Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (2019) 25(12):1093-1100

https://doi.org/10.5302/J.ICROS.2019.19.0159 ISSN:1976-5622 eISSN:2233-4335

토크 제어 로봇을 위한 복합 테스트플랫폼의 설계 및 성능 검증

Multi-functional Test Platform for Torque-controlled Robot: Design and Performance Verification

고 종 성 , 심 재 훈 , 정 재 석 , 황 순 욱 , 박 재 흥* (Jongseong Ko1, Jaehoon Sim1, Jaesug Jung1, Soonwook Hwang1, and Jaeheung Park1,*)

1Department of Transdisciplinary Studies, Seoul National University

Abstract: In this paper, we propose a test platform that can have various configurations according to the research needs and can be easily modified by additional installation of specific functional modules. Various experiments can be conducted by changing the dynamic characteristics of actuators, the rigidity of the joint through additional SEA module, and the robot assembly configuration from horizontal to vertical articulated type. In addition, controllers and encoders were selected to perform torque control experiments well. It is also designed to facilitate further modifications. Therefore, using the proposed test platform in this paper, we expect to be able to measure more reliable, stable and consistent data in an environment where we can freely create new combinations while sharing major modules. It is also expected to contribute significantly to the reduction of research period and cost. Keywords: modular testbed, configuration changeable actuator, torque control, load to motor inertia ratio, series elastic actuator

I. 서론 전류 기반의 토크 제어는 예기치 못한 외란에 유연하게 대

처할 수 있는 특성을 지님에 따라 이를 적용한 로봇의 연구

가 활발하게 이루어지고 있다[1]. 그러나 실제 적용에 있어서

는 위치 추종 성능이 낮다는 점이 가장 큰 난제로 작용하고 있다. 이를 개선하고자 다양한 연구가 진행되고 있으며, 크게 두가지 갈래로서 하드웨어를 개선하는 방법과 제어 알고리

즘의 성능을 개선하는 방법으로 나눌 수 있다. 하드웨어적인 방법으로는 프레임 소재의 변경[2] 또는 조

인트의 강성 변경[3], 하중과 모터 로터의 최적 관성 비율 연구[4-6] 등이 있으며, 제어 성능 개선의 방법으로는 제어 루프에 Disturbance observer를 적용[7,8], 액추에이터 레벨에서의 Stick-slip 마찰 계수 연구[9-11] 등이 선행된 바 있다. 이러한 연구들을 진행함에 있어 이론적 증명은 시뮬레이

션으로도 가능하지만 실제 환경에서는 마찰력, 내부 온도 변화, 링크 프레임의 변형, 자체 하중의 오차 등 다양한 불확실

성이 존재하여 반드시 실물 로봇 실험을 통한 검증 단계가 필요하다. 연구자들은 검증 실험을 위하여 필요에 따라 일회

성 테스트베드를 제작해왔는데, 기존에는 이렇게 매 실험 마다 다른 하드웨어 조건이 불확실성을 야기하는 요소로 작용

하여 체계적인 연구 진행에 또다른 제약으로 작용해왔다. 본 논문에서는 선행 연구의 재현 및 향후 테스트에의 필요

를 충족시킬 수 있는 테스트 플랫폼 하드웨어를 제안한다.

본 테스트 플랫폼은 크게 모듈 3종류의 조합으로써, 액추에

이터 모듈, 조인트 모듈, 링크 모듈로 구성되어있다. 각 모듈

은 다른 기능의 모듈로 쉽게 대체하여 조립할 수 있다. 액추에이터 모듈은 모터 내부 로터에 관성 디스크를 추가

하며 회전 관성을 변화시켜볼 수 있도록 설계하였다. 로터를 외부로 연장하여 브레이크 또는 클러치의 설치가 가능하다. 조인트 모듈로는 토크 센서 모듈을 설치하여 선행 연구와 같이 토크 피드백을 받는 알고리즘의 실험이 가능하며[12], SEA (Series Elastic Actuator) 모듈로 교환하여 조인트 강성을 변화시키는 실험 또한 가능하다. 링크 모듈에는 액추에이터, 조인트 모듈을 필요에 따른 방향으로 조립하여 다른 기구학

