[논문]실린더 출력 힘의 실험적 추정을 통한 굴삭기 궤적제어

오경원; 김동남; 김남훈; 홍대희; 김윤기; 홍석희

문제 정의

따라서 이때 무게 중심의 위치에 따라 각각의 링크를 움직이기 위한 실린더 힘이 다르기 때문에 실린더 구동을 위해 비례 제어 밸브에 들어가야 하는 아날로그 신호 값 역시 다르게 적용된다. 그렇기 때문에 각 링크의 자세에 따른 아날로그 신호의 변화와 실린더 출력 힘과의 관계를 살펴보았다. Fig.
이 논문에서는 앞서 말한 것과 같이 정확한 모델링을 하기 어려운 경우 유압굴삭기의 실린더 출력 힘에 대한 실험적 추정을 통해서 굴삭기 버켓의 끝 점을 궤적제어 하는 것에 대해 다룬다. 이를 위해서 우선 굴삭기의 기구학 분석을 기초로 하여 모델링을 진행하고, 동역학 분석을 통해 중력 보상을 진행한 후 PI 제어를 통해 각 링크에연결된 유압실린더를 제어한다.

가설 설정

1은 굴삭기의 기구학 및 동역학 분석을 위해 모델링한 그림이다. 이 논문에서는 굴삭기의 기본 4 자유 도중에서 스윙 동작을 제외한 붐, 암 그리고 버켓의 2 차원 동작에 대해서만 고려할 것이다. 굴삭기를 원격제어 하는데 있어서 기구학 분석이 중요한 이유는 각 링크에 연결된 실린더 길이에 따라 링크의 각도들을 구할 수 있고, 이 각도들을 바탕으로 버켓끝 점의 X, Y 좌표를 얻을 수 있기 때문이다.

