Stewart-Gough Platform의 임피던스 제어를 위한 기구학적/동역학적 해석과 소프트웨어의 구현 방법

Abstract

In the recent robot market, robots that physically interact with human workers or their surroundings, such as cooperative robots, are increasing. In addition, many studies have been conducted to replace serial structure-based manipulators with parallel structure-based manipulators that are easy to secure precision and high rigidity. especially, in the case of Stewart-Gough Platform, which is widely known as a parallel structure system, it is possible to move and rotate in all directions on a three-dimensional plane, and it is easy to secure high precision and high rigidity, so there are many attempts to use Stewart-Gough Platform in the robot market and research.

However, prior Stewart-Gough Platform studies lack research on physical interactions such as impedance control and control methods in the force domain due to the mechanical complexity of the system.

Therefore, in this study, we intend to present a kinematics and dynamics analysis method and a ROS-based software development method to implement impedance control for the physical interaction of Stewart-Gough Platform.

This paper presents a method for interpreting the inverse and net mechanics of UPU(Universal-Prismatic-Universal) and UPS(Universal-Prismatic-Spherical) systems, which are widely adopted in the form of Stewart-Gough Platform, and a method for implementing them in software on ROS. In order to interpret the dynamics of the Stewart-Gough Platform based on kinematics analysis, a Lagrangian-based analysis method and an analysis method using the principle of virtual work are presented. To optimize the forward-kinematics algorithm, an optimization technique based on a quadratic optimization function was applied, and in the case of a dynamic analysis algorithm, the computational resources required for manual joint analysis were reduced using mechanical constraints.

In addition, we present a method of controlling the linear actuator for high speed and precision control.

In this study, a simulation environment based on Matlab, Gazebo, and Webots was established to evaluate the performance and accuracy of the proposed kinematics analysis algorithm and the real-time performance and accuracy of the dynamic analysis algorithm. Simulations and experiments on the Stewart-Gough Platform confirm that the kinematics and dynamic analysis algorithm proposed in this study satisfies the performance for impedance control. In addition, it was confirmed that physical interaction was possible by implementing impedance control on the actual Stewart-Gough Platform.| 최근 로봇 시장에서는 협동 로봇과 같이 인간 작업자 혹은 주변 환경에 대해 물리적으로 상호작용하는 로봇들이 점차 늘어나고 있다. 또한, 많은 로봇 시스템에서 사용해왔었던 직렬 구조 기반의 매니퓰레이터(Serial Manipulator) 대신 고정밀, 고강성 확보가 용이한 병렬 구조 기반 매니퓰레이터(Parallel Manipulator)를 사용하려는 시도와 연구가 이어지고 있다. 특히, 병렬 구조 시스템으로 널리 알려진 Stewart-Gough Platform의 경우, 6 자유도 운동이 가능하기 때문에 3차원 상에서 모든 방향으로 이동과 회전이 가능하고, 고정밀, 고강성 확보가 용이하여 로봇 시장 및 연구에서 Stewart-Gough Platform을 이용하려는 시도가 늘고 있는 추세이다.

하지만, 기존의 Stewart-Gough Platform 연구들은 시스템의 기구학적 복잡성으로 인해 힘 영역에서의 제어 방법이나 임피던스 제어와 같은 물리적인 상호작용에 대해서는 연구가 부족하다.

따라서, 본 논문에서는 Stewart-Gough Platform의 물리적인 상호작용을 위해 임피던스 제어를 구현하고, 임피던스 제어를 구현하기 위한 기구학 및 동역학 해석방법과 ROS 기반의 소프트웨어 구현방법에 대해서 제시하고자 한다.

본 논문에서는 Stewart-Gough Platform의 형태로 많이 채용되는 UPU 형태와 UPS 형태를 가진 시스템의 역기구학과 순기구학을 해석하기 위한 방법과 ROS 상에서 소프트웨어로 구현하는 방법을 제시하였다. 기구학 해석을 토대로 Stewart-Gough Platform의 동역학을 해석하기 위해 라그랑지안 기반의 해석 방법과 가상 일의 원리를 이용한 해석 방법을 제시하였다. 순기구학 알고리즘을 최적화 하기 위해 2차 최적화 함수에 기반한 최적화 기법을 적용하였고, 동역학 해석 알고리즘의 경우 기구학적 제약 사항을 이용하여 수동 조인트 해석에 필요한 컴퓨팅 자원을 줄이고자 하였다.

또한, Stewart-Gough Platform의 리니어 액추에이터를 고속·정밀 제어하기 위해 EtherCAT 통신을 이용하여 제어하는 방법을 제시한다.

본 연구에서는 제시한 기구학 해석 알고리즘의 성능과 동역학 해석 알고리즘의 실시간 성능과 정확성을 평가하기 위해 Matlab, Gazebo, Webots 기반의 시뮬레이션 환경을 구축하였다. 시뮬레이션과 실제 Stewart-Gough Platform에서의 실험을 통해 본 연구에서 제안된 기구학 및 동역학 해석 알고리즘은 임피던스 제어를 위한 성능을 만족함을 확인할 수 있었다. 또한, Stewart-Gough Platform에서 임피던스 제어를 기반으로 실시간으로 외력에 대한 물리적 상호작용이 가능함을 확인할 수 있었다.