[논문]로봇팔을 위한 중력보상기 연구

최형식; 김동호; 허재관

doi:10.5916/jkosme.2009.33.2.226

로봇팔을 위한 중력보상기 연구
A Study on a Gravity Compensator for the Robot Arm 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.33 no.2, 2009년, pp.226 - 232

최형식 (한국해양대학교 기계정보 공학부) , 김동호 (한국해양대학교 대학원 기계공학과) , 허재관 (한국해양대학교 대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a design and analysis of a gravity compensator which is a new device to reduce the joint torque of robots caused due to gravity is presented. Joints of all robots are loaded by large torques due to gravity. By applying the gravity compensator to the robot joints, the load torques applied to the robot joints are reduced by the repulsive force of the gravity compensator such that the size of the joint actuation motor can be reduced. In this paper, the structure and force relation of the gravity compensator are analyzed. The superior performance of the proposed gravity compensator is verified through experiments which measure the joint motor current caused by the load applied to the robot link.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 로봇의 관절구동기의 중력으로 인하여 로봇의 관절 구동기에 가해지는 부하를 저감하여 관절구동기의 토크성능을 상대적으로 개선시킬 수 있는 새로운 개념의 중력보상기에 대해 연구하였다. 본 논문에서 제안하는 중력보상기의 기본 원리는 국내특허 등록 중인 새로운 개념으로 국내외적으로 개발된 적이 없는 독창적인 원리를 바탕으로 한 장치에 대한 연구이다.^[7]중력보상기를 적용한 관절 구동기 구조와 동작 메커니즘에 대한 연구와 이를 로봇의 관절에 적용하여 중력으로 인한 부하토크의 저감특성을 연구하였다.
본 논문에서는 로봇의 관절구동기의 중력으로 인하여 로봇의 관절 구동기에 가해지는 부하를 저감하여 관절구동기의 토크성능을 상대적으로 개선시킬 수 있는 새로운 개념의 중력보상기에 대해 연구하였다. 본 논문에서 제안하는 중력보상기의 기본 원리는 국내특허 등록 중인 새로운 개념으로 국내외적으로 개발된 적이 없는 독창적인 원리를 바탕으로 한 장치에 대한 연구이다.
중력보상기를 최적으로 설계하여 로봇의 관절 구동기에 설치하면 관절 구동기에 가해지는 부하토크를 크게 저감할 수 있다. 본 논문에서는 이를 위해 제안한 중력보상기의 성능을 검증하기 위하여 기본적인 실험 장치를 구축하고 실험하였다.
본 논문에서는 중력으로 인하여 로봇의 관절 구동기에 가해지는 토크 부하를 경감할 수 있는 새로운 개념의 중력보상기 구조 및 이의 특성연구를 수행하였다. 이를 위하여 중력보상기 및 이의 시험 장치를 직접 제작하여 실험을 수행하였다.

