로봇 제어 분야에서 불확실한 로봇에 대한 경로 추적 제어 분야는 가장 기본적이면서 중요한 분야중의 하나이다. 특히 생산 설비의 고속화 및 장비의 정밀화로 보다 고속에서 정밀한 제어를 수행해야 하는 필요성이 증대되고 있다. 이러한 문제를 다루기 위하여 계산 토오크 방식에 기반한 선형 제어 기법이나 적응 제어 기법, 강인 제어 기법 등을 이용한 연구 결과들이 발표되고 있다. 그러나 그러한 기법은 일반적으로 로봇의 정확한 동력학식을 알아야 하며, 구현하기 복잡하다. 그중 선형 제어 기법은 외란에 대한 성능이 좋지 않으며, 작업 상황에 따라 어느 정도 일정한 제어 성능을 보장하기 힘들다. 적응 제어의 경우 ...
로봇 제어 분야에서 불확실한 로봇에 대한 경로 추적 제어 분야는 가장 기본적이면서 중요한 분야중의 하나이다. 특히 생산 설비의 고속화 및 장비의 정밀화로 보다 고속에서 정밀한 제어를 수행해야 하는 필요성이 증대되고 있다. 이러한 문제를 다루기 위하여 계산 토오크 방식에 기반한 선형 제어 기법이나 적응 제어 기법, 강인 제어 기법 등을 이용한 연구 결과들이 발표되고 있다. 그러나 그러한 기법은 일반적으로 로봇의 정확한 동력학식을 알아야 하며, 구현하기 복잡하다. 그중 선형 제어 기법은 외란에 대한 성능이 좋지 않으며, 작업 상황에 따라 어느 정도 일정한 제어 성능을 보장하기 힘들다. 적응 제어의 경우 파라미터 변동에 대한 과도상태가 존재하기 때문에 성능의 변동을 초래할 수 있으며, 슬라이딩 모드 제어에 기반한 강인 제어의 경우는 발생할 수 있는 불확실성의 크기 및 외란의 한계를 알아야 하며 결과적으로 얻게 되는 제어기는 대단히 큰 제어 신호를 요구한다는 단점이 있다.
이 같은 문제의 해결책으로 2자유도 제어 기법이 제안되어 명령 추종 성능과 외란 제거 성능을 독립적으로 설계하여 제어기를 구성할 수 있게 되었다. 따라서 다관절 로봇 시스템의 비선형항, 서로간에 영향을 주는 토오크, 그리고 환경으로부터의 외란을 모두 하나의 외란으로 간주함으로써 간단히 독립 관절 제어기를 설계할 수 있게 되었다. 그러나, 2자유도 제어기에 사용되는 외란 관측기의 성능은 센서 노이즈에 심각한 영향을 받으며, 관절 움직임에 따라 상호간에 미치는 시간 변화형 외란에 의해 성능이 저하되는 문제점이 있다.
이에 본 논문에서는 슬라이딩 모드 제어기와 외란 관측 제어기의 문제점을 극복할 수 있는 외란 관측기를 이용한 슬라이딩 모드 제어 방법을 제안한다. 우선 로봇의 구조화되거나 비구조화된 불확실성을 하나의 외란이라는 형태로 표현하고 이를 관측할 수 있는 외란 관측기를 설계한다. 즉 하나의 관절에 대하여 관성과 마찰력만 존재한다고 가정하고 선형 외란 관측기를 설계한 후 제어시 발생하는 외란을 관측하고 상쇄한다. 그리고 독립 관절에 대하여 경로 제어기로써 계산 토오크형 제어기를 설계한다. 여기에 외란 관측을 통해 제거되지 못한 불확실성 및 외란을 제거하기 위하여 외란 관측기 출력 정보를 이용한 슬라이딩 모드 제어기를 추가한다. 이렇게 제안된 제어기는 제어기 설계단계에서 불확실성 및 외란의 크기를 추정할 필요가 없어, 예측하지 못한 외란에 대처할 수 있다. 또한 외란 관측 제어에서 보이는 시변 외란에 대한 제어 성능을 향상시키는 장점을 가진다.
끝으로 모의실험을 통해 1축 시스템과 2관절 로봇 시스템의 경로 추적 제어에 제안한 제어기를 적용하여 성능을 확인하였다. 그리고 1축 실험 시스템에 실제 적용함으로써 상용 제어기로 적용이 가능함을 입증하였다. 제안된 제어방식은 외란 관측기를 통해 외란을 관측하므로 알 수 없는 불확실성 및 외란을 다룰 수 있고, 기존 강인 제어에서 필요로 하는 불확실성에 대한 한계의 정보를 필요로 하지 않는다. 또한 로봇의 전체 동력학을 알지 못해도 액츄에이터 동력학만 안다면 제어기를 설계하기가 용이하여 실제 현장의 제어에 쉽게 적용할 수 있다.
