KR100222763B1 - Linear output apparatus for controlling position of robot and method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고정밀도가 요구되는 강성 또는 유연관절 로봇시스템에서 위치정보만을 이용하여 미지의 변수에 대하여 빠른 시간에 원하는 위치에 로봇이 이동할 수 있도록 하는 로봇의 위치제어용 선형출력 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로, 설정된 제어입력신호에 따라 로봇이 동작하도록 로봇의 모터를 제어하는 제1출력제어부와, 로봇에서 출력되는 현재위치 신호가 정상 상태인가를 판단하여 제1출력제어부의 제어입력을 수정하여 설정하도록 요구하는 제어입력수정요구부와, 로봇의 초기위치에 의하여 제1출력제어기의 초기 제어입력을 결정하여 출력하고, 제어입력 수정요구부로부터 제어입력수정요구가 있으면 현재위치 신호와 기준위치 입력에 따라 제어입력을 수정하여 설정하는 제어입력 수정부와, 로봇이 현재위치에서 기준위치로 지수함수적으로 점근하도록 로봇의 모터를 제어하는 제2출력제어부와, 현재위치 신호와 기준위치 입력의 차이가 미세동작기준보다 크면 로봇이 제1출력제어부에 의하여 반복하여 제어되도록 하고, 현재위치 신호와 기준위치 신호의 차이가 미세동작기준보다 작으면 로봇이 제2출력제어부에 의하여 제어되도록 스위칭하는 스위칭부를 구비하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a linear output control apparatus and a method for controlling the position of a robot that allows the robot to move to a desired position in a short time with respect to an unknown variable using only position information in a rigid or flexible joint robot system requiring high precision. The first output control unit for controlling the robot's motor to operate the robot according to the set control input signal, and determine whether the current position signal output from the robot is in a normal state to modify and set the control input of the first output control unit. Determines and outputs the initial control input of the first output controller according to the requested control input modification request unit and the initial position of the robot, and if there is a control input modification request from the control input correction request unit according to the current position signal and the reference position input. The control input correction unit for modifying and setting the control input, and the robot indexes from the current position to the reference position. The second output control unit for controlling the motor of the robot so as to asymmetrically, and if the difference between the current position signal and the reference position input is greater than the micro-movement reference, the robot is repeatedly controlled by the first output controller, the current position signal and the reference When the difference in the position signal is less than the micro-movement reference, the robot is characterized in that it comprises a switching unit for switching to be controlled by the second output control unit.
Description
본 발명은 로봇의 위치제어용 선형출력 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 고정밀도가 요구되는 강성 또는 유연관절 로봇시스템에서 위치정보만을 이용하여 미지의 변수에 대하여 빠른 시간에 원하는 위치에 로봇이 이동할 수 있도록 하는 로봇의 위치제어용 선형출력 제어장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a linear output control device and a method for controlling the position of a robot, and in particular, in a rigid or flexible joint robot system requiring high precision, the robot moves to a desired position in a short time with respect to an unknown variable using only position information. The present invention relates to a linear output control apparatus for position control of a robot and a method thereof.
전통적으로 산업현장에서 사용하는 로봇의 실제 제어기는 PID(비례적분미분)제어기를 사용하여 구현하여 왔으며, 요즘에 사용되는 대부분의 로봇은 PD(비례미분)제어기를 사용하여 위치제어를 하고 있다. 이를 위해서는 로봇의 모든 상태를 알아야만 하는데 위치센서와 속도센서가 필수적이다. 그러나 외부잡음에 항상 노출되어 있는 작업환경에서는 속도센서가 노이즈에 민감하고 또한 PID(비례적분미분)제어법을 사용하여 구현한 제어기와 PD(비례미분)제어법을 사용하여 구현한 제어기는 미분요소인 D(Derivative)의 요소 때문에 오동작을 일으키는 원인이 되어 원하는 응답에 악영향을 미치게 된다.Traditionally, the actual controller of a robot used in an industrial field has been implemented using a PID (proportional differential derivative) controller, and most robots used in these days control position using a PD (proportional differential) controller. To do this, you need to know all the states of the robot. Position sensors and speed sensors are essential. However, in a working environment that is always exposed to external noise, the speed sensor is sensitive to noise, and the controller implemented using PID (proportional differential) control and the controller implemented using PD (proportional differential) control are the derivative elements D. Derivative factors can cause malfunctions and adversely affect the desired response.
이를 극복하기 위하여 속도센서 없이 단지 위치센서만을 가지고 전영역 안정이 보장되는 제어기를 구성하기 위하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 제1도는 위치정보만을 가지고 전영역 안정이 보장되는 제어장치를 포함하는 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도로서, 여기에서 도시한 바와 같이 로봇(11)은 로봇을 구동하는 모터(12)와, 모터에 신호를 인가하여 모터를 구동하는 모터 앰프(13)와, 모터가 회전함에 따라 모터의 회전각을 감지하여 로봇의 위치정보를 출력하는 앤코더(14)로 구성되어 있다. 입력은 로봇이 이동할 목표위치인 기준위치(Xd)이고 기 기준위치가 제어장치(15)에 입력되면 제어장치는 로봇의 모터를 구동하는 제어신호를 출력하여 로봇의 위치정보에 따라 로봇의 기준위치에 도달할 수 있도록 한다.In order to overcome this problem, a lot of researches have been made to configure a controller that guarantees the stability of the whole area with only a position sensor without a speed sensor. FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a system including a control device that ensures stability of the whole area with only position information. As shown here, the robot 11 includes a motor 12 for driving the robot; , And a
속도센서 없이 단지 위치센서만을 가지고 전영역 안정이 보장되는 제어기를 구성하기 위한 많은 연구중에서, 특히 Amit Ailon은 셋-포인트 안정(Set-Point Regulation)을 위하여 비선형 시스템을 리아푸노프 안정화 정리(Lyapunov Stability theory) 및 수렴 사상 정리(Contractiobn mapping theorem)에 근거한 반복제어법을 이용하여 미지의 변수에 강인하고 전영역 안정성이 보장되는 선형 출력궤환 제어기를 제안하였다(Automatica, Vol.32, No.10, pp.1455-1461, 1996). 제2도는 이 제어장치의 구성을 도시한 블록도로서, 여기에서 도시한 바와 같이 로봇에서 출력되는 로봇의 현재 위치정보를 받아 제어입력수정시기를 결정하여 출력하는 제어입력수정요구기(22)와, 로봇의 현재 위치정보와 로봇의 기준위치입력 및 제어입력수정시기를 입력받아 제어입력수정시기가 되면 제어입력을 수정하는 제어입력수정기(23)와, 로봇의 현재위치정보와 수정된 제어입력신호를 근거로 하여 로봇이 수정된 제어입력에 따라 이동하도록 로봇의 모터를 제어하는 제어신호를 출력하는 출력제어기(24)로 구성되어 있다.Among many studies to construct a controller that guarantees full area stability with only a position sensor without a speed sensor, in particular, Amit Ailon has developed a Lyapunov Stability non-linear system for set-point regulation. By using the iterative control method based on the theory and the Convergence Mapping Theorem, we proposed a linear output feedback controller that is robust to unknown variables and ensures full area stability (Automatica, Vol. 32, No. 10, pp. 1455-1461, 1996). 2 is a block diagram showing the configuration of the control device. As shown here, the control
이 제어장치의 동작을 설명하면 다음과 같다. 먼저 로봇이 이동하고자 하는 목표가 되는 임의의 기준위치를 입력한다. 제어입력수정기(23)에서 로봇의 초기위치에 근거하여 출력제어기의 초기 제어입력이 결정되고 이 초기 제어입력이 출력제어기(24)에 입력되면 이 초기 제어입력에 의하여 로봇이 동작하도록 출력제어기(24)가 로봇의 모터를 제어하는 신호를 로봇에 입력한다. 이 신호에 의하여 로봇이 기동하며 일정시간의 경과 후에는 로봇의 출력이 정상상태로 된다. 제어입력수정요구기(22)는 로봇의 출력이 정상상태로 되는지를 판단하여 정상상태가 되면 제어입력을 수정하도록 하는 유구하는 수정시기신호를 출력한다. 제어입력수정기(23)는 제어입력수정시기신호에 대하여 새로운 제어입력으로 수정하여 이를 출력제어기(24)에 인가하면 출력제어기(24)는 새로운 제어입력에 대하여 동작하여 로봇의 모터를 제어하는 새로운 신호를 로봇에 출력한다. 로봇(21)은 이 새로운 신호에 대하여 동작하게 되고 일정시간의 경과 후에는 로봇의 출력이 다시 정상상태에 이르게 된다. 이러한 과정을 되풀이하면서 로봇의 출력은 기준위치에 가깝게 접근하게 된다.The operation of this control device is explained as follows. First, input an arbitrary reference position that the robot wants to move. In the
이 제어장치의 동작에 대한 이론적인 배경에 대하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 n링크 유연관절 로봇을 선형 비틀림스프링으로 모델링하면 수학식 1과 같은 n차의 자유도를 갖는 모델을 얻을 수 있다.(Spong과 Vidyasagar, 1989)The theoretical background of the operation of the control device will be described as follows. First, when modeling the n-link flexible joint robot with linear torsion spring, a model having n degree of freedom can be obtained as shown in Equation 1 (Spong and Vidyasagar, 1989).
