KR20190075098A - 로봇을 지시하는 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 로봇을 지시하는 시스템(1) 및 방법에 관한 것이다. 시스템(1)은 마스터 로봇 암(2)와의 운전자 상호작용이 워크피스(4)와 상호작용을 위해 배치된 슬레이브 로봇 암(3)에 의해 반영되도록 이머시브 햅틱 인터페이스를 포함한다. 슬레이브 로봇 암(3)

Description

로봇을 지시하는 시스템 및 방법
본 발명은 로봇 기술에 관한 것으로서, 특히 힘의 상호 작용에 의해 직관적인 방식으로 로봇을 지시하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 운전자는 다수의 암들의 햅틱 및 제어를 기반으로 이머시브 방식(immersive manner)으로 워크피스와 접촉하는 엔드-이펙터(end-effector)를 움직이는 로봇 등의 로봇의 태스크를 정의하는 직관적인 명령을 사용할 수 있다.
로봇 모션은 잘 정의된 상호작용 힘으로 환경과 물리적 접촉하여 수행되는 것이 일반적인 경우이다. 특정 구성에서, 이러한 모션들을 특정하고 제어하는 방법이 잘 알려져 있다. 그러나 유연성과 생산성에 대한 니즈(needs)는 물리적 배치 및 장비 선택에 대해 휴대될 모션 정의들을 요구하며 또한, 각 특정 어플리케이션의 자격이 있는 엔지니어링 없이 전문가가 아닌 운전자들을 허용하는 직관적인 명령에 대한 니즈가 있다.
로봇은 하나 또는 여러개의 암들을 갖는 프로그램가능한 매니퓰레이터로서 정의되는데, 각 암은 하나 또는 몇 개의 엔드-이펙터들을 선택적으로 갖추고 있으며, 하나 또는 여러개의 암들의 조인트들은 컨트롤러에 의해 제어된다. 로봇은 많은 분야의 산업에서 폭넓은 어플리케이션을 발견했다. 일부 산업 분야들은 사람의 건강에 위험한 작업 또는 사람이 견디기 어려운 조건 하에서 수행되는 작업과 관련된다. 다른 산업 분야들은 로봇에 의해 훨씬 효율적이고 정밀하게 수행될 수 있는 반복적인 태스크에 관련된다.
로봇들은 일부 컴퓨터 프로그래밍 언어들을 사용하여 로봇 제공자에 의해 시스템 레벨 상에서 프로그래밍될 수 있다. 일반적으로, 시스템 또는 컨트롤러의 일부는 사용자 프로그램의 인터프리터로서, 해당 인터프리터에 의해 정의된 일부 로봇 프로그래밍 언어로 작성된다. 이들 엔드-유저 프로그램들은 로봇 프로그램으로 지칭된다. 로봇 프로그램은 해석될 수 있는 명령어들에 의해 형성된다. 다음과 동등하게, 로봇 프로그램은 컴파일될 수 있으며 시스템 레벨과 사용자 레벨 프로그램의 다양한 조합이 활용될 수 있다.
로봇 프로그램은 평문(plain text)로 직접 작성되거나 그래픽 3D 환경에서 정의될 수 있으며, CAD/CAM 시스템으로부터 생성되거나 매니퓰레이터의 수동 안내를 사용하여 또는 이들과 다른 가능한 기술들의 조합에 의해 지시될 수 있다. 어떤 타입의 명령어들은 특정 기술로 정의하는게 용이하기 때문에 조합이 적절하다. 엔드-이펙터 모션들과 같이 실행시, 물리적 효과로 되는 명령어들은 로봇의 효율적인 사용을 위해 특히 주목된다.
조립 어플리케이션과 같은, 힘 상호작용에 대해, 원하는 모션은 로봇을 동작하고 있는 생산 엔지니어에 의해 가장 잘 관찰되거나 경험된 종종 모델링되지 않은 물리적 행동에 종종 좌우된다. 운전자 경험-기반의 의도를 대응하는 로봇 명령어 세트에 전달하는 방법은 종종 광범위한 연구를 필요로 했다. 이상적으로는, 로봇 프로그램이 로봇에 의해 수행될 의도된 태스크를 정의하는 것이다. 실제적으로는 오늘날, 프로그램된 명령어들을 실행하는 로봇은 엔드-이펙터가 태스크의 일부로서 실제 모션을 수행하도록 로봇의 조인트들을 제어하는 컨트롤러의 기능들을 호출하지만, 컨트롤러의 이용가능한 명령어 세트는 주로 2차적 효과들의 수단을 제공하기 때문에, 프로그램은 애드-혹(ad-hoc) 변경을 필요로 한다.
이러한 2차적 효과는 운전자의 의도를 표현하는 명령어 파라미터로 힘-제어된 모션을 직접 수행하기보다는 암시 적으로 프로그래밍된 위치 편차가 되어 원하는 엔드 이펙터 힘이 발생할 수 있다. 이러한 바람직하지 않은 상황에 대한 하나의 이유는 로봇 프로그래밍 및 제어 기능들이 자유 공간에서 작동하거나, 워크피스와 접촉하는 엔드 이펙터로 작동하는 위치-제어된 모션들에 통상적으로 기반하기 때문이다. 즉, 로봇과 그 환경 사이의 원하는 접촉 힘의 경우라도, 모션 정의는 프로그램된 위치들에 기반하며, 결과적인 힘은 물체들이 서로 접촉하도록 하는 위치들로부터 2차적인 효과가 된다. 제어의 사용자 또는 시스템 레벨에 기반한 위치인 모션들은 제어 기능들이 힘 접촉의 단단함과 같은 종류의 환경 없이, 검증될 수 있는 패키지화된 제어 특징들로서 제공하고 지원하기 쉽다는 장점을 갖는다. 단점은 2차적 효과와 같은 힘들은 타당한 대역폭으로 특정하고 제어히기 더 어려울 수 있다는 것이 될 수 있다.
접촉 힘들의 적절한 제어를 달성하기 위해, 다양한 제어 방법들이 발전되어 왔다. 힘 센서들 및 힘 추정 기술들이 이러한 제어를 용이하게 하게 하는 일반적이 기술이 되고 있다. 접촉 및 비접촉 상황 사이의 전환에 특별한 관심이 있어왔다. 또한 로봇 매니퓰레이터의 기구학적 구조에 대한 의존성은 산업적 적용의 장애물이었지만, 지난 10년 동안 최대 6D까지 힘/토크 제어형 엔드 이펙터 모션이 가능한 여러 제품이 출시되었다.
로봇 태스크 정의에 대한 일반적인 접근법 중 하나는 실제 로봇과 동일한 타입의 가상 로봇을 프로그래밍하는 것이다. 이것은 일반적으로 3D 그래픽을 갖는 일부 프로그래밍 툴에서 수행된다. 그러나 상호작용-힘은 그러한 프로그래밍 환경에서 처리되지 않으므로 환경과의 물리적 상호 작용을 포함하는 로봇 프로그래밍은 시간이 많이 소요되고 물리적 시스템에 대한 반복적인 테스트를 포함하여 수 시간의 엔지니어링을 요구한다.
다른 접근법은 단일-암 로봇에 위치 제어 및 힘 제어 모두에 대해 모션을 명령하는 데 사용되는 또 다른 힘 감지 장치를 장착하는 것이다. 그러나 일반적인 단일-암 리드 쓰루 프로그래밍이 비실용적이거나 바람직하지 않은 많은 경우가 있다.
- 안전 제한(연삭 툴, 프레스 기계 등)으로 인해 로봇에 가깝게 있는 것이 가능하지 않을 수 있다.
- 인간이 들어갈 수 없도록 작업 공간이 흩어져 있을 수 있다.
- 운전자와 매니퓰레이터 간의 연결은 태스크의 성격을 바꿀 수 있다.
2012 년 5 월 14 일 - 18 일에 열린 Robotics and Automation(ICRA), 2012 IEEE International conference 에서 Gianni Borghesan et al에 의한 "A constraint-based programming approach to physical human-robot interaction"에서 원격조작 시스템의 설계에 대한 구속조건 기반 접근법이 고려되었다. 이 논문은 최첨단 기술로서, 이 접근법은 순전히 기구학적인 반면, 대부분의 어플리케이션에서 힘 인터플레이는 동역학과 더 관련이 있음을 나타낸다. 따라서 시스템의 동역학을 또한 반영하기 위해서는 개선이 여전히 필요하다.
본 발명의 목적은 현존하는 기술의 한계 중 적어도 일부를 완화시키는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 워크피스와의 잘 정의된 힘 상호작용을 나타내는 로봇 모션들의 실제의 효율적인 티칭이 가능하도록 하는 것이다. 이러한 효율적인 티칭을 위해, 로봇 지시자/프로그래머는 현재 태스크의 일부가 아니거나 사용된 장비/로봇의 외형으로부터 이해하기 어려운 시스템 구속조건에 주의를 기울여서는 안된다. 이러한 시스템이 널리 산업적 용도로 유지되기 위해서는 구현이 모델 기반이어야 하며 재프로그래밍 없이 새로운 메커니즘을 통합할 수 있어야 한다.
이들 목적 및 다른 목적은 적어도 부분적으로는 독립항에 따른 시스템 및 방법, 및 종속항들에 따른 실시 예에 의해 달성된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 로봇에게 지시하는 시스템이 제안된다. 이 시스템은 운전자 상호작용에 영향을 받기 위해 배치된 마스터 로봇 암(master robot arm)과 워크피스와의 상호 작용을 위해 배치된 슬레이브 로봇 암(slave robot arm)을 포함한다. 상기 시스템은 또한 운전자와 마스터 로봇 암 사이의 힘 인터플레이를 나타내는 마스터 외력 데이터를 결정하고, 슬레이브 로봇 암과 워크피스 사이의 힘 인터플레이를 나타내는 슬레이브 외력 데이터를 결정하도록 구성된 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은 마스터 마스터 커플링 프레임의 속도 및 슬레이브 커플링 프레임의 속도가 상관되도록, 로봇 암의 지정된 마스터 커플링 프레임과 슬레이브 로봇 암의 지정된 슬레이브 커플링 프레임 사이의 커플링, 즉 기구학적 커플링을 정의하는 구속 서브모듈을 포함하는 햅틱 인터페이스 모듈을 더 포함한다. 햅틱 인터페이스 모듈은 또한, 마스터 외력 데이터, 슬레이브 외력 데이터, 마스터 로봇 암의 모델 즉, 동역학 모델, 슬레이브 로봇 암의 모델, 즉 동역학 모델 및 동역학 모델에 의해 부과된 구속조건들이 존중되면서 기구학적 커플링을 달성하기 위한 힘/토크를 포함하는 동역학 모델들 사이의 관계에 기초하여 마스터 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하도록 구성된 계산 서브모듈 예컨대, 솔버 서브모듈을 더 포함한다. 시스템은 또한 조인트 움직임 명령에 따라 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암을 제어하도록 더 구성된다. 그러면 운전자는 시스템의 동역학을 반영하는 힘 인터플레이로부터 햅틱 피드백을 수신한다. 명령은 지시와 관련될 수 있지만, 궤적 생성기 또는 임의의 다른 계산에 따라 서보 제어에 대한 참조로서 제공된 시계열의 셋포인트일 수도 있다. 시스템은 또한 슬레이브 로봇 암과 관련된 프레임의 결과적인 움직임을 기록하고 동일한 프레임의 워크피스에 결과적인/인가된 힘을 기록하도록 구성된다. 이 프레임은 TCP(Tool Center Point) 프레임, 엔드 플랜지 프레임, 또는 슬레이브 로봇 암의 엘보우의 프레임일 수 있다.
이 시스템은 마스터 로봇 암을 통해 슬레이브 로봇 암을 직관적으로 지휘하는 데 운전자를 지원하고, 운전자는 현재의 어플리케이션으로부터 햅틱 및 시각적 피드백의 조합을 사용하여 마스터 로봇 암이 어떻게 반응하는지 감지하고 볼 수 있다. 로봇 태스크의 일부로서 모션 지시는 이머시브 방식으로 정의될 수 있으며, 그에 따라 운전자가 실제 태스크에 집중하는 것을 용이하게 한다. 여기서, 이머시브(immersive)는 원하는 엔드 이펙터 동작(예컨대, 워크피스에 작용하는 적절한 힘을 갖는 태스크)는 운전자가 물리적으로 명확하지 않은 단일 구성에 대한 근접성의 동역학 효과들과 같은 어떤 주변의 인위적인/역학적 구속조건에 최소의 인지 노력을 하면서 운전자가 원하는 모션에 완전히 집중하는 상태에서 자연적/물리적 운전자 상호작용으로부터 기인한다. 따라서 하나의 목표는 이러한 동역학 효과에도 불구하고 기구학적 커플링을 유지하는 것이다.
이 시스템은 로봇의(및 가능하게 인간의) 워크피스의 물리적 배치가 로봇을 지시하는 것과 태스크를 수행하는 로봇 사이에서 다를 수 있으므로 로봇을 지시하는 데 유연성을 제공한다. 인위적인 제한을 유연한 방식으로 처리하는 맵핑과 협동하여 운전자-로봇의 상호작용에서 결정된 힘으로, 임의의 엔드 이펙터와 워크피스 간의 관계를 물리적으로 그리고 가상적으로 유지함으로써, 로봇 및 암 배치의 유형과 같은 변화는 오늘날 어플리케이션에서와 같이 복잡한 튜닝 없이 허용된다.
이 시스템은 운전자가 직관적인 방식으로 로봇을 가르 칠 수 있도록 해주며, 이는 제조 공정을 알고( 프로그래밍 및 로봇 명령어들을 간접적으로 작동하는 오늘날의 복잡한 튜닝의 경험이 거의 없음) 있는 운전자가 당면의 물리적 프로세스에 가깝게 작업할 수 있기 때문에 산업적으로 가치가 있다. 그럼에도 불구하고 운전자는 로봇 작업공간 경계 및 제한된 그리퍼 손재주와 같은 실질적인 제한 사항에 대처해야 하지만 이러한 제한 사항은 운전자에게 명백하고 명령을 하는 것은 관련된 물리량을 모니터링하고 물리량을 필요한 내부 표현으로 맵핑하도록 구성될 수 있는 컨트롤러에 의해 처리되므로, 로봇을 지시하는 것이 직관적이라고 인식되도록 제어의 복잡성이 캡슐화된다.
앞서 언급했듯이, 힘-상호작용하는 태스크는 특히 프로그램하기가 어렵다. 선행 기술의 주요 문제점은 운전자가 로봇의 상호작용 점과 워크피스 사이에서 작용하는 것과 동일한 모션 및 힘을 느낄 수 없다는 점이다. 개시된 시스템은 이러한 문제점을 해결한다. 이전에는 로봇 모션의 기구학적 및 동역학적 효과가 시연(demonstration)을 방해했지만 현재의 혁신적인 시스템에서는 이러한 효과는 처리되었다. 그에 따라, 이 시스템은 힘 상호작용을 포함하는 태스크를 프로그래밍하는 프로세스의 속도를 높이는데 유용하다. 힘 및 위치가 고려되기 때문에, 워크피스의 위치에서의 적정한 변동은 용이하게 처리될 수 있다.
시스템 제한 사항들이 제한된 토크 및 관성력과 같은 동역학적 한정에 종종 관련된다는 사실 및 잘-정의된 힘 상호작용과 함께 모델-기반 접근법은 동역학 모델들이 허용된 모션에 대한 구속조건을 부과함을 의미하고, 일 예에서, 산업적 구현은 고급의/유연하지 않은 재프로그래밍 대신에 어떤 타입의 솔버에 의해 용이하게 통합된다.
로봇 태스크의 효율적인 정의를 용이하게 하기 위해, 시스템은 마스터 로봇 암이 기존 산업용 로봇 제어 시스템에 맞는, 효율적이고 지관적인 방식으로 슬레이브 로봇으로 명령을 전달하는 솔루션을 제공한다. 마스터 로봇 암은 예를 들어. 힘 감지 및 힘 제어 능력을 갖춘 표준 햅틱 인터페이스 또는 매니퓰레이터(manipulator)가 될 수있는 물리적 로봇 암이다. 슬레이브 로봇 암은 애플리케이션에서 사용되는 실제 로봇이거나 적절한 모델의 환경에서 그의 가상의 표현이 될 수 있다. 다중 마스터 암 및 다중 슬레이브 암은 명백한 확장이다. 예컨대, 하나의 이중-암 로봇은 별도의 모션들을 위한 2개의 손들을 사용하여 운전자를 위한 마스터 장치로서 작동하여, 슬레이브 이중-손 장치로서 명령어들을 실행하는 다른 이중-암 로봇에 영향을 줄 수 있다. 현대의 산업 컨트롤러는 실시간 통신 네트워크 상에서 이러한 연결들을 허용한다. 간단함을 위해, 단일 마스터 및 단일 슬레이브가 이하에서 설명된다.
