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하모닉 드라이브의 토크리플 감소를 위한 조인트 토크센서용 스위칭 노치필터
A Switching Notch Filter for Reducing the Torque Ripple Caused by a Harmonic Drive in a Joint Torque Sensor 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.35 no.7, 2011년, pp.709 - 715  

김준홍 (고려대학교 기계공학부) ,  김영렬 (고려대학교 기계공학부) ,  송재복 (고려대학교 기계공학부)

초록
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로봇 머니퓰레이터의 정밀한 제어를 위하여 하모닉 드라이브와 조인트 토크센서가 널리 사용되고 있다. 하모닉 드라이브는 구조적 특징으로 인하여 토크리플을 발생시키는데, 토크센서와 하모닉 드라이브가 직결된 경우에 토크리플은 토크센서에 전달되어 토크센서를 사용하는 제어기나 관측기의 성능을 저해한다. 본 논문에서는 토크리플과 하모닉 드라이브 속도의 관계를 도출하고, 이를 토대로 토크리플을 효과적으로 감쇄시키는 스위칭 노치필터를 제안한다. 제안된 스위칭 노치필터는 기존에 제시되었던 이론에 비하여 직관적이고, 추가적인 회로부나 기구부 구성이 필요 없으며, 연산량이 적은 장점이 있다. 또한 다양한 실험을 통하여 스위칭 노치필터의 필터링 성능, 빠른 응답속도와 스위칭 안정성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Harmonic drives have been widely used in combination with joint torque sensors in order to facilitate accurate manipulator control. A harmonic drive causes a torque ripple because of its structural characteristics, and this torque ripple tends to deteriorate the performance of a controller or observ...

주제어

#토크리플   #조인트 토크센서   #스위칭 노치필터   #하모닉 드라이브  

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

문제 정의

  • 토크센서를 하모닉 드라이브에 직결하는 경우, 하모닉 드라이브에서 발생하는 토크리플은 토크센서의 신호를 왜곡시켜, 토크센서를 사용하는 제어기나 관측기의 성능을 저해시킨다. 본 논문에서는 토크리플과 하모닉 드라이브의 속도 사이의 관계를 통하여 토크리플에 의한 영향을 효과적으로 감쇄하는 스위칭 노치필터를 제안하였다. 실험을 통하여 제안한 필터가 효과적으로 토크리플을 상쇄시키면서, 저역통과필터에 비하여 시간지연이 작은 것을 검증하였다.
  • 본 논문에서는 하모닉 드라이브의 속도와 토크리플의 주기 사이의 관계를 구하고, 이를 바탕으로 토크리플을 효과적으로 상쇄시키면서, 빠른 응답속도를 갖는 스위칭 노치필터(switching notch filter)를 제안한다. 스위칭 노치필터는 토크리플의 주요 주파수만을 차단하기 때문에 빠른 응답성을 가지며, 적절하게 차단주파수를 변경시킴으로써 넓은 속도 범위에서의 토크리플 상쇄가 가능하다.
  • 위에서 설계된 LPF와 노치필터의 응답속도를 확인하기 위하여 계단입력과 경사입력에 대한 응답을 확인하였다. Fig.
  • 그러나 차단주파수를 실시간으로 가변하기 위해서는 노치필터의 파라미터를 변경해야 하며, 이를 위해서는 복잡한 해석 과정이 필요하다. 이런 문제점을 해결하기 위하여 본 논문에서는 고정된 차단주파수를 갖는 여러 개의 노치필터를 설계하고, 조인트 속도에 따라 설계된 후보 필터 중 하나를 선택하여 사용하는 스위칭 노치필터를 제안한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
하모닉 드라이브의 장점은? 대부분의 중소형 로봇에서 감속기로 사용되는 하모닉 드라이브는 경량성, 고효율성, 고정밀성, 기어 유격의 제거 등 기존 감속기에 비해 많은 장점이 있다. 그러나 비선형적인 마찰과 감쇠 등으로 인하여 시간에 따라 마찰력이 변하는 이력현상(hysteresis)과 주기적인 진동 현상인 토크리플(torque ripple)을 야기한다.
대역차단필터의 역할은? 대역차단필터(band-reject filter)는 대부분의 주파수 대역을 통과시키고, 특정 주파수 대역만을 차단시킨다. 이때 차단주파수 대역을 매우 좁게 설정하여, 특정 주파수 성분만을 감쇄시키는 필터를 노치필터라 한다.
하모닉 드라이브의 단점은? 대부분의 중소형 로봇에서 감속기로 사용되는 하모닉 드라이브는 경량성, 고효율성, 고정밀성, 기어 유격의 제거 등 기존 감속기에 비해 많은 장점이 있다. 그러나 비선형적인 마찰과 감쇠 등으로 인하여 시간에 따라 마찰력이 변하는 이력현상(hysteresis)과 주기적인 진동 현상인 토크리플(torque ripple)을 야기한다. 조인트 토크센서를 사용하여 로봇의 관절 토크를 측정하는 경우, 하모닉 드라이브에 발생하는 마찰력은 센서에서 측정되지 않으므로 이력현상에 대한 고려를 할 필요가 없다.
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참고문헌 (9)

  1. Timothy, D. T. and Warren, P. S., 1996, "A Nonlinear Model of Harmonic Drive Gear Transmission," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Vol. 12, No. 3, pp. 368-374. 

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  2. Richard, D., Fathi, H. G. and Prasanna, S. G., 2003, "A New Dynamic Model of Hysteresis in Harmonic Drives," IEEE Trans. on Industrial electronics, Vol. 50, No. 6, pp. 1165-1171. 

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  3. Ivan, G., Tamotsu, N. and Masashi, H., 2001, "Ripple Compensation for Torque Sensors Built into Harmonic Drives," IEEE Trans. on instrumentation and measurement, Vol. 50, No. 1, pp. 117-122. 

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  4. Jonathon, W. S. and Richard, F., 2006, "Improved Torque Fidelity in Harmonic Drive Sensors Through the Union of Two Existing Strategies," IEEE/ASME Trans. on mechatronics, Vol. 11, No. 4, pp. 457-461. 

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  5. Hamid, D. T. and Belanger P. R., 1998, "Torque Ripple and Misalignment Torque Compensation for the Built-In Torque Sensor of Harmonic Drive Systems," IEEE trans. on instrumentation and measurement, Vol. 47, No. 1, pp. 309-315. 

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  6. Thede, L., 2004, Practical Analog and Digital Filter Design, Artech House, Boston, pp. 98-103. 

  7. Zhen Y. Z., Masayoshi. T. and Satoru. I., 1993, "Fuzzy Gain Scheduling of PID Controllers," IEEE Trans. on Systems, Man, and Cybernetics, Vol. 23, No. 5, pp. 1392-1398. 

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  8. Hespanha, J. P., Liberzon, D. and Morse, A. S., 2001, "Multiple Model Adaptive Control, Part 2: Switching," Int. Journal of Roboust Nonlinear Control, No. 11, pp. 479-496. 

  9. Nam, K. H. and Song, J.-B., 2009, "Joint Torque Sensor Based on Hub-Spoke Type Structure for a Service Robot," Conf. on the KSME, pp. 247-249. 

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