여기에서 q1, q2 Rn는 각각 링크와 모터의 각도를 표시하고, D(q1)는 강성 링크의 관성행렬을 표시하며, J0는 기어의 링크측에 반영된 액츄에이터 관성의 대각행렬이다.은 코리올리스(Coriolis)와 원심력을 나타내며, g(q1)는 중력을 나타내고, K0는 관절 경도계수를 포함하는 대각행렬이다. 그리고 uRn는 인가되는 토크벡터이다. 수학식 1의 상태공간은 다음의 수학식 2와 같이 주어진다.Where q 1 , q 2 R n denotes the angle of the link and the motor, respectively, D (q 1 ) denotes the inertia matrix of the rigid link, and
여기에서이고, 모터각이 유일한 측정가능한 위치 정보이며, 수학식 2는 제2도에서의 유연관절 로봇(21)의 모델이 된다. 수학식 2의 시스템을 위한 선형의 n차원 출력제어기는 다음의 수학식 3과 같다.From here Where motor angle is the only measurable position information, and
여기서 상수행렬 S=ST와 R=RT 0 및 벡터 vRn 0가 결정된다. 수학식 3은 제2도의 출력제어기(24)를 유연관절 로봇에 대하여 표현한 것이다.Where the constant matrices S = S T and R =
강성 로봇의 경우에 있어서는 수학식 2는 다음의 수학식 4와 같이 줄어든다. 즉 수학식 4는 제2도의 강성 로봇(21)의 모델이 된다.In the case of a rigid robot,
그리고 이 경우에는 측정가능한 위치신호는 x1이므로 수학식 3은 다음의 수학식 5와 같이 된다.In this case, since the measurable position signal is x 1 , Equation 3 is expressed by Equation 5 below.
은 x의 유클리안 놈(Euclidean Norm)을 표시하고는 행렬 A의 유도 놈(Induced Norm)을 표시한다. 즉,이며는의 가장 큰 고유치이다. 수학식 5는 강성 로봇의 경우에 제2도의 출력제어기(24)를 표현한 것이다. Denotes the Euclidean Norm of x, Denotes the induced norm of matrix A. In other words, And Is Is the largest eigenvalue of. Equation 5 represents the
스칼라함수가 평등유계가 있으면 다음의 수학식 6의 β가 존재한다.Scalar function If there is an equality system, β of the following Equation 6 exists.
여기에서 항상 β0이라고 가정한다. 다음으로 수학식 7을 고려한다.Β always here Assume 0 Next, consider Equation 7.
여기에서 S와 R을 다음의 수학식 7과 같이 선택한다.Here, S and R are selected as in Equation 7 below.
모든 상수벡터 vd에 대하여 수학식 7은 유일한 해를 가지며,은 수학식 4와 수학식 5의 페루프 시스템의 유일한 평형점이 된다. 역으로, 모든 기준위치 x1d(로봇의 셋-포인트)에 대하여 수학식 7은 유일한 해를 가지며 유연관절 로봇의 모델에서도 수학식 7과 수학식 8은 다음과 같이 대체된다.Equation 7 is the only solution for all constant vectors v d Has, Is the only equilibrium point of the Peruvian systems of equations (4) and (5). Conversely, for every reference position x 1d (the set-point of the robot), equation (7) is the only solution In the model of the flexible joint robot, Equations 7 and 8 are replaced as follows.
수학식 10의 조건하에서 모든 vd에 대하여 수학식 9에 유일한 해가 존재하고,은 수학식 2와 수학식 3의 페루프 시스템의 유일한 평형점이 된다. 역으로 모든 x1d에 대하여 수학식 9는 유일한 해를 가진다.Unique solution to
수학식 4와 수학식 5의 페루프시스템을 고려하고, {S, R}을 수학식 8을 만족하도록 선택하면 수학식 11의 사상이 존재한다.Considering the Peruvian systems of Equations 4 and 5, and selecting {S, R} to satisfy Equation 8, the equation of Equation 11 This exists.
여기에서 {x1, v}는 수학식 7을 만족한다. x1d는 주어진 상수벡터라 하고 사상을 다음의 수학식 12와 같이 정의하면Here, {x 1 , v} satisfies Equation 7. x 1d is called a given constant vector Is defined as in Equation 12
다음의 결과를 얻을 수 있다. 즉, 강성 로봇의 경우에 있어서 수학식 7과 수학식 8 및 수학식 11과 수학식 12에 의하여 정의되는 사상 Tr(v)을 고려할 때 행렬 {S, R}은 Tr이 수학식 13의 유일한 고정점 v*를 갖는 글로벌 수렴 사상(Global Contraction M apping)이 되도록 결정될 수 있다.The following results can be obtained. That is, in the case of the rigid robot given the spirit T r (v) is defined by Equation 7 and Equation 8 and Equation 11 and Equation 12, the matrix {S, R} is T r of the equation (13) It can be determined to be a Global Contraction M apping with a unique fixed point v * .
이것은 다음의 수학식 14를 의미한다.This means the following equation (14).
{vn}을 수학식 15에 의하여 정의하고,{v n } is defined by
S와 R을 수학식 16에 따라 선택한다.S and R are selected according to equation (16).
r2β로 가정하고, 임의의 v0에 대하여 {vi}는 수학식 15에 의하여 생성된다고 가정하며, 수학식 4와 수학식 5의 페루프 시스템을 고려하면 주어진 초기위치와 각 vi에 대하여 시스템의 궤적φvi(·)는의 점으로 수렴하고이 된다. {}의 극한은 x1d이다. 평형점을 향한 시스템의 동작을로 표현하고, 주어진 x1 i에 대하여 수학식 11과 수학식 12 및 수학식 15로부터이며, vi+1의 계산은 측정가능한 신호에 근거하고에 의하여 나타내면 다음과 같이 정리할 수 있다, 즉, r0은 (r1+1)/r1 ρ을 만족하는 임의의 수인 ρ1, rmax {r1,, 2ρβ}의 상수를 선택하고, S, R이 수학식 16에 의하여 주어지면 임의의 상수 벡터 v0 Rn는 다음의 제1체인을 기동시킨다.r Assume 2β, and for any v 0 , {v i } is generated by
그리고가 존재하며, 여기서이고 v*은 {vi}의 극한이며, x1d은 {x1 i}의 극한이다.And Exists, where And v * is the limit of {v i } and x 1d is the limit of {x 1 i }.
