[논문]적응 제어 기반 Portable 용접 로봇 시뮬레이터 개발

구남국; 하솔; 노명일

doi:10.3744/snak.2012.49.5.400

적응 제어 기반 Portable 용접 로봇 시뮬레이터 개발
Development of a Motion Simulator for Portable Type Welding Robot Based on Adaptive Control 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.49 no.5, 2012년, pp.400 - 409

구남국 (서울대학교 조선해양공학과 대학원) , 하솔 (서울대학교 조선해양공학과 대학원) , 노명일 (울산대학교 조선해양공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

It is not easy to know the accurate mass and mass moment of inertia of robot. Because of this uncertainty, error may exist when we control the robot based on the inaccurate mass information. Moreover the properties of the portable robot can change during its operation. Therefore we developed the motion simulator based on the adaptive control. First, the computed torque control was carried out in order to minimize an error between target angles and real angles. The computed torque control is based on the equation of robot motion, which is derived from the Lagrange-Euler equation. To minimize the error between the real model and the approximated model, the adaptive control was carried out. During this simulation, the interference check was also carried out. The interference check verifies that the robot can move successfully without any collision.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 이러한 과정을 소프트웨어적으로 수행하기 위해서는 모션 시뮬레이터가 요구된다. 따라서 설계 단계에서 발생할 수 있는 빈번한 로봇 기구부의 설계 변경에 대응하여 적절한 로봇의 움직임을 구현토록 하는 제어 계수를 효과적으로 결정하기 위해, 본 연구에서는 소프트웨어적인 모션 시뮬레이터를 개발하였다. 즉, 본 연구에서는 로봇의 움직임을 소프트웨어적으로 미리 시뮬레이션함으로써 모터 컨트롤러의 제어 계수를 효과적으로 결정할 수 있는 모션 시뮬레이터(motion simulator)를 개발하였다.
본 연구에서는 로봇의 자세 및 실제 거동을 로봇 제작 전에 확인할 수 있는 모션 시뮬레이터를 개발하였고, 개발된 시뮬레이터의 효용성을 검증하기 위해 이를 이중 선체 블록의 보강재(longitudinal stiffeners)간의 맞대기(butt) 용접을 수행하는 Portable 용접 로봇의 개념 설계 안에 적용해 보았다.
본 연구에서는 모터와 감속기를 포함한 로봇 기구부의 동역학 운동 방정식을 수학적으로 모델링하고, 이를 이용하여 계산 토크 제어(computed torque control)을 수행할 수 있는 시뮬레이터를 개발하였다. 또한, 실제 로봇과 추정한 수학적 모델 사이에 오차가 존재하더라도 이를 극복하여 제어를 수행할 수 있는 적응 제어(adaptive control) 방식을 개발된 시뮬레이터에 반영하였다.
본 연구에서는 설계 단계에서 필수적으로 요구되는 기능만을 수행할 수 있는 전용의 로봇 모션 시뮬레이터를 개발하였다. 개발된 시뮬레이터는 정/역기구학을 계산하는 기능(Fig.
따라서 설계 단계에서 발생할 수 있는 빈번한 로봇 기구부의 설계 변경에 대응하여 적절한 로봇의 움직임을 구현토록 하는 제어 계수를 효과적으로 결정하기 위해, 본 연구에서는 소프트웨어적인 모션 시뮬레이터를 개발하였다. 즉, 본 연구에서는 로봇의 움직임을 소프트웨어적으로 미리 시뮬레이션함으로써 모터 컨트롤러의 제어 계수를 효과적으로 결정할 수 있는 모션 시뮬레이터(motion simulator)를 개발하였다. Fig.

