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주희 공
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직접교시에의한직관적인양팔로봇작업생성 Intuitive Programming of Dual-Arm Robot Tasks using Kinesthetic Teaching Method 저자 (Authors) 김기현, 박현준, 배지훈, 박재한, 이동혁, 박재흥, 경진호, 백문홍 Peter Ki Kim, Hyeonjun Park, Ji-Hun Bae,

8, 656-664 (9 pages) 발행처 (Publisher) 제어로봇시스템학회 Institute of Control, Robotics and Systems URL http://www.dbpia.co.kr/article/node06727428 APA Style 김기현, 박현준, 배지훈, 박재한, 이동혁, 박재흥, 경진호, 백문홍 (2016).

1 직접교시에의한직관적인양팔로봇작업생성 Intuitive Programming of Dual-Arm Robot Tasks using Kinesthetic Teaching Method 저자 (Authors) 김기현, 박현준, 배지훈, 박재한, 이동혁, 박재흥, 경진호, 백문홍 Peter Ki Kim, Hyeonjun Park, Ji-Hun Bae, Jae-Han Park, Dong-Hyuk Lee, Jaeheung Park, Jin-Ho Kyung, Moon-Hong Baeg 출처 (Source) 제어로봇시스템학회논문지 22(8), , (9 pages) Journal of Institute of Control, Robotics and Systems 22(8), , (9 pages) 발행처 (Publisher) 제어로봇시스템학회 Institute of Control, Robotics and Systems URL APA Style 김기현, 박현준, 배지훈, 박재한, 이동혁, 박재흥, 경진호, 백문홍 (2016). 직접교시에의한직관적인양팔로봇작업생성. 제어로봇시스템학회논문지, 22(8), 이용정보 (Accessed) 서울대학교 *** 2016/12/08 15:17 (KST) 저작권안내 DBpia 에서제공되는모든저작물의저작권은원저작자에게있으며, 누리미디어는각저작물의내용을보증하거나책임을지지않습니다. 그리고 DBpia 에서제공되는저작물은 DBpia 와구독계약을체결한기관소속이용자혹은해당저작물의개별구매자가비영리적으로만이용할수있습니다. 그러므로이에위반하여 DBpia 에서제공되는저작물을복제, 전송등의방법으로무단이용하는경우관련법령에따라민, 형사상의책임을질수있습니다. Copyright Information Copyright of all literary works provided by DBpia belongs to the copyright holder(s)and Nurimedia does not guarantee contents of the literary work or assume responsibility for the same. In addition, the literary works provided by DBpia may only be used by the users affiliated to the institutions which executed a subscription agreement with DBpia or the individual purchasers of the literary work(s)for non-commercial purposes. Therefore, any person who illegally uses the literary works provided by DBpia by means of reproduction or transmission shall assume civil and criminal responsibility according to applicable laws and regulations.

2 Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (2016) 22(8): ISSN: eissn: 직접교시에의한직관적인양팔로봇작업생성 Intuitive Programming of Dual-Arm Robot Tasks using Kinesthetic Teaching Method 김기현, 박현준, 배지훈, 박재한, 이동혁, 박재흥, 경진호, 백문홍 * (Peter Ki Kim 1,2, Hyeonjun Park 1,2, Ji-Hun Bae 2, Jae-Han Park 2, Dong-Hyuk Lee 2, Jaeheung Park 1,3, Jin-Ho Kyung 4, and Moon-Hong Baeg 2,* ) 1 Department of transdisciplinary studies, Seoul National University 2 Korea Institute of Industrial Technology 3 Advanced Institutes of Convergence Technology 4 Korea Institute of Machinery & Materials Abstract: While anthropomorphic robots are gaining interest, dual-arm robots are widely used in the industrial environment. Many methods exist in order to implement bimanual tasks by dual-arm robot. However, kinesthetic teaching is used in this paper. This paper suggests three different kinesthetic teaching methods that can implement most of the human task by the robot. The three kinesthetic teaching methods are joint level, task level, and contact level teaching. The task introduced in this paper is box packing, which is a popular and complex task in industrial environment. The task is programmed into the dual-arm robot by utilizing the suggested kinesthetic teaching method, and this paper claims that most tasks can be implemented by using the suggesting kinesthetic teaching methods. Keywords: kinesthetic teaching, dual-arm robot, box packing I. 서론최근다양한산업분야에서로봇으로사람의작업을대체하는것이비중있게고려되면서양팔로봇에대한관심이점차높아지고있다. 산업현장에서인간의작업이대부분양손을사용하고있으므로사람과유사한형태의양팔로봇을사용하게되면대대적인주변환경의변경없이도자동화를실현할수있는장점이있다. 현재상용화되어있는대표적인양팔로봇으로는그림 1에제시한 Yaskawa사의 SDA 10D, ABB Robotics사의 YuMi 그리고 Rethink Robotics사의 Baxter를들수있으며, 이로봇들은양손을사용하는조립작업, 물체운반또는포장작업등에활용이시도되고있다 [1-3]. 인간이수행했던양팔을이용한작업들을양팔로봇으로실현하는사례가많은연구자들에의해발표되고있다 [4-8]. 이와같은양팔로봇을이용한다양한작업의구현에서신속하고용이하게작업동작을생성하는것은중요한문제이다. 로봇이작업을수행하기위한일련의동작시퀀스를생성하는프로그래밍방법은크게두가지로구분할수있는데, 소프트웨어를통한 OLP (Off-Line Programming) 방법과 [15] 현장에서작업자의교시 (teaching) 방법이이에해당된다. OLP 방 * Corresponding Author Manuscript received April 23, 2016 / revised May 16, 2016 / accepted June 16, 2016 김기현, 박현준, 박재흥 : 서울대학교융합과학부 (peterkim@snu.ac.kr/piony@snu.ac.kr/park73@snu.ac.kr) 배지훈, 박재한, 이동혁, 백문홍 : 한국생산기술연구원 경진호 : 한국기계연구원 (jhkyung@kimm.re.kr) 이논문은 2016 제 31 회제어로봇시스템학회학술대회에초안이발표되었음. 법은작업현장에대한 3차원모델링정보와작업물의 CAD 정보및로봇의정보가반영되어야하므로고도로정형화된작업환경이아닌곳에서는활용이어려운것으로알려져있다. 실제로많은산업용로봇의응용에서는티치펜던트와같은장비를이용하여현장에서작업자의교시에의해로봇동작을생성하고있다. 티치펜던트에의한교시방법은현장에서 6-자유도이내로봇의작업을생성하는데는매우유용하였으나양팔로봇과같이자유도가높고양팔의작업공간이겹쳐서충돌이일어나기쉬운조건에서는작업자가동작을생성하기가쉽지않다. 또한, 대부분의로봇관절이회전운동을하므로로봇의충돌회피와같은동작을생성할때는티치펜던트의제어명령과로봇동작을사상 (mapping) 하기가매우어려우므로경험이많은전문가만이이를수행할수있다. 따라서본논문에서는작업자가직접로봇을움직여직관적으로동작을생성하는직접교시 (kinesthetic teaching) 를통하여비전문가도쉽고빠르게양팔로봇의작업을생성할수있 (a) SDA-10D, Yaskawa [1]. (b) YuMi, ABB Robotics [2]. 그림 1. 상용화된대표적인양팔로봇. Fig. 1. Representative dual-arm robot systems. Copyright ICROS 2016

