KR20130111664A - Method and system for eliminating disturbance of robot - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 착용식 로봇을 제어함에 있어 외란에 의한 영향을 제거하여 착용자로 하여금 반력이 느껴지지 않도록 하기 위한 착용식 로봇의 외란제거방법 및 외란제거시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a disturbance removal method and a disturbance removal system of a wearable robot for removing the influence of disturbance in controlling the wearable robot so that the wearer does not feel the reaction force.
외골격 형태의 착용식 로봇에 있어서, 로봇에 의한 저항 반력을 최소화하고 사람의 동작 의도를 실시간으로 반영하여 부드러운 동작을 하는 것은 로봇의 작동감과 정확도의 보강 측면에서 매우 중요한 문제이다. In the wearable robot of the exoskeleton type, it is very important to minimize the reaction reaction force by the robot and to perform smooth movement by reflecting the human's intention in real time in terms of reinforcing the feeling of operation and accuracy of the robot.
그러나, 착용식 로봇은 사람과 결합한 로봇 시스템이기 때문에 시스템에 있어서 부정확한 상태 변수가 만들어지기가 쉽고, 센서에 포함된 노이즈 및 로봇 기구에 타고오는 진동에 의한 노이즈, 높은 전압 구동에 의한 자기장 및 전류에 따른 노이즈 등 다양한 노이즈가 존재하기 때문에 착용자 의도 반영한 제어의 성능을 향상시키기가 쉽지 않다. However, since wearable robots are robotic systems combined with humans, it is easy to create inaccurate state variables in the system, noises included in sensors and noises caused by vibrations from robotic mechanisms, magnetic fields and currents driven by high voltages. Since various noises such as noises exist, it is not easy to improve the performance of the control reflecting the intention of the wearer.
또한, 사람과 로봇이 정확히 결박되지 않는 부위에서 생기는 인적토크의 불안정한 입력값이 생성되는데 이 또한 외란으로 간주 될 수 있다. 따라서 이러한 외란에 강인하도록 하기 위한 제어기 구성이 요구된다. In addition, an unstable input of human torque generated at a site where humans and robots are not precisely bound can be considered disturbance. Therefore, a controller configuration is required to be robust against such disturbances.
기존의 착용식 로봇은 대한민국 공개특허 제10-2005-0053214호에 기재된 바와 같이, 오직 사용자가 가한 힘에 대해 조인트 토크를 계산하여 로봇을 구동시키는 알고리즘이 대부분이며, 센서에 포함된 노이즈나 외란이 고려되지 않아, 작은 외란에도 제어 영역이 불안정해질 수 있는 문제가 있다. Conventional wearable robots, as described in the Republic of Korea Patent Publication No. 10-2005-0053214, most of the algorithm to drive the robot by calculating the joint torque only for the force applied by the user, noise or disturbance contained in the sensor Not considered, there is a problem that the control region may become unstable even with small disturbances.
따라서, 이를 해결하기 위해 외란관측기를 통한 센서 노이즈 및 시스템의 외란 저감을 위한 방법이 필요하였던 것이다.
Therefore, in order to solve this problem, a method for reducing disturbance of the sensor noise and the system through the disturbance observer was needed.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
It should be understood that the foregoing description of the background art is merely for the purpose of promoting an understanding of the background of the present invention and is not to be construed as an admission that the prior art is known to those skilled in the art.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 외란관측기를 통한 센서 노이즈 및 시스템의 외란 저감을 위한 착용식 로봇의 외란제거방법 및 외란제거시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been proposed to solve the above problems, and an object thereof is to provide a disturbance removal method and a disturbance removal system of a wearable robot for reducing disturbance of the sensor noise and the system through the disturbance observer.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 착용식 로봇의 외란제거방법은, 착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값과 현재 각속도관련값의 차이로부터 로봇관절에 입력될 요구토크를 산출하는 요구산출단계; 상기 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거하여 외란토크를 산출하는 외란산출단계; 및 상기 요구토크에서 외란토크를 제거하여 실제 입력토크를 산출하는 실제산출단계;를 포함한다.Disturbance removal method of the wearable robot according to the present invention for achieving the above object, the request calculation step of calculating the required torque to be input to the robot joint from the difference between the target angular velocity-related value and the current angular velocity-related value of the wearable robot joint ; A disturbance calculation step of calculating and estimating an expected input torque inversely from the current angular velocity related value, and calculating a disturbance torque by removing an actual input torque from the estimated input torque; And an actual calculation step of calculating the actual input torque by removing the disturbance torque from the required torque.
