Since impact phenomenon is highly nonlinear, the analysis and control of the contact motion has been a challenging subject. Various researches have been carried out mostly for the contact of a rigid robotic manipulator with a stiff and elastic environment. This paper is motivated by a new contact task: the in-circuit test of a printed circuit board. In this process, high speed contact occurs between a rigid probing manipulator and a plastically deformable work environment. Ideal robotic contact motions should be quick and stable with minimal impact forces, minimal plastic deformation, and without bounce. However, these specifications are very difficult to achieve simultaneously for the most common manipulator force control configuration employing just a wrist force sensor and a stiff manipulator position loop. To accomplish the requirements successfully, we propose a new probing mechanism and an impact control strategy that considers force feedback and velocity control predictively obtained from location information of the probing manipulator relative to the surface of the environment to be contacted and then switches to only force control with small gains when the end-effector of the manipulator becomes to contact with the object. Particularly, the probing mechanism is based on the macro/micro manipulator concept. To obtain fast response, the micro motion device utilizes a precision eletromagnetic actuator. Experimental results show the effectiveness of the proposed control strategy and the system performance in the probing task is analyzed.
To investigate the dynamic behavior of a robotic manipulator during the contact transition, we presented a new impact model considering the contact between the rigid manipulator and a plastically deformable environment.
In order to reduce the initial peak impact force and avoid the slip motion of the probe tip on the surface of the arbitrary shaped object, the probing system has to be capable of changing its approach posture along with the surface condition of the object. We have proposed a 3 PRPS in-parallel probing manipulator which can fulfill the required ability and serve as a wrist for general robot arm. This manipulator consists of six degree-of-freedom and has simple kinematic and dynamic characteristics compared with the Stewart platform. We developed an analytical method to analyze the basic kinematics of the manipulator and systematic method to design the manipulator suitable for the probing task. By using the proposed design methods, we designed a parallel wrist which has desired workspace, manipulability, and resistivity for the probing task and built it as a prototype. In addition, we analyzed the dynamic characteristics of the proposed parallel manipulator. We studied the simple dynamic model for the real time dynamic model based control. A series of simulation show the possibility of implementation of the simple dynamic model.
일반적으로 충격현상은 대단히 빈선형적이기때문에, 접촉운동의 해석 및 제어문제의 해결이 지속적인 이슈가 되어오고 있다. 지금까지의 대부분의 연구는 강체 또는 탄성체 환경과 강체 매니퓰레이터간의 접촉에 관해 이루어져 왔다. 본 연구는 인쇄회로기판의 통전검사와 같은 새로운 접촉작업을 다루고자 한다. 이 공정에서 강체인 프로브 매니퓰레이터와 소성변형이 가능한 작업물체간에 고속 접촉이 이루어진다. 로봇에 의한 이상적인 접촉운동은 바운드(bound) 없이 최소의 접촉력, 그리고 최소의 소성변형을 일으키면서 신속하고 안정되게 이루어져야 한다. 그러나, 힘센서와 강건한 위치 피드백 제어구조를 갖는 대부분의 로봇 매니퓰레이터는 앞서 말한 이상적인 접촉운동을 구현하기가 매우 힘들다. 따라서, 이와 같은 문제를 해결하고자 본 연구에서는 새로운 프로브 메카니즘과 충격제어 구조를 제안하였다. 제안된 프로브는 새로운 프로브 매크로/마이크로 매니플레이터 개념에 기초하여 설계되었다. 특히, 마이크로 운동기구는 빠른 응답속도를 갖기 위해 정밀한 위치결정능력을 갖는 전자기 액츄에이터를 이용하였다. 또한, 제어구조는 힘되먹임제어와 접촉물체 표면에 대한 매니퓰레이터의 상대적인 위치정보를 이용하는 속도제어의 하이브리드 구조를 갖는다. 이 구조에 의하면 매니퓰레이터가 물체와 접촉하는 순간 작은 이득을 갖는 힘제어만으로 바뀐다. 일련의 실험을 통해 제안된 프로브 시스템의 효과와 성능을 충분히 보일 수 있었다.
접촉운동시 천이기간 동안 로봇 매니퓰레이터의 동적행동을 살펴보기 위해 강체 로봇 매니퓰레이터와 소성변형 가능한 작업물체간의 접촉을 고려하는 새로운 충격모델을 제안하고 모델의 적정성을 모의실험을 통해 해석하였다.
최초의 접촉시 발생하는 최대 충격력의 크기를 줄이고, 임의의 경사를 갖는 표면에서 프로브의 미끄러짐을 방지하기 위해 물체의 표면조건에 따라 접근자세를 마음대로 바꿀수 있어야 한다. 본 연구에서는 요구되는 임의의 자세로의 위치변환 능력을 충족시킬 수 있는 6자유도 3 PRPS 형식의 병렬 프로브 메카니즘을 제안하였다. 이 매니퓰레이터는 스튜어트(Stewart) 플랫폼 구조에 비해 간단한 기구학 및 동력학 구조를 갖는다. 이 구조에 대한 기본 기구학적 특성을 해석할 수 있는 해석방법 및 프로브 작업에 적절한 매니퓰레이터를 설계할 후 있는 체계적인 방법을 개발하였다. 제안된 설계방법을 이용하여 프로브 작업에 요구되는 적업영역, 조작성 등을 갖는 병렬 손목기구를 설계하였으며, 설계결과에 따라 시작품을 제작하였다. 또한, 제안된 병렬 기구의 동역학 모델을 세우고, 이의 동특성을 해석하였다. 일련의 모의실험을 통해 동력학 모델의 접촉운동에의 적용가능성을 보일 수 있었다.