상대적으로 큰 r을 선택하면 위에서 상수 ηr은 작은 수가 되고, 그 결과 제3(a)도에서 도시한 바와 같이 {x1 i}는 빠르게 벡터 x1d에 수렴한다. 제3(b)도는의 식에 의하여 새롭게 수정되는 제어입력 v(t)를 나타낸 것이다.If a relatively large r is selected, the constant η r becomes a small number from above, and as a result, as shown in FIG. 3 (a), {x 1 i } quickly converges to the vector x 1d . 3 (b) The control input v (t) is newly modified by the following equation.
유연관절 로봇의 경우에 있어서는, 수학식 2와 수학식 3의 페루프 시스템을 고려하고 {S, R}을 수학식 10을 만족하도록 선택하면 수학식 17의 사상이 존재한다.In the case of a flexible joint robot, considering the Peruvian systems of
여기에서 {x1, v}는 수학식 7을 만족한다. 기준위치 x1d는 주어진 상수벡터라 하고 사상을 다음의 수학식 18과 같이 정의한다.Here, {x 1 , v} satisfies Equation 7. The reference position x 1d is called the given constant vector Is defined as in Equation 18 below.
위로부터 우리는 다음의 결과를 얻을 수 있다. 즉, 수학식 9와 수학식 10 및 수학식 16과 수학식 17에 의하여 정의되는 사상 Tf(v)을 고려하고라 가정할 때 행렬 {S, R}은 Tf이 수학식 19의 유일한 고정점 v*를 갖는 글로벌 수렴 사상이 되도록 결정될 수 있다.From above, we can get the following result. That is, considering the event T f (v) defined by
이것은 수학식 20을 의미한다.This means (20).
{xn}을 수학식 21에 의하여 정의하면,If {x n } is defined by
강성 로봇에서와 같이 다음과 같이 정리할 수 있다. 즉, r1은 (r1+1)/r1 ρ을 만족하는 임의의 양수인 ρ1, rmax {r1,, 6ρβ,}의 상수를 선택하고, S, R이 수학식 16에 의하여 주어지면 임의의 상수 벡터 v0 Rn는 다음의 제2체인을 기동시킨다.As in the rigid robot, we can arrange as follows. That is, r 1 is (r 1 +1) / r 1 ρ is any positive integer that satisfies
그리고 And
여기서이고 v*은 {vi}의 극한이고 x1d은 {x1 i}의 극한이다.here And v * is the limit of {v i } and x 1d is the limit of {x 1 i }.
r의 선택은 γ2ξβ을 보장하고 따라서 ηf 1이 된다. 그러나 앞서의 강성 로봇에서와 달리 {x1 i}가 벡터 x1d에 수렴하는 비율을 상수 r의 증가에 의하여 임의로 빠르게 할 수 없다. 그 이유는 상대적으로 큰 r에 대하여 ζ의 분모뿐만 아니라 분자로 r차수이기 때문이다. 그러나λmin(K)3β이면 r을 증가하여 {x1 i}의 수렴 비율을 비교적 크게된다.the choice of r is γ Guarantees 2ξβ and therefore η f It becomes 1. However, unlike in the above-mentioned rigid robot, the rate at which {x 1 i } converges to the vector x 1d cannot be arbitrarily increased by increasing the constant r. This is because, for a relatively large r, not only the denominator of ζ, but also the r order in the molecule. Λ min (K) If 3β, r is increased and the convergence ratio of {x 1 i } becomes relatively large.
평형점으로의 시스템의 점근적 수렴은 무한시간과정과 관련한다. 그리하여 강성 로봇 및 유연관절 로봇의 제어를 실제 로봇에서 실현하기 위하여 약간의 수정이 필요하다. 그 결과 제어는 시스템의 시간응답이 원하는 동작점에 대하여 전영역 궁극유계가 있음을 보장한다. 또한 모든 시스템의 응답은 유한시간내에서 평형점으로 수렴한다.The asymptotic convergence of the system to the equilibrium point is related to the infinite time course. Therefore, some modifications are necessary to realize the control of the rigid robot and the flexible joint robot in the actual robot. As a result, the control ensures that there is a full range ultimate bound for the operating point where the system's time response is desired. Also, the response of all systems converges to the equilibrium point within a finite time.
이 제어장치는 선형이고 간단하기 때문에 실제 로봇제어기로 구현하기가 쉬워 산업체에서 사용하기에 적합하고 미지의 변수가 존재하는 유연관절 로봇(Flexible-Joint Robot)에도 적용가능하지만 고정밀도가 요구되는 응용분야에서 원하는 위치까지 도달하는데 오랜 시간이 걸린다는 문제점이 있다.This control device is linear and simple, so it is easy to implement as a real robot controller, so it is suitable for use in industry and can be applied to flexible-joint robots with unknown variables. There is a problem that it takes a long time to reach the desired position in.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 고정밀도가 요구되는 강성 또는 유연관절 로봇시스템에서 위치정보만을 이용하여 미지의 변수에 대하여 빠른 시간에 원하는 위치에 로봇이 이동할 수 있도록 하는 로봇의 위치제어용 선형출력 제어장치를 제공함에 있다.The present invention is to solve such a conventional problem, an object of the present invention is to move the robot to a desired position in a fast time with respect to an unknown variable using only the position information in a rigid or flexible joint robot system that requires high precision The present invention provides a linear output control device for position control of a robot.
본 발명의 다른 목적은 고정밀도가 요구되는 강성 또는 유연관절 로봇시스템에서 위치정보만을 이용하여 미지의 변수에 대하여 빠른 시간에 원하는 위치에 로봇이 이동할 수 있도록 하는 로봇의 위치를 제어하는 선형출력 제어방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is a linear output control method for controlling the position of the robot to move the robot to a desired position in a short time with respect to an unknown variable using only position information in a rigid or flexible joint robot system requiring high precision In providing.
제1도는 위치정보만을 가지고 로봇의 위치를 제어하는 장치를 포함하는 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing the configuration of a system including an apparatus for controlling the position of a robot with only position information.
제2도는 위치정보만을 가지고 로봇의 위치를 제어하는 종래의 제어장치의 구성을 도시한 블록도이다.2 is a block diagram showing the configuration of a conventional control apparatus for controlling the position of a robot with only position information.
제3(a)도는 제2도의 제어장치에 의한 로봇의 출력을, 제3(b)도는 제2도의 출력제어기에 입력되는 제어입력신호를 나타내는 그래프이다.FIG. 3 (a) is a graph showing the output of the robot by the control device of FIG. 2 and the control input signal input to the output controller of FIG.
제4도는 본 발명에 따른 로봇의 위치제어용 선형출력 제어장치의 구성을 도시한 블록도이다.4 is a block diagram showing the configuration of a linear output control apparatus for position control of a robot according to the present invention.
제5도는 제4도의 제어장치에 의한 로봇의 출력을 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the output of the robot by the control device of FIG.
