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[기계]원격조종로봇 제어기

수요기술정보
과학기술분류 기계 > 자동화 기술 > 기계지능화·로봇 (F53)
응용분야 수술로봇, 탐사/보수 로봇, 원자로 검사/보수 로봇, 수중작업로봇, 우주로봇
기술개발상태 기술개발완료
희망이전유형 라이센스
판매자 정보
회사명
(주)이디리서치
담당자
서해원
연락처
0226278818
NTB 기술코드 S2014007071
키워드 원격조종로봇;제어;원격제어;양방향 제어기;;
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상세정보 특허정보 관련기술
  • 개요 및 특징

      □ 기술정의

      - 시간영역 수동성 기법을 이용하여 시간 지연에서의 안정적인 원격제어를 보장하는 양방향 제어기


      □ 기술개요

      - 원격제어 사용자가 원하는 동작을 입력할 수 있는 마스터 매니퓰레이터(Master Manipulator, 이하 ‘master’라 함), 마스터 매니퓰레이터로부터 동작 신호를 전달받아 움직임을 구현하는 슬레이브 매니퓰레이터(Slave Manipulator, 이하 ‘slave’라 함), master로부터 마스터 입력 에너지를 수신하여 상기 slave에 전송하는 첫 번째 포트와 상기 slave로부터 슬레이브 입력 에너지를 수신하여 상기 master에 전송하는 두 번째 포트로 구성되는 2-포트 네트워크, 실시간으로 에너지를 모니터링하여 상기 2-포트 네트워크의 수동성을 체크하는 수동성 관찰기(Passivity Observer, 이하 ‘PO’라 함) 및 PO를 기반으로 상기 2-포트 네트워크가 필요한 양만큼의 에너지를 방산하도록 제어하는 수동성 제어기 (Passivity Controller, 이하 ‘PC’라 함)를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 하는 원격조종로봇 제어기의 기술이다.


      □ 특징

      - 임피던스 타입의 PC는, master와 2-포트 네트워크 사이에 부착되며, 어드미턴스 타입의 PC는, slave와 2-포트 네트워크 사이에 부착될 수 있음


      □ 장점

      - 안정성에 대한 정밀한 분석이 가능함

      - 일반적인 프레임워크를 세부적으로 추가할 수 있음

      - 다양한 위치-힘 양방향 제어기의 제조에 활용 가능함


      □ 적용분야

      - 수술로봇, 탐사/보수 로봇, 원자로 검사/보수 로봇, 수중작업로봇, 우주로봇

    기술이전정보

      협의 후 결정

    기술이전목록

    기술이전목록
    순번 기술도입자/제공자 거래유형 청액기술료 경상기술료 계약일
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    판매자정보

      회사명 (주)이디리서치
      담당자 서해원 전화번호 0226278818

    연구개발자 정보

      회사명 한국기술교육대학교
      담당자 유지환 전화번호 041-560-1250

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    S2014007071_원격조종로봇 제어기.pdf

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    대표이미지

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  • 특허정보
    특허명칭
    시간영역 수동성 기법을 이용하여 시간 지연에서의 안정적인 원격제어를 보장하는 양방향 제어기(TIME DOMAIN PASSIVITY BASED BILATERAL CONTROLLER FOR A STABLE TELEOPERATION WITH TIME-DELAY)
    특허 열람보기
    초록 본 발명은 시간영역 수동성 기법을 이용하여 시간 지연에서의 안정적인 원격제어를 보장하는 양방향 제어기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 원격제어 사용자가 원하는 동작을 입력할 수 있는 마스터 매니퓰레이터(Master Manipulator, 이하 master라 한다.), 상기 마스터 매니퓰레이터로부터 동작 신호를 전달받아 움직임을 구현하는 슬레이브 매니퓰레이터(Slave Manipulator, 이하 slave라 한다.), 상기 master로부터 마스터 입력 에너지를 수신하여 상기 slave에 전송하는 첫 번째 포트와 상기 slave로부터 슬레이브 입력 에너지를 수신하여 상기 master에 전송하는 두 번째 포트로 구성되는 2-포트 네트워크, 실시간으로 에너지를 모니터링 하여 상기 2-포트 네트워크의 수동성을 체크하는 수동성 관찰기(Passivity Observer, 이하 PO라 한다.) 및 상기 PO를 기반으로 상기 2-포트 네트워크가 필요한 양 만큼의 에너지를 방산하도록 제어하는 수동성 제어기(Passivity Controller, 이하 PC라 한다.)를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다. 본 발명에서 제안하고 있는 시간영역 수동성 기법을 이용하여 시간 지연에서의 안정적인 원격제어를 보장하는 양방향 제어기에 따르면, 안정성에 대한 정밀한 분석이 가능하고 일반적인 프레임워크를 세부적으로 추가...(이하생략)
    IPC G05B 19/18 특허상태 등록
    출원인 한국기술교육대학교 산학협력단 발명자 유지환
    출원번호 10-2010-0074937 출원일자 2010-08-03
    공개번호 10-2012-0012722 공개일자 2012-02-10
    공고번호 공고일자 2012-09-07
    등록번호 10-11809940000 등록일자 2012-09-04
    기술분야

