병렬 로봇에서 기존 전자 제어식 압력 조절기를 교체하는 응용 사례

병렬 로봇의 개념은 1965년 비행 시뮬레이션 주행에 사용된 스튜어드 플랫폼을 기반으로 하며, 1978년 호주의 저명한 교수인 헌트(Hunt)에 의해 제안되었습니다. 현재 많은 전문가와 학자들이 이 분야에서 이론적, 실질적인 연구를 활발히 진행하고 있습니다.

직렬 로봇과 비교했을 때, 병렬 로봇은 높은 강성, 높은 하중 대 중량비, 균일한 하중 분포, 위치 오차 누적 없음, 용이한 힘 피드백 등의 장점을 가지고 있습니다. 따라서 높은 정밀도, 큰 하중, 그리고 비교적 작은 작업 공간이 요구되는 환경에 적합합니다.

동시에 공압 부품의 성능과 기능이 크게 향상되었고, 전자, 재료, 제어 이론 및 센서와 같은 과학 기술의 발전과 함께 전자 제어식 압력 조절기 제어 기술도 빠르게 발전해 왔습니다. 비례/서보 제어 밸브를 핵심으로 하는 전자 제어식 압력 조절기 제어 시스템은 압력과 유량의 연속적인 변화를 고정밀로 제어할 수 있으며, 자동화 장비의 유연한 생산 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이를 통해 병렬 로봇에 공압 구동 방식을 적용하는 것이 가능해졌습니다.

이 구조는 상부 및 하부 평면 조인트로 구성되며, 이 평면 조인트들은 양 끝에 볼 조인트가 있는 텔레스코픽 연결봉으로 연결되어 상부 플랫폼이 3차원 공간에서 이동 및 회전할 수 있습니다. 대부분의 병렬 로봇은 스크류 로드 또는 전기 유압식 서보 실린더를 동작 구동 장치로 사용합니다. 병렬 로봇의 구동 장치 간의 동작은 서로 독립적일 수 없으므로 매우 엄격한 연동 관계를 유지해야 합니다. 어느 한 링크의 동작 오차라도 제어 실패로 이어질 수 있습니다. 본 연구에서는 유압 제어식 압력 조절기를 병렬 로봇 액추에이터의 전달 매체로 사용하면서, 오차 허용 범위가 더 넓은 전자 제어식 압력 조절기로 대체했습니다.

1. 실린더의 확장된 위치는 상위 컴퓨터의 아날로그 솔버를 통해 얻어져 하위 컴퓨터로 전송됩니다.

2. 하단 컴퓨터는 D/A 변환 카드를 통해 이를 전압(0~10V)으로 변환하여 전자 제어식 압력 조절기로 출력합니다.

3. 전자 제어식 압력 조절기는 전압 크기에 따라 개구부의 크기와 방향을 제어하고, 실린더에 정확한 가스 유량을 공급하여 피스톤의 움직임을 촉진합니다.

4. 피스톤의 이동 위치는 변위 센서로 감지되고, 변위 센서의 피드백 전압은 A/D 카드를 통해 하위 컴퓨터로 출력됩니다. 피스톤 양 끝단의 가스 압력은 공기압 센서로 감지되고, 피드백 전압은 A/D 카드를 통해 하위 컴퓨터로 출력됩니다.

5. 하부 컴퓨터는 피드백 값에 따라 전기 비례 밸브의 제어 전압을 실시간으로 조정하여 실린더가 정확한 위치에 도달하도록 합니다. 6. 플랫폼의 위치 신호는 위치 센서를 통해 상부 컴퓨터로 피드백되고, 상부 컴퓨터는 플랫폼의 위치를 추가로 보정합니다.

전체 제어 과정에서 단일 실린더 제어 시스템에 초점을 맞추었습니다. 단일 실린더 제어 시스템의 실험 개략도는 다음 그림과 같습니다.

전자 제어식 압력 조절기 제어 시스템의 경우, 상태 단일 실린더 제어 방식이 더 나은 제어 특성을 보입니다. 최적 상태 피드백에 PI 제어를 추가하면 시스템 강성을 크게 향상시키고 추적 성능을 개선할 수 있습니다. 0.1Hz~5Hz 주파수 범위에서 우수한 추적 성능을 나타냅니다. 본 실험의 대상은 자동차 서스펜션 시스템의 시험 플랫폼 모델로, 매우 높은 변위 정밀도가 요구되지 않고 속도 및 가속도 응답 속도에 더 민감합니다. 대형 실린더를 채택함으로써 전체 시스템의 부하가 크게 증가했으며, 시스템의 주파수 응답 범위는 5~10Hz에 도달하여 시험 플랫폼의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

주로 실린더와 전기 비례 밸브로 구성된 6자유도 병렬 플랫폼을 채택하여 유압 및 스크류 로드 방식에서 요구되는 6개 액추에이터 간의 엄격한 동작 조합 관계로 인한 제어 어려움을 해소하고 속도 및 가속도 응답 감도를 확보했습니다. 공압 실린더와 전자 제어식 압력 조절기를 동시에 사용함으로써 비용, 소음 및 환경 오염을 크게 줄일 수 있습니다.