제6도는 본 발명에 따른 로봇의 위치제어용 선형출력 제어방법을 도시한 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a linear output control method for position control of a robot according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
41 : 로봇 42 : 제어입력수정요구기41: robot 42: control input modification request
43 : 제어입력수정기 44 : 제1출력제어기43: control input corrector 44: first output controller
45 : 제2출력제어기 46 : 스위칭기45: second output controller 46: switch
상기와 같은 목적을 이루기 위하여 본 발명은, 구동모터와, 구동모터가 회전함에 따라 회전각을 감지하여 로봇의 현재위치 신호를 출력하는 엔코더를 구비하는 로봇을 입력된 기준위치까지 이동하도록 제어하는 로봇의 위치제어용 선형출력 제어장치에 있어서, 현재위치신호와 제어입력신호를 입력받고 입력된 제어입력신호에 따라 로봇이 동작하도록 로봇의 모터를 제어하는 신호를 출력하고 제1출력제어부와, 로봇에서 출력되는 현재위치신호가 정상상태인가를 판단하여 정상상태가 되면 제1출력제어부에 입력되는 현재의 제어입력을 수정하여 설정하도록 요구하는 제어입력수정시기신호를 출력하는 제어입력수정요구부와, 로봇의 초기위치에 의하여 제1출력제어기에 입력되는 초기의 제어입력을 결정하여 출력하고 제어입력수정시기신호를 받아 제어입력수정요구부로부터 제어입력수정요구가 있으면 현재위치신호와 기준위치입력에 따라 제어입력을 수정하여 설정하는 제어입력수정부와, 현재위치신호와 기준위치신호를 입력받아 로봇이 현재위치에서 기준위치로 지수함수적으로 점근하도록 로봇의 모터를 제어하는 제2출력제어부와, 현재위치신호와 기준위치신호와 제어입력수정시기신호 및 미세동작기준신호를 입력받아 현재위치신호와 기준위치입력의 차이가 미세동작기준보다 크면 로봇이 제1출력제어부에 의하여 반복하여 제어되도록 하고, 현재위치신호와 기준위치신호의 차이가 미세동작기준신호보다 작으면 로봇이 제2출력제어부에 의하여 제어되도록 스위칭하는 스위칭부를 구비하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a robot for controlling a robot having a drive motor and an encoder for detecting an angle of rotation as the drive motor rotates and outputting a current position signal of the robot to an input reference position. A linear output control device for position control, comprising: receiving a current position signal and a control input signal and outputting a signal for controlling the motor of the robot to operate the robot according to the input control input signal and outputting the first output controller and the robot; The control input modification request unit for outputting a control input modification timing signal for requesting to determine whether the current position signal is normal and to set and correct the current control input input to the first output Determine and output the initial control input input to the first output controller according to the initial position and receive the control input modification timing signal. If there is a control input modification request from the control input modification request unit, the robot receives the current position signal and the reference position signal based on the current position signal and the reference position input, and the robot receives the current position signal and the reference position signal. The second output control unit for controlling the motor of the robot to exponentially approach the position, and the difference between the current position signal and the reference position input by receiving the current position signal, the reference position signal, the control input correction timing signal and the fine motion reference signal Is larger than the micro-movement reference, the robot is repeatedly controlled by the first output controller, and when the difference between the current position signal and the reference position signal is smaller than the micro-movement reference signal, the robot is switched to be controlled by the second output controller. It is characterized by comprising a part.
또한 상기와 같은 목적을 이루기 위하여 본 발명은, 구동모터와, 구동모터가 회전함에 따라 회전각을 감지하여 로봇의 현재위치 신호를 출력하는 엔코더를 구비하는 로봇을 입력된 기준위치까지 이동하도록 제어하는 로봇의 위치제어용 선형출력 제어방법에 있어서, (1) 로봇이 이동할 목표가 되는 기준위치와 로봇이 미세동작으로 절환되는 기준신호를 입력하고, 로봇의 초기위치에 의하여 로봇의 초기 제어입력을 결정하는 단계와, (2) 로봇에서 출력되는 현재위치신호가 정상상태인가를 판단하여 정상상태가 되면 제어입력을 수정하여 설정하도록 요구하는 제어입력수정시기신호를 출력하는 단계와, (3), (2)의 단계에서의 제어입력수정시기신호에 따라 현재 위치신호와 기준위치입력에 근거하여 제어입력을 수정하여 설정하는 단계와, (4) 현재위치신호와 (3)이 단계에서 수정된 제엉닙력신호의 입력에 대하여 로봇이 수정된 제어입력신호에 따라 동작하도록 로봇의 모터를 제어하는 단계와, (5) 현재위치신호와 기준위치신호와 (3)의 단계의 제어입력수정시기신호 및 (1)의 단계의 미세동작기준신호에 기초하여 로봇의 현재위치신호와 로봇의 기준위치입력을 비교하는 단계와, (6) (5)의 단계의 비교결과 현재위치신호와 기준위치입력의 차이가 (1)의 단계의 미세동작 기준보다 크면 (2)-(4)의 단계를 반복하고, 현재위치신호와 기준위치소의 차이가 미세동작기준보다 작으면 현재위치신호와 기준위치신호에 대하여 로봇이 현재의 위치에서 기준위치로 지수함수적으로 점근하도록 로봇의 모터를 제어하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, to achieve the above object, the present invention, to control the robot to move to the input reference position having a drive motor, and the encoder to detect the rotation angle as the drive motor rotates to output the current position signal of the robot In the linear output control method for position control of a robot, (1) a step of inputting a reference position to which the robot is to be moved and a reference signal to which the robot is switched to fine motion, and determining an initial control input of the robot according to the initial position of the robot And (2) outputting a control input correction timing signal requesting that the current position signal outputted from the robot is in a normal state and correcting and setting the control input when it is in a normal state; and (3) and (2) Modifying and setting the control input based on the current position signal and the reference position input in accordance with the control input modification timing signal in the step of (4) the current position (3) controlling the robot's motor so that the robot operates according to the modified control input signal with respect to the input of the tangled force signal modified in this step; (5) the current position signal and the reference position signal, and (3) Comparing the current position signal of the robot with the reference position input of the robot on the basis of the control input modification timing signal of step (1) and the fine motion reference signal of step (1), and (6) comparing the step (5) As a result, if the difference between the current position signal and the reference position input is larger than the fine motion reference of step (1), repeat steps (2)-(4). If the difference between the current position signal and the reference location is smaller than the fine motion reference, And controlling the motor of the robot so that the robot exponentially approaches the current position signal and the reference position signal from the current position to the reference position.
이하, 본 발명에 따른 선형출력 제어장치의 실시예의 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, the configuration and operation of the embodiment of the linear output control apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제4도는 본 발명에 따른 로봇의 위치제어용 선형출력 제어장치의 구성을 도시한 블록도로서, 여기에서 도시한 바와 같이 에 있어서, 구동모터와 구동모터가 회전함에 따라 회전각을 감지하여 로봇의 현재위치신호를 출력하는 엔코더를 구비하는 로봇(41)과, 로봇에서 출력되는 현재위치신호의 상태를 점검하여 현재 로봇의 출력상태가 정상상태인가를 판단하고 정상상태가 되면 제1출력제어기(44)의 현재 제어입력을 수정하도록 요구하는 제어입력수정시기신호를 출력하는 제어입력수정요구기(42)와, 로봇의 초기위치에 따라 제1출력제어기(44)에 입력되는 초기 제어입력을 결정하여 출력하여 로봇이 기동하도록 하며 또한 제어입력수정시기신호를 받아 제어입력수정요구기로부터 제어입력수정요구가 있으면 현재위치신호와 기준위치입력에 따라 제어입력을 수정하여 출력하는 제어입력수정기(43)와, 현재위치신호와 제어입력수정기(43)의 제어입력신호를 입력받고 입력된 제어입력신호에 대하여 로봇이 동작하도록 로봇의 모터를 반복하여 제어하는 제1출력제어기(44)와, 현재위치신호와 기준위치신호를 입력받아서 로봇이 현재위치에서 기준위치로 지수함수적으로 점근하도록 로봇의 모터를 제어하는 제2출력제어기(45)와, 제1출력제어기 또는 제2출력제어기를 선택하는 기준이 되는 미세동작기준신호를 입력받고 현재위치신호와 기준위치신호를 비교하여 그 차이가 미세동작기준보다 크면 로봇이 제1출력제어기에 의하여 반복하여 제어되도록 하며 현재위치신호와 기준위치신호의 차이가 미세동작기준신호보다 작으면 로봇이 제2출력제어기에 의하여 제어되도록 스위칭하는 스위칭기(46)로 구성되어 있다.4 is a block diagram showing the configuration of a linear output control device for position control of a robot according to the present invention. As shown here, the present invention of a robot is detected by detecting a rotation angle as the driving motor and the driving motor rotate. The
이와 같이 구성된 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the present invention configured as described above are as follows.