제안 방법

즉, 로봇의 끝단이 움직이는 궤적을 생성하고 각 링크(관절과 관절 사이의 로봇 팔 부분)에 필요한 토크를 계산하였다. 그리고 실제 PUMA 560을 시뮬레이터에 연결하여 로봇의 거동을 측정하였다. 그러나 수학적 모델과 실제 로봇간의 기구적 차이에 의한 제어 값의 오차가 지속적으로 나옴이 확인되었다.
끝으로, 본 연구에서 개발한 시뮬레이터를 활용하여 Kwon(2008)의 용접 작업용 고정식 4축 portable 로봇(Fig. 4 참조)의 기구학, 동역학(dynamics) 계산 및 로봇 모션을 시뮬레이션해 봄으로써 개발된 시뮬레이터의 효용성을 검증하였다.
또한 적응제어방법을 적용하여 단축에 대해서 동역학적인 제어 특성을 살펴봄으로써 개발된 시뮬레이터의 효용성을 개략적으로 검증하였다. 또한 적응제어방법을 적용하여 4축을 모두 제어한 결과 목표 관절 값에 더욱 근접한 제어가 가능함을 확인하였고, 이는 용접선의 궤적을 정확하게 입력한다는 가정 하에, 보다 정확하게 용접선을 쫓으며 용접을 할 수 있다는 것을 의미한다.
본 연구에서는 모터와 감속기를 포함한 로봇 기구부의 동역학 운동 방정식을 수학적으로 모델링하고, 이를 이용하여 계산 토크 제어(computed torque control)을 수행할 수 있는 시뮬레이터를 개발하였다. 또한, 실제 로봇과 추정한 수학적 모델 사이에 오차가 존재하더라도 이를 극복하여 제어를 수행할 수 있는 적응 제어(adaptive control) 방식을 개발된 시뮬레이터에 반영하였다. Fig.
본 연구에서 개발한 시뮬레이터는 각 관절의 기구적 특성에 기반하여 힘과 모멘트를 구한다. 이는 현실과 완벽하게 일치하지는 않지만 로봇이 동작을 수행하기 위해 각 관절에서 요구되는 힘과 토크(모멘트)의 크기를 결정하는데 좋은 아이디어를 제공한다.
본 연구에서는 곡선 상의 점(P)과 곡선의 노트(knot, u), 양 끝단의 접선 벡터(t₀, t₁)가 주어졌을 때, Fig. 9를 이용하여 Cubic B-Spline 곡선을 생성하였다.
8에서와 같이 로봇의 끝단이 움직이는 경로와 그 위치에서의 자세를 생성해야 한다. 본 연구에서는 로봇의 끝단이 반드시 지나야 하는 용접 점을 Cubic B-Spline 보간을 통해 부드러운 곡선으로 연결하는 경로를 생성하였다. 또한 초기 자세와 최종 자세 사이의 변화를 사원 수(quaternion)를 이용하여 보간함으로써 부드러운 움직임을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 로봇의 모션에 있어서 비선형 항과 연성 (coupled) 항의 영향을 고려하기 위해 모터, 감속기 특성을 고려한 운동 방정식(식 (22), Fig. 11-①)을 이용하여 계산 토크 제어(Fig. 11)를 수행하였다. 계산 토크 제어는 식 (22)에서 외력으로 주어지는 KE_a를 합리적으로 계산(Fig.
본 연구에서는 로봇의 모션을 제어하기 위해 모터와 감속기에 의한 영향을 고려하여 로봇 동역학 운동 방정식을 세우고, Yaw축에 대해 적응 제어를 적용하여 링크(관절과 관절 사이의 로봇 팔 부분)의 위치를 제어하였다.
(2004)은 ‘PUMA 560’이라는 로봇의 동역학 운동 방정식을 수학적으로 모델링하고 그 거동을 제어할 수 있는 시뮬레이터를 개발하였다. 이 연구에서는 PUMA 560의 동역학 모델을 기반으로 계산 토크 제어를 활용하여 로봇의 움직임을 제어하였다. 즉, 로봇의 끝단이 움직이는 궤적을 생성하고 각 링크(관절과 관절 사이의 로봇 팔 부분)에 필요한 토크를 계산하였다.
Harmer (2003)는 ‘RRR-Manipulator’라는 로봇의 동역학 운동 방정식을 수학적으로 모델링하고 그 거동을 제어할 수 있는 시뮬레이터를 개발하였다. 이 연구에서는 수학적 모델과 실제 로봇간의 기구적 차이에 의한 제어 값의 오차를 줄이기 위해 적응 제어 방식을 적용하였다. 그 결과, 각종 제어 계수의 적절한 값을 찾는데 오랜 시간이 소요되었지만 계산 토크 제어에 비해 적응 제어 방식이 보다 나은 제어 성능을 보여주는 것을 확인하였다.
이 연구에서는 PUMA 560의 동역학 모델을 기반으로 계산 토크 제어를 활용하여 로봇의 움직임을 제어하였다. 즉, 로봇의 끝단이 움직이는 궤적을 생성하고 각 링크(관절과 관절 사이의 로봇 팔 부분)에 필요한 토크를 계산하였다. 그리고 실제 PUMA 560을 시뮬레이터에 연결하여 로봇의 거동을 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 적용 대상으로 가정한 용접 작업용 고정식 4축 portable 로봇(Fig. 7 참조)의 각 축(2축 병진, 2축 회전)에 대해 적용한 D-H 파라미터는 Table 2와 같다.

