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문제 정의
- 본 논문에서는 가볍고 큰 구동력을 낼 수 있는 공압인공근육을 기본 백본 및 구동장치로 사용하는 내부형 연속체로봇의 설계개념을 제시하였다. 병렬로 구동하는 4 개의 공압인공근육을 기본모듈로 하여 이를 적층한 구조를 가진 내부형 연속체로봇에 개루프방식의 계단형 구동명령을 각 공압인공근육에 가하여 연속체로봇 말단장치에서의 수직운동특성과 좌· 우 굽힘운동특성을 실험을 통해서 분석하였다.
- 본 논문에서는 제어의 어려움 때문에 국내· 외적으로 연구가 미비한 내부형 연속체 로봇의 개발에 대한 연구내용을 제시하고 있다.
제안 방법
- 영상처리는 LabVIEW 에서 제공하는 영상처리소프트웨어를 이용하였으며 12 쌍의 마커사이의 거리와 각도를 각각 추정한 결과는 Table 2 와 같다. 각 마커쌍에 대해서 3 번씩 실험을 수행하였으며 실제 거리와 각도는 방안지의 눈금을 이용하여 측정하였다. 마커 사이의 길이는 25mm 에서 111mm 사이에 분포하고 각도는 0º 에서 90º 사이에 분포한다.
- 또한 내부형 연속체 로봇은 유연소재의 변형모델을 수식화하기 어렵기 때문에, 로봇 말단 장치의 움직임을 측정하기 위해서 외부에 위치한 카메라의 영상을 이용한 비젼 처리기법과 로봇에 직접 부착한 3 축 가속도센서와 3 축 자이로스코프(gyroscope)를 기반으로 하는 칼만필터(Kalman Filter) 방법을 제안한다. 그리고 제안된 추정기법을 개발된 내부형 연속체로봇에 적용하고 실제 실험을 통해서 각각의 추정방법에 대한 성능을 분석하였다.
- 로봇말단의 자세측정은 영상처리를 이용하여 각도를 측정하려 했으나 로봇의 좌· 우 동적 움직임에 따라서 촛점거리의 미세한 변화가 나타나고 이러한 변화에 각도측정 결과가 민감하게 변하여 안정하게 측정을 수행할 수 없었다. 따라서 로봇 말단장치의 자세측정은 3 절에서 제안한 칼만필터를 이용하여 추정하였으며 자세추정의 정밀도는 관성센서를 기반으로 하는 Xsens 사 모션트랙커(motion tracker) 센서제품(Mti-30 AHRS) 으로 검증하였다.
- 특히 질량 대비 출력이 전기모터에 비해 우수하고 안전한 에너지원인 공기를 사용하는 공압인공근육(Pneumatic Artificial Muscle)(6)을 로봇의 구동부 및 로봇구조를 지지하는 백본으로 사용하여 가변강성과 유연한 로봇움직임을 구현하였다. 또한 내부형 연속체 로봇은 유연소재의 변형모델을 수식화하기 어렵기 때문에, 로봇 말단 장치의 움직임을 측정하기 위해서 외부에 위치한 카메라의 영상을 이용한 비젼 처리기법과 로봇에 직접 부착한 3 축 가속도센서와 3 축 자이로스코프(gyroscope)를 기반으로 하는 칼만필터(Kalman Filter) 방법을 제안한다. 그리고 제안된 추정기법을 개발된 내부형 연속체로봇에 적용하고 실제 실험을 통해서 각각의 추정방법에 대한 성능을 분석하였다.
- 병렬로 구동하는 4 개의 공압인공근육을 기본모듈로 하여 이를 적층한 구조를 가진 내부형 연속체로봇에 개루프방식의 계단형 구동명령을 각 공압인공근육에 가하여 연속체로봇 말단장치에서의 수직운동특성과 좌· 우 굽힘운동특성을 실험을 통해서 분석하였다. 또한 내부형 연속체로봇은 강체기구식으로 말단장치의 자세를 추정할 수 없기 때문에, 웹캠을 이용한 영상처리기법 그리고 3 축 가속도계와 3 축 자이로스코프를 이용한 칼만필터 추정방법을 제안하였다. 개발된 내부형 연속체로봇에 제안한 칼만 필터를 적용하여 실험을 수행하였을 때 로봇 말단장치에서의 높은 감· 가속 운동시에도 정확한 자세추정성능을 보여주었다.
