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KR101369286B1 - System for controlling high friction robot manipulator - Google Patents

System for controlling high friction robot manipulator Download PDF

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Publication number
KR101369286B1
KR101369286B1 KR1020120146216A KR20120146216A KR101369286B1 KR 101369286 B1 KR101369286 B1 KR 101369286B1 KR 1020120146216 A KR1020120146216 A KR 1020120146216A KR 20120146216 A KR20120146216 A KR 20120146216A KR 101369286 B1 KR101369286 B1 KR 101369286B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
torque
robot manipulator
value
static friction
joint
Prior art date
Application number
KR1020120146216A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
허성문
오용환
김성균
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to KR1020120146216A priority Critical patent/KR101369286B1/en
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Abstract

A system for controlling a high frictional robot manipulator according to an embodiment of the present invention comprises: a robot manipulator having a joint and a motor mounted on the joint; a user command input part for inputting desired torque or angle command values into the robot manipulator; a motor controller for controlling the motor of the robot manipulator by the time delay control and the stoppable and frictional feedforward compensated control so that the robot manipulator can follow the torque and angle command values; a torque sensor attached to the joint of the robot manipulator to measure torque variation generated in the joint and to transfer the measured torque variation to the motor controller; and an encoder for measuring the angle of the joint of the robot manipulator and the position value of the motor and to transfer the measured values to the motor controller. [Reference numerals] (110) User command input part; (120) Motor controller; (130) Robot manipulator; (140) Torque sensor; (142) A/D converter; (150) Encoder; (152) Counter

Description

고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템 {SYSTEM FOR CONTROLLING HIGH FRICTION ROBOT MANIPULATOR}High Friction Robot Manipulator Control System {SYSTEM FOR CONTROLLING HIGH FRICTION ROBOT MANIPULATOR}

본 발명은 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는, 사용자가 입력한 토크 명령 또는 각도 명령 값을 로봇 매니퓰레이터가 추종할 때 정지 마찰력에 의하여 발생되는 오차를 정지 마찰 피드포워드 보상 알고리즘을 통해 극복하고, 로봇 매니퓰레이터를 안정적으로 제어할 수 있도록 하는 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a high friction robot manipulator control system. More particularly, the present invention relates to a static friction feedforward compensation algorithm in which an error generated by a static friction force when a robot manipulator follows a torque command or an angle command value input by a user. The present invention relates to a high friction robot manipulator control system that overcomes the problem and stably controls the robot manipulator.

최근 서비스 로봇 기술이 빠르게 발전해 가면서 로봇이 사람과 가까이 작업을 수행하게 되어 로봇과 사람간의 안전성을 확보하는 제어에 많이 집중되어지고 있다. 로봇이 사람과 가까이 작업을 하면서 사람 또는 알려져 있지 않은 주변 환경에 충돌을 하는 경우가 발생되어 사람이 다치거나 주변 환경의 물품들이 파손되는 경우가 발생될 수 있다. 이러한 사고를 방지하고 안전성을 확보하기 위한 방법 중 하나로 토크 센서를 통하여 충돌 및 외란을 측정하고 토크 서보로 제어를 하는 것이다. Recently, as the service robot technology is rapidly developing, the robot is working closely with the human, and thus, the robot has been concentrated on the control to secure the safety between the robot and the human. When a robot is working close to a person, a robot may collide with a person or an unknown environment, which may injure a person or cause damage to items in the environment. One way to prevent such accidents and to ensure safety is to measure collisions and disturbances through torque sensors and control them with torque servos.

고마찰 시스템을 정확하게 제어하기 위하여 구동하려는 로봇의 정확한 모델링이 이루어져야 한다. 하지만 시스템을 설계하여 구동하여 보면 하모닉 드라이브에 의한 마찰력 또는 센서의 유연성으로 인하여 발생되는 오차와 노이즈 값, 또는 확인되기 어려운 파라미터들이 있는 경우 정확하게 제어하는 방법에 대한 기술이 부족하였다.In order to control the high friction system accurately, accurate modeling of the robot to be driven must be made. However, when designing and operating the system, there was a lack of a technique for precisely controlling errors and noise values caused by the frictional force of the harmonic drive or the flexibility of the sensor, or parameters that are difficult to identify.

또한, 고마찰 시스템에서 기존 비선형적인 현상들을 제거할 수 있는 시간지연제어 기법으로는 점성 마찰력과 쿨롱, 정지 마찰력을 제거하는데 한계가 있다.In addition, the time delay control technique that can remove the existing nonlinear phenomena in the high friction system has a limitation in removing the viscous friction, coulomb, and static friction.

특허출원공개 10-2011-0062291 (한국과학기술원) 2011.06.10.Patent Application Publication 10-2011-0062291 (Korea Advanced Institute of Science and Technology) 2011.06.10. 특허출원공개 10-2010-0101915 (삼성테크윈 주식회사) 2010.09.20.Patent Application Publication 10-2010-0101915 (Samsung Techwin Co., Ltd.) 2010.09.20.

