Highly nonlinear and coupled characteristics of the manipulator dynamics have been one of the principal reasons in reducing path tracking accuracy and complicating controller design.
This thesis presents the salient features of the balanced robot dynamics characterized by partially configuration-independent inertial properties and the absence of gravity loadings. The analysis was performed for a 3-DOF ideal robot model which has no offset distances between links. The analysis includes the effects of payload variations on the tracking accuracy and input torques of the balanced robot and was made via sensitivity theory. These simulation results were compared to those of the unbalanced robot. In addition, the effects of balancing masses on the dynamics of the balanced robot were evaluated for various manipulator speeds and work trajectories through simulation study.
Based upon the above analyses, an efficient control algorithm is suggested, which is suitable for the balanced robot. To evaluate performance of the control algorithm simulation studies were made over a wide range of manipulator speeds and payloads conditions. The results show that the tracking accuracy obtained via this simple algorithm can be favorably compared with those obtained by other sophisticated controllers.
Since the analytical results show that the balanced manipulator posseses many favorable effects on the dynamic characteristics and the controller simplification, the balancing mechanism was applied to the conventional 6-DOF robot which includes link offset distances and wrist motions. The dynamic characteristics of the balanced robot obtained for the case of the ideal robot were verified both analytically and experimentally using the PUMA-760 robot for various payload and speed conditions. The major result is that the balancing mechanism can enlarge the payload capacity of the conventional robot, increasing payload capacity more than two times than that of the unbalanced robot.
본 논문에서는 강한 비선형성 및 각 관절사이의 동적 간섭특성으로 대표되는 로보트의 복잡한 동특성을 완화하기 위하여 발란싱 기구를 도입하여 로보트의 동특성을 개선하고 발란스된 로보트를 위한 단순하면서도 좋은 성능을 낼수 있는 제어 방법을 제시하였다.
연구대상은 처음 3자유도를 갖는 단순화된 계로 잡았고 발란스된 로보트와 발란스되지 않은 로보트의 동특성을 유도하여 결과를 비교하였다. 그결과 발란스된 로보트에서는 2,3축의 관성항이 시불변이 되며 코리올리 힘이 없어지고 또한 동특성에 가장 큰 영향을 주는 중력항이 없어지는 특성을 보였으며 이 결과는 발란스된 로보트의 동특성이 이상적인 로보트 모델이 갖는 동특성과 상당히 유사하다는 것을 의미하며 두 모델에 대해 컴퓨터를 사용하여 각 축의 입력 토오크를 구하여 위의 결과를 확인하였다. 하중의 변화에 따른 발란싱의 영향을 민감도 해석을 통하여 조사하였고 그 결과 발란스된 로보트의 민감도가 가장 낮음을 보였다.
이러한 해석을 바탕으로 발란스된 로보트에 적합한 제어방법을 제안하고 여러가지 경우에 대하여 이 제어기의 성능을 평가하였다. 그 결과 비교적 간단한 제어 알고리즘에 의해서도 로보트의 추종정밀도가 우수하다는것을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 입증하였다.
이러한 해석적인 결과를 기초로하여 실제 6자유도계를 갖는 로보트를 대상으로 발란싱 개념을 확대시켜 관절간의 간격 및 손목의 운동에 의한 영향을 조사하였다.
이 연구는 PUMA-760 로보트를 이용하여 발란싱 장치를 제작, 장치하여 실험적, 이론적으로 수행하였으며 그결과 발란스된 로보트의 동특성이 상당히 단순화됨을 보였다. 또한 발란싱 장치를 도입하여 발란스된 로보트의 가반중량의 한계를 발란스되지 않은 로보트에 비해 2배 이상 증가시킬수 있음을 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 입증하였다.
