KR100834508B1 - Torque distribution method of redundant actuated system - Google Patents

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KR100834508B1
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drive
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이재원
이상문
심호석
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영남대학교 산학협력단
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Abstract

A method of distributing torque concentrated on a drive shaft to other shafts is provided to use a smaller motor having reduced maximum torque in a given working conditions by distributing the concentrated torque with other shafts based on weighted value as a minimum drive torque obtained from a calculation of a weighted pseudoinverse matrix. A method of uniform torque distribution for a drive shaft includes an input device(10), a robot(20) having an encoder(22) for a drive motor, a subtracter(30), a Jacobian function calculator(40), a PID(Proportional-Integral-Derivate) controller(50), and a weighted pseudoinverse matrix calculator(60).

Description

여유 구동 시스템의 힘분배 방법{Torque Distribution method of Redundant Actuated System}Torque Distribution method of Redundant Actuated System

도 1은 가중의사역행렬을 이용한 힘 분배 제어 알고리즘을 나타내는 블록도1 is a block diagram illustrating a force distribution control algorithm using a weighted pseudomatrix.

도 2는 Recurdyn에서 모델링된 시스템의 모습2 shows a system modeled in Recurdyn

도 3은 최소구동력 제어 알고리즘의 Simulink상의 블록선도3 is a block diagram on Simulink of the minimum driving force control algorithm

도 4 내지 도 8은 여유구동 3RRR 병렬로봇의 End effector가 원운동의 궤적을 그릴 경우에 대한 가중치 변화를 통해 나타나는 각 구동모터들의 토크 변화를 나타내는 그래프4 to 8 are graphs showing the torque change of each drive motor through the weight change for the end effector of the 3RRR parallel robot drawing the trajectory of the circular motion.

도 9는 3RRR병렬 로봇의 시스템 구동 벡터를 나타내는 도면9 shows a system drive vector of a 3RRR parallel robot.

도 10은 가중치가 없을 경우의 구동토크의 변화 그래프10 is a graph of change in driving torque when there is no weight

도 11은 End effector와 각각의 구동축과의 거리를 가중치로 두었을 경우의 구동토크의 변화 그래프11 is a graph of change in drive torque when the distance between the end effector and each drive shaft is weighted.

도 12는 관성행렬을 가중치로 두었을 경우의 구동토크의 변화 그래프12 is a graph of change in driving torque when the inertia matrix is weighted

도 13은 Minimum Norm Torque를 가중치로 두었을 경우의 구동토크의 변화 그래프13 is a graph showing the change in driving torque when the Minimum Norm Torque is weighted

도 14는 관성행렬을 가중치(일점쇄선)로 주었을 경우와 Minimum Norm Torque를 가중치(실선)로 주었을 경우의 구동토크 변화량의 비교 그래프Fig. 14 is a graph comparing the amount of change in driving torque when the inertia matrix is given a weight (single dashed line) and the Minimum Norm Torque is the weight (solid line).

도 15는 의사역행렬을 이용한 힘 분배 시뮬레이션의 구동토크의 변화량 그래프15 is a graph of variation in driving torque in force distribution simulation using a pseudo inverse matrix

도 16은 Minimum Norm Torque를 가중치로 적용한 가중의사역행렬의 구동토크 변화량 그래프16 is a graph showing the change in driving torque of the weighted pseudo-matrix matrix with Minimum Norm Torque as the weight.

도 17은 의사역행렬을 이용한 힘 분배 시뮬레이션의 구동토크의 변화량 그래프Fig. 17 is a graph of variation of drive torque in force distribution simulation using pseudo inverse matrix

도 18은 Minimun Norm을 가중치로 적용한 가중의사역행렬의 구동토크 변화량 그래프18 is a graph of driving torque variation of weighted pseudo-matrix with Minimun Norm as the weight

도 19는 의사역행렬을 이용한 힘 분배 시뮬레이션의 구동토크의 변화량 그래프19 is a graph of the amount of change in driving torque in force distribution simulation using a pseudo inverse matrix

도 20은 Minimum Norm Torque를 가중치로 적용한 가중의사역행렬의 구동토크 변화량 그래프20 is a graph showing the drive torque variation of the weighted pseudo-matrix matrix with Minimum Norm Torque as the weight.

도 21은 3RRR 병렬 로봇의 전체적인 구성을 나타내는 도면Fig. 21 shows the overall configuration of a 3RRR parallel robot.

도 22는 의사역행렬을 이용한 힘 분배 실험의 구동토크의 변화량 그래프22 is a graph of variation in driving torque in force distribution experiment using pseudo inverse matrix

도 23은 Minimum Norm Torque을 가중치로 적용한 가중의사역행렬의 구동토크 변화량 그래프23 is a graph of driving torque variation of weighted pseudo-matrix matrix with Minimum Norm Torque as the weight

도 24는 의사역행렬을 이용한 힘 분배 실험의 구동토크의 변화량 그래프Fig. 24 is a graph of variation in driving torque in force distribution experiment using pseudo inverse matrix

도 25는 Minimum Norm Torque을 가중치로 적용한 가중의사역행렬의 구동토크 변화량 그래프25 is a graph of the drive torque variation of the weighted pseudo-matrix matrix with Minimum Norm Torque as the weight.

본 발명은 여유 구동 시스템의 힘분배 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가중의사역행렬을 이용하여 힘분배를 수행하고, 가중치로서 최소 구동력을 사용함으로써, 구동축들 간의 효율적인 토크 분배가 가능하도록 하는 여유 구동 시스템의 힘분배 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a force distribution method of a slack drive system, and more particularly, a slack drive that enables efficient torque distribution between drive shafts by performing a force distribution using a weighted dead matrix and using a minimum drive force as a weight. It relates to the force distribution method of the system.

구동 입력 수가 시스템의 자유도보다 큰 경우를 여유 구동 시스템(Redundant Actuated System)이라고하며, 이러한 여유 구동은 구동입력의 수가 시스템 자유도보다 많기 때문에 로봇이 어떠한 작업을 할 때 각 구동모터들의 구동 토크가 하나로 결정되지 않고, 여러 가지의 방법이 존재하게 된다.When the number of drive inputs is greater than the degree of freedom of the system, it is called Redundant Actuated System. Since the number of drive inputs is greater than the degree of system freedom, the drive torque of each drive motor is determined as one when the robot is doing any work. Instead, various methods exist.

따라서 여유 구동에서는 로봇의 사용목적과 환경에 따라서 그에 적합한 최적 해를 구해야 하고, 힘 분배를 조절할 수가 있는 것이 여유 구동 시스템과 비 여유 구동 시스템의 차이점이다.Therefore, in the free drive, the optimum solution must be obtained according to the purpose and environment of the robot. The difference between the free drive system and the non-free drive system is that the force distribution can be adjusted.

이러한 여유 구동 시스템은 비 여유 구동시스템에서 보다 나은 여러 가지 특성을 가지고 있다. 일반적으로 직렬형 로봇 시스템보다 병렬 로봇 시스템에서 여유 구동 시스템이 사용되는데, 보다 많은 구동장치를 사용함으로써 엔드 이펙터(End effectoror)에서 큰 힘과 속도, 가속도를 낼 수 있는 장점을 가지고 있다.This redundant drive system has several characteristics that are better than those of a non-redundant drive system. In general, a redundant driving system is used in a parallel robot system rather than a serial robot system, and by using more driving devices, it has the advantage of generating great force, speed, and acceleration in an end effector.

