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임피던스 제어란 힘과 위치에 대한 동적 제어와 관련이 있다.
주로 로봇팔에 작용하는 힘에 대해 고려해야하는 환경에 있을 때 적용 되는 제어이다.
기계적인 임피던스는 모션 인풋에 대한 힘의 아웃풋인데 당연하게도 이는 전류 인풋에 대한 전압 아웃풋의 비를 가지는
전기적 임피던스와 상사를 가진다.
그렇다면 먼저 전기 임피던스(electircal impedence)에 대해서 알아보자.
임피던스의 정의는 "전압을 인가했을 때 전류가 흐르는 것에 반항하는 정도" 이다.
저항과의 차이점은 저항은 DC전압, 임피던스는 AC전압이 들어올 때 저항하는 것을 말한다.
이런 차이는 그렇게 중요하지는 않고, 이 정의를 바탕으로 힘, 위치로 대입해보자.
제어에서 임피던스란 "힘을 인가했을 때 모션을 방해하는 정도" 라고 표현할 수 있겠다.
그렇다면 모션을 방해하는 것은 무엇이 있을까? 우리는 기본적인 MCK 모델링을 알고 있다.
여기서 MCK가 Inductor, Resistor, Capacitor와 상사라는 것도 알고 있다.
일반적으로 Mass 는 정해져 있으니, K(스프링 상수)와 C(댐핑 상수)를 고려해야한다.
스프링 상수는 스프링의 압축이나 인장에 대한 힘의 아웃풋으로 표현된다.
댐핑 상수는 속도에 대한 힘의 아웃풋으로 표현된다.
어떤 매커니즘을 임피던스 제어한다고 한다면, 외부 환경의 움직에 대한 저항력을 제어한다고 볼 수 있다.
임피던스 제어가 적용 된 치타 로봇의 다리를 한번 보자.
스프링 상수가 높은 상태에서는 다리가 스프링 처럼 외부 인풋(두들김)에 대해 부드럽게 움직인다.
반대로 댐핑 상수가 높은 상태에서는 외부 인풋에 대해 딱딱하게 움직인다.
스프링 상수와 댐핑 상수 둘 다 어느정도 값을 가질 경우 살짝 부드럽지만 스프링 상수만 있을 때보다는 딱딱하게 움직이는 걸 볼 수 있다.
그리고 마지막으로 둘 다 값이 매우 클 경우 외부 인풋에 대해 큰 스프링 상수로 원래 위치로 돌아오기는 하지만, 높은 댐핑 상수로 인해 변형 또한 작고 딱딱한 걸 볼 수 있다.
임피던스의 반대인 어드미턴스(admittance)에 대해서 알아보자.
어드미턴스는 임피던스의 역수로서 단위는 지맨스(simens)이며 "AC전압에서 전류가 얼마나 잘 흐르는정도"를 표현한다.
제어 측면에서는 힘 인풋에 대한 모션 아웃풋이 된다. 즉 "힘의 입력에 대한 모션이 잘 움직이는 정도"를 뜻한다.
예를 들어 같은 힘을 주어도 땅 위의 조각상과 물 위의 통나무은 다르게 움직일 것이다.
결국 임피던스 제어의 기본적인 방법은, 환경을 어드미턴스로 두고 로봇을 임피던스로 두는 것이다.
조금 쉽게 말해서, 로봇에 작용하는 힘과 위치 혹은 속도 사이의 관계를 하나의 임피던스로 두고 조작하는 것이다.
이는 "어떤 컨트롤러도 로봇을 단순히 물리 시스템 이상으로 환경에 나타낼 수는 없다" 라는 사실을 상정하고 간다.
이는 또다른 의미로 "환경이 어드미턴스인 일반적인 경우에 환경에 의해 적용 되는 모션에 대한 반응으로 힘을 명시해야 하며 환경은 임피던스, 함수, 비선형, 동적, 심지어 불연속일 수도 있다."(위키피디아 출처인데 뭔소린지 모르겠다...)
임피던스 제어의 개념은 단순히 로봇팔에만 적용되는 것이 아닌 힘과 환경, 움직임이 있는 상황에서는 모두 적용가능하다. 영상에서는 모바일 로봇의 Impact point를 확인하고, 외부 모션에 대해 순응적(compliance)으로 움직이는 걸 볼 수 있다. 이 또한 하나의 임피던스 컨트롤이다. (물론 영상의 주된 내용은 임피던스 컨트롤이기 보다는 CNN을 이용한 힘 필터링이다.) 영상에서도 나오지만 임피던스 컨트롤을 적용한 모바일 로봇은 사람이 지나가며 밀쳐도 순응적으로 반응하여 밀려났다가 다시 제자리로 돌아온다. 어쩌면 하나의 모바일 협동로봇이라고 볼 수도 있겠다.
이걸로 임피던스 제어가 무엇인지에 대한 얉은 이해는 하게 됐다.
추후에 조금 더 이론적인 부분에 대한 설명과 1DOF 링크에 대한 임피던스 제어를 구현하는 것에 대해 글을 작성해보도록 하겠다.
참고자료
https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_control#cite_note-1
로봇의 비선형 임피던스 힘제어에 대한 연구 - 정슬, 이지홍
Active Impedance Control of Bioinspired Motion Robotic Manipulators: An Overview
summerschool.stiff-project.org/fileadmin/pdf/Hog1985.pdf
https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=cj3024&logNo=221099074120&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F
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