KR20150142796A - Method and system for controlling elbow of robot - Google Patents

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KR20150142796A KR1020140070964A KR20140070964A KR20150142796A KR 20150142796 A KR20150142796 A KR 20150142796A KR 1020140070964 A KR1020140070964 A KR 1020140070964A KR 20140070964 A KR20140070964 A KR 20140070964A KR 20150142796 A KR20150142796 A KR 20150142796A
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Abstract

Introduced are a system and a method to control a robot elbow. A null space, which uses a virtual straight line from a shoulder joint to a wrist joint as a reference axis, is formed; and a rotational angle of an elbow joint rotated around the reference axis is controlled. The combination of an error rotational angle, which is a difference between a current rotational angle and a target rotation angle, and a target angular velocity is multiplied by an inverse Jacobian matrix with respect to the null space to draw the angular velocity of each joint to control the rotational angle. As such, the present invention is able to express a motion of that of a human.

Description

로봇의 팔꿈치 제어시스템 및 그 제어방법 {METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING ELBOW OF ROBOT}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an elbow control system for a robot,

본 발명은 로봇의 인간 동작 모사를 하기 위하여 여자유도의 동작으로 인간의 동작을 표현할 수 있는 로봇의 팔꿈치 제어시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a robot's elbow control system and its control method capable of expressing a human motion by an excitation operation in order to simulate human motion of the robot.

현재 차량 내 인터페이스 장치로서 관심을 받는 것 중에 하나가 손 동작과 같은 인간의 동작 인식이다. 이러한 장치의 개발에 따라 이들의 객관적 평가를 제시할만한 도구들에 대한 기대 또한 높아지고 있다. 이에 인간의 움직임 인식장치에 대한 평가를 위해 객관적 지표를 제공해 줄 수 있는 로봇을 평가 도구로서 활용한다.One of the objects of interest as an in-vehicle interface device is human motion recognition such as hand motion. With the development of these devices, there is also a growing expectation for tools to present their objective assessment. Therefore, a robot that can provide an objective index for evaluating human motion recognition apparatus is used as an evaluation tool.

사람과 같은 움직임을 모사하기 위해 인간의 팔과 유사한 동작을 취할 수 있는 7자유도의 로봇 팔을 이용하며, 로봇의 손 위치에 해당하는 끝 단의 인간 손 궤적의 추종을 위해 역기구학 풀이 방법인 CLIK(Closed Loop Inverse Kinematics)을 사용한다. CLIK의 참고문헌으로는 "B. Siciliano, L. Sciavicco, S. Chiaverini, P. Chiacchio, L. Villani, F. Caccavale, "Jacobian-based algorithms: a bridge between kinematics and control", Bernie Roth Symposium, Stanford, CA, 2003."와 "Yuan, J. S. "Closed-loop manipulator control using quaternion feedback." Robotics and Automation, IEEE Journal of 4.4, 434-440, 1988."을 들 수 있다.In order to simulate a human-like motion, a robot arm of 7 degrees of freedom which can take an action similar to that of a human arm is used. In order to follow the human hand trajectory corresponding to the hand position of the robot, (Closed Loop Inverse Kinematics). The CLIK reference is "B. Siciliano, L. Sciavicco, S. Chiaverini, P. Chiacchio, L. Villani and F. Caccavale," Jacobian-based algorithms: a bridge between kinematics and control, "Bernie Roth Symposium, Stanford , CA, 2003. "and" Yuan, JS "Closed-loop manipulator control using quaternion feedback." Robotics and Automation, IEEE Journal of 4.4, 434-440, 1988. "

또한, 인간의 팔 움직임과 유사한 동작을 하기 위하여 로봇의 여자유도(Redundancy)에 해당하는 움직임을 주는데, 이는 인간의 팔꿈치 움직임에 해당한다. 이를 제어하기 위하여 영공간(Null space)에서 팔꿈치의 위치 혹은, 각도 입력을 통한 제어방법을 제안한다. 이에 관하여는 "B. Siciliano, L. Sciavicco, S. Chiaverini, P. Chiacchio, L. Villani, F. Caccavale, "Jacobian-based algorithms: a bridge between kinematics and control"와 "Maciejewski, Anthony A., and Charles A. Klein. "Obstacle avoidance for kinematically redundant manipulators in dynamically varying environments." The international journal of robotics research 4.3, 109-117, 1985."을 참고할 수 있다.In addition, in order to perform an action similar to a human arm motion, a motion corresponding to a robot's redundancy is given, which corresponds to a human's elbow motion. In order to control this, we propose a control method through position or angular input of elbow in null space. In this regard, it is noted that "B. Siciliano, L. Sciavicco, S. Chiaverini, P. Chiacchio, L. Villani and F. Caccavale," Jacobian-based algorithms: a bridge between kinematics and control "and" Maciejewski, Charles A. Klein. "Obstacle avoidance for kinematically redundant manipulators in dynamically varying environments." &Quot; The International Journal of Robotics Research 4.3, 109-117, 1985. "

