KR20160082848A - Mechanical structure operating system and method using an aerial manipulator - Google Patents

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KR20160082848A
KR20160082848A KR1020140192454A KR20140192454A KR20160082848A KR 20160082848 A KR20160082848 A KR 20160082848A KR 1020140192454 A KR1020140192454 A KR 1020140192454A KR 20140192454 A KR20140192454 A KR 20140192454A KR 20160082848 A KR20160082848 A KR 20160082848A
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김현진
김수성
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서울대학교산학협력단
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Abstract

Disclosed are a mechanical structure operating system and method using an aerial manipulator. The mechanical structure operating system using an aerial manipulator, where a robot arm is attached to a multi rotor, comprises: a position acquisition part which acquires the position information with respect to an aerial manipulator; an end effector speed estimation part which estimates the speed of an end effector installed in the end of the robot arm from the position information; a filter which estimates the moving direction of the mechanical structure using the speed of the end effector; and a controller which calculates the thrust and moment of the multi rotor by corresponding to the estimated moving direction to control the multi rotor.

Description

비행 매니퓰레이터를 이용한 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템 및 방법{Mechanical structure operating system and method using an aerial manipulator}Technical Field [0001] The present invention relates to a mechanical structure operating system and a method of operating an aerial manipulator using a flight manipulator,

본 발명은 비행 매니퓰레이터를 이용한 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a system and method for operating a mechanical structure using a flight manipulator.

일반적으로 항공기는 지표면에 대한 공기의 반작용으로 대기 중에서 지지력을 획득할 수 있는 기계를 의미한다. In general, an aircraft is a machine that can acquire bearing capacity in the atmosphere by the reaction of air to the surface.

항공기 중에서 무인기(UAV, Unmanned Aerial Vehicle)는 조종사가 탑승하지 않는 항공기로서, 최근 군사 분야뿐만 아니라 민간 분야에서도 많은 주목을 끌고 있다. 대표적인 무인기로는 쿼드로터(quadrotor)가 있는데, 수직 이착륙이 가능한 회전익 무인기의 한 종류이다. Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is a non-pilot aircraft that has attracted much attention in the civilian field as well as the military in recent years. A typical quadrotor is a quadrotor, which is a type of rotary wing UAV that can take off and land vertically.

무인기는 전쟁터, 재난지역과 같이 위험환경에서도 효율적이면서도 효과적으로 다양한 임무 수행을 할 수 있어, 감시, 정찰, 탐사, 운송 등과 같은 임무를 위해 광범위하게 사용되고 있다. UAVs are used extensively for missions such as surveillance, reconnaissance, exploration, and transport, because they can perform various tasks effectively and effectively in dangerous environments such as battlefields and disaster areas.

한국등록특허 제10-1472392호에는 무인항공기가 지상통제장비로부터 전송받은 DGPS정보를 이용하여 정확한 위치정보를 획득한 후 비행자세제어를 정밀하게 수행함으로써, 무인항공기에 대한 자세제어를 포함한 자동 이착륙과정을 실제 지상활주로에 맞게 안정적으로 수행할 수 있으므로 그에 따라 비행안전성을 극대화시키는 무인기시스템이 개시되어 있다. Korean Patent No. 10-1472392 discloses an automatic takeoff and landing process including a posture control for an unmanned airplane by acquiring accurate position information by using the DGPS information transmitted from the ground control device by the unmanned airplane, To the ground runway in accordance with the actual landing course, thereby maximizing flight safety.

최근에는 무인기에 대해 3차원 작업영역에서 광역 접근을 가능하게 하는 우수한 이동성에 기인한 이동식 조작 작업을 통해 다양한 임무에서 수행될 수 있도록 하기 위한 연구가 수행되고 있다. In recent years, studies are being conducted to enable various operations to be carried out through the mobile manipulation operation due to excellent mobility enabling wide area access in the 3D working area for UAV.

하지만, 조작 작업을 위해 로봇팔을 구비하게 되는 경우 현존하는 기구적 구조물과 상호작용하는 과정에서는 목표지점으로의 비행자세 제어와는 차별화되는 움직임 제어가 요구되고 있다. However, in the process of interacting with an existing mechanical structure in a case where a robot arm is provided for an operation operation, a motion control different from a flight attitude control to a target point is required.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
The above-described background technology is technical information that the inventor holds for the derivation of the present invention or acquired in the process of deriving the present invention, and can not necessarily be a known technology disclosed to the general public prior to the filing of the present invention.

한국등록특허 제10-1472392호Korean Patent No. 10-1472392

본 발명은 로봇팔이 결합된 무인기인 비행 매니퓰레이터(aerial manipulator)가 현실 환경에서 실용적인 애플리케이션을 위한 다목적 로봇 플랫폼이 되도록, 문 혹은 서랍과 같은 현존하는 기구적 구조물과 상호작용 할 수 있도록 하는 비행 매니퓰레이터를 이용한 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention relates to a flight manipulator that allows an aerial manipulator with a robot arm coupled to be able to interact with an existing mechanical structure such as a door or drawer to be a versatile robot platform for practical applications in a realistic environment And to provide a system and method for operating a mechanical structure.

본 발명은 이동 방향과 기구적 특성이 사전에 제공되지 않은 미지의 서랍과의 상호작용을 분석하여 동적 특성이 모델링되고, 서랍으로 원하는 힘을 가할 수 있는 비행 매니퓰레이터를 이용한 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention relates to a mechanical structure operating system and method using a flight manipulator capable of analyzing the interaction with an unknown drawer in which a moving direction and mechanical characteristics are not previously provided, .

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
Other objects of the present invention will become readily apparent from the following description.

본 발명의 일 측면에 따르면, 멀티로터에 로봇팔이 부착된 비행 매니퓰레이터를 이용하여 기구적 구조물을 오퍼레이팅하는 장치로서, 상기 비행 매니퓰레이터에 관한 위치정보를 획득하는 위치 휙득부; 상기 위치정보로부터 상기 로봇팔의 끝단에 설치된 엔드 이펙터의 속도를 추정하는 엔드 이펙터 속도 추정부; 상기 엔드 이펙터의 속도를 이용하여 상기 기구적 구조물의 이동 방향을 추정하는 방향 필터; 및 추정된 상기 이동 방향에 상응하여 상기 멀티로터의 추력 및 모멘트를 산출하여 상기 멀티로터를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 오퍼레이팅 장치가 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for operating a mechanical structure using a flight manipulator having a robot arm attached to a multi-rotor, the apparatus comprising: a position detector for obtaining position information on the flight manipulator; An end effector speed estimator estimating a speed of an end effector installed at an end of the robot arm from the position information; A direction filter for estimating a moving direction of the mechanical structure using the velocity of the end effector; And a controller for controlling the multi-rotor by calculating a thrust and a moment of the multi-rotor in accordance with the estimated movement direction.

상기 위치정보는 상기 멀티로터의 위치 및 자세, 상기 비행 매니퓰레이터의 위치, 상기 엔드 이펙터의 위치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The position information may include at least one of a position and an attitude of the multi-rotor, a position of the flight manipulator, and a position of the end effector.

상기 기구적 구조물은 이동 방향이 제한적으로 허용되는 기구적 제한을 가질 수 있다.The mechanical structure may have mechanical limitations in which the direction of movement is limited.

상기 기구적 구조물은 상기 이동 방향과 상기 기구적 구조물의 기구적 특성이 사전에 제공되지 않는 미지의 구조물일 수 있다.The mechanical structure may be an unknown structure in which the moving direction and mechanical characteristics of the mechanical structure are not previously provided.

상기 엔드 이펙터의 속도를 이용하여 상기 기구적 구조물을 미리 지정된 이상적인 속도로 이동시키는 이상력(desired force)을 설정하는 이상력 설정부; 및 상기 이상력과 상기 엔드 이펙터의 위치를 이용하여 상기 엔드 이펙터의 궤도를 설정하는 엔드 이펙터 설정부를 더 포함할 수 있다.An ideal force setting unit that sets a desired force to move the mechanical structure at a predetermined ideal speed using the speed of the end effector; And an end effector setting unit for setting the trajectory of the end effector using the abnormal force and the position of the end effector.

상기 비행 매니퓰레이터는 연결 부위(joint)가

Figure pat00001
축에 대해 회전하는 로봇팔을 가지고 있으며, 상기 엔드 이펙터는 상기 멀티로터의 질량 중심에 위치하는 프레임
Figure pat00002
Figure pat00003
평면(
Figure pat00004
)에서 움직이도록 허용될 수 있다.The flight manipulator has a joint
Figure pat00001
The end effector having a robot arm rotatable about an axis, the end effector including a frame positioned at the center of mass of the multi-
Figure pat00002
of
Figure pat00003
plane(
Figure pat00004
). ≪ / RTI >

상기 방향 필터는 다음 수학식에 따라 상기 기구적 구조물의 이동 방향을 추정할 수 있다.The directional filter can estimate the direction of movement of the mechanical structure according to the following equation.

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서,

Figure pat00006
는 상기 기구적 구조물의 이동 방향이고,
Figure pat00007
는 상기 방향 필터의 대역폭을 결정하는 파라미터이고,
Figure pat00008
는 상기 엔드 이펙터의 속도이다.here,
Figure pat00006
Is the moving direction of the mechanical structure,
Figure pat00007
Is a parameter for determining the bandwidth of the directional filter,
Figure pat00008
Is the velocity of the end effector.

상기 방향 필터는 다음 수학식에 따라 상기 이동 방향을 변환하여 상기 컨트롤러에서 이용되도록 할 수 있다.The directional filter can be used in the controller by converting the direction of movement according to the following equation.

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서,

Figure pat00010
는 상기 기구적 구조물의 이상적인 요(yaw) 각도이다.here,
Figure pat00010
Is an ideal yaw angle of the mechanical structure.

상기 엔드 이펙터 설정부는 상기 멀티로터에 작용하는 모멘트

Figure pat00011
를 감소하는 방향으로 상기 엔드 이펙터가 이동되도록 하며, 하기 수학식에 따른 상기 엔드 이펙터의 최적 위치를 안내할 수 있다.Wherein the end effector setting unit sets a moment acting on the multi-rotor
Figure pat00011
So that the end effector can be guided to the optimal position according to the following equation.