기본적으로 본 발명에 따른 로봇의 위치제어용 선형출력 제어장치는 2단계로 이루어지며 먼저 로봇을 원하는 기준위치의 동작점에 가능한 근사한 영역으로 수렴하도록 하는 '거친동작'의 단계와, 다음으로 제어목적인 로봇이 원하는 동작점에 거의 정확하게 이동하도록 하는 '미세동작'의 단계로 이루어진다. '거친동작'의 단계에서는 앞에서 기술한 바와 같이 로봇(41)과 제어입력수정요구기(42)와, 제어입력수정기(43)와 제1출력제어기(44) 및 스위칭기(46)에 의하여 루프가 형성되고, 반복제어법에 의하여 루프를 형성하는 구성요소들이 반복적으로 제1출력제어기(44)에 입력되는 제어입력신호를 수정하여 로봇이 동작점으로 근접하도록 제어함으로써 로봇이 목표지점인 동작점에 근사한 영역, 즉 스위칭기(46)에 입력되는 미세동작기준신호에 의하여 결정되는 근사영역까지 수렴시킨다. 거친동작의 단계가 앞서 기술한 종래의 제어와 다른 것은 그 구성요소에 있어서 제어루프에 스위칭기가 추가되어 있고 이 스위칭기(46)에는 거친동작과 미세동작의 절환을 결정하는 미세동작기준신호가 입력된다는 점이다. 따라서 그 동작에 있어서는 종래에는 원하는 위치인 동작점까지 계속 반복제어하여 이동함에 비하여 본 발명의 거친동작의 제어단계는 원하는 위치인 동작점에 대하여 미세동작기준신호에 의하여 결정되는 근사영역까지만 반복하여 제어한다. 이 결과 종래에는 동작점까지 무한히 반복함으로써 시간이 많이 소요되었으나 본 발명은 일정영역까지만 반복하여 제어함으로써 소요시간을 단축하게 된다. 일정한 근사영역으로 들어오면 그때부터는 '미세동작'에 의하여 목표지점인 동작점으로 이동하는 미세동작은 로봇(41)과 제2출력제어기(45) 및 스위칭기(46)에 의하여 루프가 형성되고 이 루프를 형성하는 제2출력제어기(45) 및 스위칭기(46)에 의하여 루프가 형성되고 이 루프를 형성하는 제2출력제어기(45)의 동작에 따라 로봇은 현재의 위치에서 원하는 위치까지 지수함수적으로 이동한다.Basically, the linear output control device for position control of a robot according to the present invention is composed of two stages. First, a step of 'rough motion' for converging the robot into a region as close as possible to an operating point of a desired reference position, followed by a robot for control purposes It consists of a 'fine motion' step that allows it to move almost accurately to the desired operating point. In the step of 'rough operation', as described above, the
본 발명의 실시예의 이론적인 배경을 제2출력제어기를 중심으로 설명하면 다음과 같다. 거친동작모드의 제어를 수행결과 로봇의 상태벡터가 원하는 동작점에 근접한 영역에 들어가면, 링크의 위치측정만으로 시스템의 부분영역 지수함수적 안정성을 보장하는 선형 제어-관측기를 구성할 수 있다. 더욱이 선형화된 시스템의 고유치는 복소평면상에서 임의로 지정가능하다.The theoretical background of an embodiment of the present invention will be described below with reference to the second output controller. As a result of performing the control of the coarse motion mode, when the state vector of the robot enters the region close to the desired operating point, it is possible to construct a linear control-observer that guarantees the subfield exponential stability of the system only by measuring the position of the link. Moreover, the eigenvalues of the linearized system can be arbitrarily assigned on the complex plane.
위 결과와 이전의 결과를 이용하여 다음과 같은 제어방법을 제시한다. 즉, 먼저 수렴 사상 정리에 기초한 실시간제어 프로세서가 구현되면 이것으로 로봇을 원하는 동작점의 근사영역으로 구동한다. 그 후, 이 프로세서는 모드를 새롭게 바꾸어 새로운 출력제어기(45)가 실행되고 로봇은 최종목표지점에 지수함수적으로 수렴하게 된다. 이를 위하여 수학식 4와 다음의 수학식 22의 시스템을 고려하면,Using the above result and the previous result, the following control method is suggested. In other words, when a real-time control processor based on convergence mapping is implemented, it drives the robot to an approximate region of a desired operating point. Thereafter, the processor changes modes so that a
여기서 HRn×n는 추후결정될 상수행렬이고은 시스템의 입력이며 출력 사상은 다음과 같다.Where H R n × n is the constant matrix to be determined later Is the input to the system and the output map is
수학식 23을 위한 수학식 24의 출력 피이드백을 고려한다.Consider the output feedback of equation (24) for equation (23).
여기서은 추후결정될 상수행렬이다. L을 다음의 수학식 25로 분할하면,here Is the constant matrix to be determined later. Dividing L by the following equation (25),
수학식 22는 수학식 26가 된다.(22) becomes (26).
다음의 수학식 27의 선형 함수식을 고려한다.Consider the linear function of Equation 27 below.
모든 논싱귤러(Non-singular)한 행렬 H에 대하여 수학식 27의 왼쪽행렬이 논싱귤러한 블록 lij를 선택할 수 있다. H가 정규적(Regular)이고 L이 수학식 27의 왼쪽정방행렬이 가역하도록 선택하면 {H, L}은 수용가능한 짝이 된다. 주어진 수용가능한 짝 {H, L}은 수학식 27의 유일한 해이고,로 표시된다. 그리고는 수학식 26의 평형점이다.For all non-singular matrices H, a block l ij in which the left matrix of Equation 27 is non-singular may be selected. If H is regular and L chooses that the left square matrix of equation 27 is reversible, then {H, L} is an acceptable pair. Given acceptable pairs {H, L} are the only solutions of Is displayed. And Is the equilibrium point of equation (26).
{H, L}이 수용가능한 짝이면 상수벡터 x1d는 평형점를 결정하고 g(x1d)가 미지의 벡터라는 사실은 여기서 관계가 없다.If {H, L} is an acceptable pair, then the constant vector x 1d is the equilibrium point. The fact that g (x 1d ) is an unknown vector is irrelevant here.
에 의하여 수학식 22와 수학식 23의 시스템은 다음과 같이 쓸 수 있다. The system of
잠시 g(x1d)를 정확히 안다고 가정하고,와를 정의하면 다음식을 얻을 수 있다.Suppose we know exactly g (x 1d ) for a while, Wow If we define, we get
행렬 A와 B는 {w1, w2}의 벡터에 대하여 독립적이다. 수용가능한 짝 {H, L}이 선택되고 페루프 시스템의 평형점을라고 가정한다. 수학식 24에 Γ를 대체하고 수학식 30과 수학식 31를 사용하여 테일러 공식을 평형점 Φd의 주위에서에 적용하면 수학식 27은 수학식 32가 된다.The matrices A and B are independent of the vectors of {w 1 , w 2 }. An acceptable partner {H, L} is selected and the equilibrium point of the Assume that Substitute Γ in
여기서는을 만족한다.here Is To satisfy.
앞으로의 전개식에서 우리는 다음의 선형방정식을 사용한다.In future developments, we use the following linear equation:
수학식 30과 수학식 31에서 A와 B의 요소들이 정확하게 알려져 있다고 가정하고 정규행렬 H를 임의로 선택한다.은 i+1, …, 4n에 대하여 Rea{λi}0인 미리 결정된 서로 다른 복소수이고 임의의 σ0를 선택한다. 그러면로 표현되는 (A+BLC)의 고유치가 다음의 수학식 34을 만족하는 수학식 25의 형태의 행렬 L이 존재한다.In Equation 30 and Equation 31, assuming that the elements of A and B are correctly known, the regular matrix H is arbitrarily selected. Is i + 1,... , Rea {λ i } for 4n Is a predetermined different complex number of zeros and an
더욱이 만약 σ0이 충분히 작게 선택하면 {H, L}이 수용가능하며,를 갖는 원래의 비선형 시스템인 수학식 28은 적어도 부분영역에서 지수함수적 안정하다.Moreover if σ If 0 is chosen small enough, {H, L} is acceptable, Equation 28, which is the original non-linear system with a, is exponentially stable at least in the partial region.