영공간을 통한 팔꿈치의 위치 혹은, 각도 입력을 받기 위해 어깨 부분과 손목 부분 사이에 가상 좌표를 생성하여 기준 좌표로 사용한다. 이 가상 좌표를 기준으로 위치 혹은, 각도 입력으로 팔꿈치를 원하는 곳에 위치시킨다. 기존의 여자유도를 처리하기 위한 방법으로, 각도 제한, 토크 최소화, 장애물 회피 등의 방법을 사용한다. 그러나, 각 목적에 해당하는 함수 여자유도의 움직임을 직관적으로 예측하기가 어렵다. 그렇기 때문에, 인간의 팔 동작을 처리하기 위한 여자유도의 각도 지령을 내리기 위한 기준 좌표를 설정하고 각도 지령을 내리기 위한 방법이 필요하였다.
Virtual coordinates are created between the shoulder part and the wrist part in order to receive the position of the elbow or the angle input through the null space and used as reference coordinates. Position the elbow with the position or angle input based on this virtual coordinate. As a method for processing existing excitation, methods such as angle restriction, torque minimization, and obstacle avoidance are used. However, it is difficult to intuitively predict the motion of the function induction corresponding to each purpose. Therefore, there was a need for a method for setting a reference coordinate for lowering the angle command of the excitation induction and for decreasing the angle command for processing the arm motion of the human.

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.

KR 10-2013-0019922 AKR 10-2013-0019922 A

본 발명은 로봇의 인간 동작 모사를 하기 위하여 여자유도의 동작으로 인간의 동작을 표현할 수 있는 로봇의 팔꿈치 제어시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
An object of the present invention is to provide a robot's elbow control system and its control method capable of expressing a human motion by an excitation operation in order to simulate a human motion of the robot.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇의 팔꿈치 제어방법은, 어깨관절, 팔꿈치관절, 손목관절로 구성된 로봇 팔에 있어서, 어깨관절에서부터 손목관절까지의 가상의 일직선을 기준축으로 하는 영공간(null space)을 형성하고, 기준축을 중심으로 팔꿈치관절이 회전되는 회전각을 제어하되, 현재회전각과 목표회전각의 차이인 오차회전각과 목표회전각속도의 조합을 영공간에 관한 자코비안 의사역행렬과 곱하여 회전각의 제어를 위한 각 관절의 각속도를 도출한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling an elbow of a robot including a shoulder joint, an elbow joint, and a wrist joint. The robot arm includes a virtual space having a virtual straight line from the shoulder joint to the wrist joint, and the rotation angle at which the elbow joint rotates about the reference axis is controlled. The combination of the error rotation angle and the target rotation angular velocity, which are the difference between the current rotation angle and the target rotation angle, is defined as a Jacobian pseudo- And the angular velocity of each joint for controlling the rotation angle is derived.

회전각의 제어를 위한 각 관절의 각속도는 아래의 식으로 도출될 수 있다.The angular velocity of each joint for controlling the rotation angle can be derived by the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

회전각의 회전 중심을 제공하는 기준좌표계의 단위벡터는 아래의 식일 수 있다.The unit vector of the reference coordinate system providing the rotation center of the rotation angle may be expressed by the following equation.

Figure pat00002
Figure pat00002

팔꿈치의 회전각 및 로봇 끝단 위치의 제어가 모두 고려된 로봇의 각 관절의 각속도는 아래의 식으로 도출될 수 있다.The angular velocity of each joint of the robot in which both the rotation angle of the elbow and the control of the robot end position are considered can be derived by the following equation.

