The highlight of this work is the holistic dual-arm control strategy for asymmetric bimanual tasks (ABTs). This is inspired by a study on roles of human bimanual action---Guiard’s three principles.
Firstly, we present a new concept, called relative impedance control, to create a control of two manipulators in a dual-arm system as an equivalent single manipulator under impedance control. This begins with an insight from an analogy between the Guiard’s first and third principles and a relative Jacobian. It results in a simple and convenient task specifications referenced at the end-effector of the equivalent single manipulator. An asymmetric bimanual task of a dual-arm system in real-time control is used to show the efficacy of the proposed controller, where the one arm (tool robot) writes a word on a board manipulated by the other arm (reference robot). Integrating concepts of time-delay estimation and ideal velocity feedback contributes to the ease of implementation for a dual-arm system.
Secondly, we propose a new formulation of a task-prioritized control strategy to conduct multiple, conflicting tasks. Critical to the proposed method is the use of relative Jacobian that creates ample degrees-of-redundancy to the dual-arm system. We formulate an acceleration-level redundancy resolution by using the task-prioritization scheme, and present a new control law that combines the task-prioritization and relative impedance control. The physical implementation uses a tool robot that draws a circle on the board attached to the reference robot, such that intentional conflict among subtasks is induced. The experimental results show that when such conflict occurs, the higher priority task is guaranteed an accurate execution without influence from the lower priority task.
Thirdly, we propose a human-inspired cost function to endow dual-arm system performing an ABT with useful self-motion. This is based on the Guiard’s second principle which addresses the different capabilities of the two hands for resolution of movements, that is, coarse motion and fine motion. The cost function is composed by coordinate-transformed task-compatibility indices which are newly derived here. It provides optimal dual-arm configurations which reflect that one arm performs coarse motion, whereas the other performs fine motion; and it is useful for dual-arm system to perform an ABT including interactions between two end-effectors.
Finally, we provide the total control equation with integration of relative impedance control, task prioritization for multiple, conflicting tasks, and the cost function for ABTs. This holistic human-inspired control strategy is verified by the bimanual writing task with multiple subtasks. Furthermore, we present a study for assignment of minimum degrees-of-freedom to tasks. This helps to leverage the degrees-of-redundancy of the dual-arm system. Through extensive experiments, we confirms that the degrees-of-redundancy resulted from the assignment of minimum degrees-of-freedom contributes to the self-motion with a useful performance criteria.
본 논문은 듀얼암 로봇이 비대칭적 양팔 작업을 수행하기 위한 통합적인 동역학 제어 전략을 제안하는 것을 목표로 한다. 비대칭적 양 팔 작업은, 양 팔로 어떤 작업을 수행할 때에 한 팔이 기준이 되어 다른 한 팔이 그에 대해 상대적으로 움직이는 작업을 말한다. 이는 양 팔을 함께 이용해서 수행할 수 있는 많은 작업들 중에서도 가장 많은 비중을 차지 한다고 알려져 있다. 이러한 작업을 로봇으로 구현하기 위해서는, 복잡한 두 팔의 궤적을 코디네이션(coordination)하는 문제, 두 팔의 끝 단(End-effectors) 간의 빈번한 접촉을 다루는 문제, 그리고 듀얼암 시스템의 여유 자유도를 다루는 문제가 매우 중요하다.
이 연구에서는 사람이 양 팔을 움직일 때 관찰 되는 행동 법칙인 `Guiard의 세가지 법칙`을 기반으로 하여, 위에서 언급한 문제들을 효과적이면서도 직관적으로 해결할 수 있는 듀얼암 로봇의 제어 방법을 개발하였다. 먼저 두 팔 사이의 상대 움직임을 위한 양 팔의 궤적을 보다 쉽게 생성하는 것과 동시에 두 팔 사이의 접촉을 효과적으로 다룰 수 있는 방법으로서 상대 임피던스 개념을 제안하였다. Guiard의 첫 번째, 세 번째 법칙과 상대 자코비안(relative Jacobian)간의 개념적인 유사성을 기반으로 하여, 사용자 입장에서 쉽고 직관적으로 작업 구현을 가능케 했다. 여기에 시간 지연 추정(time delay estimation)과 이상 속도 궤환(ideal velocity feedback)을 적용함으로써 듀얼암 시스템의 동역학적 모델링 없이도 강인하고 정확한 제어 성능을 보인다. 두 번째로는, 듀얼암 로봇 시스템을 위한 새로운 작업 우선 순위 제어 방법을 제안하였다. 이 방법은 여유 자유도를 활용하여 여러 개의 작업을 동시에 수행할 수 있으며, 다중 작업 간의 충돌(conflict)가 발생할 때에는 우선 순위에 따라 작업이 수행되므로 효과적이다. 또한 가속도 수준에서의 여유 자유도 해를 구하였기 때문에, 힘 혹은 임피던스 제어와 같은 동역학 제어 법칙에 적용이 가능하다. 세 번째로는, 휴먼 인스파이어드(Human-inspired) 비용 함수를 제안하였다. 이 비용 함수는 듀얼암 로봇의 셀프 모션(self-motion)이 Guiard의 두 번째 법칙을 반영하는 최적의 자세를 갖도록 하는 것을 목적으로 하는데, 기준 팔은 coarse motion에 적합한 자세로, 그리고 상대 움직임을 갖는 팔은 fine motion에 적합한 자세로 최적화 된다. 최종적으로는, 앞에서 언급한 상대 임피던스 제어, 작업 우선순위, 휴먼 인스파이어드 비용 함수가 통합된 듀얼암 제어기를 제안하였다.
본 연구에서는 제안된 방법의 실험적 검증을 위해, 두 대의 6자유도 산업용 로봇을 2 ms의 샘플링 시간으로 전류 제어가 가능한 Linux-RTAI 기반의 실시간 제어 시스템을 개발하였다. 그리고 비대칭적 양 팔 작업 중의 한 가지인 양 팔을 이용한 글씨쓰기 작업을 실제 로봇 시스템에서 실현함으로써 그 유효성을 실험적으로 증명하였다. 사용자 입장에서는 복잡한 두 팔의 궤적과 두 끝 단 사이의 임피던스를 간단하게 구현하면서도, 모델링 없이도 정확하고 강인한 궤적 추종 성능 및 임피던스 구현 성능을 가짐을 확인하였다. 또한 작업 우선 순위 덕분에 서로 충돌하는 다중 작업들을 효과적으로 수행할 수 있었으며, 휴먼 인스파이어드 비용함수가 듀얼암 시스템이 양 팔 사이의 빈번한 접촉을 갖는 작업을 보다 정확하게 수행할 수 있도록 자세를 최적화해 준다는 것을 확인하였다.
