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Robust Impedance Control of High-DOF Robot Based on ISMC and DOB
아브너 어시그네시온,박승규,김민찬,Asignacion, Abner Jr.,Park, Seung-kyu,Kim, Min-chan The Korea Institute of Information and Commucation 2017 한국정보통신학회논문지 Vol.21 No.1
This paper proposes a robust impedance controller for high-DOF robots. The model-based control of a higher DOF robot uses a numerical dynamic model because the analytical dynamic model is difficult to be derived and this means that modeling error is inevitable. The impedance control in the task space is affected by joint motions and has more difficulties in the higher DOF robots. In addition, the disturbances must be decoupled in the control of high DOF robot. This paper proposes a robust impedance controller based on integral sliding mode control (ISMC) and disturbance observer(DOB) for high-DOF robot manipulator. The ISMC is used to improve the robustness of the impedance control and to preserve its nominal performance. DOB is also employed to cancel the effects of input disturbances and to reduce the maximum gain of the ISMC which eventually determines the input chattering size. 본 논문은 고자유도의 로봇에 대한 강인한 임피던스제어를 제안한다. 자유도가 높은 로봇에 대해서 동특성기반으로 제어하기 위해서는 해석적인 로봇의 동특성확보가 거의 불가능하기 때문에 수치해석적인 모델을 사용하게 된다. 이에 근본적으로 모델링오차가 존재하고 작업공간에서 임피던스제어기를 설계하는 경우에 많은 개수의 관절의 움직임의 영향을 받기 때문에 강인제어의 필요성이 더욱 절실하다. 이에 모델링 불확실성과 외란의 존재와 상관없이 원하는 임피던스를 유지하기 위해서는 공칭계통의 동특성에 슬라이딩모드의 강인성을 추가할 수 있는 적분슬라이딩모드제어를 도입하였고 입력외란의 영향을 제거할 수 있는 외란 관측기를 동시에 적용한 강인한 임피던스제어기를 제안하였다. 외란과 모델 불확실성이 존재함에도 불구하고 공칭계통을 기반으로 한 임피던스제어기의 특성을 그대로 유지할 수 있는 제어기가 설계되었다.
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적분슬라이딩모드와 DOB를 이용한 강인추종 및 인간순응 로봇제어
아브너 어시그네시온,김민찬,곽군평,박승규,Asignacion Jr., Abner,Kim, Min-chan,Kwak, Gun-Pyong,Park, Seung-kyu 한국정보통신학회 2017 한국정보통신학회논문지 Vol.21 No.2
인간과 로봇이 같은 공간에서 작업을 할 경우가 많아짐에 따라 안전성을 고려한 로봇의 제어가 필요하다. 안정성을 위해서 로봇은 인간의 힘에 순응해야 함으로 낮은 임피던스가 요구되는 반면에 높은 제어성능을 갖도록 하기 위해서는 외란에 강인하기 위해서는 높은 임피던스가 요구된다. 이러한 이율배반적인 목적을 달성하기 위해서 본 연구에서는 적분슬라이딩모드와 외란관측기(DOB)를 사용하여 인간의 힘 이외의 외란에는 강인한 특성을 보이고 인간의 힘에는 순응할 수 있는 제어기를 설계한다. 인간의 동작이 특정 주파수의 범위에 있다는 사실에 근거하여 인간에 의한 외란인 경우의 외란에 대해서는 로봇이 순응하도록 슬라이딩모드를 설계하는 것이 본 논문의 독창적인 아이디어이다. The robot control with safety consideration is required since robots and human work together in the same space more frequently in these days. For safety, robots must have compliance to human force and robust tracking performance with high impednace for the nonhuman disturbances. The novel idea is proposed to achieve the compliance and high impedance with one controller structure. For the compliance, the ISMC(Integral Sliding Mode Control) and HDOB(Human Disturbance Observer) The human force is identified by using the human band pass filter and its output is sent to the sliding surface. The sliding mode dynamic is affected by human disturbance and the compliance for human is achieved. The disturbances besides human frequencies are decoupled by the ISMC and the robust tracking is achieved. The additional LDOB(Low Frequency Disturbance Observer) decreases the maxim nonlinear gain and leads low chattering. The introduction of human disturbance into the sliding mode dynamic is the main novel idea of this paper.
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Robust Control of Flexible Joint Robot Using ISMC and IDA-PBC
아브너 어시그네시온,박승규,이민욱,Asignacion, Abner Jr.,Park, Seung-kyu,Lee, Min-wook The Korea Institute of Information and Commucation 2017 한국정보통신학회논문지 Vol.21 No.6
본 논문은 유연관절로봇의 추종성능과 정합과 비정합 외란 모두에 대한 강인성을 향상시키기 위한 강인한 제어기를 제안한다. 제안된 제어기는 백스테핑 외란관측기(DOB), 수동성기반 제어기(PBC)와 적분슬라이딩모드 제어기(ISMC)가 백스테핑기법 형태로 구성되어 있다. 백스테핑 DOB는 링크측의 비정합 외란을 고려하는데 사용되며 모터측의 기준입력을 제공하는 역할을 한다. IDA-PBC는 모터측의 추종제어를 수행하며 적분슬라이딩모드제어와 결합될 때 공칭제어기의 역할을 하며 전체 공칭제어시스템의 안정도를 보장받도록 한다. 반면에 적분슬라이딩모드제어는 정합조건을 만족시키는 모터측의 외란의 영향을 제거하는데 사용된다. 링크측의 제어기를 설계하는데 있어서는 PD타입의 임피던스제어기와 DOB가 결합됨으로써 강인한 제어특성과 함께 모터측의 기준입력에 적합한 연속적인 입력의 제공이 가능하도록 하였다. This paper proposes a robust controller for flexible joint robots to achieve tracking performance and to improve robustness against both matched and mismatched disturbances. The proposed controller consists of a disturbance observer(DOB), passivity-based controller, and integral sliding mode controller(ISMC) in a backstepping manner. The DOB compensates the mismatched disturbance in the link-side and formulates the reference input for the motor-side controller. Interconnection and damping assignment passivity-based controller (IDA-PBC) performs tracking control of motor-side, and it is integrated to nominal control of ISMC to guarantee the over-all stability of the nominal system, while, matched disturbances are decoupled by the discontinuous control of ISMC. In the design of the link-side controller, PD type impedance controller is designed with DOB and this leads the continuous control input which is suitable to the reference input for the motor-side.
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