[논문]산업용 로봇의 유연관절 제어기 설계: Part 1 - 2관성계 모델링

박종현; 이상훈

doi:10.5302/j.icros.2006.12.3.269

산업용 로봇의 유연관절 제어기 설계: Part 1 - 2관성계 모델링
Controller Design for Flexible Joint of Industrial Robots: Part 1 - Modeling of the Two-Mass System 원문보기

제어·자동화·시스템공학 논문지 = Journal of control, automation and systems engineering, v.12 no.3, 2006년, pp.269 - 276

Abstract ▼ AI-Helper

Increasing requirements for the high quality of industrial robot performance made the vibration control issue very important because the vibration makes it difficult to achieve quick response of robot motion and may bring mechanical damage to the robot. This paper presents the vibration mechanism of an industrial robot which has flexible joints. The joint flexibility of the robot is modeled as a two-mass system and its dynamic characteristics are analysed. And some characteristics of the two-mass system, especially for the joint of industrial robots, such as disturbance, non-linearity and time-varying characteristics are studied. And finally, some considerations on controller design for the flexible joint of industrial robots are discussed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

또한 산업용 로봇의 경우 특징적으로 나타나는 외란, 비선형성 및 시 변 특성에 대해 실험과 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 그리고 이러한 분석을 바탕으로 효과적인 산업용 로봇의 관절제어기 설계를 위한 고려사항을 검토하였다. 계속되는 논문에서는 유연한 관절을 갖는 산업용 로봇의 관절제어기 설계상의 주요 문제와 상태피드백 및 부하이너셔의 변화에 대응하기 위한 게인스케듈링 방법 설계에 대하여 서술할 것이다
본 논문에서는 산업용 로봇 관절의 유연성에 의한 진동 현상을 설명할 수 있는 2관성계 모델에 대하여 분석하였다. 먼저 2관성계 모델링이 필요한 기기들을 분류하여 제시하였고, 2관성계 모델링과 그 특징을 분석하였다.
본 논문에서는 상업적 적용이 가능한 실용적인 제어기를 설계하기 위해 유연한 동력전달부를 가진 산업용 기기에 나타나는 2관성계의 모델링과 동적 특징을 분석한다. 또한, 유연한 산업용 로봇 관절의 효과적인 제어기 설계를 위해 산업용 로봇에 특징적으로 발생하는 주요 비선형성 및 외란 요인을 분석하고 제어기 설계 시 고려해야할 주요한 사항을 분석한다.
이상과 같은 분석을 바탕으로 산업용 로봇의 관절을 효과적으로 제어할 수 있는 독립관절제어기의 설계에 있어서의 고려사항을 정리해 본다.

제안 방법

먼저 2관성계 모델링이 필요한 기기들을 분류하여 제시하였고, 2관성계 모델링과 그 특징을 분석하였다. 또한 산업용 로봇의 경우 특징적으로 나타나는 외란, 비선형성 및 시 변 특성에 대해 실험과 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 그리고 이러한 분석을 바탕으로 효과적인 산업용 로봇의 관절제어기 설계를 위한 고려사항을 검토하였다.
또한, 유연한 산업용 로봇 관절의 효과적인 제어기 설계를 위해 산업용 로봇에 특징적으로 발생하는 주요 비선형성 및 외란 요인을 분석하고 제어기 설계 시 고려해야할 주요한 사항을 분석한다.
분석하였다. 먼저 2관성계 모델링이 필요한 기기들을 분류하여 제시하였고, 2관성계 모델링과 그 특징을 분석하였다. 또한 산업용 로봇의 경우 특징적으로 나타나는 외란, 비선형성 및 시 변 특성에 대해 실험과 시뮬레이션을 통해 분석하였다.
여기에 더해 산업용 로봇에서 나타나는 주요한 동적 특징을 이해하고 이러한 특징이 개별 관절의 2관성계에 어떠한 영향을 끼치는 지 이해하는 것 또한 필요하다. 본 장에서는 산업용 로봇의 동적 특징을 바탕으로 로봇 관절을 2관성계로 모델링 할 때에 독립관절제어기(independent joint controller)의 관점에서 고려해야할 주요한 사항에 대해 분석한다

대상 데이터

본 논문의 시험에 사용된 로봇은 수직6축 다관절로봇으로서 165kg의 부하를 다룰 수 있고 중량 1350kgf, 주 3축 최고속도 1.833rad/sec, 반복정도 ±0.3mm의 성능을 갖는 현대중공업의 HX165로봇이다[22].

