지능제어를 이용한 평면 여자유도 매니퓰레이터와 환경과의 상호작용에 관한 연구

유봉수(Bong Soo Yoo),김신호(Sinho Kim),조중선(Joongseon Joh) 한국지능시스템학회 2009 한국지능시스템학회논문지 Vol.19 No.3

로봇 매니퓰레이터를 이용한 대부분의 작업은 환경과의 상호작용을 요구하며, 위치제어, 충돌제어 그리고 힘제어로 구성된다. 위치제어는 환경에 도착하는 방법을 의미하고 환경에 접촉하는 순간은 충돌제어 문제를 야기하며, 힘제어는 환경과의 충돌 후에 원하는 힘궤적을 유지하는 것이다. 이러한 세 가지 제어문제는 순차적으로 발생하므로 각각의 제어 알고리즘은 독립적으로 개발되어야 한다. 특히 여자유도 매니퓰레이터에서 이러한 세 가지 제어문제는 독립된 중요한 연구 주제이다. 예를 들어, 관절 토크 최소화와 충격힘 최소화는 여자유도 매니퓰레이터의 대표적인 연구주제이다. 본 논문에서는 단일 작업을 통하여 세 가지 제어문제를 구성하였다. 위치제어는 각 관절의 토크와 토크변화 그리고 충돌 시의 충돌힘 최소화를 위하여 개발되었다. 따라서 충돌제어의 초기조건은 이전의 위치제어 알고리즘으로부터 최적화 되고 그러한 제어 전략은 충돌제어의 결과를 개선시킨다. 유사하게, 힘제어 문제의 초기조건은 이전의 위치제어와 충돌제어로부터 간접적으로 최적화된다. 힘제어 알고리즘은 각 관절 토크와 힘외란 최소화시키는 개념을 사용하였다. 모의실험 결과는 제안된 알고리즘의 타당성을 보여준다. There are many tasks which require robotic manipulators interaction with environment. It consists of three control problems, i.e., position control, impact control and force control. The position control means the way of reaching to the environment. The moment of touching to the environment yields the impact control problem and the force control is to maintain the desired force trajectory after the impact with the environment. These three control problems occur in sequence, so each control algorithm can be developed independently. Especially for redundant manipulators, each of these three control problems has been important independent research topic. For example, joint torque minimization and impulse minimization are typical techniques for such control problems. The three control problems are considered as a single task in this paper. The position control strategy is developed to improve the performance of the task, i.e., minimization of the individual joint torques and impulse. Therefore, initial conditions of the impact control problem are optimized at the previous position control algorithm. Such a control strategy yields improved result of the impact control. Similarly, the initial conditions for the force control problem are indirectly optimized by the previous position control and impact control strategies. The force control algorithm uses the individual joint torque minimization concept. It also minimizes the force disturbances. The simulation results show the proposed control strategy works well.

힘제어 기반의 직교좌표 매니퓰레이터 시스템의 구현 및 성능평가

김헌희,김진만,남택근 한국마린엔지니어링학회 2017 한국마린엔지니어링학회지 Vol.41 No.9

This study pertains to the implementation of a force-control-based gantry manipulator system and the performance evaluation of its control system. Considering human-robot interaction, this paper describes a methodology for configurating a gantry manipulator robot system that can potentially collaborate with a human. In addition, we propose a force tracking control system for the robot in view of configuration of force-based control systems. This papers also discusses the results of a series of experiments conducted to evaluate the performance of position control and force tracking control systems. From the experimental results, we confirmed that our robot could produce fast and flexible motions and interact with a human based on the proposed force tracking control system. 본 논문은 힘제어가 가능한 직교좌표 매니퓰레이터 로봇 시스템의 구현 및 제어시스템의 성능평가를 다루고 있다. 먼저, 인간과 로봇간의 상호작용을 고려하여 인간과의 협업이 가능한 직교좌표형 매니퓰레이터 로봇 시스템의 구성 방법에 관해 기술한다. 다음으로 제어시스템의 관점에서 힘제어를 기반으로 하는 힘추종 제어시스템을 제안한다. 아울러개발된 로봇의 성능을 평가하기 위하여 위치제어 및 힘추종제어에 대한 실험을 수행하고 그 결과를 검토한다. 실험결과를 토대로, 본 연구에서 개발된 로봇은 신속·유연한 동작의 재현이 가능하였고 힘추종제어를 기반으로 인간과 로봇간의상호작용이 가능한 것을 확인하였다.