이를 증명하면, 임의의 정규 행렬 H를 선택하고 이에 의하여 수학식 30과 수학식 31의 행렬 A, B를 결정한다. 먼저 {A, B}와 {A, C}가 제어가능하고 관측가능한 것임을 보이기 위하여 다음을 얻을 수 있다.To prove this, a random regular matrix H is selected and matrices A and B of Equations 30 and 31 are determined thereby. First, to show that {A, B} and {A, C} are controllable and observable, we obtain
여기에서이고,여기서 dim(Φ)=4n, dim(Γ)=2n, dim(Υ)=3n이며, 이것은 dim(Φ)≤dim(Γ)+dim(Υ)-1=5n-1임을 의미한다.From here ego, Where dim (Φ) = 4n, dim (Γ) = 2n, dim (Υ) = 3n, which means that dim (Φ) ≦ dim (Γ) + dim (Υ) -1 = 5n-1.
다음으로 수학식 27이 유일한 해를 갖는 것을 의미하는 {H, L}이 수용가능하다는 것을 증명한다. 적어도 충분히 작게 선택한 ρ0에 대하여 (A+BLC)는 후르비츠(Hurwitz)이고 또한 정규이다. 달리 말하면 수학식 35의 행렬은 가역이다.Next we prove that {H, L}, which means that Equation 27 has a unique solution, is acceptable. At least small enough ρ For 0 (A + BLC) is Hurwitz and is also normal. In other words, the matrix of Equation 35 is invertible.
여기에서이다. 그리하여 수학식 35에서 마지막 3n행은 선형적으로 독립이다. 이 사실을 사용하고 H가 정규하다는 것을 이용하여 다음을 밝힐 수 있다.From here to be. Thus, the last 3n rows in (35) are linearly independent. Using this fact and using the fact that H is normal, we can
H가 정규라는 것을 감안하면 앞의 식은 {H, L}이 수용가능하다는 것을 보장한다. 마지막 결론은가를 갖는 수학식 28의 평형점이라는 것을 의미한다. 그러나 수학식 33이 Φd근처에서 수학식 28의 선형근사이며 1차근사에서 안정화 정리는 원래의 비선형 페루프시스템의 부분영역 점근적안정성을 보장한다. 또한 부분영역 지수함수적 안정성도 보장한다.Given that H is normal, the previous equation ensures that {H, L} is acceptable. The final conclusion is end It means that the equilibrium point of the equation (28) having a. However, Eq 33 is a linear approximation of Eq 28 near Φ d and the stabilization theorem in the first approximation ensures partial region asymptotic stability of the original nonlinear Perup system. It also guarantees subregion exponential stability.
F를 안정화 행렬이라 하고 임의의 대칭유한양의 행렬 Q에 대한 리아푸노프 행렬식을 감안하면 다음의 식을 만족하는 유일한 대칭유한양의 행렬 P가 존재한다.F is called the stabilization matrix, and considering the Liapunov determinant for an arbitrary symmetric finite matrix Q, there is only one symmetric finite matrix P that satisfies the following equation.
수학식 30과 수학식 31를 고려하고이며 여기서는 E의 추정치를 나타낸다. 앞에서 행렬 L은가 후르비츠이도록 선택할 수 있다.이고이라 정의하면이다. P를 임의의 양의 유한행렬 Q에 대한 수학식 36의 해라하고 다음의 수학식 37을 정의한다.Considering Equation 30 and Equation 31 Where Represents an estimate of E. The matrix L in front of You can choose to be Fruitwitz. ego If you define to be. Let P be the equation (36) for any positive finite matrix Q and define the following equation (37).
수학식 32의 궤적을 따라(간단하게 하기 위하여 Φd≡0라 하면)Along the trajectory of Equation 32 (simplified Φ d ≡ 0)
을 얻을 수 있다.Can be obtained.
이고ego
이기 때문에 수학식 39의 결론을 얻을 수 있다.Therefore, the conclusion of Equation 39 can be obtained.
수학식 36를 만족하는 모든 {P, Q}에 대하여 Q=4n에 대하여가 최대값이 된다.를 감안하면 다음의 결론을 얻는다.Q = 4n for all {P, Q} satisfying Equation 36 Is the maximum value. Given this, the following conclusions are drawn.
여기에서이고, 수학식 41를 만족하는 a0과 충분히 작은 k0이 존재한다.From here And satisfies
여기서는 Ba에서인의 추정치이고 다음의 수학식 42를 만족한다.here Is in B a sign Is an estimate of and satisfies the following equation (42).
초기조건이 Ba에 속하면 시스템은 지수함수적으로 최종위치에 수렴한다. 마지막 결론을 종래 제어기와 결합할 수 있다. 먼저 종래의 제어기를 적용하면 제어기는 수학식 5에 의하여 주어지고 로봇의 상태벡터가를 만족하면(a는 수학식 41에 의하여 주어진다.) 프로세서는를 갖는 수학식 26에 의하여 표현되는 새로운 모드의 동작을 시작한다. 그리고 새로운 출력제어기(제2출력제어기)가 작동하여 로봇은 최종목표 위치에 지수함수적으로 수렴한다. 그리하여 이러한 서브동작은 두가지의 모드를 결합함으로써 이루어 질 수 있다. 그 과정의 첫 번째 단계는 종래의 제어와 동일하며 이에 관련하여 제1출력제어기(44)는 수학식 5에 의하여 주어진다. 과정의 두 번째 단계는 미세동작과 관련한 것으로 수학식 26에 의하여 주어지는 제2출력제어기(45)의 동작으로 이루어진다.If the initial condition belongs to B a , the system converges exponentially to the final position. The final conclusion can be combined with conventional controllers. First, if the conventional controller is applied, the controller is given by Equation 5 and the state vector of the robot. end (A is given by Equation 41), the processor Starts a new mode of operation represented by Equation 26 with And a new output controller (second output controller) is activated, the robot converges exponentially to the final target position. Thus this sub-operation can be achieved by combining the two modes. The first step of the process is the same as the conventional control and in this regard the first output controller 44 is given by equation (5). The second step of the process is related to the fine motion and consists of the operation of the
이를 정리하면, r1 0은 (r1+1)/r1 ρ을 만족하는 임의의 수인 ρ1, rmax{r1,, 2ρβ}의 상수를 선택하고 S, R이 수학적 16에 의하여 주어진다고 가정한다. Ba는 원하는 최종위치에 중심을 두고 수학식 42를 만족하는 충분히 작은 영역이라면 임의의 상수 벡터 vRn은 다음의 제3체인을 기동시킨다.To sum it up,
실시간제어에 있어서 제1체인을 수정한 비전이 제3체인에서 실현되어야 한다. 그 이유는 첫째 점근적수렴은 무한시간 프로세스와 관련되고 둘째는 x2(·)신호가 측정가능하지 않기 때문이다. 수정된 버전에서는 이러한 문제를 해결하였다.In real time control, the vision that modified the first chain must be realized in the third chain. This is because, first, asymptotic convergence is related to the infinite time process and second, the x 2 (·) signal is not measurable. The revised version solves this problem.
유연관절 로봇의 경우에 있어서도 앞의 경우와 마찬가지이므로 자세한 증명은 생략하고 결과만을 설명한다.In the case of the flexible joint robot, the same as in the previous case, the detailed proof is omitted and only the result is described.
