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Title Page 1

Abstract 5

Contents 7

Ⅰ. INTRODUCTION 16

1.1. RESEARCH BACKGROUND 16

1.2. PROBLEMS OF CONVENTIONAL RESEARCHES 21

1.3. CONTRIBUTION POINTS OF THESIS 22

1.4. OVERVIEW OF THESIS 24

Ⅱ. MULTI-TASK PRIORITY CONTROL AND DISTURBANCE 25

2.1. MULTI-TASK PRIORITY CONTROL 25

2.1.1. Task Definition and Null Space Projection 26

2.1.2. Application of the Null Space Projection to Multi-Task Control 27

2.1.3. Dynamic Consistency and Coupling Prevention 30

2.2. DISTURBANCES OF SYSTEM 32

2.2.1. Physical Disturbance 32

2.2.2. Hierarchical Disturbance 34

2.3. DISTURBANCE OBSERVER BASED APPROACH 36

2.3.1. Disturbance Observer 36

2.3.2. Workspace Observer and Multi-Task Control 37

Ⅲ. ROBUST MULTI-TASK CONTROL FRAMEWORK WITH HIERARCHICALLY DECOUPLED DISTURBANCE OBSERVER 42

3.1. HIERARCHICALLY DECOUPLED TASK SPACE 42

3.1.1. Space Projection by Jacobian Matrix 42

3.1.2. Hierarchically Decoupled Task Space Projected by Prioritized Jacobian Matrix 43

3.1.3. Hierarchical Disturbance in Hierarchically Decoupled Task Space 46

3.2. HIERARCHICALLY DECOUPLED DISTURBANCE OBSERVER 50

3.2.1. Disturbance Observer Design in Hierarchically Decoupled Task Space 50

3.3. 3-STEPS HIERARCHICAL TASK CONTROLLER 53

3.4. STABILITY ANALYSIS 56

3.4.1. Stability Analysis of First Hierarchical 57

3.4.2. Stability Analysis of Hierarchical Below the Second 61

3.5. EXPERIMENTAL VALIDATION 63

3.5.1. Experimental Setting 63

3.5.2. Experimental Result 65

3.6. SUMMARY AND CONCLUSION 71

Ⅳ. ROBUST MULTI-TASK CONTROL FRAMEWORK WITH COMPLIANT MOTION 74

4.1. COMPLIANT MOTION GENERATION 74

4.1.1. Impedance Control 74

4.1.2. Force Feedback Impedance Control 76

4.1.3. Disturbances and Force Feedback Impedance Control 77

4.2. INTEGRATION OF ROBUST MULTI-TASK CONTROL AND COMPLIANT CONTROL 78

4.2.1. Disturbance Selectivity of the Disturbance Observer 78

4.2.2. Robust Compliant Motion Control 81

4.2.3. Extension to Robust Multi-Task Compliant Motion Control 86

4.3. EXPERIMENTAL VALIDATION 87

4.3.1. Experimental Setting 87

4.3.2. Arbitrary Touch on End Effector 89

4.3.3. Experimental Result: the Disturbance Selectivity of the Disturbance Observer 92

4.3.4. Experimental Result: Contact with Environment while Tracking Position Reference 94

4.3.5. Experimental Result: Arbitrary Contact in Fixed Equilibrium Point 96

4.4. SUMMARY AND CONCLUSION 98

Ⅴ. CONCLUSION AND RECOMMANDATION 99

5.1. INTEGRATED ROBUST MULTI-TASK PRIORITY CONTROL WITH COMPLIANT MOTION 99

5.2. CONCLUSIONS 101

5.3. DISCUSSION AND RECOMMENDATIONS 104

5.3.1. Limited Cut-off Frequency of the Q-filter 104

5.3.2. Dependency of the Method to Measure the Interaction Force 106

References 107

요약문 122

List of Tables 10

Table Ⅲ.1. The average position (AP) from 5s to 11s with different control algorithms 67

Table Ⅲ.2. The steady-state error(SSE) with different control algorithms 68

Table Ⅲ.3. RMSE of the tasks 68

Table Ⅲ.4. RMS of the impacted acceleration of the task from the hierarchical disturbance 69

Table Ⅳ.1. The RMS of rendered impedance 97

List of Figures 11

Figure Ⅰ.1. The limitation of the conventional methods in achieving both tracking performance... 21