적 형태의 로봇으로 재구성할 수 있다. 향후 진행될 후속 연구에서는 이와 같이 본 테스트 플랫폼의 각 모듈을 공유함으

로써 물리적 특성을 동일하게 유지하고 연구 결과의 신뢰성

을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 각 모듈의 기능

을 세분화하여 상세히 설명하였으며, 최종적으로는 하나의 완성된 가변형 모듈러 액추에이터 테스트 플랫폼 (이하 MOCCA : MOdular & Configuration Changeable Actuator test platform)으로 제시하였다. 3장에서는 실물의 제작 과정과 임의의 구동 시험 결과를 기록하였으며, 4장에서는 간단한 PD제어기를 적용한 구동 성능 시험 결과를 제시하였다. 마지막 5장에서는 결론과 함께 향후 MOCCA를 통하여 진행하고자 하는 시험에 대하여 기술하였다.

* Corresponding Author Manuscript received July 15, 2019; revised August 22, 2019; accepted November 6, 2019 고종성: 서울대학교 융합과학부(imkojs@snu.ac.kr, 0000-0002-7494-7307) 심재훈: 서울대학교 융합과학부(simjeh@snu.ac.kr, 0000-0002-0095-5953) 정재석: 서울대학교 융합과학부(jjs916@snu.ac.kr, 0000-0003-0041-1726) 황순욱: 서울대학교 융합과학부(jbs4104@snu.ac.kr, 0000-0001-5459-7963) 박재흥: 서울대학교 융합과학부, 차세대융합기술연구원(park73@snu.ac.kr, 0000-0002-5062-8264) ※ 본 연구는 2017년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. NRF-2015R1A2A1A10055798) ※ 이 논문은 2019 제 34회 제어·로봇·시스템학회 학술대회에 초안이 발표되었음[13]. Copyright© ICROS 2019

Jongseong Ko, Jaehoon Sim, Jaesug Jung, Soonwook Hwang, and Jaeheung Park

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II. 테스트 플랫폼의 구조 및 구성 요소 1. 개요

로봇 제어 알고리즘 개발 및 테스트에 있어 전류 기반 토크 제어는 각 링크의 동역학적 상태가 반영되기 때문에 다양

한 형태의 로봇에서 테스트가 필요하다. 그러나 다관절 상용 로봇의 경우 D-H (Denavit - Hartenberg) parameter로 표현되는 정역학적 형태가 특정되어 있으며 그 구조를 임의로 변경하

거나 추가 센서 등을 부착하기에는 많은 어려움이 따른다. MOCCA는 독립적 기능을 가진 다양한 모듈들의 조합을

통하여, 일반적으로 생각할 수 있는 여러 로봇 형태의 제어 성능 및 제어 알고리즘을 테스트할 수 있는 테스트 플랫폼의 구현을 목표로 설계되었다. 그림 1에서 가장 기본적인 3자유

도 SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm) 로봇 형태

의 조립 상태를 예시로 나타내었다. 각 링크는 개별 구동이 가능하기 때문에 1자유도의 로봇으로 볼 수 있으며, 링크 간 조립 방향을 변경하여 수직 다관절 로봇 등 다양한 형태로 조합하여 사용할 수 있다. 액추에이터 모듈의 가장 큰 특징은 로터의 회전 관성을 자

유롭게 변경할 수 있다는 점이다. 로봇 시스템에서 관성비는 대부분의 경우 부하의 관성이 로터의 관성보다 적게는 수 배에서 많게는 수십 배까지 크게 발생한다. 특히 휴머노이드 로봇의 경우 보행 중 한 발 지지 자세에서 관성비가 순간적

으로 수백 배까지 이르게 되며 이는 곧 제어 불안정성으로 이어지기 때문에 많은 실험을 통하여 최적화가 필요하다. 로봇 관절을 크게 모터와 그 부하의 관점으로 나누어 보았

을 때 부하의 동적 특성은 그림 2의 Schematic diagram에 LJ

으로 표기된 바와 같이 부하 끝에 무게 추를 부착하는 것 만으로 간단히 변화시킬 수 있다. 그러나 일반적인 경우 의도

적으로 로봇의 자체 하중을 높이고자 하는 경우는 드물기 때문에 모터의 로터 회전관성 MJ 을 조정하게 된다. 회전관성

은 감속기의 감속비 제곱에 비례하기 때문에 로터의 감속기 이전 고속 회전 영역에 Inertia disk를 부착할 수 있어야 한다. 본 액추에이터 모듈에서는 로터 샤프트를 모터 케이싱

그림 1. MOCCA의 운용 예시 : 3개의 링크 모듈을 SCARA

로봇 형태로 결합 후 20kg의 Dummy mass를 End effector에 설치.

