[논문]직접 교시 작업을 위한 로봇 작업 정보 편집 및 재생산 기법

김한준; 왕영진; 김진오; 백주훈

doi:10.7736/kspe.2013.30.1.96

직접 교시 작업을 위한 로봇 작업 정보 편집 및 재생산 기법
Techniques of Editing and Reproducing Robot Operation Data for Direct Teaching 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.1, 2013년, pp.96 - 104

김한준 (광운대학교 제어계측공학과) , 왕영진 (광운대학교 제어계측공학과) , 김진오 (광운대학교 로봇학부) , 백주훈 (광운대학교 로봇학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Study of human-robot Interaction gets more and more attention to expand the robot application for tasks difficult by robot alone. Developed countries are preparing for a new market by introducing the concept of 'Co-Robot' model of human-robot Interaction. Our research of direct teaching is a way to instruct robot's trajectory by human's handling of its end device. This method is more intuitive than other existing methods. The benefit of this approach includes easy and fast teaching even by non-professional workers. And it can enhance utilization of robots in small and medium-sized enterprises for small quantity batch production. In this study, we developed the algorithms for creating accurate trajectory from repeated inaccurate direct teaching and GUI for the direct teaching. We also propose the basic framework for direct teaching.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만 이들 프로그램은 자사의 로봇에 맞춘 CAD 기반의 프로그램으로 CAD 작업을 요구하지 않는 저정밀도의 단순한 작업에는 적합하지 않다. 본 연구에서 개발하는 프로그램은 위와 같은 기능을 단순한 작업에서도 활용할 수 있도록 하면서 교시궤적 데이터의 편집과 관리를 위한 직접 교시 로봇용 프로그램 개발을 목표로 한다.
본 연구에서는 CAD 정보를 이용하지 않고, 사람의 직접교시를 통하여 얻어진 궤적 정보를 관리하고 이를 편집하여 새로운 작업정보를 생성하는 기술을 개발하였다. 또한 개발된 알고리듬을 6 축 로봇에 적용하여 프로그래밍 지식이 없이 새로운 작업정보를 생성할 수 있다는 것과 고정밀도를 요구하지 않는 경우 직접교시로 생성된 궤적을 사용자의 의도대로 편집할 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 로봇 전문인력이 없는 중소기업에서의 저정밀 단순작업을 효율적으로 하기 위한 직접교시용 프로그램의 기본적인 프레임워크를 제시한다. 접촉식 직접교시의 정밀도를 보완하고 교시 데이터를 효율적으로 사용하기 위하여 궤적의 생성 및 저장/편집 알고리듬 기능을 구현하였다.

가설 설정

8) 선택한 원호로 위의 과정을 구간 내 모든점에 반복한다.
9) 원래 궤적에 변환 행렬을 곱하여 편집된 궤적을 계산하여 구간 내 모든 점에 반복한다.