그리고, 병렬 로봇 시스템에서의 가장 큰 단점인 작은 작업영역과 관련이 있는 특이성에 대해서 여유 구동을 사용하면 이 특이성을 없앨 수도 있다. 또한 비 여유 구동과 구별되는 장점으로 능동강성을 들 수 있는데, 로봇이 외란의 영향을 받게 될 때 강성제어를 통하여 충격량을 최소화할 수 있다. 여유 구동 시스템은 비 여유 구동시스템보다 하나의 구동축이 더 있는 구조이기에 고장이 났을 때에도 같은 작업을 수행할 수 있는 장점이 있다.In addition, the use of a marginal drive for the specificity associated with the small work area, which is the biggest disadvantage of the parallel robot system, can eliminate this specificity. In addition, active stiffness is distinguished from non-slack driving. When the robot is affected by disturbance, the amount of impact can be minimized through stiffness control. Since the redundant drive system has one drive shaft more than the non-redundant drive system, the same operation can be performed even when a failure occurs.

상기한 바와 같은 여유 구동에 관한 기존 연구들을 살펴보면, 비 여유 구동 매니퓰레이터와 여유 구동 매니퓰레이터의 경우에 대하여 엔드 이펙터(End effector)에서의 최대하중용량, 최대속도, 최대가속도를 비교하여 여유구동에 의하여 작업성능이 향상됨을 보인 것(이상헌, 이병주, 곽윤근, ‘여유구동 인체형 로봇 모듈의 성능해석 및 구동장치 최적설계’, 대한기계학회 논문집, Vol.19, No.1,pp.181-192, 1995)과, 여유 구동을 통한 매니퓰레이터의 작업 성능 향상에 대한 연구(Sungbok Kim, 'Operational quality analysis of parallel manipulators with actuation redundancy', IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp2651-2656 , 1997), 자코비안의 특이 값들에 기준한 로봇관절의 고장 정도를 판단할 수 있는 지수들을 제시하고, 로봇의 고장에 견디는 성능을 향상시키기 위하여 관절에 이중 액추에이터를 제시하여, 고장에 견디는 여유구동 로봇의 성능에 대한 해석 연구(이병주,김희국,김동구, ‘고장에 견디는 여유구동/자유도 로봇의 성능에 대한 해석’, 대한기계학회 논문집 pp.2927-2938, 1995)가 있었다.Looking at the existing studies on the spare drive as described above, in the case of the non-free drive manipulator and the free drive manipulator compared to the maximum load capacity, the maximum speed, the maximum acceleration in the end effector work by the free drive Performance Improvement (Sang-Heon Lee, Byung-Joo Lee, Kyun Yun-Keun, 'Performance Analysis and Optimal Design of Driving Human Body Robot Module', Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers, Vol.19, No.1, pp.181-192, 1995 (Sungbok Kim, 'Operational quality analysis of parallel manipulators with actuation redundancy', IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp2651-2656, 1997), Jacobian's singular values Indexes to determine the degree of failure of robot joints based on the A study on the performance of a free-running robot that withstands faults by presenting a heavy-duty actuator (Lee Byung-ju, Kim Hee-guk, Kim Dong-gu, 'Analysis of the performance of free-running / freedom robots that can withstand failure', pp.2927-) 2938, 1995).

그리고, 가중의사 역행렬을 이용한 여유구동 시스템의 힘 분배 기법에 관한 연구(박동일,김수현,곽윤근, ‘ 가중의사역행렬을 이용한 여유 구동의 힘분배기법에 관한 연구’, 대한기계학회, 2002)(DONG IL PARK,'Torque distribution using a weighted pseudoinverse in a redundantly actuated mechanism', Advanced Robotics,Vol.17, pp807-820, 2003)와, 가중치를 관성행렬로 두어 2자유도 병렬 로봇에 적용시켜 결과값을 도출하거나, 여유 구동 매니퓰레이터의 기구학적으로 분해된 모델링을 기초로 한 동력학적 제어기에 관한 연구가 있었다.And, a study on the force distribution technique of slack drive system using weighted pseudo inverse matrix (Park, Dong-il, Kim Soo-hyun, Kwak Yun-geun, 'A study on the force distribution method of slack driving using weighted pseudo-matrix', Korean Society of Mechanical Engineers, 2002) (DONG IL PARK, 'Torque distribution using a weighted pseudoinverse in a redundantly actuated mechanism', Advanced Robotics, Vol. 17, pp807-820, 2003), and applying weights to inertia matrices to derive results by applying them to two-degree-of-freedom parallel robots. On the other hand, there has been a study on the dynamic controller based on the kinematically decomposed modeling of the redundant drive manipulator.

그리고, 상기한 바와 같이 여유 구동 시스템은 구동입력의 수가 시스템 자유도보다 많기 때문에, 로봇이 어떠한 작업을 할 시에 각 구동입력들에 적용되는 토크들은 하나로 결정되지 않고, 여러 가지로 존재하게 된다. 이는 자코비안이 정방행렬이 아니기에 나타나는 현상이다. 일반적으로 구동 입력의 수와 시스템의 자유도가 같은 경우에는 자코비안이 정방행렬로 나타나기에 각 구동입력들에 해당하는 힘들이 하나로 결정이 되지만, 여유 구동 시스템의 경우에는 구동입력의 수가 시스템의 자유도 보다 많아 자코비안이 정방행렬로 나타나지 않는다. 이에 자코비안 행렬을 역행렬을 시키기 위해 의사역행렬을 이용하는데 여기서 구동입력들에 해당하는 힘들이 여러 가지로 존재하게 된다. And, as described above, since the number of driving inputs in the redundant driving system is greater than the system degree of freedom, the torques applied to the driving inputs when the robot does any work are not determined as one, but exist in various ways. This is because Jacobian is not a square matrix. In general, when the number of drive inputs and the degree of freedom of the system are the same, the Jacobian appears as a square matrix, so the forces corresponding to each drive input are determined to be one. More often, Jacobian does not appear square. In order to invert the Jacobian matrix, a pseudo inverse is used, and there are various forces corresponding to the driving inputs.

그러므로 같은 작업을 수행하기 위해서도 여러 가지 다른 구동입력을 사용할 수가 있으므로, 로봇의 사용목적과 환경에 따라서 그에 적합한 구동입력을 결정해 주어야 한다.Therefore, different driving inputs can be used to perform the same work. Therefore, the driving input suitable for the purpose and environment of the robot should be determined.

이와 같이 구동입력을 결정하기 위한 힘 분배 기법에는 여러 가지가 존재하는데 가장 일반적인 방법이 최소구동력(Minimum norm Torque)을 이용한 방법이다(S.Kock,W.Schumacher, 'A Parallel x-y Manipulator with Actuation Redundancy for High-Speed and Active-stiffness Applications', IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1998)(DONG IL PARK,'Torque distribution using a weighted pseudoinverse in a redundantly actuated mechanism', Advanced Robotics,Vol.17, pp807-820, 2003).As such, there are many force distribution techniques for determining the driving input. The most common method is the method using the minimum norm torque (S.Kock, W. Schumacher, 'A Parallel xy Manipulator with Actuation Redundancy for High-Speed and Active-stiffness Applications', IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1998) (DONG IL PARK, 'Torque distribution using a weighted pseudoinverse in a redundantly actuated mechanism', Advanced Robotics, Vol. 17, pp807-820, 2003).

이 최소 구동력을 이용한 방법의 단점은 모터에 걸리는 최소한의 토크만을 사용한다는 이론이므로 한 축에는 토크가 많이 걸리고, 다른 한 축에는 토크가 적게 걸린다는 단점이 있다.The disadvantage of the method using the minimum driving force is that the theory uses only the minimum torque applied to the motor, so that one shaft takes a lot of torque and the other shaft takes a lot of torque.

