Impedance Control of Robot Manipulators Without Relying on External Force Information Minji Kim School of Mechanical and Robotics Engineering Gwangju Institute of Science and Technology

Abstract

최근협동로봇시장은로봇기술의급속한발전과다양한산업분야에서의수요증가 에힘입어매우빠른속도로성장하고있다.이러한성장의중심에는로봇이외부환경과 물리적으로 상호작용할 때 관성, 감쇠, 강성을 제어하여 안정성과 작업 성능을 동시에 확보하는 임피던스 제어 기술이 자리 잡고 있다. 특히 협동 로봇처럼 인간과 직접적으로 접촉하거나 좁은 공간에서 다양한 작업을 수행해야 하는 시스템에서는 임피던스 제어 가 필수적인 요소로 인식된다. 기존 임피던스 제어 방식은 질량 ·감쇠 ·강성 파라미터를 직접 설계하고, 외부 힘 정보와 자코비안 역행렬을 고려하여 제어 입력을 구성함으로써 다양한 작업 환경에 대응해 왔다. 그러나 이러한 고차원 파라미터 설계는 복잡도가 높 고, 외부 힘 센서 노이즈나 특이점 근접 구간에서의 민감도가 증가하여 제어 안정성이 저하될 가능성이 있었다. 이에 본 연구에서는 임피던스 제어 파라미터의 복잡한 설계 과정을 간소화하면서 도, 제어 법칙에서 외부 힘 항을 직접 제거하여 센서 의존도를 줄이고 특이점 근처에서 발생할 수 있는 불안정성을 최소화할 수 있는 새로운 임피던스 제어 방법을 제안한다. 이는 향후 임피던스 제어 파라미터 선정에 관한 명확한 기준을 제시하고, 외력의 크기가 큰 경우나 특이점과 같은 까다로운 조건에도 안정적으로 대응할 수 있는 제어 전략을 제공한다는 점에서 의의가 있다. |The market for collaborative robots has been expanding at a rapid pace, driven by the rapid advancement of robotic technologies and growing demands across vari- ous industries. At the heart of this growth is impedance control, which enables robots to adjust inertia, damping, and stiffness in real time to achieve both stability and task performance when interacting physically with their surrounding environment. In particular, impedance control has become a critical requirement for systems such as collaborative robots, where direct human-robot contact or operation within confined spaces is common. Conventional impedance control approaches typically involve de- signing mass, damping, and stiffness parameters, taking into account external force information and the inverse of the Jacobian to generate control inputs for diverse work environments. However, this high-dimensional parameter design process tends to be ex- tremely complex, and problems such as sensor noise from external force measurements or increased sensitivity near kinematic singularities can undermine control stability. This paper presents a novel impedance control method that simplifies the complex parameter design process and eliminates the external force term directly from the control law. The proposed approach reduces sensor reliance and mitigates potential instabilities near singular configurations. As a result, it provides systematic guidelines for impedance parameter selection and ensures robust performance under large external forces and singularity conditions, thereby improving overall stability in challenging environments.