본 발명의 목적은 로봇 매니퓰레이터가 토크 명령 또는 각도 명령 값을 추종할 때 정지 마찰력에 의하여 발생되는 오차를 보상하여, 로봇 매니퓰레이터를 안정적으로 제어할 수 있도록 하는 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a high friction robot manipulator control system which can stably control a robot manipulator by compensating for an error caused by a static friction force when the robot manipulator follows a torque command or an angle command value.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템은, 관절 및 관절에 장착된 모터를 구비하는 로봇 매니퓰레이터; 상기 로봇 매니퓰레이터에 대해 원하는 토크 명령 또는 각도 명령 값을 입력시키는 사용자 명령 입력부; 상기 토크 명령 또는 각도 명령 값을 상기 로봇 매니퓰레이터가 추종할 수 있도록 시간지연제어와 정지 마찰 피드포워드 보상 제어를 통해 상기 로봇 매니퓰레이터의 모터의 구동을 제어하는 모터 제어기; 상기 로봇 매니퓰레이터의 관절에 부착되어, 관절에서 발생하는 토크 변화를 측정하여, 상기 모터 제어기로 전달하는 토크 센서; 및 상기 로봇 매니퓰레이터의 관절의 각도와 모터의 위치값을 측정하여, 상기 모터 제어기로 전달하는 엔코더를 포함한다. High friction robot manipulator control system according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a robot manipulator having a joint and a motor mounted to the joint; A user command input unit for inputting a desired torque command or angle command value to the robot manipulator; A motor controller controlling driving of the motor of the robot manipulator through time delay control and static friction feed forward compensation control so that the robot manipulator can follow the torque command or angle command value; A torque sensor attached to a joint of the robot manipulator to measure a torque change occurring at the joint and transmit the measured torque change to the motor controller; And an encoder which measures an angle of a joint of the robot manipulator and a position value of the motor and transmits the measured value to the motor controller.

상기 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템은, 상기 토크 센서에서 출력되는 토크 측정값의 노이즈를 감소시키는 로우-패스 필터(low-pass filter)를 더 포함할 수 있다. The high friction robot manipulator control system may further include a low-pass filter to reduce noise of the torque measurement value output from the torque sensor.

상기 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템은, 상기 토크 센서에서 감지한 토크 측정값을 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하여 상기 모터 제어기로 전달하는 A/D 변환기를 더 포함할 수 있다. The high friction robot manipulator control system may further include an A / D converter converting the torque measurement value sensed by the torque sensor into an analog signal to a digital signal and transmitting the converted signal to the motor controller.

상기 모터 제어기는, 상기 사용자 명령 입력부를 통해 입력된 목표 토크 값, 상기 토크 센서에서 감지한 토크 출력 값 및 극히 짧은 시간 후의 제어 토크 값을 입력받아 토크 값을 출력하는 토크 제어기; 및 상기 사용자 명령 입력부를 통해 입력된 목표 토크 값 및 상기 토크 센서에서 감지한 토크 출력 값을 입력받아 정지 마찰 피드포워드 파라미터를 산출하는 정지 마찰 피드포워드 보상기를 포함하며, 상기 정지 마찰 피드포워드 보상기에서 산출된 정지 마찰 피드포워드 파라미터와 상기 토크 제어기에서 출력된 토크 값은 합산되어 상기 로봇 매니퓰레이터의 제어에 사용될 수 있다. The motor controller may include a torque controller configured to receive a target torque value input through the user command input unit, a torque output value detected by the torque sensor, and a control torque value after an extremely short time and output a torque value; And a static friction feedforward compensator configured to receive a target torque value input through the user command input unit and a torque output value sensed by the torque sensor to calculate a static friction feedforward parameter, wherein the static friction feedforward compensator is calculated. The static friction feedforward parameter and the torque value output from the torque controller may be summed and used to control the robot manipulator.

상기 모터 제어기는, 점성 마찰 파라미터와 상기 로봇 매니퓰레이터의 관절 속도를 기반으로 점성 마찰을 보상하기 위한 피드백 신호를 생성하는 점성 마찰력 보상기를 더 포함할 수 있다.  The motor controller may further include a viscous friction force compensator for generating a feedback signal for compensating for viscous friction based on the viscous friction parameter and the joint speed of the robot manipulator.

상기 토크 제어기는 하기 수학식 1에 따라 토크 값을 출력할 수 있다. The torque controller may output a torque value according to Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112012104188706-pat00001
Figure 112012104188706-pat00001

여기서,

Figure 112012104188706-pat00002
는 토크 제어 입력값, t는 제어 시간,
Figure 112012104188706-pat00003
은 극히 짧은 시간,
Figure 112012104188706-pat00004
는 상수항 대각행렬,
Figure 112012104188706-pat00005
는 P 게인(gain),
Figure 112012104188706-pat00006
는 목표 토크 값,
Figure 112012104188706-pat00007
는 토크 출력 값,
Figure 112012104188706-pat00008
는 D 게인(gain),
Figure 112012104188706-pat00009
는
Figure 112012104188706-pat00010
의 미분 값,
Figure 112012104188706-pat00011
는
Figure 112012104188706-pat00012
의 미분 값이다. here,
Figure 112012104188706-pat00002
Is the torque control input value, t is the control time,
Figure 112012104188706-pat00003
Is a very short time,
Figure 112012104188706-pat00004
Is a constant term diagonal matrix,
Figure 112012104188706-pat00005
Is the P gain,
Figure 112012104188706-pat00006
Is the target torque value,
Figure 112012104188706-pat00007
Is the torque output value,
Figure 112012104188706-pat00008
Is the D gain,
Figure 112012104188706-pat00009
The
Figure 112012104188706-pat00010
Derivative of,
Figure 112012104188706-pat00011
The
Figure 112012104188706-pat00012
Is the derivative of.

