관절부의 감지 관절 토크 정보로부터 상기 관절부의 충돌 위치를 확인하는 충돌 위치 확인 단계와, 상기 제어부가 상기 저장부에 저장된 사전 설정 대응 위치만큼 상기 관절부를 상기 충돌 방향과 반대 방향으로 가동시키는 대응 위치를 산출하는 대응 위치 결정 단계와, 상기 구동 모터에 상기 관절부의 상기 대응 위치로의 이동을 위한 구동 제어 신호를 인가하는 충돌 대응 단계를 포함할 수도 있다.
상기 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법에 있어서, 상기 감지 관절 토크 정보는 상기 감지부의 관절 토크 측정부에서 감지될 수도 있다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법은, 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터의 외부 물체 내지 사람과의 접촉시, 발생한 접촉이 의도된 상황 하에서의 접촉인지 여부를 판단하여 보다 정확하고 안전한 제어 과정을 실행할 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법은, 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터의 외부 물체 내지 사람과의 접촉시, 발생한 접촉이 의도된 상황 하에서의 접촉인지 여부를 판단하여 힘 제어 기반 이외 교시 및 재현 기능을 갖춘 산업용 로봇에서보터 사람과 협업하는 서비스 머니퓰레이터까지 다양한 적용 가능성을 제공할 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법은, 경우에 따라 가속도 정보를 배제하여 추가적인 센서 구비를 배제함으로써 제조 비용을 현저하게 저감시킬 수도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법을 실행하는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터의 개략적인 모식도이다.
도 2a 및 도 2b는 의도하지 않은 충돌에 의한 충격량 변화 및 의도된 충돌에 의한 충격량 변화를 나타내는 선도이다.
도 2c는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터의 의도 여부에 따른 토크 변화를 나타내는 선도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터의 개략적인 블록 선도이다.
도 4는 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법의 추정 분석 단계에 대한 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법의 모드 결정 단계에 대한 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법의 모드 실행 단계에 대한 흐름도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법을 실행하는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터의 개략적인 모식도가 도시되고, 도 2a 및 도 2b에는 의도하지 않에는 충돌에 의한 충격량 변화 및 의도된 충돌에 의한 충격량 변화를 나타내는 선도가 도시되고, 도 2c에는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터의 의도 여부에 따른 토크 변화를 나타내는 선도가 도시되고, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터의 개략적인 블록 선도가 도시되고, 도 4에는 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법의 개략적인 흐름도가 도시되고, 도 5에는 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법의 추정 분석 단계에 대한 흐름도가 도시되고, 도 6에는 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법의 모드 결정 단계에 대한 흐름도가 도시되고, 도 7에는 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법의 모드 실행 단계에 대한 흐름도가 도시된다.
본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법은 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터(10)의 입력된 작업 모드 수행 내지 충돌시 이에 대응하는 제어 방법을 제공한다. 본 발명의 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터(10)는 하나 이상의 관절부(100)를 구비하는데, 관절부(100)에는 가동을 위한 구동 모터(1)가 배치된다. 또한, 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터(10)는 제어부(20)와 저장부(30)를 구비하고, 제어부(20)와 연결되는 연산부(40)를 구비할 수 있다.
주파수 기반 로봇 머니퓰레이터(10)는 제어부(20)를 포함하는데, 제어부(20)는 감지부(5)에서 감지되는 관절부(100)의 관절 토크인 감지 관절 토크 정보를 포함하는 감지 정보를 취득하여 제어부(20)로 전달한다.
감지부(5)는 관절 위치 측정부(2)와 관절 속도 측정부(3)와 관절 토크 측정부(4)를 포함할 수 있는데, 관절 위치 측정부(2)와 관절 속도 측정부(3)는 구동 모터(1)에 내장될 수 있고, 경우에 따라 관절 위치 측정과 관절 속도 측정은 구동 모터(1)에 인가되는 전류 신호를 사용하여 연산되어 추출 사용되는 구조를 취할 수도 있는 등 설계 사양에 따라 다양한 구성이 가능하다. 관절 위치 측정부(2)와 관절 속도 측정부(3)는 관절부(100)에 배치되는 엔코더로 구현될 수 있고 경우에 따라 회전 속도를 감지하기 위한 자이로 센서를 더 구비할 수도 있다.
