외란 관측기를 이용한 로봇 매니퓰레이터의 모션제어 기법에 관한 연구

Abstract

최근 외란관측기를 이용한 로봇의 모션 제어 기법이 널리 사용되고 있다. 하지만 외란관측기에서 사용되는 저역 필터가 가지는 특성으로 인해, 샘플링 주기 등의 시스템 특성과 입력값의 변화 정도에 따라 외란관측기의 추정 성능이 저하될 수 있다. 특히 관성과 관련된 외란은 외란 중에서도 큰 비중을 차지하기 때문에, 관성과 관련된 커플링 토크는 기존의 외란관측기가 추정을 하지 못하는 경우, 모션 제어 성능에 큰 영향을 미친다. 따라서 본 학위논문에서는 외란관측기 기반의 로봇 모션 제어 방법을 위한 관성관련 커플링 토크 보상기를 제안한다. 외란관측기에 존재하는 저역필터의 차단주파수 이상의 주파수 성분을 가지는 입력값이 주어졌을 때, 제안한 방법으로 관성관련 커플링 토크를 보상하여 기존의 외란관측기의 추정 오차를 줄여준다. 제안한 방법을 분석하고 타당성을 보이기 위해, 제안한 보상기를 포함한 전체 시스템을 상태공간 모델로 표현하고, 이를 singular perturbation form 으로 변환하였으며, 높은 주파수 성분을 가지는 입력값에 의해 발생하는 에러가 억제됨을 확인 하였다. 또한 singular perturbation 모델로부터, 다중 입력 다중 출력을 가지는 전체 시스템의 강인한 안정성을 기술하고 있다. 제안한 보상기를 이용한 방법의 효과를 보이기 외해, 다양한 로봇과 다양한 모션에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 시뮬레이션 결과를 증명하기 위해, 2자유도를 가지는 직접구동모터를 사용하는 로봇에 대해 직접 실험을 수행하여 그 결과를 시뮬레이션 결과와 비교 검증하였다. 시뮬레이션 결과와 실험결과를 통해 제안한 방법이 높은 주파수의 입력값에 대해 조인트 에러를 효과적으로 줄여준다는 것을 검증한다.

This thesis proposes an inertia-related coupling torque (IRCT) compensator for disturbance observer (DOB)-based motion control method of robotic manipulators. The proposed compensator reduces the DOB estimation error that is due to input with high-frequency components.To analyze and show the validity of the proposed system, the state space model of the manipulator with the compensated DOB was converted to singular perturbation form and proved that the DOB observation error due to the input with high-frequency components was eliminated. Using the resulting standard singular perturbation model, this thesis demonstrates a robust stability of the multi-input multi-output (MIMO) system.To show the results of the proposed method, numerical simulations on various robot manipulators were evaluated. To verify the simulation result, we compared the simulation results and experimental results for a 2DOF direct-driven robot. Results of numerical simulations and experiments show that the proposed method effectively reduces joint errors compared to the conventional DOB when input frequency is high.