Safe Reconfigurable Robot Systems: Design, Programming, and Reactive Motion Planning

Abstract

The next generation of robots are being asked to work in close proximity to humans. At the same time, the robot should have the ability to change its topology to flexibly cope with various tasks. To satisfy these two requirements, we propose a novel modular reconfi gurable robot and accompanying software architecture, together with real-time motion planning algorithms to allow for safe operation in unstructured dynamic environments with humans. Two of the key innovations behind our modular manipulator design are a genderless connector and multi-dof modules. By making the modules connectable regardless of the input/output directions, a genderless connector increases the number of possible connections. The developed genderless connector can transmit as much load as necessary to an industrial robot. In designing two-dof modules, an offset between two joints is imposed to improve the overall integration and the safety of the modules. To cope with the complexity in modeling due to the genderless connector and multi-dof modules, a programming architecture for modular robots is proposed. The key feature of the proposed architecture is that it efficiently represents connections of multi-dof modules only with connections between modules, while existing architectures should explicitly represent all connections between links and joints. The data structure of the proposed architecture contains properties of tree-structured multi-dof modules with intra-module relations. Using the data structure and connection relations between modules, kinematic/dynamic parameters of connected modules can be obtained through forward recursion. For safe operation of modular robots, real-time robust collision avoidance algorithms for kinematic singularities are proposed. The main idea behind the algorithms is generating control inputs that increase the directional manipulability of the robot to the object direction by reducing directional safety measures. While existing directional safety measures show undesirable behaviors in the vicinity of the kinematic singularities, the proposed geometric safety measure generates stable control inputs in the entire joint space. By adding the preparatory input from the geometric safety measure to the repulsive input, a hierarchical collision avoidance algorithm that is robust to kinematic singularity is implemented. To mathematically guarantee the safety of the robot, another collision avoidance algorithm using the invariance control framework with velocity-dependent safety constraints is proposed. When the object approached the robot from a singular direction, the safety constraints are not satis ed in the initial state of the robot and the safety cannot be guaranteed using the invariance control. By proposing a control algorithm that quickly decreases the preparatory constraints below thresholds, the robot re-enters the constraint set and avoids collisions using the invariance control framework. The modularity and safety of the developed reconfi gurable robot is validated using a set of simulations and hardware experiments. The kinematic/dynamic model of the assembled robot is obtained in real-time and used to accurately control the robot. Due to the safe design of modules with o sets and the high-level safety functions with collision avoidance algorithms, the developed recon figurable robot has a broader safe workspace and wider ranger of safe operation speed than those of cooperative robots.

다음 세대의 로봇은 사람과 가까이에서 협업할 수 있는 기능을 가져야한다. 그와 동시에, 로봇은 다양하게 변하는 작업에 대해 유연하게 대처할 수 있도록 자신의 구조를 바꾸는 기능을 가져야 한다. 이러한 두 가지 요구조건을 만족시키기 위해, 본 논문에서는 새로운 모듈라 로봇 시스템과 프로그래밍 아키텍쳐를 제시하고, 사람이 존재하는 동적 환경에서 안전한 로봇의 운용을 위한 실시한 경로 계획 알고리즘을 제시한다.

개발된 모듈라 로봇의 두 가지 핵심적인 혁신성은 무성별 커넥터와 다자유도 모듈에서 찾을 수 있다. 입력/출력 방향에 상관 없이 모듈이 연결될 수 있도록 함으로써, 무성별 커넥터는 결합 가능한 경우의 수를 늘릴 수 있다. 개발된 무성별 커넥터는 산업용 로봇에서 요구되는 충분한 부하를 견딜 수 있도록 설계되었다. 2 자유도 모듈의 설계에서 두 축 사이에 오프셋을 가지도록 함으로써 전체적인 완성도 및 안전도를 증가시켰다.

무성별 커넥터와 다자유도 모듈로 인한 모델링의 복잡성에 대응하기 위해, 일반적인 모듈라 로봇을 위한 소프트웨어 아키텍쳐를 제안하였다. 기존 모듈라 로봇의 연결을 나타내는 방법이 모든 링크와 조인트 사이의 연결 관계를 별도로 나타내야하는 것과 다르게, 제안된 아키텍쳐는 모듈들 사이의 연결관계만을 나타냄으로써 효율적인 다자유도 모듈의 연결관계를 나타낼 수 있다는 것을 특징으로 한다. 이를 위해 트리 구조를 가지는 일반적인 다자유도 모듈의 성질을 나타내는 데이터 구조를 정의하였다. 모듈들 사이의 연결관계 및 데이터 구조를 이용하여, 정확한 기구학/동역학 모델 파라미터를 얻어내는 순방향 재귀 알고리즘을 구현하였다.

모듈라 로봇의 안전한 운용을 위해, 기구학적 특이점에 강건한 실시간 충돌회피 알고리즘을 제안하였다. 방향성 안전도를 줄이는 방향의 제어 입력을 생성하여 물체 방향으로의 로봇 방향성 매니퓰러빌리티를 증가시키는 것이 제안한 알고리즘의 핵심이다. 기존의 방향성 안전도가 기구학적 특이점 근처에서 원하지 않는 성질을 가지는 것과는 반대로, 제안한 기하학적 안전도는 전체 조인트 공간에서 안정적인 제어 입력을 생성한다. 이 기하학적 안전도를 이용하여, 기구학적 특이점에 강건한 계층적 충돌회피 알고리즘을 구현하였다.

수학적으로 로봇의 안전도를 보장하기 위해, 상대속도에 종속적인 안전 제약조건을 가지는 불변 제어 프레임워크을 이용하여 또 하나의 충돌 회피 알고리즘을 제안하였다. 물체가 특이점 방향으로부터 로봇에 접근할 때, 로봇의 초기 상태에서 안전 제약조건을 만족시키지 못하게 되어 불변제어를 적용할 수 없게 된다. 준비 제약조건을 빠르게 임계점 아래로 감소시키는 알고리즘을 적용함으로써, 로봇은 제약조건 집합에 다시 들어가고 불변 제어 방법을 이용하여 충돌을 회피할 수 있게 된다.

개발된 재구성 로봇의 모듈라리티와 안전도는 일련의 시뮬레이션과 하드웨어 실험을 통해 검증되었다. 실시간으로 조립된 로봇의 기구학/동역학 모델을 얻어내 정밀 제어에 사용하였다. 안전한 모듈 디자인과 충돌 회피 등의 고차원 안전 기능을 통하여, 개발된 재구성 로봇은 기존 협동로봇보다 넓은 안전한 작업공간과 작업속도를 가진다.