먼저 II장에서는본논문에서세분화한세가지의직접교시방법에대하여제시하고 III장에서양팔로봇을이용한포장작업구현을위한작업분석내용을설명한다. 다음으로 IV장에서는분석된작업시퀀스를직접교시에의해양팔로봇동작으로생성하여이를로봇이수행하는결과를통해본방법의유용성을보이고 V장에서결론으로마무리한다. II. 직접교시직접교시는사람이직접로봇에힘을가하여로봇을움직임으로써원하는동작을생성하고이를기록하는교시방법이다.

3 Intuitive Programming of 직접교시에 Dual-Arm 의한 Robot 직관적인 Tasks using 양팔로봇 Kinesthetic 작업생성 Teaching Method 657 는방법을제안한다. 이를위하여작업의특성에따라직접교시방법을관절교시, 작용점교시및접촉교시로세분화하였으며이세가지교시방법의조합을통해복잡한양팔로봇의작업을효과적으로생성할수있음을제시하고자한다. 본연구에서는양팔을이용한포장작업의일환인물체삽입작업과박스테이핑작업 [9] 에이를적용하였으며이를통한효율성은교시소요시간으로검증하였다. 논문의구성은다음과같다. 먼저 II장에서는본논문에서세분화한세가지의직접교시방법에대하여제시하고 III장에서양팔로봇을이용한포장작업구현을위한작업분석내용을설명한다. 다음으로 IV장에서는분석된작업시퀀스를직접교시에의해양팔로봇동작으로생성하여이를로봇이수행하는결과를통해본방법의유용성을보이고 V장에서결론으로마무리한다. II. 직접교시직접교시는사람이직접로봇에힘을가하여로봇을움직임으로써원하는동작을생성하고이를기록하는교시방법이다. 따라서직접교시를위해서는사람이가하는외력에대해서로봇이반응하여움직일수있는것이전제되어야한다. 지금까지는직접교시를위해서작용점 (end-effector) 에힘 / 토크센서를부착하여인간의힘을감지하고로봇이반응하도록했으나, 최근에는각관절에토크센서를장착하거나고출력모터에낮은감속비의감속기를장착하여제어알고리즘으로써모든관절이외력에반응할수있게도한다 [10,11]. 직접교시는교시자가원하는로봇의자세나작용점의위치를직접만들수있어서직관적으로작업을로봇에게구현할수있다는장점이있다. 따라서기존의티치펜던트를이용하는방법보다더신속하고효과적으로로봇의작업을생성할수있으며비전문가도쉽게로봇을교시할수있다. 작업을수행함에있어서중요한정보로서로봇의자세를나타내는관절각정보, 작용점의위치및방향및접촉작업시환경과의접촉력등이있다. 작업및동작의특성에따라로봇의교시에필요한정보가서로다른데본논문에서는작업의특성과그에필요한정보에따라교시방법을관절교시, 작용점교시, 접촉교시의세가지로분류했다. 1. 관절교시관절교시는로봇의관절각정보를이용하는교시방법으로그림 2와같이각관절의값들을기록하여이정보를이용하 여관절공간 (joint space) 에서로봇을제어한다. 로봇이환경과의충돌을피하기위해특정한자세를취해야하거나작용점이아닌특정한관절을사용하여작업을구현해야하는경우에는관절교시를이용하여로봇을교시한다. 예를들면어떤물체를파지하는작업에서로봇의그리퍼가접근할때는주변의물체와부딪히지않게대상물에접근하는것이중요한데이런경우에관절교시가요구된다. 또한로봇이팔목이나팔꿈치같은관절을이용하여작업을수행해야하는경우에도이를수행하기위한특정한로봇의자세를관절교시를통해생성할수있다. 관절교시는로봇의자유도가로봇의작업공간 (task space) 차원보다많을경우, 즉로봇이여유자유도를가지고있는경우에도유용하다. 여유자유도가있는로봇의경우작용점의위치에대한구속조건하에서도영공간 (null space) 에서필요한자세를생성할수있으므로작용점에서작업을수행하면서환경과의충돌이나간섭을피하는동작을교시할수있다. 2. 작용점교시작용점교시는현재실용화되어있는일반적인직접교시방법으로서로봇의작용점의위치, 방향정보를교시에이용한다. 그림 3과같이작용점교시는로봇의정기구학을계산하여구한작용점의좌표값을기록하며이정보를이용하여로봇을작업공간상에서제어한다. 작업공간에서로봇작용점의위치와방향에대한특정한동작을생성해야할때, 또는로봇의작용점을특정한경로로이동시킬경우에는작용점교시가유용하다. 작용점교시는주로로봇작용점에툴 (tool) 을장착하여특정한작업을수행할때활용된다. 한예로자동차도장작업에서의로봇은작용점에도장용툴을부착하여작업공간에미리교시된경로를일정속도로따라간다. 이와같이로봇이작업공간상에서특정한작업을수행해야하는경우에는로봇에작용점교시를사용해서작업을생성할수있다. 작용점교시의경우작업공간에서작용점의위치와방향에대해서만제어가이루어지므로로봇의내부동작 (internal motion) 은직접제어할수없는단점이있다. 이러한경우에는환경과의충돌이나간섭이없도록정형화된작업환경의조성이선행되어야한다. 3. 접촉교시접촉교시는본논문에서새롭게제안하는교시방법으로서 그림 2. 관절교시방법으로각관절값들을기록하는교시방법이다. Fig. 2. Joint level teaching is a method that records the joint angle of the robot. 그림 3. 작용점교시방법으로로봇의정기구학을계산하여작 업공간상에서의위치값을기록하는교시방법이다. Fig. 3. Task level teaching is a method that records the position data of the task space obtained by calculating the forward kinematics of the robot.

