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Robust motion control of stewart platform manipulator and its application to the vibration control of slender structure = 스튜워트 플랫폼 운동장치의 강인 운동제어 및 세장구조물 진동제어에의 응용
서명 / 저자 Robust motion control of stewart platform manipulator and its application to the vibration control of slender structure = 스튜워트 플랫폼 운동장치의 강인 운동제어 및 세장구조물 진동제어에의 응용 / Nag-In Kim.
저자명 Kim, Nag-In ; 김낙인
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1999].
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초록정보

In recent years, Stewart platform manipulator (SPM) as a parallel manipulator, has drawn much attention among researchers and engineers in the area of robotics. Current applications of parallel manipulator include the motion base of simulators, the multi-axis vibration control of flexible structures and the vibration isolation of structures. The control system using dual processors, PC and DSP, is employed for the design of model based tracking control system of SPM, in which the feedback loop time of the DSP can be reduced to 1 msec, so that a model based controller with high speed feedback loop can be achieved. In order to reduce the control chattering, the relay function normally used in the conventional SMC is changed into a continuous function, which in turn degrades the tracking performance of the SMC and becomes a source of non-zero sliding function especially in the presence of a low frequency perturbation. In estimating the perturbations during feedback control, the perturbation dynamics is modeled as a perturbed term of the modeled dynamics and treated as a theoretical perturbation model to be estimated. The low frequency perturbation in theoretical perturbation model can be derived by utilizing the concept of time delay control(TDC) when the sliding function locates inside the boundary layer thickness. A first order low-pass filter observer is additionally incorporated to the derived perturbation, which allows wide band frequency of actual perturbations and alleviates the use of the highest order state variable of the dynamics in the perturbation estimation. The estimated perturbation is turned out to be identical to the proportional estimation. The estimated perturbation is turned out to be identical to the proportional and integral control of sliding function. To satisfy the full-time robustness against the perturbation during the control test by SMC, reaching phase alleviation technique is incorporated into the proposed SMC. It is shown numerically and experimentally that the proposed control system with the enhanced SMC guarantees the high speed motion control of the laboratory SPM under a high payload and the large virtual disturbance due to unmodeled base motion of the SPM. For the control of a large flexible structure which requires a high powered actuator system, it is very difficulty to attenuate robustly the coupled multi-axis vibrations by limited number of actuators due to the asymmetry of structure, model uncertainties and lightly coupled dynamics, in which a massive and high powered actuator system is also needed. In this work, the SPM is used for the multi-axis vibration control of the slender structure, using the concept of the flow source based vibration control, in which the base acceleration of structure is used as a control effort, to account the strong non-linearity and uncertainty of the SPM dynamics. In order not to cause the motion saturation of the actuator system, a hybrid dynamics associated with the flexible and desired SPM error dynamics, which are coupled with each other by controlled SPM dynamics, is also modeled and redefined as the control object. The coupled spillover problem due to the dynamic coupling of the structure can not be perfectly attenuated by and one torsinal coupled vibrations can be dffectively controlled by the third rotational motions of the SPM regardless of the small model uncertainty of the flexible dynamic system without tracking error of SPM. In conclusion, it is proved that the introduction of hybrid control scheme associated with the SPM and hybrid dynamics is an effective approach for multi-axis vibration control of a large flexible slender structure.