Figure pat00012
Figure pat00012

여기서,

Figure pat00013
는 상기 엔드 이펙터의 현재 위치이며,
Figure pat00014
는 가중 파라미터이고,
Figure pat00015
는 상기 로봇팔의 작업영역에 대한 사용자 정의 부분집합이다.
here,
Figure pat00013
Is the current position of the end effector,
Figure pat00014
Is a weighting parameter,
Figure pat00015
Is a user-defined subset of the working area of the robotic arm.

한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 멀티로터에 로봇팔이 부착된 비행 매니퓰레이터를 이용하여 기구적 구조물을 오퍼레이팅하는 방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of operating a mechanical structure using a flight manipulator having a robot arm attached to a multi-rotor, and a recording medium on which a program for performing the method is recorded.

일 실시예에 따른 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법은, 상기 비행 매니퓰레이터에 관한 위치정보를 획득하는 단계; 상기 위치정보로부터 상기 로봇팔의 끝단에 설치된 엔드 이펙터의 속도를 추정하는 단계; 상기 엔드 이펙터의 속도를 이용하여 상기 기구적 구조물의 이동 방향을 추정하는 단계; 및 추정된 상기 이동 방향에 상응하여 상기 멀티로터의 추력 및 모멘트를 산출하여 상기 멀티로터를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment, there is provided a method of operating a mechanical structure, comprising: obtaining positional information on the flight manipulator; Estimating a velocity of an end effector installed at an end of the robot arm from the position information; Estimating a moving direction of the mechanical structure using the speed of the end effector; And controlling the multi-rotor by calculating a thrust and a moment of the multi-rotor according to the estimated movement direction.

상기 엔드 이펙터의 속도를 이용하여 상기 기구적 구조물을 미리 지정된 이상적인 속도로 이동시키는 이상력(desired force)을 설정하는 단계; 및 상기 이상력과 상기 엔드 이펙터의 위치를 이용하여 상기 엔드 이펙터의 궤도를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.Setting a desired force to move the mechanical structure at a predetermined ideal speed using the speed of the end effector; And setting the trajectory of the end effector using the anomaly and the position of the end effector.

상기 이동 방향 추정 단계는 다음 수학식에 따라 상기 기구적 구조물의 이동 방향을 추정할 수 있다.The moving direction estimating step may estimate the moving direction of the mechanical structure according to the following equation.

Figure pat00016
Figure pat00016

여기서,

Figure pat00017
는 상기 기구적 구조물의 이동 방향이고,
Figure pat00018
는 상기 방향 필터의 대역폭을 결정하는 파라미터이고,
Figure pat00019
는 상기 엔드 이펙터의 속도이다.here,
Figure pat00017
Is the moving direction of the mechanical structure,
Figure pat00018
Is a parameter for determining the bandwidth of the directional filter,
Figure pat00019
Is the velocity of the end effector.

상기 이동 방향 추정 단계는 다음 수학식에 따라 상기 이동 방향을 변환하여 상기 컨트롤러에서 이용되도록 할 수 있다.The moving direction estimating step may convert the moving direction according to the following equation to be used in the controller.

Figure pat00020
Figure pat00020

여기서,

Figure pat00021
는 상기 기구적 구조물의 이상적인 요(yaw) 각도이다.here,
Figure pat00021
Is an ideal yaw angle of the mechanical structure.

상기 엔드 이펙터 궤도 설정 단계는 상기 멀티로터에 작용하는 모멘트

Figure pat00022
를 감소하는 방향으로 상기 엔드 이펙터가 이동되도록 하며, 하기 수학식에 따른 상기 엔드 이펙터의 최적 위치를 안내할 수 있다.The end effector trajectory setting step may include setting a moment acting on the multi-rotor
Figure pat00022
So that the end effector can be guided to the optimal position according to the following equation.

Figure pat00023
Figure pat00023

여기서,

Figure pat00024
는 상기 엔드 이펙터의 현재 위치이며,
Figure pat00025
는 가중 파라미터이고,
Figure pat00026
는 상기 로봇팔의 작업영역에 대한 사용자 정의 부분집합이다.here,
Figure pat00024
Is the current position of the end effector,
Figure pat00025
Is a weighting parameter,
Figure pat00026
Is a user-defined subset of the working area of the robotic arm.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
Other aspects, features, and advantages will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.

본 발명의 실시예에 따르면, 로봇팔이 결합된 무인기인 비행 매니퓰레이터가 현실 환경에서 실용적인 애플리케이션을 위한 다목적 로봇 플랫폼이 되도록, 문 혹은 서랍과 같은 현존하는 기구적 구조물과 상호작용 할 수 있도록 하는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, an effect of enabling a flight manipulator with a robot arm coupled to a robot to interact with an existing mechanical structure, such as a door or a drawer, to be a multi-purpose robot platform for practical applications in a real- have.

또한, 이동 방향과 기구적 특성이 사전에 제공되지 않은 미지의 서랍과의 상호작용을 분석하여 동적 특성이 모델링되고, 서랍으로 원하는 힘을 가할 수 있는 효과가 있다.
In addition, the dynamic characteristics are modeled by analyzing the interaction with the unknown drawer in which the moving direction and the mechanical characteristic are not provided in advance, and the desired force can be applied to the drawer.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 매니퓰레이터를 이용한 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템의 구성 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 매니퓰레이터를 이용한 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법의 순서도.
도 3은 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템에 적용되는 좌표 프레임을 나타낸 도면,
도 4는 외력이

Figure pat00027
평면의 법선벡터(normal vector)에 수직하도록 변환하는 모습을 나타낸 도면,
도 5는 로봇팔의 작업영역(workspace)을 나타낸 도면,
도 6은 서랍 열기 모드 동안의 히스토리 그래프,
도 7은 서랍 닫기 모드 동안의 히스토리 그래프,
도 8는 다양한 서랍 방향에 따른 실험 스냅샷. 1 is a block diagram of a mechanical structure operating system using a flight manipulator according to an embodiment of the present invention;
2 is a flowchart of a method of operating a mechanical structure using a flight manipulator according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows a coordinate frame applied to an operating system of a mechanical structure,
Fig.
Figure pat00027
A plane perpendicular to a normal vector,
5 is a view showing a workspace of the robot arm,
Figure 6 shows a history graph during drawer open mode,
Figure 7 shows a history graph during the drawer close mode,
Figure 8 is an experimental snapshot of various drawer orientations.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Also, the terms " part, "" module," and the like, which are described in the specification, mean a unit for processing at least one function or operation, and may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.It is to be understood that the components of the embodiments described with reference to the drawings are not limited to the embodiments and may be embodied in other embodiments without departing from the spirit of the invention. It is to be understood that although the description is omitted, multiple embodiments may be implemented again in one integrated embodiment.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 매니퓰레이터를 이용한 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템의 구성 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행 매니퓰레이터를 이용한 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법의 순서도이다. FIG. 1 is a block diagram of a mechanical structure operating system using a flight manipulator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flowchart of a method of operating a mechanical structure using a flight manipulator according to an embodiment of the present invention.

도 1에는 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템(1), 비행 매니퓰레이터(10), 멀티로터(12), 로봇팔(14), 오퍼레이팅 장치(100), 위치 획득부(110), 엔드 이펙터 속도 추정부(120), 방향 필터(130), 컨트롤러(140), 이상력 설정부(150), 엔드 이펙터 설정부(160)가 도시되어 있다. FIG. 1 is a block diagram showing the structure of a mechanical structure operating system 1, a flight manipulator 10, a multi-rotor 12, a robot arm 14, an operating device 100, a position acquiring unit 110, A direction filter 130, a controller 140, an ideal force setting unit 150, and an end effector setting unit 160 are shown.

본 실시예에 따른 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템(1)은 로봇팔(14)이 장착된 멀티로터(12)로 이루어진 비행 매니퓰레이터(10)를 이용하여 문 혹은 서랍과 같이 이동 방향이 제한적으로 허용되는 미지의 기구적 구조물에 대해 사전 지식 없이 조작이 가능하도록 하고 있다. The mechanical structure operating system 1 according to the present embodiment uses the fly manipulator 10 composed of the multi-rotor 12 equipped with the robot arm 14, And it is possible to operate without any prior knowledge about the mechanical structure of the machine.

이하에서는 발명의 이해와 설명의 편의를 위해 조작 대상이 되는 기구적 구조물이 오직 일방향으로만 움직임이 허용되는 기구적 제한이 있는 서랍인 경우를 가정하여 설명하기로 한다. 여기서, 실용적인 애플리케이션 적용을 위해, 서랍의 이동 방향과 서랍의 기구적 특성(예를 들면, 질량(mass), 스프링, 댐퍼, 윤활유 상태 등)은 사전에 제공되지 않는 것으로 가정한다. Hereinafter, for convenience of understanding and explanation of the invention, it is assumed that the mechanical structure to be operated is a drawer having mechanical limitations in which movement is allowed only in one direction. Here, for practical application, it is assumed that the moving direction of the drawer and the mechanical characteristics of the drawer (for example, mass, spring, damper, lubricant state, etc.) are not provided in advance.

본 실시예에 따른 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템(1)은 비행 매니퓰레이터(10) 및 오퍼레이팅 장치(100)를 기본 골격으로 포함하고 있다.The mechanical structure operating system 1 according to the present embodiment includes the flight manipulator 10 and the operating device 100 as a basic framework.

비행 매니퓰레이터(10)는, 수직 이착륙이 가능한 멀티로터(12)와, 멀티로터(12)에 장착되어 기구적 구조물에 조작을 위한 힘을 가하는 로봇팔(14)을 포함한다. 여기서, 로봇팔(14)은 다자유도(multiple degree of freedom)로 구현될 수 있다. The flight manipulator 10 includes a multi-rotor 12 capable of vertical take-off and landing and a robot arm 14 mounted on the multi-rotor 12 and exerting a force on the mechanical structure for operation. Here, the robot arm 14 may be implemented with multiple degrees of freedom.

로봇팔(14)의 끝단에는 서랍을 조작하기 위해 서랍 손잡이를 잡는 엔드 이펙터(end effector)가 장착되어 있어, 조작명령에 따라 서랍을 열고 닫도록 움직이게 된다. The end of the robot arm 14 is equipped with an end effector for gripping the drawer handle to operate the drawer and moves to open and close the drawer according to the operation command.