658 김기현, 박현준, 배지훈, 박재한, 이동혁, 박재흥, 경진호, 백문홍 그림 4. 접촉교시방법으로로봇이외부환경과접촉이있을때임의의힘을주어비례계수로나눈값과나머지위치값을기록하는교시방법이다. Fig. 4. Contact level teaching is when the robot makes contact with the environment.

작용점교시와유사하지만환경또는작업물과접촉하며작업을수행하는경우에사용된다. 이경우작용점의위치및작용점에서발생하는접촉력에대한정보가필요하며, 일반적으로해당정보는로봇관절의위치센서및작용점에설치된 6축힘 / 토크센서로얻을수있다. 그러나이와같은힘정보의직접교시는 6축힘 / 토크센서가로봇에장착된경우에만사용할수있다.

설정된목표힘 (desired force) 는로봇의강성제어를이용하여구현된다. 그림 4는평면형작업공간을갖는로봇이환경에접촉하여일정한힘을가하면서경로에따라움직이는작업을생성해야하는경우의예시를보여준다. 로봇이 x-방향으로힘을가하면서 y-방향으로이동하는작업이필요하다면, 교시단계에서는작업자가로봇을직접이동시키며작용점의 x, y 및 θ 방향위치를기록한다.

직접교시에의한다양한로봇작업생성은제시한세가지의교시방법들을적절하게혼합하여수행될수있다. 또한교시과정에서작업을단위동작으로구분한뒤그에해당되는시작점및끝점의키프레임동작의정보만저장하여그구간에대한동작을보간하면로봇의작업동작이쉽게생성된다. 본연구에서는 3차다항식을이용해키프레임동작사이의동작을보간하였으며각각의교시방법에따라보간곡선이생성되는공간도달라진다.

이를로봇작업으로사상하기위해사람의작업과정에대한분석을수행하여각각의단위동작으로구분하였으며그에대한교시방법을결정하였다. 1. 물체삽입작업물체삽입작업은대상물체를파지하여들어올린후박스에삽입하는작업이다. 그림 5에나타난인간의물체삽입작업을분석해보면크게 4 단계의단위동작으로구분할수있다. 첫번째단계는 (a) 와같이양팔을움직여파지할물체로손을접근시키는과정이다.

