테크니컬 리포트 2022 No.7
인간 협력 로봇으로 능숙한 수작업 자동화에 도전
~파라미터 조정리스 힘 제어 개발~

근래, 생산 현장에 많은 사람 협동 로봇이 도입되고 있습니다. 인간 협동 로봇은 안전을 위해 울타리로 격리 할 필요가 없으며 사람과 동일한 공간을 공유하면서 함께 작업 할 수 있도록 설계된 로봇입니다.
우리의 인터랙티브 로봇 MOTOMAN-HC 시리즈는 로봇 조작에 익숙하지 않아도 쉽게 조작할 수 있는 다이렉트 티치 기능이 있어 기존 산업용 로봇보다 도입이 용이합니다. 또, 핸드 캐리 타입은, 눌러 운반할 수 있는 대차에 MOTOMAN-HC10DTP를 탑재하고 있기 때문에, 필요할 때에 필요한 장소에 간단 이설할 수 있습니다.
이번에는 국립대학법인 규슈대학과 공동으로 인협동 로봇을 사용하여 끼워맞춤, 연마, 버림 제거 등의 접촉 작업을 쉽게 실현할 수 있는 방법을 검토하고 숙련된 수작업의 자동화에 도전 중의 대처를 소개합니다.

을 바탕으로 사람과 로봇 암과의 접촉에 의한 외력을 검지하고 로봇을 멈추는 것으로 안전성을 확보하고 있기 때문입니다.
현상에서는, 이 관절 토크 센서를 안전 기능을 위한 외력 검지와 다이렉트 티치 기능에 이용할 뿐만 아니라, 관절 토크 센서로 검출한 토크를 기초로 암의 선단이 받는 힘(외력f_ext)을 계산하여 팔의 손목에 힘 센서를 새로 설치하지 않고 1에서 설명한 힘 제어를 가능하게 합니다(그림 4).

그림 4 힘 제어의 구성 비교

그러나 위에서 언급했듯이 인공 로봇 사용자는 기존 산업용 로봇의 조작과 티칭에 익숙하지 않은 경우가 많으며 다양한 작업에 따라 힘 제어 파라미터를 사용자가 조정하기가 어렵습니다. 거기서, 디폴트 파라미터인 채(조정리스)로 다양한 워크에 대해서 양호한 응답을 실현할 수 있는 힘 제어의 개발을 국립 대학 법인 규슈 대학과의 제휴(공동 연구)에 의해 진행하고 있습니다.

※1 힘 센서
힘과 모멘트를 감지하는 센서.
※2안전 울타리 없이
HC 시리즈는 안전 기능으로 안전 울타리 없이 시스템을 구축할 수 있지만 모든 경우에 위험 평가를 수행해야 합니다.

인간 협력 로봇은 6 자유도를 가진 수직 다관절형 로봇입니다. 다자유도의 로봇 동작 제어(암의 각 관절의 액추에이터(모터) 토크를 조작하여 손끝이 워크에 주는 힘을 제어하는 ​​것)은 복잡하기 때문에 편의상 1 자유도의 로봇 동작에 한정하여 힘 제어에 대해 설명합니다. 1 자유도의 모식도(그림 5)에 대해서, 맞물림 작업의 사진을 예에 보충합니다. 로봇이 손으로 파지한 워크(삽입측)는 모식도의 「로봇」에 포함되고, 받침대에 고정된 워크(피삽입측)는 「환경」에 해당합니다(그림 6).

힘 제어에는 다양한 방식이 있지만 기존의 힘 제어 방식으로 임피던스 제어와 어드미턴스 제어가 있습니다. 임피던스 제어와 어드미턴스 제어에서는 모두 로봇이 외력f_ext로 이동하는 방법, 관성M_d, 점성d_d, 강성K_d의 특성 파라미터로 표현되는 다음 공식

이 되도록 제어합니다. 여기서f_ref은 목표력(힘 지령),x_ref은 목표 위치(위치 지령)입니다.

그림 7과 같이 임피던스 제어는 위치 편차x_ref–x에 대해 로봇 암이 어떤 힘을 내는지 결정하고 그러한 힘을 발생하도록 제어하는 방법입니다. 단단한 환경과의 접촉에 상대적으로 안정하다는 장점이 있지만 마찰력f_frc의 영향을 받기 쉽고 힘의 정상 편차가 발생하는 등 예상대로 움직이지 않을 수 있습니다.

