This dissertation proposes an approach to motion planning of the bimanual robot carrying out assembly. The assembly process is modeled and planned at the task-level as a sequence of discrete contact states. This task-level assembly plan is, then, converted automatically to the lower-level motions in terms of velocity commands. Motion of the bimanual robot is planned to satisfy these requirement among other constraints.
The approach employs an adaptive assembly model which is updated on-line to accommodate and handle states and transitions which are not modeled a priori. Assembly planning of the workpieces is formulated as a constrained minimization problem using the assembly constraints and positions of the workpieces. The assembly plan in symbolic transitions is converted to motions of the workpieces based on the cost function to exploit the task compatibility and redundancy of the bimanual robot, and to maximize control performance.
The method to convert the symbolic transitions to the numerical constraint equations, in the form of equalities and inequalities, is developed. The target assembly is gradually attained by changing contact states. The transition of the state is represented as a process that acquires target primitive contact and avoids a set of unwanted primitive contact while maintaining current primitive contact. In addition to the geometric information, physical condition of the bimanual robot system is added as the constraint of the optimization problem in the motion planning stage. This dissertation proposes the limitation conditions, the relative motion condition, and the joint limit condition.
The task-compatibility-based motion planning is proposed to exploit redundancy of the bimanual robot and to maximize control performance. The assembly motion is executed along the direction to maximize the performance indices so that the control performance of the two manipulators is improved. The robot fairy satisfies control direction of both position and force through performance index. Therefore, each robot can avoid singularity. The cost function is optimized to resolve the redundancy, and determine the better motion command of the two manipulators.
The motion command of the workpieces derived from the optimization process is modified and transformed to the command of the bimanual robot. The control scheme of the bimanual robot for the assembly task is based on hybrid position-force control. The modified command with respect to the local frame of each workpiece is transformed to the command with respect to the frame of end-effector and the base frame of robot, consecutively. The causality of bimanual assembly task is analyzed to determine force control scheme of bimanual robot. It is transparent when one robot controls force and the other robot controls position along the normal direction of contact point. The hierarchical coordination scheme is proposed to control the bimanual robot. Therefore, assembly task can be realized in the real bimanual robot system without any manual motion planning.
The proposed method provides a practical solution beyond the previous researches on the bimanual robotic assembly in that the kinematics of the bimanual robot is fully considered and exploited to generate the actual commands for the robot. The proposed motion planning approach is evaluated with simulation and experiment using an L-shaped peg-in-hole assembly. The bimanual robot system is constructed to execute cooperative robotics task. It consists of two six degrees of freedom manipulators with six degrees of freedom force/moment sensor. The results of experiments show that the assembly can be accomplished from the motion command derived form the developed motion planner.
본 논문은 양팔을 이용하는 조립 작업에 있어서 로봇의 운동 계획법을 제안하고자 한다. 주어진 로봇 작업을 로봇에 적용하기 위해서는 부품의 기하학적인 정보를 이용하여 부품의 운동을 계획하고 부품의 운동을 로봇의 명령으로 변환하기 위한 방법이 필요하다. 그리고 작업의 실제 구현을 위한 양팔 로봇의 제어 방법과 협동 방법에 대한 연구가 필요하다.
3차원에서 다면체 부품의 조립작업을 두 부품의 꼭지점, 모서리, 면의 쌍으로 이루어진 기본 접촉 (Primitive contact)의 집합으로 정의하고 두 부품 사이의 관계를 거리 함수 (Distance function) 로 나타낸다. 작업 레벨 (Task-level) 에서의 부품의 이동을 등식과 부등식의 조합으로 수식적으로 표현하고 가치 함수 (Cost function) 을 제안하여 부품의 운동 계획법을 최적화 문제로 표현한다. 이 최적화 문제로부터 로봇의 기구학을 고려하여 부품의 운동 명령을 구한다.
두 부품의 운동 명령을 좌표 변환을 통해 각 로봇의 좌표계에 대한 운동으로 표현한다. 두 부품 조립 작업 중 접촉 상태를 유지하기 위하여 양팔 로봇에 대한 힘 제어 방법을 제안한다. 접촉 방향에 대한 각 로봇의 제어 방법을 고려하여 안정화된 힘 제어가 가능한 제어 구조를 제안하였다. 또한 조립 작업에 적합한 계층적 구조의 협동 방법을 제안하여 각 로봇의 제어와 조립 작업의 계획을 독립적으로 수행할 수 있도록 하였다.
양팔 로봇의 정교한 작업을 위하여 Task compatibility 에 기초한 운동 계획 방법을 제안한다. 두 대의 로봇의 성능이 고루 증가할 수 있도록 가치 함수를 제안함으로써 작업 수행 중에도 각 로봇이Singularity 로부터 거리를 유지할 수 있도록 한다. 같은 작업에 대해 하나의 로봇을 사용하는 경우와 두 대의 로봇을 동시에 이동시키는 경우를 비교하여 두 대의 로봇의 경우 두 로봇 Singularity 로부터 멀어질 수 있는 것을 정량적으로 확인하였다.
본 논문은 기존 연구가 부품의 이동 경로 만을 고려하거나 로봇의 제어 방법만을 고려한 것에 반해 부품의 기하학적인 정보를 이용하여 작업레벨로부터 실제 양팔 로봇을 움직이고 제어할 수 있는 운동 명령을 구하는 방법을 제시함으로써 로봇의 운동 계획을 쉽게 할 수 있다는 기여점을 가진다.
두 대의 6축 로봇을 이용하여 계층적인 제어 구조를 가지는 양팔 로봇 시스템을 구축함으로써 로봇을 이용한 협동 작업이 가능하게 하였다. L펙인홀 작업에 대한 실험을 통하여 제안된 운동 계획법을 통해 두 대의 로봇이 동시에 이동하면서 조립 작업을 완성시킬 수 있다는 것을 보였다.