비행 매니퓰레이터(10)는 서랍 손잡이를 잡고 있어 제한된 비행 메카니즘을 갖게 되며, 본 실시예에서는 엔드 이펙터 움직임이 제한된 비행 매니퓰레이터(10)의 역학 방정식 유도가 필요하게 된다. The flight manipulator 10 has a limited flight mechanism by holding the drawer handle and in this embodiment it is necessary to derive the dynamic equation of the flight manipulator 10 with limited end effector movement.

오퍼레이팅 장치(100)는 엔드 이펙터의 위치를 획득하고 그 속도를 추정하여 서랍의 기구적 제한에 따른 이동방향을 추정하여 멀티로터를 작동시키는 추력 및 모멘트를 제어한다. 또한, 서랍을 부드럽게 이동시키기 위한 이상력을 설정하여 엔드 이펙터의 위치를 안내함으로써 서랍에 이상적인 힘이 가해지도록 할 수 있다.The operating device 100 acquires the position of the end effector and estimates the speed of the end effector to estimate the direction of movement according to the mechanical limitations of the drawer, thereby controlling the thrust and moment for operating the multi-rotor. In addition, an ideal force can be set to smoothly move the drawer so that an ideal force is applied to the drawer by guiding the position of the end effector.

오퍼레이팅 장치(100)는 위치 획득부(110), 엔드 이펙터 속도 추정부(120), 방향 필터(130), 컨트롤러(140)를 포함한다. 이상력 설정부(150) 및 엔드 이펙터 설정부(160)를 더 포함할 수 있다. The operating device 100 includes a position acquiring unit 110, an end effector speed estimating unit 120, a direction filter 130, and a controller 140. An abnormal force setting unit 150 and an end effector setting unit 160. [

오퍼레이팅 장치(100)에서 수행되는 비행 매니퓰레이터를 이용한 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법은 다음과 같다. A method of operating a mechanical structure using a flight manipulator performed in the operating device 100 is as follows.

위치 획득부(110)는 비행 매니퓰레이터(10)에 관한 위치정보를 획득한다(단계 S210). 위치 획득부(110)에서는 멀티로터(12)의 위치 및 자세(

Figure pat00028
), 비행 매니퓰레이터(10)의 위치(
Figure pat00029
), 엔드 이펙터의 위치(
Figure pat00030
) 중 적어도 하나를 획득할 수 있다. 여기서, 후술하겠지만 멀티로터(12)의 질량 중심에 위치하는
Figure pat00031
을 기준으로 하는 좌표계에 대해 로봇팔(14)의 연결 부위가
Figure pat00032
축을 중심으로 회전하게 되어
Figure pat00033
평면(즉,
Figure pat00034
)에서 움직이도록 허용되며, 엔드 이펙터는 서랍 손잡이에 대한 회전이 자유로운 것으로 가정한다. The position acquiring unit 110 acquires position information on the flight manipulator 10 (step S210). In the position acquiring unit 110, the position and posture of the multi-rotor 12
Figure pat00028
, The position of the flight manipulator 10 (
Figure pat00029
), The position of the end effector
Figure pat00030
). ≪ / RTI > Here, as will be described later, the center of mass of the multi-rotor 12
Figure pat00031
The connecting portion of the robot arm 14 is connected to the coordinate system
Figure pat00032
Rotate around the axis
Figure pat00033
The plane (i.e.,
Figure pat00034
, And the end effector is assumed to be free to rotate with respect to the drawer handle.

엔드 이펙터 속도 추정부(120)는 비행 매니퓰레이터의 위치(

Figure pat00035
)를 이용하여 엔드 이펙터의 속도를 추정한다(단계 S220). The end effector speed estimating unit 120 estimates the position of the flight manipulator
Figure pat00035
To estimate the speed of the end effector (step S220).

방향 필터(130)는 엔드 이펙터의 추정된 속도에 관한 값(

Figure pat00036
)을 이용하여 서랍의 이동 방향을 추정한다(단계 S230). The directional filter 130 may comprise a value relating to the estimated velocity of the end effector
Figure pat00036
To estimate the moving direction of the drawer (step S230).

컨트롤러(140)는 방향 필터(130)에서 추정된 서랍의 이동 방향에 관한 값(

Figure pat00037
)을 이용하여 멀티로터(12)의 추력(
Figure pat00038
) 및 모멘트(
Figure pat00039
)를 산출하여 멀티로터 조작명령으로 멀티로터(12)에 전송한다(단계 S240). The controller 140 determines the value of the direction of movement of the drawer estimated by the directional filter 130
Figure pat00037
) Of the multi-rotor (12)
Figure pat00038
) And moment
Figure pat00039
(Step S240), and transmits it to the multi-rotor 12 by a multi-rotor operation command.

여기서, 서랍을 부드럽게 밀고 당기기 위해 이상력 설정부(150) 및 엔드 이펙터 설정부(160)가 더 포함될 수 있다. Here, the abnormal force setting unit 150 and the end effector setting unit 160 may be further included to smoothly push and pull the drawer.

이상력 설정부(150)는 엔드 이펙터의 추정된 속도를 이용하여 이상력(

Figure pat00040
)을 설정한다(단계 S250). 여기서, 이상력(desired force)이라 함은 서랍을 미리 지정된 이동속도로 부드럽게 이동시킬 수 있도록 하는 이상적인 힘을 나타낸다. The anisotropic force setting unit 150 sets the anisotropic force (i.e.,
Figure pat00040
(Step S250). Here, the term "desired force" refers to an ideal force that allows the drawer to move smoothly at a predetermined moving speed.

이상력 설정부(150)에서 설정된 이상력은 엔드 이펙터 설정부(160)로 전송되어, 엔드 이펙터의 궤도를 설정하기 위해 이용될 수 있다. The abnormal force set in the anisotropic force setting unit 150 may be transmitted to the end effector setting unit 160 and used to set the trajectory of the end effector.

엔드 이펙터 설정부(160)는 이상력 설정부(150)에서 설정된 이상력 이외에 엔드 이펙터의 위치(

Figure pat00041
)를 이용하여 다음 위치(
Figure pat00042
)를 계획할 수 있다(단계 S260). 계획된 다음 위치는 로봇팔(14)에 로봇팔 조작명령으로 전송될 수 있다. The end effector setting unit 160 sets the end effector position (in other words,
Figure pat00041
) To the next position (
Figure pat00042
(Step S260). The next planned position can be transmitted to the robot arm 14 as a robot arm manipulation command.

컨트롤러(140)는 이상력 설정부(150)에서 설정된 이상력, 로봇팔(14)로부터 제공되는 엔드 이펙터의 위치를 추가적으로 활용하여 멀티로터(12)의 위치 및 자세를 조작하기 위한 멀티로터 조작명령을 생성할 수 있다. The controller 140 controls the position and attitude of the multi-rotor 12 by further utilizing the abnormal force set by the anomaly setting unit 150 and the position of the end effector provided from the robot arm 14, Can be generated.

서랍과 같은 기구적 제한이 있는 구조물을 작동시키고자 할 때에 지상 이동형 로봇은 기구적 제한에 의해 생성되는 힘과 토크를 견딜 수 있다. 하지만, 비행 매니퓰레이터의 경우에는 쉽게 불안정해지는 한계를 가지고 있어 그 안정성이 고려될 필요가 있다. When trying to operate a structure with mechanical limitations such as a drawer, the ground mobile robot can withstand the forces and torques generated by mechanical limitations. However, in the case of a flight manipulator, its stability is easily taken into consideration because it has a limitation of being easily unstable.

종래에는 기구적 제한에 관련된 파라미터를 추정하거나 컴플라이언스 제어 스키마를 적용한 힘 및 토크 센서를 구비한 로봇 플랫폼을 이용하고 있지만, 비행 매니퓰레이터는 단지 외력에 따르기 때문에, 비행 매니퓰레이터의 힘과 토크 측정은 유용한 정보를 줄 수 없게 된다. Conventionally, a robot platform equipped with a force and torque sensor that estimates parameters related to mechanical limitations or applies a compliance control scheme is used. However, because the flight manipulator is only based on external forces, the force manipulator's torque and torque measurement are useful information I can not give it.

따라서, 본 실시예에 따른 비행 매니퓰레이터를 이용한 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템(1)에서는 엔드 이펙터의 속도로부터 미지의 서랍의 이동 방향을 추정하고, 부드럽게 서랍을 밀거나 당기기 위한 이상력을 설정하여 엔드 이펙터의 위치를 안내함으로써 비행 매니퓰레이터의 안정성을 높이면서도 부드러운 서랍 밀고 당기기 동작 수행이 가능하게 할 수 있다. Accordingly, in the mechanical structure operating system 1 using the flight manipulator according to the present embodiment, the moving direction of the unknown drawer is estimated from the speed of the end effector, and an ideal force for smoothly pushing or pulling the drawer is set, By guiding the position, the stability of the flight manipulator can be enhanced and smooth drawer pull and pull operations can be performed.

도 2에 도시된 비행 매니퓰레이터를 이용한 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법은 디지털 처리 장치(오퍼레이팅 장치(100))에 내장되거나 설치된 프로그램 등에 의해 시계열적 순서에 따른 자동화된 절차로 수행될 수도 있음은 당연하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 디지털 처리 장치가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 디지털 처리 장치에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
It is a matter of course that the method of operating the mechanical structure using the flight manipulator shown in FIG. 2 may be performed by an automated procedure in a time-series sequence by a program built in or installed in the digital processing apparatus (operating apparatus 100). The codes and code segments that make up the program can be easily deduced by a computer programmer in the field. In addition, the program is stored in a computer readable medium readable by the digital processing apparatus, and is read and executed by the digital processing apparatus to implement the method. The information storage medium includes a magnetic recording medium, an optical recording medium, and a carrier wave medium.

이하에서는 비행 매니퓰레이터를 이용한 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템(1)에서 서랍 손잡이를 잡는 비행 매니퓰레이터(10)의 역학 방정식을 유도하고, 비행 매니퓰레이터(10)와 서랍에 가해지는 힘 사이의 관계를 분석하기로 한다. 그 후 서랍을 동작시키는 컨트롤러(140)가 설계되고, 엔드 이펙터 속도를 이용함으로써 서랍의 이동 방향을 추정하고 서랍에 적용되는 힘을 계산하는 전략이 설명되고, 엔드 이펙터 경로가 설계될 것이다. Hereinafter, the mechanical equation of the flight manipulator 10 holding the drawer handle is derived in the mechanical structure operating system 1 using the flight manipulator, and the relationship between the force applied to the fly manipulator 10 and the drawer is analyzed . The controller 140 for operating the drawer is then designed and a strategy for estimating the direction of movement of the drawer and calculating the force applied to the drawer by utilizing the end effector speed will be described and the end effector path will be designed.