로봇 제어 분야에서 불확실한 로봇에 대한 경로 추적 제어 분야는 가장 기본적이면서 중요한 분야중의 하나이다. 특히 생산 설비의 고속화 및 장비의 정밀화로 보다 고속에서 정밀한 제어를 수행해야 하는 필요성이 증대되고 있다. 이러한 문제를 다루기 위하여 계산 토오크 방식에 기반한 선형 제어 기법이나 적응 제어 기법, 강인 제어 기법 등을 이용한 연구 결과들이 발표되고 있다. 그러나 그러한 기법은 일반적으로 로봇의 정확한 동력학식을 알아야 하며, 구현하기 복잡하다. 그중 선형 제어 기법은 외란에 대한 성능이 좋지 않으며, 작업 상황에 따라 어느 정도 일정한 제어 성능을 보장하기 힘들다. 적응 제어의 경우 파라미터 변동에 대한 과도상태가 존재하기 때문에 성능의 변동을 초래할 수 있으며, 슬라이딩 모드 제어에 기반한 강인 제어의 경우는 발생할 수 있는 불확실성의 크기 및 외란의 한계를 알아야 하며 결과적으로 얻게 되는 제어기는 대단히 큰 제어 신호를 요구한다는 단점이 있다.
이 같은 문제의 해결책으로 2자유도 제어 기법이 제안되어 명령 추종 성능과 외란 제거 성능을 독립적으로 설계하여 제어기를 구성할 수 있게 되었다. 따라서 다관절 로봇 시스템의 비선형항, 서로간에 영향을 주는 토오크, 그리고 환경으로부터의 외란을 모두 하나의 외란으로 간주함으로써 간단히 독립 관절 제어기를 설계할 수 있게 되었다. 그러나, 2자유도 제어기에 사용되는 외란 관측기의 성능은 센서 노이즈에 심각한 영향을 받으며, 관절 움직임에 따라 상호간에 미치는 시간 변화형 외란에 의해 성능이 저하되는 문제점이 있다.
이에 본 논문에서는 슬라이딩 모드 제어기와 외란 관측 제어기의 문제점을 극복할 수 있는 외란 관측기를 이용한 슬라이딩 모드 제어 방법을 제안한다. 우선 로봇의 구조화되거나 비구조화된 불확실성을 하나의 외란이라는 형태로 표현하고 이를 관측할 수 있는 외란 관측기를 설계한다. 즉 하나의 관절에 대하여 관성과 마찰력만 존재한다고 가정하고 선형 외란 관측기를 설계한 후 제어시 발생하는 외란을 관측하고 상쇄한다. 그리고 독립 관절에 대하여 경로 제어기로써 계산 토오크형 제어기를 설계한다. 여기에 외란 관측을 통해 제거되지 못한 불확실성 및 외란을 제거하기 위하여 외란 관측기 출력 정보를 이용한 슬라이딩 모드 제어기를 추가한다. 이렇게 제안된 제어기는 제어기 설계단계에서 불확실성 및 외란의 크기를 추정할 필요가 없어, 예측하지 못한 외란에 대처할 수 있다. 또한 외란 관측 제어에서 보이는 시변 외란에 대한 제어 성능을 향상시키는 장점을 가진다.
끝으로 모의실험을 통해 1축 시스템과 2관절 로봇 시스템의 경로 추적 제어에 제안한 제어기를 적용하여 성능을 확인하였다. 그리고 1축 실험 시스템에 실제 적용함으로써 상용 제어기로 적용이 가능함을 입증하였다. 제안된 제어방식은 외란 관측기를 통해 외란을 관측하므로 알 수 없는 불확실성 및 외란을 다룰 수 있고, 기존 강인 제어에서 필요로 하는 불확실성에 대한 한계의 정보를 필요로 하지 않는다. 또한 로봇의 전체 동력학을 알지 못해도 액츄에이터 동력학만 안다면 제어기를 설계하기가 용이하여 실제 현장의 제어에 쉽게 적용할 수 있다.
Trajectory control of uncertain robot systems is considered as one of the most fundamental and important research directions in the robotic engineering. Especially in accordance with high speed manufacturing system, industrial circumstance requires high speed/high precision control. And some promine...
