본 논문은 로봇 손이 물체를 파지 한채 파지한 물체를 안정적으로 조작하기 위해 파지 안정성 지수를 이용한 파지 조작기법을 제안한다.
로봇이 정해진 물체를 조작하는 작업을 수행하기 위해서는 대상 물체를 안정하게 파지한 후 물체를 주어진 목적에 맞게 조작하여야한다. 이렇게 물체를 파지하고 조작하기 위해서는 물체를 파지하기 위한 파지 계획기법 물체를 안정하기 파지 하였는지 확인하기 위한 파지 안정성 판별, 그리고 파지한 물체를 안정하게 조작하기 위한 파지 조작기법이 필요하다. 사람의 경우 학습에 의하여 경험적이고 직관적으로 물체를 안정적으로 파지하고 조작한다. 또한 파지한 물체에 대한 안정성은 손가락의 감각에 의존하여 판별하게 된다. 로봇 파지의 경우 다음과 같은 방법론이 필요하다. 1) 물체 파지에 대한 방법론, 2) 물체를 안정적으로 파지했는지를 판단하는 방법론, 3) 파지한 물체를 조작하기위한 방법론. 본 연구에서는 이러한 세가지 로봇 파지의 방법론을 통해 안정적인
로봇 파지 조작기법에 대한 해법을 제시한다.
따라서, 본 논문에서는 먼저 물체를 안정적으로 파지하기 위한 파지 경로계획기법을 소개한다. 그리고, 파지한 물체가 얼마나 안정적인지에 대한 파지 안정성을 판별하는 파지 안정성 지수를 제안하고 안정하게 파지한 물체를 안정적으로 조작하기 위한 방법 중 하나인 한 손 파지 경로계획 및 파지 조작 기법을 제안한다. 제안된 파지 기법들은 수학적 ...
본 논문은 로봇 손이 물체를 파지 한채 파지한 물체를 안정적으로 조작하기 위해 파지 안정성 지수를 이용한 파지 조작기법을 제안한다.
로봇이 정해진 물체를 조작하는 작업을 수행하기 위해서는 대상 물체를 안정하게 파지한 후 물체를 주어진 목적에 맞게 조작하여야한다. 이렇게 물체를 파지하고 조작하기 위해서는 물체를 파지하기 위한 파지 계획기법 물체를 안정하기 파지 하였는지 확인하기 위한 파지 안정성 판별, 그리고 파지한 물체를 안정하게 조작하기 위한 파지 조작기법이 필요하다. 사람의 경우 학습에 의하여 경험적이고 직관적으로 물체를 안정적으로 파지하고 조작한다. 또한 파지한 물체에 대한 안정성은 손가락의 감각에 의존하여 판별하게 된다. 로봇 파지의 경우 다음과 같은 방법론이 필요하다. 1) 물체 파지에 대한 방법론, 2) 물체를 안정적으로 파지했는지를 판단하는 방법론, 3) 파지한 물체를 조작하기위한 방법론. 본 연구에서는 이러한 세가지 로봇 파지의 방법론을 통해 안정적인
로봇 파지 조작기법에 대한 해법을 제시한다.
따라서, 본 논문에서는 먼저 물체를 안정적으로 파지하기 위한 파지 경로계획기법을 소개한다. 그리고, 파지한 물체가 얼마나 안정적인지에 대한 파지 안정성을 판별하는 파지 안정성 지수를 제안하고 안정하게 파지한 물체를 안정적으로 조작하기 위한 방법 중 하나인 한 손 파지 경로계획 및 파지 조작 기법을 제안한다. 제안된 파지 기법들은 수학적 시뮬레이션과 실험을 통해 그 성능을 검증 한다.
