[논문]Linux/RTAI기반의 잔류진동 억제 입력성형 구현

우교식; 김진우; 강철구; 이동제; 박경희; 김형철

[국내논문] Linux/RTAI기반의 잔류진동 억제 입력성형 구현
Linux/RTAI-based Input Shaping Implementation for Suppressing Residual Vibrations 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.4 no.3, 2009년, pp.250 - 256

우교식 (건국대학교 기계공학과) , 김진우 (건국대학교 기계공학과) , 강철구 (건국대학교 기계공학부) , 이동제 (다사로봇(주) R&D 센터) , 박경희 (다사로봇(주) R&D 센터) , 김형철 (다사로봇(주) R&D 센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Suppressing residual vibrations of flexible materials cheaply is an important issue to increase productivity of automated factory using wafer or glass handling robots. In this paper, we present Linux/RTAI-based implementation of input shaping control for reducing residual vibrations of a mechanical system. Experimental results show that residual vibrations of the mechanical system are reduced up to 82% at a point-to-point linear motion.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러나 국내에서 생산되는 로봇 제어기는 대부분 이러한 기능을 포함하고 있지 못하다. 본 논문에서는 대형 산업용로봇의 잔류진동억제 제어기 구현의 선행연구로서, 1자유도 수직구동시스템의 운동제어시에 발생하는 잔류진동을 억제하는 기법을 실험적으로 보이고 검증하고자 한다.
본 논문에서는 대형 웨이퍼/글래스 핸들링 산업용로봇의 잔류진동억제 제어기 구현 연구의 일부로서, 1 자유도 수직구동시스템의 운동제어시에 발생하는 잔류진동을 억제하는 기법을 실험적으로 보이고 검증하였다.
따라서, 특별한 센서나 장치 등이 필요하지 않아 비교적 간단하게 구현할 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 웨이퍼/글래스 핸들링 로봇의 잔류진동 억제 기능을 저가로 구현하기 위하여, 1 자유도 수직구동 시스템에 대해 입력성형기법 알고리즘을 Linux/RTAI와 범용 I/O 보드를 이용하여 구현한다. 로직의 타당성은 실험적으로 검증한다.

제안 방법

. 1 자유도 수직구동시스템의 위치를 제어하기 위하여 모터 드라이버를 속도모드로 세팅하였다. 속도모드로 세팅 하면 AC 모터가 받는 전압에 비례한 출력을 속도로 내보내주게 된다.
. 그리고 실시간으로 정밀한 제어를 하기 위하여 실시간 커널인 RTAI^[18]를 사용하였고, 각종 센서들의 신호와1 자유도 수직구동시스템의 명령 지령치를 PC로 주고받기 위하여 PC에 National Instrument사의 상용 I/O 보드인 PCI-6221를 장착하였다. Linux와 RTAI 커널은 무료인 장점이 있다.
유연재료의 고유값을 바꾸기 위해 유연재료의 끝에 추를 추가해가며 동영상을 촬영하였다. 그리고 이를 프레임 단위로 나누어 프레임 사진을 바탕으로 진동의 주파수와 진폭의 극대, 극소의 차를 이용하여 고유진동수와 감쇠비를 추정하였다. 즉, 1초에 30프레임인 사진을 가지고 고유 진동수와 감쇠비를 추정하였다.
입력성형 제어로직을 검증하기 위하여 그림 3의 1축 수직구동시스템에 설계된 입력성형 제어기를 적용하여 실험하였다. 유연부재 양단의 운동을 직접 전기적 신호로 출력하는 대신, 초당 30프레임의 사진을 찍어 분석하였다.
실험에 사용한 디지털 캠코더는 1초에 30프레임을 촬영할 수 있다. 유연재료의 고유값을 바꾸기 위해 유연재료의 끝에 추를 추가해가며 동영상을 촬영하였다. 그리고 이를 프레임 단위로 나누어 프레임 사진을 바탕으로 진동의 주파수와 진폭의 극대, 극소의 차를 이용하여 고유진동수와 감쇠비를 추정하였다.
입력성형은 무료인 Linux/RTAI 운영체계에서 범용 I/O 보드를 사용하여 구현하였다. 임펄스의 크기와 타격시간을 구하기 위한 유연재료의 고유진동수와 감쇠비는 사진 영상을 분석하여 얻었으며, 입력성형 실험 결과도 또한 사진영상으로 분석하였다.
입력성형기법을 나타내는 전체 시스템의 블록선도는 그림 2와 같다. 입력성형 알고리즘을 산업용 제어기에 적용하기 전에 검증을 하기 위하여 일반 PC를 사용하여 실험을 하였다. PC에서 실시간으로 제어를 하기 위해 무료 RTOS 커널(Real Time Operating System kernel)인 RTAI(Real Time Application Interface for Linux)를 설치하였다.
입력성형 제어로직을 검증하기 위하여 그림 3의 1축 수직구동시스템에 설계된 입력성형 제어기를 적용하여 실험하였다. 유연부재 양단의 운동을 직접 전기적 신호로 출력하는 대신, 초당 30프레임의 사진을 찍어 분석하였다.
입력성형은 무료인 Linux/RTAI 운영체계에서 범용 I/O 보드를 사용하여 구현하였다. 임펄스의 크기와 타격시간을 구하기 위한 유연재료의 고유진동수와 감쇠비는 사진 영상을 분석하여 얻었으며, 입력성형 실험 결과도 또한 사진영상으로 분석하였다.
그리고 이를 프레임 단위로 나누어 프레임 사진을 바탕으로 진동의 주파수와 진폭의 극대, 극소의 차를 이용하여 고유진동수와 감쇠비를 추정하였다. 즉, 1초에 30프레임인 사진을 가지고 고유 진동수와 감쇠비를 추정하였다.

