Torque Controlled Hydraulic Actuator with Improved Stiffness using Feedback Spring and Parallel Connecting Mechanism

Abstract

최근, 로봇이 인간의 삶으로 확대됨에 따라 인간-로봇 물리적 상호작용 (pHRI)이 더욱 주목받고 있는 실정이다. 특히, 인간-로봇 물리적 상호작용 성능에 있어 중요한 점은, 로봇의 기계적 임피던스가 낮아야한다는 것이다. 이를 달성하기 위해서는 질량 대비 높은 출력 토크가 보장되어야 하며 해당 목표를 달성하기 위하여 엑츄에이터에 대한 다양한 연구가 진행되어왔다. 하지만, 기존 엑츄에이터는 여전히 질량 대비 출력 토크가 충분하지 않으며, 이는 엑츄에이터에 대한 본 연구를 진행하는 동기가 되었다.

널리 활용되고 있는 전기 모터의 경우 높은 제어 성능을 가지고 있는 엑츄에이터이지만, 낮은 질량 대비 출력 토크를 극복하기 위하여 기계적인 기어 감속기를 주로 사용한다. 이를 통해 출력 토크를 향상시켜줄 수 있으나, 엑츄에이터에 가해지는 마찰력이 엑츄에이터에 기어비의 제곱 배로 증폭되어 전체 로봇 시스템의 내구성 뿐만 아니라 힘 제어 성능을 저하시킬 수 있으며, 각 관절별 질량을 불필요하게 증가시킨다는 문제가 있다. 따라서, 기존의 전기 엑츄에이터-기어 감속기를 인간-로봇 물리적 상호작용을 위한 로봇에 활용하기에는 최적의 선택지가 아닐 수 있다.

전기 모터의 기어 감속기의 문제점을 해결하기 위하여, 로봇의 관절과 엑츄에이터의 위치를 분리하고 이를 와이어를 통해 구동력을 전달하여 로봇의 기계적 임피던스를 낮추는 방식이 있다. 하지만 해당 시스템의 와이어는 지속적인 고부하/고중량 조건에 취약하며, 시스템의 구조가 매우 복잡해진다는 문제점을 가지고 있다.

해당 시스템과 대조적으로 유체를 활용한 구동시스템 (Fluid-driven mechanism)은 와이어 구동시스템 (Tendon-driven mechanism)에 비하여 높은 내구성을 가지고 있으며, 압력 센서를 통해 출력 힘/토크를 피드백하기에 용이하다. 이러한 장점들로 인하여, 기존 전기 구동 시스템에 유압 시스템으로 교체하기 위한 몇 가지 접근법이 제안되어왔다. 이 중 질량 대비 높은 출력 토크 및 속도를 가지고 있는 전기-유압 서보 시스템 (EHSS)에 대한 관심이 높아졌다. 이러한 시스템은 정형화된 특정 작업을 수행하는 산업용 로봇에 광범위하게 활용되고 있지만 인간-로봇 상호작용 (pHRI)과 같은 비정형화된 환경에 적용하기에는 부적합하다. 뿐만 아니라, 해당 시스템의 경우 속도 제어 시스템으로 정확한 출력 힘/토크 제어가 어려워 인간-로봇 상호작용 (pHRI)에 활용하기 어렵다.

이러한 전기-유압 서보 시스템 (EHSS)의 출력 힘/토크 제어성능 및 낮은 질량 대비 출력 토크 문제를 극복하기 위하여 다양한 연구들이 진행되어왔다. 하지만, 해당 방안들은 추가적인 센서나 매커니즘이 요구되어 질량 대비 출력 토크가 낮아지고 복잡한 시스템을 보여주며, 외부 충격 등에 대한 내구성이 떨어진다는 문제점을 가지고 있다.

이러한 유압 구동 시스템의 문제점을 해결하기 위하여, 본 연구실에서는 유압 시스템에 기계적인 압력 피드백이 있는 기존 역구동 서보 밸브를 발굴하여 전기-유압 토크 엑츄에이터 (EHTA)의 개념을 제안하였다. 해당 엑츄에이터는 전기 모터와 같이 직접 출력 토크를 제어할 수 있어 기존 전기 모터의 상호작용 제어 알고리즘을 그대로 활용할 수 있으면서 높은 질량 대비 출력 토크를 보장할 수 있다. 하지만, 기존 판매되는 역구동 밸브는 정적, 동적 성능에 한계가 있어 이를 향상 시키는 방안을 본 연구를 통해 제안한다.

