[논문]손과 팔의 협업에 의한 로봇 펙인홀 작업

박현준; 김기현; 박재흥; 장가람; 신용득; 배지훈; 박재한; 백문홍

doi:10.7746/jkros.2015.10.1.042

손과 팔의 협업에 의한 로봇 펙인홀 작업
Robotic Peg-in-Hole Assembly by Hand Arm Coordination 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.10 no.1, 2015년, pp.42 - 51

박현준 (Korea institute of Industrial Technology) , 김기현 (Korea institute of Industrial Technology) , 박재흥 (Department of transdisciplinary studies, Seoul National University) , 장가람 (Korea institute of Industrial Technology) , 신용득 (Korea institute of Industrial Technology) , 배지훈 (Korea institute of Industrial Technology) , 박재한 (Korea institute of Industrial Technology) , 백문홍 (Korea institute of Industrial Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

Peg-in-hole assembly is the most representative task for a robot to perform under contact conditions. Various strategies for accomplishing the peg-in-hole task with a robot exist, but the existing strategies are not sufficiently practical to be used for various assembly tasks in a human environment because they require additional sensors or exclusive tools. In this paper, the peg-in-hole assembly experiment is performed with anthropomorphic hand arm robot without extra sensors or devices using "intuitive peg-in-hole strategy". From this work, the probability of applying the peg-in-hole strategy to a common assembly task is verified.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이를 위해 로봇 핸드의 물체 파지 알고리즘과 물체를 파지한 상태에서 물체를 조작하는 알고리즘, 그리고 로봇 암의 힘과 위치를 동시에 제어하는 하이브리드형 힘/위치 제어 알고리즘을 제안한다. 또한 로봇 핸드 암의 펙인홀 작업에서 핸드와 암에 의한 협업의 중요성에 대해 설명하고 역할 분담에 대해 논의한다.

가설 설정

그림 1에 전략의 개요를 나타내었다. 임의의 위치에 홀을 두고 펙을 삽입하는 상황이라고 가정하자. (a)에 나타낸 바와 같이 펙을 홀 방향으로 조립힘(assembly force)을 생성시키면 펙과 홀은 충돌하게 되어 펙은 진행을 멈추게 된다.
홀을 임의의 위치에 고정한 뒤, 홀의 위치와 방향에 대해 각각 키넥트 인식 오차 값인 ±1cm, ±20° 를 포함하는 정보를 이미 알고 있다고 가정하였다.

