Robot has been used mainly for dangerous, tedious work in unpleasant environment. Applications of industrial robot were expanded, various types of robot were developed to fulfill specific requirements. Because an electrical motor is inexpensive, compact and easy to control, most of conventional robots choose the electrical motor as an actuator nowadays. In general, electrical motor can not generate large torque in low speed, so appropriate gear reducer is necessary for amplifying small torque of the motor. However, a gear reducer causes backlash, large friction and produces vibration in low frequency.
To overcome these shortcomings, a direct-drive robot, in which no gear reducer was used, has been developed. Because the rotor of an electrical motor is directly coupled to the robot link, backlash is completely removed and friction is reduced significantly. Also, the dynamic response is more predictable because the simple structure of the direct-drive system can be modeled accurately. These desirable characteristics make it easy and effective to apply advanced control schemes to a robot system.
If the dynamic model of a robot is accurate, a model-based control scheme such as the computed torque method is known to be capable of giving good results. However, the performance of the model-based control is degraded by model uncertainty and external disturbance. Moreover, the coupling force between robot links and the external disturbance have to be compensated for precise manipulation of the direct-drive robot because these terms are directly transmitted to the actuator. In conventional robot with a gear reducer, these coupling terms are attenuated remarkably by the gear reducer so that these can be ignored compared with the inertia of the motor. Therefore, the independent PD joint controller can yield acceptable performance in positioning accuracy.
In this paper, we present the combined controller for a direct-drive robot. The proposed controller consists of two portions. One is the model-based control portion that pre-compensates for predicted motions of the robot using the dynamic model of the robot. Dynamic parameters in the model-based control portion can be estimated precisely by the real frequency-response test of the robot system. The other is the linear $H_\infty$ control portion that post-compensates for residual error which is caused by model uncertainties or external disturbance. Therefore, the combined controller takes advantage of the model-base controller while including the robustness and disturbance rejection capability of the $H_\infty$ controller. The linear $H_\infty$ portion is formulated based on the linear error equation that comes from the nonlinear model compensation by the model-based control portion. In this way, we don't have to solve complex nonlinear $H_\infty$ optimal problem.
Simulation results show that the combined controller can attenuate the disturbance effectively, resulting in accurate trajectory tracking of the direct-drive robot regardless of the type of the disturbance. It is proven from real experiments with a SCARA type direct-drive robot, KIRO-3 robot, that the combined controller has the robustness to the change of the payloads and yields the good performance in trajectory tracking
로봇은 여러 산업 현장에서 인간을 대신하여 단순 반복적이고 위험한 작업을 수행하고 있다. 로봇 시스템을 구성하고 있는 구동모터, 센서, 로봇링크 등의 요소기술의 발전 및 로봇 설계기술의 발달로 인하여 다양하고 정밀한 로봇이 개발되었다. 그러나 로봇 구동부로 대부분 사용되는 전기모터는 비교적 무거운 로봇링크를 움직이기에는 정격토크가 작기 때문에 부득이 하모닉 드라이브와 같은 기어메카니즘을 사용하여 모터에서 발생하는 토크를 증폭해야 한다. 따라서 기어메카니즘에 생기는 마찰이나 백레쉬 등의 복잡하고 비선형적인 운동특성은 로봇의 정밀한 제어를 방해하는 요인이 되었다.
이러한 단점을 해소하기 위하여 개발된 형태가 직접구동방식 로봇이다. 각 로봇 링크를 구동하는 구동축이 모터의 회전축에 직접적으로 연결되어 있기 때문에 기어메커니즘에 의한 마찰 및 백레쉬 등의 문제가 완전히 해결되었다. 또한 낮은 강성을 갖는 기어 메카니즘을 제거함으로 인하여 로봇 시스템의 공진 주파수를 높일 수 있으며, 로봇제어에 있어서도 밴드폭이 넓어짐으로 인하여 빠른 운동이 가능케 되었다. 또한 구동축의 간단한 구조와 로봇링크의 움직임으로 인한 효과가 직접적으로 구동부에서 감지되는 이점 때문에 로봇 시스템의 모델링 및 그 매개변수추정이 용이하다.
그러나 로봇링크의 움직임으로 인한 커플링 효과 혹은 외부외란이 직접적으로 구동부에 작용하기 때문에 실제 로봇 제어에 있어서 이러한 비선형성을 효과적으로 보상해주어야 한다. 기존의 기어메카니즘을 가진 로봇에 있어서는 이러한 비선형들이 기어비만큼 현저하게 감소되어 나타나며, 이러한 감소된 값이 모터자체의 관성에 비해 매우 작기 때문에 로봇 각 축을 하나의 독립된 서보 시스템으로 간주할 수 있었다. 따라서 일반적으로 선형 서보시스템의 제어에 많이 쓰이는 비례 미분 피드백 제어기를 사용하여도 원하는 성능을 얻을 수 있었다. 그러나 기어 메커니즘이 제거되면 이러한 로봇링크의 비선형적인 운동효과는 모터자체의 관성에 비하여 작은 값이 아니기 때문에 로봇 각 축을 독립된 선형시스템으로 간주하여 제어할 수는 없다. 따라서 직접 구동 방식 로봇의 정밀한 구동을 위해서는 로봇 링크의 움직임을 보상할 수 있으며 더욱이 외부 외란을 효과적으로 제거할 수 있는 제어시스템이 필요하게 된다.
