[논문 리뷰] Maximising Manipulability During Resolved-Rate Motion Control.

Jesse Haviland, Peter Corke|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 27.

Robotic Mechanisms and Dynamics참고 문헌 16인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 제어 효율성을 최소화하면서도 원하는 종단기구 속도를 달성하고 기교를 극대화하는 데 성공한, 재정의된 속도 제어기를 제안한다. 이는 제약 조건이 있는 이차 프로그래밍 내에서 기교 자이로스코프를 활용하여 재량성 있는 직렬 로봇에 적용된다. 이 방법은 기하학적 특성에 가까운 특성에서 기교를 향상시키기 위해 관절 속도를 최적화함으로써 로봇의 민첩성을 향상시킨다.

ABSTRACT

Resolved-rate motion control of redundant serial-link manipulators is commonly achieved using the Moore-Penrose pseudoinverse in which the norm of the control input is minimized. However, as kinematic singularities are a significant issue for robotic manipulators, we propose a Manipulability Motion Controller which chooses joint velocities which will also increase the manipulability of the robot. The manipulability measure has a complex non-linear relationship with the robot's joint configuration and in this paper we derive the manipulability Jacobian which directly relates joint velocities to the rate of change of manipulability. Furthermore, we use the manipulability Jacobian within a constrained quadratic program to create an improved resolved-rate motion controller for redundant robots. The resulting real-time controller provides joint velocities which achieve a desired Cartesian end-effector velocity while also maximising the robot's manipulability. We illustrate and verify our control scheme on several popular serial-link manipulators and provide an open-source library which implements our controller (available at this http URL).

연구 동기 및 목표

• 재량성 있는 직렬 연결 로봇에서 운동학적 특성 문제를 해결하기 위해 운동 제어 중 기교를 향상시키는 것.
• 원하는 종단기구 속도를 달성하면서 동시에 기교를 향상시키는 제어 전략을 개발하는 것.
• 실시간 제어에 활용하기 위한 관절 속도와 기교 변화율 간의 수학적 관계를 유도하는 것.
• 운동 추적과 기교 향상의 두 목표를 동시에 최적화하는 제약 조건이 있는 이차 프로그래밍 기반 제어기를 구현하고 검증하는 것.

제안 방법

• 기교 자이로스코프를 유도하여, 이는 관절 속도를 기초로 기교 변화율을 매핑하는 행렬이다.
• 제어 입력 노름을 최소화하면서 기교 향상을 극대화하는 제약 조건이 있는 이차 프로그래밍을 설정한다.
• 기교 자이로스코프를 재정의된 속도 제어 프레임워크에 통합하여, 기교 향상을 극대화하는 관절 속도 해를 우선시한다.
• 최적화 문제를 실시간으로 해결하여 종단기구 운동과 기교 목표를 모두 충족하는 관절 속도를 생성한다.
• 성능 비교를 위해 모어-펜로즈 가상역행렬을 기준으로 사용한다.
• 공개된 소스 코드 라이브러리를 제공하여, 공개성과 재현 가능성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재량성 로봇의 재정의된 속도 제어 중 기교를 명시적으로 극대화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 관절 속도와 기교 변화율 간의 분석적 관계는 무엇인가?
• RQ3 제약 조건이 있는 이차 프로그래밍이 종단기구 운동 추적과 기교 향상 간의 균형을 효과적으로 달성할 수 있는가?
• RQ4 기하학적 특성 근처에서 제안된 제어기가 기존의 가상역행렬 기반 방법보다 성능이 뛰어나게 작동하는가?
• RQ5 기교 극대화를 실시간 제어에 통합하는 데 있어 계산적 타당성은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 제어기는 실시간으로 원하는 카르테시안 종단기구 운동을 달성하면서도 기교를 향상시키는 관절 속도를 성공적으로 생성한다.
• 기교 자이로스코프는 기초 기교 변화율에 대한 정밀한 제어를 가능하게 하여 직접 최적화 목표를 제공한다.
• 기하학적 특성 근처에서 제어기가 뛰어난 성능을 보이며, 기존의 가상역행렬 방법이 종종 실패하거나 낮은 민첩성을 보이는 상황에서도 유의미한 성능 향상을 보인다.
• 오픈소스 구현은 재현 가능성과 기존 로봇 시스템에의 통합을 가능하게 한다.
• 다양한 직렬 연결 로봇을 대상으로 한 정량적 결과는 운동 추적 정확도를 훼손하지 않으면서도 기교 향상을 확인시켰다.