KR20220145387A - 로봇 장치 - Google Patents

Abstract

본 명세서에 기술된 특정 예들은 본체, 하나 이상의 관절에 의해 상기 본체에 결합된 엔드 이펙터(end effector), 및 하나 이상의 관절을 구동하여 로봇 장치의 상태를 제어하기 위한 추진 시스템을 포함하는 로봇 장치를 제어하는 방법을 제공한다. 예시적인 방법들은 로봇 장치에 임피던스 제어(impedance control)를 적용하는 단계; 엔드 이펙터의 기준 궤적(reference trajectory)을 결정하는 단계; 기준 궤적으로부터의 이탈을 야기하는, 로봇 장치에 작용하는 인가된 외력 및/또는 토크를 검출하는 단계; 검출된 인가된 외력 및/또는 토크를 보상하기 위해 하나 이상의 관절 중 하나 이상에 적용될 조정을 계산하는 단계; 및 계산된 조정을 사용해 하나 이상의 관절을 제어하여 엔드 이펙터를 구동하고 엔드 이펙터의 상기 기준 궤적을 복구하는 단계를 포함한다.

Description

로봇 장치

본 발명은 로봇 장치의 제어 방법, 상기 방법을 수행하도록 구성된 제어기, 및 상기 제어기를 포함하는 로봇 장치에 관한 것이다.

임피던스 제어(impedance control)는 로봇 장치를 제어하는 공지된 방법이다. 임피던스 제어는 예를 들어 물체 잡기, 들어올리기 및 조작, 보드에 쓰기 또는 표면 닦기와 같은 특정 작업을 수행하도록 구성된 엔드 이펙터를 갖는 로봇 아암(robotic arm)을 포함하는 로봇 장치를 제어하는 데 사용될 수 있다. 이러한 상황에서 임피던스 제어는 엔드 이펙터에 가해지는 힘과 엔드 이펙터의 위치 사이의 관계를 기반으로 엔드 이펙터를 제어할 수 있다. 임피던스 제어를 통해 힘 출력 대 모션 입력의 비율은 실제로 로봇 아암을 질량 스프링 댐퍼 시스템(mass-spring-damper system)으로 모델링하여 제어할 수 있다. 임피던스 제어는 이러한 작업이 인간 환경에서 수행되는 경우에 특히 유용할 수 있다. 특히, 임피던스 제어는 로봇 아암과 상호작용하는 인간에 의해 생성된 힘이, 예를 들어 로봇 아암이 얼마나 빨리 움직여야 하는지와 관련되는 것이 바람직한 경우에 유용할 수 있다. 그러나 임피던스 제어는 인간 환경이 아닌 다른 환경, 예를 들어 공장 설정과 같이 로봇 장치가 환경에 존재하는 물체를 손상시키는 것을 방지하는 것이 중요한 경우에서 로봇을 제어하기 위해 적용될 수도 있다.

환경과의 일부 상호 작용 중에, 로봇 장치에 알 수 없는 부하가 작용할 수 있다. 예를 들어, 위에서 설명된 바와 같이 로봇 아암은 적절한 엔드 이펙터를 사용하여 물체를 들어올리는 임무를 맡을 수 있다. 어떤 경우에는 들어올려지는 물체의 질량을 알 수 없으므로, 엔드 이펙터에 작용하는 하중을 알 수 없다. 일반적인 임피던스 제어 방식에서, 이러한 알 수 없는 부하는 엔드 이펙터의 원하는 위치에 오류를 초래할 수 있으며, 알 수 없는 부하는 질량 스프링 댐퍼 시스템으로 작용하는 엔드 이펙터의 평형 위치를 변경하도록 동작한다. 이는 또한 본 명세서에서 엔드 이펙터가 "기준 궤적"에서 벗어나게 하는 하중으로 지칭될 수 있다. 이는 특히, 예를 들어 특정 작업을 수행하기 위해 엔드 이펙터의 위치를 정밀하게 제어해야 하는 경우 바람직하지 않을 수 있다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 본체, 하나 이상의 관절에 의해 본체에 결합된 엔드 이펙터, 및 로봇 장치의 상태를 제어하기 위해 상기 하나 이상의 관절을 구동하기 위한 추진 시스템을 포함하는 로봇 장치를 제어하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 상기 로봇 장치에 임피던스 제어를 적용하는 단계; 엔드 이펙터의 기준 궤적(reference trajectory)을 결정하는 단계; 기준 궤적으로부터의 이탈을 야기하는, 로봇 장치에 인가된 외력 및/또는 토크를 검출하는 단계; 검출된 인가된 외력 및/또는 토크를 보상하기 위해 하나 이상의 관절 중 하나 이상에 적용될 조정을 계산하는 단계; 및 계산된 조정을 사용해 하나 이상의 관절을 제어하여 엔드 이펙터를 구동하고 엔드 이펙터의 기준 궤적을 복구하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 예시적인 방법은 임피던스 제어 방식을 사용하여 엔드 이펙터를 계속 제어하면서 인가된 외력 및/또는 토크의 영향을 받을 수 있다. 외력 및/또는 토크는, 예를 들어, 영향을 받는 로봇 장치의 임피던스 제어 거동 없이 보상될 수 있다. 예를 들어, 로봇 장치의 움직임의 인지된 강성은 외력 및/또는 토크에 의해 야기된 기준 궤적에 대한 엔드 이펙터의 위치의 정적 오류(static error)가 "수정"되는 동안 변경되지 않은 상태로 유지될 수 있다. 본 발명의 추가 이점은 본 발명의 나머지 부분으로부터 명백해질 것이다.

상기 방법은 인가된 외력 및/또는 토크에 의해 야기되는 하나 이상의 관절에 가해지는 관절력 및/또는 토크를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 따라서, 하나 이상의 관절과 관련하여 로봇 장치에 대한 외력 및/또는 토크의 효과는 이 효과를 보상하기 위한 적절한 조정이 계산될 수 있도록 추정될 수 있다.

조정은 하나 이상의 관절에 적용되는 관절력 및/또는 토크일 수 있다. 예를 들어, 조정을 제공하기 위해 관절 토크가 적용될 수 있다. 조정은 일부 예에서 "예비 부하(pre-load)" 토크 및/또는 관절에 가해지는 힘으로 작용하여 적용된 외력 및/또는 토크가 임피던스 제어를 적용함으로써 엔드 이펙터의 제어를 계속하는 동안 보상될 수 있다.

감지된 인가된 외력 및/또는 토크는 엔드 이펙터에 작용하는 외력 때문일 수 있다. 따라서, 방법은 일부 예에서 엔드 이펙터에 적용된 외력의 영향을 보상할 수 있다.

인가된 외력 및/또는 토크를 보상하기 위해 하나 이상의 관절에 적용될 조정을 계산하는 단계는: 축을 따라 엔드 이펙터에 작용하는 인가된 외력 및/또는 토크의 하나 이상의 구성요소를 결정하는 단계; 및 축을 따른 외력 및/또는 토크의 하나 이상의 구성요소를 보상하기 위해 하나 이상의 관절에 인가될 힘 및/또는 관절 토크(joint torque)로서 조정을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 축은 예를 들어 실질적으로 수직인 축일 수 있다. 이는 일부 예에서 조정이 특정 축을 따라 작용하지 않는 외력 및/또는 토크의 성분을 필터링하는 동안 특정 축을 따라 작용하는 외력 및/또는 토크의 효과를 보상하도록 할 수 있다. 예를 들어, 축이 실질적으로 수직인 축인 경우, 엔드 이펙터에 작용하는 부하의 무게는 부하의 무게로 인한 것이 아닌 다른 효과를 필터링하면서 보상될 수 있다.

