KR20120118696A - 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법 - Google Patents

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KR20120118696A
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Abstract

본 발명은 다수의 유압 로봇에 의해 CF 구조체를 상승시키는 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 각 유압 로봇에 독립적으로 기준경로를 추적하도록 하는 개별제어 단계, 및 각 유압로봇에 가해지는 부하가 균일해지도록 각 유압로봇의 운동을 동기화하도록 제어하는 운동동기제어 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 각 유압로봇에 슬라이딩모드 제어를 사용하여 기준경로를 추적하도록 하는 동시에 각 유압로봇의 운동을 동기화하는 순차적 교차식 동기 제어 알고리즘 또는 평균오차기준 동기제어 알고리즘을 수행함으로써 크라이밍 유압로봇 시스템에 의해 CF 구조체의 상승 행정시 CF 구조체에 의한 편하중과 강풍 등에 의한 편하중 등에 의해 CF 구조체에 불균형이 발생되지 않고 수평을 유지하도록 한다.

Description

자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법{SYNCHRONOUS CONTROL METHOD OF HYDRAULIC ROBOT FOR AUTOMATION BUILDING}
본 발명은 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각 유압로봇에 슬라이딩 모드 제어를 사용하여 기준경로를 추적하도록 하는 동시에 각 유압로봇의 운동을 동기화하는 운동 동기제어를 수행함으로써 동기오차가 현격히 감소하도록 하는 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법에 관한 것이다.
자동화 건축이란 인력보다는 기계화된 장비를 이용하여 건축물을 시공하는 것을 말하며, 구체적으로 기계화된 장비 센서를 부착하여 사람이 일정한 방법, 규격, 시간을 입력하면 기계가 계속 같은 일을 반복적으로 수행하면서 건축물을 완성해 가는 것을 말한다.
여기서 기계화된 장비는 곧 작업로봇으로서, 상기 자동화 건축 기술과 첨단 로봇 기술을 융합한 고층건물 구조체의 전자동 시스템은 로봇과 크레인을 일체형으로 제작하여 건설공장(Construction Factory, 이하 CF라고 함) 내부에 설치함으로써 건설 인력의 절감뿐만 아니라 균일한 시공품질의 확보가 가능해지고, 나아가 공사기간의 단축효과로 인한 원가절감 등의 효과가 기대된다.
고층 건물 구조체의 자동화 시공을 위하여 외력에 강인하면서도 경량인 CF 구조체와 이를 상승시키기 위한 크라이밍 유압로봇 및 구동 유닛 시스템이 필요하다.
도 1은 일반적인 자동화 건축 시스템의 구성이 도시된 도면으로서, 건축물의 중심에 설계되는 코어(1), 볼팅 로봇을 포함하는 볼팅로봇 시스템(2), 볼팅로봇 주행레일, CF 구동장치 및 로봇레일을 포함한 CF 구조체(3), 및 볼팅 로봇과 CF를 상승시키는 크라이밍 유압로봇 시스템(4), 유압레일로 구성된다.
상기 코어(1)는 엘리베이터, 계단 등의 공용 부분이 한 곳에 집중되도록 설계된 부분으로 건축물을 수직으로 관통하면서 보통 전단벽으로 둘러싸이도록 시공되는 부분이며, 자동화 건축 방법은 코어(1)가 일부 또는 전부 시공된 후에 적용된다.
또한, 상기 CF는 볼팅 로봇의 작업 공간일 뿐 아니라 볼팅 로봇을 보호하고 전천후 작업이 가능하도록 하며, 선 시공된 코어월에 지지되어 안전하게 건물이 시공될 수 있도록 구축되어야 하고, 한 층의 시공이 완료되면 크라이밍 유압로봇 시스템(4)에 의해 CF 구조체(3)가 상승되어 다음 층을 시공할 수 있도록 하는 이동형 건설공장이다.
