KR100617963B1 - Control apppratus of robot - Google Patents

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KR100617963B1
KR100617963B1 KR1020050026267A KR20050026267A KR100617963B1 KR 100617963 B1 KR100617963 B1 KR 100617963B1 KR 1020050026267 A KR1020050026267 A KR 1020050026267A KR 20050026267 A KR20050026267 A KR 20050026267A KR 100617963 B1 KR100617963 B1 KR 100617963B1
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김진걸
공정식
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 로봇의 제어장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 로봇의 제어장치는 상기 모터의 회전을 위한 속도지령을 생성하는 주제어기와; 상기 피구동부에 입력되는 상기 모터의 출력을 감지하는 제1 엔코더부와, 상기 모터의 출력을 입력받아 구동하는 상기 피구동부의 출력을 감지하는 제2 엔코더부와, 상기 속도지령에 기초하여 상기 제1 엔코더부 및 상기 제2 엔코더부의 감지 결과를 피드백받아 상기 모터의 구동을 제어하는 구동제어부를 갖는 지역제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 로봇의 안정적 보행을 위해 구동시 문제가 되는 포화비선형성과 기구적으로 가지는 비선형성인 백래쉬를 스위칭 PID 제어기와 이중 피드백 제어를 이용하여 제어함으로써, 로봇의 보행 성능이 향상되고, 리밋사이클이 제거되며, 보행 궤적의 추종이 향상된다.The present invention relates to a control device for a robot. The control device of the robot according to the present invention includes a main controller for generating a speed command for rotation of the motor; A first encoder unit configured to sense an output of the motor input to the driven unit, a second encoder unit configured to sense an output of the driven unit that receives and drives the output of the motor, and the first based on the speed command; It characterized in that it comprises a local controller having a drive control unit for controlling the driving of the motor in response to the detection result of the first encoder unit and the second encoder unit. Accordingly, the robot's walking performance is improved and limit cycle is eliminated by controlling the saturation nonlinearity which is a problem in driving and the nonlinear backlash mechanically, using the switching PID controller and the dual feedback control for stable walking of the robot. The tracking of the walking trajectory is improved.

Description

로봇의 제어장치{CONTROL APPPRATUS OF ROBOT}Robot Control Unit {CONTROL APPPRATUS OF ROBOT}

도 1은 본 발명에 따른 로봇의 좌표계를 설명하는 도면이고,1 is a view for explaining the coordinate system of the robot according to the present invention,

도 2는 본 발명에 따른 로봇 및 로봇의 제어장치의 제어블럭도이고,2 is a control block diagram of a robot and a control device of the robot according to the present invention;

도 3은 도 2의 로봇의 제어장치의 지역제어기의 일 예를 도시한 제어블럭도이고,3 is a control block diagram showing an example of a local controller of the control device of the robot of FIG.

도 4는 도 3의 스위칭 PID 제어기의 일 예를 도시한 제어블럭도이고, 4 is a control block diagram showing an example of the switching PID controller of FIG.

도 5 내지 9는 본 발명에 따른 로봇의 제어장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.5 to 9 are views for explaining the effect of the control device of the robot according to the present invention.

본 발명은 로봇 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모터의 구동시 포화비선형성과 기구적 원인에 의한 백래쉬를 스위칭 PDI 제어기 및 이중 피드백 제어를 이용하여 개선한 로봇의 제어장치에 관한 것이다.The present invention relates to a robot control device, and more particularly, to a control device for a robot in which a backlash caused by saturation nonlinearity and mechanical causes is improved by using a switching PDI controller and a dual feedback control.

오늘날 산업화의 급속한 발전에 따라 로봇의 비중도 증가하고 있으며 그 모양과 용도 및 기능에 있어서도 많은 다양화가 진전되어 왔다. 작게는 하나의 기계 자동화에서 크게는 공장 시스템 전반의 자동화에 이르며, 인간의 작업 활동이 불가 능한 우주 공간이나 심해, 원자로 등에서도 작업을 대신 수행하리라 기대되고 있다.Today, with the rapid development of industrialization, the proportion of robots is increasing, and various diversifications in shape, use, and function have been made. From small machine automation to large plant-wide automation, it is expected to carry out work in space, deep sea, and nuclear reactors where human work activities are impossible.

근래에는 많은 시스템에 인공지능과 비전 및 각종 센서를 장착함으로써 기능 향상을 크게 높이고 있지만 구조적 측면에서 볼 때, 현재까지는 고정용 로봇이 상당수이며 이동 로봇에 있어서도 바퀴나 무한궤도 등의 구름장치를 사용하고 있어 작업 가능 환경이 제한되었다. 따라서, 보다 다양한 환경에서의 작업을 가능하게 하기 위해선 인간과 같은 형태의 로봇 시스템 구현의 필요가 요구된다.In recent years, many systems are equipped with artificial intelligence, vision, and various sensors to improve their functions, but from a structural point of view, a large number of fixed robots have been used so far, and even mobile devices use rolling devices such as wheels and crawlers. The working environment was limited. Therefore, in order to be able to work in a more diverse environment, the need for implementing a human-like robot system is required.

현재 휴머노이드 로봇에 관한 연구는 여러 곳에서 활발히 연구되고 있으며, 대표적인 예로 혼다 사의 ASIMO, 소니 사의 SDR-4X, 후지쯔 사의 HOAP 등이 있다. 이러한, 휴머노이드 로봇은 한 다리에 의한 지지 상태에서 균형을 유지하면서 보행을 수행해야 하기 때문에 안정도가 높은 다른 시스템들에 비해 많은 구속이 따르며, 다축 동시 구동 시스템이기 때문에 그 구현에 어려움이 있다.Currently, researches on humanoid robots are being actively conducted in various places, and representative examples are Honda's ASIMO, Sony's SDR-4X, and Fujitsu's HOAP. Such humanoid robots have a lot of restraints compared to other systems having high stability because the humanoid robot needs to perform walking while maintaining balance in a state supported by one leg, and it is difficult to implement because it is a multi-axis simultaneous driving system.