Figure pat00003
Figure pat00003

본 발명의 로봇의 팔꿈치 제어시스템은, 베이스, 어깨관절, 팔꿈치관절 및 손목관절; 각 관절에 마련되어 회전운동하는 구동부; 및 어깨관절에서부터 손목관절까지의 가상의 일직선을 기준축으로 하는 영공간(null space)을 형성하고, 기준축을 중심으로 팔꿈치관절이 회전되는 회전각을 제어하되, 현재회전각과 목표회전각의 차이인 오차회전각과 목표회전각속도의 조합을 영공간에 관한 자코비안 의사역행렬과 곱하여 회전각의 제어를 위한 각 관절 구동부의 각속도를 도출하는 제어부;를 포함한다.The robot's elbow control system of the present invention comprises a base, a shoulder joint, an elbow joint and a wrist joint; A drive unit provided at each joint to rotate; And a null space with a virtual straight line from the shoulder joint to the wrist joint is formed and the rotation angle at which the elbow joint is rotated around the reference axis is controlled. The difference between the current rotation angle and the target rotation angle And a control unit for multiplying the combination of the error rotation angle and the target rotation angular velocity with the Jacobian pseudo inverse matrix for the null space to derive the angular speed of each joint drive unit for controlling the rotation angle.

상기 로봇의 팔은 7개의 구동부와 자유도를 갖는다,The arm of the robot has seven actuators and a degree of freedom,

제어부는 회전각의 제어를 위한 각 관절의 각속도를 아래의 식으로 도출할 수 있다.The control unit can derive the angular velocity of each joint for controlling the rotation angle by the following equation.

Figure pat00004
Figure pat00004

제어부는 팔꿈치의 회전각과 로봇 끝단 위치의 제어를 모두 고려하여 최종적인 로봇의 각 관절의 각속도를 아래의 식으로 도출할 수 있다.The control unit can derive the angular velocity of each joint of the robot in the following equation considering both the rotation angle of the elbow and the control of the robot end position.

Figure pat00005

Figure pat00005

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 로봇의 팔꿈치 제어시스템 및 그 제어방법에 따르면, 로봇 팔의 팔꿈치 동작을 인간의 동작에 매우 근사하게 모사할 수 있는 효과가 있다. 여자유도는 각도 제한, 장애물 회피 등의 다양한 목적을 위해 사용된다. 이에 비해 인간다운 팔 모사 동작을 위한 여자유도의 표현은 사람의 팔꿈치 동작에 해당하며, 로봇 구동에 적용하기 위해 각도에 대한 제어가 필요하다. 이를 수행하기 위해 가상의 기준 좌표를 설정하고 기준 좌표에 대한 회전각도 지령을 추종할 수 있는 로봇 팔의 동작 생성 제어 방법을 제공할 수 있게 된다.
According to the elbow control system and control method of the robot having the above-described structure, the elbow motion of the robot arm can be simulated very closely to human motion. Female induction is used for various purposes such as angle limitation and obstacle avoidance. On the other hand, the expression of excitation for human down-arm motion corresponds to the human elbow motion, and it is necessary to control the angle to apply to robot driving. In order to accomplish this, it is possible to provide an operation generation control method of a robot arm that can set virtual reference coordinates and follow a rotation angle command with reference coordinates.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 팔꿈치 제어방법을 설명하기 위한 로봇 팔의 모식도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 팔꿈치 제어시스템을 나타낸 도면.
도 3 내지 4는 도 2에 도시된 로봇의 팔꿈치 제어시스템의 제어과정을 나타내고, 그 결과를 나타낸 도면.
도 5는 실제 본 발명의 로봇의 팔꿈치 제어시스템을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 팔꿈치 제어방법을 설명하기 위한 순서도.1 is a schematic view of a robot arm for explaining a method of controlling an elbow of a robot according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 illustrates a robot's elbow control system according to an embodiment of the present invention. FIG.
Figs. 3 to 4 show control procedures of the elbow control system of the robot shown in Fig. 2, and show the results thereof. Fig.
FIG. 5 is a diagram of a robot's elbow control system of the present invention. FIG.
6 is a flowchart for explaining a method of controlling an elbow of a robot according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 팔꿈치 제어방법을 설명하기 위한 로봇 팔의 모식도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 팔꿈치 제어시스템을 나타낸 도면이며, 도 3 내지 4는 도 2에 도시된 로봇의 팔꿈치 제어시스템의 제어과정을 나타내고, 그 결과를 나타낸 도면이고, 도 5는 실제 본 발명의 로봇의 팔꿈치 제어시스템을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 팔꿈치 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
FIG. 1 is a schematic view of a robot arm for explaining a method of controlling an elbow of a robot according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view of a robot's elbow control system according to an embodiment of the present invention, FIG. 5 is a block diagram of a robot's elbow control system according to the present invention. FIG. 6 is a block diagram of a robot control system according to an embodiment of the present invention. A flowchart for explaining a method of controlling an elbow of a robot.

