[논문]적분슬라이딩모드와 DOB를 이용한 강인추종 및 인간순응 로봇제어

아브너 어시그네시온; 김민찬; 곽군평; 박승규

doi:10.6109/jkiice.2017.21.2.416

적분슬라이딩모드와 DOB를 이용한 강인추종 및 인간순응 로봇제어
Robust Tracking and Human-Compliance Control Using Integral SMC and DOB 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.2, 2017년, pp.416 - 422

아브너 어시그네시온 (Department of Electrical Engineering, Changwon National University) , 김민찬 (Department of Electrical Engineering, Changwon National University) , 곽군평 (Department of Electrical Engineering, Changwon National University) , 박승규 (Department of Electrical Engineering, Changwon National University)

초록
AI-Helper

인간과 로봇이 같은 공간에서 작업을 할 경우가 많아짐에 따라 안전성을 고려한 로봇의 제어가 필요하다. 안정성을 위해서 로봇은 인간의 힘에 순응해야 함으로 낮은 임피던스가 요구되는 반면에 높은 제어성능을 갖도록 하기 위해서는 외란에 강인하기 위해서는 높은 임피던스가 요구된다. 이러한 이율배반적인 목적을 달성하기 위해서 본 연구에서는 적분슬라이딩모드와 외란관측기(DOB)를 사용하여 인간의 힘 이외의 외란에는 강인한 특성을 보이고 인간의 힘에는 순응할 수 있는 제어기를 설계한다. 인간의 동작이 특정 주파수의 범위에 있다는 사실에 근거하여 인간에 의한 외란인 경우의 외란에 대해서는 로봇이 순응하도록 슬라이딩모드를 설계하는 것이 본 논문의 독창적인 아이디어이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The robot control with safety consideration is required since robots and human work together in the same space more frequently in these days. For safety, robots must have compliance to human force and robust tracking performance with high impednace for the nonhuman disturbances. The novel idea is proposed to achieve the compliance and high impedance with one controller structure. For the compliance, the ISMC(Integral Sliding Mode Control) and HDOB(Human Disturbance Observer) The human force is identified by using the human band pass filter and its output is sent to the sliding surface. The sliding mode dynamic is affected by human disturbance and the compliance for human is achieved. The disturbances besides human frequencies are decoupled by the ISMC and the robust tracking is achieved. The additional LDOB(Low Frequency Disturbance Observer) decreases the maxim nonlinear gain and leads low chattering. The introduction of human disturbance into the sliding mode dynamic is the main novel idea of this paper.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

통상적인 슬라이딩 평면에는 외란이 개입할 수 없도록 설계가 된다. 그러나 본 연구에서는 슬라이딩평면에 인간에 의한 외란이 반영될 수 있도록 설계를 함으로써 인간에 대한 로봇의 순응기능이 도입되도록 하였다.
본 논문에서 제안하는 방법은 인간에 의한 외란 이외의 외란에는 강인한 특성을 보이고 인간동작에는 정확하게 순응할 수 있는 제어기를 설계하고자 한다. 인간의 동작의 구분은 주파수에 따라 구분이 되도록 필터를 설계하고 필터의 출력이 ISMC의 슬라이딩모드에 반영되도록 함으로써 인간의 임피던스에 로봇이 순응하도록 설계를 하였다.
인간과의 협력 작업에서의 안정성과 강인한 제어성능을 동시에 만족시키기 위해서는 강인한 제어기와 순응성능을 동시에 갖추는 제어기의 설계가 필요하며 본 연구에서는 ISMC를 사용하여 상반된 두 가지 제어목적을 달성할 수 있는 제어기를 설계한다.

