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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김기현
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 한국공학대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수6
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ILC(반복학습제어)는 산업현장에서 지속적으로 사용되는 모든 로봇들의 제어사양을 향상시킬 수 있으며, 로봇을 이용한 작업 시 보다 높은 제어사양이 필요한 현장에서 사용할 경우 작은 비용으로 큰 효과를 얻을 수 있다. 디스플레이 산업계에서는 생산력을 높이기 위해 다양한 방법을 사용하는데, 보다 크고 무거운 패널을 안정적이고 빠르게 이동시킬 수 있는 로봇을 사용하는 것은 한정된 공간에서의 생산력을 높이는 가장 보편적인 방식이다. 로봇을 너무 빠르게 구동할 시엔 필연적으로 안정성과 관련된 성능 저하가 일어나는데 성능 저하 요소 중 경로오차와 진동특성이 심하게 발생할 경우 이송중인 패널에 큰 손상을 초래할 수 있다. 이러한 특성들을 개선시킬 수 있다면 로봇구동 중의 안정성을 확보하여 품질을 개선시킬 뿐만 아니라 패널의 이동속도를 높이는 데에 있어 부담이 줄어들어 생산속도를 더 빠르게 하는 등으로 다방면으로의 생산성 증가가 가능하다.
본 연구에서는 유연 링크 로봇 팔 구조를 가진 중고 8세대 디스플레이 패널 이송 로봇에 ILC기반 경로오차 보상 시스템을 추가 적용하여 제어 성능을 향상시키는 방법을 다룬다. 본 연구에서 다루는 로봇 팔은 구동 시 자세에 따라 제어특성이 달라진다. 이를 고려하여 보상 시스템의 알고리즘 설계 시 선행연구를 조사하고 그 중 로봇시스템에 적합한 특성을 가진 기법들을 조합해 ILC 알고리즘을 설계하고, Time Scaling기법을 추가하여 구동 중 달라지는 시스템의 시간지연 특성에 대응할 수 있도록 구상하였다. 상세하게는 ‘SPD-Offline Type’이라는 기본적인 ILC 알고리즘에 로봇 자세에 따라 달라지는 시간 지연특성에 대응할 수 있는 Time Scaling, Time Shifting 기법과 고주파 노이즈를 줄이고 과도 학습 현상을 줄이기 위한 로우패스필터를 추가하여 알고리즘을 설계하였다. 그리고 실험을 통해 각 기법들의 주요 변수들을 점진적으로 개선하여 빠르고 안정적이게 경로오차 보상 데이터를 학습시키고, 학습 결과로서 로봇 팔을 뻗는 모션 중에 발생하는 경로오차를 크게 감소시킴과 동시에 경로오차로 인해 발생하는 진동을 줄인다. 이러한 최종적인 ILC 알고리즘을 설계하기 위해 동역학 해석 시뮬레이션 기반 예비연구를 진행하였는데, 선행 연구자료 기반으로 설계된 알고리즘을 유연 링크의 팔 구조를 가진 로봇 시스템에 적용했을 때, 그 특성들을 분석하고 이를 기반으로 개선할 수 있었다. 또한 개선된 알고리즘을 실제 로봇시스템에 적용하여 실험 및 분석을 통한 보상 시스템의 특성을 확인하고 알고리즘을 개선하는 연구를 진행하였다.