Fig. 1. Example form of MOCCA : 3 modules configured as 3 DOF SCARA type robot and 20kg dummy mass on the end effector.

그림 2. 액추에이터 모듈의 기본 구성도. Fig. 2. Schematic diagram of actuator module.

그림 3. 액추에이터 모듈과 토크센서 모듈 조합 구성도. Fig. 3. Schematic diagram of actuator & torque sensor module.

그림 4. 액추에이터 모듈과 SEA 모듈 조합 구성도. Fig. 4. Schematic diagram of actuator & SEA module.

외부로 연장할 수 있도록 설계하였으며 케이블 커넥터를 분리하고 이탈방지 너트 2개를 분리하면 쉽게 Inertia disk를 추가하거나 덜어낼 수 있다. 또한 액추에이터 모듈에는 그림 2에 표기된 바와 같이 로

터 측과 부하 측에 개별 엔코더를 설치하여 두 채널에서 위치 값을 취득할 수 있다. 실제 로봇 실험 시 많은 경우에 감속기의 탄성 변형으로 인하여 두 값이 일치하지 않는데, 이러한 오차의 영향을 최소화하는 연구를 위하여 설치되었다. 액추에이터 모듈에는 조인트 모듈을 연결하여 다양한 기

능을 추가할 수 있다. 조인트 모듈의 적용 예로 그림 3에 토크 센서를 적용한 구성도를 도시하였다. 전류 기반 토크 제어 시 조인트에 토크 센서가 없을 경우 토크 전류 목표 값을 출력한 이후에 실제로 정확한 토크가 발생했는지 여부를 알기 어렵다. 그러나 많은 경우 비용 또는 구조적 제약으로 인하여 용도에 따라 필수적인 경우에만 토크센서를 설치한다. 본 토크센서 모듈은 센서를 손쉽게 탈 · 부착할 수 있어 필요 시에만 설치하거나, 혹은 고가 센서로 튜닝 작업 이후 저가 토크 센서를 적용한 모듈로 대체하여 설치할 수 있다. 또다른 조인트 모듈의 예시로 그림 4와 같이 SEA (Series

Elastic Actuator) 모듈의 구성도를 도시하였다. 모터와 부하 사이에 여유 회전각과 스프링의 유연성을 부여하여 로봇의 충돌 등 돌발적 상황에 있어 충돌 대상과 로봇 스스로를 동시

에 보호할 수 있으며, 본 모듈 또한 탈 · 부착이 용이하다. 마지막으로 액추에이터 및 조인트 모듈을 설치할 수 있는

링크 모듈을 제안하였다. 필요에 따라 링크 내부에 각 모듈

Multi-functional Test Platform for Torque-controlled Robot: Design and Performance Verification

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의 조립 방향을 수직, 수평 방향으로 변경하여 설치할 수 있을 뿐만 아니라 각 링크 간의 결합 또한 90도 단위로 회전하

여 체결할 수 있도록 설계하여 기구학적 구조를 쉽게 변경할 수 있다. 2. 액추에이터 모듈

모듈화된 각각의 링크가 독립적인 1 자유도 로봇으로 운용 가능하도록 하고자 하는 취지에 맞추어 액추에이터 모듈

은 중심을 관통하는 중공 및 비회전 케이블 보호관을 포함한 형태로 설계하였으며 구성 요소품 또한 이러한 특징을 반영

하여 표 1과 같이 선정하였다. BLDC모터, 감속기, 엔코더로 구성된 기본 구조는 많은 기존 연구에서 제시된 바와 유사한 형태이나, 필요에 따라 모터의 로터 샤프트에 추가적 요소의 탈부착이 용이하도록 설계 단계에서 중점적으로 고려하였다.