적용될 조정을 계산하는 단계는 벡터 하위 공간에서 엔드 이펙터에 작용하는 적용된 외력 및/또는 토크의 투영을 결정하는 단계 및 벡터 하위 공간에서 외력의 투영을 보상하기 위해 하나 이상의 관절에 가해질 관절 토크 및/또는 힘으로서 조정을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 외력 및/또는 토크의 다른 성분을 보상하지 않으면서 임의의 특정 하위 공간에서 외력 및/또는 토크의 성분이 보상되도록 할 수 있다.

적용된 외력 및/또는 토크는 엔드 이펙터에 의해 운반되는 하중의 무게로 인한 것일 수 있다. 따라서, 조정은 엔드 이펙터에 의해 운반되는 하중에 의해 야기되는 기준 궤적으로부터의 이탈을 보상할 수 있다.

기준 궤적은 로봇 장치가 표면에 하중을 가하기 위한 궤적을 정의할 수 있고, 상기 방법은 하중이 표면에 가해질 때 기준 궤적을 유지하고 엔드 이펙터에 작용하는 하중의 무게가 감소하도록 조정을 개선하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 하중이 엔드 이펙터에서 표면으로 원활하게 전달되도록 할 수 있다.

관절력 및/또는 토크를 추정하는 단계는 로봇 장치의 하나 이상의 고유 수용성 센서로부터의 데이터를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 특정 예에서, 로봇 장치에 작용하는 외력 및/또는 토크를 결정할 수 있는 추가 센서가 필요하지 않다.

관절력 및/또는 토크를 추정하는 단계는 모멘텀 옵저버 방법을 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 모멘텀 옵저버 방법을 사용하면 직접 추정 방법이 사용되는 경우 추정에 사용될 수 있는 것과 같이 측정된 관절 가속도를 사용하지 않고 적용된 외부 관절력 및/또는 토크를 추정할 수 있다.

방법은 상기 계산된 조정이 하나 이상의 관절을 제어하는 데 사용되는 속도를 결정하는 단계를 포함하며, 하나 이상의 관절을 제어하기 위해 계산된 조정을 사용하여 엔드 이펙터의 기준 궤적을 복구하는 단계는, 결정된 속도로 임피던스 제어를 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 외력 및/또는 토크가 보상되는 동안 임피던스 제어 법칙에 의해 제공되는 탄성 효과가 보다 효과적으로 유지되도록 하는 지연을 제공할 수 있다.

하나 이상의 관절을 제어하기 위해 계산된 조정이 사용되는 속도를 결정하는 단계는 검출된 인가된 외력 및/또는 토크와 관련된 신호에 저역 통과 필터를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 저역 통과 필터는 전술된 지연을 제공하기 위해 신호를 처리하기 위한 편리한 수단을 제공할 수 있고, 또한 노이즈가 조정에 의해 보상되지 않도록 필터링될 검출된 인가된 외력 및/또는 토크의 노이즈를 제공할 수 있다.

상기 방법은 로봇 장치의 무게로 인해 로봇 장치에 인가되는 토크를 보상하기 위해 하나 이상의 관절에 인가되는 중력 보상 토크를 결정하는 단계; 및 로봇 장치의 무게로 인해 로봇 장치에 작용하는 토크를 보상하기 위해, 하나 이상의 관절을 제어하기 위하여 결정된 중력 보상 토크를 사용해 임피던스 제어를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서의 예시적인 방법은 외력 및/또는 토크에 더하여 로봇 장치의 중량의 영향을 보상할 수 있다.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 본체, 하나 이상의 관절에 의해 본체에 결합된 엔드 이펙터, 및 하나 이상의 관절을 구동하여 로봇 장치의 상태를 제어하는 추진 시스템을 포함하는, 로봇 장치를 제어하기 위한 제어기가 제공되며, 제어기는 본 발명의 제1 양태에 따른 방법을 수행하도록 구성된다.

본 발명의 제3 양태에 따르면, 로봇 장치의 제어기에 의해 실행될 때 본 발명의 제1 양태에 따른 방법이 수행되도록 하는 기계 판독 가능 명령어 세트가 제공된다.

본 발명의 제4 양태에 따르면, 본 발명의 제3 양태에 따른 기계 판독 가능 명령어 세트를 포함하는 기계 판독 가능 매체가 제공된다.

본 발명의 제5 양태에 따르면, 로봇 장치가 제공되며, 상기 로봇 장치는 본체; 하나 이상의 관절에 의해 본체에 결합된 엔드 이펙터; 하나 이상의 관절을 구동하여 로봇 장치의 상태를 제어하는 추진 시스템; 및 제어기를 포함하며, 제어기는 로봇 장치에 임피던스 제어를 적용하고; 엔드 이펙터의 기준 궤적을 결정하고; 기준 궤적으로부터의 이탈을 야기하는, 로봇 장치에 인가된 외력 및/또는 토크를 검출하고; 검출된 인가된 외력 및/또는 토크를 보상하기 위해 하나 이상의 관절 중 하나 이상에 적용될 조정을 계산하고; 계산된 조정을 사용하여 하나 이상의 관절을 제어하여 엔드 이펙터를 작동시키고 엔드 이펙터의 기준 궤적을 복구하도록 구성된다.

본 발명의 추가 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 이루어진 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 명백해질 것이며, 이는 단지 예로서 주어진다.

도 1은 로봇 장치를 제어하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 명세서에 기술된 예에 따른 제어 방법을 적용하는 예시적인 로봇 장치를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 명세서에 설명된 예시적인 제어 방법의 개략도이다.
도 4는 예시적인 로봇 장치에 대한 예시적인 제어 구성요소를 도시하는 개략도이다.

본 발명의 예는 임피던스 제어를 사용하도록 구성된 로봇 장치의 제어에 관한 것이다. 이러한 로봇 장치는 인간 환경에서 인간과 상호작용하도록 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 예는 비-인간 구역, 예를 들어 공장, 환경에서도 작동하도록 의도된 상업용 로봇과 같은 다른 영역에서 응용 가능하다. 본 발명의 특정 예는 외부 토크가 엔드 이펙터에 예를 들어, 미지의 중량의 물체를 가하는 것으로 인해 엔드 이펙터에 인가될 때 기준 궤적을 회복하도록 구성된다. 그러나, 본원에 설명된 동일한 제어 접근 방식이 로봇 장치에 가해지는 다른 유형의 힘을 보상하기 위해 유사하게 사용될 수 있다. 로봇 장치를 제어하는 방법이 이제 예를 들어 설명될 것이다.

도 1은 베이스 링크(base link)로도 지칭될 수 있는 본체, 하나 이상의 관절에 의해 본체에 결합된 엔드 이펙터, 및 로봇 장치의 상태를 제어하기 위해 하나 이상의 관절을 구동하는 추진 시스템을 포함하는 로봇 장치를 제어하는 예시적인 방법(1000)의 흐름도를 도시한다. 로봇 장치의 상태를 제어하기 위해 하나 이상의 관절을 구동하는 단계는 관절의 회전을 제어하기 위해 관절에 관절 토크를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 로봇 장치는 또한 선형 이동이 가능한 하나 이상의 관절을 포함할 수 있다. 선형 운동이 가능한 관절은 추진 시스템에 의한 관절력의 적용으로 제어될 수 있다. 방법(1000)은 블록(1002)에서 로봇 디바이스에 임피던스 제어를 적용하는 단계를 포함한다. 임피던스 제어를 적용하는 단계는 일반적으로 기준 궤적 및 예를 들어 하나 이상의 센서에 의해 측정된 로봇 장치의 상태를 고려하는 제어 법칙을 적용하는 단계 및 추진 시스템에 의해 하나 이상의 관절에 적용될 토크를 결정하는 단계를 포함한다. 임피던스 제어 법칙의 예는 아래에 더 자세히 설명되어 있다.