    본 발명은 시간영역 수동성 기법을 이용하여 시간 지연에서의 안정적인 원격제어를 보장하는 양방향 제어기에 관한 것으로서, 특히 2-포트 네트워크와 수동성 제어기를 사용하여 시변 시간 지연 하에서도 안정적인 원격제어가 가능하도록 하는 시간영역 수동성 기법을 이용하여 시간 지연에서의 안정적인 원격제어를 보장하는 양방향 제어기에 관한 것이다.

    배경기술

    일반적으로 원격수술, 원격정비를 포함하는 원격제어 기술은 높은 응용성으로 인하여 사람들의 많은 주목을 받고 있다. 로봇이 원격에서 제어될 때, 피드백 힘(Feedback Force)은 운동학적으로 원격제어 사용자를 원격제어 대상에 연결시킬 수 있기 때문에 원격제어 사용자가 복잡한 작업을 수행할 때의 능률을 높여준다. 그러나 컴퓨터 네트워크에서의 데이터 전송은 본질적으로 시간 지연(Time-delay)을 지니며, 비록 그 값이 작더라도 피드백 힘에서는 큰 불안정한 효과를 나타낸다.

    이러한 문제점을 해결하기 위하여 많은 연구가 진행되었다. Anderson과 Spong은 시간 지연에서 안정성을 유지할 수 있는 양방향 제어 규칙을 제안하였고, Niemeyer와 Slotine은 이러한 아이디어를 확장시켜 파동 변화에 대한 내용을 발표하였다. 이러한 다양한 연구는 고유의 파동 변화 방법을 시변 시간 지연에 적용시킬 수 있도록 확장되었다. 또한, Leung은 H 최적화 제어기와 μ-합성 프레임워크를 기반으로 하는 시간 지연에서의 양방향 제어기를 제안하였으며, Oboe와 Fiorini, Lee는 인터넷에서의 시간 지연 문제를 단순한 PD 타입 제어기로 해결하고자 하였다.

    이후 햅틱 인터페이스에서의 안정성을 보장하기 위하여, 시간영역 수동성 기법(Time Domain Passivity Approach, 이하 TDPA라 한다.)이라는 새로운 컨셉의 에너지 기반 연구가 진행되었다. TDPA는 시간 지연이 없는 원격제어 시스템으로 확장 적용되었다. TDPA가 햅틱 인터페이스와 원격제어 시스템에서 단순하고 효율적인 제어 방법으로 인식되었지만, 여전히 이 아이디어를 확장시키기에는 시간 지연과 같은 문제점이 남아있다.

    따라서 TDPA가 시간 지연을 고려할 수 있도록 하는 많은 시도가 있었다. 양방향 제어기에서 슬레이브 매니퓰레이터와 제어 대상이 하나의 1-포트 네트워크 시스템으로 설정되고, 수동성 관찰기와 수동성 제어기는 1-포트 네트워크의 게이트에 부착됨으로써, 1-포트 네트워크는 수동적으로 작동할 수 있었다. 그러나 종래 기술은 슬레이브 매니퓰레이터의 상태에 따라 1-포트 네트워크의 내부 에너지가 통제되지 않는 문제점이 있고, 제어 대상이 능동적일 경우 능동적 에너지가 원격제어 사용자에게 전달되지 못한다는 문제점이 있었다.