BLDC 모터는 정격 500W급의 Parker 제품을 선정하였으며 감속기는 Harmonic Drive의 중공형 100:1 감속비 모델, 엔코

더는 RLS에서 출시한 마그네틱 엔코더를 사용하였다. 마그

표 1. 액추에이터 모듈 구성 요소품. Table 1. Major parts of actuator module.

분 류 제 조 사 제 품 명 BLDC 모터 Parker K089050-7D1

감속기 Harmonic Drive SHD-20-100-2SH

엔코더 Reader RLS RLC2ICA11BK00A00

엔코더 Ring RLS MR047B040A076B00

엔코더 Reader RLS MB080DCC19BDNA00

엔코더 Ring RLS MRA080BC055DSE00

그림 5. 액추에이터 모듈의 기본 구조. Fig. 5. Basic structure of actuator module.

그림 6. 액추에이터 모듈에서 상단 커버를 제거한 형태. Fig. 6. Actuator module without upper cover.

네틱 엔코더는 중공형 설계가 용이하며 먼지 또는 작은 스크

래치와 같은 외부 요소의 영향에 강인하기 때문에 가장 적합

한 엔코더 형태로 판단하였다. 감속기 이전 로터 샤프트 연결부에 11-bit incremental encoder set (76pole, 115,646cnt/rev), 토크 출력부에 19-bit absolute encoder set (524,288 cnt/rev)을 설치

하여 시험 필요에 따라 복합적으로, 혹은 단일 채널을 선택

하여 사용할 수 있다. 향후 두 엔코더 값의 비교를 통하여 감속기 등 조인트 연결부의 실질 stiffness를 측정하는 시험 또한 진행될 예정이다. 모터 로터 샤프트 최상단의 Incremental encoder ring이 설치

된 프레임에는 그림 6과 같이 회전축을 연장할 수 있는 연결

부를 설계하였다. 모터 stator를 보호하는 케이스를 분해하지 않고도 상단에 브레이크, 댐퍼 또는 추가 관성 질량 부착 등과 같이 다양한 부가 실험 모듈을 사후 설치할 수 있다. 일례로 그림 7에서 제시된 바와 같이 dummy inertia disk를

추가로 부착할 수 있다. 상기 Disk는 STS303 소재로써 각각 직경 75.5mm, 두께 2mm, Izz = 0.4998×10-4 kg·m2 의 작은 disk와 직경 90.0mm, 두께 2mm, Izz = 1.003×10-4 kg·m2 의 큰 disk와 같은 2종을 설치할 수 있도록 설계하였다. 해당 액추에이

터 모듈에는 최대 5장의 disk를 설치하여 rotor inertia를 최대 약 6.4×10-4 kg·m2에 이르기까지 변경할 수 있으며, 이는 그림 8과 같이 제2, 3축을 고정하여 제1축의 부하-로터 관성비 를 시험하는 것을 목표로 설계하였다. 표기된 Z축 기준으로 load inertia loadzzI . = 6.395 kg·m2이며, 초기 rotor inertia

rotorzzI . = 1.4218×10-4 kg·m2 이다. 감속비 η =100 을 반영하

그림 7. 액추에이터 모듈에 dummy Inertia를 추가 부착한 형태. Fig. 7. Actuator module with dummy inertia disk.

그림 8. 부하-모터 관성비 실험을 위한 1자유도 환경. Fig. 8. Experiment set up for load to inertia ratio test on 1 DOF.

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면 부하 대 모터 관성비는 약 4.5:1이며, Inertia disk를 최대로 삽입하는 경우 1:1 비율에 근접하게 된다. 3. 조인트 모듈

일반적으로 모터의 출력축을 다음 링크에 외팔보 형식으

로 직접 연결하는 경우에는 감속기 자체의 모멘트 강성에 의존하도록 설계하거나, 혹은 모멘트 직접 부하를 저감하기 위한 방법으로 말굽 형태의 보강 프레임에 회전축과 평행한 보조 베어링을 삽입하여 부하를 분산시키는 방법을 취한다. 그러나 전자의 경우 감속기의 형번을 키워 부피, 무게와 제작 비용의 증가를 감수해야 하는 제약이 따르며, 후자의 경우 축의 회전 시 두 프레임이 완전히 겹쳐지지 않기 때문에 특정한 어플리케이션에만 활용이 가능하다. 조인트 모듈의 액추에이터 연결부는 상기 두 경우의 단점

