[논문]기구학적 모델 기반 임업용 크레인 팁 제어방안에 관한 연구(1): RR 매니퓰레이터

김기덕; 신범수

doi:10.14578/jkfs.2022.111.2.287

기구학적 모델 기반 임업용 크레인 팁 제어방안에 관한 연구(1): RR 매니퓰레이터
A Feasibility Study in Forestry Crane-Tip Control Based on Kinematics Model (1): The RR Manipulator 원문보기

한국산림과학회지 = Journal of korean society of forest science, v.111 no.2, 2022년, pp.287 - 301

김기덕 (강원대학교 바이오시스템공학과) , 신범수 (강원대학교 바이오시스템공학과)

초록
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본 연구는 기계화 목재 생산 작업에 가장 많이 활용되는 크레인 작업의 효율성을 높이기 위하여 엔드이펙터를 직관적으로 수직 또는 수평 제어할 수 있는 크레인 팁 제어방법을 제안하고 제어성능을 확인하기 위해 수행되었다. 실험 변수에 따른 제어성능을 검증하고자 전동실린더를 이용하여 실험실 규모의 크레인을 제작하고, 크레인에 대한 순기구학/역기구학 분석을 통하여 현재 크레인 팁의 위치좌표와 각 목표점에서의 조인트 각도를 출력할 수 있도록 구성하였다. 경로점을 생성하여 제어하는 방법을 이용하였고, LBO(Lateral Boundary Offset)을 이용한 불감대 영역을 설정하도록 하였다. 뱅뱅제어(Bang-bang control)을 이용하여 적정 파라미터를 선정하였고, 경로점의 개수와 LBO 반경은 평균오차와 관계가 있었으며, 실린더의 속도는 소요시간과 관계가 있는 것으로 확인되었다. 경로점의 개수가 증가, LBO 반경이 감소함에 따라 평균오차는 감소하였고, 실린더의 속도가 감소함에 따라 소요시간은 감소하였다. 비례제어를 이용하여 실린더의 속도가 매 제어주기마다 변경될 때에는 소요시간은 큰 폭으로 감소하였지만 실제 제어의 형상은 큰 범위에서 오버슈트와 언더슈트를 반복하며 제어가 이루어졌다. 따라서, 추가적으로 각각의 실린더의 속도를 상대적으로 변경할 수 있는 속도 게인을 적용하여 비례제어를 수행하였고, 10 mm 이내의 범위에서 제어가 이루어짐에 따라 20 ms의 제어주기에서 속도 게인이 적용된 비례제어만을 이용하여 크레인 팁 제어가 가능한 것으로 검증되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to propose a crane-tip control method to intuitively control the end-effector vertically or horizontally for improving the crane work efficiency and to confirm the control performance. To verify the control performance based on experimental variables, a laboratory-scale crane was manufactured using an electric cylinder. Through a forward and reverse kinematics analysis, the crane was configured to output the position coordinates of the current crane-tip and the joint angle at each target point. Furthermore, a method of generating waypoints was used, and a dead band using lateral boundary offset (LBO) was set. Appropriate parameters were selected using bang-bang control, which confirmed that the number of waypoints and LBO radius were associated with positioning error, and the cylinder speed was related to the lead time. With increased number of waypoints and decreased LBO radius, the positioning error and the lead time also decreased as the cylinder speed decreased. Using the proportional control, when the cylinder velocity was changed at every control cycle, the lead time was greatly reduced; however, the actual control pattern was controlled by repeating over and undershoot in a large range. Therefore, proportional control was performed by additionally applying velocity gain that can relatively change the speed of each cylinder. Since the control performed with in a range of 10 mm, it was verified th at th e crane-tip control can be ach ieved with only th e proportional control to which the velocity gain was applied in a control cycle of 20 ms.

