[논문 리뷰] Task-Space Consensus of Networked Robotic Systems: Separation and Manipulability

Hanlei Wang, Yongchun Xie|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 21.

Distributed Control Multi-Agent Systems인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 관측기 기반 적응 제어기를 제안하여 네트워크화된 로봇 시스템에서 작업공간 일치를 달성하면서 작업공간 속도 측정이 필요 없도록 하며, 관절 속도에 의존하는 관측기와 분산된 운동학적 파ameter 적응 법칙을 활용한다. 주요 기여는 일치 평형의 조정 가능성 측도로써 운동가소성(manipulability)을 체계적으로 정의하고, 운동학적 제어 루프와 동역학적 제어 루프 간의 분리가 가능함을 보여주는 것이다. 이는 폐쇄 루프 저수준 제어기를 갖는 산업용 로봇에의 적용 가능성을 보장한다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the task-space consensus problem for multiple robotic systems with both the uncertain kinematics and dynamics and address two main issues, i.e., the separation of the kinematic and dynamic loops in the case of no task-space velocity measurement and the quantification of the manipulability of the system. We propose an observer-based adaptive controller to achieve the manipulable consensus without relying on the measurement of task-space velocities, and also formalize the concept of manipulability to quantify the degree of adjustability of the consensus value. The proposed adaptive controller employs a new distributed observer that does not rely on the joint velocity and a new kinematic parameter adaptation law with a distributed adaptive kinematic regressor matrix that is driven by both the observation and consensus errors. In addition, it is shown that the proposed controller has the separation property, which yields an adaptive kinematic controller that is applicable to most industrial/commercial robots. The performance of the proposed observer-based adaptive schemes is shown by numerical simulations.

연구 동기 및 목표

• 불확실한 운동학 및 동역학을 갖는 네트워크화된 로봇 시스템에서 작업공간 일치 문제를 해결하기 위해.
• 실제로 노이즈가 심한 흔히 발생하는 작업공간 속도 측정에 의존하지 않도록 하기 위해.
• 일치 평형의 조정 가능성 정도로써 운동가소성을 체계적으로 정의하고 정량화하기 위해.
• 시스템의 불확실성 존재 하에서도 운동학적 및 동역학적 제어 루프 간의 분리를 달성하기 위해.
• 제안된 제어기가 폐쇄 루프 저수준 제어기를 갖는 산업용/상용 로봇에 적용 가능하도록 하기 위해.

제안 방법

• 작업공간 상태를 추정하기 위해 관절 기준 속도만을 사용하고 관절 속도를 사용하지 않는 새로운 분산 관측기를 설계한다.
• 관측 오차와 일치 오차를 모두 기반으로 하는 분산된 적응 운동학 회귀 행렬을 개발하여 운동학적 파라미터를 갱신한다.
• 로봇의 운동학적 불확실성 존재 하에서도 수렴 보장이 가능한 운동학적 파라미터 적응 법칙을 제안한다.
• 작업공간 속도 피드백 없이도 운동학적 및 동역학적 하위계의 분리를 달성하는 적응 제어기를 구현한다.
• 산업용 로봇의 동작을 모방하기 위해 저수준에서 PI 속도 제어기를 사용하며, 적분 작용이 일치 평형에 영향을 미친다.
• 시뮬레이션에서 관절 및 작업공간 상태에 측정 노이즈를 주입하여 시스템의 내구성 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 작업공간 속도 측정이 불가능한 네트워크화된 로봇 시스템에서 어떻게 작업공간 일치를 달성할 수 있는가?
• RQ2 불확실한 네트워크화된 로봇 시스템 맥락에서 운동가소성의 체계적 정의는 무엇인가?
• RQ3 운동학적 및 동역학적 제어 루프를 일치 유지 및 적응 가능성 유지 가능하게 분리할 수 있는가?
• RQ4 운동학적 제어기의 이득과 저수준 PI 제어기의 이득이 일치 평형 조정 능력에 어떻게 공동으로 영향을 미치는가?
• RQ5 측정 노이즈가 관절 및 작업공간 상태에 존재할 경우, 제안된 제어기가 얼마나 견고한가?

주요 결과

• 제안된 관측기 기반 적응 제어기는 운동학 및 동역학적 불확실성이 존재하더라도 작업공간 속도 측정이 필요 없이 작업공간 일치를 달성한다.
• 시스템은 운동학적 및 동역학적 제어 루프의 분리를 달성하여 폐쇄 루프 저수준 제어기를 갖는 로봇에의 적용 가능성을 확보한다.
• 시스템의 운동가소성이 체계화되었으며, 외부 힘에 의한 일치 평형 증분에 무한대의 이득이 존재할 경우 강한 운동가소성을 나타내며, 유한한 제어 노력으로도 임의의 조정이 가능함을 보여준다.
• 저수준에서 PI 제어기를 사용할 경우, 적분 이득이 활성화되어 있을 때 일치 위치는 2.3762(K̄I = 10.0I2)이지만, 적분 작용을 제거하면 약 2.59로 증가함을 통해 K̄I 가 평형 조정에 미치는 영향을 입증한다.
• 관절 위치(σ = 0.002 rad), 관절 속도(σ = 0.005 rad/s), 작업공간 위치(σ = 0.01 m)에 정규 분포 노이즈를 주입한 시뮬레이션을 통해 운동학적 제어기가 측정 노이즈에 대해 견고함을 입증한다.
• 수치적 시뮬레이션은 개방 토크 및 폐쇄 제어 아키텍처 모두에서 제안된 방법의 효과성을 확인하며 이론적 주장의 타당성을 검증한다.