맥기번 구동기의 동적 모델링과 제어

Abstract

공압 구동기는 무게 대비 높은 출력으로 다양한 분야에서 사용돼 왔다. 맥기번 구동기는 실린더형 공압 구동기에 비해 더 큰 무게 대비 출력을 내고 인체 근육과 비슷한 성능을 낼 수 있지만, 비선형성이 강해 제어가 어렵다는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 맥기번 구동기의 수학적 모델링과 제어에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 동적 모델링은 크게 이론적 모델링, 준경험적 모델링, 경험적 모델링으로 나눌 수 있고 각 방법을 사용한 모델링 방식이 연구되어 왔다. 맥기번 구동기의 모델링 연구는 대부분 길이 제어를 위해 연구되었고 구동기의 수축력을 동적인 상황에 대해 모델링한 사례는 없었다. 구동기의 수축력을 유도한 이론적 모델링의 경우, 이상적인 상황을 가정하여 에너지 보존을 이용하여 압력과 수축력이 비례함을 보였다. 하지만 맥기번 구동기가 실제로 내는 순간적인 수축력은 압력과 비례하지 않고 비선형성을 보인다. 결국 맥기번 구동기를 동적인 상황에서 쓰기 위해서는 구동기의 출입하는 유량값에 따른 모델링을 하여야 한다. 본 연구에서는 구동기의 상태 변수들 간의 관계식을 세우고 에너지 관점으로 본 이론적 모델링을 한다. 또한 상류 압력, 하류 압력에 따라서 유량이 바뀌기 때문에 이 유량값을 추정하기 위해 밸브 동역학을 적용한다. 또한 맥기번 구동기의 동적 특성을 파악하고 모델링을 검증하기 위해 실험을 구성한다. 여러 가지 센서 및 유량을 제어하기 위한 비례제어밸브를 사용한다. 이 센서들로부터 취득한 데이터를 통해 모델링을 검증한다. 실험 결과, 압력 동역학으로 구한 값과 센서값은 크기만 차이가 있을 뿐 개형은 잘 맞음을 볼 수 있었다. 하지만 파스칼의 법칙으로부터 구한 수축력의 경우, 센서값과 개형과 크기 모두 일치하지 않았다. 에너지 관점에서 본 이론적 모델링의 경우, 추정한 유량값으로부터 구한 에너지 값은 구동기가 한 일에 비해 매우 작은 수치를 보였다. 결과적으로 정확한 유량값을 추정하고 이로부터 더 정확한 에너지 값을 계산해야 한다. 또한 추후 구동기의 수축력을 잘 모델링하기 위한 연구가 진행되어야 할 것이다.