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Continuous Task Transition Approach Based on Hierarchical Quadratic Programming for Flexible Prioritization of Robots
다양한 로봇의 다중 작업 수행을 위한 계층적 2차계획법 기반 작업전환기법

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Authors
김상현
Advisor
박재흥
Issue Date
2020
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :융합과학기술대학원 융합과학부(지능형융합시스템전공),2020. 2. 박재흥.
Abstract
Humans have the ability to flexibly handle a variety of tasks in daily life, such as walking on the phone or drinking coffee while driving. Therefore, one of the main goals in current robotics research is to give various robots human-like capabilities. In fact, this is also one of the essential prerequisites for future robots to play in dynamic and unpredictable situations such as dangerous disaster rescue scenarios and social service. Since robots with high Degree of Freedom (DoF) such as mobile manipulators and humanoids have been gaining more and more attention over the last few decades, handling multiple high-priority control targets at the same time is especially important in robotic systems. However, although extensive researches for controlling multiple objectives, there is no general control method in order to handle a flexible priority, such as dynamically inserting new high-level tasks to a robot that performs a given task. Therefore, the main purpose of this thesis is to propose a optimal controller that performs multiple tasks with priorities simultaneously, rearranges those priorities smoothly, and enables robots to efficiently ensure stable execution of various robots.

More specifically, a continuous task transition method by using Hierarchical Quadratic Programming (HQP) based controller to insert, remove, and rearrange arbitrary tasks without discontinuity of control inputs is proposed in the thesis. Although General HQP based controller can effectively calculate optimal solutions for strictly prioritized tasks, the continuity of the control inputs is not guaranteed if the priorities of the tasks are dynamically changed while the robot is operating. However, the proposed control scheme with activation parameters ensures smooth task transition because this parameter can interpolate feasible solution area between new and existing tasks without modifying the control structure. The proposed approach is applied to various task transition scenarios including joint limit, singularity, and obstacle avoidance to guarantee stable execution of the robot. The proposed control scheme has been implemented on a 7-DoF robotic arm, and its performance is demonstrated by the continuity of control input during various task transition scenarios.

Then, the proposed continuous task transition method have been extended to a social robot with a non-holonomic mobile manipulator and a tele-operation system with a robot hand in order to increase capabilities of these robots. First, a whole-body controller of the non-holonomic mobile manipulator is developed for achieving complex task effectively in various fields including service and industrial robotics. Because the proposed controller is designed based on HQP, the controller can deal with both equality and inequality tasks. Moreover, by applying the continuous task transition strategy, our controller can compute the continuous control input when the priorities of the tasks are changed. The proposed control frameworks with the non-holonomic mobile manipulator have been validated by various experiments with both robotic simulator and real system.

Second, a tele-operation system with the robot hand is developed with the concept of the postural synergy and the continuous task transition method. This tele-operation frameworks mainly consists of three parts: Postural synergy extractor, grasping force estimator, and the synergy-level controller. As a postural synergy extractor, we use a tensor algebra to represent a multi-factor model relevant to different individuals and motions in multiple dimension. Therefore, the synergies extracted by the proposed algorithm can account for not only various grasping motions but also the different characteristics of different people. On the other hand, the grasping force estimator can estimate the grasping forces of the operator by using surface Electromyograph (sEMG) signals. Similar to the postural synergy extractor, the estimator uses a multi-factor model in the tensor space in order to represent not only a relationship between grasping force and sEMG signals but also grasping force and various arm postures. Finally, the synergy-level controller is developed by using the system modeling with the postural synergies of the robot hand and the continuous task transition method. The proposed controller can not only imitate the motion of the operator but also perform in-hand manipulation to grasp an object firmly.

As a result, this dissertation presents a controller that can effectively interact with the unpredictable dynamic environment of various existing and future robots that will have more capabilities.
인간은 운전을 하면서 전화를 받거나 걸으면서 커피를 마시는 등 일상 생활에서 여러 가지의 업무들이나 제한조건들을 유연하게 우선순위하여 수행할 수 있습니다. 그러므로, 현재 로봇 연구에서의 주된 목표 중 하나는 로봇에게 인간과 같은 능력을 부여하는 것입니다. 이는 위험한 재난 구조 시나리오와 같이 동적이고 예측하기 힘든 상황에서 미래의 로봇이 활약할 수 있는 필수적인 전제조건 중 하나입니다. 지난 수십년동안 모바일 메니퓰레이터와 휴머노이드와 같은 로봇들이 점점 더 주목 받고 있다는 점에서 우선 순위가 높은 여러 제어 목표를 동시에 추종하는 것은 특히 다자유도 로봇 시스템에서 중요합니다. 특히, 최근 로봇 공학과 메카트로닉스의 발전으로 다목적성을 구하는 차세대 로봇들 또한 등장하고 있습니다. 그러므로, 본 논문의 목적은 그러한 로봇 시스템에 충돌 가능한 목표에 대해 우선 순위를 최적화하고, 그러한 우선 순위를 부드럽게 재배열하여, 로봇이 다양한 목적을 효율적으로 처리하는 제어기의 제시하는 것입니다. 정해진 업무를 수행하는 로봇에 동적으로 새로운 상위 업무를 부여하는 등의 유연한 우선 순위 체계를 지닌 제어기는 지난 수십년 동안 광범위하게 연구되었음에도 불구하고 아직까지 일반적으로 해결되지 않았다는 점에서 본 논문의 학술적 기여가 있습니다.

