최근 다차원 운동의 잔류진동억제 제어를 위한 테스트베드로서 로봇 머니퓰레이터의 말단장치에 부착된 구면진자를 자주 활용하고 있다. 하지만 봅의 운동을 온라인에서 실시간으로 추적할 수 있는 자동감지장치가 없어, 봅의 궤적을 디지털데이터로 저장하고 플로팅하는데 불편함이 있었다. 본 논문에서는 디지털 USB 카메라를 이용하여 봅의 운동을 이차원 평면상에서 실시간으로 감지할 수 있는 시스템을 개발하였다. 본 시스템의 개발 목표를 빠른 이미지프로세싱 및 인터페이싱을 위한 하드웨어 구성과 효과적인 C 프로그래밍에 두었다. 개발된 시스템을, 2 자유도 스카라로봇의 말단장치에, 구면진자를 설치한 이차원 구면진자의 잔류진동억제 제어에 적용하여, 그 효용성을 입증하였다.
최근 다차원 운동의 잔류진동억제 제어를 위한 테스트베드로서 로봇 머니퓰레이터의 말단장치에 부착된 구면진자를 자주 활용하고 있다. 하지만 봅의 운동을 온라인에서 실시간으로 추적할 수 있는 자동감지장치가 없어, 봅의 궤적을 디지털데이터로 저장하고 플로팅하는데 불편함이 있었다. 본 논문에서는 디지털 USB 카메라를 이용하여 봅의 운동을 이차원 평면상에서 실시간으로 감지할 수 있는 시스템을 개발하였다. 본 시스템의 개발 목표를 빠른 이미지프로세싱 및 인터페이싱을 위한 하드웨어 구성과 효과적인 C 프로그래밍에 두었다. 개발된 시스템을, 2 자유도 스카라로봇의 말단장치에, 구면진자를 설치한 이차원 구면진자의 잔류진동억제 제어에 적용하여, 그 효용성을 입증하였다.
Recently, a spherical pendulum attached to an end-effector of a robot manipulator has been frequently used for a test bed of residual vibration suppression control in a multi-dimensional motion. However, there was no automatic tracking system to detect the current bob position on-line, and there was...
Recently, a spherical pendulum attached to an end-effector of a robot manipulator has been frequently used for a test bed of residual vibration suppression control in a multi-dimensional motion. However, there was no automatic tracking system to detect the current bob position on-line, and there was inconvenience to not be able to store the bob position in real time and plot the trajectory. In this study, we developed a two-dimensional, real-time bob-detecting system using a digital USB camera, of which the key is hardware component design and software C programming for fast image processing and interfacing. The developed system was applied to residual vibration suppression control of a two-dimensional spherical pendulum that is attached at the end-effector of a two degree-of-freedom SCARA robot, and the effectiveness of the developed system has been demonstrated.
Recently, a spherical pendulum attached to an end-effector of a robot manipulator has been frequently used for a test bed of residual vibration suppression control in a multi-dimensional motion. However, there was no automatic tracking system to detect the current bob position on-line, and there was inconvenience to not be able to store the bob position in real time and plot the trajectory. In this study, we developed a two-dimensional, real-time bob-detecting system using a digital USB camera, of which the key is hardware component design and software C programming for fast image processing and interfacing. The developed system was applied to residual vibration suppression control of a two-dimensional spherical pendulum that is attached at the end-effector of a two degree-of-freedom SCARA robot, and the effectiveness of the developed system has been demonstrated.
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문제 정의
본 논문에서는 저렴한 디지털 USB 카메라를 이용하여 봅의 운동을 이차원 평면상에서 실시간으로 감지할 수 있는 시스템을 개발하였다. 본 시스템의 개발 목표를 빠른 이미지프로세싱 및 인터페이싱을 위한 하드웨어 구성과 효과적인 C 프로그래밍에 두었다.
본 논문은 SCARA로봇에 매달린 구면진자의 잔류진동을 억제하도록 로봇을 제어할 때, 선행되어야 하는 진자의 운동 분석을 위한 봅 좌표추적시스템을 제시하였다.
본 연구의 목적은 시뮬레이션과 실험결과를 같게 하는 것이 아니고, 기존의 잉크를 사용하여 실험결과를 플로팅하는 데서의 불편함을 해결하는데 있음을 상기하라. 참고로 Fig.
이전에는 구면진자의 운동을 추적하는 시스템이 없어서, 동영상을 찍어 분석하거나, 물감을 흘려 궤적을 백지에 표시하는 불편함이 있었다. 이를 해소하기 위하여, 온라인으로 진자의 운동을 이차원에서 자동으로 기록할 수 있는 시스템을 본 연구에서 개발하였다. 개발된 시스템의 유용성을 검증하기 위하여, 2축 SCARA 로봇 말단장치에 구면진자를 설치하고, 바닥면에 USB 카메라를 설치하여, 진자의 LED 불빛을 추적하는 실험을 수행하였다.