을 모두 보완하는 방식으로써, 그림 9에 도시된 형태와 같이 출력 축과 이전 링크 사이에 THK의 CRB (Cross Roller Bearing) 를 삽입하였다. 그 결과 감속기가 받는 부하는 크게 감소하였으며, 감속기의 출력축은 전 단계 링크에 동력 전달 모듈을 별도로 조립하지 않는 한 후속 링크와 완전히 독립적

으로 회전하는 효과를 얻는다. 조인트 모듈으로는 그림 10과 같이 단순한 형태의 프레임

으로 모터 출력축과 링크를 연결하여 동력만을 전달하는 방식을 기본으로 하나, 후술하는 바와 같이 설치 공간이 허용

하는 범위 내에서 토크 센서 등 센싱 모듈 설치, 또는 스프

링 모듈의 부착을 통한 SEA (Serial Elastic Actuator)로의 개조, 또는 벨트-풀리 power transmission 시험 장치 등 다양한 보조

그림 9. 링크 간 무한히 자유 회전이 가능한 조립 상태. Fig. 9. Joint structure status with infinite free rotation.

그림 10. 링크 간 동력 전달이 가능한 조립 상태. Fig. 10. Joint structure with power transmitting frame.

시험 장치의 부착 또한 가능하다. 그림 11에서는 조인트에 부착할 수 있는 토크 센서 모듈

의 사례를 도시하였다. 예시에서 사용된 토크 센서는 기준 축의 회전 방향 단일 성분 토크의 측정에 특화된 제품으로

써 Kistler의 9369A 모델을 사용하였다. -130 pC/N·m의 감도

로 최대 ±200 N·m까지 측정이 가능하며, 자체 하중이 800 g으로 상당하지만 reference sensor로서 적합한 성능을 지닌다. 그림 12에서는 조인트에 부착할 수 있는 SEA 모듈의 설

계 결과를 도시하였다. 직경 8 mm, 길이 12 mm의 스프링을 최대 8개까지 삽입할 수 있으며 그림 13과 같이 측면 프레

임을 분리하여 스프링의 개수 또는 강성을 변경할 수 있다. SEA 모듈 하단에는 incremental encoder를 추가 설치하여, 조인트의 탄성에 의해 순간적으로 발생하는 위치 오차를 측정 가능하며 이를 피드백 제어 변수로서 반영할 수 있도록 구성하였다.

그림 11. 조인트 토크 센서 모듈을 조립한 상태. Fig. 11. Joint structure with torque sensor module.

그림 12. 조인트 SEA 모듈을 조립한 상태. Fig. 12. Joint structure with Series Elastic Actuator module.

그림 13. SEA의 강성 변경을 위한 스프링 홀더 분리 상태. Fig. 13. Disassembling spring holder to change stiffness of SEA.

토크 제어 로봇을 위한 복합 테스트플랫폼의 설계 및 성능 검증

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그림 14. 링크 Main frame과 Sub frame의 회전 결합. Fig. 14. Rotate and reassembling main frame and sub frame.

그림 15. 액추에이터 모듈 축 설치 방향의 변경. Fig. 15. Changing direction of actuator module axis.

표 2. 2개의 모듈을 활용한 Configuration 조합 방향 예시. Table 2. Examples of configuring axis direction with 2 modules.

Z-Z Z-Z’ Z-Y Z-Y’ Z-X Z-X’

N/A N/A

표 3. 3자유도 MOCCA의 Configuration 예시. Table 3. Configuration examples of 3 DOF MOCCA.

Type Conceptual Model CAD Modeling

SCARA

Articulated

SCARA with Wrist

Humanoid Swing-Leg

4. 링크 모듈

MOCCA는 기본적으로 액추에이터 모듈과 2-piece 링크 (430×135×135mm)로 구성된 동일한 모듈 3개를 연결한 형태로서, 그림 14와 같이 직육면체 형태 main frame에 정육면