먼저, 물체를 조작하기 위해선 안정한 파지 방법이 필요하다. 이에, 물체의 기초 형상(object primitives)을 기반으로한 파지 형상 구분법(grasp taxonomy)을 기반으로하여 물체를 안정적으로 파지하는 계획 법을 소개한다. 이를 위해 `Thumb supported pinch'와 `Palm supported pinch'와 같은 새로운 파지 형상 구분을 만들었으며 이를 기반으로하여 파지 대상 물체의 표면에 파지점을 생성하는 샘플링 기반의 파지점 경로계획 기법을 소개한다. 여기에 ray-shooting을 이용한 파지 안정성(force-closure)판별을 통한 샘플링/리샘플링 기법을 적용하여 안정적인 초기 파지를 구현하도록 하였다. 물체를 안정하게 파지한 후, 파지한 물체를 원하는 목표에 따라 조작해야한다. 이때, 파지한 물체에 작용하는 가장 큰 외력은 바로 중력이다.
이러한 중력에 의한 영항을 최소화 하는 간단한 파지 자세 기법을 소개한다.
물체를 파지한 후 물체의 파지가 얼마나 안정한지를 판단하는 파지 안정성 지수을 구하는 문제에 있어 파지 대상 물체의 기하학적 형상과 파지형태의 관점으로 접근하여 실용적이고 물리적으로 의미를 갖는 방법론을 제공한다. 파지 안정성을 확인하기 위해 로봇이 물체를 파지 하는 형상과 파지 대상 물체의 기하학적 형상을 동일한 물리적 공간상에 표현함으로써 물체의 기하학적 특성을 반영하고 실제 물체의 파지에 작용하는 물리적 특성을 반영함으로써 물리적 의미를 갖는 파지 안정성 지수를 도출해 낼 수 있다. 또한 이러한 물리적 특성을 그대로 반영한 파지 안정성 지수는 물체를 파지하거나 조작하는데 실제 물리적 외력 특성을 반영할 수 있으므로 안정적인 파지 동작 형성에 도움이 될 것이다. 파지 안정성 지수를 계산하기 위해 3차원 모델로 재구성된 실제 파지 대상 물체의 기하학적 형상에 의해 작용할 수 있는 외력을 렌치공간상에 Object Wrench Space(OWS)로 표현하고 로봇 손의 파지 자세를 이용한 파지력과 파지 점 정보를 이용하여 Absolute Grasp Wrench Space(a-GWS)로 표현하고 이 두 공간의 포함관계를 비교함으로써 간단하고 명확하게 파지 안정성 지수를 획득할 수 있다. 그리고 이러한 파지 안정성 지수는 파지의 위치와 자세에 따라 변화하는 파지 안정성 지수가 연속적으로 표현되어 안정한 파지에서는 양의 값을 그 반대의 경우에 대해서는 음의 값으로 표현이된다. 이렇게 표현된 안정한 상황(force-closure grasp)에서의 안정성 지수는 현재의 안정한 파지를 무너뜨릴 수 있는 최소한의 외력, 그리고 불안정한 파지(non force-closure)상황에서는 주어진 불안정한 파지를 안정하게 만들기 위한 최소한의 추가 파지력을 명확하게 나타낸다. 또한, 안정한 파지상황에서 파지 대상물체의 표면에 작용 가능한 외력에 대해 안정성을 유지하기 위해 가장 취약한 부분부터 가장 강인한 부분까지의 표현을 함으로써 안정한 파지와 파지 조작을 위해 유용하게 사용될 수 있다.