원하는 위치로 로봇 팔을 위치하게 하기 위해서는 로봇 끝단에 해당하는 작업단의 좌표 지령 값을 명령하게 한다. 이때 사용하는 좌표계는 직교 좌표계를 사용하며, 실제 로봇에서는 그에 해당하는 각 관절의 값으로 변환하여 사용한다. 이때 직교공간(Cartesian space)과 관절공간(Joint space)과의 변환 관계는 기구학 맵핑을 통해 이루어진다.In order to position the robot arm to the desired position, the coordinate command value of the work end corresponding to the robot end is commanded. In this case, the coordinate system used is an orthogonal coordinate system, and in actual robot, the value is converted into the corresponding value of each joint. At this time, the transformation relation between the Cartesian space and the Joint space is performed through the kinematic mapping.

관절공간에서 직교공간으로의 맵핑인 순기구학은 좌표설정관계로 얻을 수 있지만, 그 반대인 직교공간에서 관절공간으로의 맵핑인 역기구학은 순기구학 만큼 쉽지는 않다. 순기구학의 수식을 역으로 풀어 역기구학을 유도할 수 있지만, 유도 방법이 복잡하기 때문에 여기서는 관절공간에서 관절각속도와 직교공간에서 직교좌표속도와의 관계를 나타내는 자코비안(Jacobian)을 사용해서 구현토록 한다.The inverse kinematics, which is the mapping from orthogonal space to joint space, is not as easy as forward kinematics, although the forward kinematics mapping from joint space to orthogonal space can be obtained by coordinate setting relation. We can derive the inverse kinematics by solving the forward kinematic equations in reverse, but since the induction method is complex, we use Jacobian which expresses the relationship between the angular velocity of the joint and the Cartesian coordinate velocity in the orthogonal space. do.

자코비안은 아래 식과 같은 관계를 갖는다.Jacobian has the following relationship.

Figure pat00006
Figure pat00006

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서 자코비안의 관계는 선형적인 관계를 갖기 때문에, 자코비안 역행렬을 이용하여 관절 위치에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 에러를 수렴하는 닫힌 형태로 사용하면, CLIK(Closed Loop Inverse Kinematics)의 수학식 2와 같은 결과를 얻을 수 있다.Since the Jacobian relation has a linear relationship, information on the joint position can be obtained by using the Jacobian inverse matrix, and if it is used in a closed form for converging the error, Equation 2 and Equation 2 of CLIK (Closed Loop Inverse Kinematics) The same result can be obtained.

Figure pat00008
Figure pat00008

상기 식에 대한 유도과정은 아래와 같다.The derivation procedure for the above equation is as follows.

Figure pat00009
Figure pat00009

즉, 이와 같은 관계를 통하여 로봇 팔의 끝단에 대한 목표위치정보의 입력시에는 이에 도달하기 위한 로봇 팔의 각 관절에서의 각속도를 도출할 수 있고, 그 도출된 각 관절의 각속도를 적분하여 각도에 관한 지령을 산출하며 그 각도 지령값으로 각 관절의 구동부를 제어할 경우 로봇의 끝단은 원하는 방향으로 추총될 수 있는 것이다. 다만, 이 경우에도 인간의 팔을 자연스럽게 모사하기 위하여는 추가적인 제어의 개념이 필요한 것이다. 즉, 동일한 지점으로 끝단이 추종하더라도 팔꿈치가 인간이 구현할 수 없는 동작으로 구현되는 것이 가능하기에, 이를 영공간으로 두고 별도의 제어를 통해 각 구동부에 산입토록 할 필요가 있다.
That is, when the target position information is inputted to the end of the robot arm through the above relationship, the angular velocity at each joint of the robot arm to reach the target position information can be derived, and the angular velocity of each derived joint is integrated, And the driving unit of each joint is controlled by the angle command value, the end of the robot can be moved in a desired direction. In this case, however, the concept of additional control is necessary to naturally simulate the human arm. That is, even if the end follows the same point, the elbow can be implemented as an operation that can not be implemented by a human.