우선 서랍 손잡이를 잡고 있어 엔드 이펙터 움직임이 제한된 비행 매니퓰레이터의 역학 방정식을 유도하기로 한다. First, we will derive the dynamic equation of the flight manipulator with the end effector motion by holding the drawer handle.

도 3은 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템에 적용되는 좌표 프레임을 나타낸 도면이고, 도 4는 외력이

Figure pat00043
평면의 법선벡터(normal vector)에 수직하도록 변환하는 모습을 나타낸 도면이며, 도 5는 로봇팔의 작업영역(workspace)을 나타낸 도면이다. Fig. 3 is a view showing a coordinate frame applied to the mechanical structure operating system, Fig. 4
Figure pat00043
FIG. 5 is a view showing a workspace of the robot arm. FIG. 5 is a view showing a state where the robot arm is perpendicular to a normal vector of a plane. FIG.

비행 매니퓰레이터(10)의 운동 및 역학 모델이 도 3에 도시된 것과 같은 좌표 프레임(coordinate frame)으로 유도될 수 있다.

Figure pat00044
은 관성 좌표 프레임(inertial coordinate frame)이고,
Figure pat00045
Figure pat00046
은 서랍과 비행 플랫폼에 고정되어 있다.
Figure pat00047
는 추후 사용될 임의 좌표 프레임(arbitrary coordinate frame)이다. The kinematic and kinematic models of the flight manipulator 10 may be derived in a coordinate frame as shown in FIG.
Figure pat00044
Is an inertial coordinate frame,
Figure pat00045
Wow
Figure pat00046
Is fixed to drawer and flight platform.
Figure pat00047
Is an arbitrary coordinate frame to be used later.

편의상,

Figure pat00048
Figure pat00049
는 서랍이 기준 위치(reference position)에 있을 때 일치하고,
Figure pat00050
Figure pat00051
방향으로 이동하는 것으로 가정한다.
Figure pat00052
은 멀티로터의 질량 중심에 위치하며, 로봇팔의 관성 모멘트는 무시해도 될만한 것으로 가정한다. 일반적인 좌표 변수는
Figure pat00053
에 대해
Figure pat00054
로부터 이격된 의 변위인
Figure pat00056
로 구성되고, 멀티로터의 자세는 롤-피치-요 오일러 각(roll-pitch-yaw Euler angle)인
Figure pat00057
로 표현된다. 일반적인 좌표 변수들을 모두 포함하는 벡터는 다음과 같이 정의된다. For convenience,
Figure pat00048
Wow
Figure pat00049
Coincides when the drawer is in the reference position,
Figure pat00050
The
Figure pat00051
Direction. ≪ / RTI >
Figure pat00052
Is located at the center of mass of the multi-rotor, and it is assumed that the moment of inertia of the robot arm is negligible. Common coordinate variables are
Figure pat00053
About
Figure pat00054
Spaced from Displacement of
Figure pat00056
, And the posture of the multi-rotor is set to a roll-pitch-yaw Euler angle
Figure pat00057
Lt; / RTI > A vector containing all the general coordinate variables is defined as follows.

Figure pat00058
Figure pat00058

추가적으로, 비행 매니퓰레이터의 위치는

Figure pat00059
에 대해
Figure pat00060
로 나타낸다. 또한, 엔드 이펙터 위치는
Figure pat00061
에 대해
Figure pat00062
로 나타낸다. Additionally, the position of the flight manipulator
Figure pat00059
About
Figure pat00060
Respectively. Also, the end effector position is
Figure pat00061
About
Figure pat00062
Respectively.

본 명세서에서, 비행 매니퓰레이터는 연결 부위(joint)가

Figure pat00063
축에 대해 회전하는 로봇팔을 가지고 있는 것으로 가정한다. 따라서, 엔드 이펙터는 단지 프레임
Figure pat00064
Figure pat00065
평면(즉,
Figure pat00066
)에서 움직이도록 허용될 뿐이다. In the present specification, the flight manipulator has a joint
Figure pat00063
Assume that you have a robotic arm that rotates about an axis. Thus, the end-
Figure pat00064
of
Figure pat00065
The plane (i.e.,
Figure pat00066
). ≪ / RTI >

추가적으로, 엔드 이펙터는 서랍 손잡이에 대한 회전이 자유로운 것으로 가정한다. 그러면 서랍 손잡이와 비행 매니퓰레이터 사이의 운동 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다. In addition, it is assumed that the end effector is free to rotate about the drawer handle. The kinematic relationship between the drawer handle and the flight manipulator can then be expressed as:

Figure pat00067
Figure pat00067

여기서,

Figure pat00068
Figure pat00069
에서 서랍 손잡이의 위치이고,
Figure pat00070
Figure pat00071
에서
Figure pat00072
로의 회전 행렬이다. 수학식 (2)의 시간 도함수를 계산함으로써, 프레임
Figure pat00073
의 병진 속도(translational velocity)는 다음과 같이 계산될 수 있다.here,
Figure pat00068
The
Figure pat00069
The position of the drawer handle,
Figure pat00070
silver
Figure pat00071
in
Figure pat00072
Lt; / RTI > By calculating the time derivative of equation (2)
Figure pat00073
The translational velocity of the object can be calculated as follows.

Figure pat00074
Figure pat00074

Figure pat00075
는 벡터를
Figure pat00076
와 같은 교대 행렬(skew-symmetric matrix)로 매핑하며,
Figure pat00077
Figure pat00078
에 대한 비행 매니퓰레이터의 각속도이다. 여기서, 엔드 이펙터 위치
Figure pat00079
는 천천히 변화하며, 즉
Figure pat00080
이다. 수학식 (3)은
Figure pat00081
를 가지고서 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00075
The vector
Figure pat00076
To a skew-symmetric matrix,
Figure pat00077
The
Figure pat00078
Is the angular velocity of the flight manipulator. Here, the end effector position
Figure pat00079
Is slowly changing, that is,
Figure pat00080
to be. Equation (3)
Figure pat00081
Can be expressed as follows.

Figure pat00082
Figure pat00082

여기서,

Figure pat00083
Figure pat00084
Figure pat00085
에 매핑하는 행렬이며, 다음과 같다. here,
Figure pat00083
silver
Figure pat00084
To
Figure pat00085
And is as follows.

Figure pat00086
Figure pat00086

Figure pat00087
Figure pat00088
를 비행 매니퓰레이터의 병진속도에 연관시키는 행렬이다. 추가적으로, 비행 매니퓰레이터의 각속도는 수학식 (6)을 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00087
The
Figure pat00088
To the translation speed of the flight manipulator. In addition, the angular velocity of the flight manipulator can be expressed using Equation (6) as follows.

Figure pat00089
Figure pat00089

Figure pat00090
은 일반적인 좌표를 비행 매니퓰레이터의 각속도에 링크시키는 행렬이다. 서랍의 병진속도는 다음과 같이 일반적인 좌표의 시간 도함수를 가지고 계산될 수 있다.
Figure pat00090
Is a matrix linking general coordinates to the angular speed of the flight manipulator. The translational speed of the drawer can be calculated with the time derivative of the general coordinates as follows.

Figure pat00091
Figure pat00091

여기서,

Figure pat00092
이다. here,
Figure pat00092
to be.

서랍 손잡이를 잡고 있는 비행 매니퓰레이터의 역학 방정식은 라그랑주 방정식(Lagrange equation)을 이용하여 다음과 같이 유도될 수 있다.The dynamic equation of the flight manipulator holding the drawer handle can be derived as follows using the Lagrange equation.

Figure pat00093
Figure pat00093

Figure pat00094
Figure pat00095
는 총 운동 및 위치 에너지 조건들이고,
Figure pat00096
Figure pat00097
를 위한 일반적인 토크이다. 총 운동 에너지는 수학식 (5), (7), (8)을 가지고 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00094
Wow
Figure pat00095
Are the total motion and position energy conditions,
Figure pat00096
The
Figure pat00097
It is a common torque for. The total kinetic energy can be calculated using Equations (5), (7), (8) as follows.

Figure pat00098
Figure pat00098

Figure pat00099
는 서랍의 질량이다. 또한,
Figure pat00100
Figure pat00101
은 각각
Figure pat00102
,
Figure pat00103
을 대각 요소로 가지는 비행 매니퓰레이터의 관성 질량 관성 모멘트를 나타내는 대각 행렬들이다. 여기서,
Figure pat00104
Figure pat00105
에서 측정된다. 총 위치 에너지
Figure pat00106
는 다음과 같다.
Figure pat00099
Is the mass of the drawer. Also,
Figure pat00100
and
Figure pat00101
Respectively
Figure pat00102
,
Figure pat00103
Are the diagonal matrices representing the inertial mass moment of inertia of the flight manipulator with diagonal elements. here,
Figure pat00104
silver
Figure pat00105
Lt; / RTI > Total potential energy
Figure pat00106
Is as follows.

Figure pat00107
Figure pat00107

여기서,

Figure pat00108
이고,
Figure pat00109
는 중력상수이다. 일반성을 잃지 않고, 서랍의 이동 방향은 중력 방향에 수직한 것으로 가정한다. 수학식 (10) 및 (11)을 (9)로 대체하면, 역학 모델이 다음과 같이 유도될 수 있다. here,
Figure pat00108
ego,
Figure pat00109
Is the gravitational constant. Without loss of generality, it is assumed that the direction of movement of the drawer is perpendicular to the direction of gravity. If Equations (10) and (11) are replaced by (9), the dynamics model can be derived as follows.

Figure pat00110
Figure pat00110

Figure pat00111
는 관성 행렬,
Figure pat00112
는 원심 및 코리올리 효과(centrifugal and Coriolis effects)를 위한 행렬,
Figure pat00113
는 중력 조건이다. 이들 행렬들은 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00111
Is an inertia matrix,
Figure pat00112
A matrix for centrifugal and Coriolis effects,
Figure pat00113
Is a gravity condition. These matrices are given as follows.