상기 CF 구조체(3)는 수백 톤의 무게가 있으며, 보통 10~20개의 유압로봇에 의해 상승되는데, 상승 행정은 한 층을 여러 단계로 나뉘어 CF 상승, 유지, 유압로봇 기반 상승 및 고정, CF 재상승 순으로 이루어진다. 이때, 상승 행정 과정에서 CF 구조체의 수평을 유지하는 것이 가장 중요하며, 이를 위해 모든 유압로봇의 운동을 동기화하는 것이 필요하다.
그리고 상기 크라이밍 유압로봇 시스템(4)은 크게 기계장치와 유압장치로 구성되는데, 상기 기계장치는 CF의 하중을 지지하고 상승시키는 역할로서 유압실린더, 상승 크라이밍 유닛, 하강 크라이밍 유닛, 가이드 레일 등으로 이루어지고, 상기 유압장치는 유압 실린더에 유압을 공급하여 유압실린더가 CF를 상승시킬 수 있도록 동력을 발생시키는 부분으로서, 유압탱크, 유압펌프 및 각종 제어밸브 등으로 이루어진다.
이러한 크라이밍 유압로봇 시스템(4)의 구동은 자동화 건축 시스템의 중요한 공정 중 하나이며, 동기제어 실패로 인한 안전사고는 대형 사고로 이어질 가능성이 있어 동기제어에 대한 사전 검증은 반드시 필요하다. 즉, 각 유압로봇에 CF내 크레인 이동에 따른 편하중과 풍압에 의한 편하중 등 비대칭적인 부하가 가하여진 경우에는 유압로봇들의 동기제어 성능이 현저히 저하되는 문제점이 있다.
또한, 상기 크라이밍 유압로봇의 동기제어를 차단할 경우에, CF 상승 및 정지간에 CF가 기울어져 파손될 위험이 있고, 실제 구조물에서 CF의 하중이 CF 부재 자체와 유압로봇 시스템에 편하중으로 장시간 작용할 경우에 각 부재의 파괴로 이어질 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 크라이밍 유압로봇 시스템에 의해 CF 구조체의 상승 행정시 CF 구조체에 의한 편하중과 강풍 등에 의한 편하중 등에 의해 CF 구조체에 불균형이 발생되지 않고 수평을 유지하도록 모든 유압로봇의 운동을 동기화할 수 있는 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법과, 각 유압로봇에 슬라이딩 모드 제어를 사용하여 기준경로를 추적하도록 하는 동시에 각 유압로봇의 운동을 동기화하는 운동 동기제어를 수행함으로써 동기오차가 현격히 감소하도록 하는 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하고 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 다수의 유압 로봇에 의해 CF 구조체를 상승시키는 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법은, 각 유압 로봇에 독립적으로 기준경로를 추적하도록 하는 개별제어 단계, 및 각 유압로봇에 가해지는 부하가 균일해지도록 각 유압로봇의 운동을 동기화하도록 제어하는 운동동기제어 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 개별제어 단계는, 각 유압 로봇에 슬라이딩 모드 제어를 개별적으로 적용하여 상기 유압 로봇의 동적 움직임이 슬라이딩 평면(
Figure pat00001
)의 동적 특성을 따르도록 함으로써 미리 설정된 슬라이딩 평면에서 생성되는 슬라이딩 모드에 의해 결정된 궤적을 추종하도록 제어 구조를 불연속적으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 운동 동기제어 단계는 순차적 교차식 동기제어 알고리즘 또는 평균오차기준 동기제어 알고리즘 중에서 적어도 하나 이상을 적용하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 순차적 교차식 동기제어 알고리즘은 윤곽오차의 개념을 유압로봇의 운동 동기제어에 적용하고, 상기 윤곽오차(
Figure pat00002
)는 하기한 수학식 18로 나타나는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 평균오차 기준 동기제어 알고리즘은 각 유압로봇들의 추적오차를 평균한 값을 기준으로 정하고, 각 유압로봇들의 추적오차가 기준 평균오차에 수렴하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 개별제어 단계 및 운동 동기제어 단계를 통해 각 유압로봇의 비례제어밸브로 보내지는 제어입력신호는 추적오차에 슬라이딩모드 제어를 적용한 값과 순차적 교차식 동기제어 오차 또는 평균오차기준 동기제어 오차에 PID제어를 적용한 값을 합하여 