그러나, 병렬 로봇에서 각 구동입력들에 작용하는 힘이 한쪽으로 치우치지 않고 균형을 이루도록 할 필요가 있으며, 어느 한쪽에만 많은 힘이 작용하거나 또 어느 한쪽은 거의 힘이 작용하지 않는 경우도 여유 구동을 효율적으로 사용하는 것이라고 볼 수가 없다.However, in parallel robots, the forces acting on the respective driving inputs need to be balanced, not biased to one side, and even when a large amount of force is applied to one side or almost no force on one side, It's not an efficient use.

상기한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 가중의사역행렬을 이용하여 힘분배를 수행하고, 가중치로서 최소 구동력을 사용함으로써, 구동축들 간의 효율적인 토크 분배로 최대 구동토크가 걸리는 구동축의 토크를 줄일 수 있도록 하여 모터의 최대 토크를 감소시켜줌으로, 같은 작업 환경에서 좀 더 작은 모터를 사용할 수 있어 경제적 이득을 얻을 수 있도록 하는 데 목적이 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to perform a force distribution by using a weighted ministry matrix, and by using the minimum driving force as the weight, it is possible to reduce the torque of the drive shaft that takes the maximum drive torque by efficient torque distribution between the drive shafts The purpose is to reduce the maximum torque of the motor, so that smaller motors can be used in the same working environment, thereby achieving economic benefits.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 Features of the present invention for achieving the above object

일반 제어알고리즘을 적용한 제어기에서 출력된 구동토크를 가중의사역행렬 제어 알고리즘을 적용한 제어기에서 재 연산하여 구동축에 걸리는 구동토크를 재분 배함으로써 어느 한축에 집중적으로 걸리는 최대토크를 각 축으로 균일하게 분배시켜 모터의 최대 토크를 낮추어 주는 것이다.By re-distributing the drive torque output from the controller to which the general control algorithm is applied in the controller to which the weighted ministry matrix control algorithm is applied, redistributing the drive torque to the drive shaft to distribute the maximum torque intensively on one axis to each axis. Will lower the maximum torque.

본 발명에 따른 여유 구동 시스템의 힘분배 방법은 구동 모터 각각의 토크를 좀 더 자유롭게 원하는 크기로 제어하기 위해서 가중치 행렬을 도입하여 힘 분배 제어 알고리즘을 이용한다.The force distribution method of the redundant drive system according to the present invention utilizes a force distribution control algorithm by introducing a weight matrix to more freely control the torque of each drive motor to a desired size.

기구학적으로 nonsingular configurations에서 가중의사 역행렬((JT)W+)은 다음의 수학식 1로 주어진다.Kinematically, in nonsingular configurations, the weighted pseudoinverse matrix ((J T ) W + ) is given by Equation 1 below.

Figure 112007042214688-pat00001
Figure 112007042214688-pat00001

상기에서 J는 로봇의 끝점의 속도와 각 구동축의 구동모터 속도와의 관계식인 자코비안을 나타내고, JT는 로봇의 자세와 운동에 따라서 결정되는 자코비안 행렬을 나타내고, W는 가중치행렬을 나타내며, 이때의 일반 해는 수학식 2와 같이 나타내어진다.In the above, J represents Jacobian which is a relation between the speed of the end point of the robot and the drive motor speed of each drive shaft, J T represents the Jacobian matrix determined according to the attitude and motion of the robot, W represents the weight matrix, The general solution at this time is represented by Equation 2.

Figure 112007042214688-pat00002
Figure 112007042214688-pat00002

여기서 가중치행렬 W는

Figure 112007042214688-pat00003
와 같으며, τAW는 가중치를 거쳐 새로운 구동토크를 나타내고, FC는 엔드 이펙터에서의 힘과 토크를 나타낸다.Where the weight matrix W is
Figure 112007042214688-pat00003
Τ AW represents the new drive torque by weight, and F C represents the force and torque at the end effector.

수학식 2에 수학식 3을 대입하여 정리하면 수학식 4와 같다.Equation (3) by substituting equation (3) into equation (2) is the same as equation (4).

Figure 112007042214688-pat00004
Figure 112007042214688-pat00004

Figure 112007042214688-pat00005
Figure 112007042214688-pat00005

위 식에서

Figure 112007042214688-pat00006
는 의사역행렬을 이용한 힘 분배에서 나온 구동토크 τA이다. 따라서, 수학식 4를 다시 표현을 하면 수학식 5와 같다.From the stomach
Figure 112007042214688-pat00006
Is the driving torque τ A derived from the force distribution using the pseudo inverse matrix. Therefore, Equation 4 is expressed as Equation 5 again.

Figure 112007042214688-pat00007
Figure 112007042214688-pat00007

결과적으로 의사역행렬의 힘 분배 제어에서 나온 구동토크 τA는 가중치를 거쳐 새로운 구동토크τAW로 힘 분배가 이루어진다.As a result, the drive torque τ A derived from the force distribution control of the pseudo inverse matrix is weighted and the force is distributed to the new drive torque τ AW .

가중의사역행렬을 이용한 힘 분배 제어 알고리즘은 도 1과 같다.The force distribution control algorithm using the weighted inverse matrix is shown in FIG.

도 1에서 키보드를 포함하는 입력수단(10)을 통하여 로봇(20)이 움직이고자 하는 끝점의 위치(out1,out2)를 입력하고, 입력 레퍼런스(Reference, out1,out2 혹은 xR)값과 로봇(20)을 구성하는 구동모터의 엔코더(22)에서 나오는 출력 회전변위값(qfeedback)을 여유구동 3RRR 병렬 로봇(20)의 정기구학 식에 넣어서 나온 로봇의 끝점의 출력 위치값(xfeedback)과 감산기(30)를 통해서 감산하고, 감산된 값과 상기 출력 회전변위값(qfeedback)을 자코비안함수 연산부(40)에 입력하여 연산하여, PID제어기(50)에서 각 구동축의 구동토크를 연산하여 출력하고, 출력된 구동토크(τA)를 가중의사역행렬 연산부(60)에서 연산하여 구동토크의 재 분배값(τAW)을 구하여 이 출력을 로봇에 전달하여 로봇을 구동한다.In FIG. 1, a position (out1, out2) of an end point to be moved by the robot 20 is input through the input means 10 including the keyboard, and an input reference (Reference, out1, out2 or x R ) value and the robot ( The output position value (x feedback ) of the end point of the robot obtained by inserting the output rotational displacement value (q feedback ) from the encoder 22 of the drive motor constituting the motor into the static kinematic equation of the free-running 3RRR parallel robot 20 and Subtracted through the subtractor 30, the subtracted value and the output rotational displacement value (q feedback ) are inputted to the Jacobian function calculating unit 40, and the PID controller 50 calculates the drive torque of each drive shaft. The output drive torque τ A is calculated by the weighted stationary matrix calculation unit 60 to obtain a redistribution value τ AW of the drive torque, and the output is transmitted to the robot to drive the robot.

상기한 PID제어기(50)에서 P제어기는 피드백 제어신호가 시스템의 오차(error=xreference-xfeedback)에 선형적으로 비례하도록 제어하는 것이고, I제어기는 제어입력에서 오차신호가 0이라도 정상상태에서 제어출력이 0이 아닌 어떤 일정한 값이 되어 목표 위치에 도달하지 못하였을 때 I제어기를 사용하여 목표 위치에 도달하도록 사용하는 것이며, D제어기는 시스템 응답특성을 빠르게 하는 제어기(빠른 시간내에 목표 위치값에 수렴하기 위해 사용하는 제어기)이다.In the PID controller 50, the P controller controls the feedback control signal to be linearly proportional to the error of the system (error = x reference -x feedback ), and the I controller controls the normal state even if the error signal is zero at the control input. In the case that the control output does not reach the target position because it is not 0, the controller uses the I controller to reach the target position. Controller used to converge to a value).