제안 방법

이 보드에는 아날로그 신호를 함께 내보낼 수 있어 이를 통해 비례제어밸브 구동을 위한 -10 V 에서 10 V 사이의 아날로그 전압 신호로 증폭기를 거쳐 유압실린더를 동작시킨다. 굴삭기 각 링크를 제어하기 위해서 본 연구에서는 PI 제어와 중력보상 알고리즘을 적용하였고, 굴삭기에 설치된 와이어 인코더와 기구학 분석으로 계산된 링크의 위치 정보로부터 오차를 계산하였다.
굴삭기에 작용하는 토크는 각 링크의 질량관성, 마찰, 중력 등에 의해 결정된다’ 하지만 굴삭기의 자세나 작업의 상황에 따라 링크에 걸리는 하중이나 무게 및 움직이는 속도가 다르고 질량, 관성 또는 마찰과 같은 값의 정확한 측정이 어렵다. 그렇기 때문에 굴삭기에 작용하는 토크에 영향을 주는 항목 중 다른 항에 비해 영향이 큰 중력 항에 대해서만 실험적 측정을 통한 모델링을 진행하였다.
그리고 굴삭기 기구학 분석과 와이어 인코더를 통해 실린더 길이의 변화에 따른 각 링크의 각도 변화를 측정하였다' 유압굴삭기의 정확한 모델링이 어렵기 때문에 실린더 출력 힘에 따른 굴삭기 구동 신호 값을 실험적 추정을 통해 굴삭기 자세에 따른 아날로그 신호 값을 분석하였다. 이에 따라 각각의 링크에 대해서 PI 제어와 동역학 식을 기초로 중력 보상 알고리즘을 적용하여 움직임을 제어하였다.
이 경우에 굴삭기의 완벽한 모델링이 어렵기 때문에 중력 항에 대한 동역학 식만 고려할 것이다. 그리고 나서 중력보상과 円 제어기가 적용된 실린더의 출력 힘과 각 링크를 움직이기 위해 필요한 비례제어밸브의 구동 신호 값을 실험을 통해 구한다. 이 실험을 통해 구한 붐, 암 그리고 버켓의 실린더 구동 신호 값을 바탕으로버켓 끝 점의 수평방향 움직임 제어를 진행한다.
버켓 끝점의 수평 방향 움직임 제어에 대한 실험은 두 차례 진행되었으며, 버켓 끝점은 0.13 m/s 의 일정한 속도로 이동하며 실험 1과 실험 2 에서 각 링크의 초기 각도는 서로 같게 하였으며, 붐의각도(纟)와 초기 끝점((4, 写))의 위치를 다르게 하여 실험하였、다. Table 1은 두 차례 진행된 실험의 링크 각도와 버켓 끝점의 초기 위치를 나타낸다.
본 논문에서는 유압굴삭기의 원격제어에 대해 다루었으며 이를 위해 아날로그 신호를 이용하여 구동할 수 있는 비례제어밸브를 장착하였다. 그리고 굴삭기 기구학 분석과 와이어 인코더를 통해 실린더 길이의 변화에 따른 각 링크의 각도 변화를 측정하였다' 유압굴삭기의 정확한 모델링이 어렵기 때문에 실린더 출력 힘에 따른 굴삭기 구동 신호 값을 실험적 추정을 통해 굴삭기 자세에 따른 아날로그 신호 값을 분석하였다.
본 실험의 경우에는 굴삭기의 RPM 을 최저로 하여 구동 신호를 측정하였다. 그러나 굴삭기의 RPM 이 낮은 상태에서 붐의 '구동이 빠르게 반응하지 않아 붐을 올리는 제어가 늦어지게 되는 현상을 보인다.
실린더 출력 힘에 따른 각 링크의 비례 제어 밸브에 대한 제어 신호 값을 바탕으로 하여 굴삭기버켓 끝점의 수평방향 움직임 제어에 대한 실험을 진행하였다. Fig.
4 는 굴삭기 붐의 구동을 위해 중력 보상을 적용한 PI 제어 알고리즘의 순서도이다. 암과 버켓에 대해서도 각각의 PI 제어기를 이용하여 각 링크의 움직임에 따라 다른 게인 값을 적용하였으며, Microsoft Visual C++ 프로그램을 이용하여 15 ms 마다 링크의 움직임을 제어하였다.
3은 유압실린더 제어를 위한 굴삭기 시스템을 나타낸 그림이다. 우선 각 링크의 자세 정보를 얻기 위해 굴삭기의 붐, 암 그리고 버켓의 실린더에 와이어 인코더를 설치하였다. 이를 이용한 기구학 분석으로 실린더 길이의 변화에 따른 각도 변화를 피드백 받고, 리미트 센서를 장착하여 굴삭기의 작업 범위를 넘어가는 경우에 대비하여 안전성을 확보하였다.
그리고 나서 중력보상과 円 제어기가 적용된 실린더의 출력 힘과 각 링크를 움직이기 위해 필요한 비례제어밸브의 구동 신호 값을 실험을 통해 구한다. 이 실험을 통해 구한 붐, 암 그리고 버켓의 실린더 구동 신호 값을 바탕으로버켓 끝 점의 수평방향 움직임 제어를 진행한다.
이를 위해서 우선 굴삭기의 기구학 분석을 기초로 하여 모델링을 진행하고, 동역학 분석을 통해 중력 보상을 진행한 후 PI 제어를 통해 각 링크에연결된 유압실린더를 제어한다. 이 경우에 굴삭기의 완벽한 모델링이 어렵기 때문에 중력 항에 대한 동역학 식만 고려할 것이다.
우선 각 링크의 자세 정보를 얻기 위해 굴삭기의 붐, 암 그리고 버켓의 실린더에 와이어 인코더를 설치하였다. 이를 이용한 기구학 분석으로 실린더 길이의 변화에 따른 각도 변화를 피드백 받고, 리미트 센서를 장착하여 굴삭기의 작업 범위를 넘어가는 경우에 대비하여 안전성을 확보하였다. 그리고 굴삭기 외부에서 산업용 컴퓨터에 장착된.
그리고 굴삭기 기구학 분석과 와이어 인코더를 통해 실린더 길이의 변화에 따른 각 링크의 각도 변화를 측정하였다' 유압굴삭기의 정확한 모델링이 어렵기 때문에 실린더 출력 힘에 따른 굴삭기 구동 신호 값을 실험적 추정을 통해 굴삭기 자세에 따른 아날로그 신호 값을 분석하였다. 이에 따라 각각의 링크에 대해서 PI 제어와 동역학 식을 기초로 중력 보상 알고리즘을 적용하여 움직임을 제어하였다.