만들어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명에 따른 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법에 따르면, 각 유압로봇에 슬라딩모드 제어를 사용하여 기준경로를 추적하도록 하는 동시에 각 유압로봇의 운동을 동기화하는 운동 동기제어를 수행함으로써 크라이밍 유압로봇 시스템에 의해 CF 구조체의 상승 행정시 CF 구조체에 의한 편하중과 강풍 등에 의한 편하중 등에 의해 CF 구조체에 불균형이 발생되지 않고 수평을 유지하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 개별 제어 방식에 순차적 교차식 동기 제어 알고리즘 또는 평균오차기준 동기 제어 알고리즘을 추가함으로써 개별제어만을 적용한 경우에 비해 동기오차가 현격히 감소함으로써 각 유압로봇에 가하여진 부하에 상당한 불균형이 발생하더라도 유압로봇들의 동기제어 성능이 현저히 저하되는 현상을 해소할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 일반적인 자동화 건축 시스템의 구성이 도시된 도면
도 2는 본 발명에 적용되는 크라이밍 유압 로봇의 개략도
도 3은 CF 구조체의 부하하중을 표시한 개략도
도 4는 전기유압시스템으로 구성된 i번째 크라이밍 유압로봇이 도시된 도면
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자동화 건축을 위한 유압로봇 의 동기제어 시스템이 도시된 블록도
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법의 슬라이딩 모드 제어를 나타내기 위한 블록도
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 추적오 차와 윤곽오차의 정의를 나타내기 위한 그래프
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법의 교차식 동기제어를 나타내기 위한 블록도
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 개별제어에 따른 유압로봇의 과도응답 특성이 도시된 그래프
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 평균오 차기준 동기제어에 따른 유압로봇의 과도응답 특성이 도시된 그래프
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 순차적 교차식 동기제어에 따른 유압로봇의 과도응답 특성이 도시된 그래프
도 12는 본 발명의 실시예 에 따른 두 가지 다른 최대상승속도를 갖는 유압로봇3의 과도응답 특성이 도시된 그래프
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 CF 가이드 레일과의 쿨롱마찰이 유압로봇3의 과도응답에 미치는 영향이 도시된 그래프
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 적용되는 크라이밍 유압로봇의 개략도이고, 도 3은 CF 구조체의 부하하중을 표시한 개략도이다. 먼저 도 2를 참조하면, 크라이밍 유압로봇은 복동 편로드 유압실린더, 비례유량제어밸브, 펌프, 탱크, 릴리프밸브 등으로 구성됨으로써, 선 시공된 코어의 외벽에 가이드 레일을 설치한 후 레일을 따라 장착된 크라이밍 유압로봇에 의해 인치 웜(Inch Worm) 방식으로 유압실린더의 작동에 의해 CF를 상승시킨다.
다음 도 3을 참조하면, CF구조체의 바닥과 기본 골격은 H빔으로 견고하게 만들어지기 때문에 변형이 일어나지 않는다고 가정하고, CF내 강구조물 운반을 위한 크레인의 이동에 따라 수직하중 FL이 CF 바닥 중심으로부터 x, z축으로 각각 Ia, Ib 벗어난 곳에 집중하중으로 작용한다고 가정할 때 CF구조체 수직방향 운동방정식은 하기한 수학식 1과 같다.
<수학식 1>
Figure pat00003
상기 수학식 1에서 M, y는 CF구조체의 질량과 변위를 나타낸다.
고층 건물 시공시 CF구조체는 대용량의 자체 하중 외에도 강풍과 돌풍 등에 의한 측방향 힘을 많이 받는다. x, z방향의 풍압에 의한 힘을 각각 Fw x, Fwz라 할 때 CF구조체의 모멘트 방정식은 수학식 2 및 수학식 3과 같다.
<수학식 2>
Figure pat00004
<수학식 3>
Figure pat00005
여기서,
Figure pat00006
는 수직방향 (y 방향)으로 CF구조체의 기하학적 중심과 무게중심 사이의 거리이다.