휴머노이드 로봇의 구현에 있어서 또 다른 특징은 그 자체의 실용성보다 다른 분야에 대한 파급효과가 크다는 점이다. 여유 관절을 갖는 링크의 해석 같은 로봇의 기구적 특성과 운동 특성의 해석은 물론, 다양한 궤적 생성에 따른 주요 관절의 연계성 있는 동작, 사람의 다리를 대신하는 의족의 개발, 그리고 자율주행을 위한 비전 시스템과 균형유지를 위한 중력센서 및 각종 센서의 장착 등, 인간의 보행을 모델로 하는 만큼 다양한 연구가 수행되고 있다.Another feature of the humanoid robot is that it has a greater ripple effect in other fields than its practicality. Vision system for the analysis of the mechanical and motor characteristics of the robot, such as the analysis of links with slack joints, as well as the linking movements of the main joints according to the various trajectories, the development of the limbs instead of the human legs, and autonomous driving Various studies have been carried out as a model of human walking, such as the installation of gravity sensors and various sensors for maintaining the balance.

한편, 휴머노이드 로봇의 개발에 있어, 구조적으로 감속기나 베벨 기어 등의 기어의 동작에서 백래쉬가 발생하고, 모터를 구동함에 있어서는 포화비선형성이 발 생하게 된다. 이는 로봇의 안정적 보행을 위한 반드시 제어가 필요한 사항으로 인식되고 있다.On the other hand, in the development of humanoid robots, backlash occurs in the operation of gears such as reducers and bevel gears structurally, and saturation nonlinearity occurs in driving a motor. This is recognized as a necessary control for the stable walking of the robot.

따라서, 이러한 로봇의 포화비선형성 및 백래쉬에 의해 야기되는 문제를 해결하기 위한 여러 방법들이 연구되고 있다.Therefore, various methods for solving the problems caused by the saturation nonlinearity and backlash of the robot have been studied.

따라서, 본 발명의 목적은, 로봇의 구동시, 모터의 포화비선형성과 기구적 원인에 의한 백래쉬를 스위칭 PID 제어기 및 이중 피드백 제어를 이용하여 개선한 로봇 제어장치에 관한 것이다.Accordingly, an object of the present invention relates to a robot control apparatus in which a backlash caused by a saturation nonlinearity of a motor and a mechanical cause is improved by using a switching PID controller and a double feedback control when the robot is driven.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 적어도 하나의 모터와, 상기 모터에 의해 구동하며 백래쉬가 발생하는 피구동부를 갖는 로봇의 제어장치에 있어서, 상기 모터의 회전을 위한 속도지령을 생성하는 주제어기와; 상기 피구동부에 입력되는 상기 모터의 출력을 감지하는 제1 엔코더부와, 상기 모터의 출력을 입력받아 구동하는 상기 피구동부의 출력을 감지하는 제2 엔코더부와, 상기 속도지령에 기초하여 상기 제1 엔코더부 및 상기 제2 엔코더부의 감지 결과를 피드백받아 상기 모터의 구동을 제어하는 구동제어부를 갖는 지역제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 제어장치에 의해 달성된다.According to the present invention, there is provided a control apparatus of a robot having at least one motor and a driven part driven by the motor and generating a backlash, the controller comprising: a main controller for generating a speed command for rotation of the motor; A first encoder unit configured to sense an output of the motor input to the driven unit, a second encoder unit configured to sense an output of the driven unit that receives and drives the output of the motor, and the first based on the speed command; It is achieved by the controller of the robot, characterized in that it comprises a local controller having a drive control unit for controlling the driving of the motor in response to the detection result of the first encoder unit and the second encoder unit.

여기서, 상기 구동제어부는, 상기 제1 엔코더부와 상기 제2 엔코더부에 의해 각각 감지된 출력 간의 제1 편차를 출력하는 제1 비교부와; 상기 속도지령과 상기 제1 비교부로부터 출력되는 상기 제1 편차 간의 제2 편차를 출력하는 제2 비교부 와; 상기 제2 비교부로부터 출력되는 제2 편차와 상기 제1 엔코더부에 의해 감지된 출력 간의 제3 편차를 출력하는 제3 비교부와; 상기 제3 비교부로부터 출력되는 제3 편차에 기초하여 상기 모터의 구동에 필요한 구동전압을 출력하는 구동전압 출력부를 포함할 수 있다.The driving controller may include: a first comparator configured to output a first deviation between an output sensed by the first encoder and the second encoder; A second comparing unit outputting a second deviation between the speed command and the first deviation output from the first comparing unit; A third comparator for outputting a third deviation between the second deviation output from the second comparator and the output sensed by the first encoder; The driving voltage output unit may output a driving voltage for driving the motor based on the third deviation output from the third comparing unit.

그리고, 상기 구동전압 출력부는, 상기 구동전압을 생성하는 구동전압 생성부와; 상기 제3 편차를 입력받으며 상호 상이한 PID 이득값을 갖는 복수의 PID 제어부와, 상기 제3 편차에 기초하여 상기 제3 편차가 상기 복수의 PID 제어부 중 어느 하나로 선택적으로 입력되게 하는 스위칭부를 갖는 스위칭 PID 제어기를 포함할 수 있다.The driving voltage output unit may include a driving voltage generation unit generating the driving voltage; A plurality of PID controllers that receive the third deviation and have mutually different PID gain values, and a switching PID having the third deviation selectively inputted to any one of the plurality of PID controllers based on the third deviation; It may include a controller.

또한, 상기 구동전압 출력부는, 상기 구동전압을 생성하는 구동전압 생성부와; 상기 제3 편차를 입력받으며 상호 상이한 PID 이득값을 갖는 복수의 PID 제어부와, 상기 제3 편차의 크기에 기초하여 상기 복수의 PID 제어부 중 어느 하나로부터의 출력이 상기 구동전압 생성부로 출력되게 하는 스위칭부를 갖는 스위칭 PID 제어기를 포함할 수도 있다.The driving voltage output unit may include a driving voltage generation unit generating the driving voltage; A plurality of PID controllers receiving the third deviation and having mutually different PID gain values, and switching to output an output from any one of the plurality of PID controllers to the driving voltage generator based on the magnitude of the third deviation; It may also include a switching PID controller having a portion.

