[논문]강인한 힘 추적 제어기를 적용한 콘크리트 표면 추종 로봇 시스템

조철주; 임계영

doi:10.5302/j.icros.2016.16.0015

강인한 힘 추적 제어기를 적용한 콘크리트 표면 추종 로봇 시스템
Applying the Robust Force Tracking Controller to assist the Sealing Robot System on a Concrete Surface 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.22 no.6, 2016년, pp.389 - 396

조철주 (한국산업기술대학교 지식기반기술에너지대학원 전기공학 전공) , 임계영 (한국산업기술대학교 에너지전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The sealing robot must be able to calculate the slope of a contact surface for complete adherence of the sealing on different concrete shapes. After the slope is obtained, the robot will track on the surface of the concrete, but this process contains an error in the actual purpose of the force command. The reason this a phenomenon occurs, the non-linearity of the contact surface and the end-effector, is due to parasitic coupling. Errors like make it difficult to measure accurately the respective factors. Therefore, it is regarded as a disturbance that occurs when it follows the work surface it. In this paper, we selected the friction coefficient of the surface as a control factor and designed a compensator to reduce effects of disturbance. Finally, in view of the non-linearity of the end-effector of a robot to contact surfaces directly, we propose a robust force tracking controller in the finite range for managing disturbances that occur during the sealing.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 그림 2와 같이 경사도 상에서 실링 작업의 완성도를 방해하는 외란을 보상하기 위한 제어 인자를 선정하고, 발생한 외란에 대하여 유한 영역내에서 강인한 힘 추적 제어기를 제시한다.
이러한 자동화 시스템을 제어하기 위해서는 선형적인 로봇의 공칭 모델을 설계한 후, 작업 환경 조건에서 발생하는 비선형적인 인자들을 고려하여야 한다. 본 논문에서는 작업이 진행되는 접촉 표면의 강성과 end-Effector 의 비선형성을 고려하여 시스템 모델을 설계하였다. 그림 7 은 로봇 시스템과 접촉 표면의 비선형성을 포함한 구성도이다.

가설 설정

儿, 儿는 值의 气 z축으로 분해한 힘이고 /*, 는 f 의 분해한 힘이다. 본 논문에서는 접촉 표면에 대한 실링 작업의 완성도를 위해 fmt = 157V으로 정하였다. es < 0 일 때는, 실시간 경사도에 의해 구해진 표면 마찰력의 명령(£)과 수직 접촉힘 명령(£)은 원하는 힘의 명령 fmx, 《“보다 큰 값으로 계산되어 로봇의 명령으로 주어진다 久 >0 일 때는, 와 £는 fmx, f能에 비해 작은 값으로 계산되어 로봇의 명령으로 주어지게 된다.

제안 방법

또한, 다양한 형상의 콘크리트 구조물의 표면 실링을 위하여 실시간 측정되는 표면 경사도를 추정하여 수직 접촉 힘과 표면 마찰력을 고려하는 힘 추적 제어기법을 적용하여 현장 적용의 가능성을 향상시켰다[2]. 그림 1은 로봇의 콘크리트 표면 실링 모습이다.
그러나 로봇 말단에 작업 표면에 직접 접촉하는 end-efhetor의 특성으로 인한 비선형성이 발생하게 된다. 로봇의 end-effector의 특성을 고려하기 위하여 작업 범위 내에서 로봇의 변위에 따른 힘의 변화를 측정하였다. 이렇게 측정된 데이터들을 분석하여 파악된 비선형성을 제어기 설계 시 고려하였다.
마찰계수 추종값(兄(2))의 참고 데이터로 사용하기 위하여 로봇이 접촉하는 표면과 동일한 재질과 강성을 갖는 소재를 선정하여 접촉면 기울기가 “0”인 상태(久 M 0)에서마찰계수(㈤伝))를 측정하였다. 그림 11에서 수직 접촉력 (人)이 상승함에 따라 표면 마찰력。■, )도 상승하는 것을 알 수 있다.
방향성이 중요하다. 보상항의 방향을 결정하는 파라미터 Le 실시간 동작하는 로봇 시스템에 맞추어 적절하게게인과 위상을 조정하여 구하였다[9-12]. 이렇게 구한 필터 L 은 다음과 같다.
설계가 필요하다. 본 논문에서는 Offline Parameter Identification 방법의 하나인 ARMA 모델을 이용하여 외란 이 추가되지 않은 최적의 로봇 시스템 모델을 구하고, 이때의 위치 출력을 관측하여 商(1)를 추종하였다. ARMA 모델을 이용하여 구한 관측기 형태는 다음과 같다.
이 과정을 수차례반복하여 얻어진 데이터들을 이용하여 역으로 시스템의 모델을 유추할 수 있다. 본 논문에서는 사인파와 계단응답을 이용하여 시스템 모델을 유추하였다. 그림 8은 사인파 입력으로 로봇 시스템의 주파수 영역 특성을 파악한 그래프이고, 그림 9은 계단 응답의 진폭에 따른 시간 영역 특성을 파악한 그래프이다.
위하여 300mm의 길이와 30。의 경사도를 갖는 굴곡진 표면을 제작하였다. 로봇은 2축 직교형이며, 힘 센서는 로봇 각축의 진행 방향과 동일하게 설치하였다.
이러한 마찰계수는 접촉면의 변화에 대하여 높은 민감도와 잡음에 의한 부정확성을 수반하기 때문에 직접적으로 사용하여 방향성을 판별하기 어렵다. 이런 점을 보완하기 위해 필터 L을 사용하여 心、t) 의 높은 민감도와 잡음의 영향을 최소화하고, 보다 정확한 보상항 방향을 결정한다. 또한, 식 (5)에서 사용된 瓜(1)는 보상항의 방향 정보획득 시 기준이 되는 인자이다.
로봇의 end-effector의 특성을 고려하기 위하여 작업 범위 내에서 로봇의 변위에 따른 힘의 변화를 측정하였다. 이렇게 측정된 데이터들을 분석하여 파악된 비선형성을 제어기 설계 시 고려하였다.
부각되었다. 이를 위하여 개발된 실링 로봇 시스템은 콘크리트 구조물의 표면에 발생한 균열의 궤적을 CCD-카메라로 획득하여 자동으로 궤적을 추적하며 실링을 수행한다. 이 때, 실링 작업의 완성도를 위하여 접촉 표면과 로봇의 end-eflfector간에일정한 힘을 유지하도록 임피던스 힘제어 기법을 적용하였다 [1].