Figure Ⅱ.1. Simple illustration of projecting the task into the null space 27

Figure Ⅱ.2. Illustration of multi-task execution example of a redundant robot 29

Figure Ⅱ.3. Illustration of the impact of physical disturbances (a) Effect of the friction (b)... 33

Figure Ⅱ.4. Example of the situation when the null space projection is designed with modeling... 34

Figure Ⅱ.5. Illustration of the uncertainty's impact on multi-task priority control. The left... 35

Figure Ⅱ.6. Block diagram of the WOB-based multi-task control with dual tasks in a single... 39

Figure Ⅱ.7. The response of the WOB-controlled robot (a) The multi-task response of the... 40

Figure Ⅱ.8. Block diagram of the recommended robust multi-task control with dual tasks in a... 41

Figure Ⅲ.1. Space configurations with prioritized Jacobian matrix 43

Figure Ⅲ.2. Block diagram of the HDDOB for hierarchy level i in the hierarchically decoupled... 51

Figure Ⅲ.3. Block diagram of the proposed 3-STEP robust multi-task priority control frame-... 54

Figure Ⅲ.4. Block diagram of the proposed hierarchical task controller 55

Figure Ⅲ.5. General illustration of the forward invariance of the Lyapunov function 60

Figure Ⅲ.6. Experimental setting for validating hierarchical disturbance. (a) Configuration of... 64

Figure Ⅲ.7. Experimental result of the experiment, representing the setting for validating... 66

Figure Ⅲ.8. Experimental result in terms of position error. (a) Errors of the end-effector (the... 67

Figure Ⅲ.9. Experimental result. Acceleration of the effectors from the first to fifth graphs... 70

Figure Ⅲ.10. Experimental result. (a) Impacted acceleration of the end-effector which is... 71

Figure Ⅲ.11. Enlarged impacted acceleration of the tasks from the hierarchical disturbance in... 72

Figure Ⅳ.1. Block-diagram of the conventional impedance control 74

Figure Ⅳ.2. Block-diagram of the force-feedback impedance control 75

Figure Ⅳ.3. Illustration of the purpose of the impedance control (a) Free motion case (b)... 77

Figure Ⅳ.4. Illustration of the impact of physical disturbances (a) Free motion case (b) Contact... 77

Figure Ⅳ.5. Block-diagram of the conventional motion-based disturbance observer 78

Figure Ⅳ.6. The contact problem due to the disturbance selectivity of the disturbance observer... 81

Figure Ⅳ.7. Block-diagram of the disturbance observer for rendering impedance in a contact... 82

Figure Ⅳ.8. Block-diagram of the disturbance observer for rendering impedance in the contact... 83

Figure Ⅳ.9. Block-diagram of the disturbance observer for rendering impedance in a contact... 84

Figure Ⅳ.10. Block diagram of the robust multi-task compliant motion control framework (a)... 86

Figure Ⅳ.11. Experimental setting forevaluating the performance of the impedance rendering 88

Figure Ⅳ.12. The result of the impedance response of arbitrary contact experiment (a) Result... 90

Figure Ⅳ.13. Impedance force result of impedance control without HDDOB 91

Figure Ⅳ.14. Impedance force result of position control with HDDOB 91

Figure Ⅳ.15. Impedance force result of compliant motion control with the HDDOB 91

Figure Ⅳ.16. Experimental result of contact with the environment while tracking motion ref-... 92

Figure Ⅳ.17. The panoramic view of the result of the experiment (a) Result of HDDOB... 93

Figure Ⅳ.18. Experimental result of contact with the environment while tracking motion... 95

Figure Ⅳ.19. Experimental result of contact with arbitrary touch in without disturbance ob-... 96

Figure Ⅳ.20. Stiffness rendering performance of the HDDOB of several experiment settings 97

Figure Ⅴ.1. Integrated robust multi-task priority control with compliant motion 99

Figure Ⅴ.2. Demonstration of evaluating decoupling performance (a) Panoramic view of the... 100

Figure Ⅴ.3. Results of the blowing balloon experiment. The left graph denotes the result... 101

Figure Ⅴ.4. Demonstration of a human collision while tracking position (a) Panoramic view of... 102

Figure Ⅴ.5. Drawn trajectory for demonstration in Figure V.4. The green circled part denotes... 103

초록보기

 로봇이 인간과 독립적으로 작동해야 했던 과거에서부터 로봇이 인류와 함께 작업을 수행해야하는 미래로 나아가면서 로봇과 인간의 공유 작업 공간에서 안전한 접촉을 보장하기 위한 관심과 우려가 커져가고 있다.