암들의 마스터 및 슬레이브 역할은 동작 동안 동적으로 변화할 수 있으며, 마스터와 슬레이브 사이의 원하는 커플링은 기존 로봇 제품들의 기능은 넘어서는 것이라도, 시장에서 구할 수 있는 로봇들은 가상의 용어로 의도된 동작과 기존 인터페이스에 대한 물리적 명령/제어 신호들 사이의 포함된 맵핑에 의해 모듈로서 여전히 사용될 수 있다. 따라서, 햅틱 피드팩을 위한 바람직한 힘들은 산업 실행 및 성능 니즈에 따라 정의될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 상기 구속 서브모듈은 복수개의 구속조건들을 포함하며, 상기 계산 서브모듈은 동역학 모델들에 의해 부과된 구속조건이 존중되면서 해당 구속된 모션이 달성되도록 복수의 모션 구속조건에 기초하여 상기 마스터 로봇 암에 대한 상기 조인트 움직임 명령 및 상기 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하도록 구성된다. 다시 말해, 상기 계산 서브모듈은, 추가적인 모션 구속조건들이 존중되도록, 마스터 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하도록 구성된다. 추가적인 모션 구속조건, 그에 따른 복수개의 모션 구속조건중 하나는 예컨대, 조인트 한계, 한 쌍의 프레임들 사이의 거리, 한 쌍의 조인트들의 커플링 또는 예컨대, 어떤 힘으로 표면을 따라 모션을 포함하는 태스크에 대한 모션 구속조건을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 계산 서브모듈의 구성은 구속 모듈에 포함된 서술적 기호의 동역학 모델들 및 서술적 기호의 구속조건에 기초하여 자동으로 이루어지므로, 새로운 어플리케이션/장비를 위해 시스템을 재프로그래밍할 필요를 회피할 수 있다. 따라서, 복수의 구속조건의 제안된 통합은 일 실시예에 따른 본 발명의 특징이다. 구속 서브모듈에 의해 정의된, 전술한 기구학적 커플링은 또한 모션 구속조건인 것을 여기에서 언급한다. 모션 구속조건은 어플리케이션 설정에 따라 사용자에 의해 정의되고, 구속 서브모듈에서 표현된다.
일부 실시예에 따라, 상기 계산 서브모듈은 상기 시스템(1)의 동역학들 사이의 관계를 정의하는 미분-대수 방정식의 시스템에 대한 해(solution), 및 상기 동역학 모델들에 의해 부과된 상기 구속조건들이 존중되면서 상기 기구학적 커플링을 달성하는데 필요한 상기 힘 및/또는 토크를 결정하고, 상기 마스터 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령 및 상기 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하도록 상기 해를 이용하도록 구성된다. 상기 미분-대수 방정식의 시스템은 이하에서 더 상세히 설명된다.
일부 실시예들에 따라, 상기 계산 서브모듈은 동역학 모델들에 의해 부과된 구속조건들이 존중되면서 기구학적 커플링을 달성하는데 필요한 힘 및/또는 토크를 포함하는 해를 계산하도록 구성된다. 힘 및/또는 토크는 가상의/인위적인/역학적 힘 및/또는 토크로 지칭될 수 있다. 이는 이들이 마스터 로봇 암 및/또는 슬레이브 로봇 암에 대해 작용하는 실제 힘 및/또는 토크가 아니기 때문이다. 그러나, 동역학 모델들, 마스터 로봇 암/슬레이브 로봇 암 등의 구속조건들을 반영하기 위해 상기 방법에 의해 계산된 힘 및/또는 토크는 운전자가 햅틱 피드백을 통해 구속조건을 인지할 수 있도록 상기 방법에 의해 인가된다. 다시 말해, 상기 계산 서브모듈, 즉, 솔버 서브모듈은 적어도 마스터 로봇 암 및/또는 슬레이브 로봇 암에 대한 모션 구속조건을 유지하는데 필요한 하나의 가상의 힘 및/또는 적어도 하나의 가상의 토크을 결정하도록 구성되며, 또한, 적어도 하나의 가상의 힘에 또한 기초하여 마스터 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 결정하도록 더 구성된다. 따라서 개념적 가상 힘이 여기에 명시적으로 표현된다.
일부 실시예에 따라, 솔버 서브모듈과 같은 계산 서브 모듈은 임의의 기구학적 구성에서 모션 구속조건을 유지하는데 필요한 적어도 하나의 가상 힘 및/또는 적어도 하나의 가상 토크를 결정하도록 구성된다. 따라서, 상기 계산 서브 모듈은 여기에서, 슬레이브 로봇 암 및/또는 마스터 로봇 암의 임의의 기구학적 구성에 대해, 동역학적 구속조건을 강제하기 위해 가상 힘 및/또는 가상 토크를 계산하도록 구성된다.
일부 실시 에 따라, 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암은 상이한 기구학을 가지며, 및/또는 상이한 자유도 DOF를 갖는다. 따라서, 제안된 시스템에서 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암의 동일한 기구학 또는 동일한 수의 자유도를 가질 필요가 없다. 일부 실시예에 따르면, 제어 유닛은 제어 유닛을 재프로그래밍하지 않으면서 다른 마스터 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령 및/또는 다른 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하도록 구성된다. 재프로그래밍이란 마스터 및 슬레이브 암 특성들의 예기치 않은 조합에 대처하기 위해 시스템 소프트웨어 또는 로봇 프로그램의 변경을 의미한다. 선행 기술 솔루션에서 필요에 따라 그러한 변경은 일반적으로 사용자측에서 가능하지 않은 역량을 요구하기 때문에 문제가 된다. 그 대신, 본 발명에 따르면, 애플리케이션 구속조건은 구속 모듈에서 기술적 방식으로 표현되며, 이는 솔버를 통해 필요한 연산을 발생시킨다.
일부 실시예에 따르면, 상기 시스템은 결정된 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 외력 데이터를 기록하도록 구성된다. 일부 실시예들에 따라, 상기 시스템은 슬레이브 로봇 암에 관련된 프레임으로 표현된 상기 기록된 결과적인 움직임에 기초하여 그리고, 동일한 프레임에서 워크피스에 상기 기록된 결과적인/인가된 힘에 기초하여 로봇 프로그램 또는 로봇 명령어들을 결정하도록 구성된다. 일부 실시예들에 따라, 로봇 프로그램은 적어도 하나의 명령어 세트를 포함한다.
일부 실시예에 따르면, 마스터 커플 링 프레임과 슬레이브 커플 링 프레임 사이의 기구학적 커플링은 태스크 공간에서 정의된다. 태스크 공간(작업 공간이라고도 함)은 로봇 태크스와 관련된 데카르트 프레임의 모션 및 힘이 특정되는 공간을 말한다. 이 프레임은 예를 들어 엔드 이펙터, 엔드 이펙터에 의해 유지된 물체 또는 로봇이 작업하는 고정된 또는 움직이는 물체에 부착될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 동역학 모델들은 예를 들어, 기계적 다중-바디 효과 및 적절한 동역학 거동에 대한 비선형 피드백의 측면에서 비선형 동역학 모델들이다. 종래 기술에서의 선형 모델은 비선형 모델의 특별한 경우임이 여기에서 언급되어야 한다. 따라서, 본 발명은 표준 폐쇄 루프 제어를 사용하여 얻어진 동역학과는 다른, 시스템의 물리적 특성에 기인한 실제 동역학의 보다 일반적인 경우를 다루는데, 작동에 의해 동역학을 보다 자유롭게 변경할 수 있게 된다.
일부 실시 예에 따르면, 상기 마스터 외력 데이터는 상기 마스터 로봇 암의 적어도 하나의 조인트의 조인트 모션 데이터 및/또는 조인트 위치 데이터 및/또는 모터 신호 데이터에 기초하여 결정되며, 상기 슬레이브 외력 데이터는 슬레이브 로봇 암의 적어도 하나의 조인트의 조인트 모션 데이터 및/또는 조인트 위치 데이터 및/또는 모터 신호 데이터에 기초하여 결정된다. 일부 실시 예에 따르면, 상기 외력 데이터는 하나 이상의 토크 센서들 및/또는 상기 마스터 로봇 암 또는 슬레이브 로봇 암의 적어도 하나의 조인트의 조인트 힘 데이터 및/또는 모터 신호 데이터로부터 획득된다.
일부 실시 예에 따르면, 제어 유닛은 햅틱 피드백이 상기 마스터 로봇 암 및/또는 슬레이브 로봇 암의 제한된 및/또는 단일 구성에 따라 호환되거나 조정되도록, 상기 마스터 로봇 암과 상기 슬레이브 로봇 암 사이에서 힘 및 토크의 양방향 전달을 달성하도록 구성된다. 여기에서, 양방향이란 힘 인터플레이가 비인과적이 될 수 있는 모델들(서술적 방식으로 표현된 DAE)과 일치하도록 제어 신호들의 부분적으로 동시 전달을 의미한다.
일부 실시예에 따르면, 마스터 로봇 암은 슬레이브 로봇 암으로부터 기계적으로 분리되어 있다. 따라서, 슬레이브 로봇 암 및 마스터 로봇 암은 별개의 암일 수 있으며, 예를 들어 상이한 로봇에 속하거나 2 개의 물리적인 암을 갖는 동일한 로봇에 속할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 슬레이브 로봇 암은 가상의 슬레이브 로봇 암이다. 슬레이브 로봇 암은 가상 환경의 일부로 가상의 암이다. 일부 다른 실시예에 따르면, 슬레이브 로봇 암 및 마스터 로봇 암은 동일한 암이지만, 마스터 및 슬레이브 힘, 즉 마스터 외력 데이터 및 슬레이브 외력 데이터를 결정하기 위해 부가적인 힘 감지 수단이 배치된다. 작동된 슬레이브 로봇 암은 물리적이지만 마스터 로봇 암과 동일한 암이다.
일부 실시예에 따르면, 햅틱 인터페이스 모듈은 상기 슬레이브 로봇 암 상의 적어도 하나의 제한사항을 적어도 하나의 직관적인 힘 반응으로 맵핑하도록 구성되고, 상기 제어 유닛이 상기 마스터 로봇 암으로의 햅틱 피드백을 재생하도록 구성된다. 일부 실시예에 따르면, 직관적인 힘 반응은 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암에 공통인 공통 워크피스 상에서의 직접적인 기구학적 커플링에 대응한다.
제 2 양태에 따르면, 본 발명은 로봇에게 지시하는 방법을 제안한다. 상기 방법은 운전자와 마스터 로봇 암 사이의 힘 인터플레이를 나타내는 마스터 외력 데이터를 결정하는 단계 및 슬레이브 로봇 암과 워크피스 사이의 힘 인터플레이를 나타내는 슬레이브 외력 데이터를 결정하는 단계를 포함한다.
이 방법은 또한, 마스터 외력 데이터, 슬레이브 외력 데이터, 마스터 로봇 암의 모델 즉, 동역학 모델, 슬레이브 로봇 암의 모델, 즉 동역학 모델 및 마스터 로봇 암의 지정된 마스터 커플링 프레임과 슬레이브 로봇 암의 지정된 슬레이브 커플링 프레임 사이의 정의된 커플링 즉, 기구학적 커플링에 기초하여 그리고, 상기 비선형 동역학 모델들에 의해 부과된 구속조건을 존중하면서 기구학적 커플링을 달성하기 위한 힘/토크를 포함하는 동역학 모델들 간의 관계를 강제하여 마스커 커플링 프레임의 속도와 슬레이브 커플링 프레임의 속도가 상관되도록 함으로써 마스터 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하는 단계를 포함한다. 상기 방법 또한 조인트 움직임 명령에 따라 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암을 제어하는 단계를 더 포함한다. 그런 다음, 운전자는 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암의 동역학을 반영하는 힘 인터플레이로부터 햅틱 피드백을 수신한다. 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암의 동역학은 물리적 특성 및 개별(또는 공통) 제어 시스템/제어 장치로 인해 발생한다. 힘 인터플레이로부터의 햅틱 피드백은 시스템과 관련하여 설명된 바와 같이 시스템의 추가적인 동역학을 반영할 수 있으며, 이하에서 더 설명될 것이다.
상기 시스템과 동일한 긍정적인 효과가 이 방법으로 달성 될 수 있으며 위의 해당 섹션을 참조한다.
일부 실시예에 따르면, 상기 계산 단계는 동역학 모델들에 의해 부과된 구속조건이 존중되면서 해당 구속된 모션이 달성되도록 복수의 모션 구속조건에 기초하여 상기 마스터 로봇 암에 대한 상기 조인트 움직임 명령 및 상기 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하는 단계를 포함한다. 다시 말해, 일부 실시예에 따라, 상기 계산 단계는, 추가적인 모션 구속조건들이 존중되도록, 마스터 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하는 단계를 포함한다. 추가적인 모션 구속조건, 그에 따른 복수개의 모션 구속조건중 하나는 예컨대, 조인트 한계, 한 쌍의 프레임들 사이의 거리, 한 쌍의 조인트들의 커플링 또는 예컨대, 어떤 힘으로 표면을 따라 이동하는 태스크에 대한 모션 구속조건을 포함한다. 언급된 기구학적 커플링은 또한 모션 구속조건인 것을 여기에서 언급한다. 모션 구속조건들은 사용자에 의해 미리 정의될 수 있다.
일부 실시예들에 따라, 상기 계산 단계는 시스템의 동역학들 사이의 관계를 정의하는 미분-대수 방정식의 시스템에 대한 해, 및 마스터 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하기 위해 상기 해를 이용하여 동역학 모델들에 의해 부과된 구속조건들이 존중되면서 기구학적 커플링을 달성하기 위해 필요한 힘 및/또는 토크를 결정하는 단계를 포함한다. 상기 미분-대수 방정식의 시스템은 이하에서 더 상세히 설명된다.
일부 실시예들에 따라, 상기 계산 단계는 동역학 모델들에 의해 부과된 구속조건들이 존중되면서 기구학적 커플링을 달성하는데 필요한 힘 및/또는 토크를 포함하는 해를 계산하는 단계를 포함한다. 힘 및/또는 토크는 가상의 힘 및/또는 토크로 지칭될 수 있다. 이는 이들이 마스터 로봇 암 및/또는 슬레이브 로봇 암에 대해 작용하는 실제 힘 및/또는 토크가 아니기 때문이다. 그러나, 동역학 모델들, 마스터 로봇 암/슬레이브 로봇 암 등의 구속조건들을 반영하기 위해 상기 방법에 의해 계산된 힘 및/또는 토크는 운전자가 햅틱 피드백을 통해 구속조건을 인지할 수 있도록 상기 방법에 의해 인가된다. 다시 말해, 일부 실시예들에서, 상기 계산 단계는 적어도 마스터 로봇 암 및/또는 슬레이브 로봇 암에 대한 모션 구속조건을 유지하는데 필요한 하나의 가상의 힘을 결정하는 단계 및 적어도 하나의 가상의 힘에 또한 기초하여 마스터 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 결정하는 단계를 포함한다. 따라서, 개념적인 가상의 힘은 명시적으로 계산될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 상기 계산 단계는 마스터 로봇 암 및/또는 슬레이브 로봇 암의 기구학적 구성에서의 임의의 모션 구속조건을 유지하는데 필요한 적어도 하나의 가상의 힘 및/또는 적어도 하나의 가상의 토크를 결정하는 단계를 포함한다. 따라서, 마스터 로봇 암 및/또는 슬레이브 로봇 암의 어떤 기구학적 구성도 존중되며 그에 따라 허용된다.
일부 실시예들에 따라, 상기 방법은 결정된 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 외력 데이터를 기록하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에 따라, 상기 방법은 상기 기록된 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 외력 데이터에 기초하여 로봇 프로그램 또는 로봇 명령어를 결정하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에 따라, 상기 방법은 슬레이브 로봇 암에 관련된 프레임으로 표현된 상기 기록된 결과적인 움직임에 기초하여 그리고, 동일한 프레임에서 워크피스에 상기 기록된 결과적인/인가된 힘에 기초하여 로봇 프로그램 또는 로봇 명령어를 결정하는 단계를 포함한다. 따라서, 조인트 움직임 명령 또는 명령들, 슬레이브 암의 외력, 슬레이브 로봇 암에 관련된 프레임의 결과적인 움직임, 워크피스에 상기 기록된 결과적인/인가된 힘은 모니터링되고, 결정되고 및/또는 기록되어 명령어들 예컨대, 모션 명령어들을 형성한다. 일부 실시예들에 따라, 로봇 프로그램은 적어도 하나의 명령어 세트를 포함한다. 따라서, 적어도 하나의 명령어 세트로부터 로봇 프로그램을 형성할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 상기 방법은 상기 마스터 로봇 암의 적어도 하나의 조인트의 조인트 모션 데이터 및/또는 조인트 위치 데이터 및/또는 모터 신호 데이터에 기초하여 상기 마스터 외력 데이터를 결정하는 단계 및/또는 상기 슬레이브 로봇 암의 적어도 하나의 조인트의 조인트 모션 데이터 및/또는 조인트 위치 데이터 및/또는 모터 신호 데이터에 기초하여 슬레이브 외력 데이터를 결정하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에 따라, 상기 방법은 하나 또는 몇개의 토크 센서들로부터의 상기 외력 데이터 및/또는 상기 마스터 로봇 암 또는 슬레이브 로봇 암의 적어도 하나의 조인트의 조인트 힘 데이터 및/또는 모터 신호 데이터를 획득하는 단계를 포함한다. 따라서, 모터 토크로부터 명시적인 힘 감지 또는 관찰이 외력을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 상기 계산 단계는 햅틱 피드백이 슬레이브 로봇 암 및/또는 마스터 로봇 암의 임의의 제한된 및/또는 단일 구성에 따라 호환되거나 조정되도록, 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암 사이의 힘 및 토크의 양방향 전달을 달성하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에 따라, 마스터 로봇 암은 슬레이브 로봇 암으로부터 기계적으로 분리되어 있다.
일부 실시예에 따라, 슬레이브 로봇 암은 가상의 슬레이브 로봇 암이다.