안정하게 파지한 물체를 조작하기 위해서는 파지 조작 기법이 필요한데, 파지를 조작하기 위해서
다양한 조작 기법이 적용될 수 있다. 이 중 물체를 파지한 한 손을 이용하여 물체를 조작 하는 한 손 파지 조작(In-hand manipulation) 기법은 파지한 로봇 손의 기구학적 자유도 제한을 극복하면서 물체를 조작할 수 있는 효율적인 방법 중에 하나이다. 하지만 한 손으로 물체를 파지 하기
위해서는 손가락 표면과 물체 표면 사이의 복잡한 회전 접촉 기구학(rolling contact kinematics)의 구속 조건을 풀어야한다. 하지만 독립적 파지여영역을 이용하면 현재 파지에서 파지 안정성을 유지하며 이동가능한 파지 영역을 효율적으로 계산할 수 있다. 또한 이렇게 계산된 파지 영역은 한 손 파지 조작을 위한 파지 조작을 위한 제한 조건으로 작용하여 파지 조작시 항상 파지 안정성을 보장하도록 한다. 제안된 파지 조작 기법은 파지 대상 물체의 선형화된 3차원 모델정보를 이용하여 파지 조작을 수행한다. 따라서 제안된 파지 조작 기법은 기존의 한 손 파지 조작 기법들과 달리 파지 대상체와 손가락간의 회전 접촉 제한 조건을 계산하기 위해 파지 대상체의 접촉 표면을 표현하기 위한 복잡한 방정식을 필요로 하지 않아 다양한 물체를 파지하기 위한 실제 로봇 파지에 적용하기 용이하다. 특히나 3차원 포인트 클라우드(point cloud)와 같은 실시간 모델링 방법과 결합하여 실시간 파지 조작을 구현하기에 매우 적합하다.
제안된 파지 기법의 이론 검증을 위한 실험은 다음과 같은 목적을 가지고으로 수행되었다.
(1) 파지 안정성 지수의 타당성,
(2) 파지 안정성 지수가 로봇 손과 파지 대상 물체에 작용하는 물리적 특성을 반영하는지,
(3) 파지 조작 기법의 타당성과 효율성
(4) 제안된 파지 조작 기법의 2차원 및 3차원 실험을 통한 최종적 성능의 검증.
위의 목적을 가지고 수행한 각각의 시뮬레이션 및 실제 실험장치를 이용한 실험결과로부터 앞서 제안한 이론들의 타당성을 확인할 수 있었다. 다양하고 명확한 실험 결과들이 제안한 이론의 타당성을 확보해 주고 있다.
본 논문은 로봇 손이 물체를 파지 한채 파지한 물체를 안정적으로 조작하기 위해 파지 안정성 지수를 이용한 파지 조작기법을 제안한다.
로봇이 정해진 물체를 조작하는 작업을 수행하기 위해서는 대상 물체를 안정하게 파지한 후 물체를 주어진 목적에 맞게 조작하여야한다. 이렇게 물체를 파지하고 조작하기 위해서는 물체를 파지하기 위한 파지 계획기법 물체를 안정하기 파지 하였는지 확인하기 위한 파지 안정성 판별, 그리고 파지한 물체를 안정하게 조작하기 위한 파지 조작기법이 필요하다. 사람의 경우 학습에 의하여 경험적이고 직관적으로 물체를 안정적으로 파지하고 조작한다. 또한 파지한 물체에 대한 안정성은 손가락의 감각에 의존하여 판별하게 된다. 로봇 파지의 경우 다음과 같은 방법론이 필요하다. 1) 물체 파지에 대한 방법론, 2) 물체를 안정적으로 파지했는지를 판단하는 방법론, 3) 파지한 물체를 조작하기위한 방법론. 본 연구에서는 이러한 세가지 로봇 파지의 방법론을 통해 안정적인
로봇 파지 조작기법에 대한 해법을 제시한다.
따라서, 본 논문에서는 먼저 물체를 안정적으로 파지하기 위한 파지 경로계획기법을 소개한다. 그리고, 파지한 물체가 얼마나 안정적인지에 대한 파지 안정성을 판별하는 파지 안정성 지수를 제안하고 안정하게 파지한 물체를 안정적으로 조작하기 위한 방법 중 하나인 한 손 파지 경로계획 및 파지 조작 기법을 제안한다. 제안된 파지 기법들은 수학적 시뮬레이션과 실험을 통해 그 성능을 검증 한다.