    문제점

    본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 안정성에 대한 정밀한 분석이 가능하고 일반적인 프레임워크를 세부적으로 추가할 수 있으며, 다양한 위치-힘(Position-force) 양방향 제어기의 제조에 활용될 수 있는 시간영역 수동성 기법을 이용하여 시간 지연에서의 안정적인 원격제어를 보장하는 양방향 제어기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

    또한, 본 발명은, 가상 질량과 가상 스프링을 포함하는 가상 수동성 시스템을 사용하여 높은 주파수의 힘 요소를 필터링함으로써, 갑작스러운 힘의 변화를 방지하여 원격제어 사용자가 효율적으로 원격제어를 수행할 수 있도록 하는 시간영역 수동성 기법을 이용하여 시간 지연에서의 안정적인 원격제어를 보장하는 양방향 제어기를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

    해결과제

    상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 시간영역 수동성 기법을 이용하여 시간 지연에서의 안정적인 원격제어를 보장하는 양방향 제어기는,

    원격제어 사용자가 원하는 동작을 입력할 수 있는 마스터 매니퓰레이터(Master Manipulator, 이하 ‘master’라 함);

    상기 마스터 매니퓰레이터로부터 동작 신호를 전달받아 움직임을 구현하는 슬레이브 매니퓰레이터(Slave Manipulator, 이하 ‘slave’라 함);

    상기 master로부터 마스터 입력 에너지를 수신하여 상기 slave에 전송하는 첫 번째 포트와 상기 slave로부터 슬레이브 입력 에너지를 수신하여 상기 master에 전송하는 두 번째 포트로 구성되는 2-포트 네트워크;

    실시간으로 에너지를 모니터링하여 상기 2-포트 네트워크의 수동성을 체크하는 수동성 관찰기(Passivity Observer, 이하 ‘PO’라 함); 및

    상기 PO를 기반으로 상기 2-포트 네트워크가 필요한 양만큼의 에너지를 방산하도록 제어하는 수동성 제어기(Passivity Controller, 이하 ‘PC’라 함)를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.

    바람직하게는,

    상기 PC는, 임피던스 타입(Impedance Type)의 PC 또는 어드미턴스 타입(Admittance Type)의 PC일 수 있다.

    더욱 바람직하게는,

    상기 임피던스 타입의 PC는, 상기 master와 상기 2-포트 네트워크 사이에 부착되며,

    상기 어드미턴스 타입의 PC는, 상기 slave와 상기 2-포트 네트워크 사이에 부착될 수 있다.

    더욱 바람직하게는,

    상기 어드미턴스 타입의 PC는, 상기 slave에서의 출력 에너지를 상기 master에서의 지연된 입력 에너지보다 낮추기 위하여 아래 수학식 a로 정의되는 감폭 요소 β를 사용하며,

    상기 임피던스 타입의 PC는, 상기 master에서의 출력 에너지를 상기 slave에서의 지연된 입력 에너지보다 낮추기 위하여 아래 수학식 b로 정의되는 감폭 요소 α를 사용할 수 있다.

    <수학식 a>

    <수학식 b>


    바람직하게는,

    상기 PO는, 한 쌍으로 이루어지며, 상기 2-포트 네트워크의 각 포트에 부착되어 입력 에너지와 출력 에너지를 각각 모니터링 할 수 있다.

    바람직하게는,

    일정 질량을 지닌 가상 질량과 일정 강성을 지닌 가상 스프링을 상기 PC와 상기 master 사이에 설정하여 갑작스러운 힘의 변화를 방지할 수 있다.

    바람직하게는,

    상기 수동성 관찰기는, 파워의 부호를 바탕으로 하여 각 네트워크 포트의 입력 에너지와 출력 에너지를 구분할 수 있다.

    효과

    본 발명에서 제안하고 있는 시간영역 수동성 기법을 이용하여 시간 지연에서의 안정적인 원격제어를 보장하는 양방향 제어기에 따르면, 안정성에 대한 정밀한 분석이 가능하고 일반적인 프레임워크를 세부적으로 추가할 수 있으며, 다양한 위치-힘(Position-force) 양방향 제어기의 제조에 활용될 수 있다.

    또한, 본 발명에 따른 시간영역 수동성 기법을 이용하여 시간 지연에서의 안정적인 원격제어를 보장하는 양방향 제어기는, 가상 질량과 가상 스프링을 포함하는 가상 수동성 시스템을 사용하여 높은 주파수의 힘 요소를 필터링함으로써, 갑작스러운 힘의 변화를 방지하여 원격제어 사용자가 효율적으로 원격제어를 수행할 수 있도록 한다.

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