관절 토크 측정부(4)는 토크 센서로 구현되는데, 토크 센서로 구현되는 관절 토크 측정부는 관절부(100)에 가해지는 관절 토크를 감지하여 제어부(20)로 전달한다.
저장부(30)는 하기되는 제어부(20)와 연결되는데, 저장부(30)는 사전 설정 데이터를 포함하여 소정의 제어 신호 인가 내지 관측 기능을 통한 예측치 연산 등의 기초가 되는 데이터를 제공할 수 있다.
제어부(20)는 제어기(21)와 관측기(23)를 포함하는데, 제어기(21)는 감지부(5)로부터 감지된 감지 정보 내지 작업자에 의하여 입력부(6)를 통하여 입력되는 입력 정보에 기초하여 구동 모터(1)에 소정의 구동 제어 신호를 인가함으로써 로봇 머니퓰레이터(10)를 구성하는 가동부인 링크를 가동시키기 위한 구동력을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 제어부(20)의 제어기(21)는 현재 접촉이 예상치 못한 충돌인지 예상된 충돌인지 여부를 판단하여 각각의 경우에 대한 소정의 사전 설정된 작동 모드를 실행하기 위한 제어 신호를 인가한다.
관측기(23)는 감지부(5)로부터 감지된 감지 관절 토크 정보를 포함하는 감지 정보 및 저장부(30)에 저장되는 사전 설정 데이터에 기초하여 소정의 관절부(100)를 통하여 연결되는 관절 링크(200)의 가동을 예측하여 관절부(100)에 가해지는 관절 토크를 추정할 수 있는데, 관측기(23)는 외력 추정 관측기(23a)와 외력 변화 추정 관측기(23b)를 포함한다. 외력 추정 관측기(23a)는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터(10)의 모델 정보 및 관절 위치 등의 정보에 기초하여 관절부(100)에 인가되는 관절 토크를 추정하여 추정 관절 토크를 산출하고, 외력 변화 추정 관측기(23b)는 추정 관절 토크로부터 빠르게 변화하는 성분만을 추출하여 외력 고주파 토크를 산출한다.
본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법은 감지 단계(S10)와 추정 분석 단계(S20)와 모드 결정 단계(S30)와 모드 실행 단계(S40)를 포함한다. 감지 단계(S10)에서 제어부(20)의 제어기(21)는 후속적인 추정 분석 단계(S20)를 실행하기 위한 관절부(100)의 감지 관절 토크 정보를 취득한다. 감지부(5)의 토크 센서로 구현되는 관절 토크 측정부(4)로부터 관절부(100)에 인가되는 관절 토크를 감지하고 이러한 감지 관절 토크 정보는 제어부(20)의 제어기(21) 및/또는 관측기(233)로 전달된다.
제어부(20)는 감지 단계에서 취득된 감지 관절 토크 정보 및 제어부(20)와 연계되는 저장부(30)에 사전 설정되어 저장된 추정 데이터에 기초하여 관절부(100)의 추정 관절 토크를 산출하고, 추정 관절 토크의 주파수 성분을 분석하는 추정 분석 단계(S20)를 실행한다. 추정 분석 단계(S20)는 외력 추정 토크 연산 단계(S21)와 주파수 분석 단계(S23)를 포함하는데, 외력 추정 토크 연산 단계(S21)에서 감지 토크 정보와 추정 데이터에 기초하여 제어부(20)의 추정 제어 신호에 따라 외력 추정 관측기(23)에서 외력 추정 토크가 연산되고, 주파수 분석 단계(S23)에서 외력 추정 토크에 기초하여 제어부(20)의 분석 제어 신호에 따라 외력 변화 추정 관측기에서 외력 추정 토크의 고주파 성분을 추출하여 외력 추정 고주파 토크를 산출한다.
