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문제 정의
- 본 논문에서는 지능형 그리퍼를 구성하기 위한 힘 Fx, Fy, Fz 를 동시에 감지할 수 있는 3 축 힘센서를 개발하였으며, 2개의 3 축 힘센서를 이용하여 지능형 그리퍼를 설계 및 제작하였다.
제안 방법
- PI 제어기의 비례게인 Kp 과 적분게인 Ki을 구하기 위한 특성실험을 실시하였다. 이들 값들을 구하기 위하여 비례게인 값을 10-90 까지 10 단위로 증가시키면서 적분게인을 0.
- 개발한 지능형 그리퍼가 미지물체를 안전하게 잡는지를 확인하기 위하여 특성실험을 실시하였다. Fig.
- 구성한 제어장치가 미지물체를 잡는 특성실험을 실시하였다. 물체를 잡기 위하여 PI 제어를 실시하였다.
- 6 에서와 같이 힘 Fz 가 가해졌을 때는 PPB5 만 변형되었다. 그리고 결정된 스트레인게이지 부착 위치에서 유한요소법을 이용한 해석결과(변형률)을 얻었다. Fig.
- 힘센서의 감지부들을 설계하기 위하여 유한요소해석(finite element method analysis)을 실시하였다. 그리고 스트레인 게이지를 부착하여 센서를 제작하였고, 제작된 센서의 특성평가를 실시하였으며, 제작된 센서를 이용하여 지능형 그리퍼를 제작하여 미지물체를 잡는 특성실험을 실시하였다.
- 5mm 간격, 폭이 6 등분을 하였다. 그리고 스트레인 게이지의 부착위치에서 변형률이 약 250 ㎛/m 가 되도록 유한요소해석을 반복하여 감지부의 크기인 보의 폭, 두께, 길이 등을 결정하였다.
- 이것은 20MHz 로 동작되고 아날로그/디지털 변환기 (analog/digital converter), PWM 모터제어 기능, 타이머/카운터 등을 보유하고 있으며, 센서의 증폭된 신호를 받아 물체의 무게를 계산하고 잡는 힘 제어를 위한 잡는 힘을 계산한다. 그리고 잡는 모터, 상하회전모터, 좌우회전 모터를 구동시키기 위해 각 모터 드라이브에 PWM 포트를 통해 전압을 인가하고, 각 모터에 부착된 엔코더로부터 모터의 회전에 따라 발생되는 펄스를 타이머/카운터 포트를 통해 받아들인다. 모터드라이브는 드라이브 IC(HD74HC14P)를 이용하여 제작된 키트를 사용하였다.
- 실시하였다. 물체를 잡기 위하여 PI 제어를 실시하였다. PI 제어기의 출력식은 다음과 같다.
- 본 논문에서는 2개의 3 축 힘센서를 이용하여 지능형 그리퍼를 설계 및 제작하였으며, 그리퍼의 핵심 부품인 힘 Fx, Fy, Fz 를 동시에 감지 할 수 있는 3 축 힘센서를 개발하였다. 이 센서는 병렬평판보(PPB : parallel-plate beam) 5 개로 구성되는 단일몸체로 새롭게 모델링되었다.
- 본 연구에서는 X, y, z 방향의 힘 Fx, Fy, Fz 를 동시에 감지할 수 있는 3 축 그리퍼 힘센서를 Fig. 2 과 같이 모델링하였다. 3 축 힘센서의 감지부는 5 개의 병렬평판보로 구성되어 있고, PPB1과 2 는 수평 방향, PPB3과 4 는 수직방향, PPB5 는 전후 방향으로 각각 2개의 평판보가 평행으로 놓여져 있다.
- 9 는 3 축 힘센서의 특성실험을 위한 시험장치를 나타내고 있으며, 암(arm), 추(weight), 고정구 (fixture), 즉 정장치 (measuring device(DMP40)) 로 구성되었다. 센서의 특성 실험은 특성 실험 장치를 이용하여 힘 Fx, Fy, Fz 를 각각 20 N 를 센서에 가하여 각각 3 회씩 실시하였으며, 그 값들을 평균하였다. 센서에 힘을 가하는 방법은 센서를 각 방향의 힘에 따라 실험장치의 몸체의 수직면 흑은 수평면에 고정한 후 암의 양쪽 끝에 동일한 무게의 추 1과 추 2 를 매단다.