상기 CF구조체는 모서리 4곳에 설치된 가이드레일을 따라 상승하게 되는데, CF구조체와 가이드 레일 사이의 쿨롱마찰력은 CF구조체가 기울어짐에 따라 가이드레일과의 틈새가 줄어들어 증가할 수 있다. 따라서, 상기 쿨롱마찰력 Fif가 CF구조체의 롤축과 피치축의 회전각도의 평균값에 비례하여 가변적으로 변한다고 가정하여 수학식 4 내지 수학식 7과 같이 나타낸다.
<수학식 4>
Figure pat00007
<수학식 5>
Figure pat00008
<수학식 6>
Figure pat00009
<수학식 7>
Figure pat00010
여기서,
Figure pat00011
는 각각 롤축과 피치축의 최대 기울기 각도이고 는 비례상수를,
Figure pat00012
는 최대 쿨롱마찰력을 나타낸다.
한편, 도 4는 전기유압시스템으로 구성된 i번째 크라이밍 유압로봇이 도시된 도면이다. 도 4를 참조하면, 실린더 i(i=1~4)의 연속방정식은 하기한 수학식 8 및 수학식 9와 같다.
<수학식 8>
Figure pat00013
<수학식 9>
Figure pat00014
여기서,
Figure pat00015
,
Figure pat00016
,
Figure pat00017
는 실린더 하부의 압력, 면적, 부피를, 그리고
Figure pat00018
Figure pat00019
,
Figure pat00020
는 실린더 상부의 압력, 면적, 부피를 각각 나타내며,
Figure pat00021
는 유효체적탄성계수이다.
그리고, 유압로봇 i(i=1~4)의 운동방정식은 다음 수학식 10과 같다.
<수학식 10>
Figure pat00022
여기서, mi는 부하 질량을, B p는 점성 마찰계수를 나타내고,
Figure pat00023
는 i번째 기둥이 CF구조체에 전달하는 수직력을 나타내며, 한 기둥의 유압로봇 3개를 1개조로 그룹화하였기 때문에 수학식 10에서는
Figure pat00024
를 3으로 나누었다.
제어기를 거쳐 나온 전류가 비례제어밸브에 의해 실린더에 흐르는 유량을 제어하므로, 밸브i (i=1~4) 유량방정식은 하기한 수학식 11 및 수학식 12와 같다.
<수학식 11>
Figure pat00025
<수학식 12>
Figure pat00026
여기서,
Figure pat00027
는 공급압력이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 시스템이 도시된 블록도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법의 슬라이딩 모드 제어를 나타내기 위한 블록도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 추적오차와 윤곽오차의 정의를 나타내기 위한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법의 교차식 동기제어를 나타내기 위한 블록도이다.
도 5 내지 도 8을 참고하면, 고층 건물 시공자동화를 위한 다중 크라이밍 유압로봇 시스 템(100)은 크게 기계장치(110)와 유압장치(120)로 구성되는데, 상기 기계장치(110)는 CF의 하중을 지지하고 상승시키는 역할로서 유압실린더, 상승 크라이밍 유닛, 하강 크라이밍 유닛, 가이드 레일 등으로 이루어지고 , 상기 유압장치(120)는 유압 실린더에 유압을 공급하여 유압실린더가 CF를 상승시킬 수 있도록 동력을 발생 시키는 부분으로서, 유압탱크, 유압펌프 및 각종 제어밸브 등으로 이루어진다.
그리고, 매트랩(MATLAB)을 이용하여 상기 크라이밍 유압로봇 시스템(100)을 모델링한 후 시뮬링크(SIMULINK) 환경에서 제어시스템(200)은 편하중, 클롱마찰, 풍력 등 실제에 가까운 조건으로 시뮬레이션을 수행하여 동기제어 성능을 고찰한다.
이때, 상기 제어시스템(200)은 개별 제어를 위한 추적제어기(tracking controller)와 운동 동기제어를 위한 동기 제어기(synchronizing controller)를 포함하고 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법은 각 유압로봇이 기본적으로 슬라이딩 모드 제어(sliding-mode control)에 의해 독립적으로 기준경로를 추적하도록 개별제어를 수행하는 동시에 각 유압로봇의 운동을 동기화하도록 운동 동기제어를 수행하게 된다.
