연구 배경

최근 로봇 기술의 발달로 고속, 고정밀, 고하중비를 갖는 로봇 구조의 적용이 산업 및 항공우주 분야에서 많은 주목을 받고 있다. 이동 과정에서 관절과 링크의 유연성 효과 증가로 인해 구조가 변형되어 작업 수행의 정확도가 떨어집니다. 따라서 로봇 매니퓰레이터의 구조적 유연성을 고려해야 하며 유연한 매니퓰레이터의 고정밀 및 효과적인 제어를 구현하기 위해서는 시스템 동역학도 고려해야 합니다. Flexible Manipulator는 매우 복잡한 동적 시스템입니다. 동적 방정식은 비선형성, 강한 결합 및 실제 변동의 특성을 가지고 있습니다. 유연한 팔의 역학을 연구하기 위해서는 모델의 확립이 매우 중요합니다. Flexible Manipulator는 Rigid Flexible Coupling을 사용한 비선형 시스템일 뿐만 아니라 Electromechanical Coupling을 사용한 비선형 시스템입니다. 동적 모델링의 목적은 제어 시스템 설명 및 컨트롤러 설계를 위한 기반을 제공하는 것입니다. 일반 제어 시스템에 대한 설명(시간 영역의 상태 공간 설명 및 주파수 영역의 전달 함수 설명 포함)은 센서/액츄에이터의 위치 지정, 액추에이터에서 센서로의 정보 전달 및 매니퓰레이터의 동적 특성과 밀접한 관련이 있습니다.

모델링 이론

Flexible Manipulator의 Dynamic 방정식은 주로 Lagrange 방정식과 Newton Euler 방정식의 두 가지 가장 대표적인 방정식을 사용하여 설정됩니다. 또한 변동 원리, 가상 변위 원리 및 케인 방정식이 일반적으로 사용됩니다. 유연체 변형에 대한 설명은 유연 매니퓰레이터 시스템 모델링 및 제어의 기초입니다. 따라서 유연체의 변형을 설명하기 위해 특정 방법을 선택하고 변형에 대한 설명은 시스템 동적 방정식의 해와 밀접한 관련이 있습니다.

유연체의 변형은 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

1) 유한요소법;

2) 유한 세그먼트 방법;

3) 모달 합성 방법;

4) 집중 질량법.

운동 방정식

연속 동적 모델이든 이산 동적 모델이든 이들의 모델링 방법은 주로 벡터 역학 방법과 분석 역학 방법의 두 가지 기본 방법을 기반으로 합니다. Newton Euler 공식, Lagrange 방정식, 변동 원리, 가상 변위 원리 및 Kane 방정식이 널리 사용되고 성숙합니다.

통제 전략

플랙시블 매니퓰레이터는 일반적으로 다음과 같은 방식으로 제어됩니다.

1) 엄격한 처리. 강체의 운동에 대한 구조의 탄성 변형의 영향은 완전히 무시됩니다. 예를 들어, 플렉서블 매니퓰레이터의 안정성과 최종 위치 정확도를 손상시키는 과도한 탄성 변형을 피하기 위해 NASA의 원격 제어 우주선의 최대 각속도는 0.5deg/s입니다.

2) 피드포워드 보상 방식. 매니퓰레이터의 유연한 변형으로 인한 기계적 진동은 강성 운동에 대한 결정론적 간섭으로 간주되며 이러한 간섭을 상쇄하기 위해 피드포워드 보상 방법이 사용됩니다. 독일의 Bernd gebler는 탄성 막대와 탄성 조인트를 가진 산업용 로봇의 피드포워드 제어를 연구했습니다. Zhang Tiemin은 0을 추가하여 지배적인 극점과 시스템 불안정성을 제거하는 방법을 연구하고 시간 지연이 있는 피드포워드 컨트롤러를 설계했습니다. PID 제어기와 비교하여 시스템의 잔류 진동을 보다 명확하게 제거할 수 있습니다. Seeing Warren P.와 다른 학자들은 피드포워드 보상 기술에 대해 심도 있는 연구를 수행했습니다.