이론/모형

본 연구에서는 로봇의 정기구학 계산을 위하여 Denavit-Hartenberg법(이하 D-H법)을 사용하였다. D-H법은 3차원 상의 로봇 관절에 설정된 로컬 좌표계간의 상호 관계를 다음의 4가지 변환을 수행함으로써 표현한다(Fig.

성능/효과

오차에 대한 2계 상미분 방정식인 식 (24)가 0에 수렴하기 위해서는 특성 방정식의 해가 음수가 되는 제어 계수 K_p와 K_d (= K_pT_d)를 선택해야 한다. 계산 토크 제어는 비선형 항#이나 관성 행렬(D (q))을 고려한 운동 방정식을 사용하여 제어를 수행하므로, 선형 운동방정식으로 단순화한 제어 방식에 비해 정확한 값을 얻을 수 있었다.
Kim (2007)은 유압 굴삭기의 동역학 운동 방정식을 Newton-Euler 방법에 의해 유도하였고, 이를 바탕으로 유압 굴삭기의 비례-미분-적분(PID) 제어와 적응 제어를 수행하여 그 결과 값을 비교하였다. 그 결과, PID 제어 대비 적응 제어 방식이 보다 나은 제어 결과를 도출함을 확인하였다.
이 연구에서는 수학적 모델과 실제 로봇간의 기구적 차이에 의한 제어 값의 오차를 줄이기 위해 적응 제어 방식을 적용하였다. 그 결과, 각종 제어 계수의 적절한 값을 찾는데 오랜 시간이 소요되었지만 계산 토크 제어에 비해 적응 제어 방식이 보다 나은 제어 성능을 보여주는 것을 확인하였다.
그리고 실제 PUMA 560을 시뮬레이터에 연결하여 로봇의 거동을 측정하였다. 그러나 수학적 모델과 실제 로봇간의 기구적 차이에 의한 제어 값의 오차가 지속적으로 나옴이 확인되었다.
또한 적응제어방법을 적용하여 단축에 대해서 동역학적인 제어 특성을 살펴봄으로써 개발된 시뮬레이터의 효용성을 개략적으로 검증하였다. 또한 적응제어방법을 적용하여 4축을 모두 제어한 결과 목표 관절 값에 더욱 근접한 제어가 가능함을 확인하였고, 이는 용접선의 궤적을 정확하게 입력한다는 가정 하에, 보다 정확하게 용접선을 쫓으며 용접을 할 수 있다는 것을 의미한다.
본 연구에서는 로봇의 끝단이 반드시 지나야 하는 용접 점을 Cubic B-Spline 보간을 통해 부드러운 곡선으로 연결하는 경로를 생성하였다. 또한 초기 자세와 최종 자세 사이의 변화를 사원 수(quaternion)를 이용하여 보간함으로써 부드러운 움직임을 얻을 수 있었다.

후속연구

또한 본 논문의 연구 결과는 조선 현장에서 널리 설계되어 사용되는 6축 로봇 (Park & Lee, 2009)의 제어에도 활용할 수 있을 것이라고 예상한다.
제작한 하드웨어에 본 논문의 연구 결과를 적용하여 실제 어느 정도의 성능 향상을 보여주는지 테스트할 예정에 있다. 또한 본 논문의 연구 결과는 조선 현장에서 널리 설계되어 사용되는 6축 로봇 (Park & Lee, 2009)의 제어에도 활용할 수 있을 것이라고 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조선소에서는 어떤 공정들을 자동화하기 위해 노력하고 있는가?	현재 많은 조선소에서 용접, 전처리, 도장 등의 공정을 자동화하려고 노력하고 있다. 이러한 연구 중 이중 선체 구조의 내부와같이 협소하고 밀폐된 환경에서의 공정을 자동화하기 위해서는 더욱 새로운 아이디어의 도출이 필요하다 (Ku, et al.
	소프트웨어적인 로봇 제어 기법인 모션 시뮬레이터는 무엇을 수행하는가?	Fig. 2는 모터, 모터 컨트롤러 및 감속기를 포함한 로봇의 운동을 수학적으로 모델링하여 해석적인 풀이를 수행하는 소프트웨어적인 로봇 제어 기법(모션 시뮬레이터)을 나타낸 것이다.

참고문헌 (18)

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상세보기
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상세보기
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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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