그리고, 상기 각 PID 제어부의 상기 각 PID 이득값 중 적어도 어느 하나는 유전자 알고리즘을 통해 산출될 수 있다.In addition, at least one of the PID gain values of each PID control unit may be calculated through a genetic algorithm.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 로봇의 제어장치가 구현된 로봇의 일 예를 도시한 도면이다. 이러한, 휴머노이드 로봇은 각 관절에 제어 모듈이 내장된 모듈화 개념의 로봇의 일종으로, 각 피치(Pitch) 관절에 베벨 기어를 사용하여 모터(40a,40b,40c) 를 수직으로 부착함으로써, 인간과 비슷한 형상을 가질 수 있다.1 is a diagram illustrating an example of a robot in which a control apparatus for a robot according to the present invention is implemented. The humanoid robot is a kind of modularized robot in which a control module is embedded in each joint. The humanoid robot is similar to a human being by vertically attaching the motors 40a, 40b, and 40c using bevel gears to each pitch joint. It may have a shape.

로봇은, 도 2에 도시된 바와 같이, 모터(40a,40b,40c)와, 모터(40a,40b,40c)에 의해 회전하는 피구동부(50a,50b,50c)를 갖는다. 모터(40a,40b,40c)는 DC모터(40a,40b,40c)가 사용될 수 있으며, 로봇에서 큰 토크가 걸리는 발목의 요(Yaw), 무릎의 피치, 힙의 요와, 그 외의 발목의 피치, 힙의 비치 및 롤(Roll)에 각각 다른 종류의 DC 모터(40a,40b,40c)가 사용될 수 있다.As shown in Fig. 2, the robot has motors 40a, 40b and 40c and driven parts 50a, 50b and 50c which are rotated by the motors 40a, 40b and 40c. The motors 40a, 40b, and 40c may be DC motors 40a, 40b, and 40c, and the ankle yaw, knee pitch, hip yaw, and other ankle pitches are applied to the robot by a large torque. Different types of DC motors 40a, 40b, and 40c may be used for the hips and the rolls and rolls, respectively.

본 발명에 따른 로봇 및 그 제어장치를 포함하는 전체 로봇 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 전술한 모터(40a,40b,40c), 피구동부(50a,50b,50c), 모의 실험기(10), 주제어기(20) 및 복수의 지역제어기(30a,30b,30c)를 포함할 수 있다.The entire robot system including the robot and its control apparatus according to the present invention, as shown in Figure 2, the above-described motor (40a, 40b, 40c), the driven parts (50a, 50b, 50c), the simulator (10) ), The main controller 20 and a plurality of local controllers (30a, 30b, 30c).

모의 실험기(10)는 로봇이 보행하는데 필요한 데이터를 추출한다. 사용자에 의해 주어진 경유점의 정보를 바탕으로 5차 스플라인 함수를 이용하여 궤적을 생성하고 역기구학을 통하여 그 궤적에 대한 각 관절값을 계산한다. 또한, 순기구학과 순동역학을 이용하여 로봇의 움직임을 3D 그래픽으로 확인할 수 있으며 ZMP(Zero Moment Point)와, 토크를 계산함으로써 움직이는 동안에 로봇의 안정 여부와 각 관절에서 발생하는 토크를 확인할 수 있다.The simulator 10 extracts data necessary for the robot to walk. Based on the information of the waypoints given by the user, a trajectory is generated using a fifth-order spline function and each joint value of the trajectory is calculated through inverse kinematics. In addition, the movement of the robot can be confirmed in 3D graphics using pure kinematics and pure dynamics. By calculating ZMP (Zero Moment Point) and torque, it is possible to check the stability of the robot while moving and the torque generated at each joint.

그리고, 상기 데이터를 802.11b 규격 등의 무선 네트워크를 이용하여 주제어기(20)에 전달한다. 이러한 모의 실험기(10)는 PC를 통해 구현될 수 있으며, 도 1에 도시된 로봇으로부터 물리적으로 분리되어 배치될 수 있다.Then, the data is transmitted to the master controller 20 using a wireless network such as 802.11b standard. Such a simulator 10 may be implemented through a PC, it may be arranged physically separated from the robot shown in FIG.

주제어기(20)는 모의 실험기(10)로부터 제공되는 각 관절 변수의 정보를 지역제어기(30a,30b,30c)에 전달한다. 그리고, 지역제어기(30a,30b,30c)로부터 현재 위치에 대한 관절 변수의 정보를 제공받는다. 여기서, 주제어기(20)와 지역제어기(30a,30b,30c)는 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 상호 데이터 통신을 수행할 수 있다.The master controller 20 transmits the information of each joint variable provided from the simulator 10 to the local controllers 30a, 30b, and 30c. Then, the controller receives the joint variable information on the current position from the local controllers 30a, 30b, and 30c. Here, the main controller 20 and the local controllers 30a, 30b, and 30c may perform data communication with each other through controller area network (CAN) communication.

각 지역제어기(30a,30b,30c)는 모터(40a,40b,40c)의 정밀 제어, 주제어기(20)와의 통신, 센서 인식 등을 수행한다. 이하에서는, 도 3을 참조하여 각 지역제어기(30a,30b,30c)의 구성에 대해 상세히 설명한다.Each local controller 30a, 30b, 30c performs precise control of the motors 40a, 40b, 40c, communication with the main controller 20, and sensor recognition. Hereinafter, the configuration of each local controller 30a, 30b, 30c will be described in detail with reference to FIG.

본 발명에 따른 지역제어기(30a,30b,30c)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 엔코더부(34)와, 제2 엔코더부(35) 및 구동제어부를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 3, the local controllers 30a, 30b, and 30c according to the present invention may include a first encoder unit 34, a second encoder unit 35, and a driving control unit.

