[논문]양팔 로봇을 이용한 조립 작업에서 수명을 고려한 최적 운동 계획법

황면중

doi:10.5302/j.icros.2015.15.0085

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this research is to verify the quantitative efficiency of a bimanual robotic task. Bimanual robots can realize dexterous and complicated motions using two cooperating arms. However, its motion planning and control method are not simple for implementing flexible tasks such as assembl...

The objective of this research is to verify the quantitative efficiency of a bimanual robotic task. Bimanual robots can realize dexterous and complicated motions using two cooperating arms. However, its motion planning and control method are not simple for implementing flexible tasks such as assembly. In this paper, the proposed motion planning method is used to find an optimal solution satisfying a designed cost function and constraints with regard to the kinematics and redundancy of the bimanual robot. The simulation results show that the lifetime of the manipulator can be changed by the proposed cost function consisting of angular velocity and angular acceleration of each joint in the same assembly task.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

수명에 영향을 주는각 관절의 부하 토크는 각 링크의 관성모멘트와 관절 부위의 기계적 마찰 등이 포함되기 때문에 정확한 예측이 어렵다. 따라서 토크와 직접적인 관계를 가지는 각가속도를 가치 함수 설계에 포함하여 본 논문에서는 식 ⑶과 같이 각 관절의 각속도와 각가속도의 조합으로 이루어진 가치 함수를 제안한다. 가중치 a 는。과 1사이의 값으로 이 값의 변화에 따라 최대 각속도와 최대 각가속도의 상대 비율을 달리하도록하는 가치 함수 CL 를 제안한다.
본 논문에서는 동일한 조립 작업을 수행함에 있어 제안된가치 함수를 포함한 운동 계획법에 따라 각 관절 요소품의 수명이 정량적으로 변화할 수 있음을 보이고 최적의 가치 함수 설계 방법을 제안하고자 한다.

가설 설정

시뮬레이션에서는 해당 로봇이 평면운동을 하기 때문에 6개의 변수로 이루어진 (4) 의 식을 (12) 와 같이 3개의 변수로 단순화하여 적용한다. 가치 함수에 따른 수명 변화 경향만을 비교하기 위해 각 관절의 감속비는 1 로 하고 볼베어링을 사용한다고 가정한다.

제안 방법

나타나 있다. a 값이 1인 G 을 적용한 결과를 포함하여 정리한 후 세 가지 경우의 최소 수명 값을 비교하였다. 회색으로 표시한 그 결과값들을 비교하여 보면 수명 변화를 고려하여 설계된 가치 함수 G 을 적용한 경우의 결과 값이 수명을 고려하지 않은 G 과 C₂ 적용 대비 가장 수명이 긴 것을알 수 있다.
따라서 토크와 직접적인 관계를 가지는 각가속도를 가치 함수 설계에 포함하여 본 논문에서는 식 ⑶과 같이 각 관절의 각속도와 각가속도의 조합으로 이루어진 가치 함수를 제안한다. 가중치 a 는。과 1사이의 값으로 이 값의 변화에 따라 최대 각속도와 최대 각가속도의 상대 비율을 달리하도록하는 가치 함수 CL 를 제안한다.
III 장에서는 수명을 최적화 할 수 있는 가치 함수를 포함한 양팔 로봇의 최적 운동계획법에 대해 설명한다. 제안된 방법은 IV 장에서의 시뮬레이션을 통해 수명 변화에 대한 영향성 등을 검증한다. V 장에는 본 논문의 결론과 추후 필요한 연구에 대해 기술한다.

이론/모형

수명을 고려하여 설계된 q을 적용한 결과와 수명을 고려하지 않은 가치 함수들을 적용했을 경우의 결과와 비교하기 위해 기존 연구[15]에서 제안된 작업 영역(Task-level) 에서 접촉면 사이의 제한 조건을 고르게 만족하는 것을 최적 운동이라고 가정한 대표적인 가치 함수인 (14)과 관절 영역(Joint- level) 에서 각 관절의 고른 운동 분배를 위한 대표적인 가치함수 (15)를 적용하여 시뮬레이션 하였다.
이때 앞서 제시한 양팔 로봇의 기구학과상대 운동의 크기를 고려한 구속조건들을 포함한다. 조립 작업을 수행하기 위하여 [15]에서 제안한 각 접촉면 사이의 거리 변화율에 대한 제한 수식(Constraint equation)을 이용하여 원하는 접촉 상태와 원하지 않는 접촉 상태에 대한 수식을 포함한다. 이 문제는 비선형 최적화 문제로써 해 Xt 는 sequential quadratic programming (SQP) 방법을 이용하여 구한다 [16], 식 (11)의 해인 * 는 양 팔 로봇에 부착된 부품의 속도벡터를 의미하는 것으로 이 값은 그림 1과 같은 양팔 로봇제어구조를 통해 좌표 변환과 접촉 힘 제어를 거쳐 sampling time At 시간 이후의 각 로봇의 위치 명령으로 변환된다.