목표 힘 수준에 따른 양손 힘 조절 능력의 변화

이형우 ( Lee Hyunwoo ),염승혁 ( Yeom Seunghyeok ),정형도 ( Jung Hyeongdo ),조혜민 ( Cho Hyemin ),박기웅 ( Park Kiwoong ),박신영 ( Park Shinyoung ),이한얼 ( Lee Hanall ),이태리 ( Lee Talee ),윤희정 ( Yoon Heejeong ),지민제 ( Ji Min 인천대학교 스포츠과학연구소 2021 스포츠科學硏究誌 Vol.34 No.0

본 연구는 서로 다른 목표 힘 수준에 따른 양손 힘 조절 과제 시 힘 조절 능력의 변화 패턴을 시도 내 분석과 시도 간 분석을 통해 평가하고자 하였다. 건강한 성인 11명이 연구에 참여하였으며, 이들은 개인의 최대 자발적 수축의 10% 및 60%의 힘 조절목표를 제시받아 20초 동안 목표 힘 수준에 최대한 머무르는 과제를 실시하였다. 본 연구에서 분석한 시도 내 분석의 변인은 힘의 오차, 가변성, 규칙성, 협응력이고, 시도 간 분석 변인으로는 비제어 다양체 분석을 사용하여 시도 간의 양손 협응력을 평가하였다. 변인의 측정과 분석을 위해 등척성 잡기 힘 조절 장비를 사용하였다. 본 연구의 통계처리는 대응 표본 t-검정을 통해 분석하였으며, 시도 내의 변인과 시도 간 변인의 관계성을 분석하기 위해 피어슨 선형 상관관계 분석을 수행하였다. 연구 결과, 목표 힘 수준이 높아졌을 때 힘의 오차, 가변성 및 규칙성은 증가하였다. 양손 힘 협응력은 반대 위상에서 동일 위상 협응 패턴으로 전환되었고 시도 간 운동 시너지가 감소되었다. 상관 관계분석에서 양측 운동 시너지 와 힘의 오차 및 가변성이 유의한 음의 상관관계가 나타났다. This study aimed to evaluate the pattern of change in the force control capability during bimanual force control task with different targeted force levels through within and between-trial analysis. 11 healthy adults who had no disorders in musculoskeletal and nervous system were recruited to perform bimanual force control task. Subjects measured maximal voluntary contraction(MVC), and perfomed tasks of sustaining at targeted force level at 10% and 60% of individual MVC. Variables in the within a trial analysis were force error, variability, regularity, and coordination. Additionally, our study examined bilateral motor synergies by conducting uncontrolled manifold(UCM) analysis. Isometric grip force control device was used to measure force outputs. The data analysis was performed using the Matlab program (Math Works TM Inc., Natick, USA). For the statistical analysis, the paired t-test and Pearson's linear correlation analysis were performed to analyze the relationship between variables from within and between trials by using SPSS 25.0 for Windows. The findings revealed that force error, variability and regularity was increased when the higher targeted force level was provided. Additionally, bilateral force coordination showed that force exertions between two hands were shifted anti-phase to in-phase force pattern. In the correlation analysis, decreased bilateral motor synergy was significantly related to greater values in force error and variability.

타이어 힘 정보를 이용한 차량 안정성 제어

허현동(Hyun Dong Her),이경수(Kyong Su Yi),황태훈(Tae Hoon Hwang) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.5

본 논문에서는 타이어 힘에 기반하여 각 바퀴의 브레이크를 독립적으로 제어하는 전자식 차량 안정성 제어 장치(Electronic Stability Control)를 제안하였다. 본 논문에서는 타이어 정보를 직접적으로 이용하여 기존의 제어 알고리즘을 개선하였다. 제안된 제어 알고리즘은 상위 제어기와 하위 제어기로 구성되어있다. 상위제어기에서는 타이어 정보를 차량의 횡방향 모델에 직접적으로 사용하여 모델의 불확정성을 줄이고, 비선형 영역을 고려함으로써 정확한 제어입력을 계산하였다. 하위제어기에서는 종방향 타이어 힘에 따른 횡방향 타이어 힘 감소량을 계산하여 모멘트 평형식에 대입하여 상위 제어기에서 계산된 제어입력 추종을 위한 최적 브레이크압 분배를 구현하였다. 알고리즘의 검증은 차량-운전자-제어기 모델을 포함한 closed-loop 시뮬레이션으로 수행되었다. The development of an Electronic Stability Control using individual brake force distribution based on tire force information was presented in this paper. The objective of the proposed ESC algorithm is to determine the individual brake forces to improve the performance of the controller. This ESC algorithm consists of an upper level controller and a lower level controller. The upper level controller calculates the desired yaw moment for satisfying the driver’s intention. The lateral dynamic model can be more accurate by getting rid of the uncertainties caused by complex tire model. In the lower level controller, the individual braking forces are determined by the optimal strategy. The closed loop computer simulation results with driver-vehicle-controller system confirm the effectiveness of the proposed control system and the improvements in vehicle stability.

