Interests about autonomous assembly using two or more manipulators in hazardous environment such as deep sea or outer space have been increasing. Uncertainties are inevitable in such environments since it is difficult to construct fixtures to guide motions of robots. These environments are called as unstructured environments. The uncertainties are caused by sensor errors, geometric errors of workpieces, grasping errors, relative positional errors between robots, and so on. This thesis proposes a DES (discrete event systems) method for assembly in the unstructured environment.
Occurrence of various contact states is natural during assembly due to the uncertainty. To successful assembly, the contact states should be adequately planned and controlled according to contact states between workpieces. The assembly process is modeled as a discrete event system of which states and events are defined as contact states and their transitions, respectively. And the target assembly is gradually attained by changing contact states. A primitive contact is defined as a relation of vertex, edge and surface of two workpieces. And the contact states are handled through the primitive contacts.
Two methodologies of the discrete event systems, namely, the Petri net and automata, are used to model, plan, and control the assembly process. For the Petri net, places, transitions, and marking correspond to primitive contacts, events, and contact states, respectively. There is a problem in the Petri net model when representing two more primitive contacts. If some tokens of the Petri net model fire, then infeasible contact states are generated. Auxiliary places and inhibit arcs are individually defined and applied to the ordinary Petri net model to block infeasible flow of tokens. On the other hand, the automata model does not have this problem since a state is considered as packed primitive contacts. But it is not useful in planning motion of robots and modeling templates to identify events. Automata model in this study is modified not to lose the advantages like the Petri net model.
This study also proposes an augmented Petri net that is suitable to control contact states and model the templates considering both the position and force/moment information while it does not lose advantages of the ordinary Petri net. The concept of the primitive distance between moving workpieces is newly introduced in the augmented Petri net. Firing condition is modified to consider sensor information. And the cost of state changes can be computed with the primitive distances.
The DES models are manually obtained in general. It is a time-consuming procedure and some important contact states can be missed. We propose an automatic generation method of the DES model using topology of workpieces. Forward and backward evolutions are used to obtain an initial model that has at least one sequence from an initial state and a goal state. Then it is verified and modified on-line by the proposed model adapting method, which accomplishes the target assembly in case of un-modeled situations. During on-line modification of the model, experiences of assemblies are memorized in the reachability graph of the Petri net model to improve performance of the assembly. The model constructed by this method is more compact and efficient than an off-line model since it approaches to an optimal model having practical states and events after all.
In addition, a motion command to change contact state is considered as a small movement of workpieces to attain a target contact state without breaking a current contact state and avoiding unwanted contact states. A method is also developed to generate motions of two moving workpieces in unstructured environment. This motion planning is formulated as an optimal problem with geometric constraints. A cost function is devised on the concept that all the constraints should be fairly satisfied. Three other cost functions are compared using a simulation example. Our designed cost function shows better performance than the others. The proposed motion planning method is evaluated by simulations on the L-type peg-in-hole assembly.
Quantitative parameters vary from execution to execution but their qualitative values do not change. The qualitative analysis of the force and moment are very useful to identify events. Events in this study are defined as the qualitative variation of the force and moment of two robots, of which models are systematically computed with marking of the Petri net model and primitive contact force vectors. The current contact state is identified indirectly by the event. Plausible events at a current state are compared with sensor signals and identified as similar one as the sensor signals. If the event is wrong, then an unsuitable motion is applied. After all, the assembly task must be failed. Trajectory of the plausible events is used to avoid the failure. Events are determined by monitoring plausible event sequences from an initial state to a current state.
The proposed DES methods are testified and verified with simulations on L-type peg-in-hole assembly. Then, experiments are performed on the round and L-type peg-in-hole assemblies by using a two-arm robot system that consists of five and six degrees-of-freedom manipulators with wrist force/moment sensor. Results of simulations and experiments show that the assembly can be accomplished without helps of human operator in case of unmodeled situation
심해나 우주공간과 같은 비구성 환경에서 두 팔 이상의 로봇을 이용한 작업에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 환경에서는 로봇 모션을 지시할 고정구를 설치하기 어렵기 때문에 센서 오차, 부품의 치수 오차, 로봇 간의 상대 위치 오차 등으로 인한 로봇 위치의 불확실성이 작업 완성에 큰 영향을 미친다. 본 연구는 비구성 환경에서 조립 작업을 위한 이산이벤트시스템적 접근 방법을 이용하여 조립 상태 모델화, 조립 계획, 온라인 모델 적응, 모션 계획 및 상태 판별을 체계적으로 수행할 수 있는 방법론을 제안하는 것이 목적이다.
