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유압식 로봇의 힘 제어를 위한 유압 서보 시스템의 특성에 관한 연구

Study on Characteristics of Hydraulic Servo System for Force Control of Hydraulic Robots

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.2, 2015년, pp.219 - 225  

김효곤 (한양대학교 메카트로닉스공학과) ,  이종원 (과학기술연합대학원대학교 지능형로봇공학전공) ,  박상덕 (한국생산기술연구원) ,  한창수 (한양대학교 로봇공학과)

초록
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유압 서보 시스템은 구동기 단에서 부피 대비 큰 힘을 출력할 수 있으므로 로봇에 적용 시, 로봇의 팔 또는 다리를 경량화할 수 있다. 이것은 로봇의 동적 특성과 에너지 효율을 향상 시키므로 고출력이 필요한 몇몇의 근력지원용 착용형 로봇과 사족 보행 로봇들은 유압 서보 시스템을 사용한다. 이 로봇들은 사용자나 외부 환경에 순응하기 위해 힘제어를 하는 것이 유리하지만 유압식 로봇은 유압서보 시스템이 갖는 비선형성으로 인해 정교한 힘제어가 쉽지 않다. 본 논문에서는 서보 밸브, 배관 그리고 유압 실린더로 구성되는 유압 서보 시스템의 시뮬레이션 모델을 개발하여 유압 서보 시스템의 힘제어 시 고려해야 할 사항에 대해 분석하였다. 그리고 비선형 모델을 이용한 힘제어 기법을 제안하고 시뮬레이션을 통해 효과를 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Because a hydraulic actuator has high power and force densities, this allows the weight of the robot's limbs to be reduced. This allows for good dynamic characteristics and high energy efficiency. Thus, hydraulic actuators are used in some exoskeleton robots and quadrupedal robots that require high ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 유압 서보 시스템의 세부 요소들을 가능한 자세하게 비선형 모델로 표현하여 시뮬레이션 모델을 개발하였으며, 이를 근거로 유압 서보 시스템의 힘 제어 시 고려해야 할 사항에 대해 분석하였다. 분석된 내용을 바탕으로 힘 제어 기법을 제안하고, 개발한 시뮬레이션을 모델에 적용하여 효과를 검증하였다.
  • 본 연구에서 유압 서보 시스템의 특성과 힘 제어 시 발생하는 문제점을 파악하기 위한 시뮬레이터를 개발하였다. 시뮬레이션 결과, 실린더의 운동은 작동유가 유입되는 체임버의 체적을 확장시켜 압력 감소에 가장 큰 영향을 주고 작동유가 유출되는 체임버에 압력을 상승시켜 부하 압력을 감소시키는 것을 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유압 서보 시스템을 로봇에 적용 시 장점은? 유압 서보 시스템은 로봇에 적용하는데 있어 몇가지 장점을 지닌다. 먼저, 실린더의 면적을 이용하여 힘을 증폭할 수 있으므로 별도의 기어 장치를 이용하는 전기 모터에 비해 작고 가볍게 설계될 수 있다. 이는 로봇의 몸통에 질량을 집중시키는 반면, 로봇의 팔이나 다리와 같은 외지 (Appendage, 外肢)는 경량화 시킬 수 있으므로 로봇의 안정성 및 에너지 효율을 향상 시킬 수 있다. 또한 외부 충격에 강인하여 로봇의 내구성을 높일 수 있다.
유압 서보 시스템의 힘 제어가 힘든 이유는 무엇인가? (4,5) 그러나 최근 국방, 의료 분야를 중심으로 야지, 재난환경과 같은 비정형 환경에 적용될 수 있는 로봇에 대한 관심이 증대 되면서 외란에 순응하기 위한 힘 제어 기법이 활발히 연구되고 있다.(6,7) 문헌에 알려진 바에 의하면, 유압 서보 시스템은 실린더 내의 마찰, 내/외부 누유, 오일의 온도 변화에 따른 압축성 변화 등 유압밸브 및 실린더가 지닌 비선형 특성으로 인해 힘 제어가 쉽지 않은 것으로 알려져 있다. Alleyne, A.
과거의 유압 서보 시스템이 사용된 로봇은 무엇을 주로 수행했나? 이러한 특징을 기반으로 큰 동력을 필요로 하는 로봇 분야에서 유압 서보 시스템이 사용되고 있다.(1~3) 과거 유압 서보 시스템이 사용된 로봇은 주로 산업현장에서 고속, 고정밀도와 고정확도가 요구되는 작업을 수행하기 위해 사용되었으며, 이를 위해 외란에 강인한 위치 제어 기법이 요구되었다.(4,5) 그러나 최근 국방, 의료 분야를 중심으로 야지, 재난환경과 같은 비정형 환경에 적용될 수 있는 로봇에 대한 관심이 증대 되면서 외란에 순응하기 위한 힘 제어 기법이 활발히 연구되고 있다.
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참고문헌 (12)

  1. Karlin, S., 2011, "Raiding Iron Man's closet [Geek life]," Spectrum, Vol. 48, No. 8, pp. 25-25. 

  2. Raibert, M., Blankespoor, K., Nelson, G. and Playter, R., 2008, "Bigdog, the Rough-Terrain Quadruped Robot," In Proceedings of the 17th World Congress, pp. 10823-10825. 

  3. Boaventura, T., Semini, C., Buchli, J., Frigerio, M., Focchi, M. and Caldwell, D. G., 2012, "Dynamic Torque Control of a Hydraulic Quadruped Robot," In Robotics and Automation (ICRA), pp. 1889-1894. 

  4. Solis-Perales, G. and Peon-Escalante, R., 2012, "Robust Adaptive Tracking Control of a Class of Robot Manipulators with Model Uncertainties," Modelling and Simulation in Engineering, 13. 

  5. Wang, X., Sun, X., Li, S. and Ye, H., 2012, "Finite-Time Position Tracking Control of Rigid Hydraulic Manipulators Based on High-Order Terminal Sliding Mode," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, 226(3), pp. 394-415. 

  6. Sivaselvan, M. V., Reinhorn, A. M., Shao, X. and Weinreber, S., 2008, "Dynamic Force Control with Hydraulic Actuators Using Added Compliance and Displacement Compensation," Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 37(15), pp. 1785-1800. 

  7. Ugurlu, B., Havoutis, I., Semini, C. and Caldwell, D. G., 2013, "Dynamic Trot-Walking with the Hydraulic Quadruped Robot-HyQ: Analytical Trajectory Generation and Active Compliance Control," In Intelligent Robots and Systems (IROS), pp. 6044-6051. 

  8. Alleyne, A. and Liu, R., 1999, "On the Limitations of Force Tracking Control for Hydraulic Servosystems," Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 121(2), pp. 184-190. 

  9. Boaventura, T., Focchi, M., Frigerio, M., Buchli, J., Semini, C., Medrano-Cerda, G. A. and Caldwell, D. G., 2012, "On the Role of Load Motion Compensation in High-Performance Force Control," In Intelligent Robots and Systems (IROS), pp. 4066-4071. 

  10. Wells, D. L., Iversen, E. K., Davis, C. C. and Jacobsen, S. C., 1990, "An Investigation of Hydraulic Actuator Performance Trade-Offs Using a Generic Model," In Robotics and Automation, pp. 2168-2173. 

  11. Rabie, M., 2009, Fluid power engineering, McGraw Hill, New York, pp. 333-347. 

  12. Jelali, M. and Kroll, A., 2003, Hydraulic Servo-Systems: Modelling, Identification and Control, Springer, London, p. 71. 

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