성능/효과

이러한 비선형 특성은 감속기 내부의 동력전달 및 지지 요소들 사이의 복잡한 상호작용에 의하여 발생하기 때문에 해석적인 방법으로 예측하기는 매우 어렵지만, 정성적으로는 기어이에 작용하는 힘과 탄성변형에 관련된 현상으로 이해될 수 있다. 그림 19(a) 처럼 작은 힘이 가해질 경우, 맞물리는 기어이는 접촉 부위가 매우 좁아 단위 면적당 가해지는 힘의 비율이 매우 크게 되고, 변위의 절대량은 작지만 상대적으로 가해진 힘에 의한 변위가 커져, 강성이 낮아지는 현상을 보인다. 또한 그림 19(b)에서처럼 큰 힘이 가해지는 경우, 탄성변형에 의해 기어이의 접촉 면적이 커지고 이에 따라 단위면적당 힘의 비율이 작아져 상대적인 변위가 작아지게 되어, 강성이 증대되는 현상을 보이게 되는 것으로 이해할 수 있다[27].
측정한 결과이다. 120kg의 시험용 부하를 로봇 선단에 장착한 채 수직방향으로 짧은 거리를 이동하고 일정 시간 정지한 후 다시 이동할 때 가장 움직임이 큰 제 3축의 속도와 토크를 측정한 것으로 각 구간의 정지 후 상당량의 진동이 존재하는 것을 알 수 있다.
시험 결과를 보면 가압 및 개방 시 모두 매우 큰 진동이 발생하고 또한 발생한 진동이 오래 유지되는 것을 볼 수 있다.

후속연구

그리고 이러한 분석을 바탕으로 효과적인 산업용 로봇의 관절제어기 설계를 위한 고려사항을 검토하였다. 계속되는 논문에서는 유연한 관절을 갖는 산업용 로봇의 관절제어기 설계상의 주요 문제와 상태피드백 및 부하이너셔의 변화에 대응하기 위한 게인스케듈링 방법 설계에 대하여 서술할 것이다
여기에 더해 산업용 로봇에서 나타나는 주요한 동적 특징을 이해하고 이러한 특징이 개별 관절의 2관성계에 어떠한 영향을 끼치는 지 이해하는 것 또한 필요하다. 본 장에서는 산업용 로봇의 동적 특징을 바탕으로 로봇 관절을 2관성계로 모델링 할 때에 독립관절제어기(independent joint controller)의 관점에서 고려해야할 주요한 사항에 대해 분석한다

참고문헌 (30)

N. Matsui and Y. Hori, 'Advanced technologies in motor control,' Trans. of IEE Japan, vol. 113-D, no. 10, pp. 1122-1137, Oct. 1993
M. W. Spong, 'Modeling and control of elastic joint robots,' Journal of dynamic systems, measurement, and control, vol. 109, pp. 177-182, Dec. 1987
H. Tomisaki and K. Tomita, 'Anti-vibration control for industrial robots using state observer,' 技報安川電機, 弟58卷, no. 3, pp. 177-182, 1994
S. Ouchi, T. Mita and K. Yano, 'Active vibration control of a motor system by using $H_{\infty}$ control theory,' Trans. of IEE Japan, vol. 113-D, no. 3, pp. 325-332, 1993
조도현, 이종용, 이상호, '매개변수 변동을 갖는 2관성 시스템의 강건제어' 제어.자동화.시스템공학논문지, 제4권, 제6호, pp. 729-737, 12. 1998