가중치의 변화에 대한 구동입력에 대한 출력토크 변화량을 하기에서 살펴본다.The change in output torque of the driving input for the change in weight will be described below.

가중치의 변화에 대한 구동입력의 토크 변화량을 확인하기 위하여 다물체 동 역학해석 프로그램인 RecurDyn(이하 RecurDyn으로 함)을 이용하여 시스템을 모델링하고 시뮬레이션을 실시하였다. RecurDyn 동역학 해석 프로그램은 Matlab의 Simulink를 지원하기 때문에 제어 알고리즘을 Simulink로 프로그래밍하여 RecurDyn과 연동시켰다.In order to check the torque variation of the drive input against the change in weight, the system was modeled and simulated using RecurDyn (hereinafter referred to as RecurDyn), which is a multibody dynamics analysis program. Since the RecurDyn dynamics analysis program supports Simulink from Matlab, the control algorithm is programmed with Simulink and linked with RecurDyn.

도 2는 RecurDyn에서 모델링된 시스템의 모습이다. 3RRR타입 병렬로봇으로 구성되어 있으며, 끝단에는 구동기가 부착되어 있다.2 is a view of a system modeled in RecurDyn. It is composed of 3RRR type parallel robot and the driver is attached at the end.

각 링크의 길이는 700mm 이고 끝단의 구동기와 구동기 사이의 거리는 1400mm로 설정을 하였다. 각 조인트에 걸리는 조인트 마찰력은 0으로 설정하였다. 중력 방향은 구동기의 회전축 반대방향(-Z축)으로 설정하였다.The length of each link is 700mm and the distance between the end driver and the driver is set to 1400mm. The joint frictional force applied to each joint was set to zero. The direction of gravity was set in the direction opposite the axis of rotation of the actuator (-Z axis).

구동축의 입력 방식은 각도와 각속도, 각가속도 및 토크입력이 가능하나, 본 발명에서는 구동축의 입력이 토크이므로, 구동축의 입력방식을 토크 입력으로 설정하였다.The input method of the drive shaft is possible to input angle, angular velocity, angular acceleration and torque, but in the present invention, since the input of the drive shaft is torque, the input method of the drive shaft is set to torque input.

도 3은 최소구동력 제어 알고리즘의 Simulink상의 블록선도로서, 제어기는 PD 제어기를 사용하였다.Figure 3 is a block diagram on Simulink of the minimum driving force control algorithm, the controller used a PD controller.

가중치의 영향력을 분석하기 위해서 Matlab의 Simulink 상에서 여유 구동 3RRR 병렬로봇의 세 개의 구동입력에 대한 세 개의 가중치 변수들을 바꾸어 가면서 그때의 토크의 변화를 관찰해 보았다.In order to analyze the influence of the weights, the torque change was observed by changing three weight variables for the three drive inputs of the redundant 3RRR parallel robot on Simulink in Matlab.

도 4 내지 도 8의 그래프들은 여유구동 3RRR 병렬로봇의 End effector가 원운동의 궤적을 그릴 경우에 대한 가중치 변화를 통해 나타나는 각 구동모터들의 토크 변화를 나타내고 있다.The graphs of FIGS. 4 to 8 show torque changes of the respective driving motors through weight changes for the end effector of the 3RRR parallel robot drawing the trajectory of the circular motion.

도 4는 가중치를 주지 않았을 경우의 각 구동모터들의 토크 변화 그래프이고, 도 5는 구동축A1에 가중치를 주었을 경우의 구동모터들의 토크 변화 그래프이며, 도 6은 구동축A2에 가중치를 주었을 경우의 구동모터들의 토크 변화 그래프이고, 도 7은 구동축A3에 가중치를 주었을 경우의 각 구동모터들의 토크 변화 그래프이며, 도 8은 구동축A1,A2,A3 모두에 가중치를 주었을 경우의 각 구동모터들의 토크 변화 그래프이다.4 is a graph of torque change of each of the drive motors when no weight is applied, and FIG. 5 is a graph of torque change of the drive motors when the weight is given to the drive shaft A1, and FIG. 6 is a drive motor when the weight is given to the drive shaft A2. 7 is a torque change graph of FIG. 7 and FIG. 7 is a torque change graph of each drive motor when a weight is given to the drive shaft A3, and FIG. 8 is a torque change graph of each drive motor when a weight is applied to all of the drive shafts A1, A2 and A3. .

상기한 도 4 내지 도 8의 그래프들을 분석해 보면, 대체적으로 가중치가 증가함에 따라서 그에 해당하는 구동 토크 값은 감소하고, 그 외의 토크 값들은 증가하는 경향을 볼 수가 있었다.In analyzing the graphs of FIGS. 4 to 8, as the weight increases, the corresponding drive torque value decreases, and other torque values tend to increase.

도 5에서 보는 것과 같이 가중치가 증가함에 따라서 구동축A1의 토크 값의 크기는 점점 감소하고, 결국 토크 값은 0에 수렴함을 볼 수가 있었다. 도 6, 도 7의 그래프에서도 각각의 가중치가 증가함에 따라서 그에 해당하는 구동 토크 값의 크기는 점점 감소하고, 결국 토크 값은 0에 수렴함을 볼 수 있었다. 각 구동축의 가중치를 동시에 증가시켰을 경우 도 8의 그래프 결과와 같이 가중치를 주지 않았을 경우와 같은 토크 값을 가짐을 볼 수가 있었다.As shown in FIG. 5, as the weight increases, the magnitude of the torque value of the drive shaft A1 gradually decreases, and eventually the torque value converges to zero. In the graphs of FIGS. 6 and 7, as the respective weights increase, the magnitude of the corresponding drive torque value gradually decreases, and eventually the torque value converges to zero. When the weight of each drive shaft is increased at the same time, as shown in the graph result of FIG.

가중치가 증가함에 따라서, 그 가중치에 해당하는 토크 값은 점차적으로 감소하는 경향을 보이고, 결국 0의 값에 수렴하게 된다. 그리고 가중치에 해당하지 않는 토크 값들은 대체적으로 증가하는 경향을 보이지만, 반드시 증가하는 것만은 아니다.As the weight increases, the torque value corresponding to the weight tends to gradually decrease, eventually converging to a value of zero. Torque values that do not correspond to weights tend to increase, but not necessarily increase.

도 8에서 보는 결과와 같이 각각의 가중치들은 같이 증가시켰을 경우에는 가 중치를 주지 않은 도 4보다 미미한 증가나 감소하는 토크변화량의 그래프를 보였다. 즉 가중치가 토크 값에 미치는 결과에 대해서 알았지만, 각각의 가중치들은 독립적으로 결정할 수 있는 값이 아니고, 세 개의 가중치가 동시에 관계 지어져야 한다는 결론을 얻을 수가 있었다. 어떠한 가중치를 선정하였을 경우 좀 더 효과적으로 최대 구동 토크 값을 작게 할 수 있는지 하기에서 가중치 선정하는 방법에 대해서 설명한다.As shown in FIG. 8, when the weights are increased together, a graph of a slight increase or decrease in torque change is shown in FIG. 4 without weighting. In other words, we knew about the result of weight on torque value, but we could conclude that each weight is not independently determined and that three weights should be related at the same time. The weighting method will be described below in which weight can be selected to effectively reduce the maximum driving torque.

상기한 가중치 분석에서와 같이 구동토크에 가중치를 선정할 경우 임의적으로 가중치를 선정할 수 없다는 것을 알 수가 있었다. 즉 세 개의 가중치가 동시에 서로 관계 지어져야 한다는 것이다. 여기에서 세 개의 구동축과 관계 지어지는 변수는 여러 가지가 존재할 수가 있다.As in the weight analysis described above, it was found that the weight cannot be arbitrarily selected when the weight is selected for the driving torque. That is, three weights should be related to each other at the same time. Here, there can be several variables related to the three drive shafts.