먼저, 외력 추정 토크 연산 단계(S10)에서 외력 추정 토크가 연산된다. 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터(10)의 관성 및 길이 등과 같은 모델 정보는 사전 설정되어 저장부(30)에 저장되는데, 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터(10)는 다음과 같이 모델링될 수 있다(도 1 참조).
Figure pat00001
여기서, M(q)는 관절부(100)를 통하여 연결되는 관절 링크의 관성 행렬을,
Figure pat00002
는 코리올리 및 구심력을 나타내는 행렬을, g(q)는 중력 벡터를, τ는 구동 모터(1)를 통하여 전달되는 감지 관절 토크를, τe는 외력 토크 벡터를 나타낸다. 여기서, τ는 상기한 바와 같이 토크 센서로 구현되는 관절 토크 측정부(4)를 통하여 감지되는 감지 신호가 사용될 수도 있고, 경우에 따라 구동 모터(1)에 인가되는 전류의 세기로부터 역추산될 수도 있다. 관절 위치 측정부(3) 및/또는 관절 속도 측정부(4)에서의 감지 정보를 활용하여 외력 토크 벡터(τe)를 추정할 수 있다.
Figure pat00003
경우에 따라 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터(10)가 작업자에 의하여 사전 설정된 계획된 경로를 잘 추종하고 경로(
Figure pat00004
)가 시간에 대하여 미분 가능하다고 할 때, 다음과 같은 관계가 성립될 수 있다.
Figure pat00005
따라서, 이와 같은 경우 관절 속도 측정부(3)는 배제되는 구성이 취해질 수도 있고, 관절 속도 측정부(3)없이 임의의 경로를 이동하는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터(10)에 적용되는 외력 토크 벡터(τe)를 추정하는 관측기(23)는 다음과 같이 설계될 수 있다.
Figure pat00006
여기서, Mij와 Cij는 각각 M(q) 및
Figure pat00007
행렬의 i행j열의 요소이며, gi, τi, τe,i는 각각 g(q), τ, τe 벡터의 i번째 요소이다. 이때 Cij는 일반적으로 유일해를 갖지 않으므로, Cij를 다음과 같이 정의한다.
Figure pat00008
이와 같이 설정된 Cij는
Figure pat00009
가 교대 대칭 행렬(skew-symmmetric matrix)가 되도록 구성하는데, M(q)는 대칭이므로 다음과 같이 기술될 수 있다.
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
본 실시예에 따른 외력 추정 토크 연산 단계(S21)는 아래와 같이 정의되는 일반화 운동량 p를 사용하여 가속도 정보없이 외력 추정 토크를 산출한다.
Figure pat00013
일반화 운동량 p를 시간에 대하여 미분하고, 상기에서 언급된 관계를 활용하여 다음과 같은 관계가 도출된다.
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
여기서,
Figure pat00017
이다.
일반화 운동량의 추정치를
Figure pat00018
라 할 때,
Figure pat00019
이 실제 일반화 운동량 p에 수렴하도록 하기 위하여, 일반화 운동량의 추정 오차를 r로 정의한다.
Figure pat00020
여기서, K는 대각행렬로서 각 요소는 관측기(23)의 차단 주파수에 해당되고, 일반화 운동량 추정 오차(r)의 미분값은 다음과 같이 기술된다.
Figure pat00021
Figure pat00022
Figure pat00023
이를 라플라스 변환을 이루면 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00024
여기서, 하첨자 i는 i번째 관절부(100)를 나타내고 ri는 i번째 관절부(100)에 작용하는 외력 추정치, 즉 추정 관절 토크를 나타내는데, 차단주파수인 Ki가 작으면 잡음에 강인하지만 반응속도가 느리고 Ki가 크면 잡음에 민감하지만 반응속도가 빠른 시스템이 구성된다. 따라서, Ki를 적절한 값을 선택하여 관절 토크 측정부(4) 또는 관절 위치 측정부(2) 등에서 감지되는 감지 정보의 잡음의 영향을 조정할 수 있다.
상기와 같은 관계식들로부터 추정 관절 토크(r)를 재구성하면 다음과 같은 구조의 관측기를 구성할 수 있다.
