이동수단에 장착되는 엔드 이펙터의 기능을 하는 서보 액추에이터의 종류와 특장점 ②

서보 제어
 

공통 PID 루프는 출력 토크 명령을 기록하고 비교할 수 있는 능력 (1월호에서 설명한 첫 번째 접근 방식)과 프로그래밍 가능한 토크 제한(두 번째 접근 방식)에 의해 구현할 수 있다.

<그림1> 토크 제한 및 토크 루프가 있는 PID 위치 루프

<그림1>은 이러한 PID 루프가 일반적으로 어떻게 보이는지 보여준다. 이 루프에는 위치 루프와 전류 루프(토크 루프라고도 함) 의 두 부분이 있다. 전류 루프는 여기에서 정확한 힘 제어가 모터 코일을 통해 정확한 전류를 출력하는 능력에 근거하기 때문에 중요하다. 이는 정확한 모터 코일 전류 센서(일반적으로 증폭기에 있는 홀 효과 센서 또는 강하 저항)로 가능하다.

이러한 방식의 힘 제어에 대한 다른 가정은 액추에이터와 감지 대상 사이에 상대적으로 적은 양의 마찰이 있다는 것이다. 다이렉트 드라이브 모터는 이 요구 사항을 충족하는데 탁월하지만 기어 비가 적당하고 기어박스의 마찰이 적으면 기어 모터도 힘을 감지할 수 있다.

또 다른 애플리케이션, 예를 들어 앞에서 언급한 리니어 액추에 이터로 회전하는 리드 스크류에서의 힘 제어는 여전히 스트레인 게이지를 사용하여 달성할 수 있다. 이러한 애플리케이션에서 힘을 제어하기 위한 일반적인 접근 방식은 모터를 구동하는 데 사용되는 속도 또는 토크 루프를 명령하는 외부 루프 컨트롤러를 추가하는 것이다. 이러한 계단식 힘/속도 루프는 <그림2>에 나와 있다.

<그림2> 외부 스트레인 게이지를 사용한 힘 제어 루프

여기서 명령된 힘은 힘 센서 값과 명시적 으로 결합되어 PID 필터를 통과한다. 그런 다음 이 외부 루프는 수정 신호를 다운스트림 속도 루프로 보낸다. 모터는 명령된 힘을 정확하게 유지하기 위해 지속적으로 전진 또는 후진 명령을 받는다. <그림2>에서 강제 루프의 출력에 있는 데드밴드 필터(Dead band Filter)가 포함되어 있음을 확인할 수있다. 데드밴드 필터는 명령 속도 또는 토크가 0에 가까울 때 헌팅을 줄이는 데 유용하 다. 상한 및 하한으로 프로그래밍이 되며 프로그래밍 시 히스테리시스 효과가 생성된다.

<그림3> 데드밴드 필터

원격 힘 제어 시스템

그리퍼는 힘 감지 및 제어를 설명하는 좋은 예이지만, 엔드 이펙터의 모션 범위 내에서 물체의 존재와 물체의 특성을 감지하기 위한 서보 모터 적용으로서 원격 조정에 의한 힘 제어 시스템이 있다.
<그림4>는 이러한 설정의 구성을 보여준다. 작업자는 원격으로 제어되는 서보 모션 장치의 기계적 복제품을 조작하고 원격으로 작동되는 장치에서 느끼는 힘에 따라 힘 피드백 정보를 받는 다. 이러한 시스템의 애플리케이션에 로봇 수술, 핵 물질 조작, 수중 로봇 공학, 위험 물질 취급 등이 포함된다.

<그림4> 서보 기반 원격 조정

이러한 시스템은 기본적으로 작업자의 메커니즘과 원격 작동 메커니즘 모두 모터 위치 및 토크를 명령하고 이 정보를 원격 카운터 파트에 다시 보고할 수 있는 서보 제어 시스템을 갖추고 있다. 예를 들어, 원격 조정 시스템에서 원격 메커니즘은 조작자가 명령한 방향으로 이동할 때 방해 받지 않는다. 뒤로 밀리는 것이 없기 때문에 원격 메커니즘에서 이동을 수행하는 데 필요한 힘의 양이 적다. 그 적은 양의 힘이 원격 조작자의 작동 메커니즘에 적용되며, 조작자는 이동에 대한 저항이 0 또는 거의 0인 것으로 경험한다.