제안 방법

^7,8 DPA 는 교시 경로의 시점과 종점을 연결하고, 시점과 종점을 제외한 교시점 중에서 시점과 종점을 연결한 선분 상에서 수직으로 거리가 최대인 점을 찾아 기준 정밀도보다 거리가 작은 점이 나올 때 까지 점을 추가하여 교시데이터를 압축하여 불필요한 데이터를 줄이는 방법이다.⁷ 본연구에서는 계산의 부하를 줄이면서 DPA 보다 다양한 기능을 갖추기 위해 단순한 기본 도형과 평면을 기준으로 궤적을 근사화하여 오차를 줄이는 알고리듬을 제안하였다.
궤적 위의 두 점을 선택하여, 두 점을 잇는 원하는 직선을 정의하고, 직선화할 구간 안에서 궤적 위의 점과 앞서 정의한 직선 사이의 거리를 구하여 점을 정의한 직선 위로 이동시킨다. 궤적이 왕복운동과 같은 전/후로 움직이는 것을 고려하여 편집 후에도 궤적의 운동이 반영되도록 정의된 직선위로 내적을 취하여 궤적 위의 점을 이동시키는 방법을 사용했다. 그 과정은 아래와 같다.
본 연구는 직접교시 로봇으로 제안된 6 축 로봇을 모델로 진행하였다. 로봇은 6 개의 회전모듈로 구성되어 있고 각 관절은 위치제어를 수행하며, 로봇의 말단에는 힘/토크 센서가 부착되어 교시력, 작업력을 측정한다. 하지만 본 연구에서 개발한 프로그램에서는 교시력과 작업력의 반영은 진행단계에 있다.
편집 기능으로 말단의 궤적을 수정하였으며, 역기구학을 풀이하여 새로운 관절 변위를 얻었다. 본 논문에서 제작한 GUI 프로그램은 역기구학의 적용을 선택할 수 있는데, 역기구학을 적용하면, 궤적의 편집으로 궤적이 로봇의 작업 반경을 벗어나지 않도록 프로그램에서 경고 및 제제를 할 수 있도록 되어있다. 즉 역기구학을 풀어서 궤적의 유효성을 검사할 수 있다.
사용자가 평면을 선택하여 정의하기 위해서 3점을 선택하고, 선택한 3 점을 지나는 평면의 방정식을 유도하여 궤적 위의 점과 정의한 평면 사이의 거리를 구한다. 이 때 궤적이 평면을 기준으로 나뉘게 되어 이동시킬 방향이 2 가지가 나오는 문제가 생긴다.
8 에서처럼 두 개가 존재 한다. 우리는 직접 교시한 궤적에 가까운 하나의 원을 선택하기 위해 두 원호의 중심을 구하고 현재 궤적과 각각의 생성된 원호와의 거리를 구하여 근접한 원호를 갖는 중심을 선택하도록 하였다. 궤적의 운동이 편집 후에 모두 반영되어 왕복운동과 같은 반복 운동도 그대로 편집 후에 적용되도록 하였다.
시뮬레이션의 진행은 다음과 같다. 원형 궤적과 직사각형의 궤적을 직접교시 하여 얻은 교시 데이터 중 필요한 부분만을 잘라낸 후, 평면화 한 뒤에 원형궤적은 원호화를 직사각형 궤적은 직선화를 거쳐서 작업대상과 비교하여 오차를 측정한다. 궤적의 편집은 생성된 궤적 위의 필요한 점을 선택하여 각점의 좌표값을 불러와 3 장의 알고리듬을 적용하는 방식이다.
17). 원형 궤적은 중심을 M(385.5, 1.5, 769.1)으로 표기하고 중심으로부터 궤적까지의 거리의 값과 비교하여 오차를 구하고 교시궤적과 편집궤적을 비교하였다 (Fig. 18).
본 연구에서는 로봇 전문인력이 없는 중소기업에서의 저정밀 단순작업을 효율적으로 하기 위한 직접교시용 프로그램의 기본적인 프레임워크를 제시한다. 접촉식 직접교시의 정밀도를 보완하고 교시 데이터를 효율적으로 사용하기 위하여 궤적의 생성 및 저장/편집 알고리듬 기능을 구현하였다. 본 논문에서는 궤적 데이터를 중점적으로 다뤘으나, 접촉식 교시에서는 작업 궤적의 교시뿐만 아니라 작업자의 의도 감지 및 환경과의 접촉시 반력 및 충돌 등의 판별을 위한 작업력의 교시 또한 매우 중요하다.
편집 기능으로 말단의 궤적을 수정하였으며, 역기구학을 풀이하여 새로운 관절 변위를 얻었다. 본 논문에서 제작한 GUI 프로그램은 역기구학의 적용을 선택할 수 있는데, 역기구학을 적용하면, 궤적의 편집으로 궤적이 로봇의 작업 반경을 벗어나지 않도록 프로그램에서 경고 및 제제를 할 수 있도록 되어있다.
편집 전 후의 수치적 해석을 위해 직사각형 궤적의 꼭지점을 Fig. 16 과 같이 A(377.7, -12.2, 770.1), B(393.0, -11.0, 770.1), C(391.9, 38.5, 769.7), D(377.3, 37.1, 769.7)로 표기하고 교시궤적과 편집궤적의 각 선분 AB, BC, CD, DA 의 직선과 궤적의 오차의 크기를 구하여 교시궤적과 편집궤적을 비교하였다 (Fig. 17). 원형 궤적은 중심을 M(385.

대상 데이터

소프트웨어 개발환경은 Microsoft Visual Studio, 프로그래밍 언어는 C++을 사용하였다. 그래픽 라이브러리로 OpenGL 과 Chart Director 를 사용하였고 기구학과 및 관련된 연산을 위해 ROBOOP,¹⁶ NEWMAT¹⁷라이브러리를 사용하였다.
본 연구는 직접교시 로봇으로 제안된 6 축 로봇을 모델로 진행하였다. 로봇은 6 개의 회전모듈로 구성되어 있고 각 관절은 위치제어를 수행하며, 로봇의 말단에는 힘/토크 센서가 부착되어 교시력, 작업력을 측정한다.

이론/모형

이 과정에서 순기구학-역기구학이 사용된다. 역기구학 해는 Newton-Raphson 기법을 사용하며 이는 아래 식과 같다. 이때 T 는 동차변환행렬이고 q 는 관절 벡터이며 테일러 전개를 사용한다.

