[논문]단조공정 트리밍작업 자동화를 위한 병진관절을 갖는 7축 다관절 로봇의 최적 작업경로제어에 관한 연구

김민성; 최민혁; 배호영; 임오득; 강정석; 한성현

doi:10.21289/ksic.2018.21.2.53

[국내논문] 단조공정 트리밍작업 자동화를 위한 병진관절을 갖는 7축 다관절 로봇의 최적 작업경로제어에 관한 연구
A Study on Optimal Working Path Control of Seven Axes Vertical Type Robot with Translation Joint for Triming Working Automation in Forming Process 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.21 no.2, 2018년, pp.53 - 62

김민성 (경남대학교 대학원) , 최민혁 (경남대학교 대학원) , 배호영 (경남대학교 대학원) , 임오득 (경남대학교 대학원) , 강정석 ((주)스맥) , 한성현 (경남대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study propose a new approach to control the optimal working path of vertical type articulated robot with translation joint for trimming working process automation in forging manufacturing process. The basic structure of the proposed robotic joints controller consists of a Proportional-Intergral controller and a Proportional-Derivative controller in parallel. The proposed control scheme takes advantage of the properties of the fuzzy PID controllers. The proposed method is suitable to control of the trajectory and path control in cartesian space for vertical type articulated robot manipulator. The results illustrates that the proposed fuzzy computed torque controller is more stable and robust than the conventional computed torque controller. The reliability is varified by simulation test for vertical type s articulated robot with seven joints including one trqanslation joint.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 고온 환경의 단조공정의 트리밍작업 및 단조품 핸들링 공정의 자동화를 위하여 고온 환경에 적용 가능한 7축 수직다관절 로봇의 관절에 대한 최적 작업경로의 위치 및 속도제어 알고리즘을 개발하고 시뮬레이션 실험을 통하여 성능검증을 수행한다.[1,2] 따라서 제어 방법은 외란 입력 시 강인성을 가지고 비선형성을 다루는 능력이 있는 PID형 퍼지 제어기법을 적용한 계산토크 제어기법을 제안하여 로봇 매니퓰레이터의 정확하지 못한 모델링과 변수의 변화에 민감한 문제점을 보상하여 추적오차를 감쇄시키고 외란에 의한 시스템의 성능감소를 최소화시켰다.
본 연구에서는 고온 환경의 단조공정의 트리밍 작업공정의 자동화를 위하여 이동형 병진관절을 갖는 7축 수직다관절 로봇의 최적 작업경로의 실시간 위치 및 속도의 궤적제어의 시뮬레이션 성능시험을 수행하고, 그 성능을 분석 통하여 신뢰성을 확인하였다.