일부 실시예에 따르면, 상기 계산 단계는 상기 슬레이브 로봇 암에 대한 적어도 하나의 제한을 적어도 하나의 직관적인 힘 반응으로 맵핑하고 상기 마스터 로봇 암으로의 상기 햅틱 피드백으로서 상기 직관적인 힘 반응을 재현하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에 따라, 직관적 힘 반응은 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암에 공통인 공통 워크피스 상에서 직접적인 기구학적 커플링에 해당한다.
제3 양태에 따라, 본 발명은 컴퓨터 프로그램에 관한 것으로, 상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터에 연결된 제어 유닛 또는 컴퓨터에 의해 상기 프로그램이 실행될 때 제어 유닛이 여기에 개시된 임의의 방법 단계들에 따라 상기 방법을 수행할 수 있도록 하는 명령어들을 포함한다.
제4 양태에 따라, 본 발명은 컴퓨터 판독가능 매체에 관한 것으로, 상기 컴퓨터 판독 가능한 매체는 제어 유닛 또는 제어 유닛에 연결된 제어 유닛 또는 컴퓨터에 의해 실행될 때 제어 유닛이 여기에 설명된 실시예에 따른 상기 방법을 수행할 수 있도록 하는 명령어들을 포함한다.
도 1은 일부 실시예에 따른 양팔 협동 로봇을 도시한다.
도 2는 일부 실시예에 따른 제어 아키텍쳐를 도시한다.
도 3은 도 2의 제어 아키텍쳐의 일부를 상세히 도시한다.
도 4는 일부 실시예에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
마스터 로봇 암: 엔드 이펙터 또는 툴 중심점(TCP)과 같은 적어도 하나의 상호작용점을 통해 물리적 운전자(operator) 상호 작용에 영향을 받기 위해 지속적으로 또는 일시적으로 배치되는 로봇 암 또는 모든 기구학적 장치 또는 링키지. 그러한 상호 작용점을 통한 영향은 1차원 내지 6 차원의 힘과 토크의 조합일 수 있다. 다중 상호작용점의 동시 사용은 6 차원 이상을 허용하며, 예를 들어, 리던던트(슬레이브) 로봇 암의 엔드 이펙터 및 기구학적 구성 모두에 영향을 미친다.
스레이브 로봇 암: 엔드 이펙터 또는 TCP와 같은 적어도 하나의 상호작용점을 통해(가상의 또는 물리적) 환경에 대한 효과를 위해 의도된(가상의 물리적) 모션들을 위해 지속적으로 또는 일시적으로 배치된 로봇 암, 또는 임의의 기구학적 장치 또는 링키지.
구속 모듈: 한 쌍의 커플링 프레임들 사이의 연결과 같은 모션 구속조건을 정의하고 저장하는 제어 시스템 모듈. 모션 구속조건이 정의될 수 있는데, 예컨대, 상대 위치 및/또는 배향의 측면에서, 한 쌍의 프레임들의 거리 커플링, 한 쌍의 조인트들의 커플링 뿐만 아니라 조인트 제한 및 태스크 구속조건과 같은 다른 모션 구속조건이 정의될 수 있다. 한 쌍의 프레임들 간의 커플링은 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암 사이의 맵핑을 포함할 수 있다. 구속 모듈은 커플링 프레임들의 쌍들 사이의 복수개의 커플링들을 포함할 수 있다. 자람직한 구속조건 모듈 구현은 로봇 구성(기구학, 엔드-이펙터들, 위치 등)에 대해 그리고, 현재의 태스크에 대해 일반적이다.
구속조건 시스템은 서로 다른 타입의 구속조건들의 영향하에 있다. 기계적인 시스템의 구속조건과 같은 시스템의 물리적 특성들 또는 환경으로 기인한 구속조건은 실제의, 고유한 자연적 구속조건으로 언급될 수 있다. 제어 시스템/제어 유닛으로 기인한 구속조건은 계산된 구속조건(또는 강제적인 구속조건)으로 지칭된다. 계산된 구속조건은 계산된 힘/토크를 발생시킨다. 시스템의 구속조건들은 모션 구속조건 및 동역학 구속조건으로 나눌 수 있다. 모션 구속조건들은 기구학적 커플링 및 기하학적 구속조건을 포함한다. 동역학 구속조건은 시스템의 동역학으로부터 발생한다.
가상의 힘(VF) 또는 가상의 토크(VT): 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암 사이의 커플링을 유지하고 다른 모션 구속조건들(조인트 제한 등)을 존중하는 계산된 힘 및 각각의 계산된 토크. 모션 구속조건들, 예컨대, 기구학적 구속조건들은 가상의 구속조건들에 의해 부과되며 가상의 힘 및/또는 가상의 토크가 된다. 따라서, 구속조건에 대한 응답으로서, 미리 정의된 구속 조건 또는 시스템에서 고유의 구속조건 중 하나 또는 여러 가지 힘/토크가 각 암에 대해 계산되어 시스템에 적용된다. 시스템은 동시에 몇 개의 서로다른 구속조건들의 영향 하에 있으며, 계산된 힘/토크는 여러 서로 다른 구속조건들 모두에 대한 반응이다.
솔버(Solver): 시간 상에서의 가상의 힘/가상의 토크를 계산하기 위해 구속 모듈에서의 구속조건, 마스터 로봇 암의 모델, 및 슬레이브 로봇 암의 모델을 사용하는 미분-대수 방정식(DAE) 솔버. 태스크는 DAE 시스템와 조합하여 상태-전이 시스템의 서술적 기호의 표현(declarative symbolic description)에 의해 달성될 수 있는데, 여기에서 후자는 모션 명령 또는 서보 셋포인트로서 실제 제어 출력을 결정하기 위한 솔버를 요구한다. 서술적인 방식으로 구속조건을 또한 표현함으로써, 통상적으로 일부 기호 수학적 소프트웨어 패키지에 따라, 새로운 로봇 태스크 및 새로운 장비/로봇들이 재프로그래밍 없이 통합될 수 있다.
이머시브: 운전자가 태스크를 직관적으로 수행할 수 있도록, 운전자가 예컨대, 시스템에 의해 워크피스와의 힘 인터플레이를 포함하는 태스크에 완전히 집중하는 경우, 시스템은 구속조건을 존중하면서 운전자에서 로봇으로 그리고 그 역으로 움직임 및 힘을 전달함으로써 태스크 상에 완전히 집중하는 것을 지원한다. 그런 다음, 운전자는 구속조건들은 직관적인 방법으로 운전자에게 전달되므로 시스템 자체에 의해 유발된 구속조건을 존중하는데에 인지적 노력을 기울일 필요가 없다. 이 시스템은 운전자에서 로봇으로 그리고 그 역으로 움직임 및 힘들을 전달하면서, 햅틱 피드백으로서 운전자에 대한 직관적인 또는 원하는 구속조건을 반영함으로써 운전자를 지원한다. 운전자는 로봇을 통해 실제 세상을 경험한다.
이머시브 인터페이스: 이머시브 방식으로 운전자와 관계를 맺는 기구학적 티칭을 위한 운전자 인터페이스.
햅틱 피드백: 터치의 감각이 인지되도록 운전자와 물리적으로 접촉하는 것에 의해 힘을 전파.
이머시브 피드백: 이머시브 인터페이스는 직접적인 시각적 피드백와 함께 달성되도록 제어 시스템 또는 제어 유닛을 통한 운전자로의 햅틱 피드백.
힘 인터플레이: 마스터 로봇 암과 운전자 사이의 그리고, 슬레이브 로봇 암과 워크피스 사이의 양방향 힘 상호작용.
마스터 로봇 암 상의 상호작용 점: 일반적으로 힘과 토크에 대해 6차원으로, 운전자와의 힘 상호작용을 제공하도록 지정된 마스터 암 상에서의 포인트 또는 더 일반적으로는 핸들. 그러나, 결합된 핸들 또는 특별한 디바이스는 영향을 더 낮은 차원으로 제한할 수 있다. 다중점들(예컨대, 핑거 당 하나)이 존재할 수 있지만, 이하에서는 하나의 등가의 점(equivalent point)이 가정된다(예컨대, 다중 핑거 힘들과 동일한 효과를 갖는 등가의 핸들을 나타냄).
슬레이브 로봇 암 상에서의 상호작용 점: 슬레이브 로봇 암 상에서의 지점 또는 다중 점들, 예컨대, 슬레이브 로봇 암의 엘보우에 설치된 엔드 이펙터 또는 이펙터로서 슬레이브 로봇 암의 엔드 포인트에 부착된 이펙터.
커플링 프레임: 마스터 로봇 암 상의 지점에 견고하게 부착된 좌표 프레임 및 슬레이브 로봇 암 상의 대응 프레임으로서, 마스터 및 슬레이브 좌표 프레임들 본 발명에 따른 제어에 의해 커플링된다. 마스터 및 슬레이브 암 각각에 대해 하나 이상의 커플링 프레임이 존재한다. 한 쌍의 커플링 프레임들은 마스터 로봇 암의 커플 링 프레임과 슬레이브 로봇 암의 대응하는 커플링 프레임을 포함한다. 따라서, 한 쌍의 커플링 프레임들은 마스터 커플링 프레임과 슬레이브 커플 링 프레임을 포함한다.
본 발명은 운전자가 로봇을 감지하고 로봇을 통해 동작하는 태스크 시연을 위한 이머시브 햅틱 인터페이스에 관한 것이다. 이것은 동역학적 레벨에서 두 개의 로봇 암들 또는 시스템들을 연결하여 이루어진다. 단일 구성 또는 암 또는 로봇 중 하나의 도달 범위에 의해 야기되는 제한사항들은 햅틱 피드백으로서 자연스럽게 다른 암 또는 로봇에 반영될 수 있다.
먼저, 주제에 대한 도입에 대해 설명한다. 그런 다음 예시적인 로봇에 대해 설명하고 이머시브 햅틱 인터페이스가 사용될 수 있는 다른 예들과 이머시브 햅틱 인터페이스 자체에 대해 설명한다. 그 후, 이머시브 햅틱 인터페이스를 사용한 로봇을 지시하는 방법이 설명된다.
로봇은 다양한 태스크를 처리하도록 학습될 수 있다. 그러나 유사한 성능을 얻기 위해 로봇을 프로그래밍하는 것이 너무 어렵기 때문에 많은 태스크들이 여전히 수동으로 수행된다. 일반적으로 이러한 태스크들은 물체 또는 환경과의 상호 작용을 포함하며 태스크의 성공은 주로 사람의 기술에 의존한다. 로봇을 프로그래밍하기 위해 이러한 기술들은 로봇으로 전달되어야 한다. 인간이 이것을 하는 가장 자연스러운 방법은 시연(demonstration)를 통한 것이다. 시연을 통한 티칭의 경우, 로봇이 시연을 하는 운전자와 유사한 기구학적 구조를 가지지 않으면 로봇 동작과 사람의 동작 사이의 맵핑이 간단하지 않다. 작업 시연의 일부로 로봇을 사용하면 이 문제를 완전히 피할 수 있다. 따라서 이 접근법은 인간 기술 습득에 널리 사용되고 있다. 그럼에도 불구하고 인간과 로봇 간의 인터페이스는 관성 및 마찰과 같은 로봇의 기계적 특성으로 인해 동작을 정확하게 전달하기에 불편하고 어려울 수 있다. 호환 모션 제어가 관성/마찰력을 줄이기 위해 채용될 수는 있지만 산업용 로봇의 직접 티칭은 여전히 제한적이다. 게다가, 운전자, 로봇 및 워크피스 간의 기계적 연결로 인해 작업에 필요한 힘 값을 충실하게 기록하는 것이 불가능하다. 따라서 작업을 시연하기 위한 인터페이스는 운전자가 로봇 시스템의 차이점과 한계를 인식할 수 있게 함으로써 기여할 수 있다.
물리적 로봇은 힘 제어 능력을 갖춘 경우 햅틱 장치로서 사용될 수 있다. 그러나, 로봇에게 이용가능한 엔드-이펙터로 수행될 힘-상호작용 모션들의 적절한 정의를 위해, 힘 제어는 실제 물리적 환경에서 추후 유용하게 될 모션 명령에 대해 로봇을 통해 작용해야 한다. 로봇과 그 엔드-이펙터를 포함하는 장비의 정확한 모델링 및 워크피스 및 주변기기를 포함하는 환경의 경우에, 태스크를 수행하는 로봇은 가상으로 그것을 수행하고 햅틱 디바이스로 동작하는 오직 하나의 물리적 로봇만이 필요하다.
햅틱 상호작용의 이전에 존재하는 구현들은 산업적으로 적용가능하지 않다. 주요한 이유는 실제 설정에서는, 관리될 필요가 있는 모션 구속조건이 있기 때문이다. 이러한 구속조건에 대한 완전한 인식과 분류 및 어플리케이션에 대한 이들의 영향이 이전에는 존재하지 않았으며 이머시브 운전자 경험이 생성될 수 있도록 적절한 핸들링도 없었다. 투명성은 마스터 또는 슬레이브 장치의 구조에 의해 더 제한된다.
암들이 서로 다른 구성을 갖도록 하면, 시연의 유연성이 크게 향상된다. 예컨대, 태스크의 시연은 운전자에 대해 더 편안한 작업장의 일부에서 수행될 수 있다. 그러나, 2개의 로봇 시스템들이 마스터-슬레이브 구성으로 채용되면, 이들의 작업장은 2개의 시스템들에 의해 동시에 도달할 수 있는 지점들로 한정된다. 이는 로봇들에 대해 공통의 작업장을 규정한다. 공통 작업장의 경계에서, 시스템들의 하나 또는 양쪽은 통상적으로 감소된 조작성을 갖는 단일 구성이다.
전술한 바와 같이, 이전에 존재하는 기술들은 로봇 프로그래밍 컨텍스트에서 효율적으로 상호작용 힘들을 정의하는 것으로 간주되지 않는다. 하나의 암이 햅틱 인터페이스 작동하도록 용이하게 이용가능하기 때문에 최근의 이중-암 로봇의 산업 발전에 의해 한 발 전진할 수 있다. 이러한 로봇에 대한 동기 부여는 짧은 수명과 함께 하나의 암당 안전한 수준의 최대 전력, 고정구들을 회피함으로써 향상된 유연성, 인간 작업장과의 호환성 및 전반적인 조작 가능성을 포함한다. 또한, 대부분의 현대의 로봇 컨트롤러들은 소위 다중-움직임 기능성을 가지며, 이는 2개 이상의 로봇들이 실시간 통신 링크를 통해 연결되고 복수의 암들을 갖는 이중-암 또는 다중-암 로봇으로 함께 프로그래밍될 수 있음을 의미한다.
이하, 본 발명의 시스템(1) 및 로봇을 지시하는 방법이 도면을 참조하여 설명될 것이다. 로봇은 일반적으로 햅틱 장치로 특별히 설계되지 않은 일반적인 로봇이다. 따라서, 본 발명은 이머시브 사용자 경험을 제공하는 일반적인 접근법을 제안한다. 운전자는 로봇 또는 이 로봇의 모델의 시각 및 촉각 피드백을 활용하여 로봇의 관점에서 태스크를 이상적으로 느끼고 인식할 수 있으므로 힘 명세를 포함한 정확한 시연을 가능하게 한다.
처음에, 각 암이 리드 스루 설정(lead-through setup)을 사용하여 자유롭게 움직일 수 있다. 시스템이 활성화되면, 암은 엔드 이펙터들 사이의 초기 고정 오프셋에 대해 동기화되어 움직인다. 이것은 햅틱 피드백을 수신하는 동안 운전자가 환경에 영향을 줄 수있는 이머시브 햅틱 인터페이스를 구성한다.
전술한 바와 같이, 로봇은 여기에서 하나 또는 여러 개의 암을 갖는 프로그램 가능한 매니퓰레이터로 정의되며, 각 암은 선택적으로 하나 또는 수 개의 엔드 이펙터를 구비하고, 하나 또는 여러 개의 암의 조인트는 컨트롤러에 의해 제어된다. 도 1은 시스템(1)에 포함될 수 있는 로봇(10)을 도시한다. 도시된 로봇(10)은 컴퓨터 명령을 갖는 프로그램에 따라 워크피스(4) 상에서 작업하도록 배열된 2개의 암을 갖는 또는 2중 암의 협동 로봇이다. 로봇(10)은 제1 암(2) 및 제2 암(3)을 포함한다. 제1 암(2)은 다수의 링크 및 조인트를 포함하고, 제2 암(3)은 다수의 링크 및 조인트를 포함한다. 링크와 조인트는 일반적으로 축이라고 지칭된다. 각 축은 변속기를 통해 액추에이터, 즉 서보 제어 모터에 의해 구동된다. 제 1 암(2)에는 티칭 핸들 형상의 엔드 이펙터(11)가 배치되어 있다. 제2 암(3)에는 그립퍼 형상의 엔드 이펙터(17)가 배치되어있다. 여기에서 그립퍼는 워크피스(4)를 잡고 있다. 각 암(2, 3)에는 7개의 축이 있다 출원을 위해 중요할 수 있는 일부 축들은 도면에서 명시 적으로 참조된다. 엔드 이펙터(11)는 제1 암(2)의 제7 축(2a)에 부착된다. 제 7 축(2a)은 제1 엔드 플랜지 프레임을 규정하는 제1 엔드 플랜지를 포함하고, 엔드 이펙터(11)는 제1 엔드 플랜지에 부착된다. 엔드 이펙터(11)는 엔드 이펙터(11)의 중심점 인 제1 툴 중심점(TCP1)을 정의한다. 엔드 이펙터(11)는 TCP1에서 유래하는 제1 TCP 프레임을 더 규정한다. 제1 암(2)의 엘보우로 또한 언급되는 제 4 축(2b)은 제1 암(2)의 엘보우 프레임을 형성한다. 따라서, 제1 암(1)의 엘보우 프레임은 제1 암(2)의 엘보우에 관련하여 규정된다. 제2 암(3)으로 되돌아와, 엔드 이펙터(17)는 제2 암(3)의 제7 축(3a)에 부착된다. 제7 축(3a)은 제 2 엔드 플랜지 프레임을 규정하는 제2 엔드 플랜지를 포함하고, 엔드 이펙터(4)는 제2 엔드 플랜지에 부착된다. 엔드 이펙터(4)는 엔드 이펙터(4)의 중심점인 제2 툴 중심점 TCP2를 규정한다. 엔드 이펙터(4)는 TCP2에서 기원하는 제2 TCP 프레임을 규정한다. 제2 암(3)의 엘보우로 또한 언급되는 제4 축(3b)은 제2 암(3)의 엘보우 프레임을 규정한다. 따라서, 제2 암(3)의 엘보우 프레임은 제2 암(3)의 엘보우에 관련하여 규정된다.