강성 로봇의 경우와 같이, 거친동작의 제어를 수행한 결과 로봇의 상태벡터가 원하는 동작점에 충분히 근접한 영역에 들어가면 링크와 로터의 위치측정만 사용하고 시스템의 부분영역 지수함수적 안정을 보장하며, 더욱이 선형화된 페루프시스템의 고유치가 복소평면의 임의의 곳에 할당되는 선형출력제어기를 구성할 수 있다. 이 결과를 가지고 이전에 강성 로봇의 경우에 개시한 사항을 고려한다. 그러면 먼저 수렴사상정리에 기초한 실시간제어프로세서를 실현할 수 있고 유연관절 로봇을 원하는 동작점의 근사영역으로 구동하여 프로세서는 새로운 출력제어기가 동작되도록 한다. 로봇은 최종목표지점에 지수함수적으로 수렴하게 된다. 수학식 2를 사용하고 다음의 시스템을 고려하면As in the case of the rigid robot, when the robot's state vector enters the region sufficiently close to the desired operating point as a result of the coarse motion control, only the position measurement of the link and the rotor is used, and the exponential stability of the partial region of the system is guaranteed. Furthermore, it is possible to construct a linear output controller in which the eigenvalues of the linearized Perup system are assigned anywhere in the complex plane. With these results, consider what was previously disclosed for rigid robots. First, a real-time control processor based on convergent thought theorem can be realized, and the flexible joint robot is driven to an approximate area of the desired operating point, thereby enabling the processor to operate a new output controller. The robot converges exponentially at the final target point. Using
여기서 HRn×n는 추후결정될 상수행렬이고는 시스템의 입력이며, 출력 사상은 다음과 같다.Where H R n × n is the constant matrix to be determined later Is the input of the system and the output mapping is
다음의 출력 피이드백을 고려하면Considering the following output feedback
여기서 LR3n×4n은 추후결정될 상수행렬이고 L을 다음의 수학식 46로 분할한다.Where L R 3n × 4n is a constant matrix to be determined later, and L is divided by the following equation (46).
수학식 43은 수학식 47이 된다.(43) becomes (47).
다음의 선형식을 고려하면Consider the following linear equation
K0이므로 모든 정규행렬 H에 대하여 수학식 48의 왼쪽에 행렬이 논싱귤러한 블록 lij를 선택할 수 있다. 요소의 동작(row operation)을 적용하여 수학식 48의 왼쪽에 있는 행렬이 서브행렬인 수학식 49가 논싱귤러하다면 가역이라는 것을 보여줄 수 있다.K Since 0 is a non-singular block l ij can be selected on the left side of Equation 48 for all regular matrices H. The row operation of the element may be applied to show that the matrix on the left side of Equation 48 is reversible if the sub-matrix Equation 49 is nonsingular.
앞에서와 같이 H가 정규적이고 L이 수학식 48의 왼쪽에 있는 정방행렬이 가역하도록 선택하면 {H, L}은 수용가능한 짝이 된다. 적절하게 주어진 짝 {H, L}에 대하여 수학식 48의 유일한 해는로 주어진다. 여기에서는 수학식 47의 평형점이다.As before, if H is regular and L chooses to reversible the square matrix on the left side of (48), {H, L} is an acceptable pair. For a properly given pair {H, L}, the only solution in equation 48 is Is given by From here Is the equilibrium point of equation (47).
에 의하여 수학식 44의 출력을 갖는 수학식 43의 시스템은 다음과 같이 쓸 수 있다. The system of
g(x1d)와 K를 정확히 안다고 가정하고와이라 정의하면 이 정의를 사용하여 수학식 49와 수학식 43으로부터 다음식을 얻을 수 있다.Suppose you know g (x 1d ) and K exactly Wow This equation can be used to obtain the following equations from equations (49) and (43).
여기서이다.here to be.
위에서의 관찰을 통하여 강성 로봇에서처럼 다음과 같이 정리할 수 있다. 즉, 수학식 51와 수학식 52에서 A와 B의 요소들이 정확하게 알려져 있다고 가정하고 정규의 행렬 H를 임의로 선택한다. Λ={λ1, λ2, …, λ7n}은 i=1, …, 7n에 대하여 Real{λi}0인 미리 결정된 서로 다른 복소수이고 임의의 σ0를 선택한다. 그러면 Λ={λ1, λ2, …, λ7n}로 표현되는 (A+BLC)의 고유치가 다음의 수학식 54를 만족하는 수학식 46에서 행렬 L이 존재한다.From the above observation, we can summarize the following as in a rigid robot: That is, assuming that the elements of A and B are correctly known in
더욱이 만약 σ0이 충분히 작게 선택하면 {H, L}이 수용가능하며,를 갖는 원래의 비선형 시스템인 수학식 50은 적어도 부분영역에서 지수함수적으로 안정하게 된다.Moreover if σ If 0 is chosen small enough, {H, L} is acceptable, Equation 50, which is the original nonlinear system with, is exponentially stable at least in the partial region.
이를 증명하면, 직접가정에 의하여 수학식 52와 수학식 53에 의하여 주어지는 {A, B} 와 {A, C}가 각각 제어가능하고 관측가능하다. 또한 dim(Φ)=7n, dim(Γ)=3n, dim(Υ)=5n이며 dim(Φ)≤dim(Γ)+dim(Υ)-1=8n-1이다. 다음으로 {H, L}이 수용가능하고 비선형시스템이 국부적으로는 지수함수적으로 안정하다는 것에 대한 증명은 강성 로봇에서의 증명과 동일하다.To prove this, {A, B} and {A, C} given by
본 발명에 따른 로봇의 위치제어용 선형출력 제어장치는, 반복제어법을 사용한 거친동작의 제어단계와 미세동작의 제어를 위한 새로운 제어단계를 결합하여 두가지의 모드로 동작하는 제어장치로 구성할 수 있고, 강성 로봇과 유연관절 로봇을 원하는 위치로 수렴시킬 수 있다. 제5도는 이와 같이 2모드로 동작되는 로봇의 출력을 도시한 그래프이다.The linear output control device for position control of a robot according to the present invention can be configured as a control device operating in two modes by combining a control step of coarse motion using a repetitive control method and a new control step for control of fine motion. Rigid robot and flexible joint robot can be converged to the desired position. 5 is a graph showing the output of the robot operated in the two modes in this way.
이하, 본 발명에 따른 선형출력 제어방법의 실시예의 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, the configuration and operation of an embodiment of the linear output control method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제6도는 본 발명에 따른 로봇의 위치제어용 선형출력 제어방법을 도시한 흐름도로서, 여기에서 도시한 바와 같이 원하는 이동위치인 동작점과 미세동작기준을 입력하고(S1), 초기동작을 거친동작모드로 설정한다(S2). 미세동작모드인지를 체크하고(S3), S3의 체크결과 미세동작모드가 아니면 초기위치에 의하여 초기 제어입력을 설정하여(S4), 설정된 제어입력신호에 대하여 로봇이 동작하도록 하는 거친동작모드의 제어를 수행한다(S5). S5의 제어결과 로봇이 거친모드로 동작하게 되고 로봇의 출력이 S1의 단계에서 입력된 미세동작기준신호에 의하여 결정되는 동작점의 근사영역내에 들어왔는지를 체크한다(S7). S7의 체크결과 로봇의 출력이 동작점의 근사영역내에 아직 들어오지 않았으면, 거친동작모드에 있어서 로봇의 출력이 안정화되어 제어입력을 수정할 시기가 되었는지를 체크한다(S9). S9의 체크결과 제어입력을 수정할 시기가 되지 않았으면 로봇의 출력이 안정화되기를 기다린다. S9의 체크결과 제어입력을 수정할 시기가 되었으면 새로운 제어입력을 설정하고(S10), S5의 단계로 되돌아가서 거친모드의 제어를 반복하여 수행한다. S7의 체크결과 로봇의 출력이 동작점의 근사영역내에 들어왔으면 미세동작모드를 설정하고(S8) S3의 단계로 되돌아간다. S3의 체크결과 미세동작모드이면 로봇이 현재의 위치에서 기준위치로 지수함수적으로 점근하도록 제어하는 미세동작제어를 수행한다(S6).6 is a flowchart illustrating a linear output control method for position control of a robot according to the present invention. As shown here, an operating point and a fine motion reference, which are desired movement positions, are input (S1) and have undergone initial operation. It is set to (S2). It is checked whether the operation mode is fine (S3), and if the result of the check in S3 is not the fine operation mode, the initial control input is set according to the initial position (S4), and the coarse operation mode is controlled so that the robot operates on the set control input signal. Perform (S5). As a result of the control of S5, the robot is operated in the coarse mode and it is checked whether the robot's output is within the approximate area of the operating point determined by the fine motion reference signal input in the step S1 (S7). If the output of the robot has not yet entered the approximate area of the operating point as a result of the check in S7, it is checked in the coarse operation mode whether the output of the robot is stabilized and it is time to correct the control input (S9). If it is not time to modify the control input as a result of the check of S9, wait for the output of the robot to stabilize. If it is time to modify the control input as a result of the check in S9, a new control input is set (S10), and the process returns to the step S5 to repeat the coarse mode control. If the result of the check in S7 is that the robot output is within the approximate area of the operating point, the fine operation mode is set (S8) and the process returns to the step S3. If it is checked in S3 that the micro-operation mode is performed, the micro-movement control is performed to control the robot to approach the reference position exponentially from the current position (S6).