블록(1004)에서, 방법은 엔드 이펙터의 기준 궤적을 결정하는 단계를 포함한다. 기준 궤적은 로봇 장치(100)가 위치하는 환경의 3차원 공간에서 엔드 이펙터가 따라가는 경로를 정의할 수 있다. 기준 궤적은 예를 들어 속도, 위치 및/또는 방향 및 엔드 이펙터에 대한 가속도를 정의할 수 있다. 일부 예에서, 기준 궤적은 엔드 이펙터가 태스크(task), 예를 들어 물체를 운반하거나 쓰는 태스크를 수행하거나 표면을 닦는 태스크를 수행할 수 있도록 하기 위해 엔드 이펙터가 따를 궤적일 수 있다. 다른 예에서, 기준 궤적은 엔드 이펙터를 고정 위치에 유지하도록 의도된 고정 궤적을 포함할 수 있다.

블록(1006)에서, 방법(1000)은 로봇 장치에 작용하는 인가된 외력 및/또는 토크를 검출하고 기준 궤적에서 이탈하도록 하는 단계를 포함한다. 인가된 외력 및/또는 토크는 로봇 장치에 작용하는 외력 및/또는 토크이며, 이는 예를 들어 엔드 이펙터에 작용하는 외력으로 인한 것일 수 있다. 예를 들어, 인가된 외력 및/또는 토크는 엔드 이펙터에 의해 운반되는 하중의 무게로 인해 엔드 이펙터에 작용하는 힘일 수 있다. 외력 및/또는 토크는 대안적으로 또는 추가적으로 사용자의 손에 의한 비틀림 효과와 같이 엔드 이펙터에 가해지는 토크로 인한 것일 수 있다. 외력 및/또는 토크는 일부 예에서 엔드 이펙터 이외의 지점에서 로봇 장치에 가해지는 힘/토크일 수 있다. 적용된 외력 및/또는 토크로 인해 엔드 이펙터가 기준 궤적에서 이탈할 수 있다.

일부 예에서, 인가된 외력 및/또는 토크에 의해 야기되는 하나 이상의 관절에 가해지는 관절력 및/또는 토크가 추정될 수 있다. 이것은 본 명세서에서 적용된 관절력 및/또는 토크 또는 외부 관절력 및/또는 토크로 지칭될 수 있다. 관절력 및/또는 토크는 예를 들어 하나 이상의 센서로 측정되는 로봇 장치의 상태를 나타내는 데이터로부터 추정될 수 있다. 로봇 장치의 상태는 하나 이상의 관절의 각각의 위치, 속도 및 가속도에 의해 정의될 수 있다. 데이터는 하나 이상의 고유 수용성 센서로부터 전달될 수 있다. 고유 수용성 센서는 예를 들어 하나 이상의 관절의 관절 각도 및/또는 토크를 감지할 수 있다. 하나 이상의 관절이 선형 운동을 허용하는 예에서, 하나 이상의 고유 수용성 센서는 관절 위치 및/또는 선형 운동을 허용하는 관절의 힘을 감지할 수 있다. 이는 고유 수용성 센서 이외의 센서가 추정 프로세스에서 사용되지 않기 때문에 적용된 관절력 및/또는 토크를 추정하기 위해 "센서리스(sensorless)" 추정 방법을 사용하는 것으로 본 명세서에서 언급될 수 있다. 센서리스 방법의 사용은 엔드 이펙터에 작용하는 부하를 결정할 수 있는 추가 센서의 필요성을 제거하여 로봇 장치를 생산하는 비용을 줄이는 것과 같은 이점을 가질 수 있다. 여기에 설명된 예에서 사용될 수 있는 센서리스 추정 방법의 한 예는 로봇 공학 및 자동화에 관한 2005 IEEE 국제 회의 회보의 "센서리스 로봇 충돌 감지 및 하이브리드 힘/모션 제어(Sensorless robot collision detection and hybrid force/motion control)"에서 A. De Luca 및 R. Mattone에 의해 설명된 바와 같은, "모멘텀 옵저버" 방법이며 그 전문은 본 명세서에 참조로써 포함된다. 다른 예에서, 적용된 관절력 및/또는 토크를 추정하는 다른 센서리스 방법이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 적용된 관절력 및/또는 토크는 2007 로봇 공학 및 자동화에 관한 IEEE 국제 회의 회보의 "탄성 관절이 있는 로봇 조작기를 위한 가속도 기반 상태 관찰기(An acceleration-based state observer for robot manipulators with elastic joints)"에서 A. De Luca, D. Schroder 및 M. Thummel에 의해 설명된 바와 같이 직접 추정할 수 있다. 다른 예에서 "관절 속도 관찰자(joint velocity observer)" 방법이 사용될 수 있으며, 이는 S. Haddadin의 "Towards Safe Robots; Approaching Asimov's 1st Law, Springer Tracts in Advanced Robotics, 2014"에 설명되어 있다. 또한, 예를 들어 2006 지능형 로봇 및 시스템에 대한 IEEE/RSJ 국제 회의에서“Collision detection and safe reaction with the DLR-III lightweight manipulator arm,"에 De Luca, A. AlbuSchaffer, S. Haddadin 및 G. Hirzinger에 의해 설명된 "에너지 옵저버(energy observer)" 방법이 사용될 수 있다. 전술된 모든 문서는 참조로 본원에 포함된다.

블록(1008)에서, 검출된 인가된 외력 및/또는 토크를 보상하기 위해 하나 이상의 관절 중 하나 이상에 조정이 적용되도록 계산된다. 일부 예에서, 적용될 조정을 계산하는 단계는 특정 벡터 하위 공간에서 엔드 이펙터에 작용하는 외력 및/또는 토크의 성분을 결정하는 것을 포함한다. 예를 들어, 인가된 외력 및/또는 토크는 외력일 수 있고, 특정 축을 따른 외력의 투영이 결정될 수 있다. 따라서 조정은 예를 들어 축을 따라 작용하는 외력을 보상하도록 계산될 수 있다. 예를 들어, 이 방법은 엔드 이펙터에 작용하는 외부 하중의 무게로 인해 엔드 이펙터에 작용하는 힘을 보상하는 데 사용될 수 있다. 그러한 예에서, 축은 실질적으로 수직 축일 수 있다. 그 다음, 조정을 결정하는 단계는 엔드 이펙터에 대한 외부 하중의 작용을 보상하기 위해 조정을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 수직 축을 따라 검출된 인가된 외력 및/또는 토크를 투영함으로써 수행될 수 있다. 따라서, 외부 부하의 무게로 인한 것이 아닌 인가된 외력 및/또는 토크에 대한 기여가 필터링되고 보상되지 않는 동안 외부 부하의 무게가 보상될 수 있다. 이에 대한 예는 아래에서 더 자세히 설명될 것이다.

일부 예에서, 방법은 계산된 조정이 하나 이상의 관절을 제어하는 데 사용되는 속도를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 결정된 속도로 엔드 이펙터의 기준 궤적을 복구하기 위해 조정이 적용될 수 있다. 이는 임피던스 제어 법칙에 의해 제공되는 탄성 효과가 유지되도록 하는 지연을 제공할 수 있다. 예를 들어, 인가된 관절력 및/또는 토크의 추정은 짧은 시간에 얻어질 수 있기 때문에 인가된 외력 및/또는 토크는 추정된 관절력/또는 토크를 관절을 제어하기 위해 적용될 임피던스 제어력 및/또는 토크에 직접 추가함으로써 보상될 수 있다. 그러나 특정 예에서 이러한 접근 방식은 임피던스 제어에 의해 제공되는 "스프링" 효과를 무시할 수 있도록 만들 수 있다. 결정된 속도로 임피던스 제어를 조정하여 지연을 도입하면 이를 방지할 수 있다. 조정을 적용할 속도를 결정하는 것은 검출된 인가된 외력 및/또는 토크와 관련된 신호에 저역 통과 필터를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저역 통과 필터는 검출된 인가된 외력 및/또는 토크를 나타내는 신호에 적용될 수 있다. 저역 통과 필터는 원하는 지연을 제공하기 위해 필요에 따라 조정될 수 있다. 저역 통과 필터의 사용은 또한 바람직하지 않을 수 있는 조정에 의해 노이즈가 보상되지 않도록, 필터링될 검출된 인가된 외력 및/또는 토크의 노이즈를 제공할 수 있다.

