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.
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.
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 ...
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 torque. Force control is useful for robot compliance with a user or environment. However, force control of a hydraulic robot is difficult because a hydraulic servo system is highly nonlinear from a control perspective. In this study, a nonlinear model was used to develop a simulation program for a hydraulic servo system consisting of a servo valve, transmission lines, and a cylinder. The problems and considerations with regard to the force control performance for a hydraulic servo system were investigated. A force control method using the nonlinear model was proposed, and its effect was evaluated with the simulation program.
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 torque. Force control is useful for robot compliance with a user or environment. However, force control of a hydraulic robot is difficult because a hydraulic servo system is highly nonlinear from a control perspective. In this study, a nonlinear model was used to develop a simulation program for a hydraulic servo system consisting of a servo valve, transmission lines, and a cylinder. The problems and considerations with regard to the force control performance for a hydraulic servo system were investigated. A force control method using the nonlinear model was proposed, and its effect was evaluated with the simulation program.
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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.
제안 방법
그리고 실린더의 수학적 모델은 실린더 체임버의 연속방정식, 피스톤의 운동방정식, 피스톤 위치 제한 모델 및 실린더 마찰 모델로 이루어진다.(11) 정확성을 높이기 위해 이 비선형 모델들을 Matlab/Simulink 를 이용하여 모두 구현하여 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다(Fig. 2). 이 시뮬레이션 프로그램으로 유압 서보 시스템의 특성을 해석하고 제어 기법을 연구하는데 비용과 시간을 절약할 수 있다.
그리고 체임버의 체적 변화에 대한 유량과 압력 변화를 만들어 내는 압축 유량을 보상하기 위해서, 비선형 모델을 목표 힘의 변화량과 체임버의 실린더의 속도에 대한 항으로 유도하여 PI 제어기에 보상기로 적용하였다. 그 결과 목표 힘을 잘 추종하는 것을 확인하였다.
실린더에 직접 부하를 결합하면 작은 힘으로도 부하의 운동 속도가 커서 힘제어 시 유량 포화상태에 도달하기 쉽다. 따라서 보다 원활한 힘제어 시뮬레이션을 위해 유압 서보 시스템으로 구동되는 진자 시스템을 Fig. 4 와 같이 Matlab/Simulink로 구현하였다. 부하 60 kg 과 식 (4)로 표현되는 마찰력을 부가하였다.
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.
L.은 두 Orifice 단면적을 독립적으로 제어하여 제어 성능을 높이고 외란에 대한 순응성을 높일 수 있는 방법에 대해 제안하였다.(10) 그러나 기존의 연구들은 유압 서보 시스템을 단순화하여 선형화한 모델을 주로 사용하였기 때문에 정확한 해석에는 한계가 있다.
성능/효과
6 과 같다. 게인 튜닝을 최대한 했으나 목표 힘을 잘 추종하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 이것은 앞서의 시뮬레이션 결과와 같이 실린더의 운동이 부하 압력을 감소시켰기 때문이다.
결과적으로 스풀의 위치에 따라 실린더에 유·출입되는 유량이 바뀌고 실린더가 출력하는 힘이 조절된다.
그리고 체임버의 체적 변화에 대한 유량과 압력 변화를 만들어 내는 압축 유량을 보상하기 위해서, 비선형 모델을 목표 힘의 변화량과 체임버의 실린더의 속도에 대한 항으로 유도하여 PI 제어기에 보상기로 적용하였다. 그 결과 목표 힘을 잘 추종하는 것을 확인하였다. 향후 유압 서보 실험 장치에 본 연구에서 제시한 보상기를 적용한 힘제어를 수행하여 검증할 예정이다.
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. 힘제어를 위해 이에 대한 보상이 필요하고 유량이 포화(Saturation)되면 보상을 할 수 없으므로 로봇의 속도를 제한할 필요가 있음을 확인하였다.
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. 힘제어를 위해 이에 대한 보상이 필요하고 유량이 포화(Saturation)되면 보상을 할 수 없으므로 로봇의 속도를 제한할 필요가 있음을 확인하였다.
후속연구
그 결과 목표 힘을 잘 추종하는 것을 확인하였다. 향후 유압 서보 실험 장치에 본 연구에서 제시한 보상기를 적용한 힘제어를 수행하여 검증할 예정이다.
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.
참고문헌 (12)
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