구동제어부는 모터(40a,40b,40c)의 구동을 제어한다. 여기서, 구동제어부는 모터(40a,40b,40c)를 회전시키기 위한 구동전압을 출력함으로써, 모터(40a,40b,40c)의 회전속도를 제어한다. 이 때, 본 발명에 따른 구동제어부는 주제어기(20)로부터의 속도지령(Vcom)에 기초하여 제1 엔코더부(34) 및 제2 엔코더부(35)의 감지 결과를 피드백받아, 피드백된 감지결과 및 속도지령(Vcom)에 대응하는 구동전압을 모터(40a,40b,40c)로 출력함으로써 모터(40a,40b,40c)의 회전속도를 제어한다.The drive control unit controls the driving of the motors 40a, 40b, and 40c. Here, the drive control unit controls the rotation speed of the motors 40a, 40b, 40c by outputting a drive voltage for rotating the motors 40a, 40b, 40c. At this time, the driving controller according to the present invention is fed back to the detection result of the first encoder 34 and the second encoder 35 based on the speed command (Vcom) from the main controller 20, the feedback feedback The rotation speeds of the motors 40a, 40b, and 40c are controlled by outputting the driving voltages corresponding to the results and the speed command Vcom to the motors 40a, 40b and 40c.

제1 엔코더부(34)는 모터(40a,40b,40c)의 출력을 감지한다. 즉, 제1 엔코더부(34)는 모터(40a,40b,40c)의 실제 회전 위치를 감지한다.The first encoder 34 senses the output of the motors 40a, 40b, and 40c. That is, the first encoder 34 detects the actual rotation position of the motors 40a, 40b, and 40c.

제2 엔코더부(35)는 피구동부(50a,50b,50c)의 출력측에 설치되어 실제 피구동부(50a,50b,50c)의 출력을 감지한다. 이에 따라, 피구동부(50a,50b,50c)에서 발생하는 백래쉬의 영향이 감지될 수 있다. 예컨대, 모터(40a,40b,40c)의 구동에 따 른 피구동부(50a,50b,50c)의 회전시, 피구동부(50a,50b,50c)에 마련된 감속기 또는 베벨 기어에서 발생하는 모터(40a,40b,40c)의 출력과의 편차, 즉 백래쉬가 감지된다.The second encoder unit 35 is installed on the output side of the driven units 50a, 50b, 50c to sense the output of the actual driven units 50a, 50b, 50c. Accordingly, the influence of the backlash generated in the driven parts 50a, 50b, and 50c may be sensed. For example, when the driven parts 50a, 50b, 50c rotate in response to the driving of the motors 40a, 40b, 40c, the motors 40a, which are generated in the reducer or bevel gear provided in the driven parts 50a, 50b, 50c, Deviation from the output of 40b, 40c, i.e. backlash, is detected.

한편, 구동제어부는, 도 3에 도시된 바와 같이, 구동전압 출력부(33), 제1 비교기(36), 제2 비교기(31), 제3 비교기(39)를 포함할 수 있다. 또한, 스케일링부(37), 필터부(38) 및 P 제어기(32)를 포함할 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 3, the driving controller may include a driving voltage output unit 33, a first comparator 36, a second comparator 31, and a third comparator 39. It may also include a scaling unit 37, a filter unit 38, and a P controller 32.

제2 엔코더부(35)로부터의 출력은 스케일링부(37)에 입력되어 스케일링될 수 있다. 이에 따라, 피구동부(50a,50b,50c)의 입력과 출력 사이의 레졸류션(Resolution)과 감속비에 의해 제1 엔코더부(34)의 감지 결과와 제2 출력축의 감지 결과에 대한 데이터 간의 스케일의 차이를 제2 엔코더부(35)로부터의 출력을 스케일링부(37)에 의해 스케일링함으로써 양자 간의 스케일을 일치시키게 된다.The output from the second encoder unit 35 may be input to the scaling unit 37 and scaled. Accordingly, the scale between the data of the detection result of the first encoder 34 and the detection result of the second output shaft by the resolution and the reduction ratio between the input and the output of the driven parts 50a, 50b, 50c. By scaling the difference from the second encoder section 35 by the scaling section 37, the scale between them is matched.

한편, 제1 엔코더부(34)로부터의 감지결과와, 스케일링부(37)에서 스케일링되어 출력되는 제2 엔코더부(35)로부터의 감지결과는 제1 비교기(36)에 의해 비교되어 제1 편차로 출력되어 피드백된다. 이에 따라, 제1 엔코더부(34)의 감지결과, 즉, 피구동부(50a,50b,50c)의 입력과, 제2 엔코더부(35)의 감지결과, 즉, 피구동부(50a,50b,50c)의 출력이 제1 비교기(36)에 의해 비교되어 제1 편차로 피드백됨으로써, 피구동부(50a,50b,50c)에서 발생한 백래쉬에 대한 정보가 모터(40a,40b,40c)의 구동 제어에 반영되어, 백래쉬의 제어가 가능하게 된다.Meanwhile, the detection result from the first encoder unit 34 and the detection result from the second encoder unit 35 scaled and output by the scaling unit 37 are compared by the first comparator 36 to compare the first deviation. Is outputted and fed back. Accordingly, the detection result of the first encoder unit 34, that is, the input of the driven units 50a, 50b, 50c, and the detection result of the second encoder unit 35, that is, the driven units 50a, 50b, 50c. ) Is compared by the first comparator 36 and fed back with the first deviation, so that information on the backlash generated in the driven parts 50a, 50b, and 50c is reflected in the drive control of the motors 40a, 40b, and 40c. Thus, the backlash can be controlled.

여기서, 제1 비교기(36)로부터 출력된 제1 편차는 필터부(38)에 입력되어 필터링된 후, 구동제어부로 피드백될 수 있다. 여기서, 필터부(38)는 피구동부 (50a,50b,50c)에서 발생하는 백래쉬의 비선형성에 의해 발생하는 리밋 사이클(Limit cycle)을 제거하고, 원하는 타겟 포인트에 도달하기 위해 적용되는 리밋 사이클 제거용 필터로, 로우 패스 필터(Low pass filter)가 사용될 수 있다.Here, the first deviation output from the first comparator 36 may be input to the filter unit 38 and filtered, and then fed back to the driving controller. Here, the filter part 38 removes a limit cycle caused by nonlinearity of the backlash generated in the driven parts 50a, 50b, and 50c, and removes a limit cycle applied to reach a desired target point. As a filter, a low pass filter can be used.