구체적으로, 본 발명에 따른 로봇의 팔꿈치 제어방법은, 어깨관절, 팔꿈치관절, 손목관절로 구성된 로봇 팔에 있어서, 어깨관절에서부터 손목관절까지의 가상의 일직선을 기준축으로 하는 영공간(null space)을 형성하고, 기준축을 중심으로 팔꿈치관절이 회전되는 회전각을 제어하되, 현재회전각과 목표회전각의 차이인 오차회전각과 목표회전각속도의 조합을 영공간에 관한 자코비안 의사역행렬과 곱하여 회전각의 제어를 위한 각 관절의 각속도를 도출한다.Specifically, the robot's elbow control method according to the present invention is a robot arm composed of a shoulder joint, an elbow joint, and a wrist joint. The robot arm includes a null space having a hypothetical straight line from the shoulder joint to the wrist joint, And the rotation angle at which the elbow joint rotates about the reference axis is controlled. The combination of the error rotation angle and the target rotation angular velocity, which is the difference between the current rotation angle and the target rotation angle, is multiplied by the Jacobian pseudoinverse of zero space, The angular velocity of each joint for control is derived.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 팔꿈치 제어방법을 설명하기 위한 로봇 팔의 모식도로서, 로봇의 중심에는 베이스가 마련되고, 그로부터 각 구동부를 통해 관절이 연결된다. 도 1 은 이를 간단히 나타낸 것으로서, 실제 로봇의 경우 7자유도를 갖는 도 2와 같은 형태이다.FIG. 1 is a schematic view of a robot arm for explaining a method of controlling an elbow of a robot according to an embodiment of the present invention. A base is provided at the center of the robot, and joints are connected through the respective actuators. FIG. 1 is a simplified view of the robot, and FIG.

도 1과 같이 베이스, 어깨, 팔굼치에는 각각 관절이 가정되고, 각각 기준 좌표계를 갖는다. 여기서, J(q)의 경우에는 베이스로부터 로봇의 끝단까지의 관계를 자코비안 행렬로 정리한 것이고, Jo(q)의 경우에는 어깨부터 손목까지를 연결하는 가상 지점의 자코비안 행렬을 말한다.As shown in Fig. 1, joints are assumed in the base, shoulder, and elbow, respectively, and each has a reference coordinate system. In the case of J (q), the relation between the base and the end of the robot is summarized by Jacobian matrix. In case of J o (q), it is a Jacobian matrix of virtual point connecting shoulder to wrist.

즉, 팔꿈치의 인간 동작 모사를 위해서는 어깨부터 손목을 이어주는 지점 사이에서 끝단의 제어를 위해 필요한 동작은 아니지만, 팔꿈치가 인간처럼 자연스럽게 회전되는 양상을 띄도록 제어할 필요가 있다. 어깨와 손목은 고정한 상태로 그 어깨와 손목을 이어주는 가성의 직선을 기준으로 팔꿈치를 회전시킨다고 가정해보면 쉽게 이해될 것이다. 인간의 경우 관절각의 제한이 있지만, 로봇은 그렇지 않아 만약 끝단의 제어만을 수행한다면 매우 이상한 형상으로 팔꿈치가 위치될 수도 있기 때문이다.
In other words, in order to simulate the human motion of the elbow, it is not necessary to control the end between the shoulder and the wrist, but it is necessary to control the elbow to be rotated like a human being. Assuming that the shoulders and wrists are fixed and rotate their elbows based on the straight line of caustic that connects their shoulders and wrists, it will be easy to understand. In humans, there is a limitation of the joint angle, but the robot is not, because if the control of the end is carried out only, the elbow may be placed in a very strange shape.

이러한 팔꿈치의 제어를 위하여, 어깨관절에서부터 손목관절까지의 가상의 일직선을 기준축으로 하는 영공간(null space)을 형성한다. 그리고 그와 같이 정의된 기준축을 중심으로 팔꿈치관절이 회전되는 회전각을 제어하는 것이다.For the control of the elbow, a null space is formed with a virtual straight line from the shoulder joint to the wrist joint as a reference axis. And controlling the rotation angle of the elbow joint about the reference axis thus defined.

회전각의 경우, 현재회전각과 목표회전각의 차이인 오차회전각과 목표회전각속도의 조합을 영공간에 관한 자코비안 의사역행렬과 곱하여 회전각의 제어를 위한 각 관절의 각속도를 도출한다. 즉, 회전각의 제어를 위한 각 관절의 각속도는 아래의 식으로 도출될 수 있다.In the case of the rotational angle, the angular velocity of each joint for controlling the rotational angle is derived by multiplying the combination of the error rotation angle and the target rotation angular velocity, which is the difference between the current rotation angle and the target rotation angle, with the Jacobian pseudoinverse of zero space. That is, the angular velocity of each joint for controlling the rotation angle can be derived by the following equation.