즉, 상기 개별제어는 대용량의 부하를 지지하는 유압로봇들이 외부영향에 능동적으로 대처하기 위해서 불확실성에 대한 강인한 제어 성능이 요구되므로 기준경로 추적제어에 슬라이딩모드 제어 알고리즘을 사용한다.
상기 슬라이딩모드 제어 알고리즘은 시스템의 파라미터가 변하거나 불확실한 모델을 가진 시스템, 또는 외란이 존재하는 비선형 불확실 시스템의 정밀한 제어를 위한 효과적인 제어 방법이다.
즉, 상기 개별제어는 응답 궤적이 슬라이딩 평면에 도달하면, 응답은 상기 유압 로봇의 동적 운동방정식이 아닌 슬라이딩 평면(
Figure pat00028
)의 동적 특성을 따르므로 슬라이딩 모드 제어는 강인한 특성을 유지한다. 따라서, 설계자가 적절하게 슬라이딩 평면을 설계하고, 슬라이딩 모드를 생성하는 제어 입력을 가함으로써 크라이밍 유압로봇 시스템은 원하는 제어 목적을 달성할 수 있다.
상기 슬라이딩 모드 제어 알고리즘에서 슬라이딩 평면(
Figure pat00029
) 방정식은 다음 수학식 13과 같다.
<수학식 13>
Figure pat00030
그리고, 상기 슬라이딩 평면이 존재할 필요조건은 다음 수학식 14와 같다.
<수학식 14>
Figure pat00031

그런데, 상기 개별제어만으로도 각 유압로봇의 부하가 균일한 경우 비교적 우수한 추적제어와 동기제어 성능을 얻을 수 있지만, 각 유압로봇에 CF내 크레인 이동에 따른 편하중과 풍압에 의한 편하중 등 비대칭적인 부 하가 가하여진 경우에는 유압로봇들의 동기제어성능이 현저히 저하된다.
이와 같이 CF 이동시 발생하는 편부하의 문제점을 보완하기 위해 개별제어에 순차적 교차식 동기제어 알고리즘 또는 평균오차기준 동기제어 알고리즘을 추가하여 운동 동기제어를 수행하게 된다.
먼저, 상기 순차적 교차식 동기제어 알고리즘은 윤곽오차의 개념을 크라이밍 유압로봇의 운동 동기제어에 적용한 것으로서, 추적오차
Figure pat00032
(tracking error)는 기준경로 위치
Figure pat00033
과 실제 위치
Figure pat00034
의 차이를 뜻하며, 윤곽오차
Figure pat00035
(contour error)는 기준경로 상의 가장 가까운 점
Figure pat00036
와 실제 위치
Figure pat00037
와 차이이다.
상기 윤곽오차의 크기는 수학식 15와 같으며, 윤곽오차 벡터는 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 15>
Figure pat00038
<수학식 16>
Figure pat00039

이중(dual) 크라이밍 유압로봇의 운동 동기제어는 2차원 평면상의 윤곽오차의 특수한 형태로서, 유압로봇의 두 축을 도 6에 도시된 좌표평면의 Y1축과 Y2에 대응시키면 동기제어 문제는 θ=45˚인 직선 경로를 추종하는 윤곽제어 문제로 변환된다.
이러한 원리를 유압로봇들의 상승 축들 각각 에 적용하여 θ=45˚를 수학식 16에 대입하면 윤곽오차는 하기한 수학식 17과 같이 단순화된다.
<수학식 17>

다중 크라이밍 유압로봇의 경우에는 이웃하는 유압로봇들을 비교하여 이중 클라이밍 유압로봇의 윤곽오차의 개념을 순차적으로 적용하 면 수학식 18과 같이 표현된다. (1과2, 2와3, 3과4, 4와1)
<수학식 18>
Figure pat00041

여기서, 동기오차(synchronous error)는 추적오차들의 차
Figure pat00042
로 정의된다.