첫 번째로 가장 쉽게 생각할 수 있는 것이 End effector에서 각 구동축까지의 거리를 가중치로 줄 수가 있다. End effector가 움직임에 따라 구동축의 길이는 늘어나거나 줄어든다. 각각이 줄어들거나 늘어나는 것이 아니라, End effector가 움직임에 따라 한쪽의 길이가 늘어나고, 다른 쪽의 길이가 줄어드는 관계 지어지는 변수이다. End effector에서 각 구동축까지의 거리는 쉽게 구할 수가 있다. End effector에서의 좌표값을 각각 Xc 와 Yc라고 한다면 각각의 가중치는 수학식 6과 같다.The first and easiest thing to think about is the weight of the distance from the end effector to each drive shaft. As the end effector moves, the length of the drive shaft increases or decreases. Rather than shrinking or stretching each one, it is a related variable in which the length of one side increases and the length of the other decreases as the end effector moves. The distance from the end effector to each drive shaft can be easily obtained. If the coordinate values in the end effector are Xc and Yc, respectively, the weights of the equations are as shown in Equation 6.

Figure 112007042214688-pat00008
Figure 112007042214688-pat00008

상기에서 XA1, XA2, XA3, YA1, YA2, YA3는 각 구동축 A1, A2, A3의 좌표 값이다.In the above description, X A1 , X A2 , X A3 , Y A1 , Y A2 , and Y A3 are coordinate values of the respective driving shafts A1, A2, and A3.

두 번째 가중치 적용 변수로써 각 다리에 해당하는 관성행렬(Inertia Matrix)을 들 수가 있다. 도 9에서 각 링크의 질량을 m1, m2 라 두면, 여유 구동 3RRR 병렬 로봇의 구동축A1에 해당하는 다리의 관성행렬은 다음 수학식 7과 같다.The second weighted variable is the Inertia Matrix corresponding to each leg. In FIG. 9, when the mass of each link is m1 and m2, the inertia matrix of the leg corresponding to the drive shaft A1 of the redundant 3RRR parallel robot is expressed by Equation 7 below.

Figure 112007042214688-pat00009
Figure 112007042214688-pat00009

위의 관성행렬에서 관성행렬의 크기인 1-norm을 가중치로 선정하였다.In the above inertia matrix, 1-norm, the size of the inertia matrix, was selected as the weight.

따라서 관성행렬을 가중치로 적용하였을 경우 각 가중치는 다음 수학식 8과 같다.Therefore, when the inertia matrix is applied as the weight, each weight is expressed by the following Equation 8.

Figure 112007042214688-pat00010
Figure 112007042214688-pat00010

세 번째로 의사역행렬를 이용한 힘 분배 기법에서에서 구한 구동축의 구동모터들을 각각 τmA1, τmA2, τmA3 이라 두면, Minimum Norm Troque를 가중치로 적용하였을 경우의 가중치는 다음 수학식 9와 같다.The third doctor yeokhaengryeolreul leave as using power distribution scheme mA1 τ, τ mA2, τ mA3 respectively, the drive motor of the drive shaft in a determined, the weight in case of applying the Minimum Norm Troque by weight is shown in the following equation (9).

Figure 112007042214688-pat00011
Figure 112007042214688-pat00011

여유구동 3RRR 병렬로봇의 시뮬레이션에서 각각의 가중치를 적용한 구동토크의 변화는 다음과 같다.In the simulation of the 3RRR parallel robot, the driving torque change to which each weight is applied is as follows.

도 10은 가중치가 없을 경우의 구동토크의 변화 그래프이고, 도 11은 End effector와 각각의 구동축과의 거리를 가중치로 두었을 경우의 구동토크의 변화 그래프이며, 도 12는 관성행렬을 가중치로 두었을 경우의 구동토크의 변화 그래프이고, 도 13은 Minimum Norm Torque를 가중치로 두었을 경우의 구동토크의 변화 그래프이며, 도 14는 관성행렬을 가중치(일점쇄선)로 주었을 경우와 Minimum Norm Torque를 가중치(실선)로 주었을 경우의 구동토크 변화량의 비교 그래프이다.FIG. 10 is a graph showing a change in driving torque when no weight is applied, FIG. 11 is a graph showing a change in driving torque when the distance between an end effector and each drive shaft is weighted, and FIG. 12 is a weighted inertia matrix. Fig. 13 is a graph showing the change in driving torque when Fig. 13 is a graph of the change in driving torque when the Minimum Norm Torque is the weight, and Fig. 14 is the weight of the Minimum Norm Torque when the inertia matrix is a weight (single dashed line). It is a comparative graph of the drive torque change amount when given by (solid line).

각각의 가중치를 비교해 보면 거리를 가중치로 주었을 경우의 구동토크 변화량을 보면 기존의 가중치 적용을 하지 않은 경우의 구동토크보다 최대구동토크는 약간의 변화가 있으나 그 외의 구동축의 구동토크가 커지는 경향을 보였다. Minimum Norm Troque를 가중치로 주었을 경우의 구동토크 변화량 그래프를 보면 세 가지의 가중치 중에서 구동축에 걸리는 최대 구동토크가 가장 작다는 것을 볼 수가 있다. 위 도 10 내지 도 13의 토크 변화량 그래프를 정리하면 다음 표 1과 같다.When comparing the weights, the driving torque change when the distance was given as a weight showed that the maximum driving torque was slightly changed than the driving torque without applying the weight, but the driving torque of other driving shafts tended to be larger. . In the graph of the drive torque variation when Minimum Norm Troque is given as the weight, it can be seen that the maximum drive torque applied to the drive shaft is the smallest among the three weights. The torque change graph of FIGS. 10 to 13 is summarized in Table 1 below.

Maximum (Nm)Maximum (Nm) Minimum (Nm)Minimum (Nm) 가중치 없는 경우If no weight 23.123.1 -12.5-12.5 거리 가중치 경우Distance weighting case 22.522.5 -20.5-20.5 관성행렬 가중치 경우Inertia matrix weighting case 21.2721.27 -14.12-14.12 최소구동력 가중치 경우Minimum driving force weight 17.8017.80 -19.20-19.20

도 14의 구동토크 변화량 비교 그래프를 보면 실선으로 나타내는 바와 같이 Minimum Norm Torque를 가중치로 주었을 경우 최대 토크가 걸리는 부분에서 더 작은 최대 토크가 걸리는 것을 볼 수가 있다. 최대 토크가 걸리는 구동축 이외의 구동축에 걸리는 구동토크를 비교해 보면 Minimum Norm Torque를 가중치로 주었을 경우 토크 변화량이 더 큼을 볼 수가 있다.Referring to the comparison graph of the drive torque change in FIG. 14, when the minimum norm torque is given as a weight as shown by the solid line, it can be seen that the smaller maximum torque is applied at the portion where the maximum torque is applied. Comparing the drive torque applied to the drive shaft other than the drive shaft that takes the maximum torque, the torque change is greater when the minimum norm torque is given as the weight.

위의 비교 그래프를 보면 Minimum Norm Torque를 가중치로 주었을 경우 좀 더 효과적으로 최대 구동토크를 낮추어 주어 토크 분배가 이루어짐을 볼 수가 있다.Looking at the comparison graph above, it can be seen that the torque distribution is achieved by lowering the maximum driving torque more effectively when Minimum Norm Torque is weighted.

