Design and control of planar robot manipulator using distributed actuation principle

Abstract

최근 로봇 매니퓰레이터의 개발의 중요한 화두는 자체중량을 줄이는 동시에 가반하중을 늘이는 것이다. 특히, 휴대용 매니퓰레이터 및 모바일 매니퓰레이터에 있어서, 이러한 특성은 실사용에 있어 매우 중요한 이슈이다. 이러한 특성을 구현하기 위하여 분산 구동 원리는 설계의 좋은 대안이 될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 분산구동 원리를 이용한 매니퓰레이터의 설계 및 제어방법을 제시한다. 우선 2장에서는, 분산구동원리를 이용한 새로운 매니퓰레이터의 관절을 제안하고, 이를 이용한 경량 매니퓰레이터의 설계 방법에 대하여 제안한다. 기존의 분산구동원리를 그대로 적용할 경우, 매니퓰레이터의 경량화가 힘들다는 단점이 있다. 본 연구에서 제안하는 분산구동관절의 경우, 주어진 작업정보를 이용하여 최적설계를 수행함으로써, 최소한의 구동기를 이용하여 경량, 고가반하중 및 고효율의 특성을 가지는 관절을 구현하였고, 이를 이용하여 2자유도의 매니퓰레이터를 설계하였다. 또한 설계한 로봇의 성능을 실험을 통하여 검증하였다. 다음으로 3장에서는 분산구동 매니퓰레이터의 제어방법을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 매니퓰레이터의 경우, 직접관절구동방식 매니퓰레이터와 달리 발생토크와 모터 전류와의 관계가 각도에 따라 달라진다. 또한 선형 구동기로 사용한 볼 스크류의 구동특성으로 인하여, 매니퓰레이터의 전체 동역학이 크게 변하는 특성을 가지게 된다. 따라서 시간지연제어(TDC)와 발생토크모델에 기반하여 제어기를 설계함으로써, 동역학의 변화를 보상하고, 제어 전류를 계산하였다. 또한 실험을 통하여 제안한 제어방식의 타당성을 검증하였다. 더하여, 4장에서는 여유자유도 로봇의 null space motion 을 이용하여, 효율적으로 최적토크의 구현이 가능한 분산구동 매니퓰레이터를 제안하였다. 제안하는 매니퓰레이터의 경우, 분산구동 관절과 직접구동 관절을 적절히 조합하여, 최적의 구동특성을 얻고자 하였다. 또한 OSFTDE를 이용하여, 볼스크류의 구동모드에 따른 inertia matrix의 변화를 보상하여, dynamically consistent 한 위치제어를 달성하였다. 그리고 로봇의 토크 발생특성을 cost-function으로 사용함으로써, joint actuation redundant manipulator에서는 불가능하였던, 말단 힘의 최대화 제어를 달성하였다.