상기 정지 마찰 피드포워드 보상기는 상기 로봇 매니퓰레이터에 토크 오차가 존재하고, 속도가 0으로 정지했을 때 정지 마찰 피드포워드 보상을 수행하며, 하기 수학식 2에 따라 정지 마찰 피드포워드 파라미터를 산출할 수 있다. The static friction feedforward compensator may perform a static friction feedforward compensation when a torque error exists in the robot manipulator and the speed stops at 0, and calculate a static friction feedforward parameter according to Equation 2 below.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112012104188706-pat00013
Figure 112012104188706-pat00013

여기서,

Figure 112012104188706-pat00014
는 정지 마찰 피드포워드 보상 파라미터이며,
Figure 112012104188706-pat00015
는 정지 마찰 상수,
Figure 112012104188706-pat00016
는 로봇 매니퓰레이터의 관절의 속도,
Figure 112012104188706-pat00017
는 로봇 매니퓰레이터의 관절의 속도 범위,
Figure 112012104188706-pat00018
는 토크 오차 범위를 나타낸다. here,
Figure 112012104188706-pat00014
Is the static friction feedforward compensation parameter,
Figure 112012104188706-pat00015
Is the static friction constant,
Figure 112012104188706-pat00016
The velocity of the joints of the robot manipulator,
Figure 112012104188706-pat00017
Is the speed range of the joints of the robot manipulator,
Figure 112012104188706-pat00018
Represents the torque error range.

상기 정지 마찰 피드포워드 보상기는 상기 로봇 매니퓰레이터의 관절 속도가 관절의 속도 범위 내에 있고, 토크 오차가 토크 오차 범위 내에 있을 때 작용하여 정지 마찰 피드포워드 파라미터를 산출할 수 있다. The static friction feedforward compensator may operate when the joint speed of the robot manipulator is within the joint speed range and the torque error is within the torque error range to calculate the static friction feedforward parameter.

상기 모터 제어기는, 상기 사용자 명령 입력부를 통해 목표 토크 또는 각도 값이 입력되는 PD 제어기; 상기 사용자 명령 입력부를 통해 입력된 목표 토크 또는 각도 값 및 상기 토크 센서에서 감지한 토크 출력 값을 입력받아 정지 마찰 피드포워드 파라미터를 산출하는 정지 마찰 피드포워드 보상기; 및 상기 PD 제어기의 출력 값과 상기 정지 마찰 피드포워드 보상기의 정지 마찰 피드포워드 파라미터가 합산된 토크 제어 값과, 상기 토크 센서에서 감지한 토크 출력 값을 기반으로 상기 로봇 매니퓰이터의 관절이 목표 각도로 이동하도록 출력 값을 산출하여 모터의 구동을 제어하는 TDC 토크 제어기를 포함할 수 있다. The motor controller may include a PD controller through which a target torque or angle value is input through the user command input unit; A static friction feedforward compensator configured to receive a target torque or angle value input through the user command input unit and a torque output value sensed by the torque sensor to calculate a static friction feedforward parameter; And a target angle of the joint of the robot manipulator based on a torque control value obtained by adding the output value of the PD controller, the static friction feedforward parameter of the static friction feedforward compensator, and the torque output value detected by the torque sensor. It may include a TDC torque controller for controlling the driving of the motor by calculating an output value to move to.

상기 모터 제어기는, 점성 마찰 파라미터와 상기 로봇 매니퓰레이터의 관절 속도를 기반으로 점성 마찰을 보상하기 위한 피드백 신호를 생성하는 점성 마찰력 보상기를 더 포함할 수 있다. The motor controller may further include a viscous friction force compensator for generating a feedback signal for compensating for viscous friction based on the viscous friction parameter and the joint speed of the robot manipulator.

본 발명의 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템은 로봇 매니퓰레이터가 토크 명령 또는 각도 명령 값을 추종할 때 정지 마찰력에 의하여 발생되는 오차를 피드포워드 방식으로 보상하므로, 로봇 매니퓰레이터를 안정적으로 제어할 수 있는 효과가 있다. The high friction robot manipulator control system of the present invention compensates the error caused by the static frictional force when the robot manipulator follows the torque command or angle command value in a feedforward manner, thereby stably controlling the robot manipulator. .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 토크 서보 모드에서 시간 지연 제어와 정지 마찰 보상 제어를 나타내는 도면이다.
도 3은 토크 서보 모드에서 시간 지연 제어와 정지 마찰 보상 제어를 이용한 위치 제어를 나타내는 도면이다. 1 is a block diagram showing the configuration of a high friction robot manipulator control system according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating time delay control and static friction compensation control in torque servo mode.
3 is a diagram illustrating position control using time delay control and static friction compensation control in torque servo mode.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a high friction robot manipulator control system according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a high friction robot manipulator control system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제어 시스템(100)은, 사용자 명령 입력부(110), 모터 제어기(120), 로봇 매니퓰레이터(130), 토크 센서(140) 및 엔코더(150)를 포함하며, A/D 변환기(142) 및/또는 카운터(152)를 더 포함한다. Referring to FIG. 1, the control system 100 of the present invention includes a user command input unit 110, a motor controller 120, a robot manipulator 130, a torque sensor 140, and an encoder 150. Further includes a / D converter 142 and / or a counter 152.

사용자 명령 입력부(110)는 사용자가 로봇 매니퓰레이터(130)에 대해 원하는 토크 명령 또는 각도 명령 값을 입력시키는 수단이다.The user command input unit 110 is a means for inputting a torque command or angle command value desired by the user to the robot manipulator 130.