로봇(10)은 컨트롤러(16)에 의해 제어되도록 구성되어 있다. 컨트롤러(16)는 처리 수단 예컨대, 하나 또는 몇 개의 프로세서(16A) 및 메모리 수단 예컨대, 하나 또는 몇 개의 메모리 유닛(16B)을 포함한다. 컴퓨터 명령어를 갖는 프로그램이 메모리 유닛(16B)으로 로딩될 수 있으며, 프로세서(16A)에 의해 실행될 때, 컴퓨터 명령어에 따라 로봇(10)이 작동한다. 따라서, 컨트롤러(16)는 시스템(1)이 컴퓨터 명령어에 따라 작동하도록 프로그램밍된다. 로봇(10)에 대한 궤적을 갖는 프로그램을 생성하기 위해, 로봇(10)은 이하 설명되는 바와 같이 운전자에 의해 지시될 수 있다.
시스템(1)의 암들 중 적어도 하나는 운전자 상호작용에 의해 영향을 받기 위해 구성된 마스터 로봇 암으로 지칭되는 물리적인 암이다. 그에 따라, 도 1의 제1 암(2)은 마스터 로봇 암이라고 지칭된다. 운전자는 예컨대, 마스터 로봇 암의 툴 플랜지에 부착된, 여기에서 티칭 핸들인 엔드 이펙터(11)를 통해 마스터 로봇 암과 상호작용할 수 있다. 시스템(10)은 워크피스과의 상호작용을 위해 구성된 슬레이브 로봇 암이라고 지칭되는 제2 암(3)을 더 포함한다. 따라서, 도 1의 제2 암(3)은 슬레이브 로봇 암으로 지칭될 수 있다. 슬레이브 로봇 암은 가상 슬레이브 로봇 암 또는 물리적인 슬레이브 로봇 암일 수 있다. 만약 슬레이브 로봇 암이 가상 슬레이브 로봇 암이면, 슬레이브 로봇 암은 가상 환경의 일부로서 가상 암이다. 일부 실시예에 따라, 마스터 로봇 암은 슬레이브 로봇 암으로부터 기계적으로 분리되어 있다. 따라서, 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암은 모두 물리적 로봇 암이다. 일부 실시예에 따라, 슬레이브 로봇 암 및 마스터 로봇 암은 동일한 암이지만, 마스터 힘 및 슬레이브 힘, 즉 마스터 외력 데이터 및 슬레이브 외력 데이터를 모두 결정하기 위해 추가적인 힘 감지 수단이 배치될 수 있다. 동작되는 슬레이브 로봇 암은 물리적이지만 마스터 로봇 암과 동일한 암이다. 일부 실시예에서, 마스터 로봇 암은 슬레이브 로봇 암을 제어하는 조이스틱으로서 보여질 수 있다. 시스템(1)은 하나 또는 몇 개의 프로세서(5A)와 같은 처리 수단 및 하나 또는 몇 개의 메모리 유닛(5B)과 같은 메모리 수단을 더 포함한다. 제어 유닛(5)은 컨트롤러(16)에 포함되거나 컨트롤러(16)로부터 분리될 수 있다. 제어 유닛(5)은 예컨대, 별도의 컴퓨터가 될 수 있다. 제어 유닛(5)은 이하 설명되는 바와 같은 햅틱 인터페이스 모듈로서 햅틱 인터페이스를 구현할 수 있다. 통상적으로, 이하 설명되는 모듈 및 서브모듈은 소프트웨어로서 구현되어 메모리 유닛(5B)으로 로딩되는 프로그램 모듈일 수 있다.
제어 유닛(5)은 운전자(6)와 마스터 로봇 암 사이에 힘 인터플레이(2A)(도 2)을 나타내는 마스터 외력 데이터를 결정하도록 더 구성된다. 여기에서, 힘 인터플레이는 마스터 로봇 암과 운전자 사이에서 양방향 힘 상호작용을 나타낸다. 마스터 외력 데이터는 예컨대, 마스터 로봇 암의 적어도 하나의 조인트의 조인트 모션 데이터 및/또는 조인트 위치 데이터 및/또는 모터 신호 데이터에 기초하여 결정된다. 다르게는, 마스터 외력 데이터는 하나 또는 몇 개의 힘/토크 센서(20)(도 2)(마스터 로봇 암의 팔목 및/또는 하나 또는 몇 개의 조인트에 부착됨) 및/또는 마스터 로봇 암으로부터의 조인트 힘 데이터 및/또는 모터 신호 데이터로부터 획득된다. 제어 유닛(5)은 슬레이브 로봇 암과 워크피스(4) 사이의 힘 인터플레이(3A)(도 2)을 나타내는 슬레이브 외력 데이터를 결정하도록 더 구성된다. 여기에서, 힘 인터플레이 슬레이브 로봇 암과 워크피스 사이의 양방향 힘 상호작용을 나타낸다. 슬레이브 외력 데이터는 예컨대, 슬레이브 로봇 암의 적어도 하나의 조인트의 조인트 모션 데이터 및/또는 조인트 위치 데이터 및/또는 모터 신호 데이터에 기초하여 결정된다. 다르게는, 슬레이브 외력 데이터는 하나 또는 몇 개의 힘/토크 센서(30)(도 2)(마스터 로봇 암의 팔목 및/또는 하나 또는 몇 개의 조인트에 부착됨) 및/또는 슬레이브 로봇 암으로부터의 조인트 힘 데이터 및/또는 모터 신호 데이터로부터 획득된다. 최적으로는, 마스터 외력 데이터 및 슬레이브 데이터는 암들(2, 3)의 모든 조인트들의 및 선택적으로는 두개의 암(2, 3)의 엔드 이펙터들에서의 렌치(wrenches)(힘 및 토크)로부터 추정된 또는 측정된 토크를 나타내며, 이들은 Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation(ICRA), 9-11 May, Shanghai. China, pages 1108-1113, year 2011 으로부터 M. Van Damme et al에 의한 “Estimating robot end-effector force from noisy actuator torque measurements”에 설명된 바와 같이 센서 측정치로부터 도출되거나 추정된 것이다. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation(ICRA), 9-11 May, Shanghai. China, pages 1108-1113, year 2011. 예컨대, 마스터 로봇 외력 데이터 및 슬레이브 외력 데이터는 조인트를 구동하는 하나 또는 몇 개의 엑추에이터의 토크/힘 및 위치 판독값으로부터, 또는 암들(2, 3)에 장착된 힘/토크 센서들로부터 도출될 수 있다. 당업자에게 자명한 바와 같이, 액추에이터의 토크는 액추에이터에 의해 소비되는 전류로부터 판독되어 다른 토크 및 힘을 결정하는데 사용될 수 있다.
햅틱 인터페이스는 일반적으로 도 2를 참조하여 설명된다. 햅틱 인터페이스는 제어 유닛(5)에서 소프트웨어로서 구현된다. 도면에 도시된 바와 같이, 마스터 로봇 암(2)은 마스터 로봇 암(2)에 대한 움직임 명령을(예를 들어, 컨트롤러(16)를 통해) 수신하기 위해 그리고 마스터 로봇 암(2)의 위치 및/또는 토크의 피드백을 위해 제어 유닛(5)와 통신하도록 구성된다. 또한, 슬레이브 로봇 암(3)은(예컨대, 컨트롤러(16)를 통해) 슬레이브 로봇 암(5)에 대한 움직임 명령의 통신을 위해 그리고 슬레이브 로봇 암(3)의 위치 및/또는 토크의 피드백을 위해 제어 유닛(5)와 통신하도록 구성된다. 제어 유닛(5)은 햅틱 인터페이스를 구현하기 위한 햅틱 인터페이스 모듈(7)을 더 포함한다. 운전자(6)가 마스터 로봇 암(2)의 임의의 점(여기에서 상호작용점으로 지칭됨)에 힘을 가하면, 제어 유닛(5)은 인가된 힘에 의해 유발된 양쪽 암들(2, 3)에서의 움직임을 발생시키도록 구성된다. 제어 유닛(5)는 전술한 바와 같이, 마스터 외력 데이터 및 슬레이브 외력 데이터를 수신한다. 슬레이브 로봇 암(3)은 오브젝트(4)상에서 작업하도록 배열되고, 슬레이브 로봇 암(3)이 겪는 제한은 햅틱 인터페이스에 의해 마스터 로봇 암(2)을 통해 운전자(6)에게 햅틱 피드백으로서 전달된다. 따라서, 햅틱 인터페이스 모듈(7)은 양쪽 암(2, 3)에서 물리적으로 일관된 모션을 계산하도록 구성된다. 운전자(6)는 슬레이브 로봇 암(3)과 오브젝트(4) 사이의 인터플레이의 시각적 피드백(13)을 획득한다. 따라서, 운전자(6)는 운전자(6)와 마스터 로봇 암(2) 사이의 힘 인터플레이를 통해 슬레이브 로봇 암(3)과 상호 작용하고, 그 결과를 예컨대, 슬레이브 로봇 암(3)이 물체(4)와 상호 작용하고 있는 것을 시각적으로 볼 수 있다. 슬레이브 로봇 암(3)과 오브젝트(4) 사이의 상호작용은 슬레이브 외력 데이터에 반영되는, 이들 사이의 힘 인터플레이(3A)이 된다. 제어 유닛(5)은 또한, 햅틱 인터페이스 모듈(7)과 상호작용하는 프로그램 모듈(12)를 포함한다. 프로그램 모듈(12)은 서로 다른 모드에서 제어 유닛(5)을 설정하거나 제어 유닛(5)의 어떤 기능을 가능하게 하는 프로그램을 포함한다. 예컨대, 제어 유닛(5) 및 그에 따른 햅틱 인터페이스 모듈(7)은 "활성화된 지시 모드", "비활성화된 지시 모드", "기록 모드", "상호작용 프레임 설정 모드" 등과 같은 서로다른 동작 모드에서 설정되도록 구성될 수 있다. 시스템(1)에은 제어 유닛(5)에 연결된 사용자 인터페이스가 제공되어 제어 유닛(5) 및 그에 따른 햅틱 인터페이스 모듈(7)의 모드를 사용자 인터페이스에 대한 운전자(6)로부터의 운전자 명령에 기초하여 전환하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 프로그램 모듈(12)은 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암의 어느 하나 또는 모두가 동시에 이동할 수 있도록 하는 로봇(10)의 지시 모드를 활성화 및 비활성화하는 프로그램을 포함할 수 있다. 이것은 또한, "기록 모드"에서 결과적인 궤적 및 힘을 기록하는 프로그램을 포함할 수 있다. "커플링 프레임 설정 모드"에서, 운전자(6)는 사용자 인터페이스를 통해 햅틱 인터페이스(7)에 대한 마스터 로봇 암의 하나 또는 몇개의 커플링 프레임을 특정하고, 슬레이브 로봇 암의 하나 또는 몇개의 커플링 프레임을 특정한다. 커플링 프레임들이 설정되고 그에 따라 쌍으로 특정된다.
도 3에서 햅틱 인터페이스 모듈(7)이 더 상세히 도시되어 있다. 햅틱 인터페이스 모듈(7)은 마스터 커플링 프레임의 속도와 슬레이브 커플링 프레임의 속도가 상관되도록, 마스터 로봇 암(2)의 지정된 마스터 커플링 프레임과 슬레이브 로봇 암(3)의 지정된 슬레이브 커플링 프레임 사이의 기구학적 커플링을 정의하는 구속 서브모듈(8)을 포함한다. 다시 말해, 구속 서브모듈(8)은 전술한 커플링 프레임들 사이의 커플링을 정의한다. 마스터 로봇 암(2)의 지정된 커플링 프레임은 마스터 로봇 암(2) 상에 임의의 알려진 지점일 수 있다. 예컨대, 지정된 커플링 프레임은 툴 프레임 또는 TCP 프레임을 규정하는 툴 중심점일 수 있으며, 여기에서 티칭 핸들(도 1)인 엔드 이펙터(11)는 마스터 로봇 암에 부착된다. 지정된 커플링 프레임은 또한 마스터 로봇 암(2)의 엔드 플랜지 프레임 또는 엘보우 프레임일 수 있다. 또한, 슬레이브 로봇 암(3)의 지정된 커플링 프레임은 슬레이브 로봇 암(3) 상의 임의의 알려진 지점일 수 있다. 예컨대, 지정된 커플링 프레임은 툴 프레임 또는 TCP 프레임을 정의하는 툴 중심점일 수 있으며, 여기에서 엔드 이펙터(17)(도 1)는 슬레이브 로봇 암(3)에 부착된다. 지정된 커플링 프레임은 또한 슬레이브 로봇 암(3)의 엔드 플랜지 프레임 또는 엘보우 프레임일 수 있다. 따라서, 지정된 커플링 프레임은 문제의 로봇 암의 지정된 지점에 견고하게 부착된 로컬 프레임에 의해 정의된다.
햅틱 인터페이스 모듈(7)은, 마스터 외력 데이터, 슬레이브 외력 데이터, 마스터 로봇 암의 동역학 모델(22), 슬레이브 로봇 암의 동역학 모델(32), 동역학 모델들에 의해 부과된 한정사항들(constraints)이 존중되면서 기구학적 커플링을 달성하기 위한 힘/토크를 포함하는 동역학 모델들 사이의 관계에 기초하여 마스터 로봇 암을 위한 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 로봇 암을 위한 조인트 움직임 명령을 계산하도록 구성된 계산 서브모듈(9), 예컨대, 솔버(solver) 서브모듈을 더 포함한다. 이는 지정된 커플링 프레임들 사이의 기구학적 커플링을 달성할 뿐만 아니라 다른 모션 한정사항들이 달성된다. 일부 실시예에서, 계산 서브모듈(9)은 가상의/계산된 힘/토크(15)를 계산하기 위해 구속 서브모듈(8)에서 동역학 모델(22, 32) 및 기구학적 커플링을 사용하는 솔버, 예컨대, DAE 솔버를 사용한다. 동역학 모델(22, 32)은 박스로 도시되어 있지만, 동역학 모델(22, 32)이 프로그램 모듈로서 구현됨을 이해해야 한다. 또한, 가상의/계산된 힘/토크(15)는 가상의/계산된 힘/토크를 명시적으로 나타내는 점선의 박스로 도시되어 있지만, 가상의/계산된 힘/토크는 명령을 결정하는 것에 대한 하나의 계산 단계임을 이해해야 한다. 가상의/계산된 힘/토크는 조인트 제한들(joint limits) 등과 같은 다른 모션 한정사항들을 존중하면서, 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암의 커플링 프레임들 간의 규정된 기구학적 커플링을 유지하는 하나 또는 몇개의 계산된 힘/토크이다. 다시 말해, 계산 서브모듈은 마스터 로봇 암 및/또는 슬레이브 로봇 암에 대한 모션 한정사항들을 유지하는데 필요한 적어도 하나의 가상의/계산된 힘/토크를 결정하도록 구성될 수 있으며, 계산 서브모듈은 또한 적어도 하나의 가상의 힘에 기초하여 마스터 로봇 암을 위한 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 로봇 암을 위한 조인트 움직임 명령을 결정하도록 더 구성된다. 일부 실시예에서, 계산 서브모듈(9)은 임의의 기구학적 구성에서의 모션 구속을 유지하는데 필요한 적어도 하나의 가상의/계산된 힘/토크를 결정하도록 구성된다.
구속 서브모듈(8)은 복수의 모션 구속을 포함할 수 있다. 복수의 모션 구속 또는 추가의 모션 구속은 미리 정의된 동작 구속이며, 따라서 미리 정의되어 구속 서브모듈에 저장된다. 이는 조인트 제한, 로봇 암의 모션을 제한하기 위한 구속 또는 로봇 암의 임의의 제한에 들어가는 것을 방지하는 제한을 포함 할 수있다. 계산 서브 모듈은 마스터 로봇 암 및 조인트 움직임 명령에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하도록 구성된다 동역학 모델에 의해 부과 된 제한이 존중되는 동안, 대응하는 제한된 모션이 성취되도록 복수의 동작 구속 조건에 기초하여 슬레이브 로봇 암에 대해 실행될 수있다.
모션 구속조건들은 예컨대, 전술한 것들: 조인트 제한, 한 쌍의 프레임들 간의 거리, 태스크 예컨대, 표면에 대한 모션 구속조건 등중 어느 하나일 수 있다.