- 병렬로 구동하는 4 개의 공압인공근육을 기본모듈로 하여 이를 적층한 구조를 가진 내부형 연속체로봇에 개루프방식의 계단형 구동명령을 각 공압인공근육에 가하여 연속체로봇 말단장치에서의 수직운동특성과 좌· 우 굽힘운동특성을 실험을 통해서 분석하였다.
- 본 논문에서는 연속체로봇의 고속제어를 위해서 시스템 상태변수의 갯수를 최소로 하여 계산량을 줄일 수 있는 칼만필터를 다음과 같이 유도하였다. 먼저 로봇 말단장치의 회전각에 대한 운동방정식은 다음과 같이 쿼터니온을 이용하여 유도된다.
- 연속체 로봇의 가장 큰 장점인 굽힘운동특성을 살펴보기 위해서 공압인공근육 각각에 다른 공압을 가하는 실험을 수행하였다. 먼저 수직으로 설치된 2 단의 연속체 로봇의 중심축을 기준으로 오른쪽에 위치한 근육은 0.
- 연속체로봇의 구동부로 사용되는 공압근육은 가해진 공압에 비례하여 근육이 수축된다. 연속체 로봇의 피드벡 제어를 수행하기 앞서 먼저 개루프 형태로 모든 공압서보밸브에 동일하게 0V(게이지 압력 0 bar)부터 10V(게이지 압력이 6 bar)까지 1V의 간격으로 증가하고 감소하도록 명령신호를 가한다. 이 경우 서보밸브에 연결된 공압근육에 동일한 형태로 0 bar 에서 6 bar 까지 공압이 계단방식으로 증가하고 수축하기 때문에 로봇 말단장치도 이에 맞추어 수직으로 움직인다.
- 웹캠을 이용하여 연속체로봇 말단장치의 위치를 추정하기 위해 먼저 Fig. 3 과 같이 12 쌍으로 구성된 마커(marker)를 부착한 방한지를 정적인 상태에서 초점거리에 놓고 영상처리를 수행하였다. 영상처리는 LabVIEW 에서 제공하는 영상처리소프트웨어를 이용하였으며 12 쌍의 마커사이의 거리와 각도를 각각 추정한 결과는 Table 2 와 같다.
- 이 경우 서보밸브에 연결된 공압근육에 동일한 형태로 0 bar 에서 6 bar 까지 공압이 계단방식으로 증가하고 수축하기 때문에 로봇 말단장치도 이에 맞추어 수직으로 움직인다. 이를 말단장치에 부착한 마커의 위치를 웹캡을 이용하여 24fps 의 속도로 영상처리하여 로봇 말단장치의 수직변위를 계산하였다.
- 칼만필터 적용 시 10ms 샘플링 시간간격으로 추정변수의 개선이 이루어지며 가속도계와 자이로스코프의 편이(bias)값은 시간에 따라 일정하다는 가정하에 초기 정적인 상태에서의 평균값으로 편이 값을 구하여 보상하였다. 또한 칼만필터의 개선에 사용되는 운동모델의 외란 분산값, Q 은 정적상태에서의 자이로스코프 오차분산값 0.
대상 데이터
- (7) 공압인공근육의 수축에 대한 운동특성은 근육소재의 재료특성에 의해 결정되어 정확한 모델링이 어렵다. 개발된 연속체로봇에는 Festo 사에서 판매하는 Fluidic Muscle (DMSP-10-100N)을 사용하였으며 기본적으로 Mckibben 공압 근육의 운동특성을(8) 가진다. 연속체로봇의 치수는 공압라인구축과 실험 및 부품변경의 용이성을 고려하여 Table1 과 같이 설계하였다.
이론/모형
- 그리고 두 관성센서의 장· 단점을 융합하여 최적의 자세를 추정하기 위해 칼만필터(Kalman Filter)를 이용하였다.
- 3 과 같이 12 쌍으로 구성된 마커(marker)를 부착한 방한지를 정적인 상태에서 초점거리에 놓고 영상처리를 수행하였다. 영상처리는 LabVIEW 에서 제공하는 영상처리소프트웨어를 이용하였으며 12 쌍의 마커사이의 거리와 각도를 각각 추정한 결과는 Table 2 와 같다. 각 마커쌍에 대해서 3 번씩 실험을 수행하였으며 실제 거리와 각도는 방안지의 눈금을 이용하여 측정하였다.