주제어

표/그림 (24)

그림 Figure 1. Lab-scale crane used in the study. (① Slewing plate, ② Boom, ③ Boom cylinder, ④ Arm, ⑤ Arm cylinder).
표 Table 1. Specifications of cylinders used in cranes.
그림 Figure 2. Diagram of electronic control system in crane.
그림 Figure 3. Coordinates of crane manipulator for kinematics.
표 Table 2. D-H parameters of manipulators.
그림 Figure 4. Working area of crane manipulator.
그림 Figure 5. Control pattern of crane-tip using two points.
그림 Figure 6. Control pattern of waypoint control method.
그림 Figure 7. Dead band area about each joint angle.
그림 Figure 8. Dead band area using LBO.
그림 Figure 9. Displacement of each cylinder about duty ratio.
그림 Figure 10. Crane-tip control algorithm.
표 Table 3. Lead time and error according to LBO radius and number of waypoints (forward direction).
표 Table 4. Lead time and error according to LBO radius and number of waypoints (backward direction).
표 Table 5. Two-way ANOVA for the number of waypoints and LBO radius by parameters(α=0.05).
그림 Figure 11. Control pattern of variable type cylinder velocity(forward direction).
표 Table 6. Lead time and error according to LBO radius and cylinder velocity.
표 Table 7. One-way ANOVA for the error and lead time by cylinder velocity(α=0.05).
그림 Figure 12. Control pattern of variable type cylinder velocity(backward direction).
그림 Figure 13. Control pattern of crane-tip control algorithm(forward direction).
표 Table 8. Lead time and error according to crane-tip control algorithm.
그림 Figure 14. Control pattern of crane-tip control algorithm(backward direction).
그림 Figure 15. Control pattern of crane-tip control algorithm(upward direction).
그림 Figure 16. Control pattern of crane-tip control algorithm(downward direction).

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 전동실린더를 이용하여 크레인 구동이 가능한 실험실 규모의 기구물을 제작한 후 크레인에 대한 기구학 및 역기구학 해석을 통하여 크레인 팁의 기구학적 제어모델을 수립하고, 뱅뱅제어(Bang-bang control)을 통한 LBO 반경, 경로점의 개수, 실린더의 속도와 같은 적정 파라미터 선정을 거쳐 비례제어를 이용한 수직평면상에서의 RR 매니퓰레이터에 대한 수평 및 수직경로제어 알고리즘을 개발하여 그 성능을 평가하기 위하여 수행되었다.

가설 설정

국내 임업기계에서 대표적인 크레인 작업기로는 포워더가 있으며 본 연구에서는 실제 포워더의 크레인 작업기를 1/3 축소 스케일로 제작하여 전동실린더를 이용하여 제어가 가능하도록 하였다. 제작된 작업기는 텔레스코픽 기능이 구현되어 있지만 붐과 암실린더만을 이용한 일정 범위 내에서의 수평 및 수직제어를 수행하는 알고리즘에 대한 실험을 진행함으로서 텔레스코픽 기능은 없는 것으로 가정하여 연구를 진행하였다(Figure 1). 사용된 전동실린더는 24V DC모터를 이용하여 ACME Screw를 통해 스트로크 제어가 가능한 모델이며 제원은 Table 1과 같다.