Figure pat00010
Figure pat00010

즉, 상기 수식과 같이 목표회전각속도에 가상선의 단위벡터를 곱하고, 이를 오차회전각과 이득의 곱과 더한 후, 이를 자코비안 의사역행렬과 곱하여 각 관절에서의 회전각속도를 도출하는 것이다. That is, the target rotational angular velocity is multiplied by the unit vector of the imaginary line, multiplied by the product of the error rotation angle and the gain, and then multiplied by the Jacobian pseudoinverse matrix to derive the rotational angular velocity at each joint as described above.

위치벡터 x에서 회전정보를 주기 위해서는 다양한 회전표현방법이 있지만, 특이점(Singularity)이 없는 사원수(Quaternion)를 사용한다. 사원수는 오일러 각 표현에 비해 직관적인 표현방법은 아니지만, 사원수가 갖고 있는 특이점을 회피하여 사용할 수 있으며, 오일러 각 표현으로 명령을 주되 사원수로 변환하여 내부계산에 사용하면 명령의 편의성을 만족할 수 있다.There are various ways of expressing the rotation in order to give the rotation information in the position vector x, but the quaternion with no singularity is used. The number of employees is not an intuitive way of expression compared to Euler expressions, but it can be used by avoiding the singularities possessed by the number of employees. have.

사원수는 Q={η,ε}와 같이 표현되며, η와 ε은 각각, 사원수에서 사용하는 스칼라 부분과 벡터 부분에 해당한다. 회전 오차에 대한 행렬표현을 사원수로 변환한 후, 사원수의 벡터 부분을 사용하면 다음과 같이 회전오차 부분을 표현한다.The number of employees is expressed as Q = {η, ε}, where η and ε correspond to the scalar part and the vector part, respectively, used in the employee number. After converting the matrix representation of the rotation error to the number of employees and using the vector part of the number of employees, the rotation error part is expressed as follows.

Figure pat00011
Figure pat00011

자코비안은 J=[Jp,Jo]T와 같이 표현되며, Jp,Jo는 각각, 위치와 회전에 관한 자코비안 행렬이다. 회전 오차는 eo=εo와 같이 표현하며, εo는 회전오차로 표현되는 행렬 RdRe T의 사원수로 변환한 벡터부분에 해당한다. Rd는 작업단의 회전 값 지령에 해당하는 회전행렬이며, Re는 작업단의 현재 회전 값에 해당하는 회전행렬이다. 이러한 원리를 이용하여 상기 수학식 5의 경우 영공간에서의 회전에 관하여 수학식 4와 같이 표현될 수 있는 것이다.
Jacobian is expressed as J = [J p , J o ] T, and J p and J o are Jacobian matrices about position and rotation, respectively. The rotation error is expressed as e o = ε o, and ε o corresponds to the vector portion converted to the number of employees of the matrix R d R e T , which is expressed by the rotation error. R d is a rotation matrix corresponding to the rotation value command of the work end, and R e is a rotation matrix corresponding to the current rotation value of the work end. Using this principle, Equation (5) can be expressed as Equation (4) with respect to rotation in the null space.

한편, 제어부는 팔꿈치의 회전각과 로봇 끝단 위치의 제어를 모두 고려하여 최종적인 로봇의 각 관절의 각속도를 아래의 식으로 도출할 수 있다.Meanwhile, the control unit can derive the angular velocity of each joint of the robot in the following equation considering both the rotation angle of the elbow and the control of the robot end position.

Figure pat00012
Figure pat00012

즉, 상기 수식에서 좌측 항의 경우 끝단을 제어할 때의 각 관절에 요구되는 관절의 각속도를 구하기 위한 부분이며, 우측 항의 경우 앞서 수학식 4에서 도출된 각속도 qo를 대입하여 영공간에서의 팔꿈치의 제어를 위한 각 관절에 요구되는 각속도를 구하기 위한 부분이다. 따라서, 이러한 과정을 통해 사용자는 로봇 끝단의 목표위치, 인간 모사에 필요한 팔꿈치의 목표회전각과 회전각속도를 대입하여 원하는 방향으로 로봇을 제어하되 인간을 모사하며 이동할 수 있도록 제어가 가능해지는 것이다. 참고로, 상기 수식의 우측 항"

Figure pat00013
"은 영공간(Null space)에서 Null motion 에 해당하는 위치 값을 유도한 것으로서, "Modeling and control of robot manipulators, L.sciavicco, springer, 97~98p, redundant of manipulators"에 소개되어 있다.
That is, in the case of the left term in the above equation, the angular velocity of the joint required for each joint at the time of controlling the end is obtained. In the right term, the angular velocity q o derived from the equation (4) It is a part to obtain angular velocity required for each joint for control. Thus, through this process, the user can control the robot in the desired direction by substituting the target position of the robot end, the target rotation angle and the rotation angular velocity of the elbow required for the human simulation, but can control the robot to move and simulate the human being. For reference, the right side of the above expression "
Figure pat00013
"Is a derivation of positional values corresponding to null motion in null space, and is introduced in" Modeling and control of robot manipulators, L.sciavicco, springer, 97-98p, redundant of manipulators ".