전달관로를 고려한 공기압 구동장치의 힘 제어에 관한 연구

장지성(J. S. Jang) 유공압건설기계학회 2011 드라이브·컨트롤 Vol.8 No.3

In the present study, a robust controller has been designed to control force for a pneumatic driving system considering the effect of a transmission line. Transfer characteristics of pneumatic transmission line should be changed according to the velocity of the air going through the transmission line. The designed controller is composed of two parts. The one is a feedback controller, which is composed of a stabilizing filter, a compensating filter of modelling error and a nominal model of the force control system, to compensate the influence of transmission line and improve the feedback characteristics of the control system, and, the other is a feedforward controller to achieve the control performance. Control results with the designed controller show that the robustness and performance of the control system are improved compared to the control results with a fixed gain controller.

6축 머니퓰레이터를 이용한 임피던스 제어 기반의 원형 펙 조립

김병상(Byeong-Sang Kim),김영렬(Young-Loul Kim),송재복(Jae-Bok Song),손승우(Seung-Woo Son) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.4

일반 산업용 로봇의 위치정밀도는 100㎛ 정도임에 반해, 정밀부품의 조립공차는 수십 ㎛ 이내이다. 또한, 조립공차가 작을 경우 미소한 위치/각도 오차에 의해 재밍 또는 웨징이 쉽게 발생하며, 위치제어 기반의 로봇인 경우 부품 조립 시 접촉력을 적절히 조절하지 못하여 조립물이 파손될 가능성이 크다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 접촉력에 능동적으로 반응할 수 있는 힘제어 기반의 로봇조립에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 기존의 산업용 로봇에 적용하기 용이하도록 위치제어 기반의 머니퓰레이터에 힘제어를 적용할 수 있는 시스템을 구현하였다. 머니퓰레이터에 어드미턴스 필터를 이용한 임피던스 제어를 적용하여 안정적인 접촉운동을 구현하였다. 또한, 임피던스 제어와 blind 검색을 적용하여 정밀부품을 조립할 수 있음을 검증하였다. The maximum accuracy of position control by using an industrial robot is about 100㎛, whereas the maximum tolerated imprecision in the position of precision parts is about several tens of micrometers. Therefore, it is very difficult to assemble parts by position control only. Moreover, in the case of precision assembly, jamming or wedging can easily occur because of small position/orientation errors, which may damage the parts to be assembled. To overcome these problems, we investigated a force control scheme that provides proper motion in response to the contact force. In this study, we constructed a force control system that can be easily implemented in a positioncontrolled manipulator. Impedance control by using an admittance filter was adopted to perform stable contact tasks. It is shown that the precision parts can be assembled well by adopting impedance control and blind search methods.

EHA의 정밀 힘제어를 위한 펌프 속도 제어기의 강인 내부루프 보상

김종혁(Jong-Hyeok Kim),홍예선(Yeh-Sun Hong) 유공압건설기계학회 2018 드라이브·컨트롤 Vol.15 No.4

Force-controlled electro-hydrostatic actuators have to exhibit high backdrivability, to quickly compensate for force control errors caused by externally disturbed rod movement. To obtain high backdrivability, the servomotor for driving the hydraulic pump, should rotate exactly to such a revolution to compensate for force control errors, compressing or decompressing cylinder chambers. In this study, we proposed a modified velocity control structure, including a robust internal-loop compensator (RIC)-based velocity controller, for the servomotor to improve backdrivability of a force-controlled EHA. Performance improvement was confirmed experimentally, wherein sinusoidal velocity disturbance was applied to the force-controlled EHA, with constant reference input. Its dynamic force control errors reduced effectively, with the proposed control scheme, compared to test results with a conventional motordriver, for motor velocity control.