대상 데이터

반도체나 디스플레이 제조 공장에서 웨이퍼나 대형 글래스 등 유연재료(flexible material)를 이송시키기 위해 산업용로봇을 사용한다. 이러한 로봇은 생산성을 향상시키고 고품질을 유지하기 위하여 고속, 고정도로 구동될 것을 요구한다.
입력성형 구현과 실시간으로 효과적인 제어를 하기 위하여 Linux Ubuntu 기반 데스크탑 PC를 제어기로 사용하였다^[17]. 그리고 실시간으로 정밀한 제어를 하기 위하여 실시간 커널인 RTAI^[18]를 사용하였고, 각종 센서들의 신호와1 자유도 수직구동시스템의 명령 지령치를 PC로 주고받기 위하여 PC에 National Instrument사의 상용 I/O 보드인 PCI-6221를 장착하였다.

이론/모형

National Instrument사의I/O 보드를 사용하기 위해 하드웨어 드라이버인COMEDI(Linux Control and Measurement Device Interface)^[19]를 사용하였다. 프로그램 개발 및 작성은 C언어로 하였고, 컴파일러는 GCC-4.

성능/효과

015일 때 잔류진동을 나타낸 사진이고, 오른쪽 사진은 ZV 성형기를 사용하였을 때의 잔류진동을 나타낸 사진이다. 두 사진들을 비교해 보면 ZV 성형기를 사용하였을 때의 잔류진동의 진폭은 사용하지 않았을 때의 잔류진동의 진폭의 약 79%가 감소되었다.
본 실험 검증에서 유연부재의 동적 특성치를 실험을 통해 개략적으로 구하였음에도 불구하고 잔류진동 억제 기능은 잘 구현되었다.
그림 8의 왼쪽 사진은 한 주기 동안 움직인 잔류진동을 나타낸 사진이고 오른쪽 사진은 ZV 성형기를 사용하였을 때의 잔류진동을 나타낸 사진이다. 입력성형 기법을 시행한 결과와 그렇지 않은 결과를 비교해 보면 입력성형 기법을 적용해 본 결과의 잔류진동의 진폭이 약 82% 줄어들었음을 확인할 수 있다.
입력성형을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 실험 결과로부터, 고유진동수가 6.0Hz이고 감쇠비가 0.015인 경우에는 잔류진동 진폭이 약 79%, 고유진동수고 4.6Hz이고 감쇠비가 0.02인 경우에는 잔류진동 진폭이 약 82% 줄어들었음을 확인하였다.

후속연구

본 연구 결과는 다축 구동로봇으로 확장한 다음 실제 시판용 산업용로봇 전용제어기의 잔류진동 억제제어기능으로 탑재될 예정이다.
유연재료의 보다 정확한 동특성치를 얻기 위해서 레이저 센서나 가속도계를 사용하게 되면 잔류진동 억제 기능을 훨씬 더 향상시킬 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체나 디스플레이 제조 공장에서 산업용로봇을 사용하는 이유는?	반도체나 디스플레이 제조 공장에서 웨이퍼나 대형 글래스 등 유연재료(flexible material)를 이송시키기 위해 산업용로봇을 사용한다. 이러한 로봇은 생산성을 향상시키고 고품질을 유지하기 위하여 고속, 고정도로 구동될 것을 요구한다.
	잔류진동은 어떠한 요인이 되나?	그러나 목표지점으로 고속으로 구동하게 되면 정지 시 유연재료에서 잔류진동(residual vibration)이 발생하게 된다. 이러한 잔류진동은 산업용로봇의 생산성을 저하시키는 요인이 된다.
	산업용로봇이 요구받는 것은?	반도체나 디스플레이 제조 공장에서 웨이퍼나 대형 글래스 등 유연재료(flexible material)를 이송시키기 위해 산업용로봇을 사용한다. 이러한 로봇은 생산성을 향상시키고 고품질을 유지하기 위하여 고속, 고정도로 구동될 것을 요구한다. 그러나 목표지점으로 고속으로 구동하게 되면 정지 시 유연재료에서 잔류진동(residual vibration)이 발생하게 된다.

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상세보기
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원문보기 상세보기
이건복, 임병덕, 정태건, 황재혁, 최신기계진동학, 제2판, Prentice Hall, 2004.
강철구, 권욱현, 박영필, 이교일, 현대제어공학, 제4판, 사이텍미디어, 2003.
www.rtai.org, 2009.
www.comedi.org, 2009.
김상훈, "DC 및 AC 모터 제어", 복두출판사, 2008.

저자의 다른 논문 :

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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].

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