이제 원격 메커니즘이 벽에 부딪쳤다고 상상해 볼 수 있다. 원격 조작자가 계속해서 액추에이터를 앞으로 밀면 이 움직임에 따르기 위해 원격 메커니즘의 모터가 출력하는 힘이 급격히 증가한 다. 계속해서 작업자의 액추에이터로 다시 출력되는 이 힘은 작업 자가 느끼는 장애이다. 앞으로 움직이려 하지만 그럴 수가 없다. 그들의 액추에이터는 원격 메커니즘에 의해 다시 보내지는 힘 출력을 반영하여 반격한다.

이와 같은 원격 조작 메커니즘에 대해 흥미롭고 특히 강력한 점은 조작자가 벽의 존재(또는 부재)를 느낄 수 있을 뿐만 아니라 마주치는 물체의 물리적 특성에 따라 미묘한 힘의 그라데이션도 느낄 수 있다는 것이다. 따라서 작업자는 단단한 벽, 유연한 재료, 처음에는 딱딱한 표면층이 있지만 더 부드러운 내부로 바뀌는 재료 등의 차이를 느낄 수 있다.

여기에 더해 시스템 양단의 데이터 흐름 및 서보 제어 시스템이 모두 컴퓨터로 제어되기 때문에 시스템에서 힘 감소 또는 증가를 조정할 수 있다. 예를 들어 원격 메커니즘은 초소형 서보 모터의 제어를 받는 주사기 바늘과 같은 매우 작은 물체일 수 있다. 그러한 시스템에서 조작자는 조작자의 메커니즘에 투사된 힘이 천 배또는 심지어 백만 배로 배가될 수 있기 때문에 생물학적 세포만큼 작은 물체를 관통하는 바늘을 느낄 수 있다.

이와 같은 원격 조정 메커니즘의 개발은 아직 초기 단계라고 말할 수 있다. 가능한 애플리케이션의 대부분은 여전히 연구 단계에 있으며, 그러나 외과용 로봇과 같은 적용 분야에서는 상용화되어 수년 동안 사용되고 있다.

가상 모션 시스템
 

다음은 종종 햅틱 시스템이라고도 하는 VMS(Virtual Motion Systems, 가상 모션 시스템)에 대해 알아보고자 한다. 가상 모션 시스템은 물리적 객체와 실제로 상호 작용하는 원격 메커니즘 대신에 상주하는 공간과 함께 물리적 객체가 가상인 원격 작동 시스템으로 생각할 수 있다. 사용자가 손을 뻗거나 검을 휘두르거나 시뮬레이션 된 비행기의 컨트롤을 조작할 때 경험하게 될 힘을 시뮬레이션 한다.

이러한 시스템의 핵심은 동일하다. 작업자의 모션을 감지하고 느낄 수 있는 힘을 전달할 수 있는 서보 기반 시스템과 작업자가 서로 상호 작용한다. 가장 직접적인 예는 상업용 비행기 시뮬레이 터이다. 이러한 장치의 경우 운영자는 시뮬레이션 중인 비행기 조종석의 상세하고 정확한 복제본에 앉아 있다. 비행 중 운전대와 같이 비행 중에 움직일 수 있는 컨트롤을 다룰 때 실제 세계에서 느끼는 것과 정확히 같은 느낌을 받는다. 여기에는 악천후의 영향과 모의 비행으로 비행할 때 모의 비행기가 경험하는 모든 종류의 실제 조건이 포함될 수 있다.

<그림5> 일반적인 VMS 설정

운영 환경의 물리적 복제본이 없는 VMS에서 운영자는 종종 상호 작용하는 환경의 시뮬레이션 이미지를 투사할 수 있는 VR(가상 현실) 헬멧을 착용한다. 이러한 시스템의 예는 사용자가 분자와 같은 물체의 윤곽을 느끼도록 할 수 있다. 조작자는 손에 포스 피드백 조이스틱을 쥐고 VR 헬멧과 함께 물체를 터치하여 물체의 윤곽을 탐색할 수 있다. VR 모션을 위해 비싼 조이스틱이나 시뮬 레이터를 구입해야 하는 것은 아니다.

<그림6> 1축 VR 모션 실험 설정

<그림6>은 이를 실험하는 데 사용할 수 있는 설정을 보여준다. 모터는 위치 피드백용 인코더가 있는 DC 브러시 또는 브러시리스 DC 유형이어야 하며 샤프트에 부착된 다월(dowel)은 사용자가 잡을 핸들 역할을 한다. 모터는 다월에 의미 있는 양의 힘을 가할 수 있는 충분한 힘을 가지고 있어야 한다.

모션 VR 시스템을 실험하려면 모션 컨트롤러를 켜고 Kp(비례 게인) 설정만으로도 가능하다. 다월을 잡고 비틀면 단순한 스프링 동작처럼 느껴진다. 더 세게 비틀수록 모터가 더 세게 저항한 다. Kp 값을 늘리거나 줄여서 스프링을 더 단단하게 하거나 더 느슨하게 만들 수 있다.

