301 0

유연성 관절을 갖는 로봇의 강인 제어 설계

Title
유연성 관절을 갖는 로봇의 강인 제어 설계
Other Titles
Robust Control Design for Flexible Joint Robot Manipulators
Author
이재영
Alternative Author(s)
Lee, Jae young
Advisor(s)
박종현
Issue Date
2008-02
Publisher
한양대학교
Degree
Master
Abstract
현재 산업 현장에서는 고성능 산업용 로봇에 대한 요구가 증가되고 있다 기존의 선형 제어 방법이나 동역학을 이용한 제어 방법으로는 산업용 로봇의 비선형성이나 툴의 감압이나 가압으로 인한 External disturbance 에 대하여 강인한 성능을 보여주지 못하고있다. 로봇이 가벼워짐에 따라 고속 및 고가반 하에서의 로봇의 추종 성능을 요구함으로써 발생되는 진동현상이 로봇 성능을 향상시킬 수 있는 중요한 요소로 부각되고 있다. 이에 따라 기존 동역학을 고려한 연구나 또는 선형 시스템에 대한 강인 제어 연구로서는 실제 로봇의 진동 현상을 감소 시키기에는 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서는 진동 문제를 관절 유연성으로 인한 비선형적인 특징이라고 간주하고 그리고 최근에 이러한 유연성 조인트를 갖는 비선형 시스템에 대하여 비선형 방법중의 하나인 Back-stepping control 방법이 다양하게 적용이 되고 있다. 그러나 단지 Back-stepping control 방법 만으로는 시스템의 불확실성 그리고 External disturbance 에 대하여 강인성과 안정성을 보장할 수 없는 단점이 있다. 그래서 본 논문에서는 Nonlinear H-infinity control이론과 min-max control이론을 이용하여 이러한 단점을 극복하였다. 먼저 논문에서는 비선형 H-infinity제어 이론을 적용하기에 앞서 에너지 소진 시스템에 대한 개념에서부터 Hemilton Jacobi inequality의 해를 구하는 방법들에 대하여 전반적인 소개를 하였다. 그리고 이를 이용하여 Back-stepping design의 첫번째 단게에 강인 가상 인풋을 설계하였다. 그리고 Back-stepping design의 나머지 단계는 강인 비선형 제어 방법중의 하나인 min-max제어 방법을 이용하였다. 이 두가지의 강인 비선형 제어 이론을 이용하여 Robust back-stepping control method를 제안하였다. 다른 한편으로는 기존의 강인 제어기 설계 방법과는 다르게 실제 시스템에 적용성을 개선 시키기 위하여 가속도 피드백 부분을 운동방정식 관계로부터 링크 속도와 위치 정보만 갖는 바운드 함수로 변환하였다. 또한 동역학 제어 부분을 Feed-forward와 PD타입의 제어 인풋으로 치환함으로써 계산 시간이 향상 되었으며 그리고 무엇보다도 Hemilton Jacobi Inequality의 Optimal Solution부분인 LMIs연산 시간이 오프라인으로 게산됨에 따라 연산시간이 대폭 개선되었다. 또한 제어기 설계에 있어 Inverse optimal design method와 Analytical method를 이용하여 다른 Robust back-stepping controller design methdo을 제안하였다. 이는 제어기의 동역학 계산측면보다는 Hemilton Jacobi inequality을 수식적으로 제거함으로써 기존의 LMIs연산 부분을 계산하지 않아도 된다. 또한 Input-to-state stability theory을 이용한 제어기 설계는 parameter uncertainty보다 항상 큰 제어 인풋이 설계되기 때문에 Asymptotically stability나 또는 Global asymptotically stability을 만족시킬 수 있다. 위에서 언급한 것과 같이 본 논문에서는 다양한 제어 이론을 이용하고 그리고 실제 적용성을 개선 시키기는 산업용 로봇의 강인 비선형 제어기 설계에 관한 연구를 하였다. 또한 관절 유연성으로 인한 물리적 정보를 측정 하기에는 어렵기 때문에 본 논문에서 제어 알고리즘 설계 방법과 함께 강인 비선형 관측기 설계 방법 또한 제안하였다. 제안된 강인 비선형 관측기는 External disturbance에 대한 강인성과 실제 시스템의 추종 성능이 Simulation으로부터 증명이 되었다. 또한 관측기의 비선형 게인 설계 방법과 제안된 관측기의 안정성 증명 방법 또한 본 논문은 제안하고 있다. 따라서 본 논문은 유연성 관절을 갖는 산업용 로봇의 강인 제어기 그리고 관측기에 설계에 관한 연구이다. 각각의 제어 이론으로부터 설계된 강인 제어기들은 다른 강인 제어 방법들과 비교 분석 및 성능 평가를 2-DOF flexible joint robot manipulators의 Simulator로부터 수행하엿다. 그리고 제안된 강인 관측기 또한 다른 고나측기들과 비교 및 분석 하였으며 무엇보다 관측기와 제어기를 이용하여 오직 모터 위치 정보만으로 out-put feedback control을 2-DOF flexible joint robot manipulators에 적용하여 성능분석을 하였다.; Now, in the industrial environment, the requirement with high performance industrial robot is rising. The control method using the existed linear control method or dynamic control method about nonlinearity or the external disturbance due to the decompression or the pressurization of tool does not satisfy the robust performance of the system. As the robot is lightens, the vibration phenomenon is occurring to demand the tracking performance of robot under the high speed and payload. It turns out the important factor to improve the robot performance. Therefore, the existed research with considering dynamics or the robust control study in linear system has difficulty to decrease the vibration phenomenon of the actual robot system. Thus, in this thesis, the vibration problem regards the nonlinear characteristic caused by the joint flexibility. Recently, about the nonlinear system with the joint flexibility, the back-stepping method which is one of the nonlinear control methods has various application examples. But, just