수직 다관절 로봇 매니퓰레이터의 목표하는 힘을 위한 새로운 어드미턴스 제어 알고리즘

신승천,강민석,백재민 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.11

This paper presents a new admittance control algorithm and then applies it to robot manipulator. The proposed control algorithm is developed to provide the target force automatically according to stiffness of objects, which can compensate the energy for the lost force generated by general admittance control algorithm. It is also designed to predict the stiffness of all objects without requiring a mathematical model that incorporate a priori knowledge of physical properties in all objects while in operation. The effectiveness of the proposed admittance control algorithm is proved in experiments with real robot manipulator while employing four objects with different properties, which is compared to that of the general admittance control algorithm. 본 논문은 수직 다관절 로봇 매니퓰레이터가 물성에 대한 정보 없이도 모든 물체를 인식하고 목표하는 힘을 출력할 수 있는 새로운 어드미턴스 제어 알고리즘을 제안한다. 제안된 어드미턴스 제어 알고리즘은 일반적인 어드미턴스 제어 알고리즘에 의해 발생하는 손실된 힘에 대한 에너지를 보상하고자 물체가 가지는 강성의 크기에 따라 자동적으로 힘을 보상할 수 있도록 개발되었다. 이때, 물체에 대한 정보를 요구하지 않고 접촉된 물체의 강성을 예측하고자 힘/토크 센서에서 측정된 힘의 변화량과 로봇 매니퓰레이터의 위치 변화량의 관계에 근간을 두고 알고리즘이 설계되었다. 제안된 제어 기법에 대한 성능은 물성이 상이한 네 가지 물체들과 실제 로봇 매니퓰레이터를 사용하여 분석되었으며, 성능에 대한 결과는 일반적인 어드미턴스 제어 알고리즘의 실험 결과와 비교하여 검증되었다.

이중 EHA의 제어 특성 개선

이성렬(Seong Ryeol Lee),홍예선(Yeh Sun Hong) 유공압건설기계학회 2016 드라이브·컨트롤 Vol.13 No.3

For this paper, the position-control performances of dual EHA(electro-hydrostatic actuator) systems were investigated according to two cases wherein the double-rod- and single-rod-type hydraulic cylinders were combined. Since the control performance is significantly dependent on the load conditions including external forces such as the inertia load, it is proposed here that the two sub-EHAs are driven by separate position and force controllers, instead of two identical position controllers. According to the simulation results, the best performance was achieved by the position-controlled single-rod-type EHA that was combined with a force-controlled double-rod-type EHA. As the force-controlled double-rod-type EHA compensated for the external loads on the position-controlled single-rod-type EHA, the position-control performance was not influenced by external forces including the inertia load. In addition, the position-controlled single-rod-type EHA contributed to the enhancement of the damping ratio by absorbing the pressure peaks through its internal accumulator. Due to the symmetrical piston areas, the double-rod-type EHA is more suitable for force control than the single-rod- type EHA.

유압식 로봇의 힘 제어를 위한 유압 서보 시스템의 특성에 관한 연구

김효곤(Hyo-gon Kim),이종원(Jong-won Lee),박상덕(Sangdeok Park),한창수(Changsoo Han) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集A Vol.39 No.2

유압 서보 시스템은 구동기 단에서 부피 대비 큰 힘을 출력할 수 있으므로 로봇에 적용 시, 로봇의 팔 또는 다리를 경량화할 수 있다. 이것은 로봇의 동적 특성과 에너지 효율을 향상 시키므로 고출력이 필요한 몇몇의 근력지원용 착용형 로봇과 사족 보행 로봇들은 유압 서보 시스템을 사용한다. 이 로봇들은 사용자나 외부 환경에 순응하기 위해 힘제어를 하는 것이 유리하지만 유압식 로봇은 유압 서보 시스템이 갖는 비선형성으로 인해 정교한 힘제어가 쉽지 않다. 본 논문에서는 서보 밸브, 배관 그리고 유압 실린더로 구성되는 유압 서보 시스템의 시뮬레이션 모델을 개발하여 유압 서보 시스템의 힘제어 시 고려해야 할 사항에 대해 분석하였다. 그리고 비선형 모델을 이용한 힘제어 기법을 제안하고 시뮬레이션을 통해 효과를 검증하였다. Because a hydraulic actuator has high power and force densities, this allows the weight of the robot"s limbs to be reduced. This allows for good dynamic characteristics and high energy efficiency. Thus, hydraulic actuators are used in some exoskeleton robots and quadrupedal robots that require high torque. Force control is useful for robot compliance with a user or environment. However, force control of a hydraulic robot is difficult because a hydraulic servo system is highly nonlinear from a control perspective. In this study, a nonlinear model was used to develop a simulation program for a hydraulic servo system consisting of a servo valve, transmission lines, and a cylinder. The problems and considerations with regard to the force control performance for a hydraulic servo system were investigated. A force control method using the nonlinear model was proposed, and its effect was evaluated with the simulation program.