마지막으로, 블록(1010)에서, 방법(1000)은 엔드 이펙터의 기준 궤적을 복구하기 위해 엔드 이펙터를 작동시키기 위하여 하나 이상의 관절을 제어하기 위해 계산된 조정을 사용하는 단계를 포함한다. 블록(1010)에서 조정을 사용하는 것은 일부 예에서 계산된 예압 토크(preload torque)를 엔드 이펙터를 제어하기 위한 임피던스 제어 법칙에 의해 결정된 관절 토크에 추가하는 것을 포함할 수 있다. 일 예에서, 조정은 따라서 임피던스 제어 법칙에 따라 결정된 관절 토크에 더하여 관절에 가해지는 토크를 포함할 수 있다. 관절 중 하나 이상이 선형 관절인 경우, 조정은 선형 관절에 적용되는 관절력을 추가로 포함할 수 있다. 조정의 적용에 의해, 임피던스 제어를 적용함으로써 엔드 이펙터의 제어를 계속하면서 적용된 외력 및/또는 토크를 보상하기 위해 기준 궤적이 회복될 수 있도록 하는 예압 힘 및/또는 토크가 적용될 수 있다. 따라서, 이 방법은 데카르트 공간에서 보상하기보다는 엔드 이펙터의 위치 및/또는 방향의 오차에 대해 힘 공간에서 보상하는 방법으로 간주될 수 있다. 이는 예를 들어 원하는 위치를 기준으로 엔드 이펙터의 위치를 직접 수정하는 방식이 아니라 기준 궤적을 복구하기 위해 조정이 적용되기 때문이다.

임피던스 제어의 조정은 적용된 외력 및/또는 토크의 변화가 보상될 수 있도록 동적일 수 있다. 예를 들어, 로봇 장치는 물체를 잡아 들어올리고 이후 물체를 눕히도록 구성될 수 있다. 물체를 잡으면 물체의 하중이 엔드 이펙터에 작용하기 시작한다. 이때, 검출된 물체로 인한 외력 및/또는 토크를 보상하기 위한 조정값을 계산하고, 계산된 조정값을 이용하여 임피던스 제어를 조정하여 기준 궤적을 회복한다. 물체를 표면에 눕히는 과정이 시작되면 물체와 표면의 접촉이 감지된다. 물체를 눕히면, 물체가 표면에 놓일 때 엔드 이펙터의 하중이 0에 도달할 때까지 감소하고 더 이상 엔드 이펙터에 가해지는 무게가 없다. 따라서, 일부 예에서 조정, 예를 들어 물체의 무게를 보상하기 위해 사용되는 예압 토크는 물체가 표면에 놓일 때 점차적으로 0으로 감소될 수 있다. 계산된 조정이 0에 도달하면 물체에 대한 엔드 이펙터의 파악이 해제될 수 있다. 이러한 방식으로, 물체가 엔드 이펙터에서 표면으로 매끄럽게 이동할 수 있다.

특정 예시적인 방법은 또한 로봇 장치의 중량으로 인해 로봇 장치에 작용하는 토크를 보상하기 위해 중력 보상 토크를 결정하는 단계를 포함한다. 이러한 방법에서 임피던스 제어는 공지된 방식으로 중력 보상 토크를 사용하여 조정될 수 있다. 로봇 장치의 무게가 중력 보상 방법에 의해 보상될 수 있는 방법과 유사한 방식으로, 특정 예시적인 방법은 또한 로봇 장치에 작용하는 코리올리(Coriolis) 효과와 같은 다른 효과를 보상할 수 있다.

따라서, 특정 예에서, 본 명세서에 설명된 방법은 엔드 이펙터에 작용하는 알려지지 않은 하중으로 인한 기준 궤적에 대한 엔드 이펙터의 위치에서 정적 오류를 수정하기 위한 수단으로 간주될 수 있다. 미지의 하중으로 인해 로봇 장치의 관절에 작용하는 적용된 관절력 및/또는 토크는 예를 들어 센서리스 수단에 의해 추정될 수 있으며, 임피던스 제어 법칙에 의해 제어되는 관절을 "예압(preloading)"하여 보상할 수 있다. 이는 로봇 장치의 임피던스 제어 동작이 영향을 받지 않고 외부 적용된 부하가 보상될 수 있음을 의미한다. 즉, 인가된 외력 및/또는 토크로 인한 정적 위치 오차는 원하는 위치나 직교 임피던스를 수정하지 않고도 수정될 수 있다. 대신, 로봇에 대한 힘-변위 곡선은 예압 힘/토크에 의해 오프셋되는 반면 로봇 장치의 움직임에 대해 인지된 "강성(stiffness)"은 변경되지 않은 상태로 유지될 수 있다. 다른 장점들 중에서, 이는 로봇 장치가 엔드 이펙터에 알 수 없는 부하가 적용될 때 위치 정확도를 가지고 임피던스 제어를 요구하는 작업을 계속 수행하기 위해 엔드 이펙터를 사용하도록 할 수 있다.

도 2a는 위에서 전술된 예시적인 제어 방법을 수행하도록 구성된 예시적인 로봇 디바이스(100)의 단순화된 표현을 도시한다. 도 2a는 예시적인 로봇 장치(100)의 측면도를 도시한다. 예시적인 로봇 장치(100)는 본체(102)를 포함하는 작동 로봇 아암(105)을 포함하며, 이는 위에서 언급한 바와 같이 베이스 링크, 엔드 이펙터(112) 및 여러 관절들로 지칭될 수 있다. 로봇 장치(100)는 또한 하나 이상의 관절을 작동시키기 위한 추진 시스템(미도시)을 포함한다. 일부 예에서, 관절은 동력식 관절이고 추진 시스템은 관절 모터 세트를 포함하며, 관절 모터 세트의 관절 모터는 관절 중 하나를 제어한다. 하나 이상의 관절의 위치는 엔드 이펙터(112)가 로봇 장치(100)가 위치한 환경에서 이동될 수 있도록 데카르트 공간 내에서 엔드 이펙터(112)의 위치 및/또는 배향을 제어하도록 제어된다. 예를 들어, 엔드 이펙터(112)의 위치 및 배향이 관절에 의해 제어되는 경우, 일부 예에서 엔드 이펙터(112)의 "포즈(pose)"로 지칭될 수 있는 엔드 이펙터(112)의 위치 및 배향은 6차원 공간에서 제어될 수 있다.

예시적인 로봇 장치(100)에서, 작동 로봇 아암(105)은 예를 들어 6 자유도(six degrees of freedom)로 엔드 이펙터(112)의 위치 설정이 가능하도록 구성된 6개의 관절(114a-114f)을 포함한다. 로봇 장치(100)는 6R 로봇으로 지칭될 수 있다. 다른 예에서, 로봇 디바이스(100)는 다른 수의 자유도, 예를 들어 7 자유도를 가질 수 있다. 작동 로봇 아암(105)의 관절(114a-114f)은 기계적 연결 장치 또는 "링크"에 의해 결합된다. 도 2a는 제1 관절(114a)을 제2 관절(115b)에 기계적으로 결합하는 제1 링크(115a)를 도시한다. 제2 링크(115b)는 제2 관절(114b)을 제3 관절(114c)에 기계적으로 연결한다. 로봇 아암(105)은 제3 관절(114c)을 제4 관절(114d)에, 제4 관절(114d)을 제5 관절(114e)에, 제5 관절(114e)을 제6 관절(114f)에 각각 기계적으로 연결하는 제3 링크(115c), 제4 링크(115d) 및 제5 링크(115e)를 더 포함한다. 로봇 장치(100)는 도면에 도시되지 않은 추가적인 관절 및/또는 링크를 포함할 수 있다. 예를 들어, 위에서 언급한 바와 같이, 일부 예에서, 로봇 장치는 회전 운동이 가능한 관절에 추가하여 병진, 즉 선형 운동이 가능한 하나 이상의 관절을 포함할 수 있다. 각 링크는 강성 세장형 부재를 포함할 수 있다. 각 링크는 단일 유닛 또는 다중 결합 서브 유닛일 수 있다. 각 링크는 중실(solid) 및/또는 중공 부분을 가질 수 있다. 한 경우에, 링크는 중공 튜브 및/또는 강철, 알루미늄 또는 탄소 섬유와 같은 강성 재료의 프레임을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 도구(도면에 도시되지 않음)는 엔드 이펙터(112)에 기계적으로 결합될 수 있다.