Trajectory control of uncertain robot systems is considered as one of the most fundamental and important research directions in the robotic engineering. Especially in accordance with high speed manufacturing system, industrial circumstance requires high speed/high precision control. And some prominent works using linear control, adaptive control or robust control strategies based on computed torque methodology have been reported to tackle this problem. However, it is generally recognized within the control community that these strategies suffer from the following problems:
(1) exact robot dynamic is needed and hard to implement (2) the adaptive control cannot guarantee the performance during the transient period for adaptation under the environment variation
(3) the robust control such as the sliding mode control needs information on the bounds of the possible uncertainty and disturbance and produces a large control input as well
As a potential solution to this problem, two degree of freedom controller in which the performance of command following and disturbance rejection can be adjusted independently has been proposed. In robot control application, because coupling torque, nonlinear term, and external disturbance can be interpreted as a kind of disturbance, and simple independent joint controller can be designed easily with the help of 2DOF controller. But sensor noise has bad effects on the performance of disturbance observer in 2DOF controller and time varying disturbance which is produced by coupled joints deteriorate the tracking performance.
In this dissertation, modified sliding mode controller using disturbance observer for robust trajectory control is proposed to overcome the drawbacks of previous control schemes. In proposed method uncertainties of the robotics systems and external disturbance are both viewed as a disturbance and observed by a simple linear disturbance observer. And for one joint system, computed torque type PD controller with disturbance observer is designed. A siding mode controller is added for precise control and the proper gain of sliding mode controller should be selected. If large gain is adopted in order to cope with the uncertainties, unmodeled dynamic is excited and control performance would be deteriorated. In this scheme, therefore, the gain of sliding mode controller is designed using the output information of disturbance observer. This sliding mode control action improve the control performance for time varying disturbance.
Finally, the validity of the suggested robust control scheme is highlighted through the computer simulation of 1 link, 2-link robotic system. And the experiment for 1-link real plant is performed to give the validity of applicability in the industrial field. Since the proposed method adopts disturbance observer, it can handle the unstructured uncertainties, external disturbance and coupled torque, and does not require information on the bound of the uncertainties needed in the robust control. Although the suggested controller does not know exact robot dynamics, simple dynamics of actuator is sufficient to design robust controller. This feature make the easier implementation of the controller possible in the industrial field.
Trajectory control of uncertain robot systems is considered as one of the most fundamental and important research directions in the robotic engineering. Especially in accordance with high speed manufacturing system, industrial circumstance requires high speed/high precision control. And some prominent works using linear control, adaptive control or robust control strategies based on computed torque methodology have been reported to tackle this problem. However, it is generally recognized within the control community that these strategies suffer from the following problems:
(1) exact robot dynamic is needed and hard to implement (2) the adaptive control cannot guarantee the performance during the transient period for adaptation under the environment variation
(3) the robust control such as the sliding mode control needs information on the bounds of the possible uncertainty and disturbance and produces a large control input as well
As a potential solution to this problem, two degree of freedom controller in which the performance of command following and disturbance rejection can be adjusted independently has been proposed. In robot control application, because coupling torque, nonlinear term, and external disturbance can be interpreted as a kind of disturbance, and simple independent joint controller can be designed easily with the help of 2DOF controller. But sensor noise has bad effects on the performance of disturbance observer in 2DOF controller and time varying disturbance which is produced by coupled joints deteriorate the tracking performance.
In this dissertation, modified sliding mode controller using disturbance observer for robust trajectory control is proposed to overcome the drawbacks of previous control schemes. In proposed method uncertainties of the robotics systems and external disturbance are both viewed as a disturbance and observed by a simple linear disturbance observer. And for one joint system, computed torque type PD controller with disturbance observer is designed. A siding mode controller is added for precise control and the proper gain of sliding mode controller should be selected. If large gain is adopted in order to cope with the uncertainties, unmodeled dynamic is excited and control performance would be deteriorated. In this scheme, therefore, the gain of sliding mode controller is designed using the output information of disturbance observer. This sliding mode control action improve the control performance for time varying disturbance.
Finally, the validity of the suggested robust control scheme is highlighted through the computer simulation of 1 link, 2-link robotic system. And the experiment for 1-link real plant is performed to give the validity of applicability in the industrial field. Since the proposed method adopts disturbance observer, it can handle the unstructured uncertainties, external disturbance and coupled torque, and does not require information on the bound of the uncertainties needed in the robust control. Although the suggested controller does not know exact robot dynamics, simple dynamics of actuator is sufficient to design robust controller. This feature make the easier implementation of the controller possible in the industrial field.
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