제2 비교기(31)는 주제어기(20)로부터의 속도지령(Vcom)과, 필터부(38)에 의해 필터링되어 출력되는 제1 비교기(36)로부터의 제1 편차를 비교하여 제2 편차로 출력한다. 여기서, 제2 비교기(31)로부터 출력되는 제2 편차는 P 제어기(32)로 입력되어 증폭되어 제3 비교기(39)로 출력된다. 이에 따라, 필터부(38)로부터의 출력에 생기는 오차에 대한 에러(error)를 증폭하게 된다.The second comparator 31 compares the speed command Vcom from the main controller 20 with the first deviation from the first comparator 36 filtered out by the filter unit 38 and outputs the second deviation. Output Here, the second deviation output from the second comparator 31 is input to the P controller 32, amplified, and output to the third comparator 39. As a result, an error of an error occurring in the output from the filter unit 38 is amplified.

P 제어기(32)에 의해 에러가 증폭된 제2 편차와, 제1 엔코더로부터의 피드백된 출력은 제3 비교기(39)에 의해 비교되어 제3 편차로 출력되어 구동전압 생성부(33b)로 입력된다. 이에 따라, 피구동부(50a,50b,50c)의 입력과 출력을 제1 엔코더부(34) 및 제2 엔코더부(35)를 통해 감지하여 이중 피드백 제어를 수행함으로써, 제1 엔코더부(34)에 의한 제어를 기본으로 하여, 백래쉬와 피구동부(50a,50b,50c)의 부하의 영향으로 생기는 오차를 외란으로 간주하여 제1 엔코더부(34)와 제2 엔코더부(35)의 감지 결과 간의 차를 이용하여 관측하고, 이를 피드백 시킴으로서, 부하에서 발생하는 백래쉬의 영향을 최소화하게 된다.The second deviation amplified by the P controller 32 and the output fed back from the first encoder are compared by the third comparator 39 and outputted as the third deviation to be input to the driving voltage generator 33b. do. Accordingly, the first encoder unit 34 is detected by performing dual feedback control by sensing the inputs and outputs of the driven units 50a, 50b, and 50c through the first encoder unit 34 and the second encoder unit 35. On the basis of the control by, the error caused by the influence of the backlash and the load of the driven parts 50a, 50b, and 50c is regarded as disturbance, and the difference between the detection result of the first encoder part 34 and the second encoder part 35 By observing with a feedback and feeding it back, the effect of backlash on the load is minimized.

한편, 구동전압 생성부(33b)는 제3 비교기(39)로부터의 제3 편차에 기초하여, 모터(40a,40b,40c)를 구동시키기 위한 구동전압을 생성한다. 여기서, 본 발명에 따른 구동전압 생성부(33b)는 스위칭 PID 제어기(33a)와, 구동전압 생성부(33b)를 포함할 수 있다.On the other hand, the driving voltage generator 33b generates driving voltages for driving the motors 40a, 40b, 40c based on the third deviation from the third comparator 39. Here, the driving voltage generator 33b according to the present invention may include a switching PID controller 33a and a driving voltage generator 33b.

스위칭 PID 제어기(33a)는 P 제어기(32)에 의해 증폭되어 출력되는 제3 편차를 입력받으며 상호 상이한 PID 이득값을 갖는 복수의 PID 제어부(33a-1,33a-2,33a-3,33a-4)와, 제3 편차의 크기에 기초하여 제3 비교부로부터 출력되는 제3 편차가 복수의 PID 제어부(33a-1,33a-2,33a-3,33a-4) 중 어느 하나에 선택적으로 입력되게 하는 스위칭부(33a-5)를 포함할 수 있다.The switching PID controller 33a receives a third deviation amplified and output by the P controller 32 and has a plurality of PID controllers 33a-1, 33a-2, 33a-3, 33a- having different PID gain values. 4) and the third deviation outputted from the third comparison unit based on the magnitude of the third deviation is selectively applied to any one of the plurality of PID control units 33a-1, 33a-2, 33a-3, 33a-4. It may include a switching unit (33a-5) to be input.

본 발명의 일 실시예에서는 스위칭부(33a-5)가 제3 편차가 복수의 PID 제어부(33a-1,33a-2,33a-3,33a-4) 중 어느 하나에 선택적으로 입력되도록 스위칭되는 것을 일 예로 하고 있으나, 도 4에 도시된 바와 같이, 제3 편차가 복수의 PID 제어부(33a-1,33a-2,33a-3,33a-4)에 입력되고 스위칭부(33a-5)가 복수의 PID 제어부(33a-1,33a-2,33a-3,33a-4)의 출력 중 어느 하나가 선택적으로 구동전압 생성부에 입력되도록 스위칭될 수 있음은 물론이다.In one embodiment of the present invention, the switching unit 33a-5 is switched such that the third deviation is selectively input to any one of the plurality of PID control units 33a-1, 33a-2, 33a-3, 33a-4. As an example, as shown in FIG. 4, the third deviation is input to the plurality of PID controllers 33a-1, 33a-2, 33a-3, 33a-4, and the switching unit 33a-5 is applied. Of course, any one of the outputs of the plurality of PID controllers 33a-1, 33a-2, 33a-3, 33a-4 may be selectively switched to be input to the driving voltage generation unit.