한편, 여유 구동에 있어서는 여러 가지 힘 분배 알고리즘을 사용할 수가 있다. 로봇의 작업환경과 작업 목적에 따라서 각 구동축에 걸리는 구동토크를 조절할 수가 있다.On the other hand, various force distribution algorithms can be used for the marginal driving. The driving torque applied to each drive shaft can be adjusted according to the working environment and purpose of the robot.

일반적인 여유 구동 시스템에서는 각 구동축에 걸리는 구동토크를 최소화하기 위해서 구동축의 구동토크벡터의 놈을 최소화시키는 방법을 이용한다. 토크 벡터의 놈을 최소화시키는 방법은 일부 구동축에는 큰 구동토크가 걸리게 되고, 다른 구동축에는 상대적으로 작은 구동토크가 걸리게 되는 경우가 발생한다. 따라서 큰 구동토크가 걸리는 구동축의 구동토크를 작은 구동 구동토크가 걸리는 구동모터 쪽으로 재분배시켜 구동모터에 걸리는 최대 구동토크를 감소시키는 이득을 얻을 수가 있을 것이다. 이는 같은 작업을 수행하는 데 있어서 더 작은 용량의 모터를 사용할 수가 있고, 이로써 여유 구동을 사용했을 때의 경제적 효율성과 시스템의 소형화에 기여할 수 있으며, 이를 확인하기 위하여 구동축에 걸리는 최대구동토크를 감소시키기 위해 Minimum Norm Torque을 가중치로 둔 가중의사역행렬을 이용한 힘 분배 시뮬레이션을 실행하며, 이를 입증하기 위하여 일반적으로 의사역행렬을 이용한 힘 분배 시뮬레이션과 Minimum Norm Torque를 가중치로 준 가중의사역행렬을 이용한 힘 분배 시뮬레이션을 실험한다.In the general redundant drive system, a method of minimizing the norm of the drive torque vector of the drive shaft is used to minimize the drive torque applied to each drive shaft. In the method of minimizing the norm of the torque vector, a large drive torque is applied to some drive shafts, and a relatively small drive torque is applied to other drive shafts. Therefore, it is possible to obtain a gain of reducing the maximum drive torque applied to the drive motor by redistributing the drive torque of the drive shaft that takes the large drive torque to the drive motor that takes the small drive drive torque. This allows the use of smaller capacity motors to perform the same task, thereby contributing to the economical efficiency and miniaturization of the system when redundant drive is used, to reduce the maximum drive torque on the drive shaft to verify this. For this purpose, we perform a force distribution simulation using a weighted pseudomatrix with a weighted minimum norm torque, and in order to prove this, a force distribution simulation using a pseudo inverse matrix and a weighted distribution matrix with a weighted minimum norm torque is performed. Experiment

시뮬레이션은 3가지 경우에 걸쳐 실행한다.The simulation runs over three cases.

첫 번째 경우는 (0,0)을 중심으로 반지름이 70mm인 원이 궤적일 경우이다. End effector에서의 힘을 (-14.4, -14.4)로 주었을 경우이다.The first case is the trajectory of a circle with a radius of 70 mm around (0,0). This is the case when the force at the end effector is given as (-14.4, -14.4).

도 15 및 도 16은 의사역행렬을 이용한 힘 분배 시뮬레이션의 구동토크의 변화량 그래프와 Minimum Norm Torque를 가중치로 적용한 가중의사역행렬의 구동토크 변화량 그래프이다.15 and 16 are graphs showing the change amount of the drive torque of the force distribution simulation using the pseudo inverse matrix and the change amount of the drive torque of the weighted dead matrix with the minimum norm torque applied.

두 번째 경우는 (120,0)을 중심으로 반지름이 70mm인 원을 궤적일 경우이다. End effector에서의 힘을 (20,0)로 주었을 경우이다.The second case is the trajectory of a circle with a radius of 70 mm around (120,0). This is the case when the force at the end effector is given as (20,0).

도 17과 도 18은 의사역행렬을 이용한 힘 분배 시뮬레이션의 구동토크의 변화량 그래프와 Minimun Norm을 가중치로 적용한 가중의사역행렬의 구동토크 변화량 그래프이다.17 and 18 are graphs showing the change amount of the drive torque of the force distribution simulation using the pseudo inverse matrix and the change amount of the drive torque of the weighted ministry matrix with Minimun Norm as the weight.

세 번째 경우는 (120,0)을 중심으로 반지름이 70mm인 원의 궤적일 경우이다. End effector에서의 힘을 (0, -20)로 주었을 경우이다.The third case is the trajectory of a circle with a radius of 70 mm around (120,0). This is the case when the force at the end effector is given as (0, -20).

도 19와 도 20은 의사역행렬을 이용한 힘 분배 시뮬레이션의 구동토크의 변화량 그래프와 Minimum Norm Torque를 가중치로 적용한 가중의사역행렬의 구동토크 변화량 그래프이다.19 and 20 are graphs showing the change amount of the drive torque of the force distribution simulation using the pseudo inverse matrix and the change amount of the drive torque of the weighted dead matrix with the minimum norm torque as the weight.

먼저 첫 번째 경우에서 의사역행렬 힘 분배 적용시 -19.45 [Nm]의 최대 토크가 필요한 반면에 가중의사역행렬을 이용한 힘 분배에서는 15.04 [Nm]의 최대 토크가 필요하였다. 최대 토크가 걸리는 구동축 이외의 구동축의 구동토크는 의사역행렬 적용시보다 가중의사역행렬을 이용한 힘 분배 적용시 10.36[Nm]에서 15.04 [Nm]로 구동 토크가 증가함을 알 수가 있다. 구동토크가 최대로 걸리는 구동축의 토크가 적게 구동토크가 적게 걸리는 쪽으로 힘 분배가 적용되어 전반적으로 약 23%의 최대 구동토크를 낮춰주는 효과를 볼 수가 있다.In the first case, the maximum torque of -19.45 [Nm] is needed for the application of pseudo inverse force distribution, while the maximum torque of 15.04 [Nm] is required for the force distribution using weighted inverse matrix. It can be seen that the driving torque of the driving shafts other than the driving shaft that takes the maximum torque increases from 10.36 [Nm] to 15.04 [Nm] when the force distribution is applied using the weighted inverse matrix. As the torque distribution is applied toward the lower driving torque with less driving torque, the maximum driving torque is reduced by about 23%.

두 번째 경우에서는 의사역행렬 적용시 22.42 [Nm]의 최대 구동토크가 필요하고, 가중의사역행렬을 이용한 힘 분배 결과에서는 -18.84 [Nm]의 최대 구동토크가 필요함을 볼 수가 있다. 첫 번째 경우와 마찬가지로 의사역행렬 힘 분배 적용 시에 최대 구동토크가 걸리는 구동축의 토크가 그 이외의 구동축으로 토크 분배가 되어 전반적으로 약 16%의 최대 구동토크를 낮춰주는 효과를 볼 수가 있었다.In the second case, the maximum driving torque of 22.42 [Nm] is required for the application of pseudo inverse matrix, and the maximum driving torque of -18.84 [Nm] is needed for the force distribution result using the weighted inverse matrix. As in the first case, when the pseudo inverse force distribution is applied, the torque of the drive shaft that takes the maximum drive torque is distributed to the other drive shafts, which reduces the overall drive torque by about 16%.

세 번째 경우에서 최대 구동토크가 걸리는 구동축의 토크가 비교적 적게 걸리는 구동축으로 토크 분배가 되어 전반적으로 약 22%의 최대 구동토크를 낮추어 주는 효과를 볼 수가 있었다. 위의 결과값들을 최대구동토크의 감소량으로 간단히 정리하면 표 2와 같다.In the third case, torque is distributed to the drive shaft that requires relatively little torque of the drive shaft, which reduces the maximum drive torque of about 22%. The above results are summarized in table 2 as the reduction of the maximum drive torque.