상기 실제산출단계는, 요구토크에서 외란토크를 제거하고 착용자가 가하는 인적토크를 합산하여 실제 입력토크를 산출할 수 있다.In the actual calculation step, the disturbance torque may be removed from the required torque and the human torque applied by the wearer may be added to calculate the actual input torque.
착용자가 가하는 인적토크로부터 가상의 어드미턴스 모델을 통하여 목표 각속도관련값을 생성하는 목표생성단계;를 더 포함할 수 있다.And a target generation step of generating a target angular velocity related value through a virtual admittance model from human torque applied by the wearer.
상기 외란산출단계는, 상기 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거한 후 저역통과필터링을 통해 외란토크를 산출할 수 있다.The disturbance calculation step may calculate and estimate the estimated input torque from the current angular velocity related value inversely, remove the actual input torque from the estimated input torque, and calculate the disturbance torque through low pass filtering.
상기 각속도관련값은 착용식 로봇관절의 각속도 및 각가속도 값일 수 있다.
The angular velocity related value may be an angular velocity and an angular acceleration value of the wearable robot joint.
한편, 본 발명에 따른 착용식 로봇의 외란제거시스템은, 착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값과 현재 각속도관련값의 차이로부터 로봇관절에 입력될 요구토크를 산출하고, 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하며 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거하여 외란토크를 산출하고, 산출된 요구토크에서 외란토크를 제거하여 실제 입력토크를 산출하는 제어부;를 포함한다.On the other hand, the disturbance removal system of the wearable robot according to the present invention calculates the required torque to be input to the robot joint from the difference between the target angular velocity related value and the current angular velocity related value of the wearable robot joint, and the expected input from the current angular velocity related value. And a controller that calculates the torque inversely, calculates the disturbance torque by removing the actual input torque from the expected input torque, and calculates the actual input torque by removing the disturbance torque from the calculated required torque.
상기 제어부는 착용자가 가하는 인적토크로부터 가상의 어드미턴스 모델을 통하여 목표 각속도관련값을 생성할 수 있다.The control unit may generate a target angular velocity related value from a human torque applied by the wearer through a virtual admittance model.
로봇관절의 링크에 마련되어 착용자가 가하는 인적토크를 측정하는 토크센서;를 더 포함할 수 있다.It may further include a torque sensor provided on the link of the robot joint for measuring the human torque applied by the wearer.
로봇관절에 마련되어 현재 각속도관련값을 측정하는 회전형 엔코더;를 더 포함할 수 있다.
It may further include a rotary encoder provided on the robot joint for measuring the current angular velocity related value.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 착용식 로봇의 외란제거방법 및 외란제거시스템에 따르면, 착용자에 의한 로봇의 동작 생성 시 착용자의 동작 의도를 외부 노이즈와 외란에 강인하도록 정확하게 로봇에 전달할 수 있으며, 제어 안정성 확보에 커다란 효과를 가져올 수 있다.According to the disturbance removal method and disturbance removal system of the wearable robot having the structure as described above, it is possible to accurately transmit the wearer's motion intention to the robot so as to be strong against external noise and disturbance when generating the robot's motion by the wearer, and control stability It can have a big effect on securing.
또한, 외란 관측기에 의하여 시스템 모델을 기반으로 한 외란 제거를 통해 입력에 대한 보다 정확한 출력을 기대할 수 있다.
In addition, the disturbance observer can expect a more accurate output of the input through the disturbance removal based on the system model.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 외란제거시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 외란제거방법의 블록도.
