현재 자동화 작업에서 다양한 그리퍼(gripper)가 산업용 로봇 작업툴로 사용되고 있다. 적응형 그리퍼는 기존 그리퍼보다 인간 핸드(hand)와 유사한 작업이 가능하다. 유연한 동작을 위해서는 높은 자유도가 필요하나, 자유도의 증가는 중량의 증가, 복잡한 설계 및 제어를 필요로 한다. 최근 저자유도로 다양한 형상의 작업물을 파지할 수 있는 적응형 그리퍼에 대한 연구가 증가되고 있다. 본 논문에서는 새로운 부족구동을 갖는 ...
현재 자동화 작업에서 다양한 그리퍼(gripper)가 산업용 로봇 작업툴로 사용되고 있다. 적응형 그리퍼는 기존 그리퍼보다 인간 핸드(hand)와 유사한 작업이 가능하다. 유연한 동작을 위해서는 높은 자유도가 필요하나, 자유도의 증가는 중량의 증가, 복잡한 설계 및 제어를 필요로 한다. 최근 저자유도로 다양한 형상의 작업물을 파지할 수 있는 적응형 그리퍼에 대한 연구가 증가되고 있다. 본 논문에서는 새로운 부족구동을 갖는 적응형 그리퍼 메커니즘을 제시한다. 여기서, 기구의 자유도보다 적은 구동기를 갖는 기구를 부족구동(underactuation) 메커니즘이라 한다. 이는 작업물 형태에 따라 평행그립 또는 파워그립으로 전환된다. 기존 상용 적응형 그리퍼가 가상의 평행사변형 기구의 개념을 사용하는 것과 달리 제안하는 그리퍼 메커니즘은 5절 기구 내부에 실제 평행사변형 기구가 배치되어 있다. 평행그립시 평행사변형 링크가 파지반발력의 일부를 지지하므로 구동토크를 감소시킬 수 있다. 또한, 실제 평행사변형 기구로 평행그립이 가능하므로 구동기의 위치를 자유롭게 배치할 수 있다. 평행그립과 파워그립의 경우에 대한 정기구학, 역기구학 및 정역학 해석방법을 제시하였다. 기존 상용 그리퍼와 같은 조건으로 비교하기 위해 구동기 1개를 사용하는 메커니즘으로 개선설계를 수행하였고, 기구학적 치수는 20% 감소하였음에도 유사한 스트로크를 갖고 평균 구동토크는 30.5%를 감소시킬 수 있는 그리퍼 설계결과를 제시하였다. 구동기 2개를 사용하는 메커니즘으로 상용 그리퍼와의 비교 설계를 통하여 제안하는 그리퍼는 기준 그리퍼보다 평균 구동토크는 13.5% 감소, 스트로크는 6.2% 증가하였다. 부등구속조건(inequality constraint)을 만족하는 목적함수(objective function)를 최소화하는 구속 최적화 설계를 통하여 나머지 설계 변수를 설계하였다. 그리퍼의 최적 설계(optimal design)를 통하여 제안하는 그리퍼의 기구학적인 성능을 보다 향상시켰고 기준 그리퍼보다 평균 구동토크는 29.2% 감소, 스트로크는 15.4% 증가시켰다. 최적 설계 결과를 기반으로 적응형 그리퍼 시작품을 제작하였고 그리퍼 제어기 설계 및 6자유도 로봇의 기구학 해석, 6자유도 로봇과의 인터페이스 및 그리퍼 파지 자동화 실험을 수행하였다. 향후 연구로 비전 및 다양한 센서 등이 추가된 스마트 적응형 그리퍼 설계 연구를 수행하고자 한다.