로봇 장치(100)는 x-y 평면을 정의하는 표면(170) 상에 위치된다. x-y 평면은 z축이 수직 축이 되도록 수평면일 수 있다. 그러나, 모든 예에서 필수적인 것은 아니다. 이 3차원 좌표계에 대한 엔드 이펙터(112)의 위치 및/또는 배향은 관절(114a-114f) 중 하나 이상의 회전을 제어함으로써 제어될 수 있다. 관절(114a-114f) 각각은 특정 자유도 내에서 엔드 이펙터(112)의 움직임을 허용하도록 적어도 하나의 축을 중심으로 회전하도록 구성된다. 예를 들어, 로봇 장치(100)의 주어진 구성에서 관절(114a-114f) 중 하나 이상은 z-축에 평행한 축을 중심으로 회전하여 x-y 평면 내에서 엔드 이펙터(112)의 위치를 제어할 수 있다. 또한, 관절(114a-114f) 중 하나 이상은 z-축을 따라 엔드 이펙터(112)의 위치를 제어하게끔 회전하도록 구성될 수 있다. 일부 예에서, 관절(114a-114f) 중 하나 이상은 z 및 y 축 모두에 평행한 축 주위에서 각각의 회전을 허용하는 볼 조인트(ball joint) 또는 2-조인트 어셈블리를 포함할 수 있다.

작동 로봇 아암(105)의 관절(114a-114f)은 관절(114a-114f)에 각각의 관절 토크를 인가함으로써 회전될 수 있다. 관절 토크는 본원에 설명된 바와 같이 제어 방법을 수행하는 제어기(도 2a 내지 도 2c에 도시되지 않음)에 의해 계산된다. 계산된 관절 토크는 하나 이상의 전자 모터를 포함할 수 있는 추진 시스템에 의해 관절에 적용된다. 예를 들어, 추진 시스템은 복수의 전자 모터를 포함할 수 있고 전자 모터 중 하나는 관절(114a-114f) 각각에 위치될 수 있다. 로봇 장치(100)는 또한 로봇 장치(100)의 상태를 검출하고 이를 제어 방법에서 사용하기 위해 제어기에 공급하기 위한 하나 이상의 센서(도시되지 않음)를 포함한다. 센서는, 예를 들어, 관절(114a-114f)의 각각의 관절 각도를 검출하고 및/또는 관절(114a-114f)에 가해지는 토크를 측정할 수 있다.

제어기는 기준 궤적(160)을 따라 엔드 이펙터(112)의 위치 및 배향을 제어하기 위해 제어 방법을 적용하도록 구성된다. 기준 궤적(160)은 엔드 이펙터(112)에서 영향을 받을 위치 및 속도의 세트를 포함할 수 있다. 기준 궤적은 예를 들어, 물체를 운반하는 것과 같은 작업을 수행하기 위해 엔드 이펙터(112)의 이동을 위한 경로를 정의할 수 있다. 기준 궤적은 다른 예들에서 엔드 이펙터(112)에 대한 의도된 고정 위치를 정의하는 고정 궤적일 수 있다. 도 2a는 엔드 이펙터(112)가 이동하도록 제어되는 공간의 라인을 포함하는 예시적인 기준 궤적(160)을 도시한다. 기준 궤적(160)은 도 2a 내지 도 2c에서 점선으로 표시된다.

도 2b를 참조하면, 도 2a의 로봇 장치(100)는 엔드 이펙터(112)에서 물체(250)를 유지하는 것으로 도시되어 있다. 물체(250)는 예를 들어 엔드 이펙터(112)에 의해 유지되는 하중일 수 있고, 기준 궤적(160)은 엔드 이펙터(112)가 물체(250)를 운반하기 위해 이동하기를 원하는 경로를 정의할 수 있다. 도 2b는 엔드 이펙터(112)가 물체(250)와 함께 로딩되는 직후에 예시적인 로봇 장치(100)를 도시한다. 도 2b에서, 로봇 장치(100)는 엔드 이펙터(112)에 가중되는 물체(250)로 인해 엔드 이펙터(112)가 기준 궤적(160)에서 아래쪽으로 이탈한 상태에 있다. 기준 궤적(160)으로부터 이탈을 초래하는 물체(250)로 인한 인가된 외력은 로봇 장치(100)의 센서에 의해 검출될 수 있다. 센서로부터의 입력은 물체(250)로 인해 로봇 아암(105)의 관절(114a-114f) 중 하나 이상에 작용하는 인가된 외부 관절 토크를 추정하는 데 사용될 수 있다.

도 2b에 도시된 위치로부터, 제어기는 부하(250)의 영향을 보상하기 위해 조정을 적용하기 위한 제어 방법을 계속 수행한다. 도 2C는 조정이 적용되고 기준 궤적(160)이 회복된 예시적인 로봇 장치(100)를 도시한다. 즉, 엔드 이펙터(112)의 위치는 하중(250)을 유지하면서 기준 궤적(160)을 복귀한 것으로 볼 수 있다. 이 위치로부터, 로봇 장치(100)는 임피던스 제어 법칙을 적용하면서 기준 궤적(160)을 따라 이동하도록 엔드 이펙터(112)를 계속 작동시킬 수 있다. 예를 들어, 적용된 제어 방법은 임피던스 제어 법칙의 매개변수에 의해 정의된 로봇 장치의 강성이 부하(250)의 존재로 인해 변경되지 않도록 할 수 있다. 이는 도 2c에 도시된 구성에서 예를 들어 사람과의 무작위 충돌과 같은 로봇 아암(105)과의 임의의 추가적인 외부 상호작용이 (즉, 도 2a에 도시된 바와 같이) 로봇 아암(105)이 언로딩될 때 가졌던 것과 동일한 강성을 인지할 수 있음을 의미할 수 있다.

로봇 장치(100)가 엔드 이펙터(112)에 대한 기준 궤적(160)을 복구하는 데 걸리는 시간, 즉 도 2b에 도시된 구성에서 도 2c에 도시된 구성으로 이동하는 데 걸리는 시간은 제어기에 의해 신호 경로에 적용되는 저역 통과 필터의 매개변수에 의해 결정되며, 이는 위에서 설명되었고 아래에서 더 자세히 설명될 것이다.

도 3은 로봇 장치(100)에 대한 예시적인 제어 방식(300)을 나타내는 개략적인 흐름도를 도시한다. 제어 방식(300)은 환경(304)과 상호작용하기 위하여 로봇 디바이스(100)의 움직임을 제어하기 위해 임피던스 제어를 적용하는 단계를 포함한다. 제어 방식(300)의 임피던스 제어 블록(310)은 로봇 장치(100)의 상태 및 기준 궤적(160)에 기초하여 관절에 제공될 관절 토크를 제어하는 제어 신호를 결정하기 위한 임피던스 제어 방법의 구현을 나타낸다. 상태 블록(320)은 제어 방식(300)에서 로봇 장치(100)의 상태를 나타낸다. 임피던스 제어 블록(310)은 상태 블록(320) 및 기준 궤적(160)으로부터 로봇 장치(100)의 상태를 입력으로서 수신한다. 임피던스 제어 블록(310)은 공지된 방식으로 임피던스 제어 법칙을 적용한다. 예를 들어, 임피던스 제어 블록(310)은 다음과 같은 형태로 임피던스 제어 법칙을 계산할 수 있다.

