관절제어기의 외란 추정 기반 협동로봇의 센서리스 충돌감지

Abstract

협동로봇이 안전하게 사람과 작업 공간을 공유하고 물리적으로 상호 작용할 수 있도록 하려면, 사람과 협동로봇 간의 의도적이거나 예상하지 못한 충돌이 발생하였을 때 사람의 상해 발생이 방지되어야 한다. 그러기 위해서는 협동로봇에서 충돌을 민감하게 감지하여 처리할 수 있어야 한다. 로봇의 충돌감지방법 중 로봇 표면에 피부 센서를 부착하거나 로봇 관절에 토크센서를 추가하여 사용하는 방법은 로봇 비용을 증가시키는 단점을 가지고 있다. 비전 센서를 사용하여 충돌을 관찰하는 방법은 실시간 성능이 좋지 않고, 사각지대가 존재하는 단점을 갖고 있다. 추가적인 센서를 사용하지 않고 로봇의 기본 구성에 해당하는 관절제어기의 전류센서와 위치센서에서 측정된 전류, 위치 데이터를 사용한 센서리스 충돌감지방법이 있다. 관절의 전류와 비례하는 관절 토크의 절대값, 변화량 만을 사용하는 방법은 로봇의 자세, 속도, 가속도 의해서 충돌감지 성능 차이가 발생하게 된다. 로봇의 동역학 모델을 기반으로 외란을 추정하고 추정된 외란을 설정한 임계값과 비교하여 충돌을 감지하는 방법들은 충돌감지 성능이 향상되지만 모델이 정확하지 않은 경우 오히려 충돌감지 성능이 떨어지는 문제 발생하고 연산량이 많다는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 로봇제어기보다 상대적으로 빠른 제어주기를 갖고 있는 관절제어기(서보 드라이브)에 관측기를 구현하고, 관측기로부터 추정된 외란을 사용하여 협동로봇의 간단하고 빠른 센서리스 충돌감지방법을 제안하였다. 6자유도 협동로봇의 동역학 모델을 사용한 충돌감지방법과 로봇 동역학 모델을 사용하지 않은 로봇의 충돌감지방법을 적용하고 비교 실험을 통해 제안한 충돌감지방법이 로봇 동역학 모델을 사용한 충돌감지방법과 유사한 성능을 보이는 것을 확인하였다. |In order for collaborative robot(cobots) to safely share workspaces and interact physically with humans, it is necessary to prevent injuries in the event of an intentional or unexpected collision between humans and cobots. To do this, the cobots should be able to sensitively detect collisions and then handle them. Among the collision detection methods of robots, methods of attaching skin sensors to surfaces of robots or adding torque sensors to joints have a disadvantage in that the cost of the robots increases. There are sensorless collision detection methods using the current and position data measured by the current sensor and the position sensor of the joint controller corresponding to the basic configuration of the robot without additional sensors. The method using the absolute value or change amount of joint torque has low sensitivity to collision detection. The collision detection method by estimating joint disturbance based on the dynamic model of the robot improves the collision detection performance, but has a disadvantage in that the execution time is long. In this paper, a sensorless collision detection method for cobots based on disturbance estimation in joint controllers, which has a relatively faster control cycle than robot controllers, is proposed. Through the performance comparison experiments of the collision detection method, it was confirmed that the performance of the proposed collision detection method is similar to that of the collision detection method based on the dynamic model of the robot.