[논문]건설로봇용 인간-로봇 협업 제어

이승열; 이계영; 이상헌; 한창수

doi:10.3795/ksme-a.2007.31.3.285

[국내논문] 건설로봇용 인간-로봇 협업 제어
Human-Robot Cooperative Control for Construction Robot 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.31 no.3 = no.258, 2007년, pp.285 - 294

이승열 (한양대학교 대학원 기계공학과) , 이계영 (삼성물산 건설부문 기술연구소) , 이상헌 (삼성물산 건설부문 기술연구소) , 한창수 (한양대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Previously, ASCI(Automation System for Curtain-wall Installation) which combined with a multi-DOF manipulator to a mini-excavator was developed and applied on construction site. As result, the operation by one operator and more intuitive operation method are proposed to improve ASCI's operation method which need one person with a remote joystick and another operating an excavator. The human-robot cooperative system can cope with various and untypical constructing environment through the real-time interacting with a human, robot and constructing environment simultaneously. The physical power of a robot system helps a human to handle heavy construction materials with relatively scaled-down load. Also, a human can feel and response the force reflected from robot end effecter acting with working environment. This paper presents the feasibility study regarding the application of the proposed human-robot cooperation control for construction robot through experiments on a 2DOF manipulator.

주제어

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문제 정의

그리고, 중량물이 환경과의 접촉 상태가 아닌 경우의 위치 추종 성을 높이기 위해 임피던스 제어기 내부에 모션제어기가 포함되었다. 끝으로 2 자유도 실험시스템을 통해 임피던스 모델의 주요 파라미터가 협업시스템의 성능에 미치는 영향들을 살펴 보았다.
따라서 시스템의 안정성이 보장된 범위 내에서 최대의 기동성을 가지거나 혹은 그 반대의 경우가 되도록 두 인자는 적절히 교환(trade-off)되어야 한다. 또한, 작업자의 작업 취향을 고려하여 각 인자는 단계별로 조절이 가능하도록 한다. 실험에 사용된 Mp, 및 Bp, 값은 기동성이 요구되는 작업(비제한 조건)에서는 Mpt=50I, Bp, =25001 °] 사용되 었고, 안정도가 요구되는 작업(제한 조건)에서는 Mp!=15I, 环=75001 이 사용되 었다.
즉, 작업자의 외력을 일정한 증폭 비로 증폭시켜 마치 작업자가 직접 중량물을 핸들링 하는 것과 같은 작업 형태를 구현한다. 또한, 작업자의 작업자가 작업 중에 외부 환경으로부터 중량물에 전해지는 반력을 느끼도록 함으로써 작업자가 보다 직감적인 작업 수행이 가능하도록 한다.
본 논문에서는 Fig. 4와 같이 작업자와 로봇이 협업하여 무거운 건설자재를 설치하기 위한 로봇 제어기술이 설명된다. 특히 작업자의 외력 및 로봇과 환경과의 상호작용을 통해 발생된 접촉력을 고려한 로봇' 제어기가 설계된다.
본 논문에서는 조절 가능한 임피던스 인자들을 이용하여 접촉 환경에 따른 인간-로봇-환경 협업시스템 모델을 제시하였다. 또한, 전체 인간-로봇 협업 제어기를 인간 임피던스 제어부와 내부 모션제어 루프를 포함한 임피던스 제어부로 분리하여 구성하였다.
즉, 접촉력 감소는 중량물 설치작업 시 엔드이펙터의 위치 오차에 영향을 받는다. 이 문제를 해결하기 위해 본 논문에서 '내부 모션 제어 루프가 포함된 임피던스 제어, 가 제안되었다. 식 (5) 에서 내부 모션 루프 게인은 KDp=1.