다음에, 상기 평균오차기준 동기제어 알고리즘은 각 유압로봇들의 추적오차를 평균한 값(평균오차)을 기준으로 하고, 각 유압로봇들의 추적오차가 평균오차에 접근하도 록 유도함으로써 동기화하는 기법이다. 평균오차는 수학식 19로 정의되고, 평균오차와 각 유압로봇들의 차이는 제어입력신호에 반영된다.
<수학식 19>
Figure pat00043
<수학식 20>
Figure pat00044

도 7에 도시된 바와 같이, 각 유압로봇의 비례제어 밸브로 보내지는 제어입력신호(
Figure pat00045
)는 기준경로와 실제경로와의 위치오차에 추적제어를 적용한 값 즉 추적오차에 슬라이딩모드 제어를 적용한 값(
Figure pat00046
)과 순차적 교차식 동기제어 오차
Figure pat00047
또는 평균오차기준 동기제어 오차
Figure pat00048
에 PID제어를 적용한 값(
Figure pat00049
,
Figure pat00050
)을 합하여 만들어진다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 개별제어에 따른 유압로봇의 과도응답 특성이 도시된 그래프이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 평균오차기준 동기제어에 따른 유압로봇의 과도응답 특성이 도시된 그래프이며, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 순차적 교차식 동기제어에 따른 유압로봇의 과도응답 특성이 도시된 그래프이고, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 두 가지 다른 최대상승속도를 갖는 유압로봇3의 과도응답 특성이 도시된 그래프이며, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 CF 가이드 레일과의 쿨롱마찰이 유압로봇3의 과도응답에 미치는 영향이 도시된 그래프이다.
이때, 도 9 내지 도 11은 100,000Kgf의 편하중과 30m/s의 풍압이 작용할 때 개별제어, 순차적 교차식 동기제어와 평균오차기준 동기제어를 각각 적용한 경우의 제어성능을 보여주고 있다.
도 9의 (a), 도 10의 (a), 도 11의 (a)에 나타나 있듯이, 위치추적 성능은 세 경우 모두 우수해 보이지만 이를 확대하여 보면 성능차이가 난다. 즉, 동기제어를 적용하였을 때 각 유압로봇들의 추적오차(도 9의 (c), 도 10의 (c), 도 11의 (c) 참조)는 개별제어를 적용하였을 때에 비해 추적오차가 평준화되는 경향 이 나타났으며, 결과적으로 동기오차(도 9의 (d), 도 10의 (d), 도 11의 (d) 참조)가 현격히 감소하였다.
모든 경우에서 최대 추적오차는 편하중이 가장 많이 작용한 유압로봇3에서 발생하였으면 최대 동기오차는 유압로봇3과 대각선 반대편의 유압로봇2와의 사이에서 발생하였다. 순차적 교차식 동기제어를 적용하였을 때 평균오차기준 동기제어를 적용하였을 때에 비해 추적오차는 크게 차이가 나지 않았지만 동기오차는 더 작게 나타남을 알 수 있다.
도 12는 동일한 평균상승속도에서 최대 상승속도를
Figure pat00051
(기준조건)과
Figure pat00052
로 각각 설정하였을 때, 유압 로봇3의 추적오차와 동기오차를 보여주고 있다.
도 12에 나타나 있듯이 최대 상승속도가 낮은 속도 프로파일을 사용하였을 때 높게 설정된 때에 비해 동기오차는 거의 차이가 없었지만 추적오차는 더 작게 나타났다.
도 13은 최대 쿨롱마찰력을 최대 설계하중의 10%, 15%, 20%로 각각 가정 하였을 때 유압 로봇3의 추적오차와 동기오차를 보여주고 있는데, 쿨롱마찰력이 추적오차에 미치는 영향은 크지 않았으나 동기오차는 쿨롱마찰력에 비례하여 증가하였다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자 동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법은 고층 건물 시공자동화에 사용되는 대용량의 다중 클라이밍 유 압로봇 시스템에 기본적으로 슬라이딩모드 제어를 사용하여 기준경로를 추적하도록 개별 제어를 수행하고, 동시에 각 유압로봇의 운동을 동기화하는 운동 동기제어를 수행하게 된다.