Figure pat00025
Figure pat00026
Figure pat00027
도 3b에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 구조의 관측기(23)를 통하여 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터(10)의 모델 정보와 관절부(100)의 위치(q), 속도(
Figure pat00028
), 감지 관절 토크(τ)를 사용하여 외력 토크의 추정치를 도출할 수 있다.
이러한 관측기(23)를 통한 연산 과정을 통하여 얻어진 외력 추정 토크(r)에 기초하여 주파수 분석 단계(S23)에서 외력 추정 고주파 토크(rf)가 산출된다. 제어부(200)의 외력 변화 추정 관측기(23b)는 다음과 같이 구성된다.
Figure pat00029
여기서, KN은 관측 위치 측정기(2), 관측 속도 측정기(3) 및/또는 관측 토크 측정기(4)의 감지 잡음에 의한 양향을 제거하기 위한 이득을 나타내고, KS는 외력 변화 추정 관측기(23b)의 민감도(sensitivity)를 설정하기 위한 이득이다. 상기 관계를 일반화 운동량을 사용하여 정리하면 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00030
Figure pat00031
Figure pat00032
여기서, a1=KN+Ks, a2=KN KS, 그리고 b1=KN이다. 외력 변화 추정 관측기(23b)는 도 3c에 도시된 바와 같이 고주파 대역의 성분인 외력 고주파 토크(rf)를 추출함으로써, 외력의 크기가 동일하더라도 외력이 작업자가 인지하는 의도된 접촉에 의한 것인지 아니면 예기치 못한 충돌에 의한 것인지 외력 추정 고주파 토크를 사용하여 의도성 여부를 판단할 수 있다.
도 2에는 충돌 상황을 인지한 경우의 충격량 변화 및 충돌 상황을 인지하지 못한 경우의 충격량 변화를 나타내는 선도가 도시된다. 즉, 도 2a에 도시된 바와 같이, 충돌 상황을 인지한 경우 충격량 변화가 완만한 곡선을 이루는 반면, 충돌 상황을 인지하지 못한 경우 충격량 변화는 급격하게 변화하는 곡선을 이룬다. 도 2c에는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터에 의도된 충격이 가해진 경우와 의도하지 않은 충격이 가해진 경우 감지된 감지 관절 토크의 변화가 도시되는데, 이는 도 2a 및 도 2b의 경우와 유사하다. 따라서, 상기한 바와 같은 외력 변화 추정 관측기(23b)는 고역 통과 필터 기능을 실행하여 고주파 성분의 외력 고주파 토크만을 추출하게 되고 완만한 변화를 이루는 의도된 충격은 제거된다.
그런 후, 제어부(20)의 제어기(21)는 모드 결정 단계(S30)를 실행한다. 모드 결정 단계에서 외력 추정 토크의 주파수 성분, 특히 고주파 성분인 외력 고주파 토크와 저장부(30)에 저장된 사전 설정 작업 기준 데이터에 기초하여 관절부(100)의 사전 설정된 작업 수행 여부를 판단하고 판단 결과에 따라 로봇 머니퓰레이터의 작업 모드를 설정한다. 모드 결정 단계(S30)는 모드 판단 단계(S31)와 모드 설정 단계(S33)를 포함하는데, 모드 판단 단계(S31)는 외력 추정 토크(r) 및 외력 추정 고주파 토크(rf)를 사전 설정 작업 기준 데이터와 비교하고, 모드 설정 단계(S33)는 모드 판단 단계(S31)에서 판단된 결과에 기초하여 실행되어야 할 작동 모드를 설정한다.