Figure pat00114

Figure pat00114

서랍 움직임이 비행 매니퓰레이터에 주는 효과는 다음과 같다. The effect of the drawer motion on the flight manipulator is as follows.

서랍 손잡이를 잡고 있는 비행 매니퓰레이터의 동적 특성을 관찰하기 위해, 수학식 (12)는

Figure pat00115
를 이용하여 다음과 같이 표현될 수 있다.To observe the dynamic characteristics of the flight manipulator holding the drawer handle, Equation (12)
Figure pat00115
Can be expressed as follows.

Figure pat00116
Figure pat00116

Figure pat00117
Figure pat00117

관성 행렬

Figure pat00118
는 다음과 같이 계산된다.Inertia matrix
Figure pat00118
Is calculated as follows.

Figure pat00119
Figure pat00119

Figure pat00120
Figure pat00120

벡터

Figure pat00121
는 다음과 같이 유도된다. vector
Figure pat00121
Is derived as follows.

Figure pat00122
Figure pat00122

또한,

Figure pat00123
를 위한 토크 벡터는 다음과 같이 주어진다. Also,
Figure pat00123
Is given as follows.

Figure pat00124
Figure pat00124

Figure pat00125
는 댐퍼, 스프링 혹은 마찰력과 같은 주변 성분에 의해 서랍에 작용되는 힘이다.
Figure pat00126
는 로터로부터의 총 추력(thrust)이고,
Figure pat00127
Figure pat00128
Figure pat00129
축에 대해 로터에 작용되는 모멘트이다. 본 실시예에서,
Figure pat00130
는 무시해도 될만한 것으로 가정하는데, 이는 전체 병진 및 회전 속도가 컨트롤러에서 충분히 작게 유지될 것이기 때문이다.
Figure pat00125
Is the force acting on the drawer by surrounding components such as damper, spring or frictional force.
Figure pat00126
Is the total thrust from the rotor,
Figure pat00127
The
Figure pat00128
of
Figure pat00129
The moment acting on the rotor about the axis. In this embodiment,
Figure pat00130
Is negligible because the overall translation and rotation speed will be kept small enough in the controller.

본 실시예에서 고려되는 미지의 서랍 시나리오에서, 서랍의 이동방향

Figure pat00131
, 질량
Figure pat00132
, 토크
Figure pat00133
는 명확하게 구해질 수 없다. 따라서,
Figure pat00134
,
Figure pat00135
,
Figure pat00136
은 미지의 값이다. In the unknown drawer scenario considered in this embodiment, the direction of movement of the drawer
Figure pat00131
, mass
Figure pat00132
, talk
Figure pat00133
Can not be clearly obtained. therefore,
Figure pat00134
,
Figure pat00135
,
Figure pat00136
Is an unknown value.

따라서, 비행 매니퓰레이터에 미치는 서랍 움직임의 효과는

Figure pat00137
로 표현되는데, 직접적으로 계산될 수 없다.
Figure pat00138
Figure pat00139
에 미치는
Figure pat00140
의 효과를 최소화하는 한가지 방법은
Figure pat00141
를 0(zero)까지 조정하고
Figure pat00142
가 가능한한 작은 값이 되도록 함으로써
Figure pat00143
를 최소화하는 것이다. 이를 위해, 서랍의 방향은 방향 필터를 가지고 추정될 것이다. 불확실성이 보상된다면,
Figure pat00144
Figure pat00145
는 다음과 같이 될 것이다. Thus, the effect of the drawer movement on the flight manipulator is
Figure pat00137
, Which can not be calculated directly.
Figure pat00138
And
Figure pat00139
On
Figure pat00140
One way to minimize the effect of
Figure pat00141
To zero (0)
Figure pat00142
To be as small as possible
Figure pat00143
. To this end, the direction of the drawer will be estimated with a directional filter. If the uncertainty is compensated,
Figure pat00144
Wow
Figure pat00145
Will be as follows.

Figure pat00146
Figure pat00146

여기서, *는 영이 아닌 값(non-zero values)을 나타낸다. 결과적으로, 역학 방정식은

Figure pat00147
의 움직임이
Figure pat00148
의 움직임과 연결되며,
Figure pat00149
Figure pat00150
와 연결됨을 보여준다. 비행 매니퓰레이터는
Figure pat00151
Figure pat00152
를 조절함으로써 서랍을 밀거나 당길 수 있다.
Where * denotes non-zero values. As a result, the dynamics equation
Figure pat00147
The movement of
Figure pat00148
And,
Figure pat00149
end
Figure pat00150
. The flight manipulator
Figure pat00151
Wow
Figure pat00152
So that the drawer can be pushed or pulled.

요구되는 힘을 가하기 위한 비행 매니퓰레이터의 이상적인 구현은 다음과 같이 계산될 수 있다. The ideal implementation of a flight manipulator to apply the required force can be calculated as follows.

앞서 서랍을 잡고 있는 비행 매니퓰레이터의 동적 특성이 분석되었다. 추가적인 분석을 위해,

Figure pat00153
에 대해 서랍 손잡이에 작용되는 외력
Figure pat00154
와 비행 매니퓰레이터의 구조 사이의 관계를 이용해 볼 만하다. The dynamic characteristics of the flight manipulator holding the drawer were analyzed. For further analysis,
Figure pat00153
The external force exerted on the drawer handle
Figure pat00154
And the structure of the flight manipulator.

간단히, 비행 매니퓰레이터는 준정적 상태(quasi-static state)에 있는 것으로 가정한다. 그 후 관계가 힘과 모멘트 평형식 사이에서 유도될 수 있다. Briefly, the flight manipulator is assumed to be in a quasi-static state. The relationship can then be derived between force and moment equilibrium.

비행 매니퓰레이터에 의해 서랍 손잡이에

Figure pat00155
이 작용할 때, 비행 매니퓰레이터에 작용하는 힘과 모멘트는 중력, 로터로부터의 추력, 반동력
Figure pat00156
에 의해 생성된다. 여기서, 힘과 모멘트 평형식은 프레임
Figure pat00157
에 대해 다음과 같이 계산될 수 있다. By the fly manipulator on the drawer handle
Figure pat00155
The forces and moments acting on the flight manipulator are influenced by gravity, thrust from the rotor,
Figure pat00156
Lt; / RTI > Here, the force and moment balance equations
Figure pat00157
Can be calculated as follows.

Figure pat00158
Figure pat00158

주어진

Figure pat00159
을 가지고 (17) 및 (18)을 반복하는
Figure pat00160
,
Figure pat00161
,
Figure pat00162
의 조합은 많이 있는데, 이는 변수의 수가 방정식의 수를 초과하기 때문이다. 이들 조합 중에서 비행 매니퓰레이터의
Figure pat00163
Figure pat00164
Figure pat00165
평면 상으로의
Figure pat00166
의 투영(projection)에 수직한
Figure pat00167
평면의 법선벡터(normal vector)를 만들기 위해 다음과 같이 설정된다. given
Figure pat00159
(17) and (18) are repeated
Figure pat00160
,
Figure pat00161
,
Figure pat00162
There are many combinations, because the number of variables exceeds the number of equations. Of these combinations, the flight manipulator
Figure pat00163
Wow
Figure pat00164
The
Figure pat00165
Planar
Figure pat00166
Perpendicular to the projection of
Figure pat00167
It is set as follows to make a normal vector of plane.

Figure pat00168
Figure pat00168

또한,

Figure pat00169
은 투영된 성분을 다음과 같이 명확하게 보여주기 위해
Figure pat00170
으로 변환된다(도 4 참조). Also,
Figure pat00169
To show the projected components clearly
Figure pat00170
(See FIG. 4).

Figure pat00171
Figure pat00171

이 방식으로

Figure pat00172
,
Figure pat00173
Figure pat00174
를 설정함으로써,
Figure pat00175
방향으로 작용하는 힘은 없을 것이며,
Figure pat00176
Figure pat00177
방향에서 모멘트는 생성되지 않는다. 그러면 (17) 및 (18)의 해(solution)는 (20)에 계산된
Figure pat00178
와 다음과 같은 관계를 가질 수 있다. In this way
Figure pat00172
,
Figure pat00173
Wow
Figure pat00174
Lt; / RTI >
Figure pat00175
There will be no force acting in the direction,
Figure pat00176
And
Figure pat00177
No moment is generated in the direction. Then the solutions of (17) and (18) are computed in (20)
Figure pat00178
And the following relationship.

Figure pat00179
Figure pat00179

(21)에서 (23)까지, 평형 관계를 유지하기 위한

Figure pat00180
,
Figure pat00181
,
Figure pat00182
의 이상적인 값은 다음과 같이 계산된다. (21) to (23), in order to maintain an equilibrium relationship
Figure pat00180
,
Figure pat00181
,
Figure pat00182
Is calculated as follows.

Figure pat00183
Figure pat00183

(24)에서,

Figure pat00184
Figure pat00185
Figure pat00186
로부터 직접적으로 계산될 수 있다. 반면,
Figure pat00187
는 엔드 이펙터의 위치
Figure pat00188
Figure pat00189
를 움직임으로써 설정될 수 있다.
In step 24,
Figure pat00184
Wow
Figure pat00185
The
Figure pat00186
As shown in FIG. On the other hand,
Figure pat00187
The position of the end effector
Figure pat00188
And
Figure pat00189
As shown in FIG.

앞서 서랍 손잡이를 잡고 있는 비행 매니퓰레이터의 역학 모델이 유도되었다. 또한, 이상적 힘

Figure pat00190
을 생성하기 위한 비행 매니퓰레이터의 이상적 구조는 힘과 모멘트 평형식에서 유도된다. 이들 분석에 기초하여, 컨트롤러가 유도될 수 있다. A kinematic model of a flight manipulator holding a drawer handle was derived earlier. In addition,
Figure pat00190
The ideal structure of the flight manipulator to generate the force is derived from the force and moment balance equations. Based on these analyzes, a controller can be derived.

수학식 (13)으로부터, 서랍 손잡이를 잡고 있는 비행 매니퓰레이터의 역학 방정식은 다음과 같이 추출될 수 있다. From equation (13), the dynamic equation of the flight manipulator holding the drawer handle can be extracted as follows.