제안 방법

첫 번째로 '임피던스파라미터 조절, 을 위해 각각의 파라미터의 영향에 대해 살펴본다. 두 번째로 비제한 조건 상에서 로봇 운전 시 발생되는 위치 추종 오차를 줄이기 위해 제안된, 내부 모션 제어 루프를 가진 임피던스 제어'의 성능이 평가된다. 세 번째로 작업자의 힘 증폭비 (人) 변화에 따른 凡와 凡의 영향을 살펴보도록 한다.
모델을 제시하였다. 또한, 전체 인간-로봇 협업 제어기를 인간 임피던스 제어부와 내부 모션제어 루프를 포함한 임피던스 제어부로 분리하여 구성하였다.
(1), (2)식에서 제안된 힘 증폭비(人)는 인간-로봇 협업 작업 시 작업자로 부터 요구되는 힘의 크기를 조절하는 역할을 한다. 본 실험에서 힘 증폭비(九)를 3 에서 6으로 증가 시 킬 때 F* 와 兀의 변화를 살펴보았다. 실험에 사용된 임피던스 파라미터는 Mpl=15I, Bp, =75001, Mpe=50I, Bpe=10000I, Kpe=8000I 으로 결정 되 었다.
두 번째로 비제한 조건 상에서 로봇 운전 시 발생되는 위치 추종 오차를 줄이기 위해 제안된, 내부 모션 제어 루프를 가진 임피던스 제어'의 성능이 평가된다. 세 번째로 작업자의 힘 증폭비 (人) 변화에 따른 凡와 凡의 영향을 살펴보도록 한다.
같다. 우선 인간-로봇-환경의 상호관계는 목표 동특성을 이용하여 모델링하였다. 인간-로봇 협업을 위해 인간-로봇-환경 모델링을 바탕으로 주위환경과 접촉이 일어나는 경우(제한 조건) 와그렇지 않는 경우(비제한 조건)의 각각에 대해 고려된 임피던스제어기가 설계되었다.
또한, Kpe 가 커지면 작업자로부터 요구되는 힘이 커지고, 접촉 상태에서 반향되는 힘(兀)도 커짐을 알 수 있다. 이로써, 협업 시스템의 장점인 '힘 증폭' 및 , 힘 반향, 특성을 실험을 통해 확인하였다.
우선 인간-로봇-환경의 상호관계는 목표 동특성을 이용하여 모델링하였다. 인간-로봇 협업을 위해 인간-로봇-환경 모델링을 바탕으로 주위환경과 접촉이 일어나는 경우(제한 조건) 와그렇지 않는 경우(비제한 조건)의 각각에 대해 고려된 임피던스제어기가 설계되었다. 그리고, 중량물이 환경과의 접촉 상태가 아닌 경우의 위치 추종 성을 높이기 위해 임피던스 제어기 내부에 모션제어기가 포함되었다.
임피던스파라미터 (M“, %, )의 영향, 내부 모션 제어 루프가 시스템에 미치는 영향, 힘 증폭비(人)의 영향을 살펴보았다. 실험결과, 人 가 커지면 작업자로부터 요구되는 힘이 작아지지만, 접촉 상태에서 반향되는 힘(凡)은 변화가 없음을 알 수 있다.
15는 제안된 임피던스 제어 시스템에 환경의 강성 파라미 터0”)를 변화시켜 얻어진 그래프이다. 작업자의 외력이 작용하지 않는 상태에서 일정한 힘을 제어기에 입력하여 이미 프로그램된 원 궤적을 로봇이 추종하도록 한다. 그래프에서 보는 바와 같이 강성 파라미터가 작으면 전체 실험과정 동안 경로 추종의 정확도가 감소하게 된다.
실험내용은 다음과 같다. 첫 번째로 '임피던스파라미터 조절, 을 위해 각각의 파라미터의 영향에 대해 살펴본다. 두 번째로 비제한 조건 상에서 로봇 운전 시 발생되는 위치 추종 오차를 줄이기 위해 제안된, 내부 모션 제어 루프를 가진 임피던스 제어'의 성능이 평가된다.
泌)이후 KazergniCAiT)는 마스터-슬레이브 시스템과 달리 접촉 힘에 의해 조작자의 힘과 정보가동 시에 전달이 되는 'Extender, 를 제안하였다. 특히 이 논문에서는 인간의 팔, extender, 주변 환경으로 나눠 각각의 임피던스를 이용하여 모델링 하고 조작자의 힘과 매니퓰레이터의 힘 사이의 컨트롤러를 제안한 것이 특징이다. Kosuge牌는 기동성과 힘 증폭 파라미터를 도입하여 인간-로봇 협업을 위한 제어 알고리즘을 제안하였다.

대상 데이터

본 실험에서 힘 증폭비(九)를 3 에서 6으로 증가 시 킬 때 F* 와 兀의 변화를 살펴보았다. 실험에 사용된 임피던스 파라미터는 Mpl=15I, Bp, =75001, Mpe=50I, Bpe=10000I, Kpe=8000I 으로 결정 되 었다.
2[m]인 원 궤적을 추종하는 시간은 대략 180[sec]가 소요된다. 실험에 참여된 작업자는 만 30 세의 건강한 남자로써 .충분한 연습을 마친 후 실험에 참여하였다.

이론/모형

그리고 제한된 환경상에서 인간과 로봇의 협업을 구현하기 위해 Hogan(3)에 의해 제안된 임피던스 제어기법이 적용된다.
실험목적을 충족하기 위해, 실험계획법, 이 도입되었다. , 인자, 는 식 (2)에서 임피던스 파라미터 M贰Mg), 敬%) 를 나타내고, '수준은 1, 3, 10 으로 한다.

성능/효과

임피던스파라미터 (M“, %, )의 영향, 내부 모션 제어 루프가 시스템에 미치는 영향, 힘 증폭비(人)의 영향을 살펴보았다. 실험결과, 人 가 커지면 작업자로부터 요구되는 힘이 작아지지만, 접촉 상태에서 반향되는 힘(凡)은 변화가 없음을 알 수 있다. 또한, Kpe 가 커지면 작업자로부터 요구되는 힘이 커지고, 접촉 상태에서 반향되는 힘(兀)도 커짐을 알 수 있다.

후속연구

본 논문에서 언급한, 인간-로봇 협업 제어 기술' 을 건설 현장의 중량물 핸들링 작업에 적절하게 활용한다면 작업자의 의도와 정확하게 비교적 작은 외력으로 중량물을 이동시킬 수 있다. 또한 건설 자재를 서로 결합하는 작업이나 틀에 끼워 맞춤 작업 시 환경(건설 자재)과의 접촉상태에서 작업자가 직감적인 힘 반향을 통해 실시간으로 변하는 작업 환경에 즉각적으로 대응할 수 있다.
현재 제안된, 인간-로봇 협업 제어 기술'이 적용된 중량물 설치를 위한 건설 로봇이 그림 Fig. 20 과 같이 개발 중이며, 테스트를 마친 후 현장에 적용될 예정이다.

참고문헌 (19)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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