- 16 은 잡는 힘을 결정하기 위한 특성실험장치를 나타내고 있다. 실험 방법은 제어장치가 그리퍼를 제어하여 잡는 힘 2~20N 을 2N 단위로 증가시 키면서 잡고 각각의 잡는 힘에서 5N 단위의 추를 매달며, 그리퍼과 블록의 접촉면에서 블록이 미끄럼이 발생될 때 추의 무게를 계산하였다. 그리퍼와 블록의 접촉면적은 800mm2(32x25mm)이다.
- 유한요소해석을 위해 결정되어야 할 설계변수는 센서의 용량은 음료수병 등을 잡을 수 있도록 각 센서 Fx, Fy, Fz 모두 20 N, 정격변형률은 센서 감지부의 강도를 고려하여 각 센서 모두 1000 /wi/ot ±1006-7, 스트레인게이지의 부착위치는스트레 인게이지의 크기 17.6mm2(3.2x5.5mm)를 고려하여 보의 길이 방향으로는 모두 보의 양끝 지점으로부터 1.5 mm 떨어진 지점이고, 보의 폭 방향으로는 보의 길이 방향의 중심선상으로 결정하였다. Fig.
- 위한 특성실험을 실시하였다. 이들 값들을 구하기 위하여 비례게인 값을 10-90 까지 10 단위로 증가시키면서 적분게인을 0.05~0.40 까지 0.05 단위로 증가시키면서 수동으로 계단응답(unit step response) 특성실험을 실시하였다. 그 결과 비례게인 Kp는 30 이고 적분게인 Ki는 0.
대상 데이터
- 7mm 로 하였기 때문이다. 3 축 힘센서는 Fig. 7 에 나타낸 스트레인 게이지의 부착위치에 순간접촉제 (M-bond 200) 를 이용하여 스트레인 게이지(N2A-13-T001N-350)를 부착하였으며, 완전결선회로(휘스톤브리지회로)를 구성하여 제작되었다. Fig.
- 증폭기 1과 2 로 보낸다. Fig. 13 은 설계한 증폭기의 회로도를 나타내고 있고, 증폭기 (AD627AN)과 다수의 저항 및 콘덴서로 구성되어있으며, 3 축 힘센서 1과 2 가 총 6 개의 힘센서로 구성되어 있으므로 증폭기는 총 6 개를 제작하였다. 저항(R19)은 각 힘센서의 완전결선회로(휘스톤브리지회로)의 0 점을 변화시키는 가변저항이고, 저항(R18)은 수 mV 의 각 힘센서의 출력을 증폭하기 위한 가변저항이다.
- 유한요소법에 사용된 소프트웨어는 ANSYS 이다. 감지부의 재질은 소용량의 힘센서의 감지부로 많이 사용되는 알루미늄 2024-T351 를 사용하였다.
- 실험 방법은 제어장치가 그리퍼를 제어하여 잡는 힘 2~20N 을 2N 단위로 증가시 키면서 잡고 각각의 잡는 힘에서 5N 단위의 추를 매달며, 그리퍼과 블록의 접촉면에서 블록이 미끄럼이 발생될 때 추의 무게를 계산하였다. 그리퍼와 블록의 접촉면적은 800mm2(32x25mm)이다. 실험결과 추의 무게는 잡는 힘의 약 2.
- 그리고 잡는 모터, 상하회전모터, 좌우회전 모터를 구동시키기 위해 각 모터 드라이브에 PWM 포트를 통해 전압을 인가하고, 각 모터에 부착된 엔코더로부터 모터의 회전에 따라 발생되는 펄스를 타이머/카운터 포트를 통해 받아들인다. 모터드라이브는 드라이브 IC(HD74HC14P)를 이용하여 제작된 키트를 사용하였다.
- 좌우회전모터는 그리퍼, 잡는 모터, 상하회전모터 등의 기구를 좌우로 360° 회전시키는데 사용되고, 상하회전모터와 같은 종류를 사용하였다. 사용된 모터, 감속기, 엔코더의 제조회사는 맥슨(MAXSON) 이다.
