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문제 정의
- 본 연구에서는 8축 휴머노이드 로봇 아암의 해석적인 운동학적 해석 및 작업경로 해석 알고리즘를 제시하였다. 그리고 8자유도 중에서 여유 자유도 특성을 해결하기 위하여 팔꿈치 θ를 정의하였고, 이를 사용하여 로봇 아암의 말단점의 작업경로와 독립적으로 여유 자유도를 활용할 수 있음을 증명하였다.
제안 방법
- 8축 휴머노이드 로봇 아암의 해석적인 역기구학 해를 구하기 위하여 Lau 및 Wai는 공간좌표상에서 팔꿈치가 향하는 방향에 대한 변수를 추가하는 방법을 제안하였다. 휴머노이드 로봇 아암은 손목 관절 3개의 회전축이 교차하는 손목점(wrist point)을 가지기 때문에 여유 자유도가 팔꿈치의 움직임으로 나타난다.
- 먼저 휴머노이드 로봇 아암의 기구학 모델을 정의한다. 그리고 손목운동 알고리즘을 적용하여 어깨 및 팔꿈치 4축과 손목 3축을 분리한 후, 손목점의 위치와 팔꿈치 방향 변수를 사용하여 어깨 및 팔꿈치 4축에 대한 역기구학을 구한다. 마지막으로, 로봇 아암 말단의 방위 정보를 사용하여 손목 3축에 대한 역기구학 해를 구한다.
- 로봇 아암의 각 관절의 동작 방향을 고려하여 회전축을 설정한 후 DH(Denavit-Hartenberg) 표기법에 맞추어 기구학 파라미터 a, α, d, θ를 결정한다.
- 그리고 손목운동 알고리즘을 적용하여 어깨 및 팔꿈치 4축과 손목 3축을 분리한 후, 손목점의 위치와 팔꿈치 방향 변수를 사용하여 어깨 및 팔꿈치 4축에 대한 역기구학을 구한다. 마지막으로, 로봇 아암 말단의 방위 정보를 사용하여 손목 3축에 대한 역기구학 해를 구한다.[16]
- 5는 직교공간 상에서 싱글러 포인트 점을 통과하는 작업경로를 생성한 모습을 나타낸다. 시뮬레이션을 단순화하기 위하여 xy평면상의 경로를 생성하였으며, 부드러운 곡선을 그리며 특이점을 통과하는 경로를 생성하기 위하여 포물선 경로를 사용하였다. 그리고 그림에서 붉은 선은 로봇 아암의 경계 특이점의 궤적을 나타내며, 포물선 경로와 접하는 점이 로봇 아암이 특이점을 지나는 위치가 된다.
- 이러한 성능을 검증하기 위하여 θ를 사용한 여유 자유도 구동 시뮬레이션을 수행하였다.
- 그러나 이 논문에서 제안한 역기구학 알고리즘은 완전히 해석적인 방법을 사용하기 때문에 특이점 부근에서도 정확한 해를 구할 수 있다. 이러한 성질을 검증하기 위하여 작업공간상에서 특이점을 통과하는 경로를 생성하고, 역기구학 알고리즘을 통하여 관절공간으로 변경하는 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
- 제안한 역기구학 알고리즘에서는 휴머노이드 로봇 아암의 여유 자유도를 위하여 팔꿈치 방향 변수 θ를 정의하였다.
- 제안한 역기구학 알고리즘을 적용하여 특이점에서의 역기구학 해와 팔꿈치 방향 변수를 사용한 여유 자유도 구동 시뮬레이션을 수행한다. 그리고 이를 통하여 제안한 알고리즘의 성능을 검증한다.
데이터처리
- 제안한 역기구학 알고리즘을 적용하여 특이점에서의 역기구학 해와 팔꿈치 방향 변수를 사용한 여유 자유도 구동 시뮬레이션을 수행한다. 그리고 이를 통하여 제안한 알고리즘의 성능을 검증한다.
이론/모형
- 운동학적 해를 구하기 위하여 휴머노이드 로봇 아암의 기구학 모델을 정의한다. 로봇 아암의 각 관절의 동작 방향을 고려하여 회전축을 설정한 후 DH(Denavit-Hartenberg) 표기법에 맞추어 기구학 파라미터 a, α, d, θ를 결정한다.