먼저, 물체를 조작하기 위해선 안정한 파지 방법이 필요하다. 이에, 물체의 기초 형상(object primitives)을 기반으로한 파지 형상 구분법(grasp taxonomy)을 기반으로하여 물체를 안정적으로 파지하는 계획 법을 소개한다. 이를 위해 `Thumb supported pinch'와 `Palm supported pinch'와 같은 새로운 파지 형상 구분을 만들었으며 이를 기반으로하여 파지 대상 물체의 표면에 파지점을 생성하는 샘플링 기반의 파지점 경로계획 기법을 소개한다. 여기에 ray-shooting을 이용한 파지 안정성(force-closure)판별을 통한 샘플링/리샘플링 기법을 적용하여 안정적인 초기 파지를 구현하도록 하였다. 물체를 안정하게 파지한 후, 파지한 물체를 원하는 목표에 따라 조작해야한다. 이때, 파지한 물체에 작용하는 가장 큰 외력은 바로 중력이다.
이러한 중력에 의한 영항을 최소화 하는 간단한 파지 자세 기법을 소개한다.
물체를 파지한 후 물체의 파지가 얼마나 안정한지를 판단하는 파지 안정성 지수을 구하는 문제에 있어 파지 대상 물체의 기하학적 형상과 파지형태의 관점으로 접근하여 실용적이고 물리적으로 의미를 갖는 방법론을 제공한다. 파지 안정성을 확인하기 위해 로봇이 물체를 파지 하는 형상과 파지 대상 물체의 기하학적 형상을 동일한 물리적 공간상에 표현함으로써 물체의 기하학적 특성을 반영하고 실제 물체의 파지에 작용하는 물리적 특성을 반영함으로써 물리적 의미를 갖는 파지 안정성 지수를 도출해 낼 수 있다. 또한 이러한 물리적 특성을 그대로 반영한 파지 안정성 지수는 물체를 파지하거나 조작하는데 실제 물리적 외력 특성을 반영할 수 있으므로 안정적인 파지 동작 형성에 도움이 될 것이다. 파지 안정성 지수를 계산하기 위해 3차원 모델로 재구성된 실제 파지 대상 물체의 기하학적 형상에 의해 작용할 수 있는 외력을 렌치공간상에 Object Wrench Space(OWS)로 표현하고 로봇 손의 파지 자세를 이용한 파지력과 파지 점 정보를 이용하여 Absolute Grasp Wrench Space(a-GWS)로 표현하고 이 두 공간의 포함관계를 비교함으로써 간단하고 명확하게 파지 안정성 지수를 획득할 수 있다. 그리고 이러한 파지 안정성 지수는 파지의 위치와 자세에 따라 변화하는 파지 안정성 지수가 연속적으로 표현되어 안정한 파지에서는 양의 값을 그 반대의 경우에 대해서는 음의 값으로 표현이된다. 이렇게 표현된 안정한 상황(force-closure grasp)에서의 안정성 지수는 현재의 안정한 파지를 무너뜨릴 수 있는 최소한의 외력, 그리고 불안정한 파지(non force-closure)상황에서는 주어진 불안정한 파지를 안정하게 만들기 위한 최소한의 추가 파지력을 명확하게 나타낸다. 또한, 안정한 파지상황에서 파지 대상물체의 표면에 작용 가능한 외력에 대해 안정성을 유지하기 위해 가장 취약한 부분부터 가장 강인한 부분까지의 표현을 함으로써 안정한 파지와 파지 조작을 위해 유용하게 사용될 수 있다.
안정하게 파지한 물체를 조작하기 위해서는 파지 조작 기법이 필요한데, 파지를 조작하기 위해서
다양한 조작 기법이 적용될 수 있다. 이 중 물체를 파지한 한 손을 이용하여 물체를 조작 하는 한 손 파지 조작(In-hand manipulation) 기법은 파지한 로봇 손의 기구학적 자유도 제한을 극복하면서 물체를 조작할 수 있는 효율적인 방법 중에 하나이다. 하지만 한 손으로 물체를 파지 하기
위해서는 손가락 표면과 물체 표면 사이의 복잡한 회전 접촉 기구학(rolling contact kinematics)의 구속 조건을 풀어야한다. 하지만 독립적 파지여영역을 이용하면 현재 파지에서 파지 안정성을 유지하며 이동가능한 파지 영역을 효율적으로 계산할 수 있다. 또한 이렇게 계산된 파지 영역은 한 손 파지 조작을 위한 파지 조작을 위한 제한 조건으로 작용하여 파지 조작시 항상 파지 안정성을 보장하도록 한다. 제안된 파지 조작 기법은 파지 대상 물체의 선형화된 3차원 모델정보를 이용하여 파지 조작을 수행한다. 따라서 제안된 파지 조작 기법은 기존의 한 손 파지 조작 기법들과 달리 파지 대상체와 손가락간의 회전 접촉 제한 조건을 계산하기 위해 파지 대상체의 접촉 표면을 표현하기 위한 복잡한 방정식을 필요로 하지 않아 다양한 물체를 파지하기 위한 실제 로봇 파지에 적용하기 용이하다. 특히나 3차원 포인트 클라우드(point cloud)와 같은 실시간 모델링 방법과 결합하여 실시간 파지 조작을 구현하기에 매우 적합하다.
