공압실린더를 이용한 6자유도 시뮬레이터의 제작 및 성능분석

Abstract

안정화 플랫폼은 관성공간에서 자세를 안정하게 유지하는 시스템으로 부하를 외란으로부터 격리시키고 주어진 명령추종 성능을 만족시켜야하는 경우에 사용된다. 스튜어트에 의해 처음 소개되어진 스튜어트 플랫폼은 구조적으로 여러 개의 직렬 축에 병렬로 연결된 상조(synergistic) 운동방정식의 병렬운동기구로 폐루프 기구의 특성을 가지고 있다.(1) 구조적 장점으로는 짐벌시스템이나 현가시스템등과 같은 안정화 플랫폼에 비해 넓은 운동범위를 제공하며 위치 정밀도가 좋고 여러 개의 직렬 축으로부터 하중을 분담할 수 있기 때문에 직렬 매니퓰레이터에 비해서는 강성이 크고 우수한 부하 비, 좋은 동적 성능, 쉬운 역기구학 해석 등의 장점을 가지고 있다. 지금까지 제작된 대부분의 스튜어트 플랫폼은 전기구동 모터나 유압 액추에이터를 선형 액추에이터로 사용하였지만 정밀한 자세제어 보다는 가속도의 급격한 변화에 대한 추종성능을 보다 중요한 요인으로 간주하는 경우에는 상판 구동용 선형 액추에이터로서 공압 실린더를 채택할 수 있다. 공압 실린더는 액추에이터 자체로서의 위치제어 성능은 떨어지지만 압축공기의 충진 또는 방출을 통한 가·감속 성능이 우수하므로 스튜어트 플랫폼 상판에 장착할 부하의 크기가 작은 경우에는 상기한 성능을 충분히 달성하면서 저가로 6자유도 운동을 구현할 수 있다. 본 논문에서는 공압 실린더를 이용해서 저부하의 중량물을 고속으로 구동할 수 있는 스튜어트 플랫폼을 제작하고 역기구학을 통하여 제작한 스튜어트 플랫폼의 자세제어 가능 범위를 검토하였다. 다음으로 공압 실린더 구동계와 스튜어트 플랫폼의 선형모델을 이용하여 제어기를 설계하고(2)~(5) 설계한 제어기를 이용하여 각 액추에이터가 목표길이를 추종할 수 있는지를 검토하였다. 이 때, 각 액추에이터의 목표길이는 스튜어트 플랫폼의 상판 중심점 좌표와 회전각을 목표치로 설정한 후 역기구학을 통하여 구하였고,(6) 제어기로는 공압 실린더 제어계에 사용되는 대표적 제어기인 PDD2제어기와 PID제어기를 사용하였다. 마지막으로 각 액추에이터의 위치제어 결과와 순기구학을 사용하여(7)~(9) 목표치로 지정한 상판 중심점 좌표와 회전각을 스튜어트 플랫폼이 잘 추종하고 있는지 비교·분석하였다. 제작한 스튜어트 플랫폼은 가속도의 급격한 변화는 잘 추종하였지만 공압 실린더의 비선형 특성에 의하여 정상상태 오차가 발생하였고 정상상태까지의 정착시간이 다소 긴 것을 알 수 있었다. 이러한 특성은 정밀한 자세제어 보다는 가속도 변화에 대한 추종성능을 강조하는 경우에는 문제가 되지 않을 것으로 판단되지만 공압 실린더의 비선형 제어특성을 보상할 수 있는 제어기를 설계한다면 자세제어의 정밀도를 더욱 향상시키는 것도 가능할 것으로 사료된다.

The study of stewart platform has been proceed and most of Stewart Platform have used electric drive motor or hydraulic actuator to linearized actuator. but if following performance about a sudden change of acceleration is considered to the more important element than a accurate position control, we can select pneumatic cylinder for linearized actuator to drive a upper platform. Pneumatic cylinder is backward at position control performance, but, due to acceleration and deceleration performance by charging or discharging of compressed air is excellence, in load weight connected at upper platform is low case, realizing 6 DOF motion is possible. In this thesis, we manufactured Stewart Platform to drive weight of low-load at hight speed, and, investigated position control possible limits of manufactured Stewart Platform by the inverse kinematics. In the second place, we utilized linearized model of Stewart Platform and pneumatic cylinder driving system in controller design, investigated that possible of each actuators to follow objection-length by designed controller. At this time, objection-lengths of each actuator had been calculated by inverse kinematics after we established upper platform center-point coordinate and revolution angle of Stewart Platform as objection-length, and, used PDD2 and PID controller of typical controller is used pneumatic cylinder control system. Lastly we compared and analyzed that Stewart Platform is following upper platform coordinate and revolution angle are marked objection-value satisfactorily. We can realize that manufactured Stewart Platform follow well about a sudden change of acceleration, but steady state error occurred by nonlinear characteristic of pneumatic cylinder and settling time to steady state is a few long. We estimate that this characteristic is no problem in following performance about a sudden change of acceleration is considered to the more important element than a accurate position control case, but, if we design controller to compensate nonlinear characteristic of pneumatic cylinder, it will be possible to more improve control performance.