체 형태 sub frame의 방향을 ±90도, 혹은 180도 회전 결합하

여 다양한 configuration으로 변형이 가능하다. main frame에는 그림 15와 같이 액추에이터 모듈, 혹은 조인트 모듈을 세우

거나 눕히는 두 방향으로 결합할 수 있다. 표 2에는 전·후 링크의 연결 시 선택 가능한 조합 방향을

제시하였으며 R-R-R manipulator로서 총 200종 (2×10×10, 첫 링크는 수평/수직 방향으로 설치, 이후 표 2에 도시된 조합 중 선택)의 구성으로 설치가 가능하다. 또한 링크가 조립되

어 있는 상태에서도 전·후 링크 고정 클램프를 조립하여 쉽게 자유도를 낮출 수 있다. 또한 현재의 수요에 따라 3개의 모듈을 제작한 후 표 3과 같은 3 DOF 구성으로 제시하였으

나 2 DOF + 1 DOF로도 분리하여 사용할 수 있다. 링크 프레임은 하드웨어 개발에 익숙하지 않은 연구자도

쉽게 configuration을 바꾸고 유지보수 할 수 있도록 그 형태

의 단순함을 핵심 설계 방향으로 두었다. 알루미늄 잉곳

(ingot)의 내부 공간을 절삭 가공하여 볼트 결합을 최대한 배제하고 uni-body 형식을 취함에 따라 설계 강성 CAE 해석 결과의 정합성을 보장할 수 있다. 최대 부하 자세에서 dummy mass 20 kg를 얹은 경우에도 최대 발생 응력이 약 30 MPa에 지나지 않는다. 5. 전장 구조 및 제어 시스템 구축

제어 시스템은 그림 16에 표기된 바와 같이 EtherCAT 통신

을 기반으로 Ubuntu PC와 Elmo社의 Gold Solo Whistle 제어기

를 연결하는 방식으로 구성되었다. PC는 Ubuntu 16.04를 기반

으로 real time 구현을 위하여 Xenomai Kernel을 사용하였다. 구동 전원 공급원으로는 MeanWell社의 24V, 48V SMPS를 사용하였다.

그림 16. 전장 구조도 및 제어 시스템 모식도. Fig. 16. Concept map of wire harness and controller system.

Jongseong Ko, Jaehoon Sim, Jaesug Jung, Soonwook Hwang, and Jaeheung Park

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III. 테스트 플랫폼의 제작 및 임의 형태 구동 시험

1. 실물 제작

본 장에서는 실물 로봇의 제작을 완료한 결과를 나타내었

으며 앞서 제 2장에서 다룬 바와 같이 임의의 형태로 하드웨

어 구성을 변경하여 실험이 가능함을 보이고자 한다. 조립 형태는 각 링크의 결합 방식에 따라 다양하게 변경할

수 있으나, 기본 형태는 사용 빈도를 고려하여 그림 17과 같은 SCARA 타입의 수평 Z-Z-Z 조합으로 선택하였다. 중력 방향 자체 하중의 영향을 최소화할 수 있기 때문에 새로운 제어 알고리즘의 성능 테스트에 있어 그 활용도가 높다. 두 번째로 수직 방향으로의 설치 및 활용 가능성 검증을

위하여 그림 18과 같이 임의로 형태를 변경하였다. 제 1축은 지면에 수직 방향으로 설치하였으며, 제 3축은 시계방향으로 90도 회전하여 수직 Z-Z-Y 조합으로 휴머노이드 로봇의 팔이 덤벨을 들어올리는 듯한 형상으로 구성하였다. 구동 시험을 위하여 준비된 상기 두 종류의 형태에 아래와

같은 비례 미분 제어기를 적용하여 전류 기반 토크 제어 환경을 구축하였다.

qkqqk vdpd &−−= )(τ (1)

2. 구동 시험 조건

조립된 MOCCA의 end effector에 2.5 kg의 dummy mass 최대 8개, 총 20 kg의 부하를 추가할 수 있는 샤프트를 설치하였으

며 설치 개수를 0개부터 8개까지 단계적으로 증가시키며 구동 토크를 측정하였다.

3. 구동 시험 결과

시험자의 안전 및 모터 수명을 고려하여 본 시험에서는 각 모터의 최대 구동 토크를 124.2 Nm (모터 정격 토크 1.38 Nm × 감속기 배율 100 × 안전 계수 0.9)로 임의 제한하였다.

그림 19. 수평 Z-Z-Z 조합, 20 kg 부하 시험의 토크 산출 결과. Fig. 19. Torque data of horizontal Z-Z-Z combination with 20 kg

load.