제안된 파지 기법의 이론 검증을 위한 실험은 다음과 같은 목적을 가지고으로 수행되었다.
(1) 파지 안정성 지수의 타당성,
(2) 파지 안정성 지수가 로봇 손과 파지 대상 물체에 작용하는 물리적 특성을 반영하는지,
(3) 파지 조작 기법의 타당성과 효율성
(4) 제안된 파지 조작 기법의 2차원 및 3차원 실험을 통한 최종적 성능의 검증.
위의 목적을 가지고 수행한 각각의 시뮬레이션 및 실제 실험장치를 이용한 실험결과로부터 앞서 제안한 이론들의 타당성을 확인할 수 있었다. 다양하고 명확한 실험 결과들이 제안한 이론의 타당성을 확보해 주고 있다.
The purpose of this thesis is to provide a new grasp measure that is physically meaningful and an algorithmic in-hand manipulation planning for multi-fingered robotic hands.
In order to grasp and manipulate(handle) an object by a robotic hand, a criterion to determine grasp quality is first needed...
The purpose of this thesis is to provide a new grasp measure that is physically meaningful and an algorithmic in-hand manipulation planning for multi-fingered robotic hands.
In order to grasp and manipulate(handle) an object by a robotic hand, a criterion to determine grasp quality is first needed to check the stability of given grasp.
And a method that produces a proper in-hand manipulation of the grasped objects is required. In case of human, they contact, grasp and manipulate the object by intuition from experience. They use sense of their skin and kinesthetic feedback to distinguish between stable grasp and unstable grasp. In the robotic grasp, the following methodologies are needed to grasp and manipulate object: 1) a methodology for stable grasp ( finding the contact region for each finger ), 2) a methodology to check grasp stability for the given grasp, 3) a methodology to manipulate (handle) the grasped object. In this thesis, a solution to stable robotic grasp manipulation is presented via theses three basic methodologies.
In order to securely handle an object, stable grasping must be excuted at first.
A grasp planning method using grasp taxonomy and object primitives for initial grasp is proposed. Proposed grasp taxonomy includes newly defined grasp methods such as thumb supported pinch and palm supported pinch, to enhance grasp robustness. On the target surface, locations of finger-print that will be contacted by the robot fingers are sampled. The sampling is made to be consistent to the grasp taxonomy, called preformed grasps, matched to the target object.
Then, a new grasp quality measure that conveys a clearer physical meaning
and is easily interpretable is suggested. The proposed measure provides the maximum resistible disturbance in the physical force unit, together with the identification of weak spots of the object at the current grasp configuration.
Physically, the positive measure value means the maximum resistable single disturbance, while the negative measure value implies the minimum necessary helping force to restore a non-force-closure grasp into a force-closure. Mathematically, the proposed grasp quality measure is eventually formulated
by means of linear optimization problems to compare the relative scale between object wrench space(OWS) and absolute grasp wrench space(a-GWS).
