[논문 리뷰] Generalized Flexible Hybrid Cable-Driven Robot (HCDR): Modeling, Control, and Analysis

Ronghuai Qi, Amir Khajepour외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 14.

Robotic Mechanisms and Dynamics참고 문헌 37인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 정확한 시스템 표현과 제어를 가능하게 하는 통합된 동역학 모델링 프레임워크를 갖춘 일반화된 유연한 하이브리드 케이블 구동 로봇(HCDR)을 제안한다. 冗餘성 해소, 스태티크스 최적화, 그리고 새로운 3가지 아키텍처 제어 전략을 조합함으로써, 특히 다중 바디 구조에서의 종단 기구 진동을 크게 감소시키고 궤적 추적 정확도를 향상시킨다.

ABSTRACT

This paper presents a generalized flexible Hybrid Cable-Driven Robot (HCDR). For the proposed HCDR, the derivation of the equations of motion and proof provide a very effective way to find items for generalized system modeling. The proposed dynamic modeling approach avoids the drawback of traditional methods and can be easily extended to other types of hybrid robots, such as a robot arm mounted on an aircraft platform. Additionally, another goal of this paper is to develop integrated control systems to reduce vibrations and improve the accuracy and performance of the HCDR. To achieve this goal, redundancy resolution, stiffness optimization, and control strategies are studied. The proposed optimization problem and algorithm address the limitations of existing stiffness optimization approaches. Three types of control architecture are proposed, and their performances (i.e., reducing undesirable vibrations and trajectory tracking errors, especially for the end-effector) are evaluated using several well-designed case studies. Results show that the fully integrated control strategy can improve the tracking performance of the end-effector significantly.

연구 동기 및 목표

• 직렬 암과 케이블 구동 플랫폼을 조합한 융합형 하이브리드 케이블 구동 로봇(HCDRs)에 대한 종합적인 동역학 모델링 및 제어 전략의 부족을 해결한다.
• 특히 상호 연결된 다중 유연 시스템에서 기존의 스태티크스 최적화 및 진동 제어 방법의 한계를 극복한다.
• 내부에서 부족성 해소, 스태티크스 최적화, 종단 기구 궤적 추적을 동시에 관리하는 통합 제어 아키텍처를 개발하여 진동과 오차를 최소화한다.
• 기존의 하이브리드 로봇 구성(예: 이동 플랫폼에 장착된 로봇 암 또는 항공기 등)으로의 모델링 접근법 일반화를 가능하게 한다.
• 시스템 정확도와 안정성을 산업 및 고정밀 응용 분야에서 향상시키기 위해 모델링, 최적화, 제어를 통합한 통일된 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 기존 방법의 단점을 피하고 다양한 하이브리드 로봇 유형으로의 확장이 가능한, 구조 매트릭스(예: $ A_m $)를 사용한 일반화된 동역학 모델링 접근법을 제안하여 운동 방정식을 유도한다.
• 기존 방법(예: 최소 2-노름 힘, 가장 연약한 방향의 스태티크스 최대화)의 한계를 극복하는 스태티크스 최적화 알고리즘을 도입하여 전체 시스템의 스태티크스를 향상시킨다.
• 내부에서 부족성 해소, 스태티크스 최적화, 진동 제어를 통합한 3가지의 별도 제어 아키텍처를 개발하고 사례 연구를 통해 평가한다.
• 쿼드로터의 동역학을 단순화하기 위해 축소된 매트릭스 표현($ \tilde{A}_m $)과 힘 벡터($ \tilde{T} $)를 활용하여 전체 HCDR 시스템의 동역학 계산을 효율적으로 수행한다.
• 바디 고정 기준좌표계와 회전 매트릭스($ R_g^m $)를 사용하여 이동 플랫폼과 부착된 암의 자세 및 케이블 힘 전달을 모델링함으로써 정확한 동역학 표현을 확보한다.
• 운동 방정식을 (26) 및 (30) 형태로 적용하여 $ A_m $ 및 $ T $ 를 각각 $ \tilde{A}_m $ 과 $ \tilde{T} $ 로 대체함으로써 제어 설계를 위한 완전한 HCDR 동역학을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 모델링 기법의 한계를 피하고 다른 하이브리드 구성으로의 쉽게 확장 가능한 일반화된 동역학 모델을 어떻게 개발할 수 있는가?
• RQ2 기존 접근법(예: 최소 2-노름 힘, 가장 연약한 방향 최대화)의 단점을 극복하면서 전체 HCDRs의 스태티크스를 효과적으로 향상시키는 스태티크스 최적화 전략은 무엇인가?
• RQ3 특히 부족성 해소, 스태티크스 최적화, 진동 제어를 통합한 다양한 제어 아키텍처는 종단 기구 궤적 추적 및 진동 억제에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 제어 전략은 다중 바디 유연한 HCDR 시스템에서 종단 기구의 진동을 얼마나 줄이고 정밀도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 유도된 동역학 모델 및 제어 프레임워크는 이동 플랫폼에 장착된 로봇 암이나 항공기와 같은 실제 하이브리드 시스템에 효과적으로 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 일반화된 동역학 모델링 접근법은 운동 방정식을 성공적으로 유도하고, 효과적인 시스템 모델링을 가능하게 하는 증명을 제공하며, 항공기 장착 암과 같은 다른 하이브리드 로봇으로의 확장이 가능하다.
• 기존 방법의 한계를 해결하여 모든 방향에서 균형 잡히고 강건한 스태티크스를 달성함으로써, 특히 가장 연약한 방향이 아닌 전체 방향에서의 스태티크스 향상에 뛰어난 성능을 보인다.
• 부족성 해소, 스태티크스 최적화, 진동 제어를 통합한 완전한 제어 전략은 고립된 제어 접근법에 비해 종단 기구 궤적 추적 성능에서 뚜렷한 향상을 보였다.
• 사례 연구 결과, 제안된 제어 아키텍처는 특히 이동 플랫폼과 직렬 암 간의 동적 결합이 진동을 악화시키는 다소의 케이블 구동 유연 시스템에서 바람직하지 않은 진동을 효과적으로 감소시켰다.
• $ \tilde{A}_m $ 과 $ \tilde{T} $ 를 사용한 단순화된 동역학 표현은 이전 연구 결과(예: [46])와 일치하여 제안된 모델링 프레임워크의 정확성과 실용성을 검증한다.
• 제어 요소의 통합은 궤적 추적 오차의 측정 가능한 감소와 함께 시스템 안정성 향상을 이끌어내어 통합 제어 설계의 효과성을 확인한다.