S4의 단계에서 초기 제어입력을 설정함에 있어서는의 식에 의하여 이루어지며 따라서 초기 제어입력은가 된다. S10의 단계의 제어입력수정도의 식에 의하여 이루어진다. S5의 단계의 거친동작모드의 제어는 수학식 4로 모델링되는 강성 로봇의 경우 수학식 3의 제어기에 의하여 수행되며, 수학식 2로 모델링되는 유연관절 로봇의 경우 수학식 3의 제어기에 의하여 수행된다. S7의 단계는 동작점과 안정화된 현재로봇위치의 차이와 미세동작기준값을 비교함으로써 이루어진다. S6의 단계의 미세동작모드의 제어는 수학식 4모델링되는 강성 로봇의 경우 수학식 22-26으로 표현되는 제어기에 의하여 수행되며, 수학식 2로 모델링되는 유연관절 로봇의 경우 수학식 43-47으로 표현되는 제어기에 의하여 수행된다.In setting the initial control input in the step S4, And the initial control input is Becomes Number of control inputs in step S10 By the ritual The coarse motion control of the step S5 is performed by the controller of Equation 3 for the rigid robot modeled by Equation 4, and by the controller of Equation 3 for the flexible joint robot modeled by
미지의 요소를 포함하는 유연관절 로봇에서 이러한 미지의 요소에 대한 유일한 정보는 그들의 놈(Norm)의 가능한 크기이다. 이러한 강성 로봇과 유연관절 로봇의 셋 포인트 트랙킹 문제의 해결을 위한 분석적이고 실제적인 제어장치를 발명하였다. 본 발명에서 제어기를 위하여 얻을 수 있는 데이터는 단지 강성 로봇의 경우 링크의 위치이며 유연관절의 경우 로터의 위치로 가정하였다. 제어기는 기본적으로 시불변 선형 시스템으로 쉽게 구현할 수 있다. 먼저 수렴 사상 정리에 기초하는 실시간 제어 프로세스를 실현하고 로봇을 원하는 근사영역으로 구동하며 프로세서가 새로운 출력제어기가 동작하여 로봇이 원하는 위치로 지수함수적으로 수렴하는 새로운 모드를 기동시킨다. 제어기의 동작은 수렴 사상 정리와 그 결과에 근거하고, 강성 로봇과 유연관절 로봇 모델을 위해 제안된 제어기는 폐루프 시스템의 시간응답이 평등궁극유계가 있음을 보장한다. 또한 시스템의 궤적이 수렴하는 평형점의 근사영역은 임의로 적게할 수 있다. 강성 로봇의 경우 반복에 의한 수렴비율은 임의로 빠르게 할 수 있다. 유연관절 로봇의 경우 반복에 의한 수렴비율은 임의로 빠르게 할 수 있다. 유연관절 로봇의 경우 반복에 의한 시스템의 수렴비율은 사용자에 의하여 적절한 범위로 저정될 수 있다. 그러나 강성 로봇의 경우와 같이 임의로 빠르게 할 수는 없다. 앞에서 보인바와 같이 어떤 적정한 조건하에서 제어전략은 유용한 방법으로 변화될 수 있다. 특히 전체 시스템이 원하는 동작점으로 점근적으로 수렴하기 위하여 모드에서 모드로 수위칭될 수 있다. 따라서 이러한 면에서 첫 번째 모드는 시스템의 거친동작, 즉 제어기가 시스템을 초기 위치에서 최종 위치에 충분히 가깝게 근사하는 위치로 움직이게 한다. 이 과정에서 반복제어는 수렴 사상 정리와 그 결과에 기초한다. 두 번째 동작의 기능은 미세동작과 관련한 것으로, 즉 제어기는 로봇을 최종위치로 부드럽게 움직인다, 이 과정에서는 제어기가 1차근사에서의 안정화 정리와 그 결과의 시스템은 가제어하고 가관측하다는 것에 따르며 필요한 기하학적 조건을 만족한다.In flexible joint robots containing unknown elements, the only information about these unknown elements is the possible size of their norms. Invented an analytical and practical control device for solving the set point tracking problem of the rigid robot and flexible joint robot. In the present invention, data obtained for the controller are assumed to be only the position of the link in the case of a rigid robot and the position of the rotor in the case of a flexible joint. The controller is basically easy to implement as a time-invariant linear system. First, we realize the real-time control process based on the convergence mapping, drive the robot to the desired approximation area, and the processor starts a new mode where the new output controller operates to exponentially converge to the desired position of the robot. The operation of the controller is based on the convergence mapping and the results, and the proposed controller for the rigid and flexible joint robot models ensures that the time response of the closed-loop system is equally ultimate. Also, the approximate region of the equilibrium point where the trajectory of the system converges can be arbitrarily reduced. In the case of a rigid robot, the convergence ratio by repetition can be arbitrarily fast. In the case of flexible joint robot, the convergence rate by repetition can be arbitrarily fast. In the case of a flexible joint robot, the convergence ratio of the system by repetition may be stored in an appropriate range by the user. However, it cannot be arbitrarily fast as in the case of a rigid robot. As shown above, under certain appropriate conditions the control strategy can be changed in useful ways. In particular, the entire system can be leveled from mode to mode in order to gradually converge to the desired operating point. Thus, in this respect, the first mode causes the coarse motion of the system, ie the controller to move the system from its initial position to a position close enough to the final position. In this process, iterative control is based on convergence mapping and the results. The function of the second motion is related to the micro motion, that is, the controller moves the robot smoothly to its final position. In this process, the controller depends on the stabilization theorem in the first approximation and the resulting system is controlled and observed. Satisfies the geometric conditions.
이와 같이, 본 발명은 로봇이 원하는 위치까지 이동하기 위하여 거친동작과 미세동작으로 이루어지는 2단계제어를 수행함으로써, 고정밀도가 요구되는 강성 또는 유연관절 로봇시스템에서 위치정보만을 이용하여 미지의 변수에 대하여 빠른 시간에 원하는 위치에 로봇이 이동할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention performs two-step control consisting of coarse motion and fine motion in order to move the robot to a desired position, thereby using the position information in the rigid or flexible joint robot system that requires high precision, for unknown parameters. There is an effect that the robot can move to the desired position in a short time.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1019970034069A KR100222763B1 (en) | 1997-07-21 | 1997-07-21 | Linear output apparatus for controlling position of robot and method thereof |
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KR1019970034069A KR100222763B1 (en) | 1997-07-21 | 1997-07-21 | Linear output apparatus for controlling position of robot and method thereof |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20010016623A (en) * | 2000-12-29 | 2001-03-05 | 송인관 | Kick Board Attachable with Ski or Skate Unit |
KR100981812B1 (en) * | 2010-01-15 | 2010-09-13 | 동명대학교산학협력단 | Crane control apparatus and method including disturbance observer |
KR100981867B1 (en) * | 2010-01-15 | 2010-09-13 | 동명대학교산학협력단 | Crane control apparatus and method |
KR101138019B1 (en) * | 2009-12-04 | 2012-04-20 | 전자부품연구원 | Control Method And Apparatus For Robot |
-
1997
- 1997-07-21 KR KR1019970034069A patent/KR100222763B1/en not_active IP Right Cessation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101138019B1 (en) * | 2009-12-04 | 2012-04-20 | 전자부품연구원 | Control Method And Apparatus For Robot |
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