KR20220109930A - 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법에 관한 것이다.
본 발명은 강인 관측기에 의해, 다관절 로봇에서 발생하는 불확실성에 대한 행렬을 이용하여 게인(L)값을 산출하는 단계; 슬라이딩 모드 관측기에 의해, 로봇 표면(Surface)의 게인값(

)을 산출하는 단계; 및 로봇 동역학 산출 모델에, 강인관측기의 게인과 슬라이딩 모드 관측기의 게인을 가산하여 접촉력을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법{Sensorless Contact Force Estimation Method of Articulated Robot Using Robust External Force Observer}

본 발명은 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 추가적인 힘 센서의 설치 없이 기존 로봇에 장착된 조인트 각도센서와 모터의 토크입력을 이용해 로봇 말단부의 접촉력을 추정할 수 있는 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법에 관한 것이다.

로봇은 산업 현장의 다양한 공정에 활용되며, 특히 조립 작업의 볼팅, 커넥팅, 삽입, 체결 등을 위해서는 로봇 말단부의 접촉력을 추정하고, 이로부터 정밀한 힘제어를 통해 작업을 수행한다.

이를 위해 로봇 말단부에 6축 센서를 부착하여, 로봇 말단부에 작용하는 접촉력을 추정하는 방법을 사용할 수 있으나, 6축 센서 장착으로 인한 비용 및 추가적인 하드웨어 설계가 필요한 문제점이 있다.

본 발명은 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 신뢰도 높은 센서리스 접촉력 추정을 할 수 있도록, 외부 노이즈과 로봇 모델링의 오차, 마찰력으로 인한 외부 외란과 모델 오차가 존재할 때, 해당 영향도를 고려해 추정기를 설계하는 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법은 비선형성을 가지는 모델링 오차와 마찰력을 고려해 외란으로부터 추정 오차의 신호크기의 비에 대한 성능을 고려하여 설계한 강인 추정기; 및 고차의 슬라이딩 선을 설계해 해당 성질을 가지도록 설계하여 추정 성능이 향상된 슬라이딩 모드 추정기를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 로봇 말단부에 작용하는 접촉력을 추정하기 위한 6축 센서를 로봇 말단부에 설치하지 않고도, 로봇의 접촉력을 추정할 수 있는 효과가 있다. 이와 같이, 본 발명은 로봇의 말단 접촉력을 추정하기 위한 직접적인 센서를 설치하지 않고도 로봇의 접촉력을 추정할 수 있게 됨에 따라 로봇 구축 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 로봇의 접촉력 측정 시, 외란 및 모델링 오차가 존재할 때도 로봇의 접촉력을 정확히 추정할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법을 설명하기 위한 구성블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법에 의해 추정된 7DOF 로봇 매니플레이터의 엔드 이펙터 x축방향 접촉력 추정 결과를 나타낸 참고도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법에 의해 추정된 7DOF 로봇 매니플레이터의 엔드 이펙터 y축방향 접촉력 추정 결과를 나타낸 참고도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법에 의해 추정된 7DOF 로봇 매니플레이터의 엔드 이펙터 z축방향 접촉력 추정 결과를 나타낸 참고도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법의 각 축에 인가되는 외력 추정 결과를 나타낸 참고도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법에서 H∞ 성능을 보장하는 슬라이딩 surface 궤적을 설명하기 위한 참고도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법과 종래 Saywer 로봇을 이용한 접촉력 추정 결과를 비교하기 위한 참고도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서 강인계측기 게인(L)의 영항에 대한 실험결과를 나타낸 참고도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 모델(C, G 행렬) 5% 오차에 대하여 강인관측기 게인(L)을 이용한 실험결과를 나타낸 참고도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법을 설명하기 위한 구성블록도이고, 도 2는 일 예의 다관절 로봇의 움직임을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법은 강인관측기(100), 슬라이딩 모드 관측기(200) 및 접촉력 산출부(300)를 포함한다.

그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절 로봇 시스템은 복수의 로봇팔(11)과 로봇팔(11)들이 자유롭게 움직일 수 있도록 로봇팔(11)들 사이에 구비되는 복수의 로봇 관절(12)로 이루어져 있다.

여기서, 다관절 로봇 시스템의 모멘텀(관절을 회전(운동)시키려고 하는 힘의 작용)은 [수학식 1]에서와 같다.

[수학식 1]

여기서, P는 로봇의 운동량 모멘텀, M(q)은 로봇의 관성행렬이고,

는 각 관절의 속도이다.

참고로 하기의 수학식들에서 이용되는 변수들은 하기의 [표 1]과 같다.

[표 1]

그리고, 일반적인 로봇의 동역학 식은 [수학식 2]와 같다.

[수학식 2]

여기서,

는 토크입력 벡터,

는 코리올리 및 구심력 행렬이며,

는 로봇의 동력학의 중력 행렬이고,

는 측정해야 할 외력 값이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 관측기의 모델식은 [수학식 3]과 같다.