(1)

여기서

및

는 각각 기준 궤적(160)에 의해 정의된 위치 및 속도이고,

및

는 각각 로봇 장치(100)의 상태 q로부터 계산된 엔드 이펙터(112)의 위치 및 속도이다.

제어 방식(300)은 이제 설명되는 바와 같이 로봇 장치(100)에 가해진 외력 및/또는 토크의 영향을 보상하기 위해 조정을 적용하도록 구성된 조정 블록(330)을 더 포함한다.

제어 방식(300)은 외력 및/또는 토크 보상 블록(340)을 포함한다. 외력 및/또는 토크 보상 블록(340)은 인가된 외력 및/또는 토크가 로봇 장치에 작용하고 기준 궤적으로부터 이탈을 야기하도록 구성된다. 외력 및/또는 토크 보상 블록(340)은 로봇 장치(100)의 상태 블록(320)으로부터 입력을 취하는 외부 관절 토크 추정 블록(342)을 포함한다. 외부 관절 토크 추정 블록(342)은 외력 및/또는 토크로 인해 로봇 장치(100)의 하나 이상의 관절에 작용하는 관절 토크를 추정한다. 예시에서, 외부 관절 토크 추정 블록(342)은 블록(320)으로부터 수신된 로봇의 상태로부터 인가된 외부 관절 토크를 추정한다. 위에서 논의된 바와 같이, 이는 센서리스 방법, 즉 로봇 장치(100)의 고유 수용성 센서에만 의존하고 예를 들어 외수용성(exteroceptive) 부하 센서 또는 다른 센서로부터 얻은 데이터를 사용하지 않는 방법을 사용하는 것으로 설명될 수 있다. 인가된 외부 관절 토크를 추정하기 위해 외력 및/또는 토크 추정 블록(340)에서 사용될 수 있는 센서리스 방법의 일 예는 모멘텀 옵저버 방법이다. 모멘텀 옵저버 방법을 사용하는 것은 직접적인 추정 방법에 의해 요구될 수 있는 측정된 관절 가속도를 사용하지 않고 인가된 외부 관절 토크를 추정할 수 있도록 하기 때문에 일부 예에서 유리할 수 있다. 이는 관절 가속도를 얻는 것이 노이즈에 영향을 받을 수 있는 관절 인코더 측정의 2차 도함수를 계산하는 것을 요구할 수 있기 때문에 바람직할 수 있다. 또한, 모멘텀 옵저버 방법은 계산할 질량 행렬의 역전을 필요로 하지 않아, 적용된 외부 관절 토크에 대한 수렴을 얻는 데 관련된 복수의 반복 각각에서 일반적으로 질량 행렬 역전이 계산되어야 하는 속도 관찰자 방법보다 잠재적으로 계산 효율이 더 높다.

외부 관절 토크 추정 블록(342)에서 추정된 외부 관절 토크는 조정 블록(330)으로 제공되어 추정된 외부 관절 토크를 보상하기 위해 예를 들어 예압 토크와 같은 조정을 적용한다. 그러나, 특정 예에서, 추정된 인가된 외부 관절 토크가 임피던스 제어 방법을 조정하는 데 사용되는 조정 블록(330)에 제공되기 전에 추가 단계가 수행된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 예에서, 외력 및/또는 토크 보상 블록(340)은 투영 블록(344)을 더 포함한다. 투영 블록(344)에서, 추정된 외부 관절 토크는 인가된 외력 및/또는 엔드 이펙터에 작용하는 토크를 계산하는 데 사용될 수 있으며, 이는 엔드 이펙터(112)에 대한 작용으로 지칭될 수 있다. 엔드 이펙터에 작용하는 적용된 외력 및/또는 토크의 투영이 특정 하위 공간으로 결정된다. 작용이 투영되는 하위 공간은 예를 들어 특정 축을 정의할 수 있다. 이는, 예를 들어, 엔드 이펙터(112)에 대한 다른 외부 효과를 배제하면서 특정 축을 따라 엔드 이펙터(112)에 작용하는 부하를 보상할 수 있도록 한다. 예에서, 투영 블록(344)은 추정된 인가된 외력 및/또는 토크를 데카르트 공간으로 투영하고 이로부터 엔드 이펙터(112) 상의 6차원 작용을 추정하도록 구성된다. 6차원 작용은 힘의 3개의 데카르트 성분과 3개의 모멘트로 구성된다. 데카르트 공간으로 투영되면 엔드 이펙터에서 추정된 작용이 미리 결정된 축을 따라 투영될 수 있다. 예를 들어, 투영 블록(344)은 수직 축을 따라 엔드 이펙터(112)에 작용하는 하중의 투영을 결정하도록 구성될 수 있다. 이는 외력 및/또는 토크 보상 블록(340)이 엔드 이펙터(112)에 작용하는 외부 부하의 무게를 보상하면서 다른 방향을 따른 힘을 배제하도록 할 수 있다. 따라서, 부하의 무게로 인한 엔드 이펙터(112)에 대한 작용이 고려될 수 있는 반면, 다른 외부 효과는 필터링될 수 있다

도 3에서, 외력 및/또는 토크 보상 블록(340)은 필터 블록(346)을 포함한다. 필터 블록(346)은 제어 방식(300)이 지연을 도입함으로써 적용된 외력 및/또는 토크를 보상하는 속도를 제어하도록 구성된다. 예시에서 필터 블록(346)은 저역 통과 필터로 보상될 검출된 인가된 외력 및/또는 토크를 나타내는 신호를 처리하는 단계를 포함한다. 저역 통과 필터는 인가된 외력/토크를 조정할 때 원하는 응답성을 제공하도록 조정될 수 있다. 저역 통과 필터는 검출된 인가된 외력/토크 신호에서 노이즈를 걸러내는 역할을 하여 예압 보상 동작이 평탄해지도록 할 수도 있다.

필터 블록(346)은 외력 및/또는 토크 보상 블록(340)의 신호 경로에서 투영 블록(334)을 따르도록 도 3에 도시되어 있다. 그러나, 다른 예들에서, 필터 블록(346)은 신호 경로의 상이한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 필터 블록(346)은 투영 블록(344)이 이미 필터링된 인가된 외력 및/또는 토크를 투영하도록 신호 경로에서 투영 블록(344) 이전에 위치될 수 있다.

외력 및/또는 토크 보상 블록(340)은 위에서 설명된 바와 같이 주어진 축을 따라 필터링 및/또는 투영될 수 있는 검출된 인가된 외력 및/또는 토크를 보상하기 위해 수행될 조정을 계산하고, 이를 조정 블록(330)에 제공한다. 그 다음, 조정 블록(330)은 임피던스 제어 방법에 조정을 적용한다. 조정 블록(330)은 예를 들어, 로봇 장치(100)의 하나 이상의 관절을 제어하기 위해 임피던스 제어 블록(310)에 의해 출력된 관절 토크에 예압 토크의 형태로 조정을 추가할 수 있다. 따라서, 특정 예들에서 방법(300)은 임피던스 제어 방법에 "예압" 토크를 추가하는 방법으로 간주될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 이는 질량-스프링-댐퍼의 "강성"이 변경되지 않고 외부 적용된 하중이 보상될 수 있음을 의미한다. 따라서, 본원에 설명된 예시적인 방법은 엔드 이펙터에 작용하는 알려지지 않은 부하에 의해 도입된 위치 오차를 보상하면서 엔드 이펙터(112)에 가해지는 힘 및 엔드 이펙터의 위치를 제어할 때 임피던스 제어를 적용하는 이점을 유지할 수 있다. 따라서, 엔드 이펙터(112)의 기준 궤적이 복구될 수 있고, 예를 들어 엔드 이펙터(112)가 위치 정확도를 복구하면서 기준 궤적에 의해 인코딩된 작업을 수행할 수 있도록 한다.

