[논문 리뷰] Mechanical Design of a Cartesian Manipulator for Warehouse Pick and Place

M. McTaggart, Douglas Morrison외 9명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 03.

Robot Manipulation and Learning참고 문헌 9인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 창고의 피킹-플레이스 작업을 위한 손목 관절을 갖춘 카르테시안 조작기를 제안한다. 주로 수직 운동에 국한하고 종단 기구 구성 공간 내 이질성 경계를 제한함으로써, 디자인은 특이점과 궤적 불연속성을 최소화하여, Baxter나 UR-5와 같은 관절형 로봇에 비해 더 단순하고 안전한 운동 계획을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Robotic manipulation and grasping in cluttered and unstructured environments is a current challenge for robotics. Enabling robots to operate in these challenging environments have direct applications from automating warehouses to harvesting fruit in agriculture. One of the main challenges associated with these difficult robotic manipulation tasks is the motion planning and control problem for multi-DoF (Degree of Freedom) manipulators. This paper presents the design and performance evaluation of a low-cost Cartesian manipulator, Cartman who took first place in the Amazon Robotics Challenge 2017. It can perform pick and place tasks of household items in a cluttered environment. The robot is capable of linear speeds of 1 m/s and angular speeds of 1.5 rad/s, capable of sub-millimetre static accuracy and safe payload capacity of 2kg. Cartman can be produced for under 10 000 AUD. The complete design is open sourced and can be found at http://juxi.net/projects/AmazonRoboticsChallenge.

연구 동기 및 목표

• 창고 자동화에 사용되는 관절형 조작기에서 운동학적 특이점과 궤적 불연속성의 문제를 해결하기 위해.
• 종단 기구 구성 공간 내 이질성 경계를 제한함으로써 운동 계획 중 무한한 관절 속도 발생 위험을 줄이기 위해.
• 문제적인 회전 구성 상태를 피하는 조작기 설계를 통해 운영 안전성과 계획 단순성을 향상시키기 위해.
• 기계적 설계 선택을 통해 특이점 영향을 최소화하면서도 넓은 효과적 작업 영역을 유지하기 위해.

제안 방법

• X, Y, Z 방향 운동을 위한 기계적 관절을 갖춘 카르테시안 조작기 설계와 함께 종단 기구의 방향 조절을 위한 손목 관절을 통합하기 위해.
• 손목 관절의 운동 범위를 제한하여 종단 기구의 구성 공간 내 임계 이질성 경계를 통과하는 것을 방지하기 위해.
• 이질성 지도 분석을 통해 Cartman의 설계를 Baxter와 UR-5와 비교하여, 관절 속도가 발산할 수 있는 영역을 규명하기 위해.
• 종단 기구의 운동을 수직 궤적으로 제한하여 이질성 경계를 통과하는 것을 방지함으로써 불안정성 위험을 제거하기 위해.
• 전축 운동을 지원하기 위해 선형 레일을 갖춘 기계적 기초를 구현하여 구조적 강성과 정밀도를 확보하기 위해.
• 카르테시안 워크스페이스를 활용하여 수직 운동과 회전 특이점 간의 분리 구현을 통해 궤적 계획을 단순화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Baxter나 UR-5와 같은 관절형 로봇에서 종단 기구 구성 공간 내 이질성 경계가 운동 계획에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 기계적 설계가 로봇 조작기에서 운동학적 특이점과 궤적 불연속성의 발생을 어느 정도 제한할 수 있는가?
• RQ3 손목 관절을 갖춘 카르테시안 조작기가 창고 환경의 피킹-플레이스 작업 중 무한한 관절 속도 발생 위험을 줄일 수 있는가?
• RQ4 카르테시안 조작기와 관절형 조작기 설계 간에 작업 영역 효율성과 특이점 회피 사이의 상충 관계는 무엇인가?
• RQ5 손목 회전 제한이 실제 창고 응용 분야에서 운동 계획의 실용성과 안전성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Cartman의 기계적 설계는 종단 기구 구성 공간 내 이질성 경계를 성공적으로 제한하여 관절 속도가 무한히 증가하는 것을 방지한다.
• 손목 운동을 제한하여 임계 회전 구성 상태를 피함으로써, Baxter나 UR-5와 같은 관절형 로봇에서 흔히 발생하는 궤적 불연속성을 완전히 제거한다.
• 이질성 지도 비교 분석 결과, Cartman의 종단 기구는 Baxter의 왼쪽 그립과 UR-5의 종단 기구에 비해 불안정성 위험이 크게 감소한 것으로 나타났다.
• 로봇가 주로 수직 운동을 수행함으로써 문제적 특이 영역을 통과하지 않기 때문에, Cartman의 운동 계획은 더 단순하고 안전하다.
• 선형 레일 지원으로 인해 기계적 기초가 더 커지기는 하지만, Cartman는 창고 피킹-플레이스 작업에서 안정적이고 예측 가능한 운동학적 거동을 달성한다.
• 기계적 제약 조건을 통해 복잡한 알고리즘 보정에 의존하지 않고도 운동학적 특이점을 효과적으로 완화할 수 있음을 설계가 입증한다.