도 3은 도 2에 도시된 로봇의 외란제거방법의 순서도.1 is a view showing a disturbance removal system of a robot according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a block diagram of a disturbance removal method of a robot according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a flow chart of the disturbance removal method of the robot shown in FIG.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 착용식 로봇의 외란제거방법 및 외란제거시스템에 대하여 살펴본다.Hereinafter, a disturbance removal method and a disturbance removal system of a wearable robot according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 외란제거시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 외란제거방법의 블록도이며, 도 3은 도 2에 도시된 로봇의 외란제거방법의 순서도이다.1 is a view showing a disturbance removal system of a robot according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a block diagram of a disturbance removal method of a robot according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is shown in Figure 2 This is a flowchart of the method for removing disturbance of the robot.
먼저, 본 발명의 로봇의 외란제거방법을 먼저 살펴보면, 로봇의 외란제거방법은, 착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값과 현재 각속도관련값의 차이로부터 로봇관절에 입력될 요구토크를 산출하는 요구산출단계(S200); 상기 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거하여 외란토크를 산출하는 외란산출단계(S300); 및 상기 요구토크에서 외란토크를 제거하여 실제 입력토크를 산출하는 실제산출단계(S400);를 포함한다.First, the disturbance removal method of the robot of the present invention will be described first, and the disturbance removal method of the robot calculates a request for calculating the required torque to be input to the robot joint from the difference between the target angular velocity related value and the current angular velocity related value of the wearable robot joint. Step S200; A disturbance calculation step (S300) of calculating and estimating an expected input torque inversely from the current angular velocity-related value and calculating disturbance torque by removing the actual input torque from the estimated input torque; And an actual calculation step (S400) of calculating the actual input torque by removing the disturbance torque from the required torque.
도 2를 참조하여 본 발명의 로봇의 외란제거방법을 설명하면, 먼저 착용자가 가하는 인적토크 로부터 가상의 어드미턴스 모델(Admittance model)을 통하여 목표 각속도관련값 을 생성하는 목표생성단계(S100)를 수행토록 한다. 여기서 말하는 각속도관련값이란 각속도 및 각가속도 값을 포함하는 개념이나, 반드시 여기에 한정되는 것은 아니다.Referring to Figure 2, the disturbance removal method of the robot of the present invention, first, the human torque applied by the wearer Target angular velocity-related values through a virtual admittance model To perform the target generation step (S100) for generating. The angular velocity related value herein is a concept including an angular velocity and an angular acceleration value, but is not necessarily limited thereto.
착용자는 신체를 움직여 로봇에 토크를 가하고, 로봇은 이를 센싱하여 인적토크 를 얻는다. 그리고 로봇의 제어부(90)에서는 어드미턴스모델을 통하여 착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값 을 도출한다. 목표 각속도관련값이란 측정된 인적토크를 바탕으로 로봇의 관절이 추종해야할 목표적 의미를 갖는 각속도 또는 각가속도를 말한다.The wearer moves the body to apply torque to the robot, which senses the human torque Get And the
여기서, 어드미턴스모델은 일 예로 아래의 수학식 1 같이 표현될 수 있을 것이다.Here, the admittance model may be expressed as Equation 1 below as an example.
상기의 식은 일반적인 로보틱스에서 로봇의 동역학적 기본 모델을 나타내는 것으로서, 인적토크를 입력으로 하였을 때 목표 각속도와 목표 각가속도를 얻을 수 있음을 나타낸다. 그리고, 착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값 과 현재 각속도관련값 의 차이로부터 로봇관절에 입력될 요구토크를 산출하는 요구산출단계(S200)를 수행한다.The above equation represents the basic dynamic model of the robot in general robotics, and indicates that the target angular velocity and the target angular acceleration can be obtained when human torque is input. And, the target angular velocity related value of the wearable robot joint And current angular velocity related values The request calculation step (S200) of calculating the required torque to be input to the robot joint from the difference is performed.
요구토크 는 컨트롤러(Controller)를 통하여 도출되는데, 목표로 하는 각속도의 정도와 현재 진행되는 각속도의 정도의 차이만큼만 실제 로봇의 관절 구동부에 인가하면 되기 때문에, 그 차이를 컨트롤러에 대입하여 요구토크 를 산출하는 것이다. 컨트롤러는 간단히 PD 제어를 통한 입력도 가능하고, 이 밖에도 최적제어, 인공지능제어(Fuzzy, Artificial Neural Network) 등의 제어 기법이 모두 사용 가능하다.Required torque Is derived through the controller, and only the difference between the target angular velocity and the current angular velocity is applied to the joint drive of the actual robot. To calculate. The controller can simply input through PD control, and other control techniques such as optimum control and artificial neural network (Fuzzy) can be used.