모터 제어기(120)는 로봇 매니퓰레이터(130)에 장착된 모터의 구동을 제어하여 원하는 움직임이 발생하도록 한다. 모터 제어기(120)는 사용자가 입력한 원하는 토크 명령 또는 각도 명령 값을 로봇 매니퓰레이터(130)가 추종할 수 있도록 시간지연제어와 정지 마찰 피드포워드(feed-forward) 보상을 통해 로봇 매니퓰레이터(130)를 제어한다.The motor controller 120 controls the driving of the motor mounted on the robot manipulator 130 so that a desired movement occurs. The motor controller 120 controls the robot manipulator 130 through time delay control and static friction feed-forward compensation so that the robot manipulator 130 can follow the desired torque command or angle command value input by the user. To control.

로봇 매니퓰레이터(130)는 내부에 모터를 장착하여, 모터 제어기(120)의 제어 신호에 따라 동작을 수행하며, 예를 들어, 로봇 팔로 구성될 수 있다. 또한, 상기 로봇 팔은 1자유도를 갖는 단순한 형태로 구성되거나, 사람 팔과 유사한 다자유도를 갖는 복잡한 형태로 구성될 수 있다. The robot manipulator 130 mounts a motor therein, performs an operation according to a control signal of the motor controller 120, and may be configured as, for example, a robot arm. In addition, the robot arm may be configured in a simple form having one degree of freedom or in a complex form having a degree of freedom similar to that of a human arm.

토크 센서(140)는 로봇 매니퓰레이터(130)의 관절에 부착되어, 관절에서 발생하는 토크 변화를 측정한다. 로봇 매니퓰레이터(130)가 다자유도를 갖는 로봇 팔 형태로 구성되는 경우, 각각의 관절마다 1축 토크 센서가 부착되어, 1축 방향 토크를 측정할 수 있다. 토크 센서(140)에서 감지한 토크 측정값은 모터 제어기(120)로 전달되어, 피드백 제어에 사용된다. 본 발명의 일 실시예에서, 토크 센서(140)에서 출력되는 토크 측정값의 노이즈를 감소시키기 위해 로우-패스 필터(low-pass filter)(미도시)가 추가적으로 사용될 수도 있다. The torque sensor 140 is attached to the joint of the robot manipulator 130 to measure the torque change occurring at the joint. When the robot manipulator 130 is configured in the form of a robot arm having multiple degrees of freedom, a uniaxial torque sensor is attached to each joint to measure the uniaxial torque. The torque measurement value sensed by the torque sensor 140 is transmitted to the motor controller 120 and used for feedback control. In one embodiment of the present invention, a low-pass filter (not shown) may be additionally used to reduce noise of the torque measurement output from the torque sensor 140.

A/D 변환기(142)는 토크 센서(140)에서 감지한 토크 측정값을 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하여 모터 제어기(120)로 전달한다. The A / D converter 142 converts the torque measurement value sensed by the torque sensor 140 into an analog signal to a digital signal and transmits the converted torque signal to the motor controller 120.

엔코더(150)는 로봇 매니퓰레이터(130)의 관절의 각도와 모터의 위치값을 측정하여, 모터 제어기(120)로 전달한다. The encoder 150 measures the angle of the joint of the robot manipulator 130 and the position value of the motor, and transmits the measured value to the motor controller 120.

카운터(152)는 엔코더(150)로부터 데이터가 카운트(count) 되어 출력되면, 그 값을 각도로 변환시킨다.The counter 152 converts the value into an angle when data is counted and output from the encoder 150.

도 2는 토크 서보 모드에서 시간 지연 제어와 정지 마찰 보상 제어를 나타내는 도면이다. 2 is a diagram illustrating time delay control and static friction compensation control in torque servo mode.

도 2를 참조하면, 본 발명의 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템(100)은 시간지연제어를 적용하여 비선형 마찰 또는 정지마찰, 잘못된 모델링, 알 수 없는 효과들에 의한 오차를 제거한다. Referring to FIG. 2, the high friction robot manipulator control system 100 of the present invention applies time delay control to remove errors due to nonlinear friction or static friction, poor modeling, and unknown effects.

시간 지연 제어를 적용함에 있어서, 현재 로봇 매니퓰레이터(130)의 동역학과 극히 짧은 시간동안 동작 후의 로봇 매니퓰레이터(130)의 동역학이 같다고 가정한다. 토크 제어기(122)는 사용자 명령 입력부(110)를 통해 입력된 목표 토크 값(

Figure 112012104188706-pat00019
), 토크 센서(140)에서 감지한 토크 출력 값(
Figure 112012104188706-pat00020
) 및 극히 짧은 시간 후의 제어 토크 값(
Figure 112012104188706-pat00021
)을 입력받아, 하기 수학식 1에 따라 토크 값을 출력한다. In applying the time delay control, it is assumed that the dynamics of the current robot manipulator 130 and the dynamics of the robot manipulator 130 after operation for a very short time are the same. The torque controller 122 is a target torque value input through the user command input unit 110 (
Figure 112012104188706-pat00019
), The torque output value detected by the torque sensor 140 (
Figure 112012104188706-pat00020
) And control torque values after an extremely short time (
Figure 112012104188706-pat00021
), And outputs a torque value according to Equation 1 below.