4 658 김기현, 박현준, 배지훈, 박재한, 이동혁, 박재흥, 경진호, 백문홍 그림 4. 접촉교시방법으로로봇이외부환경과접촉이있을때임의의힘을주어비례계수로나눈값과나머지위치값을기록하는교시방법이다. Fig. 4. Contact level teaching is when the robot makes contact with the environment. The teacher gives appropriate force and divide it by the proportional gain to obtain the desired position of the force direction and the rest is recorded as task level teaching. 작용점교시와유사하지만환경또는작업물과접촉하며작업을수행하는경우에사용된다. 이경우작용점의위치및작용점에서발생하는접촉력에대한정보가필요하며, 일반적으로해당정보는로봇관절의위치센서및작용점에설치된 6축힘 / 토크센서로얻을수있다. 그러나이와같은힘정보의직접교시는 6축힘 / 토크센서가로봇에장착된경우에만사용할수있다. 또한접촉작업은대부분작업공간의특정한한방향으로만힘제어가이루어지고나머지방향에서는위치제어가이루어지는방법으로구현되며, 이경우힘제어의방향으로원하는힘의크기는사용자가쉽게설정할수있으므로, 교시단계에서는작용점의힘 / 토크센서정보를기록할필요는없어진다. 본논문에서제안하는접촉교시방법에서는교시중에로봇의위치정보만을기록하며힘정보는사용자가직접설정한다. 설정된목표힘 (desired force) 는로봇의강성제어를이용하여구현된다. 그림 4는평면형작업공간을갖는로봇이환경에접촉하여일정한힘을가하면서경로에따라움직이는작업을생성해야하는경우의예시를보여준다. 로봇이 x-방향으로힘을가하면서 y-방향으로이동하는작업이필요하다면, 교시단계에서는작업자가로봇을직접이동시키며작용점의 x, y 및 θ 방향위치를기록한다. 이때작용점에작용하는힘은기록되지않으므로교시자는임의의힘을줄수있다. 이렇게얻어진작용점위치정보 (x, y, θ) 는그림 3에서설명되는것과같이, 사용자가설정한목표힘 F와강성제어기의비례계수 k p 를이용해강성제어기입력벡터 x로변환될수있다. 얻어진입력값을이용해강성제어 기는작업공간에서힘제어방향으로는목표힘을만족시키고, 나머지방향에서는목표위치를만족시키는제어를수행할수있다. 직접교시에의한다양한로봇작업생성은제시한세가지의교시방법들을적절하게혼합하여수행될수있다. 또한교시과정에서작업을단위동작으로구분한뒤그에해당되는시작점및끝점의키프레임동작의정보만저장하여그구간에대한동작을보간하면로봇의작업동작이쉽게생성된다. 본연구에서는 3차다항식을이용해키프레임동작사이의동작을보간하였으며각각의교시방법에따라보간곡선이생성되는공간도달라진다. 제안한교시방법을이용하여휴대전화박스포장작업에대한양팔로봇작업을생성하고자한다. 박스포장작업은물체삽입작업과박스테이핑작업으로구분할수있는데, 다음장에서는두가지작업의분석에서도출된단위동작들과양팔로봇의교시를위하여결정된각동작에서의교시방법을제시한다. III. 포장작업분석본논문에서적용하고자하는양팔로봇의박스포장작업은물체삽입작업과박스테이핑작업으로나눌수있다. 이를로봇작업으로사상하기위해사람의작업과정에대한분석을수행하여각각의단위동작으로구분하였으며그에대한교시방법을결정하였다. 1. 물체삽입작업물체삽입작업은대상물체를파지하여들어올린후박스에삽입하는작업이다. 그림 5에나타난인간의물체삽입작업을분석해보면크게 4 단계의단위동작으로구분할수있다. 첫번째단계는 (a) 와같이양팔을움직여파지할물체로손을접근시키는과정이다. 다음은 (b) 의과정으로물건을파지한후들어올려삽입할박스입구로이동하는단계이다. 다음의 (c) 단계는양팔을이용하여물체를박스에삽입하는과정이며, 마지막단계 (d) 는물체를놓은후다시처음자세로돌아가는과정이다. (a) 의과정에서고려해야할문제는작용점에장착된툴을이동시켜작업공간상에서파지할물체로접근하는것이다. 따라서여기서는작용점교시를통하여작용점이물체로접근하는동작을생성해야한다. (b) 에서는양팔로가하는힘으로파지를유지하면서물체를박스입구까지안전하게이송하는것이중요하다. 이과정에서는파지를위해양팔에서발생하는힘을유지하며작업공간에서의경로를추종하는것이요구되므로접촉교시에의해로봇의작업동작을생성 (a) Approach to the object. (b) Transport the object. (c) Insert the object. (d) Release the object. 그림 5. 물체삽입작업순서. Fig. 5. Sequence of object insertion.

직접교시에의한직관적인양팔로봇작업생성 659 표 1. 양팔물체삽입작업분석. Table 1.

단위동작 교시방법 이유 (a) 접근 작용점교시 양팔이물체양면에잡기좋은위치로이동한다.

(c) 삽입 접촉교시 양팔로물체를파지한상태에서삽입방향으로힘을가해물체를박스에삽입한다.