가설 설정
여기서 l 은 진자의 길이로서 상수이고, θ 는 편각(polar angle), φ 는 방위각(azimuth angle)이다. 봅의 질량은 m이고, 지지점(support)은 r로서 xy 평면상을 움직이고 있다고 가정한다. 줄은 질량이 없으며, 진자의 모든 질량은 봅에 질점(particle)으로 작용하고 있다고 가정한다.
봅의 질량은 m이고, 지지점(support)은 r로서 xy 평면상을 움직이고 있다고 가정한다. 줄은 질량이 없으며, 진자의 모든 질량은 봅에 질점(particle)으로 작용하고 있다고 가정한다.
제안 방법
이를 해소하기 위하여, 온라인으로 진자의 운동을 이차원에서 자동으로 기록할 수 있는 시스템을 본 연구에서 개발하였다. 개발된 시스템의 유용성을 검증하기 위하여, 2축 SCARA 로봇 말단장치에 구면진자를 설치하고, 바닥면에 USB 카메라를 설치하여, 진자의 LED 불빛을 추적하는 실험을 수행하였다.
구면진자 아래쪽에 LED를 부착하고 바닥에 카메라를 설치하여 실시간 기반의 OpenCV를 이용해 진자의 x, y좌표를 실시간으로 추적하는 방법을 개발하였다. 이 방법을 사용하면 색상정보에 대한 히스토그램 기반 추적 방법의 단점을 보완할 수 있고, 촬영되는 LED의 면적이 비교적 작기 때문에, 진자 전체의 면적에 대해 중심점을 찾는 것에 비해 좀 더 정확한 위치정보를 획득할 수 있는 이점이 있다.
(14,15) Gray Scale 영상에서 각 픽셀의 색상은 0~255 사이의 수로 나타내고, 0에 가까울수록 흑,255에 가까울수록 백을 의미한다. 본 좌표 추출프로그램에서는 LED의 좌표만 추출하기 위해 254 이상의 색상값을 가지는 픽셀들만 추출하도록 결정하였다.
영상처리에 유용한 OpenCV 라이브러리의 함수들을 사용하기 위해 카메라 제조사인 PGR(Point Grey Research)에서 제공하는 FlyCapture2 API를 사용하여 영상을 획득한 후 OpenCV의 IplImage에 복사하여 Visual C++에서 영상을 출력하였다. 영상은 수많은 프레임들로 구성되어 있고, 하나의 프레임은 수많은 픽셀들의 집합이므로, 진자의 좌표를 추출하기 위해 각 프레임에 대하여 특정 밝기 이상인 픽셀들을 추출하는 프로그램을 작성하였다.
0 카메라와 광각렌즈를 선정하였다. 일반 웹캠의 frame rate은 30 fps(frame/s) 정도인 반면 위 카메라는 최대 480 fps까지 촬영이 가능하고, 본 추적시스템에서는 카메라를 바닥에 설치하여 구면진자의 좌표를 추적하기 때문에, 짧은 거리에서 비교적 넓은 영역을 촬영하기 위해 광각렌즈를 사용하였다.
진자의 지지점이 움직이는 경우에 대해 구면진자의 비선형 운동방정식을 유도하고, 빠른 이미지프로세싱 및 인터페이싱을 위한 봅 좌표추적시스템의 하드웨어 구성과 효과적인 C 프로그래밍을 수행하였다. 실험 및 시뮬레이션 결과는 구면진자에 LED를 부착하여 카메라 영상 속 픽셀들의 밝기 정보를 이용해 실시간으로 진자의 운동을 효과적으로 추적할 수 있음을 보였다.
대상 데이터
4는 전체 시스템 구성에 대한 개략도를 보여주고 있다. 개발된 시스템의 하드웨어는 USB 3.0 카메라와 렌즈, LED가 부착된 구면진자, 컴퓨터 등으로 구성되어 있다. 소프트웨어로는 Visual C++과 실시간 이미지 프로세싱에 중점을 둔 오픈 소스 컴퓨터 비전 C 라이브러리인 OpenCV(Open Computer Vision)(14,15)를 사용하였다.
구면진자 지지짐 r의 이차원 평면운동을 생성하기 위하여, 본 연구실에서 개발한 2자유도 스카라 로봇의 말단장치에 구면진자를 설치하였다.
이론/모형
2자유도 스카라로봇의 운동제어는 잘 알려진 계산토크법(computed-torque method)을 사용하였다. (20)본 연구의 계산토크법은 다음과 같은 비례-미분 제어를 포함한 식을 사용하였다.