여기서, 각 복수의 PID 제어부(33a-1,33a-2,33a-3,33a-4)에 적용되는 PID 이득값은 모의 실험기(10)에 의한 유전자 알고리즘을 통해 산출된다. 모의 실험으로 유전자 알고리즘을 적용시켜 그 결과를 판단하여 최적의 제어를 하기 위해 먼저 시스템에 대한 모델링을 정한다. 이 경우, 수학적 모델링을 이용한 모의 실험과 실제 실험 간에는, 모델링 오차, 비선형성의 영향, 측정오차, 실험환경의 변화에 의해 차이가 발생할 수 있는 바, 실제 시스템에 적용할 수 있는 신뢰성을 확보하고, 시스템 모델링 오차를 최대한으로 줄이기 위하여 유전 알고리즘을 적용, 모델링을 추정한다.Here, the PID gains applied to each of the plurality of PID control units 33a-1, 33a-2, 33a-3, 33a-4 are calculated through a genetic algorithm by the simulator 10. In the simulation, the genetic algorithm is applied to determine the result, and the modeling of the system is decided first for optimal control. In this case, the difference between the simulation and the actual experiment using the mathematical modeling may be caused by the modeling error, the influence of nonlinearity, the measurement error, and the change of the experimental environment. Modeling is estimated by applying genetic algorithm to minimize modeling error.

유전 알고리즘은 진화 현상에 기초한 계산 모델로써 병렬적이고 전역적인 탐 색 알고리즘이며 주어진 다양한 환경 속에서 적응하여 적합한 것만이 살아 남는다는 적자생존의 이론을 기본으로 한 알고리즘이다. 유전 알고리즘은 가능한 해(solution)들을 정해진 형태의 자료 구조로 표현한 다음 이들을 재생산, 교배, 돌연변이를 거치면서 점차적으로 더 좋은 해들을 만들어낸다.Genetic algorithms are computational models based on evolutionary phenomena, which are parallel and global search algorithms, and are based on the theory of survival of the fittest that only the right ones survive in a given variety of environments. Genetic algorithms represent possible solutions in a form of data structure, and then progressively produce better solutions by reproducing, mating, and mutating them.

여기서, [수학식 1]은 수학적 DC모터(40a,40b,40c)의 전달함수를 나타낸 것이다.Here, [Equation 1] shows the transfer function of the mathematical DC motor (40a, 40b, 40c).

Figure 112005016720016-pat00001
Figure 112005016720016-pat00001

여기서, Ξ(s)는 출력 각도[rad]이고, V(s)는 입력 전압[V]이고, Jm은 회전자 관성이고, fm은 점성 마찰 계수이고, La는 아마추어 인덕턴스이고, Ra는 아마추어 저항이고 Ka는 토크 상수이고, Kb는 역기전력 상수이다.Where Ξ (s) is the output angle [rad], V (s) is the input voltage [V], Jm is the rotor inertia, fm is the viscous friction coefficient, La is the amateur inductance, and Ra is the amateur resistance And Ka is the torque constant and Kb is the counter electromotive force constant.

유전 알고리즘을 이용하여 모터(40a,40b,40c)의 모델링을 구하기 위하여 [수학식 2]와 같이 모터(40a,40b,40c) 전달함수의 각 계수들을 유전 알고리즘의 변수로 설정하고 실제 시스템에서 나온 출력축 위치 데이터를 기준으로 하여 모터(40a,40b,40c)의 전달함수를 찾고자 한다.In order to obtain the modeling of the motors 40a, 40b, and 40c using the genetic algorithm, the coefficients of the transfer functions of the motors 40a, 40b, and 40c are set as variables of the genetic algorithm, as shown in Equation 2, The transfer function of the motors 40a, 40b, and 40c is to be found based on the output shaft position data.

Figure 112005016720016-pat00002
Figure 112005016720016-pat00002

이때에 a, b, c는 찾고자 하는 전달함수의 변수를 의미한다.In this case, a, b, and c mean variables of the transfer function to be found.

유전 알고리즘을 이용하여 모터(40a,40b,40c) 모델링을 찾을 때 사용한 매개 변수들의 값들의 일 예로 개체수를 500, 세대수를 500, 변수 길이를 90, 교배율을 0.95, 돌연변이율을 0.03, 변수의 개수를 3으로 한다. 이때 적합도 함수로는 실제 데이터와 모델링 결과와의 차의 제곱에 대한 전체 합의 역수를 선택하고 적합함수가 최대가 될 때 모터(40a,40b,40c) 모델링은 실제 시스템에 가장 가까운 모델이 된다.An example of the values of the parameters used to find the motor (40a, 40b, 40c) modeling using genetic algorithms is 500 populations, 500 generations, 90 variable lengths, 0.95 breeding rate, 0.03 mutation rate, and the number of variables. Let be 3. In this case, as the fitness function, the inverse of the sum of the sum of squares of the difference between the actual data and the modeling result is selected. When the fitness function is maximized, the modeling of the motors 40a, 40b, and 40c becomes the closest model to the real system.

[수학식 3]은 [수학식 1]의 변수에 일정 값을 입력하여 찾은 수학적 모델링을 나타내고, [수학식 4]는 유전 알고리즘을 이용하여 찾은 전달함수를 나타낸다.[Equation 3] represents the mathematical modeling found by inputting a constant value to the variable of [Equation 1], and [Equation 4] represents the transfer function found using the genetic algorithm.

Figure 112005016720016-pat00003
Figure 112005016720016-pat00003

Figure 112005016720016-pat00004
Figure 112005016720016-pat00004

여기서, 도 4는 각 모터(40a,40b,40c)의 스텝입력에 대한 유전알고리즘을 이용한 모델링에 대한 출력과 실제 모터(40a,40b,40c)의 출력 그리고 수학적 모델링에 대한 출력을 나타낸다. 4 shows outputs for modeling using genetic algorithms for step inputs of the motors 40a, 40b, and 40c, outputs of actual motors 40a, 40b, and 40c, and outputs for mathematical modeling.

모터(40a,40b,40c)를 수학적 모델링을 했을 때와 유전 알고리즘을 이용하여 모델링을 했을 때 오차를 비교하면 수학적 모델링 보다 유전 알고리즘을 이용하여 모델링 한 것이 실제 시스템과 더 유사하다는 것을 알 수 있다.When the motors 40a, 40b, and 40c are mathematically modeled and the error is modeled using the genetic algorithm, it can be seen that the modeling using the genetic algorithm is more similar to the real system than the mathematical modeling.

