[논문]바닥작업이 가능한 양팔 서비스 로봇의 기구학 설계, 제작 및 제어

배영걸; 정슬

doi:10.5573/ieek.2013.50.3.203

바닥작업이 가능한 양팔 서비스 로봇의 기구학 설계, 제작 및 제어
Design, Implementation, and Control of Two Arms of a Service Robot for Floor Tasks 원문보기

Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea = 전자공학회논문지, v.50 no.3, 2013년, pp.203 - 211

배영걸 (충남대학교 메카트로닉스공학과) , 정슬 (충남대학교 메카트로닉스공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 바닥작업용 서비스 로봇을 위한 두 팔 매니퓰레이터의 개발 및 제어에 관한 연구를 기술하였다. 6자유도의 매니퓰레이터를 설계하였으며, 그 중 5자유도 매니퓰레이터를 제작하였다. 제작된 매니퓰레이터의 순기구학과 역기구학을 해석하고 시뮬레이션을 수행하여 기구학을 검증하였다. 실제로 역기구학을 바탕으로 로봇 팔을 제작하여 제어하였다. 양팔의 동작 성능을 확인하기 위해 오른쪽 팔과 왼쪽 팔을 각각 따로 제어하여 서로 다른 경로를 추종하는 실험을 수행하였다. 실험결과를 통해 기구학 분석을 검증하였으며, 시스템의 동작 여부를 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the implementation and control of two arms of an indoor service robot for floor tasks. The robot arms are designed to have 6 degrees-of-freedom (DOF), but actually built to have 5 DOF. Forward and inverse kinematics of two arms are analyzed and simulated to confirm the kinematic analysis. Two arms are actually controlled based on the inverse kinematics. The right and left arms are separately controlled to follow different trajectories in order to make sure the functionality of both arms. Experimental studies are conducted to confirm the kinematic analysis and proper operation of two arms.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 그림 1에 보여진 것처럼 바닥에서의 작업이 가능한 서비스 로봇을 위해 두 팔 매니퓰레이터를 설계하고 제작하여 제어하고자 한다^[12]. 이전의 연구에서 설계를 위해 작업공간에 대한 분석을 수행하였다^[13].
본 논문에서는 설계된 6자유도 매니퓰레이터가 아닌 실제 제작된 5자유도 매니퓰레이터를 기준으로 역기구학을 해석하였으며 팔끝의 위치만 알고 있는 경우에 대해서 기술하였다.
본 논문은 바닥작업이 가능한 서비스 로봇을 위해 개발된 두 팔 매니퓰레이터의 개발에 관한 연구를 기술하였다. 로봇의 용도, 하중, 길이 등을 고려하여 6자유도의 매니퓰레이터를 설계하였으며, 손목부분이 완성되지 않아 이 부분을 제외한 5자유도 매니퓰레이터를 제작하였다.