제안 방법

하나는 손목에 RCC장치를 부착하는 것으로 이는 손목에 스프링을 연결하는 원리이다^[8]. 두 번째 방법은 힘제어를 이용하는 것으로 로봇을 힘제어 기반 제어기를 이용함으로써, 외부환경과의 접촉에 대해 순응 가능하도록 만드는 것이다.
따라서 “직관적 펙인홀 삽입 전략” 3요소 중에서, 공간상에서 힘을 생성하는 “조립힘 생성”과 물체를 원하는 위치로 이동시켜야 하는 “나선형 모션”은 로봇암 제어기를 통해 구현하고, 물체를 파지하고 회전시키는 “스크류 모션”은 로봇핸드 제어기를 통해 구현하였다.
따라서 본 논문에서는 “직관적 펙인홀 삽입전략”을 이용하되 펙을 로봇에 고정 하지 않고, 인간형 로봇 핸드를 이용하여 펙을 잡아서 홀에 삽입하는 작업을 시도한다.
로봇 핸드 암 시스템이 “직관적 펙인홀 삽입전략”을 통해 펙인홀 작업을 수행하기 위해서, 로봇 핸드 암 시스템을 분석하고 제어기를 설계하였다.
로봇암이 TCP(Tool Center Point)에서 임의의 방향에 조립힘을 생성하고, 작업공간상에서 위치 및 방향 제어를 할 수 있도록 제어기를 다음과 같이 설계하였다.
로봇핸드 암 시스템을 이용하여 펙인홀 실험을 성공적으로 수행함으로써, 시스템 제어기에 대한 검증을 하였다. 또한 기존에 제시했던 “직관적 펙인홀 삽입전략”의 일반적 조립작업에 대한 적용가능성을 검증할 수 있었다.
본 논문에서는 인간형 로봇핸드와 로봇암의 통합시스템을 이용하여 조립작업의 예시로 여겨지는 펙인홀 작업을 수행하였다. 일반적인 펙인홀 작업을 위한 전략들은 오랫동안 연구되어 왔지만, 전용 그리퍼를 사용하거나 힘/토크 센서나 RCC 장치를 사용함으로써 결론적으로 펙인홀 전략을 인간환경에서 다양한 조립작업에 확장하기에는 한계가 뚜렷했다.
2mm이다. 사용한 펙의 무게는 80g으로, 실험은 로봇핸드가 펙을 파지한 상태에서 홀 에 삽입하는 과정으로 진행하였다.
설계한 로봇 핸드 암 시스템 제어기를 바탕으로 펙인홀 실험을 진행하였다.
따라서 본 논문에서는 “직관적 펙인홀 삽입전략”을 이용하되 펙을 로봇에 고정 하지 않고, 인간형 로봇 핸드를 이용하여 펙을 잡아서 홀에 삽입하는 작업을 시도한다. 이를 위해 로봇 핸드의 물체 파지 알고리즘과 물체를 파지한 상태에서 물체를 조작하는 알고리즘, 그리고 로봇 암의 힘과 위치를 동시에 제어하는 하이브리드형 힘/위치 제어 알고리즘을 제안한다. 또한 로봇 핸드 암의 펙인홀 작업에서 핸드와 암에 의한 협업의 중요성에 대해 설명하고 역할 분담에 대해 논의한다.
에 의해 파지 안정성이 무너질 수 있다. 이를 위해 재파지 전략을 사용하였다. 재파지 제어입력 τ_mi 는 다음과 같이 정의된다.
#는 작업공간에서의 위치와 방향에 관련된 힘과 모멘트, G 는 중력보상을 위한 항이다. 특히, 힘제어와 위치제어를 동시에 하기 위하여 위치와 관련된 항 f 를 힘성분 F 와 위치성분k_ye_y , k_ze_z 으로 분해하였다. F 는 조립을 위한 삽입 힘이고, k_ye_y 와 k_ze_z 는 펙을 작업공간상에서 원하는 위치에 제어하기 위한 항이다.

대상 데이터

. 본 논문에서는 연구실에서 개발한 휴머노이드 상체 시스템의 오른팔을 실험에 사용하였다(그림 2)^[13]. 로봇 핸드 암 시스템의 운동방정식은 다음같이 나타낼 수 있다^[14-17].

성능/효과

각 손가락의 작업공간(workspace) 제한, 물체와 손가락 간의 슬립현상, 물체 무게에 의한 영향 등으로, 물체 조작 알고리즘의 정확성이 낮지만, 실험을 통해 알고리즘의 유효성이 확인되었다.
또한 기존에 제시했던 “직관적 펙인홀 삽입전략”의 일반적 조립작업에 대한 적용가능성을 검증할 수 있었다.
(a)와 (b)는 물체를 각각 회전 및 이동 조작하면서 각 손가락 끝의 좌표를 그래프를 통해 나타낸 것으로, 검지, 중지, 엄지의 위치를 각각 원, 사각형, 삼각형으로 나타내었다. 세 개의 점으로 형성된 파란색 삼각형의 변화를 통해 물체가 회전 및 이동 하고 있는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 인간형 로봇핸드와 로봇암의 통합시스템을 이용하여 조립작업의 예시로 여겨지는 펙인홀 작업을 수행하였다. 일반적인 펙인홀 작업을 위한 전략들은 오랫동안 연구되어 왔지만, 전용 그리퍼를 사용하거나 힘/토크 센서나 RCC 장치를 사용함으로써 결론적으로 펙인홀 전략을 인간환경에서 다양한 조립작업에 확장하기에는 한계가 뚜렷했다. 하지만 본 연구실에서 제안했던 외부장치를 사용하지 않는 “직관적 펙인홀 삽입전략”을 3차원 공간으로 확장시키고 인간형 로봇핸드 암 시스템을 이용하여 펙인홀 작업을 수행함으로써 로봇 핸드 암 시스템 제어기의 성능과 함께 전략의 확장성을 증명하였다.
일반적인 펙인홀 작업을 위한 전략들은 오랫동안 연구되어 왔지만, 전용 그리퍼를 사용하거나 힘/토크 센서나 RCC 장치를 사용함으로써 결론적으로 펙인홀 전략을 인간환경에서 다양한 조립작업에 확장하기에는 한계가 뚜렷했다. 하지만 본 연구실에서 제안했던 외부장치를 사용하지 않는 “직관적 펙인홀 삽입전략”을 3차원 공간으로 확장시키고 인간형 로봇핸드 암 시스템을 이용하여 펙인홀 작업을 수행함으로써 로봇 핸드 암 시스템 제어기의 성능과 함께 전략의 확장성을 증명하였다. 향후에는 조립 대상에 제한을 두지 않고 실생활에서 이루어지는 다양한 물체간의 조립작업을 인간형 로봇핸드를 부착한 휴머노이드 상체로봇 시스템의 양팔을 이용하여 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

