[논문]구호로봇용 연성 매니퓰레이터를 위한 조인트 제어 및 충돌감지 알고리즘

정병진; 김태근; 원건; 김동섭; 황정훈

doi:10.7746/jkros.2018.13.3.157

구호로봇용 연성 매니퓰레이터를 위한 조인트 제어 및 충돌감지 알고리즘
Development of Joint Controller and Collision Detection Methods for Series Elastic Manipulator of Relief Robot 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.13 no.3, 2018년, pp.157 - 163

정병진 (KETI) , 김태근 (KETI) , 원건 (KETI) , 김동섭 (KETI) , 황정훈 (KETI)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the development and application of control algorithms for series elastic relief robots for rescue operations in harsh environment like disasters or battlefield. The joint controller applied in this paper has a cascade structure combining inner loop for torque control and outer loop for position control. The torque loop contains feedforward and feedback controller and disturbance observer for independent, decentralized joint control. The effect of the elastic component and motor dynamics are treated as the nonlinear disturbance and compensated with the disturbance observer of torque controller. For the collision detection, Band Designed Disturbance Observer is configured to recognize/respond to external disturbance robustly in the continuously changing environment. The controller is applied to a 7-dof series elastic manipulator to evaluate the torque tracking and collision detection/response performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 7자유도 연성 매니퓰레이터에서의 토크 추종 및 충돌 감지 성능 평가를 통해 적용된 알고리즘을 검증하였다. 실험에 사용된 7자유도 연성 매니퓰레이터는 [Fig.
대표적으로, 조인트 연성에 의하여 높은 내충격성을 가지고, 연성체의 비틀림을 측정함으로서 접촉력 제어에 필요한 조인트 토크 정보를 쉬게 얻을 수 있는, 구호 로봇의 관절 액추에이터로 사용하기에 적합한 특성을 가지고 있다. 본 논문에서는 직렬 탄성 액추에이터를 관절에 적용한 로봇을 구호 작업 및 충돌 상황에서 운용할 때 필요한 조인트 임피던스 제어 및 충돌 감지 알고리즘의 개발 및 적용에 대해서 다룬다.

가설 설정

컷오프 주파수 설계에 있어서 동역학 모델의 질량 오차 및 구호로봇 베이스에 가해지는 중력 가속도 방향의 변화를 반영하였다. 구호 로봇이 경사면에 위치한 상황을 가정하고, 매니퓰레이터 구동 시 이동하지 않는다면, 중력 가속도 방향의 오차는 존재하지만, 시간에 대한 변화는 없는 것으로 가정할 수 있다. 이때 모델링되지 않은 외란의 주파수 바운더리는 매니퓰레이터의 자유도와 조인트 속도에 의하여 결정된다.

제안 방법

본 논문에서 사용된 조인트 제어기는 크게 조인트 위치와 속도를 기반으로 토크 명령을 생성하는 outer loop와 임피던스제어기와 outer loop에서 생성된 조인트 토크 명령을 추종할 수 있는 전류 명령을 생성하는 inner loop로 구성된다. 이러한 dual loop 제어기 구조는 [Fig.
이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로, DOB 구성에 사용되는 Q 필터를 적절히 설계하여 관심있는 주파수의 외란만을 추정하는 대역 외란 관측기(Bnad designed DOB, BdDOB)가 존재한다^[8]. 본 논문에서는 BdDOB를 충돌 감지에 적용하여 모델링 오차에 강인한 충돌 감지를 구현하였다.
본 논문에서는 연성 관절 매니퓰레이터의 운용을 위한 임피던스 제어와 충돌 감지 성능을 가지는 제어기를 개발 및 적용하였다. 연성 관절의 임피던스 제어를 위해서는 DOB 기반의 제어기를 적용하여 관절 연성체 및 조인트 마찰의 영향을 보상하였고 BdDOB를 이용한 충돌 감지 알고리즘을 적용하였다.
분산형 제어 시스템은 전자에 비하여 커맨드 토크 생성을 위한 모델링이 간단하며, 상대적으로 적은 연산량이 요구되는 장점이 존재한다. 본 논문에서는 외란 관측기(Disturbance Observer,DOB)를 이용한 조인트 토크 제어기를 적용하여 분산형 제어를 구현하였다.
본 논문에서는 연성 관절 매니퓰레이터의 운용을 위한 임피던스 제어와 충돌 감지 성능을 가지는 제어기를 개발 및 적용하였다. 연성 관절의 임피던스 제어를 위해서는 DOB 기반의 제어기를 적용하여 관절 연성체 및 조인트 마찰의 영향을 보상하였고 BdDOB를 이용한 충돌 감지 알고리즘을 적용하였다. 실험 결과, 토크 추종의 응답 속도 증가 및 안정화 시간, 모델링 오차에 의한 외란 추정값 오차의 감소를 확인하였다.
매니퓰레이터의 외란 감지에 사용되는 동역학 모델은 모델링 오차를 가지는 상황을 모사하기 위하여 실제 매니퓰레이터 질량에 비하여 30% 가량의 오차를 가지도록 설정되었다. 충돌 대응에는 연성 매니퓰레이터는 충돌 감지 시 정지하여 추가적인 접촉력 전달을 차단한 뒤, 작업자의 이탈 뒤 모션을 재개하는 방법이 사용되었다. 실험의 대조군으로는 오류를 가진 모델을 사용한 전통적인 외란 관측기 출력이 사용되었으며, 모델링 오차에 의한 외란 추정값의 오차량을 비교하였다.
토크 추종 성능 실험은 매니퓰레이터를 이용한 직접 교시 상황에서, 각 조인트의 토크 커맨드 추종 성능을 평가하였다. 실험의 비교군으로는 피드백 제어와 DOB가 적용되지 않은 상태의 피드포워드 제어기만을 적용한 상태의 성능을 측정하였다.