이론/모형

본 논문에서는 두산인프라코어 사의 SOLAR 015 모델을 이용하여 유압굴삭기 제어 시스템을 구성하였다. 우선 굴삭기의 원격제어를 위해 아날로그 전압 신호에 따라 각 링크의 실린더가 구동될 수 있도록 비례제어밸브를 장착하였으며, Fig.

성능/효과

그래프의 X축은 굴삭기의 자세에 따른 실린더 출력 힘을 나타내고 Y 축은 그에 따른 각 링크의 비례제어밸브 구동에 필요한 아날로그 제어 신호 값(-10 V ~ 10 V)을 나타낸다. 결과를 살펴보면 굴삭기 링크의 각도에 따라 구동하기 위한 실린더 출력 힘의 크기가 커질수록 필요한 제어 신호의 크기 역시 커짐을 확인할 수 있다. 하지만 만약 Fig.
결과를 통해 실린더 출력 힘의 추정을 통해 구동 신호 값을 분석에 따른 굴삭기의 원격제어가 잘 이루어짐을 확인할 수 있었다.
그 후 앞서 실험적 추정을 통한 구동 신호 값을 이용하여 버켓 끝점의 수평 방향 움직임에 대한 제어를 진행하였고, 끝점이 수평 방향으로 전진하는 동안 각 링크의 경우 레퍼런스 값과 4 ° 이내의 오차를 보였으며, 버켓 끝점의 수평 방향 움직임의 경우 Y 축 방향으로 5 cm 이내의 오차를 가졌다. 결과를 통해 실린더 출력 힘의 추정을 통해 구동 신호 값을 분석에 따른 굴삭기의 원격제어가 잘 이루어짐을 확인할 수 있었다.
5(c) ~ (1)에서의 일정한 상수 값을 보여주는 구간이 링크의 무게 중심이 중력 방향으로 움직이는 구간을 나타낸다. 그리고 이 결과그래프를 살펴보면 실험적으로 실린더 출력 힘이 0 이 되는 부분에서 일정한 상수 값과 구동 신호 값 의 변화가 일어나는 구간이 나눠짐을 확인 할 수 있다. 이는 각 링크의 무게중심이 중력 방향과 중력 반대 방향으로 바뀌는 상황에서는 실린더 출력 힘이 0이 됨을 의미 한다.
2 m 전진하는 움직임에 대한 결과를 나타낸다. 이 때의 경우 역시 버켓 끝점의 수평 방향에 대한 Y 축 방향의 오차는 ±4 cm 이내로 붐의 구동에서 약간의 오차를 보였음에도 불구하고 실린더 출력 힘에 따른 구동 신호를 이용한 제어가 잘 진행되었음을 확인할 수 있다.
굴삭기가 미세하게 방향을 바꿔야 하는 경우에 굴삭기 구동을 위한 아날로그 신호가 급격히 바뀌어야 한다. 하지만 이러한 미세한 변화에 밸브 시스템이 반응하지 않아 레퍼런스 값을 잘 따라가지 못해 이로 인해 상대적으로 각 링크의 레퍼런스 값과의 오차가 전 실험보다 크게 나타남을 확인할 수 있다. 특히 Fig.

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