제안 방법

국내 임업기계에서 대표적인 크레인 작업기로는 포워더가 있으며 본 연구에서는 실제 포워더의 크레인 작업기를 1/3 축소 스케일로 제작하여 전동실린더를 이용하여 제어가 가능하도록 하였다. 제작된 작업기는 텔레스코픽 기능이 구현되어 있지만 붐과 암실린더만을 이용한 일정 범위 내에서의 수평 및 수직제어를 수행하는 알고리즘에 대한 실험을 진행함으로서 텔레스코픽 기능은 없는 것으로 가정하여 연구를 진행하였다(Figure 1).
반대로 수직 경로제어의 경우에는 붐 실린더의 변위가 암 실린더의 변위보다 월등히 크며 이에 따라 두 실린더 중 하나의 실린더가 목표 위치에 먼저 도달하여 공간상의 좌표로써 오버슈트(Overshoot)나 언더슈트(Undershoot)가 발생하는 형태를 나타낼 수 있다. 따라서, 매 경로점마다 각 실린더가 동일한 시간동안에 목표 위치에 도착할 수 있도록 속도 게인(Gain)을 적용하여 상대적으로 변위가 작은 실린더를 느리게 움직이도록 하여 크레인 팁을 제어하기 위한 알고리즘을 개발하였다(Figure 10).
또한, 비례제어를 적용하여 매 제어주기마다 실린더의 속도를 변화할 경우 소요시간이 큰 폭으로 감소하는 경향을 확인하였지만 실제 제어의 형상을 확인하여 큰 범위에서 오버슈트와 언더슈트를 반복하며 제어가 이루어 짐을 확인하였다. 따라서, 추가적으로 각각의 실린더의 속도를 상대적으로 변경할 수 있는 속도 게인을 적용해야 할 것으로 판단하였고, 최종적으로 속도 게인이 적용된 비례제어만을 이용한 크레인 팁 제어 알고리즘을 개발하여 성능을 분석하였다.
붐 실린더와 암 실린더를 제어함에 있어 각각의 실린더가 동일한 시간동안 목표 위치에 도달하게 하기 위한 속도게인을 적용한 크레인 팁 제어 알고리즘을 개발하여 LBO 반경이 5 mm인 조건에서 전/후진별 소요시간과 평균오차를 확인하였다(Table 8).
추가적으로 실린더의 제어속도와의 관계를 확인하기 위하여 실린더 속도를 최대속도의 50%, 최대 속도, 매 제어주기마다 변화하는 형태로 달리하여 위치 정확도와 소요시간을 확인하였으며, 매 제어주기마다 실린더의 속도가 변화하는 경우에는 뱅뱅제어가 아닌 비례제어를 적용하여 비례제어만을 이용한 제어 알고리즘을 적용할 수 있는지를 판단하였다. 비례제어를 적용하기 위해서 각각의 실린더에 대하여 전체 제어주기인 20 ms마다 듀티비(Duty ratio, 실린더 속도 입력)에 따른 실린더 변위량을 계측하여 전체 구간에 대한 관계식을 산출하였다(Figure 9).
이동 목표지점까지의 전체 경로에 다수의 경로점을 두어 크레인팁이 이 경로점들을 추종하는 경로추종 제어알고리즘이 적용되었으며 제어 파라미터 선정을 위하여 뱅뱅제어를 이용하여 LBO 반경과 경로점의 개수, 실린더의 속도에 따른 제어성능을 확인하였다. LBO 반경이 증가함에 따라 제어 소요시간은 감소하고 평균 오차는 증가하는 경향이 나타났으며 경로점의 개수가 증가함에 따라 소요시간은 증가하고 평균 오차는 감소하는 경향이 나타났다.
적정 파라미터의 선정을 위하여 어떠한 계수에 의해 제어 성능에 영향을 끼치지 않는 단순 뱅뱅제어만을 적용하여 제어성능을 확인하였고, 실험변수로는 전·후진을 반복, LBO의 반경 2종류(5 mm, 7 mm), 경로점의 개수 3종류(20개, 30개, 40개)로 설정하여 각각 3회 반복 실험하였다
전/후진별 LBO 반경과 경로점 개수에 따른 제어성능의 결과를 비교하였다(Table 3, Table 4).
전/후진별 LBO 반경과 경로점 개수에 따른 제어성능의 결과에서 평균 오차가 제일 작은 LBO 반경이 5 mm, 경로점의 개수가 40개인 경우를 선택하여 실린더 속도(최대속도의 50%, 최대속도, 매 제어주기마다 변화)에 따른 제어성능을 비교하고자 하였다(Table 6).
위치 정확도는 국가 표준(KS B ISO9283)의 자세 정확도를 참고하여 2차원일 경우를 적용해 원의 방정식을 이용하여 평균 오차를 산출하였고, 동작하는데 걸린 시간을 측정하였다. 추가적으로 실린더의 제어속도와의 관계를 확인하기 위하여 실린더 속도를 최대속도의 50%, 최대 속도, 매 제어주기마다 변화하는 형태로 달리하여 위치 정확도와 소요시간을 확인하였으며, 매 제어주기마다 실린더의 속도가 변화하는 경우에는 뱅뱅제어가 아닌 비례제어를 적용하여 비례제어만을 이용한 제어 알고리즘을 적용할 수 있는지를 판단하였다. 비례제어를 적용하기 위해서 각각의 실린더에 대하여 전체 제어주기인 20 ms마다 듀티비(Duty ratio, 실린더 속도 입력)에 따른 실린더 변위량을 계측하여 전체 구간에 대한 관계식을 산출하였다(Figure 9).
고성능 임업기계인 하베스터 또는 포워더 등에서의 크레인 부 운전 조작은 다수의 조이스틱을 복합적으로 제어해야 하는 고난이도의 기술이 필요하다. 하나의 조이스틱으로 직관적인 직선운동을 수행할 수 있는 임업용 크레인 팁 제어 시스템을 개발함에 있어 하베스터로 사용하는 굴삭기에도 적용하기 위하여 크레인의 텔레스코픽 기능을 없다고 가정하고 RR 매니퓰레이터에 대한 기구학적 모델 기반의 제어 시스템을 개발하여 전동실린더로 구동되는 실험실-규모의 크레인을 제작하여 제어성능을 평가하였다.