다음은 Kp를 끄고 미분항을 켜고 다시 비틀어 본다. 경험하는 느낌은 마치 장부촉이 당밀 욕조에 있는 것과 같은 저항의 느낌이 다. 마지막으로 Ki(적분 이득)을 켠다. Ki를 상대적으로 낮은 값으로 설정하고 Il (적분 한계)을 상당히 높은 값으로 설정한다. 제대로 설정되면 모터에 의한 힘의 증가하는 적용이 마치 살아 있는 것처럼 느껴질 수 있다.

노치 효과
 

단순한 PID 서보 루프의 효과 외에도, 실제 개체 및 상호 작용의 느낌을 시뮬레이션하기 위해 컨트롤러 프로그래밍을 통한 생성할 수 있는 더 많은 효과가 있다. 한 가지 예는 노치 로터리 셀렉 터이다. 일반적으로 이것은 로터리 다이얼이 정착하기를 선호하는 특정 클릭 위치를 생성하는 스프링 메커니즘으로 달성된다.

<그림7> 노치 선택기의 힘 vs 포지션 맵

서보 모터로서 <그림7>과 같이 위치 종속 힘 맵을 생성하는 유사한 시스템을 만들 수있다. 이것은 일반적으로 PID의 출력에 추가된 직접 모터 명령 피드 포워드 항으로 수행된다(실제로 PID가 사용되는 경우). 모터가 회전함에 따라 인코더의 해당 출력이 토크 명령 조회 값을 결정하는 데 사용된다. 또 다른 접근 방식은 모터의 회전 위치에 따라 PID 용어의 변경 사항을 매핑하는 것이다.

전체 창작물은 가상이고 컴퓨터에 저장되기 때문에 셀렉터 다이얼의 느낌을 변경하기 위해 노치의 수, 너비 및 모양을 쉽게 변경할 수 있다. 이러한 유연성은 이와 같은 서보 제어 장치의 고유한 이점이다. 모션 변경을 위해 기계적인 리툴링이 필요하지 않으며 소프트웨어만 변경하면 된다.

또 다른 시뮬레이션 효과
 

물체의 이동 및 관성의 개념을 프로그래밍하면, 사용자가 다월을 비틀고 놓아도 시뮬레이션된 관성으로 인해 계속 회전된다. 이런 효과로, 벽에 부딪히거나 언덕을 오르는 현상 외에도 중력으로 인해 에너지를 잃으면서 속도가 느려지는 현상을 경험해 볼 수 있다.

이 특정 효과의 핵심은 사용자가 다월에 적용하는 힘을 결정하는 관찰자와 개체의 ‘물리학’을 시뮬레이션하는 소프트웨어 프로 그램을 구축하는 것이다. 첫째, VR 모터의 기본적으로 마찰이 없는 시스템에서 계속되는 힘은 본질적으로 저항이 없기 때문에 명령된 위치에서 실제 위치 편차는 다월에 사람이 힘을 가하기 때문일 가능성이 높다. 다음으로 뉴턴의 운동 법칙을 따르는 물체 이동 시뮬레이션이다.

관찰자가 결정한 힘은 F = ma를 사용하여 물체의 가속도를 계산하는 데 사용된다. 그런 다음 시뮬레이션된 개체의 명령된 위치 변경은 P 1 = P 0 +V 0 T+1/2AT 2 를 사용하여 업데이트된다. 즉, 기존 위치(Po), 기존 속도(V0) 및 가속도가 적용된 축의 위치를 추적하는 기본 방정식이다.

관성만으로 물체를 시뮬레이션 하는 것 이상으로 실제 시뮬레 이터는 물체가 기울기를 통과하도록 함으로써 중력의 개념을 추가할 수 있다. 조작자가 물체에 동작을 주입하면 시뮬레이션된 중력으로 인해 더 많은 힘이 필요한 오르막길을 올라가고 윤곽이 평평할 때 추가 힘이 필요하지 않으며 물체가 시뮬레이션이 된 경사로 내려갈 때 물체는 중력으로 인해 자체적으로 가속된다.

지금까지의 예는 간단한 단일 축 액추에이터를 사용했지만 보다 정교한 기계 장치를 갖춘 다축 시스템도 확실히 가능하며 실제로 이미 사용되고 있다. VMS를 사용하여 시뮬레이션이 된 세계와 상호 작용할 수 있는 가능성은 무궁무진한다.

자료제공: PMD(www.pmdcorp.com)