구동법 계산법(Computed Torque Method)과 같은 모델에 기초한 제어기법은 실제 시스템의 모델링을 이용하여 시스템의 운동을 미리 보상해주는 제어기법이다. 만약 실제 시스템의 운동을 모델링을 통하여 정확히 모사할 수 있다면 모델에 기초한 제어기법은 정밀한 궤적 제어를 수행할 수 있다. 그러나 대부분의 모델링과정에서는 복잡한 로봇 시스템의 운동을 단순한 수학식으로 표현하기 때문에 모델오차가 발생하며 또한 모델링과정에서 고려하지 못한 마찰이나 가반하중의 변화와 같은 외부외란이 가해질 경우 그 만큼 제어성능이 나빠지게 된다. 물론 모델에 기초한 제어기법에 있어서도 로봇시스템의 모델을 이용하여 제어입력을 계산하는 부분 이외에, 발생된 궤적 오차를 제거해주는 피드백 서보부분이 존재하여 외란제거 및 모델오차에 대한 강인성을 갖게 된다. 그러나 직접 구동 방식과 같이 모델오차 및 외부외란의 영향이 크게 직접적으로 미치게 될 경우 모델에 기초한 제어기법만으로는 우수한 궤적 추종 성능을 낼 수 없다. 따라서 실제 로봇환경에서 필요한 강인성을 가지며 외란제거 성능이 뛰어난 제어기의 설계가 필요하게 된다.
본 연구에서는 직접 구동 방식 로봇의 정확한 궤적 추종을 위하여 새로운 형태의 복합제어기를 제안하였다. 복합제어기는 모델에 기초한 제어부분과 선형 $H_∞$ 제어부분으로 구성된다. 모델에 기초한 제어부분은 구동력 계산법을 사용하여 로봇 시스템의 비선형 운동을 로봇 시스템의 모델에 의하여 선 보상(pre-compensation)하게 된다. 이러한 비선형 모델식에 의한 보상을 통하여 로봇 시스템의 각 축은 근사적으로 독립적인 선형시스템으로 간주할 수 있다.
그리고 실제 로봇 시스템과 모델화된 시스템의 차이로 인한 모델오차 및 외부외란의 영향을 후 보상 (post-compensation)하기 위하여 선형 $H_\infty$ 제어기가 사용된다. 따라서 이러한 복합제어기는 직접구동방식의 장점인 시스템의 모델링이 용이하다는 점을 이용하여 모델에 기초한 제어부분을 설계할 수 있으며 또한 강인성과 외란제거에 대한 성능향상은 선형 $H_\infty$ 제어기를 통해서 추구할 수 있다. 더욱이 일단 로봇 시스템의 모델에 의한 선보상을 통해서 나온 각 로봇축에 대해서 독립되고 선형화된 오차방정식을 이용하여 $H_\infty$ 제어기를 설계하게 되므로 직접적으로 비선형 $H_\infty$ 제어문제를 해결할 필요가 없다. 비선형 $H_\infty$ 제어문제는 비선형 편미분 방정식의 해를 구하여야 하기 때문에 매우 어렵다.
직접구동방식 로봇에 복합제어기를 적용하기 위하여 먼저 구동부, 앰프, 로봇 링크를 포함하는 전체 로봇 시스템에 대한 모델링을 수행하였다. 그리고 로봇 시스템의 모델링에 나타나는 매개변수를 정확하게 찾아내기 위하여 제한된 로봇링크 운동을 통한 추정방법을 제시하였다. 본 추정방법은 주파수 응답실험을 통해서 매개변수를 선별적으로 구하는 방법으로 실제 직접 구동 방식 수평 다관절형 로봇인 KIRO-3 로봇에 적용하여 그 매개변수의 값을 비교적 정확하게 구하였다.
실제 실험을 통해서 구한 매개변수 값을 기초로 하여 설계된 복합제어기의 특성을 알아보기 위하여 다양한 모델오차 및 외란을 가지고 전산모의실험을 수행하였다. 로봇 각 축이 정해진 주기함수를 추종하도록 하는 궤적 추종에 있어서 복합제어기는 구동력 계산법에 비하여 우수한 성능을 보여주었다. 외부에서 가해지는 외란 뿐만이 아니라 모델오차에 의해서 내부적으로 생기는 오차요인의 경우에 있어서도 복합제어기는 외란을 효과적으로 제거함으로써 단순히 구동력 계산법을 사용했을 때보다 로봇 끝단의 위치오차를 2배 이상 줄일수 있었다.
실제로 KIRO-3 로봇에 본 복합제어기를 적용한 경우에 있어서도 구동력 계산법에 비하여 2배 이상 그리고 기어형태의 로봇에 가장 많이 사용되는 각축 독립 비례 미분 제어기에 비하여 6배 이상 궤적 추종오차를 줄일 수 있었다. 가반하중을 2 kg 까지 변화시키면서 궤적 추종 성능을 관찰한 결과 복합제어기는 필요한 강인성 및 뛰어난 외란제거 성능을 가지고 있었다.
기존 기어형태의 로봇에 나타나는 가장 큰 단점인 낮은 정밀도의 문제를 해결하기 위하여 고안된 직접 구동 방식 로봇의 경우에 있어서 로봇의 궤적 추종 성능 및 강인 안정성은 기존 기어형태의 로봇과는 달리 제어시스템의 성능에 크게 영향을 받는다. 따라서 본 복합제어기는 직접 구동 방식의 큰 장점인 빠른 운동 및 정밀한 운동을 가능케 하여 로봇의 다양한 응용분야를 창출할 수 있을 것이다.