성능/효과

5) 변환행렬을 원래 궤적에 곱하여 편집된 궤적을 계산하여 위의 과정을 구간 내 모든 점에 반복한다.
7) 변환행렬을 원래 궤적에 곱하여 편집된 궤적을 계산하여 위의 과정을 구간 내 모든 점에 반복한다.
본 연구에서는 CAD 정보를 이용하지 않고, 사람의 직접교시를 통하여 얻어진 궤적 정보를 관리하고 이를 편집하여 새로운 작업정보를 생성하는 기술을 개발하였다. 또한 개발된 알고리듬을 6 축 로봇에 적용하여 프로그래밍 지식이 없이 새로운 작업정보를 생성할 수 있다는 것과 고정밀도를 요구하지 않는 경우 직접교시로 생성된 궤적을 사용자의 의도대로 편집할 수 있음을 확인하였다. 이 기술은 고 정밀도를 요구하지 않는 단순작업 시 직접교시를 활용하면, 전문인력이 아닌 사용자가 직관적으로 로봇을 움직여 궤적을 교시하고, 교시된 궤적을 쉽고 효율적으로 저장과 편집을 가능하게 해줄 것이라 생각된다.
이러한 결과로 작업하고자 하는 형상이 명확하다면, 고정밀의 작업이 아닌 정밀도가 낮은 단순작업에서는 CAD/CAM 데이터나 프로그래밍을 사용하지 않고 직접교시로 간단히 궤적을 생성하고 편집함으로 작업의 효율을 높일 수 있다는 것을 확인하였다.

후속연구

CAD를 활용한 기법은 정밀하고 빠르지만, 사전에 숙련된 작업자의 디자인 작업이 필요하며, 궤적을 생성해주는 전용의 소프트웨어가 필요하다.² 위와 같은 단점을 보완할 수 있는 직접교시는 직관적으로 로봇을 활용할 수 있기 때문에 로봇 전문인력이 필요하지 않고, 다품종 소량 생산을 하는 중소기업의 로봇 활용을 촉진시키며, 열악한 작업환경에서 반복 작업을 하는 작업자들의 작업 환경개선과 생산 효율성 증대에 일조할 것으로 기대된다.³ 직접교시에는 힘/토크 센서 등을 사용하는 접촉식과 음성, 영상 신호 인식을 통한 비접촉식으로 분류된다.
전문인력이 없는 중소기업에서는 산업용 로봇을 좀 더 쉽게 활용할 수 있도록 도움을 줄 것이다. 본 프로그램은 고 정밀도의 작업을 하기에는 한계가 있으며 이 한계를 극복하기 위해 보다 쉬운 작업이 가능하도록 직관적인 UI 구성과 더 자유로운 편집 방법의 개발이 필요하며, 교시력과 작업력의 반영이 필요하다. 또, 궤적의 편집 기능을 사용할 때 순기구학-역기구학 연산을 많이 수행하므로 관절이 많은 로봇 경우에는 처리 속도와 정밀도의 조절이 필요하며 정교한 작업을 위한 고속 알고리듬의 개발이 필요하다.
⁵ 개발된 프로그램에서는 경로 데이터뿐만 아니라 작업력의 데이터도 처리하도록 구현되어있으나, 1 차적으로 궤적 생성과 편집기능 개발을 목표로 작업력은 기본 값을 입력하여 지시하도록 되어있다. 작업력의 처리에 대해서는 향후 연구에서 추가로 다루고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로봇을 교시하는 방법 중 CAD를 활용한 기법의 장단점은?	로봇을 교시하는 방법에는 프로그래밍, 펜던트 등의 보조장비를 활용하는 방법, 센서를 통한 방법, CAD 파일을 이용한 OLP 기법 등이 있는데, 프로그래밍을 사용하는 방법은 사용자에게 직관적이지 못하므로 별도의 전문인력을 요구하고, 센서를 이용한 기법은 활용분야가 제한적이라는 단점이 있다. CAD를 활용한 기법은 정밀하고 빠르지만, 사전에 숙련된 작업자의 디자인 작업이 필요하며, 궤적을 생성해주는 전용의 소프트웨어가 필요하다.2 위와 같은 단점을 보완할 수 있는 직접교시는 직관적으로 로봇을 활용할 수 있기 때문에 로봇 전문인력이 필요하지 않고, 다품종 소량 생산을 하는 중소기업의 로봇 활용을 촉진시키며, 열악한 작업환경에서 반복 작업을 하는 작업자들의 작업 환경개선과 생산 효율성 증대에 일조할 것으로 기대된다.
	로봇을 교시하는 방법으로는 어떤 것이 있는가?	1 이러한 인간-로봇 상호작용 기술의 대표적인 예로 로봇의 말단 장치를 직접 손으로 잡고 로봇의 이동 경로를 지시하여 반복 작업을 수행하게 해주는 직접교시가 있다. 로봇을 교시하는 방법에는 프로그래밍, 펜던트 등의 보조장비를 활용하는 방법, 센서를 통한 방법, CAD 파일을 이용한 OLP 기법 등이 있는데, 프로그래밍을 사용하는 방법은 사용자에게 직관적이지 못하므로 별도의 전문인력을 요구하고, 센서를 이용한 기법은 활용분야가 제한적이라는 단점이 있다. CAD를 활용한 기법은 정밀하고 빠르지만, 사전에 숙련된 작업자의 디자인 작업이 필요하며, 궤적을 생성해주는 전용의 소프트웨어가 필요하다.
	인간-로봇 상호작용 기술의 대표적인 예로는 어떤 것이 있는가?	미국, EU 등 선진국들은 인간-로봇 간의 협업 모델인 ‘Co-Robot’ 개념을 도입하여 향후 로봇 신시장 선점에 대비하고 있다.1 이러한 인간-로봇 상호작용 기술의 대표적인 예로 로봇의 말단 장치를 직접 손으로 잡고 로봇의 이동 경로를 지시하여 반복 작업을 수행하게 해주는 직접교시가 있다. 로봇을 교시하는 방법에는 프로그래밍, 펜던트 등의 보조장비를 활용하는 방법, 센서를 통한 방법, CAD 파일을 이용한 OLP 기법 등이 있는데, 프로그래밍을 사용하는 방법은 사용자에게 직관적이지 못하므로 별도의 전문인력을 요구하고, 센서를 이용한 기법은 활용분야가 제한적이라는 단점이 있다.