5 직접교시에의한직관적인양팔로봇작업생성 659 표 1. 양팔물체삽입작업분석. Table 1. Dual arm object insertion analysis. 단위동작 교시방법 이유 (a) 접근 작용점교시 양팔이물체양면에잡기좋은위치로이동한다. (b) 이송 접촉교시 양팔이서로물체를밀고있는상태에서경로를따라움직여야한다. (c) 삽입 접촉교시 양팔로물체를파지한상태에서삽입방향으로힘을가해물체를박스에삽입한다. (d) 놓기 관절교시 툴의파지를풀고환경과툴과의간섭없이준비동작의자세를취한다. 해야한다. (c) 에서는양팔에의한파지를유지하면서박스방향으로힘을가해물체를삽입하는과정이수행되므로여기서도접촉교시가적합하다. 마지막과정 (d) 는파지를풀어물체를놓은후원래의준비자세로복귀하는과정이므로툴이환경과부딪히지않는것이중요하며여기는관절교시가필요하다. 표 1에물체삽입작업에대한작업분석결과와그에적합한교시방법을정리하였다. 2. 박스테이핑작업 물체삽입작업은대칭양팔작업이지만박스테이핑작업은양팔이서로협조하며작업을수행하는비대칭양팔작업으로서물체삽입작업보다더복잡한작업이다. 이러한비대칭양팔작업은양팔간의기구학정보를공유하면서순차적으로양팔의작업을진행해야한다. 박스테이핑과같은비대칭양팔작업에서는양팔간충돌이일어나지않게동작을생성하는것이중요하다. 그림 6은인간의박스테이핑작업을 8 단계의단위동작들로구분하여나타낸것이다. 각단위동작에대하여적합한교시방법을결정했는데양팔로봇은사람처럼손이아닌작업을위한특수한툴이부착되어작업한다는점이교시방법결정에고려되어야한다. 첫번째과정인 (a) 의옆날개접기는박스와의간섭이없어야하므로관절교시를이용한다. 또한 (b) 와 (c) 의뒷날개와앞날개접기동작은양팔로봇의작용점이아닌특정한링크를이용하여날개들사이의간섭이일어나지않으며날개가다시펴지지않도록다른한팔로고정해야하기때문에관절교시를사용해야한다. 테이프잡기단위동작인 (d) 는작업공간상에서작용점을움직여테이프를잡아야하기대문에작용점교시를사용한다. 테이프를잡은후테이핑툴을잡아당기는단위동작인 (e) 는테이프의점성을이겨내며직선경로를테이프를당겨야하므로접촉교시를사용하여동작 (a) Fold the side wings. (b) Fold the back wing. (c) Fold the front wing. (d) Grasp the tape. (e) Pull the tape out. (f) Stick the tape. (g) Cut the tape off. (h) Harden the tape. 그림 6. 박스테이핑순서. Fig. 6. Sequence of box taping. (a) Teaching initial position. (b) Teaching object approach. (c) Teaching object transportation. (d) Teaching object insertion. 그림 7. 양팔로봇물체삽입작업을위한직접교시. Fig. 7. Kinesthetic teaching for object insertion task using dual arm robot.

660 Peter Ki Kim, Hyeonjun Park, 김기 Ji-Hun 현, 박 Bae, 현준 Jae-Han, 배지훈 Park,, 박 Dong-Hyuk 재한, 이동 Lee, 혁, Jaeheung 박재흥, 경 Park, 진 Jin-Ho 호, 백문 Kyung, 홍 and Moon-Hong Baeg 표 2. 양팔박스테이핑분석. Table 2.

