기술 보고서 2022 No7
협동로봇을 이용한 숙련된 수동 작업 자동화에 대한 도전
~매개변수 조정이 필요 없는 힘 제어 개발~

최근 몇 년 동안 많은 협동 로봇이 생산 현장에 도입되었습니다 협동로봇은 안전을 위해 울타리로 분리되지 않고, 같은 공간을 공유하면서 인간과 함께 일할 수 있도록 설계된 로봇이다
협동로봇 MOTOMAN-HC 시리즈는 경험이 부족한 로봇 조작자도 쉽게 조작할 수 있는 다이렉트 티칭 기능을 갖추고 있어 기존 산업용 로봇에 비해 도입이 용이합니다 또한, 핸드캐리형은 밀고 운반할 수 있는 카트에 MOTOMAN-HC10DTP를 탑재해 필요할 때 필요한 위치로 쉽게 이동할 수 있다
이번에는 국립대학법인 큐슈대학과 협력하여 인간 협동 로봇을 이용하여 피팅, 폴리싱, 디버링 등 접촉 작업을 쉽게 수행할 수 있는 방법을 모색하고 숙련된 수작업을 자동화하기 위한 지속적인 노력을 소개합니다

에 따르면 사람과 로봇 팔의 접촉으로 인한 외력을 감지해 로봇을 정지시켜 안전성을 확보하기 때문이다
현재 이 관절 토크 센서는 안전 기능을 위한 외력 감지 및 직접 교육 기능뿐만 아니라 관절 토크 센서에서 감지한 토크를 기반으로 팔 끝이 받는 힘(외력)에도 사용됩니다f_내선)을 계산하면 팔 손목에 새로운 힘 센서를 설치하지 않고도 1에서 설명한 힘 제어가 가능합니다(그림 4)

그림 4 Force 제어 구성 비교

그러나 위에서 언급한 것처럼 인간 협동 로봇 사용자는 기존 산업용 로봇을 작동하고 가르치는 데 익숙하지 않은 경우가 많으며 사용자가 다양한 작업물에 따라 힘 제어 매개변수를 조정하는 것이 어려울 수 있습니다 그래서 우리는 기본 매개변수(조정 불필요)를 사용하여 다양한 공작물에 대해 좋은 반응을 얻을 수 있는 힘 제어를 개발하기 위해 규슈 대학과 공동 연구(공동 연구)를 진행하고 있습니다

※1 힘 센서
힘과 순간을 감지하는 센서입니다
※2안전 울타리 없이
HC 시리즈에는 안전 울타리 없이 시스템을 구축할 수 있는 안전 기능이 있지만 모든 경우에 위험 평가를 수행해야 합니다

인간 협동 로봇은 6 자유도를 가진 수직 관절형 로봇입니다 다자유도 로봇 모션 제어(손이 공작물에 가하는 힘을 제어하기 위해 팔의 각 관절의 액추에이터(모터) 토크를 조작하는 것)는 복잡하므로 편의상 힘 제어는 1자유도 로봇 모션으로 제한됩니다 1 자유도의 개략도(그림 5)와 관련하여 피팅 프로세스 사진을 예로 보완하겠습니다 로봇의 손에 쥐어진 워크(삽입측)는 개략도의 "로봇"에 포함되고, 테이블에 고정된 워크(삽입측)는 "환경"에 해당합니다(그림 6)

힘 제어에는 다양한 방법이 있지만 기존의 힘 제어 방법에는 임피던스 제어와 어드미턴스 제어가 포함됩니다 임피던스 제어와 어드미턴스 제어 모두에서 로봇은 외력을 사용합니다f_내선이동방법, 관성M_d, 점도d_d, 뻣뻣함K_d

여기,f_ref목표 힘(강제 명령),x_ref는 목표 위치(위치 명령)입니다

임피던스 제어, 그림 7과 같은 위치 편차x_ref– x에 어떤 힘을 가할 것인지 판단하고, 그 힘이 발생하도록 제어하는 방식입니다 단단한 환경과의 접촉에 비교적 안정적이라는 장점이 있지만 마찰력f_frc