데이터처리

매회 실험에서 항상 같은 시작점에서 출발하기가 어렵기 때문에 시작점의 위치에서도 LBO를 적용하여 범위 내에 허용이 되는 위치에서 실험을 진행하였다. 위치 정확도는 국가 표준(KS B ISO9283)의 자세 정확도를 참고하여 2차원일 경우를 적용해 원의 방정식을 이용하여 평균 오차를 산출하였고, 동작하는데 걸린 시간을 측정하였다. 추가적으로 실린더의 제어속도와의 관계를 확인하기 위하여 실린더 속도를 최대속도의 50%, 최대 속도, 매 제어주기마다 변화하는 형태로 달리하여 위치 정확도와 소요시간을 확인하였으며, 매 제어주기마다 실린더의 속도가 변화하는 경우에는 뱅뱅제어가 아닌 비례제어를 적용하여 비례제어만을 이용한 제어 알고리즘을 적용할 수 있는지를 판단하였다.

성능/효과

개발된 알고리즘은 전/후진의 결과 모두 약 10 mm의 평균 오차를 가졌고 실제 제어의 형상은 속도 게인이 적용되지 않았을 때보다 약 5배정도 오차가 감소된 범위 내에서 제어가 이루어짐에 따라 20 msec의 제어주기에서 속도 게인이 적용된 비례제어만을 이용하여 크레인 팁 제어가 가능한 것으로 검증되었다. 향후, 동일한 제어 방식을 적용하여 슬류잉 기능과 텔레스코픽 기능에 대한 추가연구를 진행하여 시스템을 개발할 경우, 공간상에서 직관적인 움직임을 갖는 고성능의 임업기계로써 하베스터와 크레인에 모두 적용이 가능할 것으로 보이며, 더 나아가 자동제어까지 가능한 시스템을 개발할 수 있을 것으로 판단된다.
평균 오차의 경우 실린더의 속도와 관계가 없는 것으로 분석되었고, 소요시간의 경우 실린더의 속도와 관계가 하나라도 있는 것으로 분석되었다. 따라서, 소요시간이 제일 작은 경우를 선택하여 설정한 경로점을 기준으로 전진을 할 경우와 후진을 할 경우의 크레인 팁의 제어 패턴을 확인하였으며, 전체적인 평균오차는 약 12 mm 이내이지만 목표점을 기준으로 오버슈트와 언더슈트를 반복하며 떨리는 형태로 제어가 이루어지고 있음을 확인하였다(Figure 11, Figure 12).
최종적으로 속도 게인의 형태를 적용한 크레인 팁 제어 알고리즘은 기존에 적용되지 않은 제어형태와 큰 차이가 있음을 확인하였다. 전진의 경우, 평균 소요시간은 9,080 ms에서 5,340 ms로 약 1.