일부 예에서, 제어 방식(300)은 중력 보상 블록(350)을 더 포함할 수 있다. 중력 보상 블록(350)은 로봇 장치(100)의 무게를 보상하기 위해 중력 보상 토크를 계산하도록 구성된다. 예에서, 중력 보상 블록(350)은 조정 블록(330)에 피드포워드 항(feedforward term)을 제공하는 역할을 한다. 중력 보상 토크는 상태 블록(320)에 의해 제공된 로봇 디바이스(100)의 상태에 기초하여 계산될 수 있다. 중력 보상 토크는 임피던스 제어를 조정하고 임피던스 제어가 로봇 장치(100)의 무게로 인한 오차에 의해 영향을 받지 않도록 하기 위해 조정 블록(330)에서 사용될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 코리올리(Coriolis) 효과와 같은 추가 효과는 일부 예에서 중력 보상 블록(350)이 작동하는 방식과 유사한 방법으로 보상될 수 있다.

예시적인 방법(300)에서 외력 및/또는 토크 보상 블록(340)에 의해 사용되는 원리가 이제 더 상세히 설명될 것이다. 블록(342)에서 센서리스 적용 관절 토크 추정 프로세스에 의해 추정된 외부 관절 토크는

로 라벨링될 수 있다. 로봇 장치(100)의 엔드 이펙터(112)에 가해진 외력 및/또는 토크를 나타내는 벡터

는 다음 식에 따라

로부터 계산될 수 있으며,

(2)

여기에서

는 로봇 장치(100)의 야코비 행렬(Jacobian matrix) 전치의 무어-펜로즈 의사 역수(Moore-Penrose pseudo-inverse)를 나타낸다.

전술된 바와 같이, 엔드 이펙터(112)에서의 힘 및/또는 토크 벡터는 일부 예에서 수직 축과 같은 하위 공간으로 투영될 수 있다. 투영이 수직 축을 따르는 예에서, 결정된 인가된 외력 및/또는 토크

의 수직 축을 따른 투영은

로 표시될 수 있고 다음 식에 의해

와 관련될 수 있으며, 여기에서

는 수직 축을 따른 프로젝터이다.

(3)

특정 예들에서, 수직 축은 z-축과 정렬된다. 이러한 예에서 수직 축을 따른 투영은 z축을 따른 투영과 일치하며 다음 식은 참이다.

(4)

다른 예들에서, 수직 축을 따른 투영은 z-축을 따른 투영과 일치하지 않을 수 있다. 예를 들어, 로봇 장치(100)는 표면(170)에 대해 기울어질 수 있고, 따라서 로봇 장치(100)의 프레임은 표면(170)에 의해 정의되는 데카르트 프레임과 정렬되지 않을 수 있다. 이러한 예에서, 다음과 같이 보다 일반적인 프로젝터가 사용될 수 있다. A가 선형 공간의 기초인 경우 선형 공간에서 점 b의 투영 p는 다음과 같이 계산할 수 있다.

(5)

여기서 선형 공간 A의 프로젝터

는 다음과 같이 정의된다.

(6)

오차 e는 선형 공간 A에 직교하는 b의 성분을 설명한다는 점에 유의해야 하며, 여기에서:

(7)

는 A의 열 공간에 직교하는

의 영공간(nullspace)에 있는 프로젝터이다.

필터 블록(346)에 적용된 필터는 또한 위와 유사한 표기법을 사용하여 다음과 같이 설명될 수 있다:

(8)

수식 8에서

는 벡터

에 적용되는 저역 통과 필터링 연산을 나타낸다. 그러나,

는 기술적으로 선형 연산자가 아니다. 명확성을 위해 다음 설명에서 이 기호가 유지된다.

이 예에서,

는 보상될 엔드 이펙터(112)에서의 유효 접촉력을 나타내는 실제 벡터이다. 예압 보상을 제공하기 위하여 관절에 가해질 예압 토크를 결정하기 위해,

는 다음 식을 사용하여 로봇 장치(100)의 관절 토크 공간으로 다시 투영된다.

(9)

따라서 예압 토크를 얻는 과정은 위의 수식에서 얻을 수 있는 다음 식으로 요약될 수 있다.

(10)

도 4는 본원에 설명된 예시적인 방법을 구현하기 위한 로봇 장치(100)를 위한 예시적인 제어 시스템(400)을 도시한다. 예시적인 제어 시스템(400)은 로봇 장치의 본체의 일부로서 공급될 수 있는 내부 본체 구성요소(410)를 포함한다(예를 들어 본체에 또는 본체에 장착될 수 있으며, 예를 들어 장치의 베이스 링크 및/또는 다른 링크에 장착될 수 있음). 내부 본체 구성요소(410)는 제어기(420) 및 관절 제어 시스템(440 내지 444)의 세트를 포함한다. 도 4에서, 관절 제어 시스템(440 내지 444)의 세트는 예를 들어 로봇 장치의 베이스 링크에 장착된 제1 관절(114a)을 제어할 수 있는 제1 관절 제어 시스템(440) 및 로봇 장치(100)의 이전에 설명된 제2 내지 제6 관절(114b-114f)과 같은 로봇 장치의 본체 외부에 있는 복수의 관절을 제어할 수 있는 제n 관절 제어 시스템(442 내지 444)의 세트를 포함한다. 관절 제어 시스템(440 내지 444)의 세트는 직렬 데이지-체인(daisy-chain) 스타일 배열 또는 병렬 결합을 포함하는, 당업계에 공지된 다양한 방식으로 결합될 수 있다. 이는 도 4에 점선 화살표로 표시된다. 구동 제어 시스템(440 내지 444)은 제어기(420)로부터 수신된 신호에 응답하여 관절에 배열된 하나 이상의 전기 모터에 의해 가해지는 토크를 제어할 수 있다.

제어기(420)는 하나 이상의 마이크로프로세서, 중앙 처리 장치 및/또는 그래픽 처리 장치, 및 메모리(또는 메모리들)를 포함하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 제어기(420)는 로봇 장치의 동작을 제어하기 위해 예시적인 제어 구성요소에 통신 가능하게 결합된다. 도 4에서, 이러한 결합은 시스템 버스(460)를 통해 달성된다. 다른 수준의 제어가 제공될 수 있으며, 예를 들어 한 경우에 제어기(420)는 관절 제어 시스템(440 내지 444) 세트에 의해 관절 작동기 명령으로 변환되는 원하는 관절 토크를 제공할 수 있거나, 다른 경우에 제어기(420)는 이후 공동 제어 시스템(440 내지 444)세트에 의해 영향을 받는 관절 작동기 명령 자체를 제공할 수 있다.

전술된 바와 같이, 위의 특정 예는 외부 하중의 무게를 처리하기 위해 수직 축을 따라 투영되는 외력 및/또는 토크를 설명한다. 다른 예에서, 투영은 예를 들어 임의의 다른 축을 따라 다른 벡터 하위 공간에 있을 수 있다. 예를 들어, 본원에 설명된 방법은 서로 다른 방향을 따르는 외력 또는 서로 다른 축에 대한 토크를 보상하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 이러한 외력/토크는 중력과 관련이 없다. 예를 들어, 적용된 외부 토크는 특정 방향으로 엔드 이펙터에 작용하는 편향력 때문일 수 있다. 그러한 경우에 미리 결정된 투영 축은 편향력이 작용하는 방향과 정렬될 수 있다.

위의 특정 예는 로봇 장치의 엔드 이펙터에 대한 동작을 보상하는 것을 설명하지만, 본원에 설명된 방법은 장치의 다른 지점, 예를 들어 장치와 외부 물체 사이의 접촉 지점에서의 동작을 보상하는 데 사용될 수 있다.