그림 7 임피던스 제어의 블록 다이어그램

그림 8에 표시된 어드미턴스 제어력 편차f_ref– f_ext를 기준으로 로봇 팔이 어떤 위치로 움직여야 할지 결정하고, 그 위치로 이동하도록 제어하는 방식입니다 위치 제어 기반 임피던스 제어라고도 합니다 위치 제어 루프는 외란을 억제하고 마찰에 덜 민감하다는 장점이 있지만 단단한 환경에 접촉하면 진동이 발생할 수 있습니다

그림 8 입학 제어 블록 다이어그램

위의 ①과 ②의 특성으로 볼 때, 단단한 환경에 접할 때는 임피던스 제어가 유리하고, 부드러운 환경에 접할 때는 어드미턴스 제어가 유리하다고 할 수 있습니다 따라서 우리는 어드미턴스 제어와 임피던스 제어를 직렬로 연결하여 두 가지 장점을 모두 활용할 수 있는 어드미턴스/임피던스 제어를 제안했습니다(그림 9) 이 제어법칙에서는 먼저 환경에 작용하는 외력f_내선입력으로서 어드미턴스 제어에 의한 손 위치 보정량Δx그런 다음 위치 명령x_ref및 수정 금액Δx의 합으로 임피던스 제어에 의해 생성되어야 하는 힘 평형점으로f_M

그림 9 어드미턴스 임피던스 제어의 블록 다이어그램

이러한 제어를 사용하면 단단한 환경과 접촉할 때 어드미턴스 제어로 인해 진동 거동이 있더라도 후속 임피던스 제어의 동작으로 이를 줄일 수 있으며, 연성 환경과 접촉할 때 임피던스 제어에 마찰로 인해 오류가 있더라도 어드미턴스 제어로 수정할 수 있습니다 그 결과, 연질부터 경질까지 다양한 강성을 지닌 공작물을 취급하는 것이 가능해졌습니다

그림 10은 다양한 강성을 갖는 환경과 접촉할 때의 단축 시뮬레이션 결과를 보여줍니다 본 시뮬레이션에서는 임피던스 제어와 어드미턴스 제어의 특성 매개변수(관성M_d, 점도d_d, 뻣뻣함K_d)는 환경에 관계없이 고정됩니다 부드러운 환경(강성)K_e=10), 임피던스 제어(파란색)는 마찰의 영향을 받아 큰 편차가 발생하지만, 제안하는 방법(빨간색)은 편차가 적고 빠르게 수렴합니다 단단한 환경(강성)K_e=3200), 어드미턴스 제어(녹색)는 진동하게 되지만 제안된 방법(빨간색)에서는 편차가 작고 빠르게 수렴됩니다 이러한 방식으로 우리는 어떤 강성 환경에서도 동일한 매개변수 설정으로 기존 제어보다 더 나은 결과(낮은 진동, 높은 응답, 낮은 편차)를 얻을 수 있음을 확인했습니다

그림 10 환경 합성K_e

우리는 1 자유도로 로봇 동작의 힘 제어를 위해 새로 제안된 방법을 개발했습니다 향후에는 다축(다수의 자유도를 갖는 로봇 동작)을 포함하도록 시스템을 확장하고 이를 관절 토크 센서가 장착된 인간 협동 로봇에 구현하고 검증을 진행할 예정이다 힘 제어 매개변수를 조정하지 않고도 인간 협동 로봇이 다양한 강성의 환경에서 고속이면서 안정적인 접촉을 가능하게 하는 것을 목표로 한다 또한, 다축의 경우 곡면을 추적하는 경우와 같이 제어특성을 면에 수직인 방향과 수평방향으로 변경하는 등 보다 높은 자유도로 설계가 가능하며, 제안된 방법을 기반으로 보다 고도화되고 복잡한 접촉작업이 구현될 수 있을 것이다
이 기술을 실현함으로써 협동로봇이 수행할 수 있는 작업의 범위를 확대하고 생산성 향상에 기여하겠습니다
바카라 사이트 기술의 지속적인 발전을 기대해 주십시오