최근 병렬 운동장치, 특히 스튜워트 플랫폼 운동장치 (Stewart Platform Manipulator:SPM)에 관한 관심이 로보트 분야의 공학자들 사이에서 증가되어져 왔다. 이러한 운동장치는 직렬 운동장치에 비해 좀더 정밀한 운동을 할 수 있으며, 운동방향에 대해 높은 강성을 가져 운동장치 단위 무게당 상대적으로 많은 무게를 지지할 수 있다. 현재의 병렬 운동장치는 각종 시뮬레이터 운동 재현장치와 산업현장의 장치 및 힘 감응 조절기에 주로 사용하고 있으며, 최근에는 6자유도 운동재현 및 고강성 특성을 이용한 유연 구조물 다축 진동제어 장치 및 진동 절연장치로 사용되고 있다. 정확한 역학적 모형을 사용하는 추종제어방법을 SPM에 적용하기 위해 개인용 컴퓨터(PC)와 여기에 연결된 고속연산장치(Digital Signal Processor:DSP)를 사용한 제어장치를 구성하였다. 계산기간이 많이 소요되는 순기구학 및 운동방정식의 계산은 PC에서 계산을 하고, DSP에서는 설계된 제어법칙에 의해 실시간으로 제어력을 계산할 수 있도록 설계하였다. 그 결과, 상대적으로 많은 계산과정을 수행해야 하는 PC와 빠른 실시간 계산이 요구되는 DSP 연산시간과는 실시간 동기가 되지 않아 계산된 운동방정식의 오차를 가져올 수 있다. 설계된 제어시스템에서는 PC내의 계산시간이 DSP 내의 실행시간에 비해 2-3배의 값은 가지고 있어, 계산 과정중 발생한 운동방정식에서 오차는 모델링 오차보다도 충분히 작음을 알 수 있었다. 또한 제어법칙의 선정시 강건제어의 일종인 슬라이딩모드 제어 (Sliding Mode Control:SMC)를 선정하여 이를 극복할 수 있었다. 그 결과 실제 귀환제어를 구성하는 DSP의 실행시간을 1msec까지 줄일 수 있어, SPM에 대해 고속 운동제어가 가능한 저가형 제어환경을 마련하였다. SMC는 채터링으로 불리는 불연속 제어력을 야기시킬 수 있으므로 이를 제거하기 위해 SMC에서 불연속 제어력을 연속화하는 방법이 제안되어 왔다. 그러나 이러한 연속화는 제어대상의 추종 제어성능에 악영향을 미칠 수 있으며,특히 저주파수대의 섭동(Perturbation)은 슬라이딩 함수를 그 표면으로 보내지 못하는 주 원인이 되어 상대적으로 큰 추종오차를 발생시켰다. 그러므로 본 연구에서는 제어과정 중 인가되는 섭동을 예측하기 위해 섭동 운동방정식을 모형화하였으며, 이것을 예측할 섭동의 모형으로 취급하였다. 모형화된 섭동은 시간지연 제어방법 (Time delayed control : TDC)의 개념을 도입하여 슬라이딩함수가 경계층내부에 존재할 때 예측할 수 있으며, 예측과정중 섭동 주파수의 제한 특성과 운동방정식의 최고차항 변수를 필요로하는 문제를 극복하기 위해 저주파 필터를 이용해서 재 관측하였다. 그 결과 실제적인 섭동은 슬라이딩 함수에 대한 비례 및 적분항으로 구성됨을 확인할 수 있었다. 이러한 섭동 예측함수를 포함하는 슬라이딩모드 제어기에 추가적으로 상태공간에서 슬라이딩 함수가 임의의 점에서 슬라이딩 표면상으로 도달하는 과정을 제거할 수 있는 방법을 도입하여, 제어과정중 항상 강건특성을 유지할 수 있도록 하였다. 제안된 제어기법 및 제어 장치를 이용해 실험실에서 제작된 SPM에 적용하여 고부하 및 가상적인 SPM의 평면 운동에 의해서 발생되는 저주파수 섭동 하에서 추종제어 실험을 하였다. 실험결과 저주파수 형태의 섭동은 제안된 섭동 예측기로 견실히 예측되어 제어기에서 보상되었으며, 그 결과 SPM에 대해 고성능 추종제어를 구현할 수 있었다. 일반적인 대형, 저강성 세장 구조물은 구조물의 비대칭성, 모형화의 불확실, 운동방정식의 약한 연성에 의해 제한된 수의 제어입력에 의해서는 다축 연성진동을 강건하게 제어할 수 없으며, 또한 대형 액추에이터 시스템을 필요로 한다. 그 결과 본 연구에서는 다자유도 고속 운동이 가능한 SPM을 유연구조물의 다축 진동제어장치로 제안하였으며, SPM의 복잡한 비선형 운동방정식과 모형화의 불확실성으로 인한 진동제어성능의 악화를 방지하기 위해 구조물의 강체 가속도를 제어입력으로 사용할 수 있는 진동제어방법 (Flow source based vibration control)을 도입하였다. 하지만 이러한 제어방법의 도입에 의해 제어과정중 액추에이터 변위가 임의의 방향으로 포화할 수 있으므로, 유연 구조물의 운동방정식과 모델화된 SPM의 오차 방정식을 실제 SPM의 귀환 운동방정식을 매개로 하여 연성된 단일의 운동방정식으로 모형화 하였으며, 이 모형화된 운동 방정식 (Hybrid Dynamics)을 제어대상으로 설정하였다. 유연구조물의 진동제어를 위해 한 방향의 SPM 회전운동만을 사용하였을 때에는 연성에 의한 스필오우버가 발생하였으나, 3방향의 SPM 회전운동을 유연구조물에 대한 제어입력으로 사용했을 때는 연성된 2방향의 굽힘 진동과 한 방향의 회전 진동이 SPM의 추적 오차와 더불어 유연구조물에 대한 운동방정식 모형화의 불확실성이 존재함에도 불구하고 실험적으로 제한된 시간이내에 완전히 제어됨을 알 수 있었다. 그러므로 유연구조물의 다축 진동제어를 위한 액추에이터 시스템으로 SPM의 도입과 제안된 운동방정식의 모형의 도입은 세장구조물의 다축 진동제어에 효과적임을 실험적으로 확인할 수 있었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 99020
형태사항 xv, 194 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 Appendix : A, Jacobian and singularities of stewart platform manipulator
저자명의 한글표기 : 김낙인
지도교수의 영문표기 : Chong-Won Lee
지도교수의 한글표기 : 이종원
수록 잡지명 : "Sliding mode control with perturbation estimation : Application to motion control of parallel manipulator". Control Engineering Practice. Pergamon Press Ltd., Oxford, United Kingdom
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
서지주기 Refernece : p. 187-195
주제 Stewart platform manipulator
Sliding mode control
Vibration control
Slender structure
Hybrid dynamics
스튜워트 플랫폼 운동장치
슬라이딩모드 제어
진동 제어
세장 구조물
하이브리드 운동방정식
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