현재 자동화 작업에서 다양한 그리퍼(gripper)가 산업용 로봇 작업툴로 사용되고 있다. 적응형 그리퍼는 기존 그리퍼보다 인간 핸드(hand)와 유사한 작업이 가능하다. 유연한 동작을 위해서는 높은 자유도가 필요하나, 자유도의 증가는 중량의 증가, 복잡한 설계 및 제어를 필요로 한다. 최근 저자유도로 다양한 형상의 작업물을 파지할 수 있는 적응형 그리퍼에 대한 연구가 증가되고 있다. 본 논문에서는 새로운 부족구동을 갖는 적응형 그리퍼 메커니즘을 제시한다. 여기서, 기구의 자유도보다 적은 구동기를 갖는 기구를 부족구동(underactuation) 메커니즘이라 한다. 이는 작업물 형태에 따라 평행그립 또는 파워그립으로 전환된다. 기존 상용 적응형 그리퍼가 가상의 평행사변형 기구의 개념을 사용하는 것과 달리 제안하는 그리퍼 메커니즘은 5절 기구 내부에 실제 평행사변형 기구가 배치되어 있다. 평행그립시 평행사변형 링크가 파지반발력의 일부를 지지하므로 구동토크를 감소시킬 수 있다. 또한, 실제 평행사변형 기구로 평행그립이 가능하므로 구동기의 위치를 자유롭게 배치할 수 있다. 평행그립과 파워그립의 경우에 대한 정기구학, 역기구학 및 정역학 해석방법을 제시하였다. 기존 상용 그리퍼와 같은 조건으로 비교하기 위해 구동기 1개를 사용하는 메커니즘으로 개선설계를 수행하였고, 기구학적 치수는 20% 감소하였음에도 유사한 스트로크를 갖고 평균 구동토크는 30.5%를 감소시킬 수 있는 그리퍼 설계결과를 제시하였다. 구동기 2개를 사용하는 메커니즘으로 상용 그리퍼와의 비교 설계를 통하여 제안하는 그리퍼는 기준 그리퍼보다 평균 구동토크는 13.5% 감소, 스트로크는 6.2% 증가하였다. 부등구속조건(inequality constraint)을 만족하는 목적함수(objective function)를 최소화하는 구속 최적화 설계를 통하여 나머지 설계 변수를 설계하였다. 그리퍼의 최적 설계(optimal design)를 통하여 제안하는 그리퍼의 기구학적인 성능을 보다 향상시켰고 기준 그리퍼보다 평균 구동토크는 29.2% 감소, 스트로크는 15.4% 증가시켰다. 최적 설계 결과를 기반으로 적응형 그리퍼 시작품을 제작하였고 그리퍼 제어기 설계 및 6자유도 로봇의 기구학 해석, 6자유도 로봇과의 인터페이스 및 그리퍼 파지 자동화 실험을 수행하였다. 향후 연구로 비전 및 다양한 센서 등이 추가된 스마트 적응형 그리퍼 설계 연구를 수행하고자 한다.
In this paper, a novel adaptive gripper with underactuation is presented, which can change its configuration to parallel or power grip mode according to object shapes. Differently from the commercial adaptive gripper by RobotiQ, the proposed gripper includes an actual parallelogram inside a five-bar...
In this paper, a novel adaptive gripper with underactuation is presented, which can change its configuration to parallel or power grip mode according to object shapes. Differently from the commercial adaptive gripper by RobotiQ, the proposed gripper includes an actual parallelogram inside a five-bar mechanism, which allows the free selection of actuator locations and can reduce actuation torques effectively. The forward and inverse kinematics for parallel and power grip modes are derived and the statics analyses of the proposed and commercial grippers are presented. Two kinds of gripper design methods are suggested. The first one is to design actuator locations. The second one is to use the optimal design of minimizing average actuator torque while satisfying the minimum stroke. The gripper with one actuator is designed by the first design method, which results in about 20% smaller size, 3.7% larger stroke, and 30.5% smaller average actuation torque than the commercial one. The gripper with two actuators is designed by the first and second design methods. From the two step designs, the proposed gripper has 15.4% larger stroke, and 29.2% smaller average actuation torque than the commercial one. Based on the optimal design results, the adaptive gripper prototype was developed. The parallel and power grips are tested by mounting the gripper prototype on a 6-axis industrial robot. Further research will focus on the development of the smart adaptive gripper with vision and various sensors.
In this paper, a novel adaptive gripper with underactuation is presented, which can change its configuration to parallel or power grip mode according to object shapes. Differently from the commercial adaptive gripper by RobotiQ, the proposed gripper includes an actual parallelogram inside a five-bar mechanism, which allows the free selection of actuator locations and can reduce actuation torques effectively. The forward and inverse kinematics for parallel and power grip modes are derived and the statics analyses of the proposed and commercial grippers are presented. Two kinds of gripper design methods are suggested. The first one is to design actuator locations. The second one is to use the optimal design of minimizing average actuator torque while satisfying the minimum stroke. The gripper with one actuator is designed by the first design method, which results in about 20% smaller size, 3.7% larger stroke, and 30.5% smaller average actuation torque than the commercial one. The gripper with two actuators is designed by the first and second design methods. From the two step designs, the proposed gripper has 15.4% larger stroke, and 29.2% smaller average actuation torque than the commercial one. Based on the optimal design results, the adaptive gripper prototype was developed. The parallel and power grips are tested by mounting the gripper prototype on a 6-axis industrial robot. Further research will focus on the development of the smart adaptive gripper with vision and various sensors.
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