Figure 112012104188706-pat00022
Figure 112012104188706-pat00022

여기서,

Figure 112012104188706-pat00023
는 토크 제어 입력값, t는 제어 시간,
Figure 112012104188706-pat00024
은 극히 짧은 시간,
Figure 112012104188706-pat00025
는 상수항 대각행렬,
Figure 112012104188706-pat00026
는 P 게인(gain),
Figure 112012104188706-pat00027
는 목표 토크 값,
Figure 112012104188706-pat00028
는 토크 출력 값,
Figure 112012104188706-pat00029
는 D 게인(gain),
Figure 112012104188706-pat00030
는
Figure 112012104188706-pat00031
의 미분 값,
Figure 112012104188706-pat00032
는
Figure 112012104188706-pat00033
의 미분 값이다. here,
Figure 112012104188706-pat00023
Is the torque control input value, t is the control time,
Figure 112012104188706-pat00024
Is a very short time,
Figure 112012104188706-pat00025
Is a constant term diagonal matrix,
Figure 112012104188706-pat00026
Is the P gain,
Figure 112012104188706-pat00027
Is the target torque value,
Figure 112012104188706-pat00028
Is the torque output value,
Figure 112012104188706-pat00029
Is the D gain,
Figure 112012104188706-pat00030
The
Figure 112012104188706-pat00031
Derivative of,
Figure 112012104188706-pat00032
The
Figure 112012104188706-pat00033
Is the derivative of.

정지 마찰 피드포워드 보상기(121)는 사용자 명령 입력부(110)를 통해 입력된 목표 토크 값(

Figure 112012104188706-pat00034
) 및 토크 센서(140)에서 감지한 토크 출력 값(
Figure 112012104188706-pat00035
)을 입력받아 정지 마찰 피드포워드 파라미터를 산출한다. The static friction feedforward compensator 121 is a target torque value input through the user command input unit 110 (
Figure 112012104188706-pat00034
) And the torque output value detected by the torque sensor 140 (
Figure 112012104188706-pat00035
) To calculate the static friction feedforward parameter.

정지 마찰 피드포워드 보상기(121)는 로봇 매니퓰레이터(130)에 토크 오차(

Figure 112012104188706-pat00036
)가 존재하고, 속도가 0으로 정지했을 때 정지 마찰 피드포워드 보상을 수행하며, 하기 수학식 2에 따라 정지 마찰 피드포워드 파라미터를 산출한다. The static friction feedforward compensator 121 has a torque error (
Figure 112012104188706-pat00036
), And the static friction feedforward compensation is performed when the speed stops at 0, and the static friction feedforward parameter is calculated according to the following equation (2).

Figure 112012104188706-pat00037
Figure 112012104188706-pat00037

여기서,

Figure 112012104188706-pat00038
는 정지 마찰 피드포워드 보상 파라미터이며,
Figure 112012104188706-pat00039
는 정지 마찰 상수,
Figure 112012104188706-pat00040
는 로봇 매니퓰레이터의 관절의 속도,
Figure 112012104188706-pat00041
는 로봇 매니퓰레이터의 관절의 속도 범위,
Figure 112012104188706-pat00042
는 토크 오차 범위를 나타낸다. 여기서, 엔코더(150)가 로봇 매니퓰이터(130)의 관절의 각도(
Figure 112012104188706-pat00043
)를 측정하고, 이 측정값을 기반으로 미분하여 로봇 매니퓰레이터의 관절의 속도(
Figure 112012104188706-pat00044
)를 얻을 수 있다.here,
Figure 112012104188706-pat00038
Is the static friction feedforward compensation parameter,
Figure 112012104188706-pat00039
Is the static friction constant,
Figure 112012104188706-pat00040
The velocity of the joints of the robot manipulator,
Figure 112012104188706-pat00041
Is the speed range of the joints of the robot manipulator,
Figure 112012104188706-pat00042
Represents the torque error range. Here, the encoder 150 is the angle of the joint of the robot manipulator 130 (
Figure 112012104188706-pat00043
) And derivative based on these measurements to determine the velocity of the joint
Figure 112012104188706-pat00044
) Can be obtained.

상기 수학식 2에서, 정지 마찰 피드포워드 보상기(121)는 로봇 매니퓰레이터(130)의 관절 속도(

Figure 112012104188706-pat00045
)가 관절의 속도 범위(
Figure 112012104188706-pat00046
) 내에 있고, 토크 오차(
Figure 112012104188706-pat00047
)가 토크 오차 범위(
Figure 112012104188706-pat00048
) 내에 있을 때 작용하여 정지 마찰 피드포워드 파라미터를 산출한다. In Equation 2, the static friction feedforward compensator 121 is a joint velocity of the robot manipulator 130 (
Figure 112012104188706-pat00045
) Is the velocity range of the joint (
Figure 112012104188706-pat00046
) And torque error (
Figure 112012104188706-pat00047
) Is the torque error range (
Figure 112012104188706-pat00048
It acts when in the c) to yield a static friction feedforward parameter.

또한, 상기 로봇 매니퓰레이터의 관절의 속도 범위(

Figure 112012104188706-pat00049
)와 토크 오차 범위(
Figure 112012104188706-pat00050
)를 결정함에 있어서, 엔코더(150)와 토크 센서(140)의 노이즈로 인하여 로봇 매니퓰레이터의 관절 속도(
Figure 112012104188706-pat00051
)와 토크 출력 값(
Figure 112012104188706-pat00052
)에 오차가 발생할 수 있으므로, 각각의 노이즈 크기에 따라 범위가 결정될 수 있다. Also, the velocity range of the joint of the robot manipulator (
Figure 112012104188706-pat00049
) And torque error range (
Figure 112012104188706-pat00050
), The joint velocity of the robot manipulator due to the noise of the encoder 150 and the torque sensor 140
Figure 112012104188706-pat00051
) And torque output value (
Figure 112012104188706-pat00052
Error may occur, the range may be determined according to each noise level.

정지 마찰 피드포워드 보상기(121)에서 산출된 정지 마찰 피드포워드 파라미터(

Figure 112012104188706-pat00053
)와 토크 제어기(122)에서 출력된 토크 값은 합산되어 로봇 매니퓰레이터(130)의 제어에 사용된다. The static friction feedforward parameter calculated by the static friction feedforward compensator 121 (
Figure 112012104188706-pat00053
) And the torque value output from the torque controller 122 are summed and used to control the robot manipulator 130.