대상 데이터

이를 고려하기 위해서는 불규칙한 현상이 발생되는 시점을 인지할 수 있는 제어 인자를 선정하여야 한다. 본 논문에서는 수직힘과 마찰력 사이의 연성을 포함하고 있는 마찰계수(%)를 제어 인자로 선정하였다.

이론/모형

Q(t) 를 추종하기 위한 상태 관측기 설계 및 외란의 영향에 따른 시스템의 특성을 파악하기 위하여 Parameter Identification을 이용하여 시스템 모델을 설계하였다.
이를 위하여 개발된 실링 로봇 시스템은 콘크리트 구조물의 표면에 발생한 균열의 궤적을 CCD-카메라로 획득하여 자동으로 궤적을 추적하며 실링을 수행한다. 이 때, 실링 작업의 완성도를 위하여 접촉 표면과 로봇의 end-eflfector간에일정한 힘을 유지하도록 임피던스 힘제어 기법을 적용하였다 [1].

성능/효과

외란을 보상하기 전의 결과 그림 14와 비교해보면 경사도가 급격히 변하는 350~400초에서 합력의 명령 의 오차 최댓값( He/t) II 8)은 약 &V이었지만 보상을 한 후에는 37V 정도의 오차 범위 내에서 동작한다는 것을 알 수 있다. 40-700초인 구간에서는 보상하기 전에는 약 &V의 오차가 지속 되었지만, 보상 후에는 약 1加 정도의 오차로 추종하고 있다.

참고문헌 (12)

C. J. Cho and K. Y. Lim, "A study on control of sealing robot for cracks of concrete surface," Journal of Construction Engineering, KSCE, vol. 35, no. 2, pp. 481-491, Apr. 2015.
C. J. Cho, S. H. Jin, and K. Y. Lim, "The implicit force tracking control for sealing on the concrete surface," Proc. of Korean Institute of Electrical Engineers Summer Conference 2014, pp. 1378-1379, Jul. 2014.
F. Al-Bender and K. De Moerlooze, "On the relationship between normal load and friction force in pre-sliding frictional contacts. Part 1: Theoretical analysis," Journal of Wear, vol. 269, pp. 174-182, 2010.

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K. De Moerlooze and F. Al-Bender, "On the relationship between normal load and friction force in pre-sliding frictional contacts. Part 2: Experimental investigation," Journal of Wear, vol. 269, pp. 183-189, 2010.

상세보기
S. M. Suh, "Robust control via peak control of sensitivity function," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, vol. 15, no. 11, pp. 1071-1075, 2009.

원문보기 상세보기
R. Banning, W. L. de Koning, H. J. M. T. A. Adriaens, and R. K. Koops, "State-space analysis and identification for a class of hysteretic systems," Journal of Automatica, vol. 37, pp. 1883-1892, 2001.

상세보기
K. Y. Lim, "Model reference adaptive control for linear system with improved convergence rate - signal synthesis method," Journal of Korean Institute of Electrical Engineers, vol. 37, no. 10, pp. 733-739, Dec. 1988.
K. Y. Lim, "Model reference adaptive control for linear system with improved convergence rate - parameter adaptation method," Journal of Korean Institute of Electrical Engineers, vol. 37, no. 12, pp. 884-893, Dec. 1988
Y. J. Choi, K. J. Yang, W. K. Chung, H. R. Kim, and I. H. Suh, "Design of disturbance observer considering robustness and control performance (1) : Analysis on second order system," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 8, no. 8, pp. 655-664, 2003.
H. R. Kim, Y. J. Choi, I. H. Suh, W. K. Chung, M. K. Park, and K. H. Lee, "Design of disturbance observer considering robustness and control performance (2) : It's application for optical disc drive servo system," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 9, no. 4, pp. 270-276, 2003.
S. Oh, J. S. Kim, and H. Shim, "Robust stabilization of uncertain LTI systems via observer model selection," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 20, no. 8, pp. 822-827, 2014.

원문보기 상세보기
J. H. Shin, "Decentralized robust adaptive control for robot manipulators with input torque saturation," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 21, no. 12, pp. 1160-1166, 2015.

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