마스터 로봇 암의 동역학 모델(22) 및 슬레이브 로봇 암의 동역학 모델(32)은 각각 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암을 각각 나타내는 동역학 시스템들(dynamical systems)이다. 이들은 로봇 암의 동역학 뿐만 아니라 기구학 또는 로봇 암에 관련된다. 동역학적 특성은 사용자-튜닝된(user-tuned) 파라미터이다. 마스터 로봇 암 및슬레이브 로봇 암은 각각 하나의 컨트롤러에 의해 제어되도록 구성되거나 공통 컨트롤러(16)에 의해 제어되도록 구성될 수 있다. 로봇 컨트롤러 또는 컨트롤러들은 위치
Figure pct00001
, 속도
Figure pct00002
, 및/또는
Figure pct00003
명령으로서 솔버로부터 명령들을 수신한다. 여기에서,
Figure pct00004
는 조인트의 위치를 나타내며, 그 파생물
Figure pct00005
는 조인트의 속도를 나타내며,
Figure pct00006
는 조인트에 즉, 조인트의 모터로의 힘/토크를 나타낸다. 이들 조인트 양들(quantities)은 조인트 서보 제어에 의해 사용되는 대응하는 액추에이터/모터 양을 가지고 있지만 액추에이터보다는 조인트를 기준으로 등가로 기술할 수 있는 기어 비(gear ratio)와 같은 알려진 전달 특성을 갖는다. 그러면 컨트롤러 또는 컨트롤러들은 조인트-레벨 명령에 따라 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암을 제어한다.
각각의 관측기(21, 31)는 시스템의 현재 상태
Figure pct00007
,
Figure pct00008
, 및 조인트로부터 각각 도출된 모터 전류 또는 힘/토크
Figure pct00009
를 이용하여 각 조인트에서의 외력/토크
Figure pct00010
를 재구성하는데 사용될 수 있다. 관측기(21, 31)는 예를 들어, 방해(disturbance) 관측기일 수 있다. 적용 가능한 관측기의 예들은 "Force estimation and control in robot manipulation", A. Alcocer et al, from Proc. 7th IFAC Symposium on Robot Control 2003 (SYROCO'03), Sep. 1-3, Wroclaw, Poland, volume 1, page 55, year 2004, 및 "Estimation of environment forces and rigid-body velocities using observers", from Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation (ICRA), May 8-13, San Diego, CA, pages 931-936, year 1994에 개시되어 있다.
이하에서, 시스템(1)의 모션 구속조건을 연구하여 규정한다. 전술한 바와 같이, 암들(2, 3)간의 기구학적 커플링으로서 정의된 모션 구속조건은 시스템(1)에 제공된다. 특정 태스크를 위해 정의되거나 시스템의 다른 알려진 제한사항에 대해 정의된 몇 가지 더 많은 모션 구속조건이 있을 수 있다. 암들(2, 3)을 위한 동역학 모델들은 시스템(1)에 대한 힘 구속조건들을 나타낸다. 또한, 워크피스를 갖진 슬레이브 로봇 암(3)과 환경과의 상호작용은 환경에 의해 유도된 시스템(1)에 대한 모션 구속조건을 나타낸다. 전체 시스템(1)은 또한 특이점(singularities), 조인트 제한(joint limits) 등과 같은 모션 제한을 유도한다. 시스템(1)의 모션 구속조건은 구속 모듈(8)에 대한 기본을 제공하는 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암 사이의 기하학적 구속조건(geometrical constraints)을 포함한다. 이들 모션 구속조건은 구속 서브모듈(8)에서 미리 정의되어 있다.
시스템(1)은 총
Figure pct00011
의 자유도를 가지고 있다고 가정하는데, 여기서
Figure pct00012
은 마스터 로봇 암의 DOF이고
Figure pct00013
는 슬레이브 로봇 암의 DOF이다. 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암의 일반화 좌표는
Figure pct00014
으로 표시할 수 있으며,
Figure pct00015
에 따라 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암에 관련한 좌표로 나누어질 수 있다. 마스터 로봇 암의 지정된 커플링 프레임과 슬레이브 로봇 암의 지정된 커플링 프레임 간의 기하학적 구속조건은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pct00016
(1)
Figure pct00017
(2)
여기에서, 아래첨자 1을 갖는 변수는 마스터 로봇 암과 관련되며 아래첨자 2는 슬레이브 로봇 암과 관련된다. 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암의 각각의 지정된 커플링 프레임의 위치는
Figure pct00018
으로 표시되고
Figure pct00019
은 배향(oirientation)을 나타내며, Δp와 ΔR은 위치의 오프셋 및 배향을 각각 나타낸다. 따라서, 여기서 p1은 마스터 로봇 암의 커플링 프레임의 지정된 위치이고 p2는 슬레이브 로봇 암의 커플링 프레임의 지정된 위치이다. 또한, 여기서 R1은 마스터 로봇 암의 커플링 프레임의 지정된 회전이고, R2는 슬레이브 로봇 암의 커플링 프레임의 지정된 회전이다.
수식 (2)를 좌측으로부터 R1을 곱하면 R2 = R1ΔR이 된다. 시간에 대해 양측을 구별함으로써 이하를 얻는다.
Figure pct00020
(3)
여기에서
Figure pct00021
(4)
여기에서 S(ω)는 각속도 ω에 의한 벡터 곱에 해당하는 스큐 대칭 행렬이다. 따라서 고정된 상대 위치와 방향은 다음과 같은 기구학적 구속조건을 의미한다.
Figure pct00022
(5)
Figure pct00023
(6)
여기에서
Figure pct00024
이다. 일반화된 좌표로 이들 수식들을 표현함으로써 차등 기구학적 관계를 구한다.
Figure pct00025
(7)
Figure pct00026
(8)
여기서
Figure pct00027
와
Figure pct00028
는 엔드 이펙터에 대한 병진(translational) 및 회전 기하학적 자코비안(Jacobians)이다. 시간에 대한 기하학적 구속조건을 구별함으로써 다음과 같은 기구학적 구속조건을 발견했다.
Figure pct00029
(9)
여기에서
Figure pct00030
는
Figure pct00031
(10)
여기에서
Figure pct00032
이다. 여기에서 병진 및 회전 바코비안을 함께 적층함으로써
Figure pct00033
와
Figure pct00034
를 정의하였다.
따라서, 구속 서브모듈(8)을 정의한 프레임의 기구학적 커플링은 특히 수식(1) 및(2)에 의해 정의될 수 있다. 따라서, 마스터 로봇 암의 하나의 커플링 프레임과 슬레이브 로봇 암의 하나의 커플링 프레임 사이에 커플링이 이루어진다. 즉, 커플링은 마스터 로봇 암의 커플링 프레임과 슬레이브 로봇 암의 해당 커플링 프레임 사이의 모션 구속조건의 한 형태이다. 따라서, 커플링은 수식(1) 및(2)에 의해 정의된 바와 같이 프레임의 일정한 오프셋을 가짐으로써 정의될 수 있다. 제어 법칙은 원하는 대로 몇 쌍의 커플링 프레임으로 확장될 수 있다. 암의 DOF 개수는 유용한 쌍의 개수를 제한한다.
많은 접근법에서 로봇 매니퓰레이터의 배치 또는 구성을 최적화하여 작업 공간의 한계에 대한 문제를 어느 정도 피할 수 있다. 여기에 제시된 접근법은 동역학적인 차원에서 두 개의 로봇 암 사이의 커플링에 의존한다. 이 접근법은 자유 모션 중에 이론적으로 완벽한 위치 추적을 허용하고 기구학적 특이점이 없을 때 엔드 이펙터의 어려운 접촉 태스크에서 힘을 완벽하게 추적하면서 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암 사이의 맵핑을 발생시킨다. 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암을 동역학적 레벨로 커플링하기 위해 솔버는 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암에 대한 명령을 지속적으로 계산하기 위해 이용될 수 있다. 보다 구체적으로, 햅틱 인터페이스 모듈(7)은 마스터 외력 데이터, 마스터 외력 데이터, 마스터 로봇 암의 동역학 모델, 슬레이브 로봇 암의 동역학 모델, 및 동역학 모델들에 의해 부과된 구속조건들이 존중되면서 기구학적 커플링을 달성하기 위한 힘/토크를 포함하는 동역학 모델들 간의 관계에 기초하여 상기 마스터 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령 및 상기 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하도록 구성된 계산 서브모듈(9), 즉 솔버 서브모듈을 더 포함한다. 따라서, 기구학적 커플링은 구속 서브모듈(8)에 의해 정의된다. 그러므로, 계산 모듈(9)은 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 출력한다. 컨트롤러(16)를 구비한 시스템(1)은 또한 조인트 움직임 명령에 따라 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암을 제어하도록 더 구성된다. 그러면 운전자는 시스템의 동역학을 반영하는 힘 인터플레이로부터 햅틱 피드백을 수신한다. 시스템의 동역학은 힘과 모션 사이의 관계를 정의하는 미분-대수 방정식에 의해 정의되며 수식(15) -(18)을 참조한다. 명령은 명령어와 관련될 수 있지만, 궤적 생성기 또는 임의의 다른 계산에 따라 서보 제어에 대한 참조로서 제공된 시계열의 셋포인트들일 수도 있다. 시스템(1)은 또한 슬레이브 로봇 암에 관련된 프레임의 결과적인 움직임을 기록하고, 동일한 프레임에서 워크피스에 대한 결과적인/인가된 힘을 기록하도록 구성된다. 이 동일한 프레임은 예를 들어. TCP 프레임, 엔드 플랜지 프레임, 또는 슬레이브 로봇 암(3)의 엘보우의 프레임일 수 있다. 조인트에서의 힘 측정/추정이 이용 가능하다면, 임의의 프레임에서 힘 또는 힘들이 추정될 수 있다.
손목에서만 측정이 가능하다면 분명히 로봇의 다른 부분에서의 상호작용 힘의 측정에 한계가 있다. 그러나 매니퓰레이터 암이 움직이지 않으면 마스터 또는 슬레이브 측의 힘들은 동일하다. 이 경우 마스터 측에서 측정된 힘을 슬레이브 측에 사용할 수도 있다.
시스템(1)의 제어 원리를 설명하기 위해 비선형 시스템을 고려한다.
Figure pct00035
(11)
Figure pct00036
(12)
여기에서, x, u, j는 각각 상태 벡터, 제어 신호 및 출력을 나타낸다. 0과 동일하게 같은 y가 되는 u(x)를 찾고 시스템의 제로 동역학을 찾는다. y를 슬레이브 로봇 암의 커플링 프레임과 마스터 로봇 암의 커플링 프레임 사이의 상대적인 변형 및 배향(relative translation and orientation)이 원하는 오프셋에서 벗어난 것으로 정의한다. 보편성을 잃지 않고 이 프레임을 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암의 엔드 이펙터에 위치하도록 선택한다. 그러나, 프레임은 전술한 바와 같이 다른 장소에 위치될 수 있다. 출력을 제로(zeroing)로 함으로써, 즉 가상의/계산된 구속조건을 부과함으로써, 엔드-이펙터가 고정된 오프셋을 유지하는 것이 확실하게 된다. 수식 (7)과 (8)에 의해 도입된 모션 제한을 가상의 제약으로 사용하여 가상의/계산된 힘/토크와 시스템(1)의 모션을 구한다.
시스템(1)의 동역학을 도출하기 위해 기구학적 에너지로부터 시작한다.
Figure pct00037
(13)
여기에서 mi 및 Ii는 각각 각각 링크 i의 질량과 관성 행렬을 나타내며,
Figure pct00038
와
Figure pct00039
는 링크 i까지의 부분 자코바인을 나타내고, Ri는 세계 좌표에서 링크 i까지의 회전 행렬이다. 우리가 중력을 보상하려고 하기 때문에 라그랑주 L에서 위치 에너지(potential energy)를 포함시키지 않는다. 따라서, 다음을 원한다.
Figure pct00040
(14)
계수 μv와의 점성 마찰만을 가정하면, Lagrange-d'Alembert 정리에 따fms r구속된 시스템에 대한 모션 방정식은 다음과 같이 유도될 수 있다.
Figure pct00041
(15)
Figure pct00042
(16)
여기서 M(q)는 질량 행렬이고,
Figure pct00043
는 구심력과 코리올리 힘의 총 효과를 나타낸다. 기구학적 구속조건에 의한 일반화된 외력과 일반화된 힘은
Figure pct00044
및
Figure pct00045
로 각각 표시되며 관계식을 만족시킨다.
Figure pct00046
(17)
Figure pct00047
(18)
여기에서 τ는 조인트들에 인가된 외부 토크의 벡터이고, he는 엔드 이펙터에 작용하는 힘과 토크의 벡터이며
Figure pct00048
는 라그랑즈의 곱수(Lagrange multipliers)이다. 계산 서브모듈(9)은 수식(15) 및(16)을 구현하고, 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암의 물리적 시스템을 순방향으로 시뮬레이션한다. 시뮬레이션으로부터의 출력은 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암의 컨트롤러에 대한 움직임 명령의 기초를 제공한다. 수식(15) -(18)은 계산 서브모듈(9)이 풀도록 구성되거나 프로그래밍된 미분-대수 방정식 시스템을 정의한다. 따라서, 계산 서브모듈(9)은 동역학 모델에 의해 부과된 구속조건들이 존중되면서 시스템(1)의 동역학과 기구학적 결합을 달성하는데 필요한 힘 및/또는 토크 사이의 관계를 정의하는 미분-대수 방정식의 시스템에 대한 해를 결정하도록 구성된다. 계산 서브모듈(9)은이 해를 사용하여 마스터 로봇 암(2)에 대한 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 로봇 암(3)에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하도록 구성된다. 따라서, 암(2, 3)에 대한 동역학 모델은 시스템(1)에 구속조건을 부과하며, 이는 암(2, 3)의 기구학 및 관성 특성에 좌우된다. 계산 서브모듈(9)는 동역학 모델에 의해 부과된 구속조건들이 존중되면서 기구학적 결합을 달성하는데 필요한 힘 및/또는 토크를 포함하도록 해를 계산하도록 더 구성된다.
파라미터 및 변수들에 대한 아래첨자 1 및 2를 도입하여 다음을 구한다.
Figure pct00049
(19)
Figure pct00050
(20)
Figure pct00051
(21)
Figure pct00052
(22)
blkdiag(·)는 블록 대각 결합 연산자(block diagonal concatenation operator)를 나타내고 각 개별 암의 모션의 수식은 다음과 같다.
Figure pct00053
(23)
그러므로, 구속조건을 유지하는 각 암에 대한 제어 법칙은 구속조건 힘과 동일하고, 다음과 같이 도출된다.
Figure pct00054
(24)
Figure pct00055
(25)
Figure pct00056
를 도입하고, λ를 u로 치환함으로써, 다음(15) 및(16)과 같이 기재할 수 있다.
Figure pct00057
(26)
Figure pct00058
(27)
여기에서
Figure pct00059
이다. 출력 방정식이 그 미분으로 대체되었다는 것을 제외하고는 수식(26)과(27)은 표준 형식(11)과(12)에 있다. 식(15) 내지(18)은 는 수치적으로 풀 수 있는 인덱스-2 DAE(Differential-Algebraic Equation)의 시스템을 정의한다. 제어 설계 관점에서 볼 때, 해는 상대적 차수 2를 갖는 시스템(26) 및(27)의 제로 동역학에 있다.
Figure pct00060
를 정의하자. 최적의 제어
Figure pct00061
는 제어 문헌에서 알려진 방법, 예를 들어 다음 수식을 제공하는 Springer-Verlag, 1995의 A. Isidori에 의한 "Non-linear control systems"에서 찾아볼 수 있다.
Figure pct00062
(28)
Figure pct00063
을 정의한다. 여기에서,
Figure pct00064
에 대응하는 단위 쿼터니언(uqaternion)
Figure pct00065
의 벡터부로서
Figure pct00066
및
Figure pct00067
이다. 상태 변수 피드백
Figure pct00068
(29)
은 다음과 같이 된다.
Figure pct00069
(30)
만약 블록 대각 행렬
Figure pct00070
및
Figure pct00071
을 가정하면,(30)은 다음과 같이 기재될 수 있다.
Figure pct00072
(31)
Figure pct00073
(32)
여기에서
Figure pct00074
이다.
Lyapunov 함수를 사용하여 회전 부분의 안정성이 확립될 수 있다.
Figure pct00075
(33)
시스템 궤적을 따라 시간 미분을 가짐.
Figure pct00076
(34)
LaSalle(또는 비선형 제어 이론에서 알려진 Krasovskii)에 의한 정리를 호출하면, e0=0, ω=0 세계적으로 점근적으로 안정적이라는 결론이 나온다. 따라서, 양의 확률 Kd와 Kp에 대해(30)의 해는 기하급수적으로 빠르게 0으로 수렴한다. 제로 동역학은 다음에 의해 주어진다.
Figure pct00077
(35)
여기에서,
Figure pct00078
및
Figure pct00079
이다.
(29)를(24)와(25)로 대입하면 양 암들로부터의 비선형 피드백이 제어 법칙에 어떻게 기여하는지 관찰할 수 있다. 암의 정확한 모델을 가정하고 암의 중력 및 정지 마찰 보상 후에 이러한 제어 법칙이 적용 가능하다. 로봇의 기계적 특성 이외의 다른 동작을 달성하기 위해(35)를 수치적으로 풀고, 각 조인트의 기준을 예컨대, 위치 및 속도 셋포인트(setpoint)에 대한 각각의 기준들
Figure pct00080
및
Figure pct00081
을 획득할 수 있으며, 이는 캐스케이드된 위치 및 속도 서보 제어를 사용한 사업 실행(practice)에 동의한다.
Figure pct00082
가 부적절한 조건일지라도 모션을 계산할 수 있으며, 이는 G의 결과가 부족한 서열이다. 구속 조건들(28)이 다음을 얻기 위해 도출된다.