한편, 점성 마찰을 보상하기 위해, 점성 마찰력 보상기(123)는 점성 마찰 파라미터(

Figure 112012104188706-pat00054
)와 로봇 매니퓰레이터(130)의 관절 속도(
Figure 112012104188706-pat00055
)를 기반으로 피드백 신호를 생성한다. 점성 마찰력 보상기(123)의 피드백 신호는 앞서의 정지 마찰 피드포워드 보상기(121)에서 산출된 정지 마찰 피드포워드 파라미터(
Figure 112012104188706-pat00056
)와 토크 제어기(122)에서 출력된 토크 값과 합산되어 로봇 매니퓰레이터(130)의 제어에 사용된다. On the other hand, in order to compensate the viscous friction, the viscous friction force compensator 123 is a viscous friction parameter (
Figure 112012104188706-pat00054
) And the joint velocity of the robot manipulator 130
Figure 112012104188706-pat00055
To generate a feedback signal. The feedback signal of the viscous friction force compensator 123 is a static friction feedforward parameter calculated by the static friction feedforward compensator 121 described above.
Figure 112012104188706-pat00056
) And the torque value output from the torque controller 122 are used to control the robot manipulator 130.

도 3은 토크 서보 모드에서 시간 지연 제어와 정지 마찰 보상 제어를 이용한 위치 제어를 나타내는 도면이다. 3 is a diagram illustrating position control using time delay control and static friction compensation control in torque servo mode.

도 3을 참조하면, PD 제어기(124)에는 사용자 명령 입력부(110)를 통해 목표 각도 값(

Figure 112012104188706-pat00057
)이 입력된다. Referring to FIG. 3, the PD controller 124 includes a target angle value through the user command input unit 110.
Figure 112012104188706-pat00057
) Is entered.

정지 마찰 피드포워드 보상기(121)는 사용자 명령 입력부(110)를 통해 입력된 목표 각도 값(

Figure 112012104188706-pat00058
) 및 엔코더(150)에서 감지한 각도 값(
Figure 112012104188706-pat00059
)을 입력받아 정지 마찰 피드포워드 파라미터(
Figure 112012104188706-pat00060
)를 산출한다. 상기 정지 마찰 피드포워드 파라미터(
Figure 112012104188706-pat00061
)는 목표 각도 값(
Figure 112012104188706-pat00062
)을 추종하기 위한 제어로 앞서의 수학식 2에서 토크 오차 범위를 각도 오차 범위로 바꾸어 산출될 수 있다.The static friction feedforward compensator 121 has a target angle value inputted through the user command input unit 110.
Figure 112012104188706-pat00058
) And the angle value detected by the encoder 150 (
Figure 112012104188706-pat00059
) And the static friction feedforward parameter (
Figure 112012104188706-pat00060
). The static friction feedforward parameter (
Figure 112012104188706-pat00061
) Is the target angle value (
Figure 112012104188706-pat00062
) Can be calculated by changing the torque error range to the angle error range in Equation 2 above.

PD 제어기(124)의 출력 값과 정지 마찰 피드포워드 보상기(121)의 정지 마찰 피드포워드 파라미터(

Figure 112012104188706-pat00063
)는 합산되어 목표 토크 값(
Figure 112012104188706-pat00064
)으로서 TDC 토크 제어기(125)로 입력된다.The output value of the PD controller 124 and the static friction feedforward parameter of the static friction feedforward compensator 121 (
Figure 112012104188706-pat00063
) Add up to the target torque value (
Figure 112012104188706-pat00064
) Is input to the TDC torque controller 125.

TDC 토크 제어기(125)는 목표 토크 값(

Figure 112012104188706-pat00065
)과 토크 센서(140)에서 감지한 토크 출력 값(
Figure 112012104188706-pat00066
)을 기반으로 로봇 매니퓰이터(130)의 관절이 목표 각도 값(
Figure 112012104188706-pat00067
)으로 이동하도록 출력 값을 산출하여 모터의 구동을 제어한다. The TDC torque controller 125 has a target torque value (
Figure 112012104188706-pat00065
) And the torque output value detected by the torque sensor 140 (
Figure 112012104188706-pat00066
Based on the joint of the robot manipulator 130 is a target angle value (
Figure 112012104188706-pat00067
Control the driving of the motor by calculating the output value to move to).

한편, 점성 마찰을 보상하기 위해, 점성 마찰력 보상기(123)는 점성 마찰 파라미터(

Figure 112012104188706-pat00068
)와 로봇 매니퓰레이터(130)의 관절 속도(
Figure 112012104188706-pat00069
)를 기반으로 피드백 신호를 생성한다. 여기서, 점성 마찰 파라미터(
Figure 112012104188706-pat00070
)는 미리 측정되어 알고 있는 값으로 관절에 대한 점성 마찰 파라미터이다. 점성 마찰력 보상기(123)의 피드백 신호는 TDC 토크 제어기(125)의 출력 값과 합산되어 제어 입력 토크 값(
Figure 112012104188706-pat00071
)이 되며, 이 제어 입력 토크 값(
Figure 112012104188706-pat00072
)에 따라 로봇 매니퓰레이터(130)를 제어한다. On the other hand, in order to compensate the viscous friction, the viscous friction force compensator 123 is a viscous friction parameter (
Figure 112012104188706-pat00068
) And the joint velocity of the robot manipulator 130
Figure 112012104188706-pat00069
To generate a feedback signal. Where the viscous friction parameter (
Figure 112012104188706-pat00070
Is the pre-measured and known value of the viscous friction parameter for the joint. The feedback signal of the viscous friction force compensator 123 is summed with the output value of the TDC torque controller 125 to obtain a control input torque value (
Figure 112012104188706-pat00071
) And this control input torque value (
Figure 112012104188706-pat00072
To control the robot manipulator 130.