구면진자시스템에 대한 운동방정식은 뉴튼(Newton) 방법, 라그랑지(Lagrange) 방법, 해밀톤(Hamilton) 방법 등에 의해 구할 수 있으나, 본 연구에서는 라그랑지 방법을 사용하여 구한다. 먼저 Fig.
0 카메라와 렌즈, LED가 부착된 구면진자, 컴퓨터 등으로 구성되어 있다. 소프트웨어로는 Visual C++과 실시간 이미지 프로세싱에 중점을 둔 오픈 소스 컴퓨터 비전 C 라이브러리인 OpenCV(Open Computer Vision)(14,15)를 사용하였다. 카메라를 바닥에 설치하고 구면진자의 아래쪽에 LED를 달아 컴퓨터로 실시간으로 영상을 전송하고, 각 프레임에서의 진자의 좌표를 txt 파일에 저장하는 과정을 반복하여, 시간에 대한 x-y 데이터를 얻었다.
성능/효과
본 시스템의 개발 목표를 빠른 이미지프로세싱 및 인터페이싱을 위한 하드웨어 구성과 효과적인 C 프로그래밍에 두었다. 개발된 시스템을, 2자유도 스카라(SCARA; selectively compliant assembly robot arm) 로봇의 말단장치에 구면진자를 설치한 이차원 구면진자의 잔류진동억제 제어에 적용하여, 실험적으로 그 효용성을 입증하였다.
8(c)에서 기존에 잉크를 떨어뜨려 실험한 결과를 비교 목적으로 첨가한다. 기존 잉크를 떨어뜨려 실험하는 방법에 비해 USB 카메라를 이용하면 시간과 비용을 크게 줄일 뿐 아니라 더 정밀하게 운동궤적을 감지할 수 있음을 확인하였다.
진자의 지지점이 움직이는 경우에 대해 구면진자의 비선형 운동방정식을 유도하고, 빠른 이미지프로세싱 및 인터페이싱을 위한 봅 좌표추적시스템의 하드웨어 구성과 효과적인 C 프로그래밍을 수행하였다. 실험 및 시뮬레이션 결과는 구면진자에 LED를 부착하여 카메라 영상 속 픽셀들의 밝기 정보를 이용해 실시간으로 진자의 운동을 효과적으로 추적할 수 있음을 보였다.
후속연구
그러나 LED 외의 형광등과 같은 외부광원이 영상에 함께 나타날 경우에는 제대로 작동하지 못하므로, 외부광원이 포착되지 않도록 환경을 조성하거나, 외부광원은 좌표 계산에 포함시키지 않는 추가적인 작업이 필요할 것이다. 또한 렌즈로 인한 영상 왜곡을 보정하고 계산 시간을 단축하여 샘플링 시간을 줄인다면 더욱 정밀한 제어가 가능해 질 것이다.
그러나 LED 외의 형광등과 같은 외부광원이 영상에 함께 나타날 경우에는 제대로 작동하지 못할 수 있으므로, 외부광원이 포착되지 않도록 환경을 조성하거나 외부광원은 좌표 계산에 포함시키지 않는 추가적인 작업이 필요하다. 또한 렌즈로 인한 영상 왜곡을 보정하고 계산 시간을 단축하여 샘플링 시간을 줄인다면 더욱 정밀한 추적이 가능해 질 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제어를 통해 잔류진동을 억제하기 위해서 어떤 방법이 제안되었는가?
제어를 통해 잔류진동을 억제하기 위해서 입력 성형(input shaping)(1~7)이나 피드백제어(8) 등과 같은 방법들이 제안되었고, 현재도 연구가 계속되고 있다. 잔류진동 억제를 위한 입력성형제어는 1957년 U.
크레인이나 산업용 로봇의 단점은?
여러 산업현장에서 제품을 빠르게 운반하고, 보다 더 정확하게 제작하기 위해서 크레인이나 산업용 로봇을 이용한다. 하지만 이를 고속으로 이동시킴으로서, 운반되는 물체에는 잔류진동(residual vibration)이 발생하게 되고, 이 진동이 멈출 때까지 작업이 중단되기 때문에 작업효율과 생산성f이떨어지게 된다. 뿐만 아니라 진동에 의해 주위의 사물이나 사람이 물체와 충돌할 가능성도 있기 때문에 잔류진동 억제는 안전상의 이유로도 필요하다.
구면진자시스템에 대한 운동방정식은 어떤 방법으로 구현할 수 있는가?
구면진자시스템에 대한 운동방정식은 뉴튼(Newton) 방법, 라그랑지(Lagrange) 방법, 해밀톤(Hamilton) 방법 등에 의해 구할 수 있으나, 본 연구에서는 라그랑지 방법을 사용하여 구한다. 먼저 Fig.
참고문헌 (22)
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