일 예로, 컨트롤러의 제어는 아래의 수학식 2의 방식과 같이 수행될 수 있다.For example, the control of the controller may be performed in the manner of Equation 2 below.
한편, 로봇에는 실제 관절의 구동을 특정하는 엔코더 등을 통하여 실제 각속도관련값 을 취득할 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 실제 각속도관련값에서 외란관측기(Disturbance Observer)를 통하여 외란에 의한 영향을 도출하는 것이다.On the other hand, the robot has an actual angular velocity related value through an encoder for specifying the actual joint drive. You will be able to get And, the influence of the disturbance is derived through the disturbance observer from the actual angular velocity related value.
외란산출단계(S300)에서는 현재 각속도관련값 으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거하여 외란토크를 산출하도록 한다. 예상 입력토크는 로봇의 모델링 식에 역전달함수를 취하여 역으로 구해질 수 있다. 즉, 아래의 수학식 3과 같은 방식으로 현재의 각속도를 대입하여 역으로 입력되어야 했을 예상 입력토크를 구하는 것이다.In the disturbance calculation step (S300), the current angular velocity related value The estimated input torque is calculated from the inverse and estimated, and the disturbance torque is calculated by removing the actual input torque from the expected input torque. The expected input torque can be found inversely by taking the inverse transfer function in the modeling equation of the robot. That is, the expected input torque that should have been input in reverse by substituting the current angular velocity in the same manner as in Equation 3 below.
상기 외란산출단계(S300)는, 상기 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거한 후 저역통과필터링을 통해 외란토크 를 산출하도록 한다.The disturbance calculation step (S300) calculates and estimates an expected input torque inversely from the current angular velocity related value, removes the actual input torque from the expected input torque, and then disturbs the torque through low pass filtering. To calculate.
그리고 상기 요구토크에서 외란토크 를 제거하여 실제 입력토크를 산출하는 실제산출단계(S400);를 수행한다. 다만, 외란토크의 경우 저역통과필터를 통하여 어느 정도 필터링된 외란토크 를 산출하여 제거하도록 함이 바람직하다. And disturbance torque at the required torque To perform the actual calculation step (S400) to calculate the actual input torque by removing the. However, in the case of disturbance torque, the disturbance torque filtered to some extent through the low pass filter. It is preferable to calculate and to remove.
실제산출단계(S400)는, 요구토크 에서 필터링된 외란토크 를 제거하고 착용자가 가하는 인적토크 를 합산하여 실제 입력토크 를 산출하는데, 실제 입력토크 에는 실제 외란 이 더해지는 것이고, 그에 따라 로봇의 현재 각속도 관련값은 항상 오차를 지니는 것이다.Actual calculation step (S400), the required torque Disturbance torque filtered from Human torque applied by the wearer To add the actual input torque To calculate the actual input torque There is a real disturbance This adds up, so that the robot's current angular velocity-related value always has an error.
다만, 본 발명의 착용식 로봇의 외란제거방법에 따르면, 로봇에 가해지는 요구토크에서 외란 에 의한 영향이 피드백되어 다음 요구토크 를 계산할 때 반영되기 때문에 로봇의 움직임이 착용자의 의도에 더욱 잘 부합하도록 제어되는 것이다.
However, according to the disturbance removal method of the wearable robot of the present invention, the disturbance at the required torque applied to the robot Effect is fed back to the next required torque Because this is reflected in the calculation, the robot's movement is controlled to better match the wearer's intention.
