This thesis deals with robust compliant motion control of robot manipulators with nonlinear friction. Robust compliant motion is that controlled robots not only follow desired trajectories exactly in free space, but also make compliant contact with the environment in constrained space. Friction compensation is important in robot control because the friction torque accounts for more than 60% of the motor torque, and hard nonlinearities due to Coulomb friction and stiction severely degrade control performances as they account for nearly 30% of the industrial robot motor torque.
A simple, robust compliant motion control technique is presented for robot manipulators with nonlinear friction. The nonlinear terms in robot dynamics are classified into two categories from the time-delay estimation (TDE) viewpoint: soft nonlinearities (gravity, viscous friction, and Coriolis and centrifugal torques, disturbances, and interaction torques) and hard nonlinearities (due to Coulomb friction, stiction, and inertia force uncertainties). TDE is used to cancel soft nonlinearities, and ideal velocity feedback is used to suppress the effect of hard nonlinearities. The proposed control structure is transparent to designers; it consists of three elements that have clear meaning: a soft nonlinearity canceling element, a hard nonlinearity suppressing element, and a target dynamics injecting element. The proposed control turns out simple in form and easy to tune; specifying desired dynamics for robots is all that is necessary for a user to do. The same control structure can be used for both free space motion and constrained motion of robot manipulators. The robustness of proposed method has been confirmed through experimental comparisons with other controllers such as natural admittance control and internal force-based impedance control using a two-degree-of-freedom (2-DOF) SCARA-type industrial robot.
The proposed control enables us to analyze and compensate nonlinear terms in robot dynamics without modeling them, and provides fast, accurate trajectory tracking of robot manipulators under nonlinear friction. Compared with adaptive fiction compensation, a recently developed robust, non-model-based friction compensation method, the proposed control provides a more systematic, easier, and more robust friction compensation method.
이 논문은 비선형 마찰이 있는 로봇 매니퓰레이터의 강인한 컴플라이언트 운동 제어에 대한 연구를 목적으로 한다. 컴플라이언트 운동 제어는 로봇이 자유공간에서 원하는 경로를 잘 따라갈 뿐 아니라, 환경과 접촉할 때 로봇과 환경의 유연한 접촉을 할 수 있게 제어하는 것이다. 마찰이 로봇의 모터토크의 60%이상을 차지하고, 그 중 쿨롱마찰과 stiction 등은 로봇의 모터토크의 30%를 차지하므로 로봇제어에서의 마찰의 보상은 아주 중요하다.
이 연구에서는 비선형 마찰이 있는 로봇을 위한 간단하고 강인한 컴플라이언트 제어기법을 개발하였다. 로봇동역학에서의 비선형항은 시간지연 추정의 관점에서 soft nonlinearity와 hard nonlinearity로 나누었다. soft nonlinearity를 제거하기 위하여 시간지연추정 기법을 사용하고 hard nonlinearity의 영향을 줄이기 위하여 이상속도의 궤환을 사용하였다. 이 논문에서 제안한 제어기는 soft nonlinearity를 제거하는 요소, hard nonlinearity의 영향을 줄여주는 요소, 목적 임피던스 동역학을 넣어주는 요소 등 3가지 요소로 구성되어 분명한 구조를 가지고 있다. 또한 이 연구에서 제안한 제어기는 구조가 간단하고 튜닝이 쉬워 사용자가 원하는 목적 동역학을 묘사하여 입력해 주기만 하면 된다. 제안한 방법은 free space motion과 constrained motion에 모두 사용할 수 있다. 강인한 컴플라이언트 운동 제어 성능은 2자유도 SCARA-type 로봇을 사용하여 natural admittance control, internal force-based impedance control 등 다른 제어 기법과의 비교를 통하여 그 우수성을 각각 확인하였다.
제안한 방법은 로봇의 복잡한 동역학과 마찰의 모델링을 하지 않고도 로봇동역학의 비선형항을 분석하고 보상하게 해 준다. 제안한 방법은 비선형 마찰을 가진 로봇 매니퓰레이터에 빠르고 정확한 경로추적을 제공한다. 또한 최근에 개발된 강인한, 마찰모델을 쓰지 않는 방법인 adaptive friction compensation보다 쉽고 체계적이고 강인한 마찰 보상방법을 제공한다.
