내재적 유연성과 역구동성을 이용한 유압 구동 시스템의 동적 상호작용 제어

Abstract

본 연구에서는 전기식 유압 구동 시스템의 외부 환경과의 동적 상호작용 능력을 향상시킬수 있는 방안을 제시한다. 유압 구동 시스템은 타 구동 시스템에 비해 높은 부피 대비 출력과 내구성을 지니고 있어 다양한 산업 현장에 적용되어 왔으나, 특유의 높은 경직성과 외력에 반응하지 않는 비 역구동성으로 인하여 적극적이고 상시적인 물리적 상호작용 능력이 요구되는 필드로봇이나 협동로봇에 적용하는 데 있어 많은 한계를 지니고 있다. 이는 외부 환경이 일반적으로 힘을 입력받아 속도를 출력하는 어드미턴스적 특성을 보이는 데 반해 유압 구동기는 속도를 출력하는 특성을 지니므로, 상호 작용에 있어 호환이 되지 않기 때문이다. 현존하는 선행 연구들은 이를 위하여 주로 압력 센서 혹은 관절 토크센서 등을 이용하여, 모델 기반 힘 제어를 수행함으로써 이를 해결하였으나, 압력 센서를 사용할 경우 유압 구동기의 내부 마찰의 영향을 해결하지 못하고, 힘 센서를 사용할 경우 내구성의 문제로 인한 한계가 존재한다.

기존 연구들을 대체하여 근본적으로 문제를 해결하기 위해, 우선적으로 비 역구동성과 높은 경직성이 어떤 원인으로부터 비롯되는지에 대한 분석을 수행하였다. 첫번째로, 역구동성은 시스템 내부의 유량 흐름을 제어하는 서보밸브의 동역학이 외력에 영향을 받을 수 없도록 설계되어 있기 때문에 발생하며, 유압 구동 시스템이 속도를 출력하도록 하는 근본적인 원인이다. 둘째로, 높은 경직성은 구동기 내부에 흐르는 유압유체의 탄성률이 굉장히 높고, 유압유체가 구동기 동력부와 직접적으로 접촉하여 동력을 전달하기 때문에 발생하며, 이는 시스템이 외부와 접촉할 때 제어 안정성을 상당히 저해한다. 따라서, 유압 구동 시스템의 상호작용성을 높이기 위해서는 비 역구동성 혹은 높은 경직성 중 적어도 하나는 해결되어야 한다. 이를 바탕으로, 본 연구에서는 유압 구동 시스템의 자체 특성을 근본적으로 변화시켜 역구동성 또는 유연성을 확보하는 방안을 제시한다.

첫 번째로, 유압 구동 시스템의 높은 경직성을 개선하고자 유압 탄성 구동기를 제시하였다. 이는 유압 구동기의 구동부에 탄성체를 추가하여 구성된다. 설치된 탄성체가 유압 구동기로부터 나오는 속도를 입력받아 힘을 출력하므로 유압 탄성 구동기는 임피던스로 볼 수 있으며, 외부 환경과의 상호작용에 있어 호환성을 만족시킬 수 있게 된다. 탄성체는 유압 구동기의 높은 힘 출력을 견디면서도 유연성을 유지해야 하므로, 특수강을 사용하고 삼중 나선 형태로 제작하였다. 또한 이렇게 제작된 탄성체의 변형 특성이 비틀림 방향에 따라 상이하여, 두 개의 제작된 탄성체를 병렬 교차 연결함으로써 변형 특성의 대칭성과 보다 높은 내구성을 동시에 확보하였다. 또한 구성된 유압 탄성 구동기의 정확하고 빠른 토크 출력 성능을 위한 제어기를 개발하였다. 제어기는 내부 루프 유압 구동기 위치제어 및 외부루프 스프링 변형 제어기로 구성하였다. 내부 루프 제어기는 강인 내부루프 제어기를 바탕으로 설계되어, 유압 구동기가 스프링 변형으로 인한 반작용 토크를 포함한 외란에 강인하게 동작하도록 하였다. 외부 루프 제어기는 유압 구동기와 출력부 간의 기준 간격을 유지하여 보다 나은 스프링 변형 성능을 확보하기 위한 출력부 속도 보상기와 훅의 법칙을 이용하여 원하는 토크 출력을 내기 위한 스프링 변형으로 구성하였다. 이렇게 구성된 유압 탄성 구동기를 이용한 실험을 통하여 정확하고 빠른 토크 출력 성능과 높은 유연성으로 외부와의 물리적 상호작용 성능을 보임을 검증하였다.