최종 실험 결과 수치적으로는 RMS 경로 오차 값이 90% 이상 감소하고 이에 따라 기존 경로오차로 인해 발생하던 진동이 크게 줄어드는 것을 확인하였다. 이로써 8세대 대형 디스플레이 패널 이송로봇을 ILC 기반 경로오차 보상 시스템 추가 적용함으로써 제어성능을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였으며 보상시스템의 특성들을 파악할 수 있었다. 또한 설계한 ILC알고리즘에 적용된 기법의 핵심변수들을 매개변수화하고 실험을 통한 분석내용과 각각의 매개변수의 특성들을 근거로 변경해 나가며 점진적으로 제어성능을 개선할 수 있었는데, 이는 비전문가도 쉽게 사용할 수 있도록 직관적인 특성을 가진 매개변수를 변화시켜 제어성능을 향상시킬 수 있다는 데에 큰 의의가 있다. 또한 본 연구에서 제시한 ILC 보상시스템은 경로 오차와 이로 인한 진동을 줄일 필요가 있는 산업계의 다른 제어시스템에도 필요하다면 간단하고 효율적인 방식 중 하나로 활용될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 유연 링크 로봇 팔 구조를 가진 중고 8세대 디스플레이 패널 이송 로봇에 ILC기반 경로오차 보상 시스템을 추가 적용하여 제어 성능을 향상시키는 방법을 다룬다. 본 연구에서 다루는 로봇 팔은 구동 시 자세에 따라 제어특성이 달라진다. 이를 고려하여 보상 시스템의 알고리즘 설계 시 선행연구를 조사하고 그 중 로봇시스템에 적합한 특성을 가진 기법들을 조합해 ILC 알고리즘을 설계하고, Time Scaling기법을 추가하여 구동 중 달라지는 시스템의 시간지연 특성에 대응할 수 있도록 구상하였다. 상세하게는 ‘SPD-Offline Type’이라는 기본적인 ILC 알고리즘에 로봇 자세에 따라 달라지는 시간 지연특성에 대응할 수 있는 Time Scaling, Time Shifting 기법과 고주파 노이즈를 줄이고 과도 학습 현상을 줄이기 위한 로우패스필터를 추가하여 알고리즘을 설계하였다. 그리고 실험을 통해 각 기법들의 주요 변수들을 점진적으로 개선하여 빠르고 안정적이게 경로오차 보상 데이터를 학습시키고, 학습 결과로서 로봇 팔을 뻗는 모션 중에 발생하는 경로오차를 크게 감소시킴과 동시에 경로오차로 인해 발생하는 진동을 줄인다. 이러한 최종적인 ILC 알고리즘을 설계하기 위해 동역학 해석 시뮬레이션 기반 예비연구를 진행하였는데, 선행 연구자료 기반으로 설계된 알고리즘을 유연 링크의 팔 구조를 가진 로봇 시스템에 적용했을 때, 그 특성들을 분석하고 이를 기반으로 개선할 수 있었다. 또한 개선된 알고리즘을 실제 로봇시스템에 적용하여 실험 및 분석을 통한 보상 시스템의 특성을 확인하고 알고리즘을 개선하는 연구를 진행하였다.
최종 실험 결과 수치적으로는 RMS 경로 오차 값이 90% 이상 감소하고 이에 따라 기존 경로오차로 인해 발생하던 진동이 크게 줄어드는 것을 확인하였다. 이로써 8세대 대형 디스플레이 패널 이송로봇을 ILC 기반 경로오차 보상 시스템 추가 적용함으로써 제어성능을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였으며 보상시스템의 특성들을 파악할 수 있었다. 또한 설계한 ILC알고리즘에 적용된 기법의 핵심변수들을 매개변수화하고 실험을 통한 분석내용과 각각의 매개변수의 특성들을 근거로 변경해 나가며 점진적으로 제어성능을 개선할 수 있었는데, 이는 비전문가도 쉽게 사용할 수 있도록 직관적인 특성을 가진 매개변수를 변화시켜 제어성능을 향상시킬 수 있다는 데에 큰 의의가 있다. 또한 본 연구에서 제시한 ILC 보상시스템은 경로 오차와 이로 인한 진동을 줄일 필요가 있는 산업계의 다른 제어시스템에도 필요하다면 간단하고 효율적인 방식 중 하나로 활용될 수 있을 것이다.
목차
목 차목 차 ⅰ표 목차 ⅱ그림 목차 ⅲ국문 요약 ⅴⅠ. 서 론 11.1 연구 배경 및 필요성 11.2 선행 연구 41.3 연구 목적 및 내용 71.4 논문 구성 8Ⅱ. 시스템 구성 92.1 로봇 시스템 92.2 측정 시스템 122.3 ILC 기반 경로오차 보상 시스템 13Ⅲ. Simulation Platform 153.1 가상 로봇 시스템 153.2 ILC 수식 173.3 ILC 알고리즘 테스트 및 분석 18Ⅳ. 실험 및 고찰 234.1 ILC 알고리즘 234.2 실험 및 개선 324.2.1 실험 1 : 추정치 기반 매개변수 대입 334.2.2 실험 2 : Time Shifting, Time Scaling 계수 변경 354.2.3 실험 3 : D gain 제거 374.2.4 실험 4 : P gain 조정 및 Time Scaling 계수 변경 384.2.5 최종 실험 40Ⅴ. 결론 45참고문헌 48Abstract 50감사의 글 54
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