디지털 컨볼루션을 이용한 로봇의 궤적 생성 방법 개발과 장애물 회피로의 응용

Abstract

본 논문은 디지털 컨볼루션의 특성을 이용하여 운동 제어 시스템의 효율적인 궤적 생성 방법을 제안한다. 대부분의 운동 제어 시스템은 크게 목표 궤적을 생성하는 궤적 생성기, 목표 궤적을 추종하기 위한 제어기, 제어 대상인 구동기로 나누어 질 수 있다. 따라서, 구동기가 좋은 성능의 추종을 위해서는 제어기뿐만 아니라 궤적 생성기 역시 중요한 역할을 담당한다. 특히, 궤적 생성기에서 구동기의 성능 즉, 최대 속도, 최대 가속도, 최대 저크 및 스냅 등이 반영된 궤적을 생성한다면 운동 제어 시스템의 추종 성능은 더욱 향상된다. 또한, 궤적 생성시 적은 계산량은 처리 속도가 상대적으로 느린 저가의 처리기에서도 실시간 동작을 가능하게 하며, 이는 산업 로봇으로의 적용에 있어서 경제적 측면에서 큰 장점이 된다. 본 논문은 속도 영역에서의 궤적 생성 방법을 제안하며, 최대 속도, 최대 가속도, 최대 저크 등 구동기 최대 성능에 제한된 S-curve의 미분 가능한 궤적 생성을 위해 컨볼루션 연산자의 특성을 이용한다. 또한, 컨볼루션 횟수에 따른 결과 함수의 규칙성을 이용하여, 이를 초기 속도 및 최종 속도 설정이 가능한 궤적 생성 방법으로 확장한다. 연속 영역에서의 컨볼루션은 많은 계산량을 필요로 함으로 불연속 영역에서의 컨볼루션으로의 변환을 통해 실시간 동작을 가능하게 하는 적은 계산량의 궤적 생성을 가능하게 하였다. 마지막으로 제안된 궤적 생성 방법의 효용성을 실험을 통해 검증하였다.; Most robotic motion controllers include a desired trajectory generator, a motion controller such as a conventional PID controller, and a plant to be controlled. The desired trajectory generator as well as the motion controller with high performance is very important to achieve a good tracking performance. Especially, if the desired trajectory is generated satisfying the maximum velocity, acceleration, jerk as given system specifications, the tracking performance would be better. For this, we will make use of the properties of convolution operator to generate a S-curve trajectory satisfying the system specifications. Also, this trajectory generation method is extended to more general method with non-zero initial and non-zero final conditions. In addition, the suggested trajectory generator is realized with low computational load for real-time implementation. Finally, the effectiveness of the suggested method is shown through numerical simulations.