두 번째로, 유압 구동 시스템의 비 역구동성을 개선하고자 역구동 서보밸브를 제시하였다. 이를 위해 기존에 존재하였으나 사장된 기술인 압력 서보밸브를 재발굴하여 그 구조적 특성을 분석하였으며, 스풀에 추가된 구동부 압력 피드백 메커니즘이 전체 유압 구동 시스템에 역구동성과 입력 전압에 비례하는 압출력을 제공한다는 사실을 발견하였다. 또한, 이 메커니즘으로 인하여 전체 유압 구동 시스템의 동특성이 전기모터 기반 구동시스템의 그것과 유사하게 변화하여, 전기모터기반 시스템을 위하여 개발된 각종 제어기들을 별도의 변환과정 없이 그대로 적용시킬 수 있음을 보였다. 결정적으로, 기존의 힘 센서를 이용한 유압 구동 제어 방식과는 상호작용 제어에 있어 힘 센서를 전혀 사용하지 않는다는 점에 차이가 있다. 전술한 역구동 서보밸브의 특성을 검증하기 위하여 힘 센서를 전혀 사용하지 않는 임피던스 제어기를 개발하였으며, 힘 센서 신호를 대체하고자 모멘텀 기반의 외부 토크 관측기를 설계하여 관측된 외부 토크를 피드백하였다. 개발된 임피던스 제어기 또한 피드백받은 관측 외부 토크를 이용하여 시스템이 외부 토크에 대해 항상 수동적으로 동작하도록 함으로서 상호작용 시 안정성을 확보하였다. 구성된 시스템에 개발된 제어기를 적용하여 검증한 결과, 유압 탄성 구동기의 경우와 마찬가지로 안정적이고 유연한 외부와의 상호작용성을 보였으며, 특히 기존의 힘 센서를 기반으로 한 상호작용 제어를 할 때와 비교하여, 힘 센서의 노이즈나 제어 주기의 한계로 인한 성능 저하가 일어날 가능성이 없다는 점에서 장점을 갖는다고 할 수 있다.

이렇듯 제시된 두 가지의 방법을 통하여 고성능의 유압 구동 시스템의 상호작용성을 확보하였으나, 실적용을 위한 다양한 추후 작업이 필요하다. 개발된 구동 시스템은 성능 검증을 위한 프로토타입이므로, 실제 로봇 시스템에 적용하기 위해서는 경량화 및 최적화 된 재설계가 필요할 것으로 보인다. 또한, 개발된 시스템이 이론적으로는 다자유도 환경을 고려하여 개발되었으나, 실제 적용시의 성능검증 또한 필요하다. 마지막으로, 개발된 시스템의 실용성 검증을 위한 유압식 협동로봇, 보조장비, 보행 로봇 등의 적용처를 찾을 필요가 있다.

This thesis proposes actuation and control strategies for improved dynamic interaction of Electro-hydraulic servo systems (EHSS) with external environment. Although having superiority in high power-to-weight ratio and durability compared to other types of actuators, conventional EHSSs have been considered to be unappropriate for interactive robot applications because of its high mechanical stiffness and non-backdrivability. Most of conventional solutions presented to solve this problem are focused on using force/torque sensor feedback. They showed high force and interaction control performance in optimal condition, but resulted in durability loss and noise/control frequency problems because of added force sensors, especially when applied to extreme and harsh environment such as rough terrain and disaster recovery sites. As an alternative to these problems, The presented strategies in this thesis are force-sensorless, hardware-based approaches that are based on added mechanisms to EHSS, to change fundamental characteristics and provide inherent compliance and backdrivability while not having disadvantages of force/torque sensors.

As a first step to achieve this goal, the in-depth investigation of EHSS dynamics is presneted to find fundamental cause that makes the EHSS inappropriate for interaction tasks. It turns out that, mechanical structure of hydraulic servovalve makes EHSS non-backdrivable, and working fluid inside EHSS makes its output mechanical impedance extremely stiff, reducing contact stability and safety. These characteristics combine to make EHSS a velocity-sourced actuation system, which is theoretically not compatible for interaction with external environment.

%%10/21 수정중 Based on the dynamics analysis of EHSS, two different solutions are presented to deal with high-stiffness and non-backdrivability issues. First, a Hydro-Elastic Actuator (HEA) is presented to solve high-stiffness problem of the EHSS. The HEA is designed by adding a compliant element at the end-effector of EHSS. It is shown that the compliant element makes HEA becomes an impedance, so that a compatible interaction with environment is possible. To develop HEA, we present both hardware design and controller design. In hardware design, a compliant element with a specially processed alloy is presented for high durability against high output power of the integrated EHSS and cross-parallel connection strategy for symmetric and linear torque/deflection profile. In controller design, a 2-loop torque generation controller is developed and presented. The controller consists of internal-loop EHSS position control and external-loop spring deflection control. Internal position control was based on robust internal-loop compensator to make EHSS precisely track desired trajectory while rejecting external torque disturbances, including spring reaction torque. External-loop controller generates desired position trajectory of the internal controller which is the sum of desired spring deflection and load velocity compensation.

Second, a backdrivable servovalve is presented to solve non-backdrivability problem of the EHSS. It is shown that by its chamber pressure feedback mechanism on the spool, backdrivable servovalve brings inherent backdrivability and control-input-proportional pressure generation characteristics to the EHSS. It is also shown that dynamics of EHSS then becomes analogous to that of electric-motor-based systems, such that the controllers developed for electric-motor-based systems can be applied without additional modifications. Above all, it is shown that the major difference from conventional force or interaction control solutions for the EHSS is that the backdrivable servovalve requires no force/torque sensors. To verify aforementioned advantages of backdrivable servovalve, a complete force-sensorless impedance controller was developed. To replace force/torque sensors, external torque was estimated with momentum-based observer, and estimated torque was applied to implement a passive impedance controller for the backdrivable-servovalve-based EHSS.

The both developed HEA and backdrivable servovalve showed high precision torque generation performance and low mechanical impedance so that the interaction performance of EHSS is greatly improved in terms of torque generation accuracy and actuation bandwidth. Especially, it is shown that when compared to force-sensor-based strategies, there is no sensor noise and control-frequency limitations in the presented developments.