한편, 본 발명의 착용식 로봇의 외란제거시스템은, 착용식 로봇관절의 목표 각속도관련값과 현재 각속도관련값의 차이로부터 로봇관절에 입력될 요구토크를 산출하고, 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하며 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거하여 외란토크를 산출하고, 산출된 요구토크에서 외란토크를 제거하여 실제 입력토크를 산출하는 제어부(90);를 포함한다.On the other hand, the disturbance removal system of the wearable robot of the present invention calculates the required torque to be input to the robot joint from the difference between the target angular velocity related value and the current angular velocity related value of the wearable robot joint, and the estimated input torque from the current angular velocity related value. The
여기서, 상기 제어부(90)는 착용자가 가하는 인적토크로부터 가상의 어드미턴스 모델을 통하여 목표 각속도관련값을 생성하도록 할 수 있다.Here, the
그리고, 외란제거시스템은 로봇관절(30)의 링크(50)에 마련되어 착용자(10)가 가하는 인적토크를 측정하는 토크센서(70); 및 로봇관절에 마련되어 현재 각속도관련값을 측정하는 회전형 엔코더(32);를 더 포함할 수 있다.
And, the disturbance removal system is provided on the
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims It will be apparent to those of ordinary skill in the art.
30 : 로봇관절 32 : 엔코더
50 : 링크 70 : 토크센서
90 : 제어부30: robot joint 32: encoder
50: link 70: torque sensor
90:
Claims (9)
상기 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거하여 외란토크를 산출하는 외란산출단계(S300); 및
상기 요구토크에서 외란토크를 제거하여 실제 입력토크를 산출하는 실제산출단계(S400);를 포함하는 착용식 로봇의 외란제거방법.A request calculation step (S200) of calculating a required torque to be input to the robot joint from a difference between a target angular velocity related value of the wearable robot joint and a current angular velocity related value;
A disturbance calculation step (S300) of calculating and estimating an expected input torque inversely from the current angular velocity-related value and calculating disturbance torque by removing the actual input torque from the estimated input torque; And
Disturbance removal method of the wearable robot comprising a; actual calculation step (S400) for calculating the actual input torque by removing the disturbance torque from the required torque.
상기 실제산출단계(S400)는, 요구토크에서 외란토크를 제거하고 착용자가 가하는 인적토크를 합산하여 실제 입력토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 외란제거방법.The method according to claim 1,
The actual calculation step (S400), the disturbance removal method of the wearable robot, characterized in that to remove the disturbance torque from the required torque and to add the human torque applied by the wearer to calculate the actual input torque.
착용자가 가하는 인적토크로부터 가상의 어드미턴스 모델을 통하여 목표 각속도관련값을 생성하는 목표생성단계(S100);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 외란제거방법.The method according to claim 1,
Disturbance removal method of the wearable robot comprising a; further comprising a target generation step (S100) for generating a target angular velocity-related value through a virtual admittance model from the human torque applied by the wearer.
상기 외란산출단계(S300)는, 상기 현재 각속도관련값으로부터 예상 입력토크를 역으로 계산하여 추정하고, 예상 입력토크에서 실제 입력토크를 제거한 후 저역통과필터링을 통해 외란토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 외란제거방법.The method according to claim 1,
The disturbance calculation step (S300), by calculating the estimated input torque inversely from the current angular velocity related value, and after removing the actual input torque from the expected input torque, characterized in that for calculating the disturbance torque through low pass filtering Disturbance method of wearable robot.
상기 각속도관련값은 착용식 로봇관절의 각속도 및 각가속도 값인 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 외란제거방법.The method according to claim 1,
The angular velocity related value is a disturbance removal method of the wearable robot, characterized in that the angular velocity and angular acceleration value of the wearable robot joint.
상기 제어부(90)는 착용자가 가하는 인적토크로부터 가상의 어드미턴스 모델을 통하여 목표 각속도관련값을 생성하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 외란제거시스템.The method of claim 6,
The control unit (90) is a disturbance removal system of a wearable robot, characterized in that for generating a target angular velocity-related value through a virtual admittance model from the human torque applied by the wearer.
로봇관절의 링크에 마련되어 착용자가 가하는 인적토크를 측정하는 토크센서(70);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 외란제거시스템.The method of claim 7,
Disturbance removal system of the wearable robot, characterized in that it further comprises; a torque sensor (70) provided on the link of the robot joint to measure the human torque applied by the wearer.
로봇관절에 마련되어 현재 각속도관련값을 측정하는 회전형 엔코더(32);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착용식 로봇의 외란제거시스템.The method of claim 6,
Disturbance removal system of the wearable robot, characterized in that it further comprises; rotary encoder (32) provided on the robot joint to measure the current angular velocity related value.
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