Manipulator Force Cotnrol : 5-1-2-3 매니풀레이터 힘 제어

매니퓰레이터의 운동은 다음과 같이 크게 두 가지로 나뉜다.
- 자유공간에서 움직이는 운동 : 용접, 도장, 픽-플레이스 등 

- 외부환경과의 접촉을 유지하며 움직이는 운동 : 연마, 디버링, 표면처리 등이며 접촉력 제어와 유연제어(compliant control)를 필요로 하는 작업으로 구분됨

 

The movement of the manipulator is largely divided into two types as follows.
- Movement in free space : Welding, painting, pick-place, etc.
- Movement while maintaining contact with the external environment : Grinding, deburring, surface treatment, etc., classified into work requiring contact force control and compliant control

 

로봇이 접촉을 유지하며 움직이는 작업을 잘 수행하기 위해서 필요한 기술이 바로 힘 제어(force/torque control)이다. 힘 제어를 수행하기 위해서는 다음의 단계가 필요하다.
- 작업의 목적을 명확하게 이해하기 

- 작업을 수행하기 위한 기본 궤적 생성 

- 작업 수행 중에 접촉 발생 시 힘 및 위치 피드백 

- 피드백 데이터를 이용한 궤적 수정

 

Force/torque control is a technology required for a robot to maintain contact and perform a moving task well. To perform force control, the following steps are required.

- Clearly understand the purpose of the work- Create a basic trajectory to do the job

- Force and position feedback when contact occurs during task performance

- Trajectory correction using feedback data

 

출제 : 힘 제어 수행을 위한 단계 구성이 아닌것은?

 

• 힘 제어의 분류 : Classification of force control

매니퓰레이터가 외부환경에 접촉운동을 수행할 경우 매니퓰레이터는 외부환경에 힘을 가하고, 고정된 외부환경으로부터 상응하는 힘이 반작용으로 발생한다. 이때 매니퓰레이터와 외부환경 사이에 발생하는 힘을 제어하는 방법에 따라 직접 힘 제어(direct force control) 와 간접 힘 제어(indirect force control)로 분류된다.

 

When the manipulator performs a contact motion with the external environment, the manipulator applies a force to the external environment, and a corresponding force from the fixed external environment is generated as a reaction. At this time, according to the method of controlling the force generated between the manipulator and the external environment, it is classified into direct force control and indirect force control.

 

(1) 직접 힘 제어 : direct force control
매니퓰레이터 말단에 힘/토크 센서를 부착하여 접촉운동 시에 발생하는 외력을 직접 측정하고, 매니퓰레이터가 생성하는 힘/토크가 측정된 외력과 동일해질 때까지 각 관절의 토크를 조절하거나 말단부의 위치를 조절하여 접촉력을 일정하게 유지하는 제어 기법. 힘 제어와 복합 위치/힘 제어가 이 범주에 속함

 

Attach a force/torque sensor to the end of the manipulator to directly measure the external force generated during contact movement, and adjust the torque of each joint or adjust the position of the distal end until the force/torque generated by the manipulator is equal to the measured external force. A control technique that keeps the contact force constant by Force control and compound position/force control fall into this category.

 

(2) 간접 힘 제어 : indirect force control
매니퓰레이터에 외력이 작용할 경우, 외력에 비례하여 매니퓰레이터의 위치 및 속도를 제어하는 기법. 매니퓰레이터의 목표위치를 외부환경의 내부로 침투시키면 접촉 때문에 더 이상 목표위치를 추종하지 못하므로 해당 위치오차에 비례하는 힘이 외부환경에 작용하게 되어 간접적으로 힘 제어 가능. 강성 제어(stiffness control), 댐핑제어 (damping control), 임피던스 제어(impedance control) 등이 이에 해당됨

 

A technique for controlling the position and speed of the manipulator in proportion to the external force when an external force acts on the manipulator. When the target position of the manipulator penetrates the inside of the external environment, it cannot follow the target position anymore because of contact, so a force proportional to the position error acts on the external environment, enabling indirect force control. These include stiffness control, damping control, and impedance control.

 

 

• 힘 제어를 구현하기 위한 매니퓰레이터 : Manipulators to implement force control

힘 제어를 구현하기 위한 매니퓰레이터는 다음과 같은 기능 및 특성이 필요하다.
- 매니퓰레이터의 관성 파라미터(질량, 질량중심, 관성모멘트) 및 동역학 모델을 알아야 함 

- 관절 토크를 정밀하게 제어할 수 있어야 함 

- 관절 위치 및 속도를 정밀하게 측정할 수 있어야 함 

- 매니퓰레이터가 생성하는 힘을 측정할 수 있어야 함 

- 로봇 제어기는 1kHz 이상의 충분한 대역폭을 가저야 하며, 실시간성 보장 

- 실시간 연산 가능

 

A manipulator to implement force control needs the following functions and characteristics.
- It is necessary to know the inertia parameters (mass, center of mass, moment of inertia) and dynamics model of the manipulator
- Must be able to precisely control joint torque
- Must be able to precisely measure joint position and speed
- Must be able to measure the force generated by the manipulator
- The robot controller must have sufficient bandwidth of 1 kHz or more and guarantee real-time
- Real-time calculation possible

출제 : 힘 제어 구성을 위한 요소로 아닌 것은? 

