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[국내논문] 다관절 로봇 아암의 강인한 모션 제어방법에 관한 연구
A Study on the Robust Motion Control Technology of Articulated Robot Arm 원문보기

한국산업응용학회 논문집 = Journal of The Korean Society of Industrial Application, v.18 no.2, 2015년, pp.119 - 128  

하언태 ((주)미래기술연구소) ,  김현근 ((주)S&T중공업)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we propose a new motion control technology to design robust control system of industrial robot. The system modeling of robotic manipulation tasks with constraints is presented, and the control architecture for unconstrained and constrained motion system with parametric uncertainties i...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 로봇의 모션제어를 위한 강인제어(robust control) 시스템[5][6]을 이용하여 작업환경에 의하여 로봇의 동작이 제한되며 힘 제어 또는 속도제어를 부분적, 또는 동시적으로 필요로 하는 복잡한 작업을 수행 할 수 있는 로봇의 제한동작 제어를 위한 새로운 제어 방법을 제시한다. 이를 위하여 3계층의 계층적 구조를 갖는 제어시스템을 제안한다.
  • 하이브리드 동특성 시스템 구조는 복잡한 작업과 제한 동작 조건에서 연속 상태와 이산상태 요소들을 결합하여 모델링 및 제어할 수 있는 이상적인 모델링 방법이며 해석을 가능하게 한다. 본 논문에서는 시스템의 응용으로 제한 동작 로봇 시스템을 대상으로 로봇과 작업물체와 공간에 대한 모델의 불확실성이 존재하는 작업들을 대상으로 제한조건들에 의해 동작의 제한이 주어지는 환경에서의 유연한 동작제어기를 제안한다. 이를 위하여 먼저, 로봇 제한 공간들에 대하여 하이브리드 동적 모델을 구하였으며, 주어진 작업과 제한동작 조건에서 동특성 시스템 구조를 이용하였다.
  • 본 논문에서는 연마작업 환경에 의하여 로봇의 동작이 제한되며 힘 제어 또는 속도제어를 동시적으로 필요로 하는 복잡한 작업을 수행 할 수 있는 로봇의 제한 동작 제어를 위한 강건성(robustness)을 갖는 로봇 제어시스템을 제안하였다. 복잡하고 제한작업 공간에서의 다양한 작업을 수행하기 위한 3계층의 하이브리드 제어기는 각각, 상위수준에서는 간략화 수준으로서 로봇의 작업공간에서의 위치 및 힘 제어를 위한 연속상태제어기, 그리고 서로 다른 상태공간을 연결하고 지능적 동작을 위한 인터페이스 시스템으로 구성되어 있다.
  • 자유공간에서는 위치 궤적 추종(원 궤적)과 접촉 모드에서는 작업물체에 수직 방향으로는 접촉상태를 유지하기 위하여 접촉력 Fd = fy = 15N을 기준 접촉력으로 하였으며 접선(tangential)방향의 속도 제어는 x-축방향의 기주녹도 추종을 제어 목적으로 한다.