먼저 본 학위논문에서는 계층적 2차계획법 (Hierarchical Quadratic Programming) 기반 유연한 우선 순위 처리를 위한 연속 작업 전환 기법을 제시합니다. 일반적인 계층적 2차계획법은 엄격하게 우선 순위가 지정된 작업에 대해 솔루션을 효과적으로 계산할 수 있습니다. 그러나, 로봇이 동작하는 동안 우선 순위를 수정하면 제어 입력의 연속성이 보장되지 않습니다. 그러므로, 계층적 2차계획법 기반 제어기가 새로운 작업의 삽입, 기존 작업의 삭제, 우선 순위의 변환 등을 할 수 있도록 연속 작업 전환 기법을 제안합니다. 본 접근 방식은 제어 구조를 수정하지 않고 새로운 작업과 기존 작업의 해공간을 보간함으로써 원활한 작업전환이 보장됩니다. 제안된 제어 방식은 로봇의 안정적인 동작을 보장하기 위해 관절 제한, 특이점 및 장애물 회피를 포함한 다양한 작업 전환 시나리오에 적용되어 검증되었습니다. 특히, 7 자유도 토크 제어 로봇 팔에 구현되어 제어 입력의 연속성과 로봇 제어의 성능을 검증하였습니다.

또한, 이를 확장하여 다양한 다중 작업이 수행가능한 로봇 핸드 원격 제어기와 논홀로노믹 모바일 메니퓰레이터를 위한 전신 제어기를 제시합니다. 첫 째, 서비스 로봇 분야나 산업 분야에서 사용가능한 논 홀로노믹 모바일 메니퓰레이터의 전신 제어기를 제시합니다. 제안된 방법은 계층적 2차계획법 기반 연속 작업 전환 기법을 이용하여 다양한 업무를 수행 할 수 있는 제어기입니다. 또한, 논 홀로노믹 모바일 베이스와 로봇 메니퓰레이터의 종속 시스템을 고려한 본 제어기는 실제 로봇을 이용한 다양한 실험을 통하여 효용성이 입증되었습니다.

둘 째, 인간의 손의 움직임을 저차원화하여 표현할 수 있는 시너지 (Postural Synergy)와 연속 작업 전환 기법을 이용한 로봇 핸드 원격 조작 시스템을 제안하였습니다. 제안된 원격 조작 시스템은 크게 3가지의 모듈로 구성되어 있습니다. 먼저, 사용자의 시너지 추출기는 텐서 대수학을 이용하여 조작자 손의 움직임을 저차원화할 뿐만 아니라 조작자들간의 신체적 특성까지 반영할 수 있습니다. 다음, 조작자의 악력 예측기는 표면 근전도 신호들을 사용하여 조작자의 악력을 예측합니다. 사용자의 시너지 추출기와 마찬가지로, 본 조작자의 악력 예측기 또한 텐서 대수학을 기반으로 구성되어 있기 때문에, 조작자의 파지자세와 근전도 신호를 고려한 조작자의 파지력을 예측할 수 있습니다. 마지막으로, 시너지 레벨 제어기는 로봇 핸드의 시너지 공간으로 구성된 시스템 모델링과 연속 작업 전환 기법을 기반으로 개발되었습니다. 그러므로, 제안된 제어기는 조작자의 손의 움직임을 효과적으로 묘사할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 물체를 움켜쥘 수 있는 제어 입력을 만들어 줄 수 있습니다.

결과적으로 본 학위논문은 기존의 다양한 로봇들과 더욱더 자유도가 많아질 차세대 로봇들이 예측할 수 없는 동적인 환경과 효과적으로 상호작용할 수 있는 제어기를 제시하였습니다.
Language
eng
URI
http://hdl.handle.net/10371/167624

http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000160725
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Appears in Collections:
Graduate School of Convergence Science and Technology (융합과학기술대학원)Dept. of Transdisciplinary Studies(융합과학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._융합과학부)
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