이때, 상기 운동 동기제어를 적용하였을 때 각 유압로봇들의 추적오차는 개별제어를 적용하였을 때에 비해 추적오차가 평준화되는 경향이 있어 결과적으로 동기오차가 현격히 감소하게 된다.
그리고 순차적 교차식 동기제어 알고리즘을 적용하였을 때 평균오차기준 동기제어를 적용하였을 때에 비해 추적오차는 크게 차이가 나지 않았지만 동기오차는 더 작게 나타남을 알 수 있고, 최대 추적오차는 편하중이 가장 많이 작용한 유압로봇에서 발생하며, 최대 동 기오차는 편하중이 가장 많이 작용한 유압로봇과 대각선 반대편의 유압로봇 사이에서 발생한다.
또한, 쿨롱마찰력이 추적오차에 미치는 영향은 크지 않았으나 동기오차는 쿨롱마찰력에 비례하여 증가하고, 상승속도가 낮게 설정된 기준 속도 프로파일을 사용하였을 때 높게 설정된 때에 비해 동기오차는 거의 차이가 없지만 추적오차는 더 작게 나타난다.
그리고, 다중 클라이밍 유압로봇의 상승 행정시 기준경로의 추적성능 보다 동기제어 성능이 더 중요하며, CF의 로봇 크레인과 강풍에 의한 심한 편하중 상태에서도 운동 동기제어를 적용하여 최대 동기오차를 0.03mm 이내로 제어할 수 있다.
비록 본 명세서에서는 실시예를 참조하여 설명하고 있지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각 유압로봇에 슬라딩모드 제어를 사용하여 기준경로를 추적하도록 하는 동시에 각 유압로봇의 운동을 동기화하도록 순차적 교차식 동기제어 또는 평균오차기준 동기제어를 수행함으로써 동기오차가 현격히 감소하도록 하는 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법에 관한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 유압로봇 시스템 110 : 기계장치
120 : 유압장치 200 : 제어시스템

Claims (6)

  1. 다수의 유압 로봇에 의해 CF 구조체를 상승시키는 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법에 있어서, 각 유압 로봇에 독립적으로 기준경로를 추적하도록 하는 개별제어 단계, 및 각 유압로봇에 가해지는 부하가 균일해지도록 각 유압로봇의 운동을 동기화하도록 제어하는 운동동기제어 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 개별제어 단계는, 각 유압 로봇에 슬라이딩 모드 제어를 개별적으로 적용하여 상 기 유압 로봇의 동적 움직임이 슬라이딩 평면(
    Figure pat00053
    )의 동적 특성을 따르도록 함으로써 미리 설정된 슬라이딩 평 면에서 생성되는 슬라이딩 모드에 의해 결정된 궤적을 추종하도록 제어 구조를 불연속적으로 변화시키는 것 을 특징으로 하는 동기제어 방법
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 운동동기제어 단계는 순차적 교차식 동기제어 알고리즘 또는 평균오차기준 동기제어 알고리즘 중에서 적어도 하나 이상을 적용하는 것을 특징으로 하는 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 순차적 교차식 동기제어 알고리즘은 윤곽오차의 개념을 유압로봇의 운동 동기제어에 적용하고, 상기 윤 곽오차(
    Figure pat00054
    )는 하기 수학식으로 나타나는 것을 특징으로 하는 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법
    Figure pat00055

    여기서, e는 추적오차이고,
    Figure pat00056
    는 동기오차임
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 평균오차 기준 동기제어 알고리즘은 각 유압로봇들의 추적오차를 평균한 값을 기준으로 정하고, 각 유압로봇들의 추적오차가 기준 평균오차에 수렴하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 개별제어 단계 및 운동 동기제어 단계를 통해 각 유압로봇의 비례제어밸브로 보내지는 제어입력신호는 추적오차에 슬라이딩모드 제어를 적용한 값과 순차적 교차식 동기제어 오차 또는 평균오차기준 동기제어 오차에 PID제어를 적용한 값을 합하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 자동화 건축을 위한 유압로봇의 동기제어 방법
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108459502A (zh) * 2018-02-11 2018-08-28 浙江工业大学 一种基于全局滑模的多机械臂系统同步控制方法
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