조립 상태 모델화를 위해서 이산이벤트시스템의 모델화 및 제어에 사용되는 페트리넷 (Petri net)을 적용하였다. 제안된 방법에서 조립 상태는 두 부품의 꼭지점, 모서리, 면의 쌍으로 이루어진 기본 접촉 (primitive contact)의 집합으로 정의한다. 기본 접촉에 페트리넷 플레이스 (place)를 대응시키면, 조립 상태는 페트리넷 마킹 (marking)으로, 상태 변화는 트랜지션 (transition)으로 모델화 된다. 접촉 상태는 페트리넷의 도달 가능 그래프를 이용해서 파악하며 계획할 수 있다. 또한, 확장된 페트리넷 모델은 기존의 페트리넷이 다중 접촉 시 무의미한 접촉 상태가 발생할 수 있는 문제점을 가능 조건 (enable condition)을 확장하여 해결하였으며, 또한 기본 거리 및 기본 접촉 힘을 도입하여 센서 정보를 효과적으로 다룰 수 있도록 하였다. 부품의 위상 정보를 이용하면 기본 접촉으로부터 가능한 다른 기본 접촉을 예상할 수 있다. 본 연구에서는 이점을 이용하여 기본 접촉을 점차적으로 확장해서 전체 페트리넷 모델을 구하였다. 모델 확장 시에 정방향 및 역방향 탐색을 동시에 이용하여 빠르게 페트리넷 모델을 생성하였다. 이렇게 구해진 페트리넷 모델은 온라인 모델 적응 방법을 통해 검증되고 수정된다.
상태를 변화시키는 모션 계획은 이산이벤트시스템적 관점에서 보면 현재의 기본 접촉을 유지하는 상태로 불필요한 기본 접촉을 피하며, 새로운 기본 접촉을 만들어 내는 것으로 생각할 수 있다. 제안된 모션 계획법은 접촉 상태의 변화의 추상적인 명령을 두 부품의 움직임을 고려한 연속적인 제한조건으로 모델화하였으며, 목적함수를 새롭게 제안하여 최적의 모션을 구하였다. 또한, 제한조건 사이의 충돌로 인하여 최적 해를 구할 수 없는 경우에, 기본 거리를 이용하여 이 문제를 체계적으로 해결하는 방법을 제안하였다.
상태 변화 시 두 팔 로봇 끝 단의 센서에서 측정되는 힘과 모멘트 변화의 정성적인 경향이 비슷하다는 것을 이용하여 힘과 모멘트의 정성적 변화로 이벤트를 정의하고, 조립 상태를 간접적으로 파악하도록 하였다. 정성적 이벤트 모델을 페트리넷 모델의 마킹 변화와 기본적 접촉 힘을 이용하여 손쉽게 구할 수 있도록 하였다. 그리고, 기존의 이벤트가 발생한 시점에서 상태를 판별하는 방법은 오류가 발생할 경우 조립 작업을 처음부터 다시 시작해야 하나, 본 연구에서 제안된 다중 단계 이벤트 판별 방법을 사용하면, 현재 상태까지 발생할 수 있는 후보 이벤트 리스트를 대상으로 판별을 수행하기 때문에, 오류를 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.
5축 로봇과 6축 로봇을 이용하여 두 팔 로봇 시스템을 구축하고 원형 및 L펙인홀 작업에 대한 시뮬레이션 및 실험을 통하여 사전에 복잡한 접촉 상태 모델링을 수행하지 않고도 초기 상태와 목적 상태만 주어지면, 모델을 자동으로 생성하여 조립 작업을 수행할 수 있음을 보였으며, 모델 상에 오차가 존재할 경우에 대해서도 스스로 보정하며 목적 상태까지 도달할 수 있다는 것을 보였다. 또한, 확장된 페트리넷 모델이 실제 이벤트 판별에 유용하게 사용될 수 있다는 것을 실험을 통해 검증하였다.