하지만 본 연구실에서 제안했던 외부장치를 사용하지 않는 “직관적 펙인홀 삽입전략”을 3차원 공간으로 확장시키고 인간형 로봇핸드 암 시스템을 이용하여 펙인홀 작업을 수행함으로써 로봇 핸드 암 시스템 제어기의 성능과 함께 전략의 확장성을 증명하였다. 향후에는 조립 대상에 제한을 두지 않고 실생활에서 이루어지는 다양한 물체간의 조립작업을 인간형 로봇핸드를 부착한 휴머노이드 상체로봇 시스템의 양팔을 이용하여 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로봇은 펙인홀 작업 시 홀의 위치와 방향 정보를 어떻게 얻는가?	로봇이 펙인홀 작업을 수행하려면, 기본적으로 조립대상인 홀의 위치와 방향에 대한 정보가 필요하다. 이는 일반적으로 비전정보를 이용하여 파악 하는데, 비전센서의 분해능은 조립 정밀도보다 낮은 경우가 대부분이다. 이러한 조립 정밀도를 극복하기 위한 방법으로 크게 두 가지가 이용되는데, 힘/토크 센서를 이용하여 접촉상태를 추정함으로써 홀의 위치를 추정하는 방법과 컴플라이언스를 이용하여 펙을 홀에 순응시켜 삽입하는 방법이다.
	로봇의 물체 인식 오차를 극복하기 위한 해결방법은 무엇이 있는가?	이와 같은 인식 오차를 극복하기 위한 해결방법으로 조립물체간의 접촉상태를 제어하거나 로봇의 컴플라이언스를 이용하는 힘 제어 관점에서의 방법이 제안되었다[2,3]. 첫 번째 방법은 힘/토크 센서를 이용하여 접촉 힘을 측정하고 제어하며, 두 번째 방법은 RCC(Remote Center Compliance) 개념을 이용하는 기구적인 장치를 통해 구현된다.
	펙인홀 작업에서 어떤 제약이 있는가?	일반적으로 펙인홀 작업은 CAD 정보에 기반하여 로봇을 정밀 제어함으로써 충분히 수행 가능하다고 여겨지고 있지만 다음과 같은 제약이 있다. 조립대상 물체인 홀이 배치된 환경 정보를 완벽히 알고 있다고 가정하더라도 어느 정도의 위치 오차는 존재 할 수밖에 없게 된다. 센서를 이용한 인식과정을 거쳐 위치정보를 취득하더라도 센서의 정밀도와 인식정보를 처리하는 과정에서의 분해능에 의한 데이터 손실은 필연적이다. 이러한 물체 인식 결과보다 물체의 조립공차가 작을 경우, 정밀 제어를 통한 펙인홀 작업의 성공률은 낮아진다.

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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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