Figure pct00083
(36)
수식(36)은 방정식의 미결정 시스템이다. 일반적으로 해가 없거나 무한히 많은 해가 있다. G가 서열(rank) 잃을 때 의사 역행렬(pseudo inverse)을 사용하면 다음과 같은 형태의 해를 구할 수 있다.
Figure pct00084
(37)
여기에서 K는 G, 즉 GK = 0의 널공간을 확장하는 n×(n-rank(G)) 행렬이며, s는 n-rank(G) 미지수의 벡터이고,
Figure pct00085
는(36)으로 정규화된 최소 제곱 해이다. 이
Figure pct00086
에 대한 표현을(26)과(27)에 대입하고, λ를 제거하기 위해 첫 번째 수식의 양변을 KT와 미리 곱하면, 다음이 얻어진다.
(38)
(38)에서 KTMK는 풀 랭크이다. 따라서 s를 풀 수 있다. s를 다시(37)에 대입하면
Figure pct00088
의 값을 얻을 수 있다. 구속력(24)와(25)를 해당 암의 모션의 방정식(23)에 대입하면 λ가 외부 렌치
Figure pct00089
와 동일한 역할을 한다는 것이 분명해진다. 더욱이, 2개의 암이 엔드 이펙터에 부착되면 λ이 절단력(cut force)으로 해석될 수 있음이 결론으로 내려진다. 이를 통해 Newton-Euler 공식에 기반한 가상 구속조건의 대체 구현을 허용하며, 여기서 결과적인 폐쇄 체인의 동역학이 링크들 간의 상호작용힘을 고려하여 유도된다.
암이 정지 상태에 있는 경우, 즉 모든 시간 도함수들이 0이고 암들중 하나가 다른 하나
Figure pct00090
의 반대쪽에 있는 외부 렌치의 영향을 받으면
Figure pct00091
이(15)에 대한 해인 것이 쉽게 증명된다. 이것은 단단한 접촉이 있고 단일 구성이 없을 때 안정된 상태에서 엔드 이펙터에서 다른 암으로 힘의 완전한 전달을 보장한다.
Figure pct00092
가 랭크(rank)을 잃으면 평형은 반대되는 동일한 힘에 의해서 뿐만 아니라 다음에 의해 달성될 수 있다.
Figure pct00093
(39)
여기에서
Figure pct00094
는 임의의 렌치이며,
Figure pct00095
은 널 공간(null space)을 나타낸다.
제안된 시스템의 독특한 특징은 결합 프레들의 속도가 동일함을 보장하는 동역학적 레벨에서 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암을 연결한다는 점이다. 결과적으로, 반드시 유사할 필요가 없는 2개의 암들 사이의 유연한 맵핑이 가능해 지지만 힘의 투명한 전달과 커플링 프레임들의 위치를 허용한다. 특히 이것은 6-DOF 암 또는 리던던시 암을 임의의 표면에 장착하고 초기 위치에서 마스터 로봇 암 또는 슬레이브 로봇 암으로 작동하는 것을 가능하게 한다. 제한된 방향을 따르면서 햅틱 피드백이 조정되는 동안 암들중 하나는 단일 구성을 통과할 수 있다. 조인트 레벨에서 추정된 힘을 사용함으로써 암의 어느 지점도 햅틱 인터페이스로 작동할 수 있다. 본 모델에서는 암들의 역할에 차이가 없다. 따라서 마스터 및 슬레이브는 각각 운전자 측 또는 워크피스 측을 참조할 때 이름 지정을 위한 것일 뿐이다.
시스템(1)에서, 슬레이브 로봇 암의 작업 공간 한계와 같은 애플리케이션의 실제 구속조건은 자연스럽게 운전자에게 전달되는 반면, 마스터 로봇 암의 기구학적 특이점을 통과하는 것과 같은 인위적인 구속조건은 시스템(1)에 의해 관리된다. 두 경우 모두, 전체 시스템은 운전자(6)의 애플리케이션 포커스를 지원한다. 따라서, 운전자(6)는 직관적인 방식으로 이머시브 피드백을 제공받는다. 다시 말해서, 제어 유닛(5) 및 햅틱 인터페이스 모듈(7)은 햅틱 피드백이 제한된 및/또는 단일 구성에 따라 호환되거나 조정되도록, 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암 사이의 힘 및 토크의 양방향 전달을 달성하도록 구성된다. 또한, 제어 유닛(5) 및 햅틱 인터페이스 모듈(7)은 로봇 모션 스펙의 이머시브 티칭(immersive teaching)이 달성되도록 워크 피스(4)의 가상의/계산된 힘/토크의 관점에서 제어에 의한 질량 관련 힘의 고려를 포함하는 동역학적 투명성을 달성하도록 구성될 수 있다.
현재의 암 또는 상호작용 포트 각각에 대한 마스터 및 슬레이브 역할 할당은 태스크(task)의 정의 중에 변경돌 수 있습니다. 예를 들어, 도 1과 같이 이중-암의 로봇(10)을 교습 할 때, 제2 암(3)(그 다음에 슬레이브 로봇 암)에 대한 조립 작업의 지시 동안, 제1 암(2)은 마스터 로봇 암인 햅틱 디바이스를 형성한다. 작업 공간 내의 도달 가능성으로 인해 제1 로봇 암(2)에 의해 더 잘 수행되는 후속 작업에서, 제2 로봇 암(3)은 마스터 로봇 암이고 제1 로봇 암(2)은 슬레이브 로봇 암이 된다.
특별하지만 예시적인 예들이 암들은 유사하고 유일한 차이점은 마운팅 플레인과 조인트 값들인 것을 가정한다.
Figure pct00096
는 암의 일반화 좌표를 나타내고 R0은 암(1)에 대한 암(2)의 장착 면의 회전을 나타낸다. 따라서 회전된 프레임에서 자코비안과 관성 모멘트를 표현하면 다음이 구해진다.
Figure pct00097
(40)
중력과 같은 보수력(Conservative forces)은 로봇 컨트롤러에 의해 관리되므로 여기에서 생략되며, 그에 따라
Figure pct00098
이므로
Figure pct00099
이고, 암의 동역학들이 q 좌표에서 동일하다는 결론에 도달한다. 따라서 예상대로 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암의 모델들은 동일한 동역학을 나타낸다.
이 접근법을 리던던트 로봇까지 확장하기 위해 추가 가상 구속조건이 추가 될 수 있다. 이렇게 하면 엔드 이펙터 사이의 오프셋을 유지하는 데 필요한 것뿐만 아니라 양쪽에서 모든 DOF에 영향을 줄 수 있다. 다음으로, 조인트 공간과 상대 거리에서의 구속조건이 어떻게 도입될 수 있는지 구체적으로 보여준다. Hi는 각 행이 리던던트 조인트에 해당하는 하나의 0이 아닌 요소를 정확히 가지고 있는 행렬이라고 가정한다. 결과적으로 조인트 공간에서의 구속조건을 다음과 같이 작성한다.
Figure pct00100
(41)
여기에서 Δq는 상수 벡터이다.(41) w.r.t. 시간의 도함수(derivative)을 취함으로써, 다음과 같이 결론이 내려진다.
Figure pct00101
(42)
이제, 이 구속조건을(40)으로 증가시키면 다음과 같이 된다.
Figure pct00102
(43)
나머지 계산은 이전과 동일하다. 따라서, 여기서 구속 서브모듈(8)은 마스터 로봇 암의 조인트와 슬레이브 로봇 암의 대응 조인트 사이의 기구학적 결합을 정의한다. 따라서 결합은 수식(11)에 의해 정의된 바와 같이 한 쌍의 조인트, 즉 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암의 조인트의 조인트 값들 사이에 일정한 오프셋을 가짐으로써 정의될 수 있다. 제어 법칙은 원하는 조인트들 사이의 여러 쌍의 기구학적 결합으로 확장될 수 있다. 암의 DOF의 개수는 유용한 쌍의 개수를 한정한다.
사람형 로봇의 경우, 다른 접근법은 엘보우들 사이의 거리를 유지하는 것일 수 있다.
Figure pct00103
을 가정하는데, 여기서 ri는 암 i의 엘보우에 대한 벡터이다. 그러므로, 구속조건은
Figure pct00104
로 표현될 수 있다. 시간에 대해 구별하면 다음이 구해진다.
Figure pct00105
(44)
여기서 Δv는 엘보우의 상대 속도이다. 일반화된 좌표로(44)를 재작성하면 다음과 같이 된다.
Figure pct00106
(45)
여기에서
Figure pct00107
는 는 i 번째 엘보우에 대한 병진 자코비안을 나타낸다. 따라서 행렬 G는 다음에 따라 증가되어야 한다.
Figure pct00108
(46)
따라서, 여기서 구속 서브모듈(8)은 마스터 로봇 암의 커플링 프레임과 슬레이브 로봇 암의 각 커플링 프레임 사이의 거리 커플링(distance coupling)을 정의한다. 따라서, 커플링은 수식(44)에 의해 정의된 바와 같이 한 쌍의 커플링 프레임, 즉 마스터 로봇 암의 커플링 프레임과 슬레이브 로봇 암의 커플링 프레임 사이의 일정한 거리(constant distance)를 가짐으로써 정의 될 수 있다. 여기서, 커플링 프레임은 배향을 포함할 필요가 없다. 제어 법칙은 원하는 커플링 프레임들 사이에 여러 쌍의 거리로 확장되어, 예를 들어 운전자가 마스터 암의 손을 사용하여 슬레이브 암 엘보우에 의한 푸시 모션에 영향을 주거나, 암들의 DOF로 인해 제한 내에서 어플리케이션에 유용한 어떤 것을 사용할 수 있다.
조인트 한계는 한계에 가까운 반발력을 추가하여 다룰 수 있다. 이 목적을 위해 물리적으로 동기 부여된 모델은 Hunt and Crossley 모델이다.
Figure pct00109
(47)
여기서 δ는 압축량이다. 그러나 이러한 모델은 수치적으로 매우 경직된 문제를 일으킬 수 있다. 결과적으로, 조인트가 반발력에도 불구하고 관절 한계의 방향으로 밀리면 수치적 문제가 발생할 수 있다. 따라서 조인트가 반발력에 의해 제로 속도에 도달하자마자, 만약 δ> 0이면, 조인트에 제로 속도 구속조건을 추가할 수 있다. 이 구속조건은 구속력이 조인트 제한으로 향하는 방향일 때 완화된다. 각각의 액티브 구속조건에 대해, 조인트가 그 한계에 도달하고 그 외의 곳에서 0이 되는 컬럼(column)에서 1을 갖는 로우(row)은 G로 증가된다. 즉,
Figure pct00110
(48)
여기서 i는 그 한계에 도달한 조인트이고 ci는 이 구속조건과 연관된 로우 번호를 나타낸다. 상태의 재초기화(reinitialisation)를 사용하면 조인트의 기준 속도를 즉시 0으로 가져올 수 있다. 따라서 조인트 제한에 도달하자마자 상태들이 재초기화된다면 위치-제어된 로봇에 반발력이 필요하지 않을 수 있다.
햅틱 디바이스의 경우와 많은 산업 설정에서 모두, 마스터 및 슬레이브 로봇이 서로 다른 타입이 되도록 하는 것이(예를 들어, 비용, 가용성 및 안전성으로 인해) 유리하다. 엔드 이펙터, 구성, 기계의 비대칭 및 작업셀 배열은 일반적으로 동일한 타입의 두 암이 실제로는 조금 다른 타입의 두 암으로 작동하는 설정을 형성하기 때문에 이것은 이중 암 로봇의 경우에도 중요하다. 본 발명은 암들이 서로 다른 타입인 더 도전적인 경우와 동일한 로봇을 사용하는 특별한 경우를 모두 다룬다.
마스터 로봇 암인 암이 동작에 참여할 수 없다는 것을 의미하지는 않으며, 그것은 인간 운전자에 의해 명령받는 것을 의미한다. 따라서 이중 암 조립 동작을 지시할 때 슬레이브 로봇 암은 능동적으로 힘 제어되어 운전자에 의해 명령받은 힘을 발휘하는 동안 마스터 로봇 암은 워크피스를 잡고 있을 수 있다. 그러나, 이 특별한 경우에는 모션/힘 제어 내에서 물리적 상호작용 힘의 존재를 참작해야 하며 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암 사이의 힘/토크 관계(워크피스에 작용하는 힘을 통해)는 각 팔에 대해 힘 감지(또는 모터 토크로부터의 추정)가 있는 경우 결정되고 모니터링될 수 있다. 사소한 메카닉으로부터, 다른(이전 마스터) 로봇 암이 워크피스를 잡고 있는 동안(이전의 명령 동안) 슬레이브 로봇 암이 원하는 동작을 수행하도록 강제 제어되는 후속 자동 동작을 위해 고유하게 정의되는 소정의 힘(desired force)에 대해 운전자가 물리적으로 어떤 암에 작용할 지를 알아야 한다 대안으로, 예를 들어 기구학적 구성 및 조인트 속도와 함께 마찰 효과를 고려하여 감소된 감도를 위해 힘 제어가 암들로 분할될 수도 있다.
또 다른 특별한 경우는 이중 힘 감지/추정을 사용하여 지시된 동작의 힘/토크 제어를 갖는 단일 암에 본 발명을 사용하는 경우이다. 예를 들어, 하나의 힘/토크 센서가 운전자 힘 상호작용을 감지하도록 배치되고, 하나의 힘/토크 센서가 엔드-이펙터 힘을 감지하도록 배치된다. 즉, 이중 암 동작의 이전 사례에서와 같이, 시스템(1)은 힘/토크 센서(마스터 인간 명령 힘을 측정)가 설치되어야 하는 엔드 이펙터(또는 엔드-플랜지; 슬리이브 힘이 작용하는 것과 동일한 물리적인 본체) 사이의 공지된 물리적 접촉으로부터 분리된, 엔드 이펙터(가능하게 모터 토크로부터의 추정을 사용하여, 예컨대, 엔드 이펙터가 장착된 암의 엔드-플랜지)에 대한 힘을 모니터링하고 제어해야 한다. 당업자는 현존하는 기술로부터 이러한 전용의/제한된 솔루션을 구축할 수 있지만 원칙적으로는 이러한 단일-암 구성일 가능성이 크다. 대신에, 언급된 보다 일반적인 상황에 이식성을 제공하기 위해, 본 발명에 따른 방법, 시스템 및 알고리즘은 특별한 경우로서 단일 암의 경우를 지지하면서 큰 산업적 가치의 일반적인 경우까지 확장된다. 간결함을 위해, 일반적인 경우는 다음과 같은 이머시브 기구학적 티칭에 대한 다음의 설명에 의해 커버된다.
햅틱 피드백이 있는 원격 조작 프레임워크(teleoperation framework)는 티칭 시스템의 일부이다. 운전자는 로봇이 인지할 수 있는 것을 인지할 수 있으므로 메커니즘의 한계를 인식하면서 태스크를 수행하는 데 필요한 절차를 정확하고 직관적으로 프로그래 할 수 있다. 사용 가능한 암들중 하나(또는 임시 티칭 암)은 사용자를 지원하는 통합 모듈을 통해 햅틱 장치로 사용된다. 또한 모션의 어떤 특징들이 로봇 명령으로 통합되어야 하는 지에 영향을 준다. 상호작용 힘 및 모션 제어 신호는 세그먼트화되고 해석되어 프로그램 또는 프로그램 설정을 형성할 수 있도록 기록된다.
일부 실시예에 따르면, 시스템(1)은 명령된 조인트 움직임 및 슬레이브 로봇 암의 슬레이브 외력 데이터를 기록하도록 구성된다. 예를 들어, 기록된 신호는 제어 유닛(5)의 메모리 유닛(5B)에 저장될 수 있다. 시스템(1)은 또한 슬레이브 로봇 암과 관련된 프레임으로 표현된 기록된 결과적인 모션에 기초하여 그리고, 동일한 프레임에서의 워크피스에 대한 기록된 결과적인/인가된 힘에 기초하여 로봇 프로그램 또는 로봇 명령을 결정하도록 더 구성될 수 있다. 로봇 프로그램은 예를 들어 적어도 하나의 명령어 세트를 포함한다. 로봇 프로그램의 수립은 산업 로봇 언어로 발견된 종류일수 있는 특정 로봇 명령어를 결정하기 위한 어플리케이션에 대한 연결을 설정하기 위해 기록된 신호 및 선택적으로 운전자로부터의 입력을 사용하는 세그멘테이션(segmentation)을 포함할 수 있다. 이 프로그램은 생성된 궤적을 재생하기 위해 하이브리드 힘/모션 컨트롤러를 활성화 할 수 있다. 예를 들어 Siciliano, Bruno, Khatib, Oussama(Eds.): "Springer Handbook of Robotics", 2nd ed., chapter "Learning from Humans" by Billard, Aude G.(et al.), Pages 1995-2014, yeat 2016에서는 기록된 데이터로부터 로봇 명령어을 작성하는 가능한 방법을 설명하고 있다.