그림 20. 수직 Z-Z-Y 조합, 10 kg 부하 시험의 토크 산출 결과. Fig. 20. Torque result of vertical Z-Z-Z combination with 10 kg load.

수평 Z-Z-Z 조합의 경우 조인트에서 자체 하중을 상쇄하므

로 구동에 필요한 토크가 비교적 낮다. 시험1의 경우 최대치

인 20 kg 부하를 추가하여도 그림 19에 나타난 바와 같이 매 주기에서 일정하게 최대 약 25.5 Nm의 토크가 발생하였다.

그림 17. 지면에 수평 방향으로 설치된 Z-Z-Z 형태의 MOCCA Configuration예시 (영상 캡쳐). Fig. 17. Example of Z-Z-Z type MOCCA Configuration installed horizontally to the ground (Movie-clip capture).

그림 18. 지면에 수직 방향으로 설치된 Z-Z-Y 형태의 MOCCA Configuration 예시 (영상 캡쳐). Fig. 18. Example of Z-Z-Y type MOCCA Configuration installed vertically to the ground (Movie-clip capture).

시험1 : 수평 Z-Z-Z 조합, 축별 ±1 rad, 5초 간 왕복 구동 시험2 : 수직 Z-Z-Y 조합, 축별 ±1 rad, 5초 간 왕복 구동

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시험2의 경우 그림 18과 같이 10 kg 하중을 설치하였을 때 그림 20과 같이 제 1축에 약 113.4 Nm의 토크가 발생하였으

며, 12.5 kg 설치 시 사전 제한 토크를 초과하였다. 이와 같은 시험을 통하여 향후 다양한 실험 수요에 따라

적절한 조합을 구성하여 실험이 가능함을 확인하였다.

IV. 토크 제어 기반 위치추종 성능 시험

1. 배경

앞서 3장에서는 제작된 MOCCA 구성 변경 및 동작 여부

를 확인하였으며, 본 장에서는 간이 성능 시험으로 목표 위치를 원활히 추종할 수 있는지 여부를 검증하고자 한다. 일반적인 강체 동역학을 이용한 Joint space 제어 토크 Γ는

코리올리 힘, 원심력, 중력이 이상적으로 보상되었을 때, 비례미분 제어기를 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

)( ''errorderrorp qkqkAqA &&& +==Γ (2)

A 는 inertia matrix이며 'pk는 비례 이득,

'dk는 미분 이득,

errorq 와 errorq& 는 각각 관절 오차와 관절 각속도 오차를 의

미한다. 2. 성능 시험 조건

MOCCA가 그림 1과 같이 3자유도 SCARA 형태로 구성된 환경에서 전류 기반 토크 제어로 모든 축이 동일한 trajectory를 받아 구동하도록 하였다. 별도 추가 하중은 설치하지 않았으며 2.5초의 시간 동안 이동할 목표 위치는 0 rad 에서부

터 0.3 rad까지이다. 토크 커맨드는 아래와 같이 인가하였다.

시험3 : qkqqk vdpd &−−= )(τ (3)

시험4 : ))(( '' qkqqkA vdpd &−−=τ (4)

dτ 는 토크 커맨드이며 dq 는 목표 관절 각도, q 는 현재

관절 각도, 그리고 q& 는 현재 관절 각속도이다. 제어 주기는

4KHz에서 dq trajectory를 quintic spline으로 생성하였으며 A

행렬은 CAD 프로그램에서 산출된 질량 정보를 기반으로 작성하였다. 각 비례 이득 및 미분 이득의 값은 전체 시스템을 critical damping 상태로 가정하여 결정하였으며 액추에이터의 정상 작동 범위 내에서 임의로 값을 증가시키며 오차 변화 추이를 기록하였다. 3. 성능 시험 결과

시험3의 결과는 그림 21, 시험4의 결과는 그림 22의 그래

프와 같이 나타났다. 두 그래프에서 x 축은 초 단위 시간이며 y 축은 좌측 q (rad), 우측은 에러 값 qqq de −= 이다.