제안 방법

슬라이딩모드제어기는 Slotine에 의해 제안된 이후 그것을 이용한 수많은 연구들이 제안되었다[14-18]. 그중에 ISMC(적분슬라이딩모드제어기)는 슬라이딩평면에 공칭상태의 동특성을 갖도록 함과 동시에 도달기간(reaching phase)을 없앨 수 있는 제어기로서 본 연구에서는 공칭제어기를 임피던스제어기로 선택함으로써 강인한 임피던스제어기가 구성되도록 하였다.
인간의 동작의 구분은 주파수에 따라 구분이 되도록 필터를 설계하고 필터의 출력이 ISMC의 슬라이딩모드에 반영되도록 함으로써 인간의 임피던스에 로봇이 순응하도록 설계를 하였다. 또한 제어성능과 안정성을 동시에 고려할 수 있는 제어기를 제안한다.
본 논문에서는 ISMC를 사용하여 강인추종 성능을 갖도록 한다.
본 논문에서는 센서를 사용하지 않고 DOB를 사용하여 τenv를 추정하며 주파수에 따라서 인간에 의한 토크를 구별한다[7].
본 논문에서는 하나의 제어기를 사용하여 안정성을 위해 인간의 힘에 로봇이 순응하도록 인간의 힘이 적용되는 경우에는 낮은 임피던스를 갖도록 하고 그 이외에는 높은 제어성능을 가질 수 있도록 외란에 강인한 높은 임피던스를 갖도록 하였다.
본 연구에서는 인간의 힘에 대한 HDOB와 더불어 저주파 DOB를 LDOB(Low Frequency DOB)를 도입한다. 이는 저주파 DOB의 도입으로 저주파 입력외란이 상쇄됨으로써 외란의 최대크기에 의해 결정되는 ISMC의 비선형 이득을 줄일 수 있도록 한 것이다.
외란과 불확실성을 고려한 임피던스제어기를 설계하는데 있어서 적분 슬라이딩보드제어기를 설계를 한다. 통상적인 슬라이딩 평면에는 외란이 개입할 수 없도록 설계가 된다.
외란과 인간의 힘을 구분해서 하나의 제어기로 동특성에 함께 반영할 수 있도록 하기 위해서 본 논문에서는 외란에 영향을 받지 않는 슬라이딩모드의 동특성을 이용한다.
본 논문에서 제안하는 방법은 인간에 의한 외란 이외의 외란에는 강인한 특성을 보이고 인간동작에는 정확하게 순응할 수 있는 제어기를 설계하고자 한다. 인간의 동작의 구분은 주파수에 따라 구분이 되도록 필터를 설계하고 필터의 출력이 ISMC의 슬라이딩모드에 반영되도록 함으로써 인간의 임피던스에 로봇이 순응하도록 설계를 하였다. 또한 제어성능과 안정성을 동시에 고려할 수 있는 제어기를 제안한다.
적분슬라이딩모드를 이용하여 강인한 임피던스제어기를 구현하였고 인간의 힘의 주파수만을 통과시키는 대역필터의 출력을 슬라이딩함수에 적용시킴으로써 인간의 힘에 대한 순응기능을 추가할 수 있도록 함으로써 상반된 두 기능을 동시에 갖출 수 있도록 하였다. 그리고 저역필터를 사용한 외란관측기를 사용하여 인간의 힘 이외의 외란은 제거될 수 있도록 함으로써 적분슬라이딩모드가 감당해야할 외란의 크기를 줄여줌으로써 비선형입력의 이득을 줄이는 효과를 얻을 수 있었다.

대상 데이터

대역통과 Q-필터의 주파수특성은 그림 2와 같다. 저주파 차단주파수 w_L=0.5Hz, 고주파 차단주파수 w_H=5Hz, K=1과 k=4인 필터로 구성하였다.
LFP Q-필터는 그림 3과 같다. 필터의 차수는 3차이고 차단주파수가 1kHz인 저주파필터를 구성하였다.

성능/효과

적분슬라이딩모드를 이용하여 강인한 임피던스제어기를 구현하였고 인간의 힘의 주파수만을 통과시키는 대역필터의 출력을 슬라이딩함수에 적용시킴으로써 인간의 힘에 대한 순응기능을 추가할 수 있도록 함으로써 상반된 두 기능을 동시에 갖출 수 있도록 하였다. 그리고 저역필터를 사용한 외란관측기를 사용하여 인간의 힘 이외의 외란은 제거될 수 있도록 함으로써 적분슬라이딩모드가 감당해야할 외란의 크기를 줄여줌으로써 비선형입력의 이득을 줄이는 효과를 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인간과 로봇이 같은 공간에서 작업 하는 경우가 많아져 필요해지는 것은?	인간과 로봇이 같은 공간에서 작업을 할 경우가 많아짐에 따라 안전성을 고려한 로봇의 제어가 필요하다. 안정성을 위해서 로봇은 인간의 힘에 순응해야 함으로 낮은 임피던스가 요구되는 반면에 높은 제어성능을 갖도록 하기 위해서는 외란에 강인하기 위해서는 높은 임피던스가 요구된다.
	DOB의 기존의 성능은 무엇에 초점을 맞추고 있었는가?	참고[7]에서는 주파수에 따라 고임피던스와 저임피던스를 다르게 갖도록 하는 DOB를 설계하여 사용함으로써 이 문제를 해결하였다. DOB의 기존의 성능은 외란의 제거에만 초점이 맞추어져 있었으나[11-13], 이 방법은 입력 DOB를 통한 강인성문제와 안전성을 고려한 제어기를 설계한 것이다. 같은 외란관측기의 구조를 가지고 강인성과 안전성 문제를 동시에 다룰 수 있다는 의미를 가지고 있다.
	인간과 로봇의 안정성을 위해 어떤 능력이 요구되는가?	인간과 로봇이 같은 공간에서 작업을 할 경우가 많아짐에 따라 안전성을 고려한 로봇의 제어가 필요하다. 안정성을 위해서 로봇은 인간의 힘에 순응해야 함으로 낮은 임피던스가 요구되는 반면에 높은 제어성능을 갖도록 하기 위해서는 외란에 강인하기 위해서는 높은 임피던스가 요구된다. 이러한 이율배반적인 목적을 달성하기 위해서 본 연구에서는 적분슬라이딩모드와 외란관측기(DOB)를 사용하여 인간의 힘 이외의 외란에는 강인한 특성을 보이고 인간의 힘에는 순응할 수 있는 제어기를 설계한다.

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저자의 다른 논문 :

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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