Figure pat00191
Figure pat00191

Figure pat00192
Figure pat00192

여기서,

Figure pat00193
는 서랍의 움직임으로부터 야기되는 불확실성을 나타낸다. 컨트롤러의 목적은 비행 매니퓰레이터의 전체적인 구조가 수학식 (24)에서 설명된 기준값을 따르도록 하는 것이다. here,
Figure pat00193
Indicates the uncertainty resulting from the movement of the drawer. The purpose of the controller is to have the overall structure of the flight manipulator follow the reference value described in equation (24).

컨트롤러를 설계하기 위해, 오차

Figure pat00194
가 다음과 같이 정의된다. To design the controller,
Figure pat00194
Is defined as follows.

Figure pat00195
Figure pat00195

여기서,

Figure pat00196
이다.
Figure pat00197
는 방향 필터로부터 계산된다. 수학식 (25)를 위해 제안된 제어법칙은 다음과 같이 설계될 수 있다. here,
Figure pat00196
to be.
Figure pat00197
Is calculated from the directional filter. The control law proposed for equation (25) can be designed as follows.

Figure pat00198
Figure pat00198

여기서,

Figure pat00199
Figure pat00200
는 양한정대각행렬(positive definite diagonal matrix)이다.
Figure pat00201
는 수학식 (24)에서 유도된 것과 같이
Figure pat00202
로 설정된다. 그러면,
Figure pat00203
는 다음과 같이 계산된다. here,
Figure pat00199
Wow
Figure pat00200
Is a positive definite diagonal matrix.
Figure pat00201
0.0 > (24) < / RTI >
Figure pat00202
. then,
Figure pat00203
Is calculated as follows.

Figure pat00204
Figure pat00204

제안된 제어법칙이 수학식 (25)에 대체되면, 오차 역학은 다음과 같이 된다. If the proposed control law is replaced by equation (25), the error dynamics are as follows.

Figure pat00205
Figure pat00205

본 실시예에서, 플랫폼의 전체 속도는 느리게 조정된 것으로 가정하는데, 이는 속도 외적 조건이 무시해도 될 정도이기 때문이다. 낮은 속도와 작은

Figure pat00206
의 가정과 함께, 오차 역학은 다음을 따르게 된다. In this embodiment, it is assumed that the overall speed of the platform is adjusted slowly, since the out-of-speed condition is such that it is negligible. Low speed and small
Figure pat00206
Along with the assumption of error, the error mechanics follows.

Figure pat00207
Figure pat00207

이는 오차

Figure pat00208
가 기하급수적으로 수렴하도록 보장되는 전형적인 2차 선형 시스템이다.
This is because the error
Figure pat00208
Is a typical quadratic linear system guaranteed to converge exponentially.

이하에서는 방향 필터를 이용하여 서랍을 밀고 당기기 위해서는 서랍 이동 방향을 추정하는 방법에 대해 설명한다. 또한, 부드럽게 서랍을 열거나 닫기 위해 이상적인 힘을 계획하기 위한 규칙이 설명된다. 그 후 엔드 이펙터 위치를 안내하는 방법이 제공된다. Hereinafter, a method of estimating the moving direction of the drawer to push and pull the drawer using the direction filter will be described. In addition, the rules for planning the ideal force to smoothly open or close the drawer are described. A method of guiding the end effector position is then provided.

앞서 수행된 분석에서 서랍의 이동 방향은

Figure pat00209
로 가정하였다. 하지만, 도 3에 도시된 것과 같은 서랍을 동작시킬 때,
Figure pat00210
혹은
Figure pat00211
방향을 구할 수는 없다. In the previous analysis, the direction of movement of the drawer was
Figure pat00209
Respectively. However, when operating the drawer as shown in Fig. 3,
Figure pat00210
or
Figure pat00211
The direction can not be obtained.

이를 다루기 위해,

Figure pat00212
의 방향이
Figure pat00213
와 같은 임의 좌표 프레임
Figure pat00214
이 도 3에 도시된 것과 같이 적용될 수 있다. To address this,
Figure pat00212
The direction of
Figure pat00213
Any coordinate frame
Figure pat00214
Can be applied as shown in Fig.

신규 정의된 프레임

Figure pat00215
는 비행 매니퓰레이터의
Figure pat00216
Figure pat00217
를 측정하기 위한 기준으로 이용되는데, 이는 서랍의 이동 방향이 컨트롤러에서 이용될 수 있도록
Figure pat00218
에 대해 측정될 필요가 있기 때문이다. 본 실시예에서 비행 매니퓰레이터의 초기
Figure pat00219
은 편의상
Figure pat00220
인 것으로 선택된다. Newly defined frame
Figure pat00215
Of the flight manipulator
Figure pat00216
Wow
Figure pat00217
Is used as a reference for measuring the movement of the drawer,
Figure pat00218
As shown in FIG. In the present embodiment,
Figure pat00219
For convenience
Figure pat00220
.

Figure pat00221
에서 서랍의 이동 방향
Figure pat00222
을 추정하기 위해, 엔드 이펙터 속도가 이용된다. 방향
Figure pat00223
는 다음의 1차 선형 필터를 이용하여 간단히 업데이트될 수 있다.
Figure pat00221
Direction of drawer movement
Figure pat00222
The end effector speed is used. direction
Figure pat00223
Can be simply updated using the following first-order linear filter.

Figure pat00224
Figure pat00224

여기서,

Figure pat00225
는 필터의 대역폭을 결정하는 파라미터이고,
Figure pat00226
이다. 이동 방향
Figure pat00227
가 추정된 이후, 컨트롤러에서 이용되도록
Figure pat00228
로 변환하며, 그 관계는 다음과 같다. here,
Figure pat00225
Is a parameter for determining the bandwidth of the filter,
Figure pat00226
to be. Direction of movement
Figure pat00227
Is estimated, the controller
Figure pat00228
And the relationship is as follows.

Figure pat00229
Figure pat00229

이상력 설정부(150)에서의 이상력

Figure pat00230
설정은 다음과 같다. The abnormal force setting unit 150 sets the abnormal force
Figure pat00230
The setting is as follows.

수학식 (19)에서 정의된

Figure pat00231
를 가지고
Figure pat00232
를 0(zero)로 만들기 위해 수학식 (20)을 가지고
Figure pat00233
이 정의된다. 하지만, 서랍을 밀거나 당길 때, 수학식 (34)를 가지고 계산된 추정
Figure pat00234
가 컨트롤러에 적용된다. (19) < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00231
Have
Figure pat00232
Lt; RTI ID = 0.0 > (20) < / RTI &
Figure pat00233
Is defined. However, when pushing or pulling the drawer, the estimated () < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00234
Is applied to the controller.

비행 매니퓰레이터의

Figure pat00235
가 충분히 잘
Figure pat00236
를 추종하는 것으로 가정된다면, 수학식 (24)의 관계가 이상적인 서랍을 미는 힘 혹은 당기는 힘
Figure pat00237
를 가지고 이용될 수 있다. Flight manipulator
Figure pat00235
Well enough
Figure pat00236
, The relation of equation (24) is the ideal pulling force or pulling force
Figure pat00237
≪ / RTI >

Figure pat00238
를 설정하는 방법 중 하나는 서랍이 밀리거나 당겨질 때 그 속도를 관리하는 것이다. 속도는 다음 PI 스키마를 통해 제어될 수 있다.
Figure pat00238
One way to set this is to manage the speed when the drawer is pushed or pulled. The speed can be controlled via the following PI schema.

Figure pat00239
Figure pat00239

Figure pat00240
는 서랍의 이상 속도이다.
Figure pat00241
를 통해,
Figure pat00242
는 결국
Figure pat00243
로 수렴할 것이다. 더구나, 이상적인 힘
Figure pat00244
는 서랍 손잡이를 붙잡는 것을 유지하거나 압력을 가하는 것처럼 다양한 목적을 가진 이용자에 의해 정의될 수 있다.
Figure pat00240
Is the ideal speed of the drawer.
Figure pat00241
Through the,
Figure pat00242
Eventually
Figure pat00243
. Moreover,
Figure pat00244
May be defined by the user having various purposes such as holding the drawer handle or applying pressure.

엔드 이펙터 설정부(160)에서 엔드 이펙터 궤도를 계획하는 것은 다음과 같다. The end effector setting section 160 plans the end effector trajectory as follows.

앞서

Figure pat00245
Figure pat00246
Figure pat00247
를 이용함으로써 구현될 수 있음을 설명하였다.
Figure pat00248
Figure pat00249
를 변경함으로써,
Figure pat00250
를 수학식 (24)에 따른 이상적인 값으로 만드는 것이 가능하다. previously
Figure pat00245
The
Figure pat00246
Wow
Figure pat00247
As shown in FIG.
Figure pat00248
Wow
Figure pat00249
Lt; / RTI >
Figure pat00250
To an ideal value according to equation (24).

여기에서는

Figure pat00251
를 가능한한 작게 감소시키는 것이 유리하다.
Figure pat00252
를 감소시킴으로써,
Figure pat00253
의 최대값이 증가될 수 있다. 따라서, 허용가능한
Figure pat00254
또한 증가된다. Here,
Figure pat00251
To be as small as possible.
Figure pat00252
Lt; / RTI >
Figure pat00253
Can be increased. Therefore,
Figure pat00254
Also increased.

그뿐만 아니라 동작 중에 서랍 손잡이를 잡고 있는 것을 실패하는 경우에 초과된

Figure pat00255
가 비행 매니퓰레이터에 갑작스런 각속도를 야기하여 위험 상황으로 이끌 수도 있다. Not only that, but when failing to hold the drawer handle during operation,
Figure pat00255
May cause a sudden angular velocity on the flight manipulator and lead to a dangerous situation.

엔드 이펙터 위치를 계획하는 경우 고려할 다른 측면으로는 비행 매니퓰레이터의 안정성이다. 앞서 수행된 역학 분석에서,

Figure pat00256
인 것으로 가정되었는데, 따라서
Figure pat00257
는 매우 작은 값으로 유지되어야 한다. Another aspect to consider when planning the end effector position is the stability of the flight manipulator. In the previously performed kinetic analysis,
Figure pat00256
It is assumed that
Figure pat00257
Should be kept at a very small value.

Figure pat00258
가 감소하는 방향으로 엔드 이펙터를 부드럽게 이동하기 위해서, 다음의 최적화 문제를 해결함으로써 엔드 이펙터의 위치가 안내될 수 있다.
Figure pat00258
The position of the end effector can be guided by solving the following optimization problem in order to smoothly move the end effector in the direction in which the end effector decreases.