일부 실시예들에서, 햅틱 인터페이스 모듈(7)은 슬레이브 로봇 암에 대한 적어도 하나의 제한을 적어도 하나의 직관적인 힘 반응으로 맵핑하도록 구성되며, 제어 유닛(5)은 마스터 로봇 암으로의 햅틱 피드백으로서 재생하도록 구성된다. 예를 들어, 직관적인 힘 반응이 공통 워크피스에 대한 직접기구 학적 커플 링에 해당하는 경우 일 수 있습니다. 특히, 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암은 동일한 공통 워크피스에 작용하며 따라서 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암에 대해 공통이다. 통상적으로, 각각의 암에는 그리퍼(17)와 같은 엔드 이펙터가 장착되고, 그리퍼들은 워크피스(4)와 같은 하나의 동일한 워크피스 상에서 유지된다. 이러한 공유된 워크피스에 대해, 하나의 직관적인 힘 반응에 대한 상호작용 지점의 슬레이브 로봇 암에 대한 하나의 제한, 공유된 워크피스 상에서 2개의 암에 의해 형성된 기구학적 체인의 리던던시, 및 서로 접촉하는 경우 워크피트와 환경 사이의 힘 반응의 가능한 조합으로부터 발생되는, 다수의 가능한 힘 인터플레이 조합이 존재한다. 결과적인 하중 케이스는 뉴톤의 법칙 및 본 발명의 이론을 따르기 때문에, 당업자가 콘트롤러(5)를 구성하고 운전자 입력을 아래와 같이 되도록 요청하는 것이 간단하다.
- 모든 암의 기구학적 특성은 공지되어 있다;
- 워크피스 특성을 알 수 있거나 알려지지 않은 것으로 공지되며 그런 다음 부하 식별을 활성화하고 및/또는 사용자에게 데이터를 요청한다.
- 슬레이브 로봇 암 제한은 식별(현재 제품에 존재) 또는 요청된 사용자 입력을 통해 알려지거나 결정될 수 있다.
- 마스터 로봇 안암에 대한 햅틱 피드백으로서 재생되는 하나의 직관적인 힘 반응이 잘 알려진 지점 또는 링크에 대한 힘 평가 또는 단일 암 특수 경우에 대한 추가적인 힘 감지로부터 공지되어 있다.
시스템(1)의 상기 설명으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 공통 워크피스의 멀티-암/수동 조작은 발명된 방법의 특별한 경우이며, 이에 대해서는 이하에서 더 상세히 설명된다.
일부 실시예에서, 직관적인 힘 반응은 공통의 가상 워크피스 상에서 직접적인 기구학적 커플링에 대응한다. 공통의 가상 워크피스는 공통 워크피스의 모델을 말한다. 일부 실시예에서, 기구학적 커플링은 데카르트 공간 제어(Cartesian-space control)에 의해 달성되며, 이것은 먼저 설명되는 유익한 케이스이다.
데카르트 공간 접근법에서 두 암의 엔드 이펙터들은 위치와 배향에서 임의의, 아직 고정된, 양의 오프셋이 있다고 하더라도 동일한 엔티티를 나타낸다. 즉, 초기 오프셋이 제거되면 조작자들이 동일한 지점에서 동일한 물체와 동시에 상호 작용한다고 가정할 수 있다. 따라서, 이 가상 물체에 작용하는 힘 F와 토크 τ는 각 암으로부터의 상호작용 힘들의 합이다.
Figure pct00111
(49)
Figure pct00112
(50)
여기서 인덱스는 암들을 나타낸다. 가상 물체가 고형물이라고 가정하면, 물체의 모션은 다음에 의해 통제받는다.
Figure pct00113
(51)
Figure pct00114
(52)
여기서 m은 질량, D는 점성 마찰, I는 관성 텐서(inertia tensor), Do는 회전 댐핑, v는 속도, ω는 각속도이다.
각 암에 대해, 결과적인 조인트 모션은 조인트 공간이며 다음과 같이 획득된다.
Figure pct00115
(53)
Figure pct00116
(54)
여기서 qi는 암 i의 조인트 각도를 나타내고, ci는 초기 조인트 값이며
Figure pct00117
는 주어진 조인트 각도에서의 자코비안의 의사 역함수를 나타낸다. 조인트 각도와 속도는 내부 로봇 컨트롤러에 제공된다.
이 데카르트 공간 접근법에서는 내부 동역학에 대한 관심이 전혀 없다. 예를 들어, 리던던트 로봇에 대해, 엔드 이펙터와 상호 작용하여 원하는 구성을 달성하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 따라서 산업적으로 유용한 완전한 시스템에 도달하기 위해 다음 단계는 모션 구속조건을 충족하기 위한 조인트-공간 솔루션을 가지는 것이다. 여기에서, 모션 구속조건은 기하학적 구속조건과 기구학적 구속조건을 모두 포함하며 일반적으로 애플리케이션으로부터 그리고 로봇 자체로부터 발생한다. 여기서는 손목에 장착된 힘/토크 센서가 없는 경우 각 조인트의 토크 추정이 직접 사용될 수 있다.
추정된 토크를
Figure pct00118
로 표시하면 로봇의 어드미턴스 제어 법칙(admittance control law)은 다음과 같이 기술된다.
Figure pct00119
(55)
여기서 qa는 어드미턴스 법칙으로 인한 기준 조인트 각도이며, M은 원하는 질량 행렬이고 D는 원하는 댐핑에 대응한다. 데카르트 공간에서 암의 모션은 동일해야 한다. 모션 구속조건에 따르면 다음을 의미한다.
Figure pct00120
(56)
각 암의 모션은 로컬 어드미턴스 레귤레이터
Figure pct00121
로부터의 기여와 다른 암에 의해 유도된 모션
Figure pct00122
으로 구성된다고 가정할 수 있다. 따라서 다음과 같이 기재할 수 있다.
Figure pct00123
(57)
Figure pct00124
(58)
(56)에(57)과(58)을 대입하면 다음과 같이 된다.
Figure pct00125
(59)
이 대등성(equality)을 사실로 만드는 선택은 다음과 같다.
Figure pct00126
(60)
Figure pct00127
(61)
또 다른 선택은, 예컨대, 어떤 일반적인 것(norm)에 대해
Figure pct00128
를 최소화하기 위해
Figure pct00129
및
Figure pct00130
을 구하는 것이 될 수 있다. 이들 관계는 속도 레벨 상에 있기 때문에 상대 위치와 배향에서의 이동(drift)이 발생할 수 있다. 하나의 로봇이 마스터이고 다른 로봇이 슬레이브라고 가정하면 슬레이브의 위치와 배향에 대한 루프를 닫음으로써 이를 해결할 수 있다.
또 다른 가능성은 암들의 모션을 미러링하는 것이다. 이것은
Figure pct00131
,
Figure pct00132
, 및
Figure pct00133
을 나타내며, 여기서 인덱스는 암들 및 병진 속도 v 및 각속도 ω의 구성요소들을 나타낸다. 이 변경사항을(56)에 적용하면 다음을 얻을 수 있다.
Figure pct00134
(62)
여기에서 행렬 S는 다음과 같이 정의된다.
Figure pct00135
(63)
이 경우 개별 속도들에 대한 가능한 솔루션은 다음과 같다.
Figure pct00136
(64)
Figure pct00137
(65)
도 4는 일부 실 예에 따른 로봇(10)을 지시하는 방법의 흐름도를 도시한다. 본 방법은 이 흐름도를 참조하여 설명된다. 이 방법은 명령어 또는 컴퓨터 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수 있으며, 제어 유닛(5)의 메모리 유닛(5B)에 로드될 수 있다. 프로세서(5A)가 컴퓨터 프로그램을 실행할 때,이 방법은 로봇(10) 및 운전자(6) 그리고 시스템(1)에 의해 구현될 수 있다. 다시 말해, 본 발명은 또한 컴퓨터 프로그램에 관한 것으로, 컴퓨터 프로그램은 제어 유닛(7) 또는 제어 유닛(7)에 연결된 컴퓨터 또는 콘트롤러가 본 명세서에서 설명된 방법을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함한다. 컴퓨터 프로그램 코드는 제어 유닛(7) 또는 제어 유닛(7)에 연결된 컴퓨터에 의해 컴퓨터 프로그램 코드가 실행될 때, 여기에서 설명된 단계들의 어떤 단계에 따라 방법을 수행하기 위해 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다.
이 방법은 일반적으로 여기에 설명되어 있지만, 로봇에게 어떤 태스크를 지시하거나 가르치는 데에 이 방법을 사용될 수 있음이 이해된다.
태스크는 워크피스, 예컨대, 도 1에 도시된 워크피스(4)와의 힘 상호작용을 포함 할 수 있다. 초기에, 운전자 또는 시스템(1)은 전술한 바와 같이 적어도 한 쌍의 지정된 커플링 프레임들을 정의할 수 있다. 이 목적을 위해, 운전자는 시스템(1)을 "상호작용 프레임 모드 설정"으로 설정할 수 있다. 그러나, 이 정의는 시스템(1)에 미리 정의되어 예컨대, 메모리(5B)에 저장된다. 그런 다음, 시스템(1)은 마스터 로봇 암이 운전자 상호작용에 의해 영향 받기 위해 배치되고, 슬레이브 로봇 암이 워크피스와의 상호작용을 위해 배치되는 "활성화된 명령 모드"로 설정된다. 마스터 로봇 암은 이제 운전자와 슬레이브 로봇 암 사이의 햅틱 인터페이스로서 작용하도록 구성된다. 이 방법은 단계 S1에서 운전자와 마스터 로봇 암 사이, 예컨대, 운전자(6)와 도 1의 제1 로봇 암(2) 사이의 힘 상호작용을 나타내는 마스터 외력 데이터를 결정하는 단계를 포함한다.(6) 및도 1의 제 1 로봇 암(2)을 포함한다. 이 방법은 추가적인 단계 S2에서, 슬레이브 로봇 암과 워크피스, 예컨대, 도 1의 워크피스(4) 사이의 힘 상호작용을 나타내는 슬레이브 외력 데이터를 결정하는 단계를 포함한다. 슬레이브 로봇 암은 예를 들어, 도 1의 제2 로봇 암(3)일 수 있다.
전술한 단계들은 특정 순서가 아닌, 동시에 그리고 연속적으로 수행될 수 있다. 단계 S1 및 S2는 예를 들어. 관찰자(21, 31)(도 3)로부터의 새로운 측정값을 획득하는 것을 포함한다. 이 방법은 추가적인 단계(S3)에서, 솔버를 이용하여, 그리고, 상기 마스터 외력 데이터, 상기 슬레이브 외력 데이터, 상기 마스터 로봇 암의 동역학 모델, 상기 슬레이브 로봇 암의 동역학 모델, 및 상기 마스터 로봇 암의 지정된 마스터 커플링 프레임과 슬레이브 로봇 암의 지정된 슬레이브 커플링 프레임 사이의 정의된 기구학적 커플링에 기초하여, 정의된 기구학적 커플링에 기초하여, 동작 모델들에 의해 부과된 구속조건을 존중하면서 기구학적 커플링을 달성하기 위한 힘/토크를 포함하는 동작 모델들 사이의 관계를 강제함으로써 마스터 커플링 프레임의 속도와 슬레이브 커플링 프레임의 속도가 상괸되도록 함으로써, 마스터 로봇 암을 위한 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 로봇 암을 위한 조인트 움직임 명령을 계산하는 단계를 포함한다.
예를 들어 속도들은 예컨대, 마진(margin) 내에서 동일하도록, 미러링되도록, 또는 스케일링되도록 정의된다. 특히, 단계 S3는 조인트 한계 및 다른 일방적인 제한을 모니터링하는 단계를 포함 할 수 있으며, 만약 부딪혔다면, 대응하는 구속조건이 동역학 시스템에 활성화된다. 서술적 방식으로 기호적으로 표현된 구속조건을 갖는 하나의 구현에서, 구속조건은 적절한 솔버에 의해 계산에 자동으로 추가될 수 있다. 솔버는 예컨대, 수식(15) 및(16)으로 특정된 연결된 동역학 시스템을 시간상으로 시뮬레이션하고, 식(15) 및(16)에서 G로서 구현된, 예컨대, 식(1) 및(2)로 특정된, 기구학적 구속조건을 유지하는데 필요한 힘/토크, 예컨대, 식(29)가 계산된다. 구속조건이 여전히 유효한 지를 확인할 수 있고, 만약 그렇지 않다면, 구속조건은 완화되거나 비활성화되며, 또는 시스템이 물리적으로 변경된 때 전술한 서술적 경우에는 제거되기 조차 한다. 조인트 움직임 명령들은 새로운 조인트 위치들
Figure pct00138
, 속도들
Figure pct00139
및 토크
Figure pct00140
를 포함한다. 이 방법은 추가 단계 S4에서 조인트 움직임 명령에 따라 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암을 제어한다. 이 단계는 새로운 조인트 위치들
Figure pct00141
, 속도들
Figure pct00142
가 낮은-레벨의 로봇 컨트롤러 또는 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암을 제어하는 컨트롤러들로 전송되는 것을 포함한다. 그런 다음 운전자는 마스터 로봇 암의 동역학 및/또는 슬레이브 로봇 암의 동역학을 반영하는 힘 상호 작용으로부터 햅틱 피드백을 수신한다.
단계 S5에서, 상기 방법은 상기 슬레이브 로봇 암과 관련된 프레임의 결과적인 움직임을 기록하고, 동일한 프레임에서 워크피스(4)에 대한 결과적인/적용된 힘을 단계를 더 포함한다. 이러한 기록은 슬레이브 로봇 암(3)이 따라야하는/따를 수 있는 목표 좌표를 갖는 프로그램으로 컴파일 될 수 있다.
변형가능한 물체를 조작해야 하는 경우, 변형은 감지/관찰될 필요가 있으며, 관련된 힘을 추정하는 데 사용되어야 하지만, 여기에서는(간략화된 명료함을 위해) 단단한 물체의 경우, 외력은 추정되고 로봇의 단단한 본체 모델이 시뮬레이션된다. 생성된 모션은 실제 로봇에 대한 참조를 제공한다. 다양한 커플링 및 구속조건을 수용하기 위해, 동역학 구속조건, 예컨대, 힘 구속조건 또는 토크 구속조건을 이용한다. 특히, 이중-암 리드 스루(lead-through) 인터페이스의 경우에, 예를 들어, 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암의 양쪽 엔드 이펙터들이 동일한 병진 속도 및 각속도를 가지는 것을 확실하게 하는 구속조건을 표현할 수 있다. 이 구속조건은 예컨대, 마스터 로봇 암의 커플링 프레임과 슬레이브 로봇 암의 커플링 프레임 사이의 커플링이다. 커플링은 상대 위치 및/또는 배향, 한 쌍의 프레임의 거리 커플링 또는 마스터 로봇 암 및 슬레이브 로봇 암의 한 쌍의 조인트들의 커플링의 측면에서 정의될 수 있다. 구속조건의 물리적 효과, 그에 따라 한 쌍의 프레임들 사이의 커플링을 달성하기 위해 가상 힘/토크가 계산된다. 다시 말해서, 일부 실시예에서, 단계 S3의 계산은 마스터 로봇 암 및/또는 슬레이브 로봇 암 상에서 모션 구속조건을 유지하는데 필요한 적어도 하나의 가상의/계산된 힘을 결정하는 단계 및, 마스터 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령, 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 적어도 하나의 가상의 힘에 또한 기초하여 결정하는 단계를 포함한다. 이것은 동역학 모델들에 의해 부과된 구속조건들이 존중되면서 시스템의 동역학들 사이의 관계를 정의하는 미수-대수 방정식의 시스템의 해 및 기구학적 커플링을 달성하는데 필요한 힘/토크를, 마스터 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령 및 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하는 솔루션을 이용하여 결정함으로써 달성될 수 있다. 상기 계산 단계 S3는 동역학 모델에 의해 부과된 구속조건이 존중되면서 기구학적 커플링을 달성하는데 필요한 힘 및/또는 토크를 포함하는 해를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 한쌍의 커플링 프레임들(몇 쌍으로 확장될 수 있음) 사이의 커플링을 달성하는 것에 추가하여, 상기 계산 단계는 동역학 모델들에 의해 부과된 구속조건이 존중되면서 해당 구속된 모션이 달성되도록 복수의, 그에 따라 추가적인 모션 구속조건에 기초하여 상기 마스터 로봇 암에 대한 상기 조인트 움직임 명령 및 상기 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하는 단계를 포함한다. 추가적인 모션 구속조건은 여기에서, 예를 들어, 조인트 제한, 한 쌍의 조인트들의 커플링, 및 태스크 구속조건중 어느 하나가 된다. 예를 들어, 계산 단계는 어떤 기구학적 구성에서 모션 구속조건을 유지하는데 필요한 적어도 하나의 가상의 힘을 결정하는 단계를 포함한다.
운전자가 마스터 로봇 암을 통해 슬레이브 로봇 암을 지시하는 동안, 바람직하게는 태스크를 독립적으로 수행하기 위해 슬레이브 로봇 암에 의해 실행될 수 있는 프로그램이 결정될 수 있도록 데이터가 수집된다. 이를 달성하기 위해, 상기 방법은 상기 결정된 조인트 움직임 명령을 기록하고 상기 슬레이브 로봇 암의 상기 슬레이브 외력 데이터를 기록하는 단계를 포함한다. 추가적으로, 일부 실시예에서, 상기 방법은 슬레이브 로봇 암과 관련된 프레임으로 표현된, 기록된 결과적인 움직임에 기초하여, 그리고 워크피스에 대해 기록된 결과적인/인가된 힘에 기초하여 로봇 프로그램 또는 로봇 명령을 결정하는 단계를 포함한다. 로봇 프로그램은 예를 들어 적어도 하나의 명령어 세트를 포함할 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 상기 방법은 시스템(1)과 관련한 설명과 관련되어 설명된 바와 같이, 상기 마스터 로봇 암의 적어도 하나의 조인트의 조인트 모션 데이터 및/또는 조인트 위치 데이터에 기초하여 상기 마스터 외력 데이터를 결정하는 단계 및/또는 상기 슬레이브 로봇 암의 적어도 하나의 조인트의 조인트 모션 데이터 및/또는 조인트 위치 데이터에 기초하여 슬레이브 외력 데이터를 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 시스템(1)의 설명과 관련하여 설명된 바와 같이, 각각 마스터 로봇 암 또는 슬레이브 로봇 암으로부터의 토크 센서 및/또는 모터 신호 데이터로부터 외력 데이터를 획득하는 단계를 포함할 수있다.