그리고, 도 1과 같이, 회전각의 회전 중심을 제공하는 기준좌표계의 단위벡터는 아래의 식일 수 있다.1, the unit vector of the reference coordinate system that provides the rotation center of the rotation angle may be expressed by the following equation.

Figure pat00014
Figure pat00014

도 3 내지 4는 도 2에 도시된 로봇의 팔꿈치 제어시스템의 제어과정을 나타내고, 그 결과를 나타낸 도면으로서, 위의 여자유도의 동작을 확인하기 위해서 다음과 같이 실제 로봇 형상의 모의실험을 통해 확인하였다. 실험툴은 Simlab 사의 로보틱스 실험툴인 RoboticsLab 을 사용하였다. 모델은 Schunk 사의 LWA4 모델을 사용하였다. 현재 이 모델은 7 자유도를 가지며, 사람과 유사한 형태의 팔 구조로 이루어져있다.FIGS. 3 to 4 show the control process of the elbow control system of the robot shown in FIG. 2, and show the results. In order to confirm the operation of excitation induction described above, Respectively. The experiment tool was RoboticsLab, a robotics experiment tool of Simlab. The model used was Schunk's LWA4 model. At present, this model has 7 degrees of freedom and is made up of a human-like form of arm structure.

실험은 작업 단이 고정된 상태에서 팔꿈치 움직임의 동작을 입력하였을 때 변하는 상태를 확인하였다. 왼팔의 초기 위치는 (0.3 0.2 -0.3)[m]이며 각도는 zyx 오일러각 표현을 사용하여 (0 0 90)[deg]이다. 이 자세에서 팔꿈치의 가상의 기준좌표를 기준으로 0[deg]로 시작하여 -90[deg]까지 움직일 경우에 대한 실험을 진행하였다. 도 3은 왼팔 팔꿈치의 거동을 0.5[sec] 간격으로 동작하는 시뮬레이션 결과를 나타내며, 이때의 각 관절 값은 도 4와 같다. 도 4의 그래프는 순차적으로 모터 1~7의 각도변화를 나타낸다.
The experiment confirmed the state of change when the operation of the elbow motion was inputted while the work end was fixed. The initial position of the left arm is (0.3 0.2 -0.3) [m] and the angle is (0 0 90) [deg] using the zyx Euler angle representation. In this posture, the experiment was carried out when starting from 0 [deg] to -90 [deg] based on the imaginary reference coordinates of the elbow. FIG. 3 shows a result of a simulation in which the behavior of the left arm elbow is operated at an interval of 0.5 [sec], and each joint value at this time is shown in FIG. The graph of Fig. 4 shows the angular change of the motors 1 to 7 sequentially.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 로봇의 팔꿈치 제어시스템 및 그 제어방법에 따르면, 로봇 팔의 팔꿈치 동작을 인간의 동작에 매우 근사하게 모사할 수 있는 효과가 있다. 여자유도는 각도 제한, 장애물 회피 등의 다양한 목적을 위해 사용된다. 이에 비해 인간다운 팔 모사 동작을 위한 여자유도의 표현은 사람의 팔꿈치 동작에 해당하며, 로봇 구동에 적용하기 위해 각도에 대한 제어가 필요하다. 이를 수행하기 위해 가상의 기준 좌표를 설정하고 기준 좌표에 대한 회전각도 지령을 추종할 수 있는 로봇 팔의 동작 생성 제어 방법을 제공할 수 있게 된다.
According to the elbow control system and control method of the robot having the above-described structure, the elbow motion of the robot arm can be simulated very closely to human motion. Female induction is used for various purposes such as angle limitation and obstacle avoidance. On the other hand, the expression of excitation for human down-arm motion corresponds to the human elbow motion, and it is necessary to control the angle to apply to robot driving. In order to accomplish this, it is possible to provide an operation generation control method of a robot arm that can set virtual reference coordinates and follow a rotation angle command with reference coordinates.

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.