제안 방법

3차원 공간에서 왼팔은 X-Y 평면, 오른팔은 X-Z 평면상에서 움직이는 원의 경로를 추종하는 실험을 수행하였다. 그림 20은 실험을 위해 설정된 제어 경로를 나타낸 것이다.
실험을 위해 DSP를 이용한 제어 보드를 구성하였으며, 기구학적 해석을 수행하고 이를 이용하여 양팔 매니퓰레이터를 제어하였다. 각 관절의 다양한 움직임을 살펴보기 위해 왼팔과 오른팔이 서로 다른 경로를 추종하도록 실험하여 기구학 및 전체 시스템의 동작을 검증하였다.
매니퓰레이터는 각각 6개의 회전 관절을 갖는 양팔로 이루어져있다. 각 팔은 어깨 축에 3자유도, 팔꿈치 부분에 1자유도, 손목부분에 2자유도로서 총 6자유도를 갖도록 설계되었다.
따라서 관절 3보다도 작은 토크로도 충분하며 길이에 대한 제약도 크지 않다. 다만 팔의 끝부분이기 때문에 무게를 최소화하기 위해 90W급의 powermax motor와 일반 기어헤드를 조합하여 사용하였다.
두 팔의 길이도 바닥에서의 작업을 수행 할 수 있도록 길게 설계되었다. 두 팔 로봇의 기구학을 분석하고 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 이용하여 직교좌표 공간에서의 위치 제어를 수행하였다. 실험을 통해 기구학을 검증하고 전체 시스템 구현의 동작을 검증하였다.
단, 관절 1,2와 마찬가지로 모터와 기어의 길이가 매니퓰레이터의 폭에 직접적으로 영향을 미치는 구조이다. 따라서 관절 1,2 보다는 작은 50W 급의 flat motor를 선정하였으며 하모닉드라이브를 사용하여 팔의 폭을 최소화시켰다.
시스템의 중심축에 위치하도록 설계된 로봇의 팔은 바닥 작업시에 오히려 그 작업 영역이 제한을 받게 된다. 로봇의 길이에 변화를 주지 않는 조건에서 그림 3과 같이 로봇의 상체를 앞뒤로 슬라이딩할 수 있는 구조를 적용하였다. 몸통을 최대한 앞으로 이동하여 더 넓은 바닥 작업공간을 확보할 수 있으며, 설계된 슬라이딩 구조의 이동거리는 최대 250mm 이다.
표 1은 그림 6의 좌표계 설정에 따른 D-H 변수들이다. 로봇의 바디를 포함하는 좌표계를 추가하여 7개의 좌표축으로 정리하였다.
본 논문은 바닥작업이 가능한 서비스 로봇을 위해 개발된 두 팔 매니퓰레이터의 개발에 관한 연구를 기술하였다. 로봇의 용도, 하중, 길이 등을 고려하여 6자유도의 매니퓰레이터를 설계하였으며, 손목부분이 완성되지 않아 이 부분을 제외한 5자유도 매니퓰레이터를 제작하였다. 실험을 위해 DSP를 이용한 제어 보드를 구성하였으며, 기구학적 해석을 수행하고 이를 이용하여 양팔 매니퓰레이터를 제어하였다.
매니퓰레이터 제어를 위해 선형인 PD 제어기를 설계하고 실험을 수행하였다. 각 관절에서의 제어기의 제어 입력은 다음과 같다.
4m의 원의 경로를 따르도록 하는 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 모든 경로에 대해 정확하게 추종하고 있음을 확인할 수 있으므로 기구학을 검증하였다.
로봇의 용도, 하중, 길이 등을 고려하여 6자유도의 매니퓰레이터를 설계하였으며, 손목부분이 완성되지 않아 이 부분을 제외한 5자유도 매니퓰레이터를 제작하였다. 실험을 위해 DSP를 이용한 제어 보드를 구성하였으며, 기구학적 해석을 수행하고 이를 이용하여 양팔 매니퓰레이터를 제어하였다. 각 관절의 다양한 움직임을 살펴보기 위해 왼팔과 오른팔이 서로 다른 경로를 추종하도록 실험하여 기구학 및 전체 시스템의 동작을 검증하였다.
두 팔 로봇의 기구학을 분석하고 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 이용하여 직교좌표 공간에서의 위치 제어를 수행하였다. 실험을 통해 기구학을 검증하고 전체 시스템 구현의 동작을 검증하였다.
. 양팔을 포함하고 있는 로봇의 상체 전부를 상하로 이동하도록 하는 구조를 적용하였다. 평소에는 제일 낮은 자세를 유지하여 시스템이 차지하는 공간을 최소화하며, 필요에 따라 높이 조절 기능을 이용하여 높은 곳의 작업도 가능하게 한다.
어깨 축에 3자유도, 팔꿈치 부분에 1자유도, 손목부분에 2자유도로서 총 6자유도를 갖도록 설계하였다. 그림 4는 이와 같은 조건을 고려한 로봇 매니퓰레이터의 최종설계이다.
로봇이 바닥과 같은 낮은 곳의 작업을 하기 위해서는 팔 길이를 길게 하면 되지만 그에 따른 하중이 증가한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 그림 2의 양팔의 어깨부분에 높이 조절 기능을 추가하여 높은 곳에서 낮은 곳까지 작업이 가능하도록 설계하였다. 어깨 이동 가능 범위는 170mm이다.

대상 데이터

관절 1과 관절 2는 팔 전체의 무게를 감당해야 하므로 효율이 좋고 짧은 길이가 특징인 90W급의 flat motor를 선정하였으며, 일반기어에 대신 하모닉드라이브를 사용하였다. 이러한 구조는 높은 토크를 위한 큰 기어비를 구현하면서도 팔의 폭을 최소화시킬 수 있으며 backlash가 거의 없다는 장점을 갖는다.
관절 3는 모터의 회전축과 팔의 무게 중심 축과의 거리차가 크지 않아 큰 토크를 필요로 하지 않고 길이에 대한 제약도 크지 않아 50W급의 flat motor와 일반 기어를 조합하여 사용하였다.
매니퓰레이터의 실질적 제어는 DSP와 motor driver 사이의 CAN 통신에 의해서 이루어진다. 본 시스템에서는 DSP28335 모델을 사용하였으며, CAN 통신을 위해 SN65HVD235D라는 최대 1Mbps의 송수신을 지원하는 3.3V CAN 트랜시버를 사용하였다.