또한, 전기 시스템의 전력을 연결해주는 전선과 유사한 요소인 유압 호스는 주로 특수 고무로 구성되어 고압을 버티게 된다. 하지만, 유압 호스의 동적 반응에 중요한 요소인 탄성은 온도, 압력의 함수로 나타나 정확한 모델링이 어렵다는 문제점을 가지고 있다. 이러한 유압 호스의 특성으로 인해 전체 유압 시스템의 대역폭과 같은 동적 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 유압 호스는 동적 성능에 대한 악영향 외에 전선과는 달리 최소 굽힘 반경이 0이 아니므로, 다자유도 로봇을 구성하는데 있어 복잡한 구조를 가진다는 문제점이 있다.

앞서 알아본 유압 시스템의 문제점들을 정리하면 다음과 같이 요약할 수 있다. 첫째, 출력 토크가 일정하게 유지되는 영역을 나타내는 토크 제어 대역폭이 향상되어 제어 가능 주파수 범위를 향상시킨다. 둘째, 기존의 유압 시스템에 전기모터의 제어기를 그대로 활용할 수 있도록 하여 유압 시스템의 제어기 개발이 용이하게 한다. 마지막으로, 유압 시스템의 연결 요소인 유압 호스를 병렬 연결 매커니즘을 통해 유압 시스템의 복잡성을 낮추고 유압 호스의 탄성에 의한 영향을 제거하여 유압 로봇의 구동 주파수 범위를 보다 향상시킨다.

관련된 유압 시스템의 문제점을 해결하기 위해, 앞서 알아본 기존의 역구동 밸브의 대역폭을 향상시켜주기 위하여 유량 제어 서보 밸브의 특성인 피드백 스프링과 압력 제어 서보 밸브의 압력 피드백 포트를 동시에 포함하고 있기 때문에 기존의 역구동 서보 밸브인 압력 서보 밸브에 비해 더 넓은 주파수 범위에서 출력 토크의 제어 성능을 보장한다.

또한, 병렬화 매커니즘을 활용하여 유압 구동 시스템의 각 요소들 (전원, 제어부, 구동부)을 연결시켜주는 유압 호스를 대체함으로 호스의 탄성과 전단계수의 문제를 해결한다. 또한, 다자유도 유압 시스템의 복잡한 구조를 해결한다.

그 결과, 다음과 같은 3가지의 효과를 얻을 수 있었다. i) 유효 구동 주파수 영역의 확대로 인한 대역폭 증대, ii) 피드백 스프링을 활용하여 역구동 밸브의 히스테리시스 (Hysteresis) 문제를 해결하여 제어 성능의 향상, iii) 유압 병렬 연결 매커니즘을 활용하여 다자유도 로봇 적용 가능성 확인.

해당 연구를 통해 제안한 역구동 밸브와 병렬 유압 연결 매커니즘을 활용하여 다자유도의 인간-로봇 상호작용 유압 로봇의 가능성을 확대시킬 수 있었다. 하지만, 해당 연구에서 더 나아가 역구동 밸브의 정지 마찰력 문제의 개선 및 반복성능 문제의 개선이 요구 되며, 병렬 유압 연결 매커니즘의 마찰력을 최소화 하여 전기-유압 토크 엑츄에이터 (EHTA)의 제어 성능 향상이 요구된다.

This paper proposes novel backdrivable servovalves and a parallel connecting mechanism to implement a torque-controlled electro-hydraulic actuator. The proposed backdrivable servovalves simultaneously take the characteristics of a flow-control servovalve and a pressure-control servovalve which are represented by feedback spring and pressure feedback port. In addition to the feedback spring and pressure feedback port, the alignment mechanism and grooved spool structure will be applied to alleviate the static friction. Furthermore, the parallel connecting mechanism can solve the complex configuration and elasticity and shear modulus of the hydraulic connecting component (= hydraulic hose).

Consequently, these enhance the torque control performance of electro-hydraulic torque actuators (EHTA), which consist of backdrivable servovalves, a parallel connecting mechanism, and double-vane rotary hydraulic actuators. First, effective torque bandwidth, which refers to the frequency region that has consistent gain, which is limited by the dynamics of servovalve and hydraulic hoses. Second, static friction inside spool chamber of servovalve negatively affects the spool dynamics, which causes significant null-bias and hysteresis in input-output profile of the pressure servovalve. Finally, because of its dynamic characteristics of conventional pressure servovalve and hydraulic hoses, it is hard to design the safe interaction controllers.

With these advantages, we achieved a torque-source actuator with proposed backdrivable servovalve and hose-less system. In this paper, the proposed backdrivable servovalve and parallel connecting mechanism integrated EHTA were evaluated through system modeling and experiments.