이러한 우려를 해소하기 위해서 하중 대 중량 특성이 낮고 탄성이 있는 협력 로봇으로 대표되는 하드웨어 접근 방식이 제안되어 왔다. 그러나 이러한 시도는 로봇의 유연성으로 인한 제어 한계와 복잡성으로 이어졌고 로봇의 실제 구동을 위한 제어기 설계를 방해하는 한계를 낳았다. 이를 해결하기 위해서 제안되고 있는 소프트웨어 접근 방식에는 계적 계획 방법이나 학습 방법을 통한 충돌 회피 및 하이브리드 힘/위치 제어 또는 임피던스 제어로 충돌에 반응하는 방법이 있다.

이러한 방법들은 충돌 단계에 따라 구별 되는데, 충돌 전 단계에서 충돌을 피하는 방법, 충돌 전 단계에서부터 충돌 후 단계의 반응까지를 제어하기 위한 힘/위치 하이브리드 제어, 충돌 당시와 충돌 후의 로봇의 반응을 설계하는 임피던스 제어들이 주로 사용되어 왔다. 우선, 로봇과 사람이 충돌하기 전에 피하는 방법은 완벽하게 안전을 보장할 수 있어 보이지만 충돌 감지의 필요성(한 예로는 로봇과 인간 사이의 충돌을 포착하기 위해 여러 카메라가 필요하다.) 으로 인해 일상 생활에서의 작업 공간과 같이 제어되지 않는 환경에 적용할 수 없다. 따라서 충돌 시의 안전을 감작스럽고 다양한 환경에서 보장하기 위해서는 충돌 당시 반응과 충돌 후 단계에 초점을 맞춘 임피던스 제어가 강조되어야 한다. 임피던스 제어는 로봇을 설계된 임피던스로 제어하기 위해 제안되었는데, 특히 낮은 임피던스 렌더링으로 접촉 지점에서 작은 상호 작용 힘만을 발생시킬 수 있다. 하지만, 외란과 불확실성은 추적 성능과 임피던스 렌더링 성능을 심각하게 저해시킨다. 또한, 기존의 임피던스 반응은, 단 자유도 기반으로 적용되어 왔기 때문에, 접촉이 발생했을 시 설계된 임피던스에 따라 멈출 수 있으나, 수행하던 작업과 동시에 접촉에 대한 반응을 제공할 수 없었다.

따라서, 본 논문은 로봇이 수행하던 작업과 접촉 시 접촉 반응을 동시에 수행하면서, 외란과 불확실 성이 있는 환경에서 정확한 위치 추적과 안전한 접촉을 구현할 수 있는 제어기를 제안한다. 먼저 계층적으로 분리된 외란 관찰자를 사용한 강인한 다중 작업 제어를 이용하여 기존의 외란 관측기를 사용하는 다중 작업 제어가 불가능한 계층 간 왜란을 해결한다. 그 과정에서 다중 작업 시 커플링을 발생시키지 않기 위해 영 공간 분리 특성을 고려하는 외란 관찰자를 설계한다. 또한, 외란 관찰자가 설계된 개념 공간에 상응하는 제어 레퍼런스 설계를 위해 3단계 제어 프레임 워크를 제안한다. 제안되는 제어 프레임워크는 다양한 이론적 분석, 안정성 분석 및 실험들을 통해 성능이 검증된다.

또한, 제안된 강인 다중 작업 제어는 갑작스럽고 예측되지 않은 접촉 상황에서의 안전성을 확보하기 위해 임피던스 제어로 확장된다. 힘 피드백 기반의 유연 동작 제어 레퍼런스를 사용하는 계층적 제어 프레임워크를 통해 접촉 지점에서의 직관적 임피던스를 렌더링을 구현할 수 있다. 마지막으로 여러 실험과 데모를 통해, 자유로운 모션 공간에서 정확한 위치 제어와 접촉 공간에서 정확하고 낮은 임피던스 렌더링을 위해 제안된 전체 제어 프레임워크의 성능을 검증한다.

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