유전알고리즘을 이용하여 최적의 PID 이득값을 구하더라도 포화비선형성의 영향으로 리밋사이클이 발생하게 된다. 이를 제거하기 위하여 PID의 이득값을 제3 편차의 범위에 따라 변화시킴으로써 PID제어기의 강건성을 최대한 활용할 수 있게 된다. 여기서, 변화되는 PID 이득값은 스위칭 PID 제어기(33a)의 각 PID 제어부(33a-1,33a-2,33a-3,33a-4)의 PID 이득값으로 설정된다.Even if the optimal PID gain is obtained using the genetic algorithm, the limit cycle occurs due to the saturation nonlinearity. In order to eliminate this, it is possible to maximize the robustness of the PID controller by changing the gain of the PID according to the range of the third deviation. Here, the changed PID gain value is set to the PID gain values of the respective PID controllers 33a-1, 33a-2, 33a-3, 33a-4 of the switching PID controller 33a.

본 발명에 따른 제어장치에 있어서, 스위칭 PID 제어기(33a)는 4개의 PID 제어부(33a-1,33a-2,33a-3,33a-4)를 갖는 것을 일 예로 하고, 제3 편차의 범위에 따라 [수학식 5]과 같이 각 PID 제어부(33a-1,33a-2,33a-3,33a-4)에 PID 이득값이 설정된다.In the control apparatus according to the present invention, the switching PID controller 33a has four PID controllers 33a-1, 33a-2, 33a-3, 33a-4 as an example, and the range of the third deviation. Accordingly, PID gain values are set in the PID control units 33a-1, 33a-2, 33a-3, 33a-4 as shown in [Equation 5].

여기서, 제3 편차의 절대값이 200펄스와 300펄스 사이이면 제1 PID 제어부(33a-1)에 의해 제어되고, 제3 편차의 절대값이 100펄스와 200펄스와 사이이면 제2 PID 제어부(33a-2)에 의해 제어되고, 제3 편차의 절대값이 100펄스 이하이면 제3 PID 제어부(33a-3)에 의해 제어되고, 제3 편차의 절대값이 300펄스 이상이면 제4 PID 제어부(33a-4)에 의해서 각각 제어된다.Here, if the absolute value of the third deviation is between 200 pulses and 300 pulses, it is controlled by the first PID controller 33a-1, and if the absolute value of the third deviation is between 100 pulses and 200 pulses, the second PID controller ( 33a-2), when the absolute value of the third deviation is 100 pulses or less, controlled by the third PID controller 33a-3, and when the absolute value of the third deviation is 300 pulses or more, the fourth PID controller ( 33a-4) respectively.

아래의 [표 1]은 본 발명의 일 예에 따라 유전자 알고리즘을 통해 제3 편차에 따른 각 PID 이득값을 산출한 것을 나타낸 것이다.Table 1 below shows the calculation of each PID gain value according to the third deviation through the genetic algorithm according to an example of the present invention.

KpKp KiKi KdKd |error|< 300Error | <300 6060 00 0.20.2 |error|< 200Error | <200 4040 00 2.02.0 |error|< 100Error | <100 2525 00 0.050.05 otherwise   otherwise 2358.322358.32 10.6510.65 45.6645.66

상기와 같은, 본 발명에 따른 로봇의 제어장치에 의한 효과를 검토하면 다음과 같다. 이는 본 발명에 따른 로봇의 제어장치에 대한 모의 실험 결과에 기초한다.Considering the effects of the control device of the robot according to the present invention as described above are as follows. This is based on the simulation results for the control device of the robot according to the present invention.

먼저, 도 5는 유전 알고리즘을 이용한 PID 이득값의 산출 및 스위칭 PID 제어를 사용한 모의 실험 결과를 나타낸 도면이고, 도 6은 유전 알고리즘을 이용한 PID 이득값의 산출 및 스위칭 PID 제어를 사용한 실제 실험 결과를 나타낸 도면이다.First, FIG. 5 is a diagram illustrating a simulation result using the PID algorithm and switching PID control using a genetic algorithm, and FIG. 6 is a diagram illustrating a simulation result using the PID algorithm and switching PID control using a genetic algorithm. The figure shown.

여기서, 유전 알고리즘을 이용하여 찾은 PID 이득값을 이용한 모의 실험에서는 0.25°, 50Hz의 리밋사이클이 발생하고, 실제 실험에서는 0.03°, 167Hz의 리밋사이클이 발생한다. 유전 알고리즘을 이용한 PID 이득값을 기준으로 하고 [표 1]에서 나타난 바와 같이 제3 편차의 범위에 따른 PID 이득값을 정하여 모의 실험을 통하여 포화비선형성에 의해 발생하는 리밋사이클이 제거됨을 확인하고 실제 실험에 적용했을 때에도 리밋사이클이 제거됨을 확인할 수 있다.Here, in the simulation using the PID gain value found using the genetic algorithm, a limit cycle of 0.25 ° and 50Hz occurs, and in actual experiments, a limit cycle of 0.03 ° and 167Hz occurs. Based on the PID gain value using the genetic algorithm, and as shown in [Table 1], the PID gain value according to the range of the third deviation is determined and the simulation confirms that the limit cycle caused by the saturation nonlinearity is eliminated. You can see that the limit cycle is removed even when applied to.