 

각 관절의 토크를 제어할 수 있는 매니퓰레이터를 토크제어 기반 매니퓰레이터라고 하며, 이 경우 토크제어 알고리즘을 알아보자. 매니퓰레이터가 환경과 접촉하는 경우 매니퓰레이터의 운동방정식은 다음과 같이 표현 된다.

 

A manipulator that can control the torque of each joint is called a torque control-ased manipulator. In this case, let's look at the torque control algorithm. When the manipulator is in contact with the environment, the motion equation of the manipulator is expressed as follows.

 

$M\left ( q \right )\ddot{q} + n\left ( q,\dot{q} \right )+J^{T}\left ( q \right )f_{e}=\tau \hspace{20em} (1)$ 

 

식에서 $M\left ( q \right )\ddot{q}$는 관성행렬, $n\left ( q,\dot{q} \right )$는 코리올리 및 구심력, 중력 및 마찰력 등을 포함하는 비선형 성분 벡터, &\tau&는 관절토크 벡터, $f_{e}$는 매니퓰레이터 말단부와 환경 간의 접촉력을 각각 나타낸다. 만약 매니퓰레이터 말단부의 위치 $x$ 가 환경의 위치 안쪽인 $x_{e}$ 에 있게 하면 매니퓰레이터가 환경에 힘을 가하게 되어 환경의 변형이 발생한다. 환경의 강성을 $K_{e}$ 라고 하면 접촉력 $f_{e}$ 는 다음과 같이 표현된다.

 

In the equation, $M\left ( q \right )\ddot{q}$ is the inertia matrix, and $n\left ( q,\dot{q} \right )$ is the nonlinear component including Coriolis, centripetal force, gravity and frictional force. The vector, &\tau& represents the joint torque vector, and $f_{e}$ represents the contact force between the manipulator distal end and the environment, respectively. If the position $x$ of the distal end of the manipulator is placed at $x_{e}$ inside the position of the environment, the manipulator applies a force to the environment and the deformation of the environment occurs. If the stiffness of the environment is $K_{e}$, the contact force $f_{e}$ is expressed as follows.

 

$f_{e}=K_{e}\left ( x-x_{e} \right ) \hspace{20em} (2)$

 

토크제어 기반의 힘 제어는 가장 직관적인 힘 제어 방법으로 [그림1]과 같이 토크제어 기반 매니퓰레이터를 이용한다. 그림에서 $f_{d}$ 는 외부환경에 인가하고자 하는 접촉력이 며, 힘 오차 $\Delta f$는 $f_{d}$ 와 힘/토크 센서로 측정한 $f_{e}$ 사이의 오차이다. $\Delta f$는 힘 제어기 $G_{F}$ 및 자코비안 전치행렬 $J^{T}\left ( q \right )$를 지나면서 접촉력 제어를 위한 토크 $\tau_{t} $로 전환되며, 목표 토크 $\tau_{t} $ 의 수식은 다음과 같이 표현된다.

 

Torque control-based force control is the most intuitive force control method and uses a torque control-based manipulator as shown in [Figure 1]. In the figure, $f_{d}$ is the contact force to be applied to the external environment, and the force error $\Delta f$ is the error between $f_{d}$ and $f_{e}$ measured by the force/torque sensor. am. $\Delta f$ passes through the force controller $G_{F}$ and the Jacobian transpose matrix $J^{T}\left ( q \right )$ and converts to torque $\tau_{t} $ for contact force control and the formula of the target torque $\tau_{t} $ is expressed as follows.

 

$\tau_{t} = J^{T}\left ( q \right )G_{F}(f_{d} - f_{e}) \hspace{20em} (3)$

 

[그림1]은 토크제어 기반의 매니퓰레이터를 이용한 힘 제어기의 블록선도를 나타낸다. 힘 제어기 $G_{F}$는 다양한 제어기로 설계할 수 있으며, 비례적분(PI) 제어기도 사용 가능하다.

 

[Figure 1] shows a block diagram of a force controller using a torque control-ased manipulator. The force controller $G_{F}$ can be designed with various controllers, and a proportional integral (PI) controller can also be used.

 

그림1 - 토크제어 기반의 매니퓰레이터를 이용한 힘 제어기 블록선도 Figure 1 - Block diagram of force controller using torque control based manipulator