본 발명의 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템은 종래의 쿨롱 마찰 보상을 대신하여 정지 마찰 피드포워드 보상을 함으로써, 쿨롱 마찰 보상 시 발생하는 채터링 현상, 피드백 보상에 의한 시스템 안정성 확보의 어려움을 극복할 수 있는 장점이 있다. The high friction robot manipulator control system of the present invention can overcome the difficulty of securing the system stability by the chattering phenomenon and the feedback compensation generated during the coulomb friction compensation by performing the static friction feedforward compensation instead of the conventional coulomb friction compensation. There is an advantage.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.

100: 제어 시스템
110: 사용자 명령 입력부
120: 모터 제어기
121: 정지 마찰 피드포워드 보상기
122: 토크 제어기
123: 점성 마찰력 보상기
124: PD 제어기
125: TDC 토크 제어기
130: 로봇 매니퓰레이터
140: 토크 센서
142: A/D 변환기
150: 엔코더
152: 카운터100: control system
110: user command input unit
120: motor controller
121: Static Friction Feedforward Compensator
122: torque controller
123: Viscous Friction Compensator
124: PD controller
125: TDC torque controller
130: robot manipulator
140: torque sensor
142: A / D converter
150: encoder
152: counter

Claims (10)

관절 및 관절에 장착된 모터를 구비하는 로봇 매니퓰레이터;
상기 로봇 매니퓰레이터에 대해 원하는 토크 명령 또는 각도 명령 값을 입력시키는 사용자 명령 입력부;
상기 토크 명령 또는 각도 명령 값을 상기 로봇 매니퓰레이터가 추종할 수 있도록 시간지연제어와 정지 마찰 피드포워드 보상 제어를 통해 상기 로봇 매니퓰레이터의 모터의 구동을 제어하는 모터 제어기;
상기 로봇 매니퓰레이터의 관절에 부착되어, 관절에서 발생하는 토크 변화를 측정하여, 상기 모터 제어기로 전달하는 토크 센서; 및
상기 로봇 매니퓰레이터의 관절의 각도와 모터의 위치값을 측정하여, 상기 모터 제어기로 전달하는 엔코더를 포함하고,
상기 모터 제어기는,
상기 사용자 명령 입력부를 통해 입력된 목표 토크 값, 상기 토크 센서에서 감지한 토크 출력 값 및 극히 짧은 시간 후의 제어 토크 값을 입력받아 토크 값을 출력하는 토크 제어기; 및
상기 사용자 명령 입력부를 통해 입력된 목표 토크 값 및 상기 토크 센서에서 감지한 토크 출력 값을 입력받아 정지 마찰 피드포워드 파라미터를 산출하는 정지 마찰 피드포워드 보상기를 포함하며,
상기 정지 마찰 피드포워드 보상기에서 산출된 정지 마찰 피드포워드 파라미터와 상기 토크 제어기에서 출력된 토크 값은 합산되어 상기 로봇 매니퓰레이터의 제어에 사용되는 것을 특징으로 하는 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템.A robot manipulator having a joint and a motor mounted to the joint;
A user command input unit for inputting a desired torque command or angle command value to the robot manipulator;
A motor controller controlling driving of the motor of the robot manipulator through time delay control and static friction feed forward compensation control so that the robot manipulator can follow the torque command or angle command value;
A torque sensor attached to a joint of the robot manipulator to measure a torque change occurring at the joint and transmit the measured torque change to the motor controller; And
It includes an encoder for measuring the angle of the joint of the robot manipulator and the position value of the motor, and transmits to the motor controller,
The motor controller,
A torque controller which receives a target torque value input through the user command input unit, a torque output value detected by the torque sensor, and a control torque value after an extremely short time and outputs a torque value; And
A static friction feedforward compensator configured to receive a target torque value input through the user command input unit and a torque output value sensed by the torque sensor to calculate a static friction feedforward parameter;
The static friction feedforward parameter calculated by the static friction feedforward compensator and the torque value output from the torque controller are summed and used to control the robot manipulator. 제1항에 있어서, 상기 토크 센서에서 출력되는 토크 측정값의 노이즈를 감소시키는 로우-패스 필터(low-pass filter)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템.The high friction robot manipulator control system of claim 1, further comprising a low-pass filter for reducing noise of torque measurement values output from the torque sensor. 제1항에 있어서, 상기 토크 센서에서 감지한 토크 측정값을 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하여 상기 모터 제어기로 전달하는 A/D 변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템.The high friction robot manipulator control system of claim 1, further comprising an A / D converter converting the torque measurement value sensed by the torque sensor into an analog signal to a digital signal and transmitting the same to the motor controller. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 모터 제어기는,
점성 마찰 파라미터와 상기 로봇 매니퓰레이터의 관절 속도를 기반으로 점성 마찰을 보상하기 위한 피드백 신호를 생성하는 점성 마찰력 보상기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템.The motor control apparatus according to claim 1,
And a viscous friction force compensator for generating a feedback signal for compensating for viscous friction based on the viscous friction parameter and the joint speed of the robot manipulator. 제1항에 있어서, 상기 토크 제어기는 하기 수학식 1에 따라 토크 값을 출력하는 것을 특징으로 하는 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템:
[수학식 1]
Figure 112014005645245-pat00073