한편, 도 7 내지 9는 본 발명에 따른 로봇의 오른쪽 발목부분 모듈을 이용하여 이중 피드백 제어의 성능을 측정한 것이다. 도 7은 제1 엔코더부(34)의 감지 결과만으로 제어할 경우를 나타낸 도면이고, 도 8은 제2 엔코더부(35)의 감지 결과만으로 제어할 경우를 나타낸 도면이고, 도 9는 제1 엔코더부(34) 및 제2 엔코더부(35)의 감지 결과를 모두 사용한 경우, 즉, 이중 피드백 제어를 수행할 경우를 나타낸 도면이다.On the other hand, Figures 7 to 9 measure the performance of the double feedback control using the right ankle module of the robot according to the present invention. FIG. 7 is a diagram illustrating a case of controlling only the detection result of the first encoder 34, FIG. 8 is a diagram illustrating a case of controlling only the detection result of the second encoder 35, and FIG. 9 is a diagram of the first encoder. FIG. 3 illustrates a case in which both the detection result of the unit 34 and the second encoder unit 35 are used, that is, a case of performing dual feedback control.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 제1 엔코더부(34)의 감지 결과만으로 제어할 경우에는 로봇이 궤적을 제대로 추종하지 못하는 것을 알 수 있고, 제2 엔코더부(35)의 감지 결과만으로 제어할 경우에는 리밋 사이클이 발생함을 알 수 있다. 반면, 본 발명에 따른 이중 피드백 제어를 수행할 경우, 로봇이 궤적을 잘 추종해 감을 확인할 수 있다.As shown in these figures, when controlling only the detection result of the first encoder 34 can be seen that the robot does not properly follow the trajectory, when controlling only the detection result of the second encoder 35 It can be seen that there is a limit cycle. On the other hand, when performing the double feedback control according to the present invention, it can be seen that the robot follows the trajectory well.

비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그리고, 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.Although some embodiments of the invention have been shown and described, it will be apparent to those skilled in the art that modifications may be made to the embodiment without departing from the spirit or spirit of the invention. . The scope of the invention will be defined by the appended claims and equivalents thereof.

상기의 구성에 따라, 본 발명에 따르면, 로봇의 안정적 보행을 위해 구동시 문제가 되는 포화비선형성과 기구적으로 가지는 비선형성인 백래쉬를 스위칭 PID 제어기와 이중 피드백 제어를 이용하여 제어함으로써, 로봇의 보행 성능이 향상되고, 리밋사이클이 제거되며, 보행 궤적의 추종이 향상된 로봇 제어장치가 제공된다. According to the above configuration, according to the present invention, the robot walking performance by controlling the saturation nonlinearity and mechanical nonlinearity backlash, which are a problem during driving, for stable walking of the robot by using the switching PID controller and the dual feedback control. The robot control apparatus is improved, the limit cycle is eliminated, and the tracking of the walking trajectory is improved.

Claims (5)

적어도 하나의 모터와, 상기 모터에 의해 구동하며 백래쉬가 발생하는 피구동부를 갖는 로봇의 제어장치에 있어서,In the control device of the robot having at least one motor and a driven portion driven by the motor and the backlash occurs, 상기 모터의 회전을 위한 속도지령을 생성하는 주제어기와;A main controller for generating a speed command for rotation of the motor; 상기 피구동부에 입력되는 상기 모터의 출력을 감지하는 제1 엔코더부와, 상기 모터의 출력을 입력받아 구동하는 상기 피구동부의 출력을 감지하는 제2 엔코더부와, 상기 속도지령에 기초하여 상기 제1 엔코더부 및 상기 제2 엔코더부의 감지 결과를 피드백받아 상기 모터의 구동을 제어하는 구동제어부를 갖는 지역제어기를 포함하며,A first encoder unit configured to sense an output of the motor input to the driven unit, a second encoder unit configured to sense an output of the driven unit that receives and drives the output of the motor, and the first based on the speed command; It includes a local controller having a drive control unit for controlling the driving of the motor in response to the feedback results of the detection of the first encoder unit and the second encoder, 상기 구동제어부는 The drive control unit 상기 제1 엔코더부와 상기 제2 엔코더부에 의해 각각 감지된 출력 간의 제1 편차를 출력하는 제1 비교부와;A first comparator for outputting a first deviation between the outputs respectively sensed by the first encoder and the second encoder; 상기 속도지령과 상기 제1 비교부로부터 출력되는 상기 제1 편차 간의 제2 편차를 출력하는 제2 비교부와;A second comparing unit which outputs a second deviation between the speed command and the first deviation output from the first comparing unit; 상기 제2 비교부로부터 출력되는 제2 편차와 상기 제1 엔코더부에 의해 감지된 출력 간의 제3 편차를 출력하는 제3 비교부와;A third comparator for outputting a third deviation between the second deviation output from the second comparator and the output sensed by the first encoder; 상기 제3 비교부로부터 출력되는 제3 편차에 기초하여 상기 모터의 구동에 필요한 구동전압을 출력하는 구동전압 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 제어장치.And a driving voltage output unit for outputting a driving voltage necessary for driving the motor based on the third deviation output from the third comparing unit. 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 구동전압 출력부는,The driving voltage output unit, 상기 구동전압을 생성하는 구동전압 생성부와;A driving voltage generation unit generating the driving voltage; 상기 제3 편차를 입력받으며 상호 상이한 PID 이득값을 갖는 복수의 PID 제어부와, 상기 제3 편차에 기초하여 상기 제3 편차가 상기 복수의 PID 제어부 중 어느 하나로 선택적으로 입력되게 하는 스위칭부를 갖는 스위칭 PID 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 제어장치.A plurality of PID controllers that receive the third deviation and have mutually different PID gain values, and a switching PID having the third deviation selectively inputted to any one of the plurality of PID controllers based on the third deviation; Control device for a robot comprising a controller. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 구동전압 출력부는,The driving voltage output unit, 상기 구동전압을 생성하는 구동전압 생성부와;A driving voltage generation unit generating the driving voltage; 상기 제3 편차를 입력받으며 상호 상이한 PID 이득값을 갖는 복수의 PID 제어부와, 상기 제3 편차의 크기에 기초하여 상기 복수의 PID 제어부 중 어느 하나로부터의 출력이 상기 구동전압 생성부로 출력되게 하는 스위칭부를 갖는 스위칭 PID 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 제어장치.A plurality of PID controllers receiving the third deviation and having mutually different PID gain values, and switching to output an output from any one of the plurality of PID controllers to the driving voltage generator based on the magnitude of the third deviation; Control device for a robot comprising a switching PID controller having a portion. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 각 PID 제어부의 상기 각 PID 이득값 중 적어도 어느 하나는 유전자 알고리즘을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 로봇의 제어장치.At least one of the respective PID gain values of each PID control unit is calculated by a genetic algorithm.
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