시험3의 경우 12100=pk , 220=vk 에서 위치 추종 오차

eq 가 1축이 0.0004916rad (= 0.02817deg), 2축이 0.0003281rad

(= 0.01880deg), 3축이 0.0004682rad (= 0.02682deg)로 매우 우수

한 성능을 보임을 확인하였다. 시험4의 경우 위치 추종 오차에 있어서는 시험3에 비하여

다소 저조한 성능을 보였으나 이 또한 900' =pk , 60' =vk 에

서 최대 오차 eq 가 약 0.015rad (=0.86deg) 정도로 준수한 성

능을 보였다.

그림 21. Simple PD제어기를 통한 위치추종 성능시험 결과. Fig. 21. Position tracking performance with simple PD control.

그림 22. 관성보정 PD제어기를 통한 위치추종 성능시험 결과. Fig. 22. Position tracking performance with dynamic compensation.

본 장에서는 로봇의 토크 제어에 있어 대표적인 두 종류의

토크 커맨드를 인가하여 각각에 대한 위치 추종 오차의 추이

를 확인하였으며 MOCCA의 실물 조립 완료 이후 이상 없이 제어 알고리즘의 적용 및 구동이 가능함을 확인하였다. 후속 연구에서는 토크 제어 기반 제어 성능에 영향을 미치는 변수

들을 세분화하여 정의하고 실험적으로 검증하는 연구를 진행할 예정이다.

V. 결론

본 논문에서 제안한 MOCCA는 형태를 다양하게 변화시킬

수 있는 종합적 로봇 액추에이터 테스트 플랫폼으로써, 연구 필요에 따라 재구성 가능한 하드웨어를 기반으로 새로운 토크 제어 알고리즘 연구 및 최적화에 기여하고자 하였다. 액추에이터의 rotor inertia와 같은 동적 특성 변경에서부터

SEA 모듈의 추가 설치를 통한 조인트의 강성 변경, 그리고 로봇 조립 형태를 수평 다관절 형태에서 수직 다관절 형태로

의 변경 등 하나의 플랫폼만으로도 다양한 연구를 진행할 수 있으며 향후 추가 개조 또한 용이하도록 설계하였다. 향후 조립된 형태를 변경하여도 주요 모듈은 공유하므로

신뢰성 있고 일관된 데이터를 취할 수 있으며 객관적인 비교 분석이 가능해질 것으로 예상된다. 더불어 연구 기간의 단축 및 비용 절감에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 실물 제작 이후 각 구동 축의 임의 구동 시험과 토크

제어 위치 추종 성능 시험을 완료하여 설계 사양과 같이 정상 작동하며 그 성능 또한 매우 우수함을 검증하였다. 추후 본 테스트 플랫폼을 활용하여 rotor inertia 변경 테스

트, torque constant의 정밀 추정, harmonic gear 및 elastic joint의 탄성 추정, 로봇 상태 추정 등 다양한 후속 연구를 진행하고

자 한다.

고 종 성, 심 재 훈, 정 재 석, 황 순 욱, 박 재 흥

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고 종 성 2014년 연세대학교 기계공학부 졸업. 2014년~현재 삼성전자 생산기술연구소 재직. 2018년~현재 서울대학교 융합과학

부 석사과정 재학 중. 관심분야는 로봇 하드웨어 설계, 토크 제어.

심 재 훈 2015년 고려대학교 기계공학부 졸업. 2015년~현재 서울대학교 융합과학부 석박사통합과정 재학 중. 관심분야는 로봇 하드웨어 설계, 토크 제어.

정 재 석 2015년 서울대학교 전기정보공학부 졸업. 2015년~현재 서울대학교 융합과학부 석박사통합과정 재학 중. 관심분야는 토크 제어, 유연 제어.

황 순 욱 2010년 서울대학교 기계항공공학부 졸업. 2011년~현재 서울대학교 융합과학부 석박사통합과정 재학 중. 관심분야는 토크 기반 로봇 제어, 다족형 로봇 보행 제어, 로봇 기구부 설계.

박 재 흥 1995년 서울대학교 항공우주공학과(공학사). 1999년 서울대학교 항공우주공학

과(공학석사). 2006년 Stanford University Aero/Astro(공학박사). 2009년~현재 서울

대학교 융합과학기술대학원 교수. 관심

분야는 Robot-environment Interaction, Multi Contact Control, Whole-body Control.