- 외부의 센서장치로부터 측정신호를 입력받아 공압서보밸브에 계산된 제어신호를 안정적으로 출력하는 주제어장치로 NI 사의 cRIOTM를 사용하였다. cRIOTM는 외부기기와의 입출력을 담당하는 FPGA (field programmable gate array)와 제어명령을 계산하는 RT(real-time) 제어기가 하드웨어적으로 구분되어 고속의 정주기를 보장하며 LabVIEW 환경에서 소프트웨어 구현이 용이하다.
성능/효과
- 5 와 같다. 6 초 사이에 20 단계의 증가와 감소를 수행하는 느린 준정적(quasi-static)과정에서 히스테리시스(hysteresis) 특성은 거의 나타나지 않았으나, 0 에서 18% 까지 수축률을 보이는 전체구간에서 비선형적인 특성을 보인다. 따라서 로봇 구동부 운동모델의 선형화를 통해서 선형제어를 적용하려면 공압인공근육 상극구동의 평형점을 3 bar 로 하여 각 공압근육의 제어를 제한된 압력범위에서 수행하여야 한다.
- 또한 내부형 연속체로봇은 강체기구식으로 말단장치의 자세를 추정할 수 없기 때문에, 웹캠을 이용한 영상처리기법 그리고 3 축 가속도계와 3 축 자이로스코프를 이용한 칼만필터 추정방법을 제안하였다. 개발된 내부형 연속체로봇에 제안한 칼만 필터를 적용하여 실험을 수행하였을 때 로봇 말단장치에서의 높은 감· 가속 운동시에도 정확한 자세추정성능을 보여주었다. 추후 본 논문에서 제시한 특성실험결과를 바탕으로 가변강성에 대한 모델링과 제어실험을 수행할 예정이다.
- 결론적으로 Table 3 에 정리한 바와 같이 상승과 하강의 전체구간에 대해 왼쪽방향으로 굽힘실험에 있어서 제안한 칼만필터 추정궤적과 모션트랙커 추정궤적 사이의 rms(root mean square) 차이는 0.2 º , 최대차이는 0.9 º, 그리고 오른쪽방향으로의 굽힘실험에 있어서 rms 차이는 0.2 º , 최대차이는 0.8 º 로서 모션트랙커센서의 정밀도 (정적 0.2 º /동적 0.5 º )를 고려할 때 제안된 칼만 필터가 연속체 로봇 말단부의 자세를 정확하게 추정하고 있음을 알 수 있다.
- 길이 측정의 경우 0.7mm 의 평균오차와 0.6 mm 의 표준편차를 보였으며 각도측정의 경우 0.3 º의 평균오차와 0.4 º의 표준편차를 보여 정적인 상태에서 영상처리를 이용한 위치와 각도측정은 매우 우수한 성능을 보였다.
- 본 논문에서는 제어의 어려움 때문에 국내· 외적으로 연구가 미비한 내부형 연속체 로봇의 개발에 대한 연구내용을 제시하고 있다. 특히 질량 대비 출력이 전기모터에 비해 우수하고 안전한 에너지원인 공기를 사용하는 공압인공근육(Pneumatic Artificial Muscle)(6)을 로봇의 구동부 및 로봇구조를 지지하는 백본으로 사용하여 가변강성과 유연한 로봇움직임을 구현하였다. 또한 내부형 연속체 로봇은 유연소재의 변형모델을 수식화하기 어렵기 때문에, 로봇 말단 장치의 움직임을 측정하기 위해서 외부에 위치한 카메라의 영상을 이용한 비젼 처리기법과 로봇에 직접 부착한 3 축 가속도센서와 3 축 자이로스코프(gyroscope)를 기반으로 하는 칼만필터(Kalman Filter) 방법을 제안한다.
후속연구
- 개발된 내부형 연속체로봇에 제안한 칼만 필터를 적용하여 실험을 수행하였을 때 로봇 말단장치에서의 높은 감· 가속 운동시에도 정확한 자세추정성능을 보여주었다. 추후 본 논문에서 제시한 특성실험결과를 바탕으로 가변강성에 대한 모델링과 제어실험을 수행할 예정이다.
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