성능/효과

a 값에 따른 양팔 로봇의 최적수명을 찾기 위해서 표 2에서는 각 관절의 수명 중 최소값을 회색으로 마킹하였다. 그 결과 a 가 0.1 에서 1.0의 값을 갖는 경우에는 로봇 1의 첫 번째 관절이 최소 수명을 가지게 되고 a 가 0인 경우에는 약간의 차이는 있으나 로봇 2의 두 번째관절이 최소 수명을 갖게 되는 것을 확인할 수 있었다. 회색으로 표시된 최소 수명 값들을 비교해보면 로봇의 최적의 수명을 위해서는 a 값을 크게 하는 것이 효율적임을 알 수 있다.
본 논문에서는 로봇 각 관절의 각속도와 각가속도의 조합으로 이루어진 가치 함수를 포함한 운동계획법을 제안하여 동일한 작업에 대해서도 양팔 로봇의 수명이 정량적으로 변화할 수 있고 최적화 시킬 수 있음을 보였다. 로봇의 구동부의 수명은 고속 구동 시 큰 하중을 받게 되는 경우 크게 감소하게 되므로 각 관절의 각속도와 각가속도를 최소화 하는 운동 명령을 찾게 됨으로써 수명을 최적화 시킬 수 있다.
회색으로 표시된 최소 수명 값들을 비교해보면 로봇의 최적의 수명을 위해서는 a 값을 크게 하는 것이 효율적임을 알 수 있다. 시뮬레이션 결과 a 가 클수록 관절의 각속도는 감소하고 토크는 약간 증가하게 되므로 이를 조합한 전체 계산 수명이 증가되는 것을 알 수 있다. 이는 조립 작업 시 각가속도 변화에 의한 토크 변화가 각속도의 변화량 대비 상대적으로 크지 않기 때문에 RMS 토크의 변화값이 작기 때문이다.
로봇의 구동부의 수명은 고속 구동 시 큰 하중을 받게 되는 경우 크게 감소하게 되므로 각 관절의 각속도와 각가속도를 최소화 하는 운동 명령을 찾게 됨으로써 수명을 최적화 시킬 수 있다. 조립 작업 시뮬레이션을 통해 수명을 고려하지 않고 설계된 가치 함수 들을 적용한 결과와 비교하였을 경우 대비 수명이 증가할 수 있음을 입증하였다.

후속연구

이를 통해 본 논문에서 언급된 수명 최적화 대비 작업 시간의 증가 문제에 대한 검증이 필요하고 이를 보완하기 위한 추가적인 연구가 필요하다. 또한 시뮬레이션 상으로 수명이 최적화 되는 결과를 보인 것에 추가하여 최적화 문제의 해를 구하는 과정에서의 해의 특성에 대한 이론적인 추가 분석과 중력에 의한 토크 변화 등을 고려한 가치 함수 설계에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
실제 로봇 시스템을 활용한 실험이 필요하다. 이를 통해 본 논문에서 언급된 수명 최적화 대비 작업 시간의 증가 문제에 대한 검증이 필요하고 이를 보완하기 위한 추가적인 연구가 필요하다. 또한 시뮬레이션 상으로 수명이 최적화 되는 결과를 보인 것에 추가하여 최적화 문제의 해를 구하는 과정에서의 해의 특성에 대한 이론적인 추가 분석과 중력에 의한 토크 변화 등을 고려한 가치 함수 설계에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
추후에는 실제 로봇의 구동부 사양을 고려한 수명 변화 분석과 실제 로봇 시스템을 활용한 실험이 필요하다. 이를 통해 본 논문에서 언급된 수명 최적화 대비 작업 시간의 증가 문제에 대한 검증이 필요하고 이를 보완하기 위한 추가적인 연구가 필요하다.
양팔 로봇의 효율성을 측정하기 위한 연구로 Lee [10] 는 Yoshikawa [11]에 의해 제안된 로봇의 조작성(ma如ipulability) 을 양팔 로봇에 적용할 수 있도록 확장하였으며, Boufferd- Vercelli 등 [12]은 힘 조작성 개념을 양팔 로봇에 적용하였다. 하지만 양팔 로봇의 기구학적인 조작성 측면에서만 접근하였기 때문에, 여유자유도를 활용한 운동 계획에 대한 추가연구와 함께 양팔 로봇을 사용함으로써 얻을 수 있는 정량적인 효과 입증에 대한 추가 연구가 필요하다.

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