Next, in order to manipulate a grasped object, a method of grasp planning and manipulation is needed. Among the various grasp manipulation method, in-hand grasp manipulation is a powerful way to supplying extra degrees of freedom of the robot hand via rolling contact motion. So, the proposed in-hand manipulation planning algorithm takes simultaneously into account the kinematic consistency of rolling contact and the graspability during the in-hand motion. And the proposed method does not require complicated force analysis
between finger-tips and the object. In the planning, we find acceptable contact positions of fingers using the ICRs considering a priori known object geometry.
This planning algorithm employs 3D computer models (CAD data or point cloud data) of the grasped objects and excludes any complicated surface equations
of the object.
To verify the validity and performance of the proposed grasp measure and the in-hand manipulation planning algorithm, simulation and experiments are conducted by using robotic hand system in 2D and 3D environments. In particular, the followings are the issues of verification:
(1) validity of the grasp measure
(2) compatibility to requirement of physical properties of the measure.
(3) Validity and efficiency of the in-hand grasp manipulation algorithm.
(4) performance test of the proposed methods using robotic hand system in 2D and 3D space.
The simulation and experimental results have proved the validity of the proposed methods and supported the theoretical analysis well.
The purpose of this thesis is to provide a new grasp measure that is physically meaningful and an algorithmic in-hand manipulation planning for multi-fingered robotic hands.
In order to grasp and manipulate(handle) an object by a robotic hand, a criterion to determine grasp quality is first needed to check the stability of given grasp.
And a method that produces a proper in-hand manipulation of the grasped objects is required. In case of human, they contact, grasp and manipulate the object by intuition from experience. They use sense of their skin and kinesthetic feedback to distinguish between stable grasp and unstable grasp. In the robotic grasp, the following methodologies are needed to grasp and manipulate object: 1) a methodology for stable grasp ( finding the contact region for each finger ), 2) a methodology to check grasp stability for the given grasp, 3) a methodology to manipulate (handle) the grasped object. In this thesis, a solution to stable robotic grasp manipulation is presented via theses three basic methodologies.
In order to securely handle an object, stable grasping must be excuted at first.
A grasp planning method using grasp taxonomy and object primitives for initial grasp is proposed. Proposed grasp taxonomy includes newly defined grasp methods such as thumb supported pinch and palm supported pinch, to enhance grasp robustness. On the target surface, locations of finger-print that will be contacted by the robot fingers are sampled. The sampling is made to be consistent to the grasp taxonomy, called preformed grasps, matched to the target object.
Then, a new grasp quality measure that conveys a clearer physical meaning
and is easily interpretable is suggested. The proposed measure provides the maximum resistible disturbance in the physical force unit, together with the identification of weak spots of the object at the current grasp configuration.
Physically, the positive measure value means the maximum resistable single disturbance, while the negative measure value implies the minimum necessary helping force to restore a non-force-closure grasp into a force-closure. Mathematically, the proposed grasp quality measure is eventually formulated
by means of linear optimization problems to compare the relative scale between object wrench space(OWS) and absolute grasp wrench space(a-GWS).
Next, in order to manipulate a grasped object, a method of grasp planning and manipulation is needed. Among the various grasp manipulation method, in-hand grasp manipulation is a powerful way to supplying extra degrees of freedom of the robot hand via rolling contact motion. So, the proposed in-hand manipulation planning algorithm takes simultaneously into account the kinematic consistency of rolling contact and the graspability during the in-hand motion. And the proposed method does not require complicated force analysis
between finger-tips and the object. In the planning, we find acceptable contact positions of fingers using the ICRs considering a priori known object geometry.
This planning algorithm employs 3D computer models (CAD data or point cloud data) of the grasped objects and excludes any complicated surface equations
of the object.
To verify the validity and performance of the proposed grasp measure and the in-hand manipulation planning algorithm, simulation and experiments are conducted by using robotic hand system in 2D and 3D environments. In particular, the followings are the issues of verification:
(1) validity of the grasp measure
(2) compatibility to requirement of physical properties of the measure.
(3) Validity and efficiency of the in-hand grasp manipulation algorithm.
(4) performance test of the proposed methods using robotic hand system in 2D and 3D space.
The simulation and experimental results have proved the validity of the proposed methods and supported the theoretical analysis well.
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