  최소구동력 (Nm)Driving force (Nm) 가중의사역행렬 (Nm)Weighted Ministry Matrix (Nm) 감소율(%)% Reduction case 1case 1 19.4519.45 15.0415.04 2323 case 2case 2 22.4222.42 18.8418.84 1616 case 3case 3 17.6217.62 13.6913.69 2222

시뮬레이션의 결과를 보면 의사역행렬을 이용한 힘 분배시 구동축에 걸리는 최대 토크보다 Minimum Norm Torque를 가중치로 적용한 가중의사 역행렬을 이용한 힘 분배시 구동축에 걸리는 최대 토크가 약 16 - 23% 감소하는 효과를 보이는 것으로 나타났다. 구동토크가 크게 걸리는 구동축의 구동토크가 가중의사 역행렬을 이용한 힘 분배시 작게 걸리는 구동축으로 분배되어 전반적으로 각 구동축에 걸리는 토크 부하의 균형을 어느 정도 맞추어 주는 효과가 나타남을 볼 수가 있었다.The simulation results show that the maximum torque applied to the drive shaft is reduced by about 16-23% when the force distribution using the weighted pseudo inverse matrix is weighted by applying the minimum norm torque to the maximum torque applied to the drive shaft. appear. The drive torque of the drive shaft with large drive torque is distributed to the drive shaft with small force distribution when the force is distributed using the weighted inverse matrix, and the overall effect of balancing the torque load on each drive shaft can be seen.

상기한 시뮬레이션의 결과가 실제 여유 구동 3RRR 병렬로봇에 가중의사역행렬 힘 분배 적용하여 비슷한 결과값을 내는지를 하기에서 확인해 본다. 의사역행렬을 이용한 힘 분배와 Minimum Norm Torque를 가중치로 둔 가중의사역행렬을 이용한 힘 분배를 3RRR 병렬로봇에 적용할 때 구동모터에 걸리는 구동 토크 값을 비교한다.We will see below that the results of the above simulations yield similar results by applying weighted dead-space matrix force distribution to the 3RRR parallel robot. When the force distribution using the pseudo inverse matrix and the weight distribution using the weighted inverse matrix with the minimum norm torque are applied to the 3RRR parallel robot, the driving torque values applied to the driving motor are compared.

본 실험에서 사용되는 3RRR 병렬 로봇의 전체적인 구성은 도 21과 같다.The overall configuration of the 3RRR parallel robot used in this experiment is shown in FIG. 21.

상기한 3RRR 병렬 로봇은 크게 네 가지로 구성이 되어있다. 첫 번째로는 서보모터와 감속기로 연결되어 있는 3RRR 병렬 로봇 몸체이고, 두 번째는 서보모터와 모터 드라이브 시스템이고, 셋째는 모터에 부착되어 있는 엔코더 값을 읽어드리고, 드라이브로 구동명령을 내보내는 모션 컨트롤 보드이다. 마지막으로는 제어 프로그램을 수행하는 컴퓨터로 구성되어 있다.The 3RRR parallel robot is composed of four main components. The first is a 3RRR parallel robot body connected to the servo motor and the reducer. The second is a servo motor and motor drive system. The third is a motion control that reads the encoder values attached to the motor and sends a drive command to the drive. It is a board. Finally, it consists of a computer running a control program.

3RRR 병렬로봇은 3개의 다리(Leg)로 구성되어 있고, 각 다리에는 2개의 링크 구조로 연결되어 있다. 각 링크는 회전조인트로 연결되어 있으며, 세 다리가 만나는 부분에도 회전조인트로 연결되어 있는 구조로 되어 있다. 링크는 알루미늄(Aluminum)으로 제작되어 링크 무게를 최소화하였다. 회전 조인트의 경우에는 조인트부분의 상하 움직임을 최소화하고 축방향의 하중에 견디는 복렬 앵귤러 콘택트 볼 베어링을 선정하였다. 각 링크의 길이는 200mm로 제작되었다. 모든 링크의 길이는 동일하게 설계하였다. The 3RRR parallel robot consists of three legs, and each leg is connected by two link structures. Each link is connected by a rotary joint, and the structure where the three legs meet is connected by the rotary joint. The link is made of aluminum to minimize link weight. In the case of a rotary joint, a double row angular contact ball bearing was selected to minimize the vertical movement of the joint and to withstand the axial load. Each link is 200mm long. All links are designed to be the same length.

구동장치는 미쓰비시(Mitsubishi)에서 생산되는 AC서보 모터인 HC-MFS23 모델을 사용하였다. 감속기는 하모닉드라이브에서 생산되는 CFS25B모델을 사용하였다. 서보 모터를 구동하기위한 서보 앰프는 미쓰비시(Mitsubishi)의 MR-J2-20A 모델을 사용하였다. 이 서보 앰프는 위치 제어, 속도 제어 및 토크 제어 세 가지 제어 모드를 제공한다. 실험에서는 토크 제어 모드를 사용하였으며, 토크 제어 모드에서는 입력 전압에 비례하는 토크를 서보 모터에서 발생 시킬 수 있다. 모터에 부착된 엔코더는 서보 앰프의 설정에 따라 1회전당 10000 펄스(pulse)가 가능하며, 본 실험에서는 1회전당 8000펄스로 설정하였다.The drive was based on the HC-MFS23 model, an AC servo motor produced by Mitsubishi. The reducer used the CFS25B model produced by the harmonic drive. Mitsubishi's MR-J2-20A model was used as the servo amplifier to drive the servo motor. The servo amplifier offers three control modes: position control, speed control and torque control. In the experiment, torque control mode was used, and torque control mode can generate torque proportional to the input voltage in the servo motor. The encoder attached to the motor is capable of 10000 pulses per revolution according to the setting of the servo amplifier. In this experiment, it was set to 8000 pulses per revolution.

모션 컨트롤보드(Motion Control Board)는 ACS Motion Control사의 SPIIPLUS PCI4R0 모델을 사용하였다. 이 모델은 -10V에서 +10V까지의 출력전압 범위를 가지는 4채널의 아날로그 출력이 가능하다. 피드백(feedback)신호는 디지털엔코더(Digital Encoder)와 sin-cos Encoder가 가능하다. 이 컨트롤 보드의 특징은 일반적인 컨트롤 보드와 마찬가지로 제어 컴퓨터의 PCI슬롯으로 사용이 가능할 뿐만 아니라, 제어 컴퓨터와 분리하여 랜 통신과 RS232 통신으로 사용이 가능하다는 점이다.Motion Control Board used ACS Motion Control's SPIIPLUS PCI4R0 model. The model is capable of four analog outputs with an output voltage range of -10V to + 10V. The feedback signal can be a digital encoder or a sin-cos encoder. The control board features a PCI slot as well as a control computer, as well as a general control board, and can be used separately from the control computer for LAN and RS232 communication.

하기에서는 시뮬레이션에서 수행한 것과 같이 의사역행렬을 이용한 힘 분배 제어와 가중의사역행렬을 이용한 힘 분배 제어실험을 수행하여 각각 구동축의 최대 토크 값을 비교해 볼 것이다.In the following, the force distribution control experiment using the pseudo inverse matrix and the force distribution control experiment using the weighted inverse matrix will be performed as in the simulation, and the maximum torque values of the drive shafts will be compared.

End effector가 다양한 위치에서의 원 궤적을 그릴 경우에 대해 실험을 수행하였다.Experiments were performed on the case where the end effector draws the circle trajectories at various positions.

첫 번째 경로는 (0,0)을 중심으로 반지름이 50mm인 원의 궤적일 경우이다.The first path is the trajectory of a circle with a radius of 50 mm around (0,0).