후속연구

개발된 알고리즘은 전/후진의 결과 모두 약 10 mm의 평균 오차를 가졌고 실제 제어의 형상은 속도 게인이 적용되지 않았을 때보다 약 5배정도 오차가 감소된 범위 내에서 제어가 이루어짐에 따라 20 msec의 제어주기에서 속도 게인이 적용된 비례제어만을 이용하여 크레인 팁 제어가 가능한 것으로 검증되었다. 향후, 동일한 제어 방식을 적용하여 슬류잉 기능과 텔레스코픽 기능에 대한 추가연구를 진행하여 시스템을 개발할 경우, 공간상에서 직관적인 움직임을 갖는 고성능의 임업기계로써 하베스터와 크레인에 모두 적용이 가능할 것으로 보이며, 더 나아가 자동제어까지 가능한 시스템을 개발할 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (17)

Chakraborty, S. and Meena, R. 2016. Saving time by tip control & automation of knuckle and boom hydraulic crane. International Journal of Hybrid Information Technology 9(4): 235-254.

상세보기
Cho, M.J. 2015. Efficient tree-length harvesting system using tower-yarder and tractor-yader. (Dissertation). Chuncheon. Kangwon National University.
John Deere. 2021. In the Forest. John Deere Forestry.Customer Magazine. https://www.deere.com/sub-saharan/en/forestry/custmag-in-the-forest/. (2021.02).
Kellogg, L.D. and Bettinger, P. 1994. Thinning productivity and cost for a mechanized cut-to-length system in the northwest pacific coast region of the USA. Journal of Forest Engineering 5(2): 43-52.

상세보기
Kim, D.C., Kim, D.H., Lee, J.K. and Shin, B.S. 2009. Position control system of a double-end rod hydraulic cylinder under variable flow rate and load conditions. Journal of Biosystems Engineering 34(5): 331-341.

원문보기 상세보기
Kim, J.H., Mu n, H.S., Han, S.Y. and Park, S.J. 2015. An analysis on the situation of forest mechanization in the production and supply timber. Journal of Korean Forest Science 101(4): 607-614.
Kim, W. and Lee, D.W. 2007. Kinematics analysis of the multi-joint robot manipulator for an automatic milking system. Journal of Livestock Housing and Environment 13(3): 179-186.
Korea Forest Service. 2018. The 6th Basic Forest Plan. Korea Forest Service. pp. 28, 30, 58.
Korea Forest Service. 2021. The Statistical Yearbook of Forestry 2021. Korea Forest Service. pp. 78, 266-269.
Korea Statistical Information Service. 2020. Forest Household by Age and Gender. https://kosis.kr/statHtml/statHtml.do?orgId101&tblIdDT_1FA7009&conn_pathI2. (2020. 04. 16).
KS B ISO 9283:1998-Manipulating Industrial Robots-Performance Criteria and Related Test Methods, Korean Industrial Standards, Korea. pp. 8-16.
Manner, J., Palmroth, L., Nordfjell, T. and Lindroos, O. 2016. Load Level Forwarding Work Element Analysis Based on Automatic Follow-Up Data. Silva Fennica 50(3): article id 1546. http://dx.doi.org/10.14214/sf.1546.

상세보기
Manner, J., Gelin, O., Mork, A. and Englund, M. 2017. Forwarder crane's boom tip control system and beginner-level operators. Silva Fennica 51(2): article id 1717. https://doi.org/10.14214/sf.1717.
Nurminen, T., Korpunen, H. and Uusitalo, J. 2006. Time consumption analysis of the mechanized cut-to-length harvesting system. Silva Fennica 40(2): 335-363.

상세보기
Prorok, K. 2003. Crane-Tip Control of a Hydraulic Crane: A New Approach, Umea University, Sweden.
The Math Works, Inc. 2019. MATLAB (Version 2019b). https://www.mathworks.com/.
Yoon, B.J. 2007. Development of Navigation Method for Unmanned Vehicle with Multiple GPS's. (Dissertation). Seoul. Kookmin University.

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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