참고문헌 (17)

Ministry of Knowledge Economy, "Government-wide, draw the next 10 years the big picture of the robot," 2012.
Sul, I. H., "Recent research trends on industrial robot programming," KOSEN Expert Review, 2012.
Park, D. I., Kyung, J. H., and Jung, K. J., "Human-robot cooperation technologies research trends," Machinery and Materials, Vol. 22, No. 4, pp. 76-83, 2010.
Park, J. S., Ji, S. H., Nam, K. T., Lee, S. M., Lee, S. J., and Lim, M. T., "Pattern-based Path Planning Algorithm for Human-Robot Cooperation," Proc. of KSPE Autumn Conference, pp. 173-174, 2010.
Park, C. H., Kyung, J. H., Park, D. I., Park, K. T., Kim, D. H., and Gweon, D. G., "Direct Teaching Algorithm for a Manipulator in a Constraint Condition using the Teaching Force Shaping Method," Advanced Robotics, Vol. 24, pp. 1365-1384, 2010.

상세보기
KUKA Korea, "Deburring solves the robot," Monthly Tools Journal, pp. 56-57, 2011.
Song, M. S., Lee, S. H., Li, C. J., Kim, D. H., and Han, C. S., "Direct Teaching and Playback Algorithm of Robot Manipulator," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 65-66, 2010.
Li, C. J., Park, C. H., Kyung, J. H., and Chung, G. J., "Motion control of the direct-teaching robot at teaching point using trajectory planning algorithm," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 311-312, 2011.
Asada, H. and Asari, Y., "The Direct Teaching of Tool Manipulation Skills Via the Impedance Identification Skills," Proc. of IEEE International Conference, Vol. 2, pp. 24-29, 1988.
Kushida, D., Nakamura, M., Goto, S., and Kyura, N., "Human Direct Teaching of industrial articulated robot arms based on force-free control," Artificial Life and Robotics, Vol. 5, pp. 26-32, 2001.

상세보기
Meyer, C., "Intuitive programming of industrial robots," International Symposium on Robotics, pp. 69-74, 2006.
Pires, J. N., "Robot-by-voice: Experiments on commanding an industrial robot using human voice," Industrial Robot, An International Journal, Emerald Group Publishing Limited, Vol. 32, No. 6, pp. 505-511, 2005.

상세보기
Schraft, R. D., "Powermate - A safe and intuitive robot assistant for handling and assembly tasks," Proc. of IEEE Int. Conf. in Robotics & Automation, pp. 4074-4078, 2005.
Hirzinger, G., "Cartesian impedance control for torque controlled light-weight robots," Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics & Automation, pp. 657-663, 2002.
Pholsiri, C., "Extended generalized impedance control for redundant manipulators," Proc. of 42nd IEEE Int. Conf. on Decision and Control, pp. 1255-1260, 2003.
Gourdeau, R., "Object oriented programming for robotic manipulators simulation," IEEE Robotics and Automation Magazine, Vol. 4, No. 3, pp. 21-29, 1997.

상세보기
Davies, R., "New mat11," http://www.robertnz.net/nm_intro.htm

저자의 다른 논문 :

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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