using the back-stepping method, it has a weak point to guarantee the robustness and the stability according to the external disturbance and the system uncertainty. Then, this thesis overcomes these defects by using the nonlinear H-infinity control theory and min-max control method. First, before applying the nonlinear H-infinity control, this thesis generally introduce from the energy dissipative system to methods for solving the Hemilton Jacobi inequality. And the robust virtual input in the first step of the back-stepping design method is designed by using above the nonlinear H-infinity control. And the other step of the back-stepping method is applied by the minmax control which is one of the robust nonlinear control methods. As using the two robust nonlinear control theory, the robust back-stepping control method is proposed. In the other side of control design, the part of the acceleration feedback change to the bound function which has only link position and velocity information for improving the practicality at the actual system in contrast with the existed robust controller design method. Also, the computation time is improved by changing the feed-forward and PD control inputs from the dynamic control part. And, as above all, the computation time is improved greatly as calculating the LMIs computation which is the optimal solution of the Hemilton Jacobi inequality in off-line. Also, about the control design, the other robust back-stepping control design method is proposed by using the inverse optimal design method in the nonlinear H-infinity control and the analytical method in the solution method of Hemilton Jacobi inequality. It does not need to calculate the LMIs computation by mathematically eliminating the Hemilton Jacobi inequality than the dynamic computation aspect. Also, the controller design with using the inputstate-stability can be satisfy the asymptotically stability or the global asymptotically stability because of the robust control input which is always bigger than the parameter uncertainty. As above mentioned, this thesis is used the various control theory and studied the robust nonlinear controller design for improving the actual practically. Also, because that it is difficult to measure the physical information of the flexible joint, the thesis proposes the robust nonlinear observer design method with the robust control algorithm explanation. The proposed observer structure is proved the robustness with the external disturbance and the estimation performance of the actual system from the simulation. Also, it proposes the design method of the nonlinear gain and the proof of observer stability. In conclusion, this thesis is researched for design of the robust controller and observer of the industrial robot. From the each control theory, the designed controller is simulated for the performance comparison and analysis in 2-DOF flexible joint robot manipulators. And the proposed observer is compared with the other observers for the comparison and analysis. Most of all, using only motor position information, the out-put feedback controller is executed in 2-DOF flexible joint robot manipulators.
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/147949http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000408902
Appears in Collections:
GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > MECHANICAL ENGINEERING(기계공학과) > Theses (Master)
Files in This Item:
There are no files associated with this item.
Export
RIS (EndNote)
XLS (Excel)
XML


qrcode

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

BROWSE