Claims (8)

어깨관절, 팔꿈치관절, 손목관절로 구성된 로봇 팔에 있어서, 어깨관절에서부터 손목관절까지의 가상의 일직선을 기준축으로 하는 영공간(null space)을 형성하고, 기준축을 중심으로 팔꿈치관절이 회전되는 회전각을 제어하되,
현재회전각과 목표회전각의 차이인 오차회전각과 목표회전각속도의 조합을 영공간에 관한 자코비안 의사역행렬과 곱하여 회전각의 제어를 위한 각 관절의 각속도를 도출하는 로봇의 팔꿈치 제어방법.In a robot arm composed of shoulder joints, elbow joints and wrist joints, a null space is formed with a virtual straight line from the shoulder joint to the wrist joint as a reference axis, and a rotation in which the elbow joint is rotated about the reference axis Control the angle,
A method of controlling an elbow of a robot for multiplying a combination of an error rotation angle and a target rotation angular velocity, which is a difference between a current rotation angle and a target rotation angle, with a Jacobian pseudoinverse of zero space to derive the angular velocity of each joint for controlling the rotation angle. 청구항 1에 있어서,
회전각의 제어를 위한 각 관절의 각속도는 아래의 식으로 도출되는 것을 특징으로 하는 로봇의 팔꿈치 제어방법.
Figure pat00015
The method according to claim 1,
Wherein the angular velocity of each joint for controlling the rotation angle is derived by the following equation.
Figure pat00015
 청구항 1에 있어서,
회전각의 회전 중심을 제공하는 기준좌표계의 단위벡터는 아래의 식인 것을 특징으로 하는 로봇의 팔꿈치 제어방법.
Figure pat00016
The method according to claim 1,
Wherein the unit vector of the reference coordinate system providing the rotation center of the rotation angle is expressed by the following equation.
Figure pat00016
 청구항 1에 있어서,
팔꿈치의 회전각 및 로봇 끝단 위치의 제어가 모두 고려된 로봇의 각 관절의 각속도는 아래의 식으로 도출되는 것을 특징으로 하는 로봇의 팔꿈치 제어방법.
Figure pat00017
The method according to claim 1,
Wherein the angular velocity of each joint of the robot in which both the rotation angle of the elbow and the control of the robot end position is taken into account is derived by the following equation.
Figure pat00017
 베이스, 어깨관절, 팔꿈치관절 및 손목관절;
각 관절에 마련되어 회전운동하는 구동부; 및
어깨관절에서부터 손목관절까지의 가상의 일직선을 기준축으로 하는 영공간(null space)을 형성하고, 기준축을 중심으로 팔꿈치관절이 회전되는 회전각을 제어하되, 현재회전각과 목표회전각의 차이인 오차회전각과 목표회전각속도의 조합을 영공간에 관한 자코비안 의사역행렬과 곱하여 회전각의 제어를 위한 각 관절 구동부의 각속도를 도출하는 제어부;를 포함하는 로봇의 팔꿈치 제어시스템.Base, shoulder joints, elbow joints and wrist joints;
A drive unit provided at each joint to rotate; And
A null space having a virtual straight line from the shoulder joint to the wrist joint is formed and a rotation angle at which the elbow joint is rotated around the reference axis is controlled. The error, which is the difference between the current rotation angle and the target rotation angle And a control unit for multiplying the combination of the rotational angle and the target rotational angular velocity with the Jacobian pseudo inverse of the zero space to derive an angular velocity of each joint driving unit for controlling the rotational angle. 청구항 5에 있어서,
상기 로봇의 팔은 7개의 구동부와 자유도를 갖는 것을 특징으로 하는 로봇의 팔꿈치 제어시스템.The method of claim 5,
Wherein the arm of the robot has seven actuators and a degree of freedom. 청구항 5에 있어서,
제어부는 회전각의 제어를 위한 각 관절의 각속도를 아래의 식으로 도출하는 것을 특징으로 하는 로봇의 팔꿈치 제어시스템.
Figure pat00018
The method of claim 5,
Wherein the control unit derives the angular velocity of each joint for controlling the rotation angle in the following manner.
Figure pat00018
 청구항 5에 있어서,
제어부는 팔꿈치의 회전각과 로봇 끝단 위치의 제어를 모두 고려하여 최종적인 로봇의 각 관절의 각속도를 아래의 식으로 도출하는 것을 특징으로 하는 로봇의 팔꿈치 제어시스템.
Figure pat00019
The method of claim 5,
Wherein the control unit derives the angular velocity of each joint of the robot in the following equation in consideration of both the rotation angle of the elbow and the control of the position of the robot end.
Figure pat00019
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