Compliance-Based Peg-in-Hole Strategy for Assembly Task with Uncertainty

Abstract

The peg-in-hole assembly is a representative robotic task that involves physical contact with the external environment. The strategies generally involve performing the assembly task by estimating the contact state between the peg and the hole. The contact forces and moments, measured using force sensors, are primarily used to estimate the contact state. In this paper, in contrast to past research in the area, which has involved the utilization of such expensive devices as force/torque sensors or remote compliance mechanisms, an inexpensive method is proposed for peg-in-hole assembly without force feedback or passive compliance mechanisms. The method consists of an analysis of the state of contact between the peg and the hole as well as a strategy to overcome the inevitable positional uncertainty of the hole incurred in the recognition process. A control scheme was developed to yield compliant behavior from the robot with physical contact under the condition of hybrid position/force control. Proposed peg-in-hole strategy is based on compliance characteristics and generating the force and moment. The peg is inserted into the hole as it adapts to the external environment. The effectiveness of the proposed method was experimentally verified using a humanoid upper body robot with fifty degrees of freedom and a peg-in-hole apparatus with a small clearance (0.1 mm). Three cases of experiments were conducted; Assembling the peg attached to the arm in the hole fixed in the external environment, grasping a peg with an anthropomorphic hand and assembling it into a fixed hole, and grasping both peg and hole with both hands and assembling each other. In order to assemble the peg-in-hole through the proposed strategy by the humanoid upper body robot, I present a method of gripping an object, estimating the kinematics of the gripped object, and manipulating the gripped object. In addition to the cost aspect, which is the fundamental motivation for the proposed strategy, the experimental results show that the proposed strategy has advantages such as fast assembly time and high success rate, but has the disadvantage of unpredictable elapsed time. The reason for having a high variance value for the success time is that the spiral trajectory, which is most commonly used, is used. In this study, I analyze the efficiency of spiral force trajectory and propose an improved force trajectory. The proposed force trajectory reduces the distribution of elapsed time by eliminating the uncertainty in the time required to find a hole. The efficiency of the force trajectory is analyzed numerically, verified through repeated simulations, and verified by the actual experiment with humanoid upper body robot developed by Korea institute of industrial technology.

펙인홀 조립은 로봇의 접촉 작업을 대표하는 작업으로, 펙인홀 조립 전략을 연구함으로써 산업 생산 분야의 조립작업에 적용할 수 있다. 펙인홀 조립작업은 일반적으로 펙과 홀 간의 접촉상태를 추정함으로써 이루어진다. 접촉상태를 추정하기 위해 가장 널리 쓰이는 방법은 힘 센서를 사용하는 것인데, 접촉 힘과 모멘트를 측정하여 접촉상태를 추정하는 방식이다. 만약 이러한 센서를 사용하지 않을 수 있다면, 하드웨어 비용과 소프트웨어 연산량 감소 등의 장점이 있음은 자명하다. 본 논문에서는 힘 센서 혹은 수동 컴플라이언스 장치를 사용하지 않는 펙인홀 전략을 제안한다. 홀에 대한 인식 오차 혹은 로봇의 제어 오차를 극복하기 위하여 먼저 펙과 홀의 접촉 가능 상태를 분석하고 로봇의 컴플라이언스 모션을 위한 제어 프레임워크를 디자인한다. 전략은 컴플라이언스 특징에 기반하며 펙에 힘과 모멘트를 생성시킴으로써 조립작업을 수행한다. 펙은 외부환경에 순응함으로써 홀에 삽입된다. 제안한 전략은 낮은 공차를 갖는 펙인홀 실험을 통해서 그 유효성이 검증된다. 펙과 홀을 로봇팔과 외부환경에 각각 고정된 환경에서의 실험, 인간형 로봇핸드를 이용하여 펙을 잡아서 고정된 홀에 삽입하는 실험, 그리고 테이블에 놓인 펙과 홀을 각각 로봇핸드로 파지하여 조립하는 총 세 가지의 실험을 수행하였다. 핸드로 펙을 파지하고 조작하기 위하여, 파지 방법과 핸드를 이용한 물체 조작 알고리즘을 간략히 소개하였다. 제안한 전략의 성능을 실험적으로 분석한 결과, 높은 조립 성공률을 갖는 대신 조립시간이 예측할 수 없는 단점이 나타나 이를 보완하기 위해서 렌치 궤적 또한 제안하였다. 먼저 가장 일반적으로 사용되는 나선 힘 궤적을 이용했을 때 조립 성공시간의 분산이 큰 이유를 확률개념을 이용해 분석하고, 이를 보완하기 위한 부분적 나선 힘 궤적을 제안한다. 제안한 힘 궤적이 나선 힘 궤적에 비해 갖는 성능의 우수성을 증명하기 위하여 수치적 분석, 반복적 시뮬레이션, 그리고 로봇을 이용한 실험을 수행하였다.