제안 방법

본 논문에서는 고온 환경의 단조공정의 트리밍작업 및 단조품 핸들링 공정의 자동화를 위하여 고온 환경에 적용 가능한 7축 수직다관절 로봇의 관절에 대한 최적 작업경로의 위치 및 속도제어 알고리즘을 개발하고 시뮬레이션 실험을 통하여 성능검증을 수행한다.[1,2] 따라서 제어 방법은 외란 입력 시 강인성을 가지고 비선형성을 다루는 능력이 있는 PID형 퍼지 제어기법을 적용한 계산토크 제어기법을 제안하여 로봇 매니퓰레이터의 정확하지 못한 모델링과 변수의 변화에 민감한 문제점을 보상하여 추적오차를 감쇄시키고 외란에 의한 시스템의 성능감소를 최소화시켰다. 퍼지제어기를 구성함에 있어 비례, 미분, 적분 오차를 이용한 3차원 규칙기반을 가진 퍼지제어기는 제어규칙을 얻기가 어렵고 또한 제어규칙의 수도 많으므로 PD와 PI 타입 퍼지 제어기를 병렬로 연결한 제어기를 구성하였다[3,4,5].
고열 환경에서 정밀하고, 안전한 작업을 수행하기 위해서는 이동형 각 관절의 변화율 조합의 결과로 만들어지는 관절의 최대 선속도 및 각속도를 분석함으로서 작업공간상의 동적 안정성의 분석 및 신뢰성 분석이 매우 중요하다. 그리고 임의의 작업을 수행하기 위해 직교 좌표성분으로 주어진 작업 공간 말단의 목표 선속도 및 각속도를 구현하기 위해 필요한 매니퓰레이터 관절변수들의 변화율 분석하고 이를 기반으로 이동형 관절의 위치 및 속도 궤적제어에 대한 성능실험을 수행하고 그 신뢰성을 확인한다.
기존의 수직다관절 로봇 관절 제어방법의 위치 및 속도제어의 문제점을 개선하기 위하여 퍼지 제어방식을 적용한 하이브리드구조의 계산토크 제어기법을 제안하였다. 제안된 제어방법은 비레-적분-제어기와 비례-미분제어기의 기본구조를 갖는 퍼지제어 방식을 계산토크제어 방식을 적용하였다.
도착시간(t_f)이 주어지지 않고, 시작점과 시작점에서의 속도, 최종점과 종점에서의 속도가 주어질 때, 최대속도 및 최대가속도 조건을 만족하는 중간점들의 집합으로 구성되고, 가속구간-등속구간 감속구간의 비대칭구조의 사다리꼴 속도 프로파일의 궤적에 대한 성능실험을 수행한다. 여기서 t_a는 가속시간,,t_e는 등속시간, t_d는 감속시간, t_f는 최종시간을 나타낸다.
퍼지 제어기는 시스템 모델이 고전 제어 이론으로 해석하기에 너무 복잡한 제어분야에 적용되어 좋은 효과를 얻고 있다. 본 장에서는 비례, 미분, 적분 오차를 이용해 PD와 PI 퍼지 제어기를 병렬로 연결하여 시스템 성능의 저하 없이 퍼지규칙의 수를 줄이고 간편화한 PID 퍼지 계산 토크 제어기를 구성한다. 퍼지 계산 토크 제어기의구조는 다음 그림과 같다.
제안된 제어기의 신뢰성을 검증하기 위해서 수직 다관절 로봇의 관절에 대한 위치 및 속도 궤적 추적 제어의 성능실험을 수행하고 신뢰성을 확인하였다.
기존의 수직다관절 로봇 관절 제어방법의 위치 및 속도제어의 문제점을 개선하기 위하여 퍼지 제어방식을 적용한 하이브리드구조의 계산토크 제어기법을 제안하였다. 제안된 제어방법은 비레-적분-제어기와 비례-미분제어기의 기본구조를 갖는 퍼지제어 방식을 계산토크제어 방식을 적용하였다. 퍼지제어 방식을 적용함으로서 제어규칙의 수를 줄이고 제어구조를 간단하게 구성할 수 있었다.
[1,2] 따라서 제어 방법은 외란 입력 시 강인성을 가지고 비선형성을 다루는 능력이 있는 PID형 퍼지 제어기법을 적용한 계산토크 제어기법을 제안하여 로봇 매니퓰레이터의 정확하지 못한 모델링과 변수의 변화에 민감한 문제점을 보상하여 추적오차를 감쇄시키고 외란에 의한 시스템의 성능감소를 최소화시켰다. 퍼지제어기를 구성함에 있어 비례, 미분, 적분 오차를 이용한 3차원 규칙기반을 가진 퍼지제어기는 제어규칙을 얻기가 어렵고 또한 제어규칙의 수도 많으므로 PD와 PI 타입 퍼지 제어기를 병렬로 연결한 제어기를 구성하였다[3,4,5]. 퍼지 제어기를 구성함에 있어서 퍼지 추론으로부터 얻어진 최종값은 입력에 대한 알맞은 결과 값이 아니므로 이를 적당히 최적화시킬 필요가 있다.

이론/모형

한편 Newton-Eulr방법은 순환(recursive) 형태이므로 실시간 제어가 용이하나 개념적인 이해가 어렵다. 본 논문에서는 SCARA형 로봇의 2축에 대해서 Lagrange-Euler방법을 이용하여 로봇의 동역학식을 구했다[20,21]. SCARA형 로봇은 2축이 모두 회전 관절형이므로 관절변수는 관절각이 되고, 수평형 로봇이므로 중력항이 없다.

성능/효과

(4) 동적 시뮬레이션 및 성능 시험

시뮬레이션 메뉴에서는 궤적 계획에 이은 동역학 및 제어 시뮬레이션을 통해 수행하고자 하는 작업을 3차원과 2차원 그래픽으로 컴퓨터 화면상에서 미리 볼 수 있고 이에 이은 시뮬레이션 궤적확인에 의해 제어 추종 성능 평가가 가능하므로 로봇에 적용될 제어 알고리즘 교시의 적합성을 판단할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제안된 하이브리드구조의 계산토크 제어기법에 퍼지 제어방식을 적용한 효과는 무엇인가?	제안된 제어방법은 비레-적분-제어기와 비례-미분제어기의 기본구조를 갖는 퍼지제어 방식을 계산토크제어 방식을 적용하였다. 퍼지제어 방식을 적용함으로서 제어규칙의 수를 줄이고 제어구조를 간단하게 구성할 수 있었다.
	로봇 운동학의 개념과 접근방법은 무엇인가?	로봇 운동학이란 움직이는 물체의 운동과 힘과의 관계를 다루는 분야로 접근방법으로는 Lagrange-Euler방법과 Newton-Euler방법이 있다. LagrangeEuler 방법은 explicit closed form으로 표현하기 때문에 개념적으로 이해하기 쉬울 뿐만 아니라 제어 알고리즘을 적용하기 쉬운 장점이 있으나, 계산량이 너무 많아 실시간제어가 쉽지 않다.
	LagrangeEuler 방법의 장단점은 무엇인가?	로봇 운동학이란 움직이는 물체의 운동과 힘과의 관계를 다루는 분야로 접근방법으로는 Lagrange-Euler방법과 Newton-Euler방법이 있다. LagrangeEuler 방법은 explicit closed form으로 표현하기 때문에 개념적으로 이해하기 쉬울 뿐만 아니라 제어 알고리즘을 적용하기 쉬운 장점이 있으나, 계산량이 너무 많아 실시간제어가 쉽지 않다.