Figure pat00259
Figure pat00259

Figure pat00260
는 현재 엔드 이펙터 위치이며,
Figure pat00261
는 가중 파라미터이고,
Figure pat00262
는 로봇팔의 작업영역에 대한 사용자 정의 부분집합이다.
Figure pat00260
Is the current end effector position,
Figure pat00261
Is a weighting parameter,
Figure pat00262
Is a user-defined subset of the working area of the robot arm.

도 5를 참조할 때, 작업영역의 전체 구역을 고려하는 것은 문제를 너무 복잡하게 만들기 때문에, 선형 불균등 제한(linear inequality constraints)을 가지는 것으로 대표되는 부분집합

Figure pat00263
가 대신 고려될 수 있다. Referring to FIG. 5, considering the entire area of the work area makes the problem too complicated, a subset, represented by having linear inequality constraints
Figure pat00263
Can be considered instead.

제약조건이 있는 선형 불균등을 이용함으로써, 최적화 문제가 QP 문제로 설정될 수 있다. 또한, 카루시 쿤 터커 조건(Karush-Kuhn-Tucker (KKT) conditions)을 확인함으로써 문제가 분석적으로 해결될 수 있다. 완화된 제약조건을 가지고서, 엔드 이펙터 계획 알고리즘이 실시간으로 구현될 수 있다.
By using linear inequality with constraints, the optimization problem can be set as a QP problem. In addition, the problem can be solved analytically by identifying the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) conditions. With relaxed constraints, the end effector planning algorithm can be implemented in real time.

이하에서는 본 실시예에 따라 설계된 비행 매니퓰레이터를 이용한 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템의 유효성에 대한 실험 설정 및 결과를 설명하기로 한다. Hereinafter, experimental setup and results of the effectiveness of the mechanical structure operating system using the flight manipulator designed according to the present embodiment will be described.

우선 실험 설정 조건은 다음과 같다. First, the experiment setting conditions are as follows.

멀티로터는 대략 1.8kg의 무게를 가지고 끝에서 끝까지 60cm의 길이를 가지는 MK 헥사2를 이용하여 개발되었다. 베어보드(bare-board) 컴퓨터에 기반한 ARM Cortex가 보드상에 설치되어 제어 입력값을 계산하고 센서데이터를 처리한다. 멀티로터의 자세 제어를 위해, 각도

Figure pat00264
와 추정 오일러각
Figure pat00265
을 전송하는 AHRS는
Figure pat00266
에 설치된다. 멀티로터의 위치는 모션 캡쳐 시스템 (VICON)에 의해 측정되며, 병진속도는 위치 측정을 통해 계산된다. 이 값들은 지상 제어 시스템에서 계산되고 온보드 컴퓨터로 전송된다. The multi-rotor was developed using MK Hexa 2, which weighs approximately 1.8 kg and has a length of 60 cm from end to end. ARM Cortex, based on a bare-board computer, is installed on the board to calculate control inputs and process sensor data. For attitude control of the multi-rotor,
Figure pat00264
And the estimated Euler angles
Figure pat00265
AHRS to transmit
Figure pat00266
Respectively. The position of the multi-rotor is measured by the motion capture system (VICON), and the translation speed is calculated by the position measurement. These values are calculated in the ground control system and transmitted to the onboard computer.

450g의 로봇팔은 서보 모터와 링크로 조립된다. 각 서보 모터는 그 위치값을 카운트하고 온보드 컴퓨터로 전송한다. 관절 각도는 온보드 컴퓨터에서 추정된다. 또한, 카메라는 로봇팔의 엔드 이펙터에 설치되어 비행 매니퓰레이터가 서랍 손잡이를 잡을 수 있도록 안내하기 위해 시각 정보를 제공한다. The 450g robot arm is assembled with the servo motor. Each servo motor counts its position value and sends it to the onboard computer. The joint angle is estimated from the onboard computer. In addition, the camera is installed in the end effector of the robot arm and provides visual information to guide the flight manipulator to catch the drawer handle.

본 실험에서 사용되는 서랍은 가구에 일반적으로 사용되는 슬라이딩 레일을 이용하여 제작되었다. 서랍의 이동경로는 대략 70cm이다. 서랍 손잡이는 엔드 이펙터에 맞도록 수정되었다. Drawers used in this experiment were made using sliding rails commonly used in furniture. The movement path of the drawer is approximately 70 cm. The drawer handle has been modified to fit the end effector.

실험 시나리오는 서랍에 대한 사전정보 없이 서랍을 열고 닫는 것을 포함한다. 이륙 이후 비행 매니퓰레이터는 카메라를 통해 제공되는 시각 정보를 이용함으로써 서랍 손잡이를 잡는다. 잡는 것에 성공하면, 서랍을 열거나 닫기 위해 서랍 손잡이에 힘을 가하기 시작한다. 조작 임무가 완료된 이후에는 원래 위치로 되돌아가서 착륙한다. The experimental scenario involves opening and closing the drawer without prior knowledge of the drawer. After takeoff, the flight manipulator grabs the drawer handle by using the visual information provided through the camera. If successful, begin to apply force to the drawer handle to open or close the drawer. After the operational mission is completed, return to the original position and land.

실험 결과는 다음과 같다. The experimental results are as follows.

도 6은 서랍 열기 모드 동안의 히스토리 그래프이고, 도 7은 서랍 닫기 모드 동안의 히스토리 그래프이며, 도 8는 다양한 서랍 방향에 따른 실험 스냅샷이다. Fig. 6 is a history graph during drawer open mode, Fig. 7 is a history graph during drawer close mode, and Fig. 8 is an experimental snapshot according to various drawer directions.

본 실시예의 유효성을 입증하기 위해, 서랍을 여는 동작 및 닫는 동작에 대한 다양한 설정을 가지는 실험이 수행되었다. 도 6 및 7에 도시된 히스토리 그래프는 도 8의 (b) 및 (d) 에 각각 상응한다. In order to demonstrate the effectiveness of this embodiment, an experiment was carried out with various settings for opening and closing the drawer. The history graphs shown in Figs. 6 and 7 correspond to Figs. 8B and 8D, respectively.

도 6 및 7에 도시된 히스토리 그래프에서,

Figure pat00267
가 0(zero)로 잘 조정되고 있음이 보여진다. 또한,
Figure pat00268
는 서랍을 열고 닫기 위해 적용되는 이상력을 나타내는 기준값을 성공적으로 추적하고 있다. 또한,
Figure pat00269
는 수학식 (34)를 이용하여 계산된 서랍의 추정 이동 방향인 기준각을 따르고 있는 적합한 추적 성능을 보여주고 있다.
Figure pat00270
의 히스토리 그래프에서, 본 특정 예시에서는 서랍의 추정 이동 방향이 -40˚인 참값에 수렴하고 있다. In the history graph shown in Figs. 6 and 7,
Figure pat00267
Is adjusted to zero (0). Also,
Figure pat00268
Successfully tracks the reference value indicating the anomaly force applied to open and close the drawer. Also,
Figure pat00269
Shows the proper tracking performance following the reference angle, which is the estimated moving direction of the drawer calculated using equation (34).
Figure pat00270
In this particular example, the estimated moving direction of the drawer converges to a true value of -40 degrees.

도 6 및 7의 최하단 그래프에는 엔드 이펙터의 이동 속도가 나타나 있다. 두 경우 모두 서랍의 물리적 속성을 사전에 알지 못하였음에도 불구하고, 서랍의 속도는 이상적인 값에 근사하게 잘 조정되고 있다. 6 and 7, the movement speed of the end effector is shown in the lowermost graph. In both cases, although the physical properties of the drawer were not known in advance, the speed of the drawer is well adjusted to the ideal value.

실험 결과에 기초하면, 비행 매니퓰레이터를 이용하여 미지의 제한된 기구적 메카니즘을 동작시키기 위한 본 실시예의 유효성이 입증되고 있다.
Based on experimental results, the effectiveness of this embodiment for operating an unknown, limited mechanical mechanism using a flight manipulator has been demonstrated.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the following claims And changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention.

1: 기구적 구조물 오퍼레이팅 시스템 10: 비행 매니퓰레이터
12: 멀티로터 14: 로봇팔
100: 오퍼레이팅 장치 110: 위치 획득부
120: 엔드 이펙터 속도 추정부 130: 방향 필터
140: 컨트롤러 150: 이상력 설정부
160: 엔드 이펙터 설정부
1: mechanical structure operating system 10: flight manipulator
12: Multi-rotor 14: Robot arm
100: Operating device 110: Position acquiring unit
120: end effector speed estimator 130: direction filter
140: controller 150: abnormal power setting unit
160: End effector setting section

Claims (19)