6 660 Peter Ki Kim, Hyeonjun Park, 김기 Ji-Hun 현, 박 Bae, 현준 Jae-Han, 배지훈 Park,, 박 Dong-Hyuk 재한, 이동 Lee, 혁, Jaeheung 박재흥, 경 Park, 진 Jin-Ho 호, 백문 Kyung, 홍 and Moon-Hong Baeg 표 2. 양팔박스테이핑분석. Table 2. Dual arm box taping analysis. 단위동작 교시방법 이유 (a) 옆날개접기 관절교시 각각의날개를접을시서 (b) 앞날개접기 관절교시 로간섭이없고팔의끝 (c) 뒷날개접기 관절교시 단이아닌팔전체를사용해야한다. (d) 테이프잡기 정확한위치로이동하여작용점교시테이프를잡아야한다. (e) 테이프당기기접촉교시 테이프의점성을이겨내며일정한경로를따라간다. 주어진박스위치에테이 (f) 테이프붙이기작용점교시프툴을이동시킨다. (g) 테이프끊기 관절교시 손목의스냅을사용한다. (h) 테이프고르기접촉교시 일정한힘으로주어진경로를따라간다. 을생성해야하며, 그다음과정에서는작용점교시를사용하여테이프붙이는동작 (f) 를완성한다. 테이프끊기동작인 (g) 는손목의스냅을이용하여야하므로관절교시를이용한다. 마지막으로테이프를고르는단위동작, 즉박스위에붙은테이프를고르게펴주는작업인 (h) 는박스표면에일정한힘을주면서일정방향으로이동해야하기때문에접촉교시를사용해야한다. 표 2에박스테이핑작업에대한작업분석및적합한교시방법을정리한결과를나타내었다. IV. 실험결과본논문에서제안한직접교시방법을이용하여실제양팔로봇의작업을생성하였다. 본연구에서는그림 8의한국기계연구원에서개발한양팔로봇 (AMIRO) 을활용했다. 이로봇은 16 자유도의양팔로봇으로서각팔은 7 자유도로몸통은 2 자유도로구성되어있다. 일반적으로직접교시방법이티치펜던트를이용한방법보다교시시간이짧다고알려져있는데이는영상 [14] 을통해확인할수있다. 양팔로봇의직접교시작업은그림 7 및그림 10과같이사람이직접로봇에힘을가하여원하는자세를만들어교시정보를기록한다. 본연구에서는중력보상 [12] 과마찰보상 [13] 제어를통하여로봇이인간의외력에반응할수있도록함으로써직접교시를실현했다. 앞장에서분석한물체삽입작업과박스테이핑작업을직접교시방법으로양팔로봇에구현하였으며각단위동작별교시소요시간및총교시시간을측정하여평가함으로써제안한방법의유용성을검증하였다. 1. 양팔로봇물체삽입교시사람의물체삽입작업분석결과를토대로양팔로봇에교시를수행했다. 물체삽입작업은대칭양팔작업으로비대칭양팔작업에비해교시시간이적게소요된다. 그림 7과같이초기자세및물체접근교시 ((a), (b)) 는사람이직접양팔로봇을움직여관절값과작용점값을기록하였으며양팔로봇이동시에물체를파지하여작업을교시하는경우 ( 그림 7(c), (d)) 에는물체를이동할작용점을기록하여로봇을교시하였다. 표 3에단위동작들을토대로소요한교시작업시간과작업구현시간을나타내었다. 그림 9는양팔로봇에제안한교시방법을이용하여물체삽입작업을수행한결과이다. (a) 그림 8. 한국기계연구원에서개발한양팔로봇 (AMIRO) 으로총 16개의자유도를가지고있다. Fig. 8. The dual-arm robot developed by Korea Institute of Machinery & Materials has total 16 degrees of freedom. 표 3. 물체삽입작업교시소요시간. Table 3. Kinesthetic teaching time consumption for object insertion. 단위동작 교시방법 소요시간 작업시간 (a) 관절교시 10분 4초 (b) 접촉교시 20분 8초 (c) 접촉교시 40분 5초 (d) 관절교시 10분 4초 총물체삽입교시소요시간 80분 총물체삽입작업시간 18초 는관절교시를이용하여주변환경과충돌하지않게물체에접근하도록양팔로봇의자세를만들었다. (b) 는물체를파지한상태에서박스입구까지로봇을움직여야하기때문에접촉교시를사용하였다. (c) 는물체를박스에삽입하는작업으로박스를파지한상태에서정확한위치로이동해야하기때문에접촉교시를이용했다. (d) 는물체삽입작업을마친후다시작업을반복하기위해초기자세로복귀하므로원하는자세를관절교시를이용해구현했다. 접촉교시는다른두교시에방법과달리적절한힘의값을찾아내야하므로교시시간이더많이소요된다. 2. 양팔로봇박스테이핑교시다음으로분석된박스테이핑작업을직접교시작업을통해양팔로봇으로구현했다. 박스테이핑교시작업은그림 10에서묘사됐다. 박스의날개접는박스의날개접는동작 ( 그림 10(a), (b), (c)) 은양팔로봇의끝단뿐만아니라다른링크들을사용해야하기때문에관절교시를적용했고테이프를파지하러가는동작 ( 그림 10(d)) 은양팔의작용점이정확히일치하도록작용점교시를사용했다. 그리고테이프를뜯는동작 ( 그림 10(e), (f)) 및테이프를다지는동작 ( 그림 10(h)) 은힘과위치를동시에사용해야하므로접촉교시를사용했다. 마지막으로테이프끊기 ( 그림 10(g)) 와되돌아가기자세 ( 그림 10(i)) 는관절교시를사용하였다. 박스테이핑작업은물체삽입작업과다르게비대칭양팔작업으로서교시시간이대칭양팔작업보다더소요된다. 표 4에테이핑작업에대하여구분한단위동작에소요된교시시간을나타내었다. 그림 10은제안한교시방법을사용하여구현한양팔로봇의박스테이핑작업과정을보여준다. 사람의작업동작을

7 Intuitive Programming of 직접교시에 Dual-Arm 의한 Robot 직관적인 Tasks using 양팔로봇 Kinesthetic 작업생성 Teaching Method 661 (a) Approach to the object. (b) Approach to the box entrance. (c) Insert the object. 그림 9. 양팔로봇물체삽입작업. Fig. 9. Object insertion with dual-arm robot. (d) Return to the initial position. (a) Teaching side wings folding. (b)teaching back wing folding. (c) Teaching folding the front wings and hold. (d) Teaching tape grasping. (e) Teaching pulling the tape with right hand. (f) Teaching pulling the tape with left hand. (g) Teaching tape cutting. (h) Teaching tape hardening. (i) Teaching return pose. 그림 10. 양팔로봇박스테이핑작업을위한직접교시. Fig. 10. Kinesthetic teaching for box taping task using dual arm robot.

662 김기현, 박현준, 배지훈, 박재한, 이동혁, 박재흥, 경진호, 백문홍 표 4. 박스테이핑작업교시소요시간. Table 4.

단위동작 교시방법 소요시간 작업시간 (a) 관절교시 10분 2초 (b) 관절교시 15분 2초 (c) 관절교시 20분 4초 (d)

(i) 접촉교시 15분 3초 총박스테이핑교시소요시간 95분 총박스테이핑작업시간 31초 로봇에게사상 (mapping)

박스테이핑작업이물체삽입작업에비해교시시간이더많이소요되는이유는단위동작이더많고비대칭양팔작업이므로오른팔과왼팔의기구학적관계도고려해야하기때문이다.

특히 (b) 의경우는마지막링크를사용하여뒷날개를접어야하기때문에관절교시를통해이를구현했다.

wings. (b) Folding back wing. (c) Folding front wing and hold.