참고문헌 (19)

W. Li, X/ G/ Chang, J. Farrel and F. M. Wahl, "Design of an enhanced hybrid fuzzy P+ID controller for a mechanical manipulator," IEEE Trans. on System and Cybernetics Vol. 31, no. 6, Dec 2001.
J. A. Tenreiro Machado, J. L. Martins de Carvalho and Alexandra M. S. F. Galhano, "Analysis of robot dynamics and compensation using classical and computed torque techniques," IEEE Trans. on Education, Vol. 36, no. 4, Nov 1993.
황원준, 박인만, 강언욱, 한성현, "초음파센서 기반 2휠구동로봇의 실시간 자율 주행제어에 관한 연구", 한국산업융학학회 논문집 제 17권 제 3호, pp.151-169, 2014
J. S. R. Jang, C. T. Sun and E. Mizutani, Neuro-Fuzzy and Soft Computing, Prentice Hall, 1997.
정양근, 조상영, 양준석, 한성현, "화자독립방식에 의한 음성인식 알고리즘 개발 및 실시간 실현에 관한 연구", 한국산업융학학회 논문집 제 18권 제 4호, pp.250-258, 2015
Louis-A. Dessaint, Maarrouf Saad, Bernard Hebert and Kamal Al-Haddad, "An adaptive controller for a direct-drive SCARA robot," IEEE Trans, on Industiral Electronics, Vol. 39, no. 2, pp. 105-111, April 1992.
C. H. Choi and N. Kwak, "Disturbance attenuation in robot control," Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Robotics & Automation Seoul, Korea, May 2001.
정양근, 심현석, 이우송, 한성현, "영상 피드백에 의한 4축 스카라 로봇의 실시간 궤적추적제어에 관한 연구", 한국산업융학학회 논문집 제 17권 제 3호, pp.136-144, 2014
J. E. Slotine ad W. Li, "Adaptive Manipulator control : A case study," IEEE Trans. Automat. Contr., Vol. AC-33, no. 11, pp. 995-1003, Nov. 1988.
J. E. Slotine ad W. Li, "Adaptive Nonlinear Control, Prentice-Hall, 1991.
J. Craig, "Introduction to Robotics," Addison-Wesley, 1989.
Y. Y. Chen and C. C. Yen, "PD-type vs PID-type fuzzy controllers," IEEE Region 10 Conference, Tencon 92 11th - 13th, Nov 1992.
F. L. Lewis, C. T. Abdallah, and D. M. Dawson, Control of Robot Manipulators, Macmillan Publishing Company, 1993.
S. K. Tso, Y. Xu and H. Y. Shum, "Variable structure model reference adaptive control of robot manipulators," Proceeding of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Sacramento, California, April 1991.
K. K. Kumbla and M. Jamshidi, Control of Robotic Manipulator Using Fuzzy Logic, 1994
정양근, 김민성, 조상영, 원종범, 원종대, 한성현, "고열 단조부품 핸들링을 위한 로봇 그리퍼의 방위 및 포지션 정밀제어에 관한 연구", 한국산업융학학회 논문집 제 17권 제 3호, pp.151-169, 2014
M. A. Liama, R. Kelly and V. Santivanez, "Stable computed torque control of robot manipulators via fuzzy self-tuning," IEEE Trans. on System and Cybernectics, Vol. 30, no. 1, Feb 2000.
양준석, 구영목, 조상영, 원종범, 원종대, 한성현, "A Study on Design and Control of Flexible Gripper System for Handling Working of the Forging Process in Heat Resisting Environment", 한국산업융학학회 논문집 제 18 권 제 4호, pp.216-223, 2015
C. Liu, J. X. Xu and C. C. Hang, "Comparison between a fuzzy PID controller and a kind of nonlinear PID controller," Proceedings of the 36th Conference on Decision & Control San Diego, California USA, December 1997.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

이론/모형

성능/효과

(4) 동적 시뮬레이션 및 성능 시험

질의응답

참고문헌 (19)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

이론/모형

성능/효과

(4) 동적 시뮬레이션 및 성능 시험

질의응답

참고문헌 (19)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김민성 (13) 최민혁 (1) 배호영 (6) 한성현 (73)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

AI 본문요약
AI-Helper