성능/효과

그림 22는 주어진 경로로 이동하는 동안 X,Y,Z 축으로의 원하는 경로에 대한 제어 결과를 나타낸 것이다. X,Y,Z축 모두에서 2mm 이내의 오차 범위를 보이며 원활하게 원하는 경로를 추종하였음을 확인하였다.
오른팔도 연속적인 오차 결과를 살펴보면 X,Y,Z축 모두에서 2mm 이내의 오차 범위를 보이며 원활하게 원하는 경로를 추종하였음을 확인할 수 있다.

후속연구

이는 다양한 자세에서 바닥 작업뿐만 아니라 식탁에서의 작업 수행이 가능한 매니퓰레이터의 설계가 필요하며, 이를 제어하는 방법에 대한 연구도 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가정에서의 서비스는 무엇이 절대적으로 요구되는가?	가정에서의 서비스는 매니퓰레이션 기능이 절대적으로 요구되며, 그 적용 범위가 매우 넓다. 대부분의 가정용 서비스 로봇의 경우에는 식탁이나 싱크대 등과 같이 일정한 높이에서의 작업을 고려하고 있다[5].
	매니퓰레이터는 무엇으로 이루어져 있는가?	매니퓰레이터는 각각 6개의 회전 관절을 갖는 양팔로 이루어져있다. 각 팔은 어깨 축에 3자유도, 팔꿈치 부분에 1자유도, 손목부분에 2자유도로서 총 6자유도를 갖도록 설계되었다.
	모바일 매니퓰레이터에 대한 대표적인 연구로는 무엇이 있는가?	특히 가사지원을 위한 서비스 로봇의 형태로 모바일 매니퓰레이터에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다[1∼4]. 대표적으로 와세다 대학의 Twendy-one과 같은 가정용 서비스 로봇에 대한 연구들이 발표되고 있다[5]. 또한 좁은 공간에서의 효율적인 움직임을 위해서 두 바퀴로 구동하는 이동로봇에 로봇 팔을 부착한 형태의 로봇들도 연구되고 있다[10∼11].

참고문헌 (13)

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상세보기
D. Xu, D. Zhao, J. Yi, and X. Tan, "Trajectory tracking control of omnidirectional wheeled mobile manipulators: robust neural network-based sliding mode approach", IEEE Trans. on Systems, man, and Cybernetics, Vol. 39, No. 3, pp. 788-799, 2009.

상세보기
H. Iwata, and S. Sugano, "Design of Human Symbiotic Robot TWENDY-ONE", IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 580-586, 2009.
J. J. Craig, Introduction to Robotics, Mechanics and Control, 3rd Ed., Prentice Hall, 2005.
송덕희, 노진석, 정슬, "다관절 휴머노이드 상체 로봇의 제어를 위한 신경망 보상 퍼지 제어기 구현 및 실험", 제어.자동화.시스템학회 논문지, 제13권 제7호, pp. 998-1004, 2008.

원문보기 상세보기
김형욱, 황병훈, 박진서, 서일홍, 이병주, "두 팔 로봇의 조립 작업을 위한 지능적 조립 계획 시스템", 전자공학 학술발표논문지, pp.76-79, 1997.
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H. J. Lee, and S. Jung, "Control of a Mobile Inverted Pendulum Robot System", International Conference on Control, Automation and Systems, pp. 217-222, 2008.
안재국, 정슬, "높이 조절 및 하체 분리형 실내용 서비스 이동 로봇의 제작 및 제어, 전자공학회, 48권 SC편 1호, pp. 39-46, 2011.

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S. J. Lee and S. Jung, "Novel design and control home service mobile robot for Korean floor-living life style : KOBOKER", URAI, pp. 863-867, 2011.
Y. G. Bae and S.Jung, "Kinematic design and workspace analysis of a Korean service robot: KOBOKER", ICCAS, pp. 833-836, 2011.

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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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