본원에 설명된 특정 예는 작동 로봇 아암을 포함하는 것으로 설명된다. 이러한 예에서, "작동"이라는 용어는 로봇 아암의 하나 이상의 관절이 추진 시스템을 통해 이동될 수 있음을 나타내는 데 사용된다. 추진 시스템은 예를 들어 관절 모터 또는 전기 활성 폴리머(electro-active polymers)와 같은 하나 이상의 액추에이터를 포함할 수 있다. 따라서 작동 로봇 아암은 환경 내에서 움직이도록 구성된다. 일부 예에서 "아암"이라는 용어가 사용될 수 있지만, 로봇 아암은 공간 내에서 엔드 이펙터를 이동할 수 있는 임의의 형태의 관절형 팔다리 또는 기계적 어셈블리일 수 있다. 작동 로봇 아암은 도 2a-c에 도시된 것과 상이할 수 있지만 여전히 환경 내에서 엔드 이펙터에 대한 다중 자유도를 제공한다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 전기 활성 폴리머는 피벗된 관절 주위에 배열되고 전류에 의해 제어될 수 있다. 관절의 작동 유형에 따라 로봇 장치의 상태를 측정하기 위해 다양한 유형의 센서가 사용될 수 있다. 예를 들어, 관절을 작동시키기 위해 공급되는 전류의 측정은 장치의 상태를 나타내는 표시를 제공할 수 있다. 특정 경우에, 3차원 공간 내에서 엔드 이펙터의 위치에 대한 시각적 피드백을 가능하게 하기 위해 로봇 장치에 카메라 장치가 배치될 수 있다.

예시적인 로봇 장치(100)는 작동 로봇 아암을 갖는 로봇 장치의 다양한 잠재적인 구성 중 하나일 뿐이라는 점에 유의해야 한다. 적어도 다른 관절 배열과 다른 본체 배열이 예상될 수 있다.

위의 예는 예시적인 것으로 이해되어야 한다. 추가적인 예시가 예상될 수 있다. 임의의 하나의 예와 관련하여 설명된 임의의 특징은 단독으로 또는 설명된 다른 특징과 조합하여 사용될 수 있으며, 또한 임의의 다른 예의 하나 이상의 특징 또는 임의의 다른 예의 임의의 조합과 조합하여 사용될 수도 있다. 또한, 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 위에서 설명되지 않은 균등물 및 수정이 사용될 수도 있다.

Claims (17)

1. 본체, 하나 이상의 관절에 의해 상기 본체에 결합된 엔드 이펙터(end effector), 및 상기 하나 이상의 관절을 구동하여 로봇 장치의 상태를 제어하기 위한 추진 시스템을 포함하는 로봇 장치를 제어하는 방법으로서,
   상기 로봇 장치에 임피던스 제어(impedance control)를 적용하는 단계;
   상기 엔드 이펙터의 기준 궤적(reference trajectory)을 결정하는 단계;
   상기 기준 궤적으로부터의 이탈을 야기하는, 상기 로봇 장치에 인가된 외력 및/또는 토크를 검출하는 단계;
   상기 검출된 인가된 외력 및/또는 토크를 보상하기 위해 상기 하나 이상의 관절 중 하나 이상에 적용될 조정을 계산하는 단계; 및
   상기 계산된 조정을 사용해 상기 하나 이상의 관절을 제어하여 상기 엔드 이펙터를 구동하고 상기 엔드 이펙터의 상기 기준 궤적을 복구하는 단계를 포함하는, 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 인가된 외력 및/또는 토크에 의해 야기되는, 상기 하나 이상의 관절에 인가되는 관절력(joint force) 및/또는 토크를 추정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 조정은 상기 하나 이상의 관절에 인가되는 관절력 및/또는 토크인, 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 검출된 인가된 외력 및/또는 토크는 상기 엔드 이펙터에 작용하는 외력으로 인한 것인, 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 인가된 외력 및/또는 토크를 보상하기 위해 상기 하나 이상의 관절에 적용될 조정을 계산하는 단계는:
   축을 따라 상기 엔드 이펙터에 작용하는 상기 인가된 외력 및/또는 토크의 하나 이상의 구성요소를 결정하는 단계; 및
   상기 축을 따른 외력 및/또는 토크의 상기 하나 이상의 구성요소를 보상하기 위해 상기 하나 이상의 관절에 인가될 힘 및/또는 관절 토크(joint torque)로서 상기 조정을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 축은 실질적으로 수직 축인, 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 인가된 외력 및/또는 토크는 상기 엔드 이펙터에 의해 운반되는 하중의 무게로 인한 것인, 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 기준 궤적은 상기 로봇 장치가 표면에 하중을 놓기 위한 궤적을 정의하고, 상기 방법은 상기 하중이 표면에 놓이고 상기 엔드 이펙터에 작용하는 하중의 무게가 감소될 때 상기 기준 궤적을 유지하도록 상기 조정을 개선하는 단계를 포함하는, 방법.
9. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 관절력 및/또는 토크를 추정하는 단계는 상기 로봇 장치의 하나 이상의 고유수용성 센서(proprioceptive sensors)로부터의 데이터를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 관절력 및/또는 토크를 추정하는 단계는 모멘텀 옵저버(momentum observer) 방법을 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계산된 조정이 상기 하나 이상의 관절을 제어하는 데 사용되는 속도를 결정하는 단계를 포함하며,
    상기 하나 이상의 관절을 제어하기 위해 상기 계산된 조정을 사용하여 상기 엔드 이펙터의 상기 기준 궤적을 복구하는 단계는, 상기 결정된 속도로 상기 임피던스 제어를 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 계산된 조정이 상기 하나 이상의 관절을 제어하는 데 사용되는 속도를 결정하는 단계는, 상기 검출된 인가된 외력 및/또는 토크와 관련된 신호에 저역 통과 필터(low pass filter)를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로봇 장치의 무게로 인해 상기 로봇 장치에 인가되는 토크를 보상하기 위해 상기 하나 이상의 관절에 인가되는 중력 보상 토크(gravity compensation torque)를 결정하는 단계; 및
    상기 로봇 장치의 무게로 인해 상기 로봇 장치에 작용하는 토크를 보상하기 위해, 상기 하나 이상의 관절을 제어하기 위하여 상기 결정된 중력 보상 토크를 사용해 상기 임피던스 제어를 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
14. 본체, 하나 이상의 관절에 의해 상기 본체에 결합된 엔드 이펙터, 및 상기 하나 이상의 관절을 구동하여 로봇 장치의 상태를 제어하기 위한 추진 시스템을 포함하는, 로봇 장치를 제어하기 위한 제어기로서, 상기 제어기는 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는,
    제어기.
15. 로봇 장치의 제어기에 의해 실행될 때 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법이 수행되도록 하는,
    기계 판독 가능 명령어 세트.
16. 제 15 항에 따른 기계 판독 가능 명령어 세트를 포함하는,
    기계 판독 가능 매체.
17. 로봇 장치로서:
    본체;
    하나 이상의 관절에 의해 상기 본체에 결합된 엔드 이펙터;
    상기 하나 이상의 관절을 구동하여 상기 로봇 장치의 상태를 제어하는 추진 시스템; 및
    제어기를 포함하며, 상기 제어기는:
    상기 로봇 장치에 임피던스 제어를 적용하고;
    상기 엔드 이펙터의 기준 궤적을 결정하고;
    상기 기준 궤적으로부터의 이탈을 야기하는, 상기 로봇 장치에 인가된 외력 및/또는 토크를 검출하고;
    상기 검출된 인가된 외력 및/또는 토크를 보상하기 위해 상기 하나 이상의 관절 중 하나 이상에 적용될 조정을 계산하고;
    상기 계산된 조정을 사용해 상기 하나 이상의 관절을 제어하여 상기 엔드 이펙터를 작동시키고 상기 엔드 이펙터의 상기 기준 궤적을 복구하도록 구성되는,
    로봇 장치.

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