여기서,
Figure 112014005645245-pat00074
는 토크 제어 입력값, t는 제어 시간,
Figure 112014005645245-pat00075
은 극히 짧은 시간,
Figure 112014005645245-pat00076
는 상수항 대각행렬,
Figure 112014005645245-pat00077
는 P 게인(gain),
Figure 112014005645245-pat00078
는 목표 토크 값,
Figure 112014005645245-pat00079
는 토크 출력 값,
Figure 112014005645245-pat00080
는 D 게인(gain),
Figure 112014005645245-pat00081
는
Figure 112014005645245-pat00082
의 미분 값,
Figure 112014005645245-pat00083
는
Figure 112014005645245-pat00084
의 미분 값이다. The high friction robot manipulator control system of claim 1, wherein the torque controller outputs a torque value according to Equation 1 below.
[Equation 1]
Figure 112014005645245-pat00073

here,
Figure 112014005645245-pat00074
Is the torque control input value, t is the control time,
Figure 112014005645245-pat00075
Is a very short time,
Figure 112014005645245-pat00076
Is a constant term diagonal matrix,
Figure 112014005645245-pat00077
Is the P gain,
Figure 112014005645245-pat00078
Is the target torque value,
Figure 112014005645245-pat00079
Is the torque output value,
Figure 112014005645245-pat00080
Is the D gain,
Figure 112014005645245-pat00081
The
Figure 112014005645245-pat00082
Derivative of,
Figure 112014005645245-pat00083
The
Figure 112014005645245-pat00084
Is the derivative of. 제1항에 있어서, 상기 정지 마찰 피드포워드 보상기는 상기 로봇 매니퓰레이터에 토크 오차가 존재하고, 속도가 0으로 정지했을 때 정지 마찰 피드포워드 보상을 수행하며, 하기 수학식 2에 따라 정지 마찰 피드포워드 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 하는 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템:
[수학식 2]
Figure 112014005645245-pat00085

여기서,
Figure 112014005645245-pat00086
는 정지 마찰 피드포워드 보상 파라미터이며,
Figure 112014005645245-pat00087
는 정지 마찰 상수,
Figure 112014005645245-pat00088
는 로봇 매니퓰레이터의 관절의 속도,
Figure 112014005645245-pat00089
는 로봇 매니퓰레이터의 관절의 속도 범위,
Figure 112014005645245-pat00090
는 토크 오차 범위를 나타낸다. The static friction feedforward compensator of claim 1, wherein the static friction feedforward compensator performs a static friction feedforward compensation when a torque error exists in the robot manipulator and the speed stops at zero. High friction robot manipulator control system, characterized in that for calculating:
&Quot; (2) "
Figure 112014005645245-pat00085

here,
Figure 112014005645245-pat00086
Is the static friction feedforward compensation parameter,
Figure 112014005645245-pat00087
Is the static friction constant,
Figure 112014005645245-pat00088
The velocity of the joints of the robot manipulator,
Figure 112014005645245-pat00089
Is the speed range of the joints of the robot manipulator,
Figure 112014005645245-pat00090
Represents the torque error range. 제7항에 있어서,
상기 정지 마찰 피드포워드 보상기는 상기 로봇 매니퓰레이터의 관절 속도가 관절의 속도 범위 내에 있고, 토크 오차가 토크 오차 범위 내에 있을 때 작용하여 정지 마찰 피드포워드 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 하는 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템.8. The method of claim 7,
The static friction feedforward compensator operates when the joint speed of the robot manipulator is within the joint speed range and the torque error is within the torque error range to calculate the static friction feedforward parameter. . 제1항에 있어서, 상기 모터 제어기는,
상기 사용자 명령 입력부를 통해 목표 토크 또는 각도 값이 입력되는 PD 제어기;
상기 사용자 명령 입력부를 통해 입력된 목표 토크 또는 각도 값 및 상기 토크 센서에서 감지한 토크 출력 값을 입력받아 정지 마찰 피드포워드 파라미터를 산출하는 정지 마찰 피드포워드 보상기; 및
상기 PD 제어기의 출력 값과 상기 정지 마찰 피드포워드 보상기의 정지 마찰 피드포워드 파라미터가 합산된 토크 제어 값과, 상기 토크 센서에서 감지한 토크 출력 값을 기반으로 상기 로봇 매니퓰이터의 관절이 목표 각도로 이동하도록 출력 값을 산출하여 모터의 구동을 제어하는 TDC 토크 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템.The motor control apparatus according to claim 1,
A PD controller for inputting a target torque or angle value through the user command input unit;
A static friction feedforward compensator configured to receive a target torque or angle value input through the user command input unit and a torque output value sensed by the torque sensor to calculate a static friction feedforward parameter; And
The joint of the robot manipulator is set to a target angle based on a torque control value obtained by adding the output value of the PD controller, the static friction feedforward parameter of the static friction feedforward compensator, and the torque output value detected by the torque sensor. And a TDC torque controller that calculates an output value to move to control driving of the motor. 제9항에 있어서, 상기 모터 제어기는,
점성 마찰 파라미터와 상기 로봇 매니퓰레이터의 관절 속도를 기반으로 점성 마찰을 보상하기 위한 피드백 신호를 생성하는 점성 마찰력 보상기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고마찰 로봇 매니퓰레이터 제어 시스템.The method of claim 9, wherein the motor controller,
And a viscous friction force compensator for generating a feedback signal for compensating for viscous friction based on the viscous friction parameter and the joint speed of the robot manipulator.
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