8 662 김기현, 박현준, 배지훈, 박재한, 이동혁, 박재흥, 경진호, 백문홍 표 4. 박스테이핑작업교시소요시간. Table 4. Kinesthetic teaching time consumption for box taping. 단위동작 교시방법 소요시간 작업시간 (a) 관절교시 10분 2초 (b) 관절교시 15분 2초 (c) 관절교시 20분 4초 (d) 작용점교시 20분 5초 (e) 접촉교시 35분 4초 (f) 접촉교시 25분 3초 (g) 접촉교시 15분 5초 (h) 관절교시 5분 3초 (i) 접촉교시 15분 3초 총박스테이핑교시소요시간 95분 총박스테이핑작업시간 31초 로봇에게사상 (mapping) 하는과정에서사람의동작을분석하여각단위동작에서의교시방법을결정하였으며이를로봇에적용하였다. 박스테이핑작업이물체삽입작업에비해교시시간이더많이소요되는이유는단위동작이더많고비대칭양팔작업이므로오른팔과왼팔의기구학적관계도고려해야하기때문이다. 그림 10(a), (b), (c) 는박스상단부의날개를접는작업인데이작업에서는박스와양팔로봇간의간섭이없도록동작을생성하는것이중요하다. 특히 (b) 의경우는마지막링크를사용하여뒷날개를접어야하기때문에관절교시를통해이를구현했다. 또한 (h) 의동작도테이핑툴에있는톱날을사용하여테이프를끊기때문에툴의관절값을교시하여테이프절단작업을수행 (a) Folding side wings. (b) Folding back wing. (c) Folding front wing and hold. (d) Grasping the tape. (e) Pulling the tape and attach. (f) Hardening the tape. (g) Pulling the tape. (h) Cutting the tape. (i) Hardening the tape. 그림 11. 양팔로봇박스테이핑작업. Fig. 11. Box taping with dual-arm robot.

제안하는방법의유용성을보이기위하여본논문에서는양팔을이용한포장작일환인물체삽입작업과박스테이핑작업에이를적용하였으며그에대한효율성은양팔로봇의작업생성시간인교시소요시간으로검증하였다. 본논문에서제시한세가지의교시방법을통하여대칭양팔인물체삽입작업과비대칭양팔작업인박스테이핑작업을위한로봇동작들을쉽고빠르게구성할수있다는것을확인하였다.

9 직접교시에의한직관적인양팔로봇작업생성 663 했다. (d) 의테이프잡기동작은테이프끝부분을다른팔로잡기위해작용점교시를이용했다. (e), (f), (g), (i) 의테이프다지기와테이프끊기동작은외부환경과의접촉을하는동시에미리설정된경로를따라가야하므로접촉교시를적용했다. V. 결론본논문에서는작업자가직접로봇을움직여직관적으로동작을생성하는직접교시방법을이용하여비전문가도쉽고빠르게양팔로봇의작업을생성할수있는방법을제안하였다. 이를위하여작업의특성에따라직접교시방법을관절교시, 작용점교시및접촉교시로세분화하였으며이세가지교시방법의조합을통해복잡한양팔로봇의작업을효과적으로생성할수있음을제시하였다. 제안하는방법의유용성을보이기위하여본논문에서는양팔을이용한포장작일환인물체삽입작업과박스테이핑작업에이를적용하였으며그에대한효율성은양팔로봇의작업생성시간인교시소요시간으로검증하였다. 본논문에서제시한세가지의교시방법을통하여대칭양팔인물체삽입작업과비대칭양팔작업인박스테이핑작업을위한로봇동작들을쉽고빠르게구성할수있다는것을확인하였다. 특히비대칭양팔작업은양팔의기구학적관계와간섭및충돌을고려해야하므로대칭양팔작업에비해교시과정이훨씬더복잡하지만직접교시방법을통해신속하게작업을생성할수있었다. 본논문에서제안한세가지교시방법의조합을통하여직관적이고신속한양팔로봇작업생성이가능할것으로예상되며, 제안한방법이다양한산업현장에서의양팔로봇작업구현에유용하게활용될것으로기대된다. 현재는단위동작들사이를부드럽게연결하는스무싱 (smoothing) 작업을구현하지않고단위동작사이의시간간격을두어한단위동작이끝나면로봇이정지하고다음단위동작을실행한다. 따라서로봇의단위동작들을부드럽게이어주는동작생성및사람의동작을로봇에게사상하는일반화된프레임위크를구성하는연구를통하여더직관적이고용이한로봇작업생성을실현하는것을다음목표로진행하고있다. REFERENCES [1] R. Bloss, Robotics innovations at the 2009 assembly technology, Industrial Robot: An International Journal, vol. 37, no. 5, pp , [2] I. Bonev, Who is Gomtec, the Collaborative Robotics Company Acquired by ABB?, industrial-robots/who-is-gomtec-the-collaborative-roboticscompany-acquired-by-abb [3] E. Guizzo, Rethink Robotics Open Up Baxter Robot for Researchers, ieee.org/automaton/robotics/ humanoids/rethink-roboticsbaxter-research-robot. [4] P. Tsarouchi, S. Makris, G. Michalos, M. Stefos, K. Fourtakas, K. Kaltsoukalas, D. Kontovrakis, and C. Chryssolouris, Robotized assembly process using dual arm robot, CIRP Conference on Assembly Technologies and Systems, vol. 23, pp , [5] D. Kruse, J. Wen, and R. Radke, A sensor-based dual-arm telerobotic system, IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, vol. 12, no. 1, pp. 4-18, [6] F. Knutar, Automatic generation of assembly schedules for a dual-arm robot using constraint programming, Master thesis, Uppsala University, [7] H. Fleischer, R. Drews, J. Janson, B. Patlolla, X. Chu, M. Klos, and K. Thurow, Application of a dual-arm robot in complex sample preparation and measurement process, Journal of Laboratory Automation, Ready for Publication, [8] M. Hwang, Optimized motion planning considering the lifetime for bimanual robotic assembly, Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 21, no. 10, pp , [9] P. Kim, H. Park, J. Bae, J. Park, D. Lee, J. Park, and M. Baeg, Dual-arm robot box taping with kinesthetic teaching, Proc. of ICROS Annual Conference 2016, Seoul, Korea, Mar [10] A. Albu-Schaffer, O. Eiberger, M. Grebenstein, S. Haddadin, C. Ott, T. Wimbock, S. Wolf, and G. Hirzinger, Soft robotics, 2009, IEEE Robotics & Automation Magazine, vol. 15, no. 3, pp , 2008 [11] H. Park, P. Kim, J. Bae, J. Park, M. Baeg, and J. Park, Dual arm peg-in-hole assembly with a programmed compliant system, Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence, pp , [12] J. Bae, S. Park, J. Park, M. Baeg, D. Kim, and S. Oh, Robotic arm control inspired by human muscle tension effect under the gravity, International Conference of Robotics and Automation (IROS), pp , [13] S. Wang and S. Jiang, Adaptive friction compensation of robot manipulator, Electronics and Signal Processing: Selected Papers from the 2011 International Conference on Electric and Electronics, pp , [14] YouTube, Kinetiq teaching vs Teach Pendant Programming - ROBOTIQ, May 2016, jzr5nzrzsu0. [15] D. Kim, Y. Choi, R. Yan, L. Luo, J. Lee, and C. Han, Efficient path planning of a high DOF multibody robotic system using adaptive RRT, Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 21, no. 3, pp , 김기현 2007년 University of Waterloo Electrical Engineering 학사. 2011년서울대학교지능형융합시스템학과석사 년 ~ 현재서울대학교융합과학부박사과정. 관심분야는양팔로봇제어, 작업교시. 박현준 2011년광운대학교제어공학과학사. 2014년서울대학교융합과학부석사. 2014년 ~ 현재서울대학교융합과학부박사과정. 관심분야는매니퓰레이터제어.