모드 판단 단계(S31)는 예상 충돌 판단 단계(S311)와 안전 판단 단계(S313)를 포함하는데, 예상 충돌 판단 단계(S311)에서 제어부(20)의 제어기(21)는 외력 추정 고주파 토크(rf)가 사전 설정 작업 기준 데이터의 고주파 문턱값(rf,th)을 비교한다. 제어부(20)의 제어기(21)가 외력 추정 고주파 토크(rf)가 고주파 문턱값(rf,th) 미만이라고 판단한 경우, 제어기(21)는 후속적으로 안전 판단 단계(S313)를 실행한다. 안전 판단 단계(S313)에서 제어기(21)는 외력 추정 토크(r)와 사전 설정 작업 기준 데이터의 안전 문턱값(rth)를 비교한다. 안전 판단 단계(S313)에서 제어기(21)가 외력 추정 토크와 사전 설정 작업 기준 데이터의 안전 문턱값(rth)과의 비교를 통해 각각의 비교 결과에 따라 모드 설정 단계(S33)의 개별 단계로 제어 흐름을 전달한다. 제어부(20)의 제어기(21)가 안전 판단 단계(S313)에서 외력 추정 토크(r)가 사전 설정 작업 기준 데이터의 안전 문턱값(rth) 이상이라고 판단한 경우 과도한 외력이 인가되는 것으로 판단하고 소정의 충돌 대응 동작을 실행하기 위한 제어 흐름을 선택하고 반면, 외력 추정 토크(r)가 사전 설정 작업 기준 데이터의 안전 문턱값(rth) 미만이라고 판단한 경우 안전 범위 이하의 외력이 인가되는 것으로 판단하고 소정의 설정된 작업을 수행하도록 하기 위한 제어 흐름을 선택한다.
모드 설정 단계(S33)는 작업 수행 모드 설정 단계(S331)와 충돌 대응 모드 설정 단계(S333)를 포함하는데, 작업 수행 모드 설정 단계(S331)는 안전 판단 단계(S313)에서 외력 추정 토크(r)가 안전 문턱값(rth) 미만인 경우 실행되어야 작업 모드로 사용자인 작업자에 의하여 설정된 입력 작업을 수행하도록 하는 작업 수행 모드를 설정한다. 반면, 충돌 대응 모드 설정 단계(S333)는 예상 충돌 판단 단계(S311)에서 외력 추정 고주파 토크(rf)가 고주파 문턱값(rf,th) 이상인 경우와, 안전 판단 단계(S313)에서 외력 추정 토크(r)가 안전 문턱값(rth) 미만인 경우 실행되어야 작업 모드로 충돌 상태에 대응하는 충돌 대응 모드를 작업 모드로 설정한다.
모드 결정 단계(S30)가 완료된 후, 제어부(20)의 제어기(21)는 모드 실행 단계(S40)를 실행하는데, 먼저 모드 확인 단계(S41)에서 현재 제어부(20)의 제어기(21)에 의하여 선택된 작업 모드가 무엇인지를 판단한다. 모드 확인 단계(S41)에서 선택된 작업 모드가 작업 수행 모드인 것으로 판단되는 경우, 제어부(20)의 제어기(21)는 제어 흐름을 단계 S43으로 진행한다. 단계 S43은 작업자 명령 수신 단계(S431)와 수신 판단 단계(S433)와 작업 수행 단계(S435)를 포함하는데, 작업자 명령 수신 단계(S43)에서 작업자에 의하여 송신되어 수신된 명령이 존재하는지 여부를 판단한다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터(10)는 통신부(50)를 구비하는데, 통신부(50)를 통하여 이격 배치되는 별도의 입력부(60)를 통한 신호 입력이 존재하는 경우 이를 수신한다. 그런 후, 수신 판단 단계(S433)에서 제어부(20)의 제어기(21)는 통신부(50)를 통하여 수신된 명령이 존재하는지 여부를 판단하는데, 수신된 명령이 존재하는 경우 제어부(20)의 제어기(21)는 제어 흐름을 단계 S437로 진행하여 수신된 명령에 따른 작업을 수행하도록 하는 작업 수행 단계(S437)를 실행하여 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터(10)를 가동시킨다. 반면, 단계 S433에서 수신된 명령이 존재하지 않는 것으로 판단되는 경우, 제어부(20)의 제어기(21)는 제어 흐름을 단계 S435으로 전환하여 작업 계획 재생성 단계(S435)를 실행한다. 작업 계획 재생성 단계(S435)는 설계 사양에 따라 다양한 구성을 취할 수도 있는데, 사전 설정되어 저장부(30)에 저장된 사전 설정 작업 계획을 실행하도록 작업 계획을 생성할 수도 있고 바로 전 단계에서의 작업을 지속적으로 진행하도록 하는 구성을 취할 수도 있으면, 경우에 따라 대기 상태를 이룰 때 배치되는 원위치로의 복귀 계획으로 설정될 수도 있는 등 작업 환경 조건에 따라 다양한 선택이 가능하다.