3) 가속 피드백 제어. Khorrami farshad와 Jain Sandeep은 끝 가속 피드백을 사용하여 유연한 조작기의 끝 궤적 제어를 연구했습니다.

4) 패시브 댐핑 제어. 유연체의 상대적인 탄성 변형의 영향을 줄이기 위해 다양한 에너지 소비 또는 에너지 저장 재료를 선택하여 진동을 제어하는 ​​암의 구조를 설계합니다. 또는 감쇠 충격 흡수 장치, 감쇠 재료, 복합 감쇠 금속판, 감쇠 합금 또는 점탄성 대형 감쇠 재료를 사용하여 유연한 빔에 추가 감쇠 구조를 형성하는 것은 수동 감쇠 제어에 속합니다. 최근 몇 년 동안 플렉시블 매니퓰레이터의 진동 제어에 점탄성 대형 감쇠 재료의 적용이 큰 주목을 받았습니다. Rossi Mauro와 Wang David는 유연한 로봇의 수동 제어를 연구했습니다.

5) 포스 피드백 제어 방식. 플랙시블 매니퓰레이터 진동의 힘 피드백 제어는 실제로 역동학 해석에 기초한 제어 방법으로, 역동학 해석에 따르면 구동단에 가해지는 토크는 암 끝단에서 주어진 운동을 통해 구하고, 구동 토크는 모션 또는 힘 감지를 통해 피드백 보상됩니다.

6) 적응 제어. 시스템은 결합 적응 제어를 사용하여 관절 하위 시스템과 유연한 하위 시스템으로 구분됩니다. 매개변수 선형화 방법은 Flexible Manipulator의 불확실한 매개변수를 식별하기 위한 적응 제어 규칙을 설계하는 데 사용됩니다. 비선형성 및 매개변수 불확실성이 있는 유연한 매니퓰레이터의 추적 컨트롤러가 설계되었습니다. 컨트롤러 설계는 Lyapunov 방법의 강력하고 적응형 제어 설계를 기반으로 합니다. 시스템은 상태 전이를 통해 두 개의 하위 시스템으로 나뉩니다. 적응 제어 및 강인 제어는 각각 두 하위 시스템을 제어하는 ​​데 사용됩니다.

7) PID 제어. PID 제어기는 가장 대중적이고 널리 사용되는 제어기로서 단순성, 효율성 및 실용성으로 인해 강성 매니퓰레이터의 제어에 널리 사용됩니다. PID 제어기의 성능을 향상시키기 위해 제어기 이득을 조정하거나 다른 제어 방법과 결합된 복합 제어 시스템을 조정하여 자체 튜닝 PID 제어기를 형성하는 경우가 많습니다.

8) 가변 구조 제어. 가변 구조 제어 시스템은 슬라이딩 모드 제어가 가장 일반적인 가변 구조 제어인 불연속 피드백 제어 시스템입니다. 특성: 스위칭 표면에는 소위 슬라이딩 모드가 있습니다. 슬라이딩 모드에서 시스템은 매개변수 변경 및 방해에 둔감합니다. 동시에 궤적은 스위칭 표면에 있습니다. 슬라이딩 현상은 시스템 매개 변수에 의존하지 않으며 안정적인 특성을 가지고 있습니다. 가변 구조 제어기의 설계는 매니퓰레이터의 정확한 동적 모델을 요구하지 않으며 모델 매개변수의 경계는 제어기를 구성하기에 충분합니다.

9) 퍼지 및 신경망 제어. 통제 활동에서 사람들의 사고 특성을 반영할 수 있는 언어 제어기입니다. 주요 특징 중 하나는 제어 시스템 설계가 일반적인 의미에서 제어 대상의 수학적 모델이 필요하지 않고 운영자 또는 전문가의 경험 지식 및 운영 데이터가 필요하다는 것입니다.