원문보기 상세보기
J. H. Oh and J. S. Lee, 'Control of flexible joint robot system by backstepping design approach,' Automation and Soft Computing, vol. 5, no. 4, pp. 267-278, 1999
R. Oguro and K. Tomita, 'Machine control technology in servo systems,' 技報安川電機, 弟62卷, no. 4, pp. 274-279, 1998
S. H. Lee, D. H. Kim and J. H. Song, 'A vibration suppression controller for the industrial manipulators using gain-scheduling with real-time calculation of inertias,' Proc. of ISR2001, pp. 8-13, Apr. 2001
J. S. Hur, S. H. Lee and J. H. Song, 'State observer based vibration suppression for an industrial robot,' Proc. of 1st Korea-China Joint Workshop on Robotics, pp. 162-166, May 2001
지준근, 송승호, 설승기, 박민호, '2관성계를 갖는 전동기 구동 시스템의 축비틀림 진동 억제를 위한 속도 제어기,' 대한전기학회논문지, 제42권, 제8호, pp 44-53, 8. 1993
Y. Hori, H. Sawada and Y. Chun, 'On optimal estimation speed of disturbance observer used in the slow resonance ratio control,' Trans. of IEE Japan, vol. 117-D, no. 1, pp. 50-56, 1997
R. Dhaouadi, K. Kubo and M. Tobise, 'Two-degree-of-freedom robust speed controller for high-performance rolling mill drives,' IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 29, No. 5, pp. 919-926, Sep./Oct. 1993

상세보기
M. A. Valenzuela, J. M. Bentley and R. D. Lorenz, 'Evaluation of torsional oscillations in paper machine sections,' IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 41, no. 2, pp. 493-501, Mar./Apr. 2005

상세보기
J. Fujita, S. Hayama, M. Hamamura, Y. Kakino, A. Matsubara and S. Ohwaki, 'The influence of the torsional vibration of ballscrew on the stability of NC servo drive system,' (日本)情密工學會誌, vol. 65, no. 8, pp. 1190-1194, 1999

상세보기
J. K. Kang and S. K. Sui, 'Vertical-vibration control of elevator using estimated car acceleration feedback compensation,' IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 47, no. 1, pp. 91-99, Feb. 2000

상세보기
http://www.nabtesco.com/en/product/index.html
http://www.hdsi.net/products/harmonicdrive/
M. C. Good, L. M. and K. L. Strobel, 'Dynamic models for control system design of integrated robot and drive systems,' Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 107, pp. 53-59, Mar. 1985

상세보기
T. Hidaka, M. Sasahara, Y. Tanioka and K. Okada, 'Torsional vibration in the robot due to wave gears,' 日本機械學會論文集(C編), 弟52卷, 弟480？, pp. 2207-2215, 1986
M. Hasimoto, Y. Kiyosawa, T. Horiuchi and H. Hirabayashi, 'The effects of joint flexibility on robot motion control based on joint torque positive feedback,' Proc. of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1220-1225, Apr. 1991
N. Takesue, G. Zhang, J. Furusho and M. Sakaguchi, 'Precise position control of robot arms using a homogeneous ER fluid,' IEEE Control Systems Magazine, vol. 19, no. 2, pp. 55-61, Apr. 1999

상세보기
http://www.hyundai-engine.com/robot/products
K. S. Fu, R. C. Gonzales, and C. S. G. Lee, Robotics, McGraw-Hill, 1987
http://www.hdsi.net/advantages/stooth.cfm
T. D. Tuttle and W. P. Seering, 'A nonlinear model of a harmonic drive gear transmission,' IEEE Trans. on Robotics and Automation, vol. 12, no. 3, pp. 368-374, Jun. 1996

상세보기
R Dhaouadi, F. H. Ghorbel and P. S. Gandhi, 'A new dynamic model of hysteresis in harmonic drives,' IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 50, no. 6, pp. 1465-1171, Dec. 2003

상세보기
A. H. Slocum, Precision Machine Design, Prentice-Hall, pp. 228-235, 1992
M. Hasimoto and Y. Kiyosawa, 'Experimental study on torque control using harmonic drive built-in torque sensors,' Journal of Robotic Systems, vol. 15, no. 8, pp. 435-445, 1998

상세보기
N. Egashira, M. Nakamura, S. Goto and N. Kyura, 'Relationship between the inertia of motor and load in mechatronic servo systems,' 日本ロボット學會誌, vol. 19, no. 1, pp. 124-130, Jan. 2001
N. Takesue and J. Furusho, 'A consideration on inertia-ratio and damping property of vibration of two-inertia system,' Trans. of IEE Japan, vol. 121-D, no. 2, pp. 283-284, 1997

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증