한편, 모드 확인 단계(S41)에서 선택된 작업 모드가 충돌 대응 모드인 것으로 판단되는 경우, 제어부(20)의 제어기(21)는 제어 흐름을 단계 S45로 진행한다. 단계 S45는 충돌 방향 검출 단계(S451)와 충돌 위치 확인 단계(S453)와 대응 위치 결정 단계(S455)와 충돌 대응 단계(S457)를 포함한다. 충돌 방향 검출 단계(S451)에서 제어부(20)의 제어기(21)는 관절부(100)의 감지 관절 토크 정보로부터 충돌 방향을 검출하는데, 주파수 기반 머니퓰레이터(10)의 관절부(100)에서의 감지 관절 토크 정보로부터 시계 방향 내지 반시계 방향 인지 여부를 판단하여 방향성(d)을 도출한다. 본 실시예에서는 시계 방향을 "1"로 그리고 반시계 방향을 "-1"의 부호를 부여하였으나 반대되는 구조를 취할 수도 있음은 명백하다.
그런 후, 제어부(20)의 제어기(21)는 관절부(100)의 감지 관절 토크 정보로부터 관절부(100)의 충돌 위치를 확인하는데, 구동 모터를 통하여 인가된 토크 신호와는 다른 감지 관절 토크 정보의 변화가 발생하는 관절부를 확인하여 해당 관절부의 위치(qc)를 충돌 위치로 선정한다. 그런 후, 제어부(20)의 제어기(21)는 저장부(30)에 사전 설정 대응되는 사전 설정 대응 위치(qr)만큼 관절부(100)를 충돌 방향과 반대 방향으로 가동시키는 대응 위치(qd)를 산출하는 대응 위치 결정 단계(S455)를 실행한다. 대응 위치 결정 단계(S455)에서 사용되는 사전 설정 대응 위치(q)는 본 실시예에서 5도 정도로 설정되었는데, 본 발명의 사전 설정 대응 위치는 이에 국한되지 않고 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다. 따라서, 대응 위치 결정 단계(S455)에서 산출되는 대응 위치(qd)는 다음과 같은 관계를 갖는다.
Figure pat00033
상기와 같은 대응 위치(qd)가 산출된 후, 제어부(20)의 제어기(21)는 구동 모터(1)에 구동 제어 신호를 인가하여 소정의 충돌 상황으로 인한 손상 내지 피해를 방지하기 위하여 충돌 대응 동작을 실행하는 충돌 대응 단계(S457)를 실시한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 충돌 대응 제어 방법은, 감지 관절 토크의 고주파 성분을 추출하여 이를 통한 충돌 상태의 의도성 여부를 판단하는 범위에서 다양한 변화를 도출하는 다양한 구성이 가능하다.