성능/효과
- 그리고 제안한 알고리즘이 완전히 해석적이기 때문에 특이점 부근에서도 오차 없이 역기구학 연산이 가능함을 시뮬레이션으로 확인하였다. 개발한 역기구학 알고리즘을 휴머노이드 로봇 아암의 제어 및 경로생성 알고리즘에 적용하면, 실시간 연산 성능과 작업경로의 안정성을 향상시킬 수 있다.
- 따라서 자코비안 행렬을 사용하는 수치해석적인 역기구학 알고리즘은 특이점 근방에서 계산오차가 증폭되는 문제가 발생한다. 그러나 이 논문에서 제안한 역기구학 알고리즘은 완전히 해석적인 방법을 사용하기 때문에 특이점 부근에서도 정확한 해를 구할 수 있다. 이러한 성질을 검증하기 위하여 작업공간상에서 특이점을 통과하는 경로를 생성하고, 역기구학 알고리즘을 통하여 관절공간으로 변경하는 시뮬레이션을 수행하였다.
- 그리고 8자유도 중에서 여유 자유도 특성을 해결하기 위하여 팔꿈치 θ를 정의하였고, 이를 사용하여 로봇 아암의 말단점의 작업경로와 독립적으로 여유 자유도를 활용할 수 있음을 증명하였다.
- 그리고 8자유도 중에서 여유 자유도 특성을 해결하기 위하여 팔꿈치 θ를 정의하였고, 이를 사용하여 로봇 아암의 말단점의 작업경로와 독립적으로 여유 자유도를 활용할 수 있음을 증명하였다. 그리고 제안한 알고리즘이 완전히 해석적이기 때문에 특이점 부근에서도 오차 없이 역기구학 연산이 가능함을 시뮬레이션으로 확인하였다. 개발한 역기구학 알고리즘을 휴머노이드 로봇 아암의 제어 및 경로생성 알고리즘에 적용하면, 실시간 연산 성능과 작업경로의 안정성을 향상시킬 수 있다.
- 첫째, 완전히 해석적인 방법으로 연산량이 적고, 해의 오차도 작다. 둘째, 로봇 아암의 팔꿈치 방향에 대한 변수를 작업공간상의 물리적인 의미를 갖도록 정의하여 작업자가 직관적으로 인식할 수 있다.[3]
- 따라서 제안한 역기구학 알고리즘에서 θ를 사용하면 로봇 아암의 말단점의 경로에 독립적으로 로봇 아암의 여유 자유도를 활용할 수 있다.
- 이 그래프에서 특이점(t = 1.03s)의 부근에서 θ1, θ4, θ6가 연속적인 경로를 그리는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 제안한 역기구학 알고리즘이 수치해석적인 역기구학 알고리즘과는 달리 특이점 부근에서도 안정적으로 해석이 가능함을 확인하였다.
- 이 연구에서는 6축 로봇 아암의 어깨와 팔꿈치 사이에 회전축을 추가하는 형태의 8축 로봇 아암이 장애물 및 특이점 회피에 가장 우수함이 증명되었고, 이러한 구조의 로봇 아암은 사람의 아암과 유사한 관절 구조를 가지기 때문에 휴머노이드 로봇 아암(humanoid robot arm)이라는 명칭이 붙었다. 휴머노이드 로봇 아암의 관절 구조는 Fig.
- 8축 로봇 아암의 운동학적 해석방법은 본 연구에서 제안한 역기구학 해법은 다음과 같은 특징을 갖는다. 첫째, 완전히 해석적인 방법으로 연산량이 적고, 해의 오차도 작다. 둘째, 로봇 아암의 팔꿈치 방향에 대한 변수를 작업공간상의 물리적인 의미를 갖도록 정의하여 작업자가 직관적으로 인식할 수 있다.
후속연구
- 그러나 제안한 알고리즘에서는 θ를 사용하면 직접적으로 여유 자유도를 활용할 수 있기 때문에 경로 생성 알고리즘에 적용할 경우에 여유 자유도 활용이 용이하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.