멀티로터에 로봇팔이 부착된 비행 매니퓰레이터를 이용하여 기구적 구조물을 오퍼레이팅하는 장치로서,
상기 비행 매니퓰레이터에 관한 위치정보를 획득하는 위치 휙득부;
상기 위치정보로부터 상기 로봇팔의 끝단에 설치된 엔드 이펙터의 속도를 추정하는 엔드 이펙터 속도 추정부;
상기 엔드 이펙터의 속도를 이용하여 상기 기구적 구조물의 이동 방향을 추정하는 방향 필터; 및
추정된 상기 이동 방향에 상응하여 상기 멀티로터의 추력 및 모멘트를 산출하여 상기 멀티로터를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 오퍼레이팅 장치.
An apparatus for operating a mechanical structure using a flight manipulator having a robot arm attached to a multi-rotor,
A position drift unit for obtaining position information on the flight manipulator;
An end effector speed estimator estimating a speed of an end effector installed at an end of the robot arm from the position information;
A direction filter for estimating a moving direction of the mechanical structure using the velocity of the end effector; And
And a controller for controlling the multi-rotor by calculating a thrust and a moment of the multi-rotor according to the estimated movement direction.
제1항에 있어서,
상기 위치정보는 상기 멀티로터의 위치 및 자세, 상기 비행 매니퓰레이터의 위치, 상기 엔드 이펙터의 위치 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 오퍼레이팅 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the position information includes at least one of a position and an attitude of the multi-rotor, a position of the flight manipulator, and a position of the end effector.
제1항에 있어서,
상기 기구적 구조물은 이동 방향이 제한적으로 허용되는 기구적 제한을 가지는 것을 특징으로 하는 오퍼레이팅 장치.
The method according to claim 1,
Characterized in that the mechanical structure has mechanical limitations in which the direction of movement is limited.
제3항에 있어서,
상기 기구적 구조물은 상기 이동 방향과 상기 기구적 구조물의 기구적 특성이 사전에 제공되지 않는 미지의 구조물인 것을 특징으로 하는 오퍼레이팅 장치.
The method of claim 3,
Wherein the mechanical structure is an unknown structure in which the moving direction and mechanical characteristics of the mechanical structure are not provided in advance.
제1항에 있어서,
상기 엔드 이펙터의 속도를 이용하여 상기 기구적 구조물을 미리 지정된 이상적인 속도로 이동시키는 이상력(desired force)을 설정하는 이상력 설정부; 및
상기 이상력과 상기 엔드 이펙터의 위치를 이용하여 상기 엔드 이펙터의 궤도를 설정하는 엔드 이펙터 설정부를 더 포함하는 오퍼레이팅 장치.
The method according to claim 1,
An ideal force setting unit that sets a desired force to move the mechanical structure at a predetermined ideal speed using the speed of the end effector; And
And an end effector setting unit for setting the trajectory of the end effector using the anomaly and the position of the end effector.
제1항에 있어서,
상기 비행 매니퓰레이터는 연결 부위(joint)가
Figure pat00271
축에 대해 회전하는 로봇팔을 가지고 있으며, 상기 엔드 이펙터는 상기 멀티로터의 질량 중심에 위치하는 프레임
Figure pat00272
Figure pat00273
평면(
Figure pat00274
)에서 움직이도록 허용되는 것을 특징으로 하는 오퍼레이팅 장치.
The method according to claim 1,
The flight manipulator has a joint
Figure pat00271
The end effector having a robot arm rotatable about an axis, the end effector including a frame positioned at the center of mass of the multi-
Figure pat00272
of
Figure pat00273
plane(
Figure pat00274
) Of the operating device (10).
제1항에 있어서,
상기 방향 필터는 다음 수학식에 따라 상기 기구적 구조물의 이동 방향을 추정하는 것을 특징으로 하는 오퍼레이팅 장치,
Figure pat00275

여기서,
Figure pat00276
는 상기 기구적 구조물의 이동 방향이고,
Figure pat00277
는 상기 방향 필터의 대역폭을 결정하는 파라미터이고,
Figure pat00278
는 상기 엔드 이펙터의 속도임.
The method according to claim 1,
Wherein the directional filter estimates the moving direction of the mechanical structure according to the following equation: < EMI ID =
Figure pat00275

here,
Figure pat00276
Is the moving direction of the mechanical structure,
Figure pat00277
Is a parameter for determining the bandwidth of the directional filter,
Figure pat00278
Is the speed of the end effector.
제7항에 있어서,
상기 방향 필터는 다음 수학식에 따라 상기 이동 방향을 변환하여 상기 컨트롤러에서 이용되도록 하는 것을 특징으로 하는 오퍼레이팅 장치,
Figure pat00279

여기서,
Figure pat00280
는 상기 기구적 구조물의 이상적인 요(yaw) 각도임.
8. The method of claim 7,
Wherein the directional filter transforms the moving direction according to the following equation to be used in the controller:
Figure pat00279

here,
Figure pat00280
Is an ideal yaw angle of the mechanical structure.
제5항에 있어서,
상기 엔드 이펙터 설정부는 상기 멀티로터에 작용하는 모멘트
Figure pat00281
를 감소하는 방향으로 상기 엔드 이펙터가 이동되도록 하며, 하기 수학식에 따른 상기 엔드 이펙터의 최적 위치를 안내하는 것을 특징으로 하는 오퍼레이팅 장치,
Figure pat00282

여기서,
Figure pat00283
는 상기 엔드 이펙터의 현재 위치이며,
Figure pat00284
는 가중 파라미터이고,
Figure pat00285
는 상기 로봇팔의 작업영역에 대한 사용자 정의 부분집합임.
6. The method of claim 5,
Wherein the end effector setting unit sets a moment acting on the multi-rotor
Figure pat00281
Wherein the end effector is moved in a direction to decrease the end effector, and guides the optimum position of the end effector according to the following equation:
Figure pat00282

here,
Figure pat00283
Is the current position of the end effector,
Figure pat00284
Is a weighting parameter,
Figure pat00285
Is a user-defined subset of the working area of the robotic arm.
멀티로터에 로봇팔이 부착된 비행 매니퓰레이터를 이용하여 기구적 구조물을 오퍼레이팅하는 방법으로서,
상기 비행 매니퓰레이터에 관한 위치정보를 획득하는 단계;
상기 위치정보로부터 상기 로봇팔의 끝단에 설치된 엔드 이펙터의 속도를 추정하는 단계;
상기 엔드 이펙터의 속도를 이용하여 상기 기구적 구조물의 이동 방향을 추정하는 단계; 및
추정된 상기 이동 방향에 상응하여 상기 멀티로터의 추력 및 모멘트를 산출하여 상기 멀티로터를 제어하는 단계를 포함하는 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법.
A method for operating a mechanical structure using a flight manipulator having a robot arm attached to a multi-rotor,
Obtaining location information about the flight manipulator;
Estimating a velocity of an end effector installed at an end of the robot arm from the position information;
Estimating a moving direction of the mechanical structure using the speed of the end effector; And
And controlling the multi-rotor by calculating a thrust and a moment of the multi-rotor in accordance with the estimated movement direction.
제10항에 있어서,
상기 위치정보는 상기 멀티로터의 위치 및 자세, 상기 비행 매니퓰레이터의 위치, 상기 엔드 이펙터의 위치 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the position information includes at least one of a position and an attitude of the multi-rotor, a position of the flight manipulator, and a position of the end effector.
제10항에 있어서,
상기 기구적 구조물은 이동 방향이 제한적으로 허용되는 기구적 제한을 가지는 것을 특징으로 하는 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the mechanical structure has mechanical limitations in which the direction of movement is limited.
제12항에 있어서,
상기 기구적 구조물은 상기 이동 방향과 상기 기구적 구조물의 기구적 특성이 사전에 제공되지 않는 미지의 구조물인 것을 특징으로 하는 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the mechanical structure is an unknown structure in which the moving direction and the mechanical characteristics of the mechanical structure are not previously provided.
제10항에 있어서,
상기 엔드 이펙터의 속도를 이용하여 상기 기구적 구조물을 미리 지정된 이상적인 속도로 이동시키는 이상력(desired force)을 설정하는 단계; 및
상기 이상력과 상기 엔드 이펙터의 위치를 이용하여 상기 엔드 이펙터의 궤도를 설정하는 단계를 더 포함하는 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법.
11. The method of claim 10,
Setting a desired force to move the mechanical structure at a predetermined ideal speed using the speed of the end effector; And
And setting the trajectory of the end effector using the anomaly and the position of the end effector.
제10항에 있어서,
상기 비행 매니퓰레이터는 연결 부위(joint)가
Figure pat00286
축에 대해 회전하는 로봇팔을 가지고 있으며, 상기 엔드 이펙터는 상기 멀티로터의 질량 중심에 위치하는 프레임
Figure pat00287
Figure pat00288
평면(
Figure pat00289
)에서 움직이도록 허용되는 것을 특징으로 하는 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법.
11. The method of claim 10,
The flight manipulator has a joint
Figure pat00286
The end effector having a robot arm rotatable about an axis, the end effector including a frame positioned at the center of mass of the multi-
Figure pat00287
of
Figure pat00288
plane(
Figure pat00289
) Of the mechanical structure (1).
제10항에 있어서,
상기 이동 방향 추정 단계는 다음 수학식에 따라 상기 기구적 구조물의 이동 방향을 추정하는 것을 특징으로 하는 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법,
Figure pat00290

여기서,
Figure pat00291
는 상기 기구적 구조물의 이동 방향이고,
Figure pat00292
는 상기 방향 필터의 대역폭을 결정하는 파라미터이고,
Figure pat00293
는 상기 엔드 이펙터의 속도임.
11. The method of claim 10,
Wherein the moving direction estimating step estimates the moving direction of the mechanical structure according to the following equation:
Figure pat00290

here,
Figure pat00291
Is the moving direction of the mechanical structure,
Figure pat00292
Is a parameter for determining the bandwidth of the directional filter,
Figure pat00293
Is the speed of the end effector.
제16항에 있어서,
상기 이동 방향 추정 단계는 다음 수학식에 따라 상기 이동 방향을 변환하여 상기 컨트롤러에서 이용되도록 하는 것을 특징으로 하는 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법,
Figure pat00294

여기서,
Figure pat00295
는 상기 기구적 구조물의 이상적인 요(yaw) 각도임.
17. The method of claim 16,
Wherein the moving direction estimating step converts the moving direction according to the following equation to be used in the controller:
Figure pat00294

here,
Figure pat00295
Is an ideal yaw angle of the mechanical structure.
제14항에 있어서,
상기 엔드 이펙터 궤도 설정 단계는 상기 멀티로터에 작용하는 모멘트
Figure pat00296
를 감소하는 방향으로 상기 엔드 이펙터가 이동되도록 하며, 하기 수학식에 따른 상기 엔드 이펙터의 최적 위치를 안내하는 것을 특징으로 하는 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법,
Figure pat00297

여기서,
Figure pat00298
는 상기 엔드 이펙터의 현재 위치이며,
Figure pat00299
는 가중 파라미터이고,
Figure pat00300
는 상기 로봇팔의 작업영역에 대한 사용자 정의 부분집합임.
15. The method of claim 14,
The end effector trajectory setting step may include setting a moment acting on the multi-rotor
Figure pat00296
Wherein the end effector is moved in a direction to decrease the end effector, and the optimal position of the end effector according to the following equation is guided:
Figure pat00297

here,
Figure pat00298
Is the current position of the end effector,
Figure pat00299
Is a weighting parameter,
Figure pat00300
Is a user-defined subset of the working area of the robotic arm.
제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 기재된 기구적 구조물 오퍼레이팅 방법을 수행하기 위해 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 프로그램을 기록한 기록매체.
19. A recording medium on which a program that can be read by a digital processing apparatus for performing the method of operating the mechanical structure according to any one of claims 10 to 18 is recorded.
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