1...구동 모터 2...관절 위치 측정부
3...관절 속도 측정부 4...관절 토크 측정부
5...감지부 10...주파수 기반 로봇 머니퓰레이터
20...제어부 30...저장부
40...연산부 50...통신부
60...입력부

Claims (8)

  1. 하나 이상의 구동 모터를 통하여 가동되는 하나 이상의 관절부를 구비하는 로봇 머니퓰레이터의 제어부의 감지 제어 신호에 따라 상기 관절부의 감지 관절 토크 정보를 취득하는 감지 단계와,
    상기 감지 단계에서 취득된 상기 감지 관절 토크 정보 및 상기 제어부와 연결되는 저장부에 사전 설정 저장된 추정 데이터에 기초하여 상기 관절부의 추정 관절 토크가 산출되고, 상기 추정 관절 토크의 주파수 성분이 분석되는 추정 분석 단계와,
    상기 추정 관절 토크의 주파수 성분과 상기 저장부에 저장된 사전 설정 작업 기준 데이터에 기초하여 상기 관절부의 사전 설정된 작업 수행 여부를 판단하고 판단 결과에 따라 상기 로봇 머니퓰레이터의 작업 모드를 설정하는 모드 결정 단계와,
    상기 제어부의 모드 실행 제어 신호에 따라 상기 모드 결정 단계에서 결정된 모드를 실행하는 모드 실행 단계를 포함하는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 추정 분석 단계는:
    상기 감지 관절 토크 정보와 상기 추정 데이터에 기초하여 상기 제어부의 추정 제어 신호에 따라 외력 추정 관측기에서 외력 추정 토크가 연산되는 외력 추정 토크 연산 단계와,
    상기 외력 추정 토크에 기초하여 상기 제어부의 분석 제어 신호에 따라 외력 변화 추정 관측기에서 상기 외력 추정 토크의 고주파 성분을 추출하여 외력 추정 고주파 토크를 산출하는 주파수 분석 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 모드 결정 단계는:
    상기 외력 추정 토크 및 상기 외력 추정 고주파 토크를 상기 사전 설정 작업 기준 데이터와 비교하는 모드 판단 단계와,
    상기 모드 판단 단계에서 판단된 결과에 기초하여 실행되어야 할 작동 모드를 설정하는 모드 설정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 모드 판단 단계는:
    상기 제어부가 상기 외력 추정 고주파 토크와 상기 사전 설정 작업 기준 데이터의 고주파 문턱값을 비교하는 예상 충돌 판단 단계와,
    상기 예상 충돌 판단 단계에서 상기 외력 추정 고주파 토크가 상기 고주파 문턱값 미만인 경우, 상기 제어부가 상기 외력 추정 토크와 상기 사전 설정 작업 기준 데이터의 안전 문턱값을 비교하는 안전 판단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 모드 설정 단계는:
    상기 안전 판단 단계에서 상기 외력 추정 토크가 상기 안전 문턱값 미만인 경우 실행되어야 할 작업 모드로 사용자에 의하여 설정된 입력 작업을 수행하는 작업 수행 모드로 설정하는 작업 수행 모드 설정 단계와,
    상기 예상 충돌 판단 단계에서 상기 외력 추정 고주파 토크가 상기 고주파 문턱값 이상이 경우와, 상기 안전 판단 단계에서 상기 외력 추정 토크가 상기 안전 문턱값 이상인 경우에 실행되어야 할 작업 모드로 충돌 대응 모드를 설정하는 충돌 대응 모드 설정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 작업 수행 모드 설정 단계에서 실행되어야 할 작업 모드가 작업 수행 모드로 설정된 경우,
    상기 모드 실행 단계는:
    입력부를 통하여 작업자에 의한 명령을 수신하는 작업자 명령 수신 단계와,
    상기 작업자 명령 수신 단계에서 작업자에 의한 수신된 명령이 존재하는지 여부를 판단하는 수신 판단 단계와,
    상기 수신 판단 단계에서의 수신 여부에 따라 형성된 작업을 실행하는 작업 수행 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 작업 수행 모드 설정 단계에서 실행되어야 할 작업 모드가 충돌 상태로 판단하여 대응 실행이 요구되는 충돌 대응 모드로 설정된 경우,
    상기 모드 실행 단계는:
    상기 관절부의 감지 관절 토크 정보로부터 충돌 방향을 검출하는 충돌 방향 검출 단계와,
    상기 제어부가 상기 관절부의 감지 관절 토크 정보로부터 상기 관절부의 충돌 위치를 확인하는 충돌 위치 확인 단계와,
    상기 제어부가 상기 저장부에 저장된 사전 설정 대응 위치만큼 상기 관절부를 상기 충돌 방향과 반대 방향으로 가동시키는 대응 위치를 산출하는 대응 위치 결정 단계와,
    상기 구동 모터에 상기 관절부의 상기 대응 위치로의 이동을 위한 구동 제어 신호를 인가하는 충돌 대응 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 감지 관절 토크 정보는 상기 감지부의 관절 토크 측정부에서 감지되는 것을 특징으로 하는 주파수 기반 로봇 머니퓰레이터 제어 방법.

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