상기 방법은 햅틱 피드백이 마스터 로봇 암 및/또는 슬레이브 로봇 암의 임의의 제한된 및/또는 단일 구성에 따라 호환되거나 조정되도록, 마스터 로봇 암과 슬레이브 로봇 암 사이의 힘 및 토크의 양방향 전달을 달성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 운전자에게 햅틱 조이스틱으로 작동하는 마스터 로봇 암을 통해 슬레이브 로봇 암을 직관적으로 기동시킬 수 있는 운전자에게 몰입감 있는 경험을 가능하게 한다.
일부 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 슬레이브 로봇 암의 적어도 하나의 제한을 적어도 하나의 직관적인 힘 반응으로 맵핑하고 상기 마스터 로봇 암으로의 상기 햅틱 피드백으로서 상기 직관적인 힘 반응을 재현하는 단계를 포함한다. 직관적인 힘 반응은 공통의 워크피스(4) 상에서 직접적인 기구학적 커플링에 해당할 수 있다. 상기 방법은 전술한 바와 같이, 데카르트-공간 제어와의 기구학적 커플링을 달성하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 방법은 전술 한 바와 같이 조인트-공간 제어로 기구학적 커플링을 달성하는 단계를 포함할 수 있다.
이하,이 방법을 도 1에 도시된 로봇(10)에 적용한 경우의 사용 시나리오를 설명한다. 우선, 제1 암(2) 및 제2 암(3)의 엔드-이펙터(11, 17)는 각각의 속도가 상관되도록 기구학적 커플링이 그 사이에 정의되어 있는, 지정된 커플링 프레임들로서 햅틱 인터페이스 모듈(7)에 정의된다. 그 후, 시스템(1)의 추가적인 모션 구속조건이 조정된다. 이는 시스템(1)에 의해 자동적으로 또는 시스템(1)에 대한사용자 인터페이스를 통해 운전자에 의해 수동으로 수행될 수 있다. 추가적인 모션 구속조건은 예를 들어, 조인트 한계, 모션의 방향 등일 수 있다. 또한 시스템(1)의 동역학 파라미터가 조정된다. 이것은 시스템(1)에 의해 자동으로 또는 운전자에 의해 수동으로 행해질 수있다. 동역학적 파라미터는 예를 들어 바람직한 마찰, 중력 하중, 질량 및 관성 모멘트 등이다. 이제, 시스템(1)은 사용될 준비가 되어 있다. 티칭 모드가 활성화되고 각 암이 개별적으로 초기 구성으로 이동된다. 운전자는 티치 핸들(11)을 힘으로 작동함으로써 동기화된 모션을 활성화하고 시연에서 궤적을 따라 슬레이브 로봇 암을 이끈다. 운전자는 대안적으로 제어 유닛(5) 또는 티치 핸들(11)상의 버튼을 통해 동기화된 모션을 활성화시킬 수 있다. 다른 경우에, 시스템은 개별 암의 움직임과 그것을 혼동하지 않도록 티치 핸들(11) 또는 유사물 등을 2회 두드리는 것과 같은 특정 힘 사인(signature)를 구현할 수 있다.
한편, 시스템(1)은 시연에서 궤적과 힘을 기록한다. 그 후, 시스템(1)은 시연으로부터 파라미터들을 슬레이브 로봇 암의 컨트롤러가가 해석할 수 있는 명령어 세트로 추출한다. 시연 구간이 끝나면, 운전자는 전형적으로 제어 유닛(5)의 사용자 인터페이스를 통해 시스템(1)의 티칭 모드를 오프한다.
특정 사용 사례 :
I. 어셈블리 태스크를 가르치고 상호작용 힘을 기록하기:
어셈블리 태스크는 여러 하위 태스크에 관련되며 각 하우 태스크는 어떤 위치와 힘 기준을 달성하는 것을 요구한다. 운전자는 마스터 로봇 암을 사용하여 동작 및 필요한 힘을 시연한다.
슬레이브 로봇 암은 마스터 암의 모션을 따라하며, 운전자에게 햅틱 피드백을 제공한다.
II. 밀링(milling) 또는 디버링(deburring)에 필요한 힘을 시연한다.
밀링 및 디버링과 같은 가공 태스크에서, 접촉력은 중요한 역할을 한다. 시연의 일부로서 실제 로봇(슬레이브 로봇 암)을 사용하고 운전자에게 햅틱 피드백을 제공함으로써 필요한 힘들이 프로그램에서 직관적이지만 정확하게 특정될 수 있다.
III. 프로그래밍 좌표의 암 움직임 :
때로는 하나 이상의 로봇 암이 사용되며 암들의 움직임은 독립적이지 않다. 예를 들어, 상자를 운반 할 때, 움직임은 상자에 의해 부과 된 고정된 관계를 갖는다. 또 다른 예로, 로봇 셀은 서로의 움직임을 미러링하는 여러 로봇으로 구성될 수 있습니다. 이러한 시나리오에서는 로봇들 중 하나 또는 추가적인 티칭 암이 다른 로봇에게 태스크를 지시하도록 채용될 수 있다.
IV. 실제 로봇 또는 가상 메커니즘을 위한 햅틱 인터페이스:
이 경우 사용자는 로봇을 원격으로 조작하거나 장치를 사용하여 가상 현실에서 메커니즘을 제어하기 위해 장치를 사용하는 것에 관심이 있다. 동역학 관계가 우리의 접근법에서 고려되기 때문에, 제어되는 로봇의 물리적 특성은 운전자에 의한 햅틱 피드백의 형태로 감지된다. 모션을 스케일링하거나 모션 제한을 정의하는 것에 의해 슬레이브 로봇을 보다 정확하게 제어할 수 있다. 가상 시뮬레이터는 또한 실제 설정에 대한 액세스가 없을 때 힘의 상호작용을 요구하는 태스크들을 위해 로봇을 프로그래밍하는데 사용될 수 있다.
모든 사용 케이스에 공통적인 것은 다음 순서이다. 사용자는 마스터 및 슬레이브 프레임을 정의한다. 그런 다음 기구학적 커플링과 같은 기구학적 구속조건과 조인트 한계, 모션의 방향 등과 같은 추가의 구속조건이 조정된다. 사용자는 시스템의 동역학적 파라미터, 바람직한 마찰, 중력 하중, 질량 및 관성 모멘트를 선택적으로 조정할 수 있다. 이후, 시스템의 티칭 모드가 활성화된다. 각 로봇 암은 개별적으로 초기 구성으로 이동될 수 있다. 듀얼-암 리드 스루(dual-arm lead through)를 활성화시킴으로써, 암들은 동기식으로 움직이고, 운전자는 햅틱 피드백을 수신한다. 이 모드에서는 궤적과 힘이 기록되고 태스크 관련 파라미터가 시연으로부터 추출된다.
이 시스템은 로봇과 워크피스 간의 상호작용 힘과 티칭에 사용되는 힘을 구별할 수 있도록 한다. 따라서 태스크에 필요한 힘은 용이하게 재구성될 수 있다. 햅틱 피드백은 또한 슬레이브 로봇 암의 동역학적 특성 및 한계를 반영할 수 있으므로 운전자가 그에 따라 움직임을 조정하는데 도움을 줄 수 있다. 또한 이 시스템은 로봇 기구학에 한정되지 않는다. 예를 들어, 마스터 및 슬레이브 로봇은 서로 다른 개수의 조인트를 가질 수 있다.
본 발명은 상술한 바람직한 실시예에 한정되지 않는다. 다양한 대안, 수정 및 등가물이 사용될 수있다. 따라서, 상기 실시예들은 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.

Claims (19)

  1. 로봇을 지시하는 시스템(1)에 있어서,
    운전자 상호작용에 의해 영향받도록 배치된 마스터 로봇 암(2);
    워크피스(4)와 상호작용을 위해 배치된 슬레이브 로봇 암(3); 및
    -운전자(6)와 마스터 로봇 암(2) 사이의 힘 인터플레이를 나타내는 마스터 외력 데이터를 결정하고
    -슬레이브 로봇 암(3)과 워크피스(4) 사이의 힘 인터플레이를 나타내는 슬레이브 외력 데이터를 결정하도록 구성된 제어 유닛(5)을 포함하고,
    상기 제어 유닛(5)은 햅틱 인터페이스 모듈(7)을 더 포함하는데,
    상기 햅틱 인터페이스 모듈(7)은
    마스터 로봇 암(2)의 지정된 마스터 커플링 프레임과 슬레이브 로봇 암(3)의 지정된 슬레이브 커플링 프레임 사이의 태스크 공간에서, 상기 마스터 커플링 프레임의 속도와 상기 슬레이브 커플링 프레임의 속도가 상기 태스크 공간에서 상관되도록 기구학적 커플링을 포함하는 복수의 모션 구속조건들을 정의하는 구속조건 서브모듈(8); 및
    상기 마스터 외력 데이터, 상기 슬레이브 외력 데이터, 상기 마스터 로봇 암의 비선형 동역학 모델, 상기 슬레이브 로봇 암의 비선형 동역학 모델, 태스크 공간에서 상기 기구학적 커플링을 달성하기 위한 상기 지정된 프레임들에서의 가상의 힘/토크를 포함하는 상기 비선형 동역학 모델들 간의 관계에 기초하여, 그리고 상기 비선형 동역학 모델들에 의해 부과된 구속조건들이 존중되면서 상기 복수의 모션 구속조건들의 나머지를 강제하는데 필요한 적어도 하나의 가상의 힘 및/또는 적어도 하나의 가상의 토크에 기초하여 상기 마스터 로봇 암(2)에 대한 조인트 움직임 명령 및 상기 슬레이브 로봇 암(3)에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하도록 구성된 계산 서브모듈(9)를 포하며,
    상기 시스템(1)은
    상기 조인트 움직임 명령들에 따라 상기 마스터 로봇 암(2) 및 상기 슬레이브 로봇 암(3)을 제어하여 상기 운전자가 상기 시스템(1)의 동역학들을 반영하는 힘 인터플레이로부터 햅틱 피드백을 수신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 상기 슬레이브 로봇 암에 관련된 프레임의 결과적인 움직임을 기록하고, 상기 동일한 프레임에서 워크피스(4)로 결과적인/인가된 힘을 기록하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 계산 서브모듈(9)은 상기 시스템(1)의 동역학들 사이의 관계를 정의하는 미분-대수 방정식의 시스템에 대한 해(solution), 및 상기 동역학 모델들에 의해 부과된 상기 구속조건들이 존중되면서 상기 기구학적 커플링을 달성하는데 필요한 상기 힘 및/또는 토크를 결정하고, 상기 마스터 로봇 암(2)에 대한 조인트 움직임 명령 및 상기 슬레이브 로봇 암(3)에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하도록 상기 해를 이용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템(1).
  4. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마스터 로봇 암(2) 및 상기 슬레이브 로봇 암(3)은 상이한 기구학을 가지며 및/또는 상이한 자유도를 가지는 것을 특징으로 하는 시스템(1).
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어 유닛(5)은 다른 마스터 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령 및/또는 다른 슬레이브 로봇 암에 대한 조인트 움직임 명령을 상기 제어 유닛(5)를 재프로그래밍하지 않고 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템(1).
  6. 제2항에 있어서, 상기 시스템(1)은 상기 슬레이브 로봇 암에 관련된 상기 프레임으로 표현된 상기 기록된 결과적인 움직임에 기초하여 그리고, 상기 동일한 프레임에서 상기 워크피스(4)에 대한 상기 기록된 결과적인/인가된 힘에 기초하여 로봇 프로그램 또는 로봇 명령어를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템(1).
  7. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마스터 외력 데이터는 상기 마스터 로봇 암(2)의 적어도 하나의 조인트의 조인트 모션 데이터 및/또는 조인트 위치 데이터 및/또는 모터 신호 데이터에 기초하여 결정되며, 상기 슬레이브 외력 데이터는 상기 슬레이브 로봇 암(3)의 적어도 하나의 조인트의 조인트 모션 데이터 및/또는 조인트 위치 데이터 및/또는 모터 신호 데이터에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 시스템(1).
  8. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외력 데이터는 하나 이상의 토크 센서들(20, 30) 및/또는 상기 마스터 로봇 암(2) 또는 슬레이브 로봇 암(3)의 적어도 하나의 조인트의 조인트 힘 데이터 및/또는 모터 신호 데이터로부터 획득되는 것을 특징으로 하는 시스템(1).
  9. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마스터 로봇 암(2)은 상기 슬레이브 로봇 암(3)으로부터 기계적으로 분리된 것을 특징으로 하는 시스템(1).
  10. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬레이브 로봇 암(3)은 가상의 슬레이브 로봇 암인 것을 특징으로 하는 시스템(1).
  11. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 햅틱 인터페이스 모듈(7)은 상기 슬레이브 로봇 암(3) 상의 적어도 하나의 제한사항을 상기 제어 유닛(5)이 상기 마스터 로봇 암(2)으로의 햅틱 피드백을 재생하도록 구성되는 적어도 하나의 직관적인 힘 반응으로 맵핑하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템(1).
  12. 제11항에 있어서, 상기 직관적인 힘 반응은 상기 마스터 로봇 암(2) 및 상기 슬레이브 로봇 암(3)에 공통적인 공통 워크피스 상에서 직접적인 기구학적 커플링에 대응하는 것을 특징으로 하는 시스템(1).
  13. 로봇을 지시하는 방법에 있어서,
    운전자(6)와 마스터 로봇 암(2) 사이의 힘 인터플레이를 나타내는 마스터 외력 데이터를 결정하는 단계(S1);
    슬레이브 로봇 암(3)과 워크피스(4) 사이의 힘 인터플레이를 나타내는 슬레이브 외력 데이터를 결정하는 단계(S2);
    상기 마스터 외력 데이터, 상기 슬레이브 외력 데이터, 상기 마스터 로봇 암의 비선형 동역학 모델, 상기 슬레이브 로봇 암의 비선형 동역학 모델, 상기 마스터 로봇 암(2)의 지정된 마스터 커플링 프레임과 상기 슬레이브 로봇 암(3)의 지정된 슬레이브 커플링 프레임 사이의 태스크 공간에서 상기 비선형 동역학 모델들에 의해 부과된 구속조건을 존중하면서 상기 태스크 공간에서 기구학적 커플링을 달성하기 위한 상기 지정된 프레임에서의 가상의 힘/토크를 포함하는 상기 비선형 동역학 모델들 간의 관계를 강제함으로써, 정의된 기구학적 커플링을 포함하는 복수의 모션 구속조건에 기초하여 그리고, 상기 복수개의 모션 구속조건들 중 나머지를 강제하는데 필요한 적어도 하나의 가상의 힘 및/또는 적어도 하나의 가상의 토크에 기초하여 상기 마스터 로봇 암(2)에 대한 조인트 움직임 명령 및 상기 슬레이브 로봇 암(3)에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하는 단계(S3); 및
    상기 조인트 움직임 명령들에 따라 상기 마스터 로봇 암(2) 및 상기 슬레이브 로봇 암(3)을 제어하여 상기 운전자가 상기 마스터 로봇 암(2) 및/또는 상기 슬레이브 로봇 암(3)의 동역학들을 반영하는 상기 힘 인터플레이로부터 햅틱 피드백을 수신하는 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 방법은 상기 슬레이브 로봇 암에 관련된 프레임의 결과적인 움직임, 및 상기 동일한 프레임에서 워크피스(4)로 결과적인/인가된 힘을 기록하는 단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 계산하는 단계(S3)는 상기 시스템(1)의 동역학들 사이의 관계를 정의하는 미분-대수 방정식의 시스템에 대한 해(solution), 및 상기 동역학 모델들에 의해 부과된 상기 구속조건들이 존중되면서 상기 기구학적 커플링을 달성하는데 필요한 상기 힘 및/또는 토크를 결정하고, 상기 마스터 로봇 암(2)에 대한 조인트 움직임 명령 및 상기 슬레이브 로봇 암(3)에 대한 조인트 움직임 명령을 계산하도록 상기 해를 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 햅틱 피드백이 상기 마스터 로봇 암(2) 및/또는 슬레이브 로봇 암(3)의 제한된 및/또는 단일 구성에 따라 호환되거나 조정되도록, 상기 마스터 로봇 암(2)과 상기 슬레이브 로봇 암(3) 사이에서 힘 및 토크의 양방향 전달을 달성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 계산하는 단계(S3)는 상기 슬레이브 로봇 암(3)에 대한 적어도 하나의 제한사항을 적어도 하나의 직관적인 힘 반응으로 맵핑하고 상기 마스터 로봇 암(2)로의 햅틱 피드백으로서 직관적인 힘 반응을 재생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제어 유닛 또는 상기 제어 유닛에 연결된 컴퓨터에 의해 실행될 때 상기 제어 유닛이 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 하는 명령어들을 포함한는 컴퓨터 프로그램.
  19. 제어 유닛 또는 상기 제어 유닛에 연결된 컴퓨터에 의해 실행될 때 상기 제어 유닛이 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 하는 명령어들을 포함한는 컴퓨터-판독 가능한 매체.
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