가설 설정

  • 는 Cartesian공간에서의 nXN 강성도 행렬이다. J가 nonsingular 라고 가정한다 (4)의 동특성은 작업 공간에서 접촉상태와 비접촉(자유공간)에 따라서 결정된다. 자유공간에서의 로봇 관절의 강성도는 위치 정밀도를 위하여 매우높은 강성도를 유지하게되고, 작업물체와의 접촉시에는 물체로부터 반발력 f를 받게 된다.
  • 본 논문에서는 연마작업과 같이 자유공간에서의 위치제어와 접촉상태에서의 힘 제어를 필요로 하는 작업을 대상으로 하여 작업 물체의 위치정보는 불확실하다고 가정한다.(그림 1 참조).
  • 실험에서 작업환경은 그림 3과 같으며, (7)의 연속 상태 제어기에서 작업 물체와 로봇 매니퓰레이터의 강성도는 매우 높은 강체라 가정하였다. 원하는 궤적은 x-y평면에 원을 기준 궤적으로 주었으며, 작업물체의 공간정보는 주어지지 않았다.
  • 실험이 적용된 작업은 그림 1과 같이 차원 평면에서 주어진 원 궤적이 작업물체로 인하여 동작의 제한을 받게 되는 그라인딩 작업을 대상으로 한다. 이때 작업물체는 고정되어 있으며 강성도가 로봇보다는 매우 높다고 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
로봇의 제어방법의 문제점 중 하나는? 로봇의 제어방법에서 중요한 문제점 중의 하나는 간단한 시스템을 위한 단순한 제어 기술들이 실제적으로 구현되어 있는 반면에 요구되어지는 작업들은 점차적으로 복잡해지고 다양한 작업으로 확대되고 있다는 것이다. 또한, 주어진 로봇작업에서 의사 결정과 다이나믹 제어 성능을 위한 제어 방법들은 아직도 부족한 편이며 제어 기술들은 다양한 제어 요구에 대하여 한계가 있다.
로봇의 링크가 일반적으로 유연성이 없는 강체로 설계되는 이유는? 일반적으로 로봇의 링크(link)는 유연성이 없는 강체(rigid body)로 되어있다. 이는 로봇이 물체를 옮기거나 용접, 페인팅 등과 같은 작업에서 주어진 궤적의 정밀한 추종과, 간단한 제어기로 위치 및 속도 제어 성능을 구현하기 위하여 강체로 설계되어 있다. 그러나 로봇 매니퓰레이터가 작업환경과 접촉이 발생하게 되고 상호작용에 의해 물체로부터 end-effector로 반발하는 힘이 발생하게 된다.
로봇의 동특성은 무엇에 의해 결정되는가? 로봇의 동특성은 액츄에이터의 특성, 마찰, 접촉상태 등에 의해 결정된다. 힘 제어만을 할 때는 작업 환경과 물체에 대해서는 로봇이 손상을 입게 된다.
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참고문헌 (11)

  1. T. J. Tarn, Y, Wu, N. X1, and A. Isidori. "Force regulation and contact transition control." IEEE Control Systems Megazinel, pp. 32-39, 1996 

  2. M. H. Raibert and J. J. Craig, "Hybrid position/force control of manipulators," ASME Journal of Dynamic System Measurement Control, no. 10 pp.126-133, 1981 

  3. M. Masom, "Compliance and force control for computer controlled manipu ; ators," IEEE Trans. Systems, Man and Cybernetics, pp. 418-432, 1981. 

  4. N. Hogan,"Impedance control : am approach to manipulation, parts I,II,III," Journal of Dynamic Systems Measurement and Control, pp. 1-24, 1985 

  5. J. Stiver, P Antsaklis, and M.Lemmon, "Hybrid system modeling and autonomous control sys-tems," In Robert L. Grossman, Anil Nerode. Anders P. Ravn, and Has Rischel, eidtors, Hybrid Systems I, Lecture Notes in Computer Science 736, pp. 366-392, 1993. 

  6. T. Niinomi, B. H. Krih, and J. E. R. Cury "Symthesis of supervisory controllers for hybrid systems based on approximating automata," Conference on Decision and Control , pp. 1461-1466,December. 1995 

  7. M. Lemmon and C. Bett, "Hybrid control system design using robust linear control agents," Conference on Decision and Control, pp 2688-2693,1995 

  8. A. Gollu and P. Varaiya.."Hybrid dynamical systems," Conference on Decision and Control, December, 1989. 

  9. J. Stiver and P. Antsaklis, "Modeling and analysis of hybrid control systems," Conference on Decision and Control, pp. 3748-3751, 1992. 

  10. A. Pnueli and R. Rosner, "On the synthesis of a reactive module." Symposum, on Principies of Programing Languages. pp. 179-190. 1989. 

  11. R. Brockett, "Hybrid models for motion control systems," in Essay on Control : Perspectives in the Theory and and Its Applications, H. l.rentelman and J. C. Willems, Eds. Boston, Ma: Birhauser, pp. 29-53, 1993. 

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