대상 데이터

충돌 대응에는 연성 매니퓰레이터는 충돌 감지 시 정지하여 추가적인 접촉력 전달을 차단한 뒤, 작업자의 이탈 뒤 모션을 재개하는 방법이 사용되었다. 실험의 대조군으로는 오류를 가진 모델을 사용한 전통적인 외란 관측기 출력이 사용되었으며, 모델링 오차에 의한 외란 추정값의 오차량을 비교하였다.

이론/모형

본 논문에서는 충돌감지를 위하여 (8)과 같은 밴드 패스 필터 형태의 Q 필터, 를 적용하였다. 이때 충돌감지를 위한 BdDOB는 토크 제어기의 DOB와 독립적으로 적용되었다.

성능/효과

5 Nm 내외로 90% 이상 줄어듦을 확인할 수 있다. 결과적으로 구호작업용 연성 매니퓰레이터와 같이 다양한 충돌외란 및 모델링의 오차가 수반되는 작업 환경에서, 기존의 DOB만으로는 False alarm 방지를 위한 Threshold 범위 증대에 따른 민감도 저하가 예상되는 반면, BdDOB를 적용할 경우 모델 오차에 강인하게 충돌을 감지할 수 있음을 알 수 있다.
결과적으로, DOB와 피드백 제어기를 이용하여 토크 추종 오차 및 조인트 연성에 의한 진동을 억제할 수 있음을 확인하였다. 또한, 조인트 마찰 및 댐핑 등 비선형 요소들의 영향이 DOB에 의하여 상쇄되기에, 피드포워드 제어기만을 사용하였을 때에 비하여 직접 교시에 필요한 외력 토크가 감소하는 것이 확인되었다.
연성 관절의 임피던스 제어를 위해서는 DOB 기반의 제어기를 적용하여 관절 연성체 및 조인트 마찰의 영향을 보상하였고 BdDOB를 이용한 충돌 감지 알고리즘을 적용하였다. 실험 결과, 토크 추종의 응답 속도 증가 및 안정화 시간, 모델링 오차에 의한 외란 추정값 오차의 감소를 확인하였다. 차후에, 본 논문에 사용된, DOB에서 확장된 두 알고리즘을 일원화시키는 방안에 관한 연구를 진행하고자 한다.

후속연구

실험 결과, 토크 추종의 응답 속도 증가 및 안정화 시간, 모델링 오차에 의한 외란 추정값 오차의 감소를 확인하였다. 차후에, 본 논문에 사용된, DOB에서 확장된 두 알고리즘을 일원화시키는 방안에 관한 연구를 진행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직렬 탄성 액추에이터는 무엇인가?	직렬 탄성 액추에이터(Series Elastic Actuator, 이하 SEA)는출력부와 링크 구조체 사이에 연성체가 삽입된 형태의 액추에이터이다[3]. SEA는 일반적인 로봇 액추에이터와 비교할 때 낮은 강성을 가지며, 이에 따라 여러 가지 고유한 특성을 나타낸다.
	구호 로봇에 요구되는 능력은?	최근 로봇 기술의 발전에 따라, 접근이 곤란한 지역에 있는 부상자를 구조 가능한 지역으로 이동시킬 수 있는 로봇 시스템의 필요성이 대두되고 있다[1]. 이러한 구호 로봇은 성공적인 임무 수행을 위해서 단순히 부상자를 발견 및 이송할 뿐 아니라 부상자의 생존 시간을 연장하고 후속 구조 작업에 필요한 정보를 수집하기 위해 부상자의 상태를 파악하고 적절한 응급 처치를 수행 할 수는 능력이 요구된다[2].
	SEA의 제어 입력에 대한 응답 속도가 느린 특성으로 발생하는 문제는?	SEA는 연성이 클수록 관절의 고유 진동수가 낮아지기에 강성 액추에이터에 비하여 제어 입력에 대한 응답 속도가 느린 특성이 존재한다. 이에 따라 경로 추종 성능이 악화되거나제어 중 원하지 않은 진동이 발생하며, 이를 보완하기 위한 제어 방법이 요구된다. SEA의 낮은 조인트 강성을 보완하는 대표적인 방법으로는 연성 매니퓰레이터의 동역학 모델을 조인트 제어기의 출력 결정에 사용하는 방법이 존재한다[4,5].

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
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N. Paine, S. Oh, and L. Sentis. "Design and control considerations for high-performance series elastic actuators," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 19, no. 3, pp. 1080-1091, June, 2014.

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K. Kong, J. Bae, and M. Tomizuka. "A compact rotary series elastic actuator for human assistive systems," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 17, no. 2, pp. 288-297, April, 2012.

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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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