그림 7 임피던스 제어의 블록 다이어그램

그림 8과 같이 어드미턴스 제어는 힘 편차f_ref–f_ext에 대해 로봇 암이 어떤 위치로 움직이는지를 결정하고 그러한 위치로 움직이도록 제어하는 방법입니다. 위치 제어 기반 임피던스 제어라고도 합니다. 위치 제어 루프에 의해 외란이 억제되기 때문에, 마찰의 영향을 받기 어렵다는 메리트가 있습니다만, 단단한 환경과의 접촉으로 진동적으로 되는 경우가 있습니다.

그림 8 어드미턴스 제어의 블록 다이어그램

상기 ①과 ②에 나타내는 양자의 특성으로부터, 임피던스 제어는 단단한 환경과의 접촉으로 유리하고, 어드미턴스 제어는 부드러운 환경과의 접촉으로 유리하다고 할 수 있습니다. 그래서 이 어드미턴스 제어와 임피던스 제어를 직렬 접속함으로써 양쪽의 이점을 살릴 수 있는 어드미턴스 임피던스 제어를 제안했습니다(그림 9). 본 제어칙에서는 우선 환경에 작용한 외력f_ext를 입력으로 하여 어드미턴스 제어에 의한 손끝 위치의 보정량Δx을 계산합니다. 그 후, 위치 지령x_ref및 보정량Δx의 합을 평형점으로 한 임피던스 제어로 인해 발생해야 하는 힘f_M을 계산합니다.

그림 9 어드미턴스 임피던스 제어의 블록 다이어그램

이러한 제어는 경질 환경과의 접촉시에 어드미턴스 제어로 진동적인 거동이 있어도 후단의 임피던스 제어의 작용에 의해 저감할 수 있고, 부드러운 환경과의 접촉시에 임피던스 제어로 마찰에 의한 오차가 있어도 어드미턴스 제어에 의해 수정할 수 있습니다. 그 결과, 부드러운 것부터 딱딱한 것까지, 다양한 강성의 워크를 취급할 수 있게 됩니다.

다양한 강성 환경과 접촉했을 때의 일축 시뮬레이션 결과를 그림 10에 나타내었다. 이 시뮬레이션에서는 임피던스 제어 및 어드미턴스 제어의 각 특성 파라미터 (관성)M_d, 점성d_d, 강성K_d)가 환경에 관계없이 고정되어 있습니다. 부드러운 환경 (강성)K_e=10)과의 접촉에서는 임피던스 제어(파랑)는 마찰의 영향을 받아 큰 편차를 일으키고 있습니다만, 제안법(적색)에서는 편차가 작고 고속으로 수렴하고 있습니다. 단단한 환경 (강성)K_e=3200)과의 접촉에서는 어드미턴스 제어(녹색)는 진동적이지만 제안법(적색)에서는 편차가 작고 고속으로 수렴하고 있습니다. 이와 같이, 어느 강성의 환경에 대해서도, 동일한 파라미터 설정인 채로 종래의 제어보다 좋은 결과(진동소·고응답·편차소)를 얻을 수 있는 것을 확인했습니다.

그림 10 환경 합성K_e변경 시 시뮬레이션 결과

1 자유도의 로봇 동작에서 힘 제어에 관한 제안 방법을 새로 개발했습니다. 향후는, 다축(다자유도의 로봇 동작)으로 확장해, 관절 토크 센서를 갖춘 인협동 로봇에 실장해 검증을 진행시켜, 인협동 로봇으로, 힘 제어 파라미터의 조정을 하지 않고 다양한 강성의 환경과의 고속으로 안정된 접촉을 목표로 합니다. 게다가 다축의 경우에는, 예를 들면 곡면에 대한 모방 동작에 있어서, 면에 수직인 방향과 수평한 방향으로 제어 특성을 바꾸는 등, 보다 자유도가 높은 설계가 가능하게 되어, 제안법을 베이스로, 보다 고도로 복잡한 접촉 작업을 실현해 갑니다.
이 기술을 실현함으로써, 인협동 로봇으로 할 수 있는 작업의 폭을 넓혀 생산성 향상에 공헌해 나갈 것입니다.
앞으로도 바카라 사이트 기술의 진화를 기대해 주세요.