도 22와 도 23은 의사역행렬을 이용한 힘 분배 실험의 구동토크의 변화량 그래프와 Minimum Norm Torque을 가중치로 적용한 가중의사역행렬의 구동토크 변화량 그래프이다.22 and 23 are graphs showing the change amount of the drive torque of the force distribution experiment using the pseudo inverse matrix and the change amount of the drive torque of the weighted dead matrix with the minimum norm torque as the weight.

두 번째 경로는 (0,50)을 중심으로 반지름이 50mm인 원의 궤적을 그릴 경우이다. 도 24와 도 25는 의사역행렬을 이용한 힘 분배 실험의 구동토크의 변화량 그래프와 Minimum Norm Torque을 가중치로 적용한 가중의사역행렬의 구동토크 변화량 그래프이다.The second path is to draw the trajectory of a circle with a radius of 50mm around (0,50). FIG. 24 and FIG. 25 are graphs showing changes in the drive torque of the force distribution experiment using the pseudo inverse matrix and the drive torque change graph of the weighted dead zone matrix to which the minimum norm torque is applied as a weight.

  구동축A1Drive shaft A1 구동축A2Drive shaft A2 구동축A3Drive shaft A3 의사역행렬 (Nm)Pseudo inverse matrix (Nm) maxmax 11.2111.21 10.5110.51 11.6011.60 minmin -4.10-4.10 -2.57-2.57 -4.07-4.07 가중의사역행렬 (Nm)Weighted Ministry Matrix (Nm) maxmax 7.617.61 7.297.29 7.347.34 minmin -7.52-7.52 -6.81-6.81 -7.08-7.08

  구동축A1Drive shaft A1 구동축A2Drive shaft A2 구동축A3Drive shaft A3 의사역행렬 (Nm)Pseudo inverse matrix (Nm) maxmax 12.6912.69 12.8312.83 10.4710.47 minmin -4.89-4.89 -4.05-4.05 -3.96-3.96 가중의사역행렬 (Nm)Weighted Ministry Matrix (Nm) maxmax 7.077.07 7.847.84 8.798.79 minmin -7.91-7.91 -6.44-6.44 -7.47-7.47

표 3 및 표 4를 보면 전체적으로 의사역행렬을 이용한 힘 분배 제어를 적용 시켰을 경우 10 - 13[Nm] 크기의 토크가 걸리는 것을 알 수가 있다. 가중의사 역행렬을 이용한 힘 분배의 제어일 경우 6.5 - 9 [Nm] 크기의 토크가 걸리는 것을 볼 수가 있다. 여기서 각각의 힘 분배 제어 적용시 구동축에 걸리는 최대 토크의 변화를 살펴보면 표 5와 같다.In Tables 3 and 4, it can be seen that the torque of 10-13 [Nm] is applied when the force distribution control using the pseudo inverse matrix is applied as a whole. In the case of the force distribution control using the weighted pseudo inverse, the torque of 6.5-9 [Nm] can be seen. Here, look at the change in the maximum torque applied to the drive shaft when applying each force distribution control as shown in Table 5.

  최소구동력 (Nm)Driving force (Nm) 가중의사역행렬 (Nm)Weighted Ministry Matrix (Nm) 감소율(%)% Reduction case 1case 1 11.6011.60 7.617.61 3333 case 2case 2 12.8312.83 8.798.79 2727

표 5에서 보면 전반적으로 의사역행렬을 이용한 힘 분배 제어보다 가중의사역행렬을 이용한 힘 분배 제어가 구동토크의 힘 분배에 있어서 더 효율적이라는 것을 알 수가 있다. Minimum Norm Torque을 가중치로 적용한 가중의사역행렬을 이용한 힘 분배가 불균등한 토크가 재분배를 통해 각 모터에 균등하게 분배하여 모터에 걸리는 최대토크가 약 25 - 33 % 가량 감소 효과를 얻어 낼 수 있음을 알 수가 있었다.From Table 5, it can be seen that the force distribution control using the weighted inverse matrix is more efficient in the force distribution of the driving torque than the force distribution control using the pseudo inverse matrix. Force distribution using the weighted minus matrix with weighted Minimum Norm Torque is distributed evenly to each motor through redistribution, which can reduce the maximum torque applied to the motor by about 25-33%. I could.

따라서 구동입력의 최대값을 줄이기 위한 방법으로 Minimum Norm Torque를 가중치로 선정하였다. 이 결과 구동입력 중에서 작은 토크는 약간 커지지만, 큰 토크값은 작아지는 결과를 보였고, 전체 시스템의 토크 분배가 이루어져 사용된 구동기의 최대 토크를 감소시켜주는 효과를 얻을 수가 있다.Therefore, Minimum Norm Torque was selected as the weight to reduce the maximum value of the driving input. As a result, the small torque is slightly increased among the drive inputs, but the large torque value is decreased, and the torque distribution of the entire system is achieved, thereby reducing the maximum torque of the used driver.

이것은 여유 구동 3RRR 병렬로봇의 구동 모터 용량을 25 - 36% 정도 작은 모터를 사용 할 수 있다는 결론을 낼 수가 있고, 시스템의 경제성과 소형화에도 기여 할 수 있다. It can be concluded that a motor with a 25-36% smaller capacity of the drive motor of a redundant 3RRR parallel robot can be used, which can also contribute to the economy and miniaturization of the system.

Claims (2)

키보드를 포함하는 입력수단을 통하여 여유구동시스템이 움직이고자 하는 끝점의 위치(out1,out2)를 입력하는 단계,Inputting a position (out1, out2) of the end point to which the free driving system is to move through an input means including a keyboard, 여유구동시스템을 구성하는 구동모터의 엔코더(22)에서 나오는 출력 회전변위값(qfeedback)을 여유구동시스템의 정기구학 식에 넣어서 나온 로봇의 끝점의 출력 위치값(xfeedback)과 상기 입력 단계에서 입력한 로봇의 끝점 위치값을 감산기(30)를 통해서 감산하는 단계, The output position value (x feedback ) of the end point of the robot obtained by inserting the output rotational displacement value (q feedback ) from the encoder 22 of the drive motor constituting the slack drive system into the static kinematic equation of the slack drive system and the input step Subtracting the input end point position of the robot through the subtractor 30, 감산된 값과 상기 출력 회전변위값(qfeedback)을 자코비안함수 연산부(40)에 입력하여 연산하는 단계,Inputting the subtracted value and the output rotational displacement value (q feedback ) to the Jacobian function calculating unit 40 to perform the operation; 자코비안함수 연산부(40)에서 연산된 값을 입력받아 PID제어기(50)에서 각 구동축의 구동토크를 연산하여 출력하는 단계, Receiving the value calculated by the Jacobian function calculating unit 40 and calculating and outputting the drive torque of each drive shaft in the PID controller 50; 출력된 구동토크(τA)를 가중의사역행렬 연산부(60)에서 연산하여 구동토크의 재 분배값(τAW)을 구하여 이 출력을 여유구동시스템에 전달하여 여유구동시스템을 구동하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 여유 구동 시스템의 힘분배 방법.Computing the output drive torque (τ A ) in the weighted stationary matrix calculation unit 60 to obtain the redistribution value (τ AW ) of the drive torque, and transfers this output to the free drive system to drive the free drive system. The force distribution method of a marginal drive system characterized by the above-mentioned. 제 1항에 있어서, 상기한 가중의사역행렬 연산부(60)에서 가중치로서 최소 구동력을 사용하는 것을 특징으로 하는 여유 구동 시스템의 힘분배 방법.The method of claim 1, wherein the weighted ministry matrix calculation unit (60) uses a minimum driving force as a weight.
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