- 이것은 마이크로프로세서(80C196KC), 잡는 모터(motor 1), 상하 회전 모터(up-down rotation motor), 좌우회전모터 (left-right rotation motor), 3 축 힘센서 1과 2, 증폭기 (amplifier) 등으로 구성되어 있다. 사용된 제어장치는 마이크로프로세서 (80C196KC)를 사용하여 제작된 키트를 사용하였다. 이것은 20MHz 로 동작되고 아날로그/디지털 변환기 (analog/digital converter), PWM 모터제어 기능, 타이머/카운터 등을 보유하고 있으며, 센서의 증폭된 신호를 받아 물체의 무게를 계산하고 잡는 힘 제어를 위한 잡는 힘을 계산한다.
이론/모형
- 이 설계변수 중 감지부의 크기인 정격변형률, 보의 폭, 보의 길이, 보의 높이 등, 즉 감지부를 설계하기 위하여 유한요소법(finite element method, FEM)을 이용하여 각 센서의 감지부를 설계하였다.
- 이 센서는 병렬평판보(PPB : parallel-plate beam) 5 개로 구성되는 단일몸체로 새롭게 모델링되었다. 힘센서의 감지부들을 설계하기 위하여 유한요소해석(finite element method analysis)을 실시하였다. 그리고 스트레인 게이지를 부착하여 센서를 제작하였고, 제작된 센서의 특성평가를 실시하였으며, 제작된 센서를 이용하여 지능형 그리퍼를 제작하여 미지물체를 잡는 특성실험을 실시하였다.
성능/효과
- 각 센서의 스트레인게이지 부착위치에서의 유한요소 해석결과인 변형률들을 식 (2)에 대입하여 계산한 결과 Fx 센서인 경우에는 938 pm/m , Fy 센서인 경우는 936 ㎛/m , Fz 센서인 경우에는 941 ㎛/m을 얻었다. 예상한 정격변형률인 1000㎛/m 보다 약간 적게 설계한 것은 감지부의 두께가 0.
- 개발한 3 축 힘센서는 최대상호간섭오차가 0.9 %로 매우 우수함8을 확인하였다. 또한 개발한 2 개의 3 축 힘센서를 이용하여 설계 및 제작한 지능형 그리퍼가 미지물체를 안전하게 잡는 것을 확인하였다.
- 결정된 설계변수들을 유한요소해석한 결과, 보의 폭 b1과 b2모두 12 mm, 보의 길이 l1과 12 는 각각 10 mm 와 8mm, 보의 두께 t1 은 0.7 mm, t2는 0.84 mm, 그리고 힘전달블록 B3 에서 PPB5 의 평판보의 끝까지의 거리 %은 5mm, 힘 전달 블록의 중심선으로부터 평판보 9 의 높이 t2의 중심선까지 의 거리는 9.58mm 이 었다. 유한요소법에 사용된 소프트웨어는 ANSYS 이다.
- 17 은 계단응답 특성실험결과를 나타내고 있다. 그 결과 오버슈트(overshoot)는 0.1N, 정상상태오차 (steady state error)은 0.1N, 상승시간(rising time)는 0.5s 이내이었다. 위와 같은 오차가 발생한 것은 비례게인과 적분게인이 최적의 값이 아니고 제어장치의 노이즈 때문인 것으로 생각된다.
- 9 %로 매우 우수함8을 확인하였다. 또한 개발한 2 개의 3 축 힘센서를 이용하여 설계 및 제작한 지능형 그리퍼가 미지물체를 안전하게 잡는 것을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 개발한 3 축 힘센서는 미지물체를 안전하게 잡을 수 있는 지능형 그리퍼로 사용될 수 있고, 지능형 그리퍼는 미지물체를 안전하게 잡는데 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
- 본 연구에서 개발한 지능형 그리퍼는 물체를 안전하게 잡은 후 좌우와 상하로 각각 360° 회전할 수 있고, 최대 85mm 까지 잡을 수 있으며, 최대 20N 의 무게를 가진 미지물체를 잡을 수 있다.
- 유한요소해석에 의한 정격출력을 기준으로 실험에 의한 정격출력을 비교한 결과, 최대 630%의 오차를 보였다.
후속연구
- 또한 개발한 2 개의 3 축 힘센서를 이용하여 설계 및 제작한 지능형 그리퍼가 미지물체를 안전하게 잡는 것을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 개발한 3 축 힘센서는 미지물체를 안전하게 잡을 수 있는 지능형 그리퍼로 사용될 수 있고, 지능형 그리퍼는 미지물체를 안전하게 잡는데 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
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