664 Peter Ki Kim, Hyeonjun Park, 김기 Ji-Hun 현, 박 Bae, 현준 Jae-Han, 배지훈 Park,, 박

Moon-Hong Baeg 배지훈 1999년명지대학교전기공학과학사. 2001년명지대학교전기공학석사.

2009년 ~ 현재한국생산기술연구원로봇그룹선임연구원. 관심분야를로봇손제어, 양팔협조제어. 박재한 1998년동아대학교전자공학학사.

관심분야는 3차원정보처리, 인식기반로봇작업. 이동혁 2008년성균관대학교기계공학학사. 2010년성균관대학교기계공학석사.

박재흥 1995년서울대학교항공우주공학과학사. 1999년서울대학교항공우주공학과석사. 2006년 Stanford Univ.

관심분야는로봇전신제어프레임워크. 경진호 1985년한국항공대학교기계공학학사. 1988년한국과학기술원기계공학석사.

10 664 Peter Ki Kim, Hyeonjun Park, 김기 Ji-Hun 현, 박 Bae, 현준 Jae-Han, 배지훈 Park,, 박 Dong-Hyuk 재한, 이동 Lee, 혁, Jaeheung 박재흥, 경 Park, 진 Jin-Ho 호, 백문 Kyung, 홍 and Moon-Hong Baeg 배지훈 1999년명지대학교전기공학과학사. 2001년명지대학교전기공학석사 년 Ritsumeikan Univ., Department of Robotics 박사. 2009년 ~ 현재한국생산기술연구원로봇그룹선임연구원. 관심분야를로봇손제어, 양팔협조제어. 박재한 1998년동아대학교전자공학학사 년부산대학교전자공학석사. 2010년고려대학교전기전자전파공학과박사수료. 2004년 ~ 현재한국생산기술연구원로봇그룹선임연구원. 관심분야는 3차원정보처리, 인식기반로봇작업. 이동혁 2008년성균관대학교기계공학학사. 2010년성균관대학교기계공학석사. 2015년성균관대학교기계공학박사. 2015년 ~ 현재한국생산기술연구원로봇그룹연구원. 관심분야는로봇매니퓰레이션, 힘 / 촉각센서. 박재흥 1995년서울대학교항공우주공학과학사. 1999년서울대학교항공우주공학과석사. 2006년 Stanford Univ., Department of Aeronautics and Astronautics 박사. 2009년 ~ 현재서울대학교융합과학기술대학원교수. 관심분야는로봇전신제어프레임워크. 경진호 1985년한국항공대학교기계공학학사. 1988년한국과학기술원기계공학석사. 2003년한국과학기술원기계공학박사. 1988년 ~ 현재한국기계연구원책임연구원. 관심분야는양팔로봇시스템및제어. 백문홍 1982년서울대학교제어계측공학과학사. 1984년서울대학교제어계측공학과석사. 1995년동경대학교전기공학박사. 1996년 ~ 현재한국생산기술연구원로봇그룹수석연구원. 관심분야는로봇비전, 3차원공간인지.

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DBPIA-NURIMEDIA 스마트시티의재해회복력향상을위한고찰 - 동일본대지진데이터분석을중심으로 A Study on improvement for disaster resilience of the smart city - Mainly on the data analysis in Great East Japan Earthquake - 저자 (Authors) 장혜정, 김도년 Hye-Jung Chang,