[수학식 3]

여기서,

는 강인관측기(100)의 게인이고,

는 슬라이딩 모드 관측기(200)의 게인이다.

강인관측기(100)는 외란의 최대치가 'Ψ'보다 작음을 보장하기 위해, 강인관측기(100)의 게인(L)을 산출하기 위한 변수를 얻기 위해, [수학식 4]과 같은

행열을 설계한다.

[수학식 4]

여기서, H, X를 이용한 행열에서,

는 가정한 불확실성의 기울기 상한치 값이고,

는 외란으로 인한 시스템에의 영향치의 최대값을 나타내는 성능지표로 아래 식을 이를 최소화하여 외란의 영향을 말하며, I는 단위 행렬이고,

는 상수값이다.

그리고, 슬라이딩 모드 관측기(200)는 표면(Surface)를

와 같이 설계하고, 슬라이딩 모드 관측기(200)의 게인(

)을 산출하기 위해 하기의 [수학식 5]와 같이 설계한다.

[수학식 5]

여기서, K1, K2, K3은 각 슬라이딩 모드 관측기의 게인값(이득값)을 의미하며, S는 슬라이딩 변수값이다.

슬라이딩 모드 관측기(200)는 하기의 [수학식 6]을 통해 게인(K1, K2, K3)을 산출할 수 있다.

[수학식 6]

이때,

는 외란이 존재할 때도 제안한 슬라이딩 모드 관측기가 잘 수렴하도록 하는 안정행렬이다. K1, K2, K3은 각 슬라이딩 모드 관측기의 게인값(이득값)을 의미하고,

는 양의 값을 가지는 상수이다.

따라서, 슬라이딩 모드 관측기(200)는 접촉력 미분값의 바운드 값(

)을 알면 슬라이딩 모드 관측기(200)의 게인(

)을 설계할 수 있으므로, 추정속도를 개선하고 일정 시간안에 게인값(

)을 추정할 수 있다.

이후, 접촉력 산출부(300)는 자코비안(Jacobian) 행렬(J)의 곱과의 연산을 이용하여 접촉력을 산출한다. 즉, 하기의 [수학식 7]은 말단의 접촉력과 각 조인트(관절)의 물리적인 관계를 표시한다.

[수학식 7]

여기서, J는 자코비안(Jacobian) 행렬(J)을 의미하고, Fext는 접촉력, tau_ext는 외력으로 인해 각 조인트에 작용하는 힘이다.

한편, 본 발명은 상태를 변경하고자 하는 외적 작용인 외란 성분 또는 모델링 오차에 따라 제 3 관측기를 더 구비할 수 있다.

이하, 하기에서는 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법에 의한 추정방법과 실제 측정 결과를 비교한다.

도 3은 7DOF 로봇 매니플레이터의 엔드 이펙터 x축방향 접촉력 추정 결과를 나타낸 도면이고, 도 4는 7DOF 로봇 매니플레이터의 엔드 이펙터 y축방향 접촉력 추정 결과를 나타낸 도면이며, 도 5는 7DOF 로봇 매니플레이터의 엔드 이펙터 z축방향 접촉력 추정 결과를 나타낸 도면이다.

이러한 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예를 통해 추정한 접촉력 추정 결과와 종래 기술을 통해 직접 측정한 접력력 결과가 z측의 경우 유사함을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법을 통해 추정한 7개 축의 외력추정결과를 나타낸 비교 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서 추정한 외력 추정 결과와 실제 토크 결과가 유사함을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법을 통해 추정한 H∞ 성능을 보장하는 슬라이딩 표면 궤적 비교를 나타낸 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명을 통해 추정한 슬라이딩 표면 궤적과 실제 궤적이 유사함을 확인할 수 있다.

또한, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법을 통해 추정한 Saywer 로봇을 이용한 접촉력 추정값 비교 도면이다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, Saywer 로봇을 이용한 접촉력 추정 결과와 실제 센서에 의해 검출된 실험결과를 비교해 보더라도 유사한 결과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 강인관측기 게인(L)의 영향에 대한 실험값과 추정 값을 비교해 보더라도 각 축에서의 실제 게인 값과 유사함을 확인할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법에서 강인관측기 게인(L)의 영향에 대한 각 축별 실험결과를 나타낸 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 각 축의 게인 값과 실제 게인 값 및 게인 제거시의 토크 값이 유사함을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (1)

1. 강인 관측기에 의해, 다관절 로봇에서 발생하는 불확실성에 대한 행렬을 이용하여 게인(L)값을 산출하는 단계;
   슬라이딩 모드 관측기에 의해, 로봇 표면(Surface)의 게인값(

   

   )을 산출하는 단계; 및
   로봇 동역학 산출 모델에, 강인관측기의 게인과 슬라이딩 모드 관측기의 게인을 가산하여 접촉력을 추정하는 단계를 포함하는 강인 외력 관측기를 이용한 다관절 로봇의 센서리스 접촉력 추정 방법.
   

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