[임피던스 제어] 상호작용 컨트롤(1)

 

외란억제로서 상호작용 (Interaction as Disturbance Rejection)

다리 사진 : Proprioceptive Actuator Design in the MIT Cheetah: Impact Mitigation and High-Bandwidth Physical Interaction for Dynamic Legged Robots

 다양한 제어이론들이 특징이 잘 설명되어 있지 않은 인터페이스를 다룰 수 있도록 발전해왔다. 외란 억제 방법을 통해서 환경에 대한 다이나믹스가 외란힘으로 추가될 수 있다. 억제를 잘하기 위해서는 외란 힘의 경계값을 잘 정해줘야한다. 하지만 로봇이 환경과 상호작용하는 경우에 외란힘은 로봇의 수용량을 넘거나 동일한 경우가 대부분이다. 예를 들어 운동학적(Kinematic) 제약은 로봇의 행동에 따라 큰 힘을 만들 수 있는데, 외란힘(환경이 주는 힘)은 로봇의 상태와 연관이 있는 데 일반적으로 외란은 상태와 독립적으로 보기 때문에 상호작용을 외란억제 문제로 보는 것은 그렇게 좋지는 않다(not seem promising).

 

불완전 모델링으로서 상호작용

Robust Control Theory -  Carnegie Mellon University

 안정성을 보장하기 위해서 로봇의 불안정 파트로서 환경을 모델링 하는 것과 강건제어(robust control)를 사용하는 것이 하나의 방법이다. 환경과 상호작용하면 운동학적 제약인 elastic, dissipative하고 inertial prorperties의 조합을 로봇 플랜트에 추가하여 효율적으로 바꿀 수 있다. 만약 상호작용이 로봇 모델의 파라미터( e.g, 로봇 끝단에 물체를 달 경우)만 변경할 경우 강건 제어 방식이 좋을 수 있다. 단, 시스템을 환경 파라미터의 큰 범위안에서 강건하게 만들려고 한다면 성능을 많이 희생해야 할 수도 있다.

 

 상호작용은 모델의 구조(structure)를 변경시킬 수도 있다. 예를 들어서 시스템의 차원을 줄일 수도 있고 (free motion에서 환경에 닿아서 제약이 생기는 경우를 자유도가 줄어든다고 볼 수 있다.) 증가 시킬 수도 있다 (탄성력이 있는 물체와 상호작용을 할 경우 물체의 탄성력과 로봇의 이너시아 간의 관계로 물체에 새로운 움직임을 추가할 수도 있다.) 만약 상호작용이 모델의 구조를 바꾸게 된다면 강건 제어 방법으로 접근하는 것은 확실하지 않을 수 있다. 예를 들어 외란힘(환경이 주는 힘)과 모션이 알고 있는 로봇 동역학과 같은 주파수와 magnitude 일 수도 있다. 강건 제어의 경우 대부분 불완전한 동역학을 관심 주파수 영역 밖에 있다고 보기 때문에 상호작용을 강건 제어 문제로 보는 것은 좋지 않다.

 

앞서서 이야기 했듯이 몇몇 어플리케이션에서는 로봇의 동역학이 (colloquially termed its "feel")성능 평가에 대한 중요 척도가 되며 시스템 디자인에 있어서 적합한 방향이 될 수 있다. 하지만 여기서는 시스템을 강건하게 디자인하여 상호작용을 억누르기 보다는(attempt to overwhelm), 임피던스 컨트롤에서는 상호작용하는 환경에 위치한 로봇의 행동을 제어함으로서 상호작용을 자체를 조절하려는 방법을 말한다.

 

동적 행동 조절 (Regulating Dynamic Behavior)

여기서 말하는 "상호작용 컨트롤"은 일반적으로 로봇의 동적 행동을 환경과의 상호작용의 항구(port of interaction)로 보는 것이다.

상호작용 항구는 환경과 에너지를 주고 받는 곳에 있다. 따라서 모션과 힘이 바뀌는 형태의 식으로 표현된다.

 

식에서 v는 맞닿는 (contact point)는 지점에서의 다른 자유도에 대한 선속도 혹은 각속도의 벡터이며, F는 그에 대응하는 힘 벡터이다. P는 robot과 환경 사이에 흐르는 파워가 된다. 상호작용 컨트롤은 상호작용의 항구에서 모션과 힘 사이의 동적 관계를 정리하는 데 있다. 또한 정리된 관계에서 벗어나는 것은 최소화 하는 제어를 적용하는 것을 말한다.