제안 방법

본 논문에서 제안하는 중력보상기의 기본 원리는 국내특허 등록 중인 새로운 개념으로 국내외적으로 개발된 적이 없는 독창적인 원리를 바탕으로 한 장치에 대한 연구이다.^[7]중력보상기를 적용한 관절 구동기 구조와 동작 메커니즘에 대한 연구와 이를 로봇의 관절에 적용하여 중력으로 인한 부하토크의 저감특성을 연구하였다. 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안한 중력보상기의 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 Matlab을 사용하여 중력보상기의 토크 저감특성에 영향을 주는 중요한 인자들과 부하토크의 상관관계를 나타내는 역학관계식을 적용한 시뮬레이터를 구성하였다. 중력보상기의 설계에 중요한 인자를 정의하고 이를 적용하여 부하토크에 대한 보상력에 대한 예측을 하여 궁극적으로 최적의 중력보상기를 설계할 수 있는 시뮬레이터를 구성하였고 이를 이용하여 실험에 사용되는 중력보상기의 설계 인자 값을 도출하였다.
5kg의 외부부하 하에서 관절 구동기에 중력보상기를 적용한 것과 하지 않은 각각의 경우에 대해 구동 모터에 부과되는 부하 전류를 측정하여 성능을 비교하였다. 실험은 로봇 팔의 부하가 가장 많이 걸리는 형태인 링크의 방향이 지면과 평행일 때, 즉 로봇팔의 각도가 90℃의 경우의 부하전류를 측정하여 비교하였다. 또한 시뮬레이션의 검증을 위하여 실험의 조건을 시뮬레이션의 것과 일치시켰다.
실험은 링크의 끝단에 2.5kg의 외부부하 하에서 관절 구동기에 중력보상기를 적용한 것과 하지 않은 각각의 경우에 대해 구동 모터에 부과되는 부하 전류를 측정하여 성능을 비교하였다. 실험은 로봇 팔의 부하가 가장 많이 걸리는 형태인 링크의 방향이 지면과 평행일 때, 즉 로봇팔의 각도가 90℃의 경우의 부하전류를 측정하여 비교하였다.
실험은 중력보상기에 연결된 로봇 팔의 링크 끝단에 2.5kg의 부하를 달고 중력보상기를 적용하였을 때와 하지 않았을 때에 관절구동기 내의 구동모터에 가해지는 부하토크전류를 측정하여 중력보상기의 토크저감성능을 검증하였다. 실험에 사용한 중력보상기의 제원은 Table 2과 같다
본 논문에서는 중력으로 인하여 로봇의 관절 구동기에 가해지는 토크 부하를 경감할 수 있는 새로운 개념의 중력보상기 구조 및 이의 특성연구를 수행하였다. 이를 위하여 중력보상기 및 이의 시험 장치를 직접 제작하여 실험을 수행하였다.
2에서와 같이 로봇 관절부에 고정되는 고정판과 이에 밀착하여 중심이 로봇의 링크가 결합되는 모터/감속기의 회전축에 결합되어 회전하는 회전판, 그리고 회전판 면의 원주를 따라 형성된 슬롯과 슬롯 내에 삽입되는 스프링으로 구성되는 매우 간결한 구조로 구성된다. 중력보상기의 부하토크 감쇄는 회전판에 연결된 로봇 링크에 가해지는 중력으로 인한 부하가 회전각에 따라 원주방향의 스프링을 압축시켜 이의 반발력에 비례하여 부하를 감소시키는 특성을 갖도록 구성하였다.
본 논문에서는 Matlab을 사용하여 중력보상기의 토크 저감특성에 영향을 주는 중요한 인자들과 부하토크의 상관관계를 나타내는 역학관계식을 적용한 시뮬레이터를 구성하였다. 중력보상기의 설계에 중요한 인자를 정의하고 이를 적용하여 부하토크에 대한 보상력에 대한 예측을 하여 궁극적으로 최적의 중력보상기를 설계할 수 있는 시뮬레이터를 구성하였고 이를 이용하여 실험에 사용되는 중력보상기의 설계 인자 값을 도출하였다. Fig.
식 (2)에 의해 회전반경 D의 크기가 증가함에 따라 부하는 감소함을 알 수 있으나 L과 θ_r의 변화에 따른 특성파악이 필요하다. 즉, 피칭 방향으로 동작을 하는 로봇의 관절에 적용될 중력보상기를 설계하기 위해 Fig. 4와 같이 로봇의 링크와 중력보상기 사이의 역학 구조를 나타내고 각 인자 간의 관계를 나타내는 식을 도출하였다.
7과 같이 측정장치를 구성하였다. 측정 장치는 로봇 팔의 위치를 제어하기 위한 제어기 및 드라이버 시스템, 외부부하에 의해 모터에 가해지는 부하 전류를 검출하고 안정화하는 홀센서를 포함하는 전류측정 시스템, 홀센서로부터의 전압을 A/D 변환하여 통신으로 측정값을 저장하는 시스템으로 구성된다.

대상 데이터

5와 같은 기초적인 실험 장치를 구성하였다. 실험장치는 링크가 1개인 로봇 팔을 구성하고 이 링크를 중력보상기의 회전판에 연결된 관절구동기의 축에 고정하였다. 실험 장치 구성에 사용된 제원은 Table 1과 같다.
전류의 계측은 0.05초마다하였고 샘플은 10개를 추출하였다. 실험결과를 Fig.

데이터처리

^[7]중력보상기를 적용한 관절 구동기 구조와 동작 메커니즘에 대한 연구와 이를 로봇의 관절에 적용하여 중력으로 인한 부하토크의 저감특성을 연구하였다. 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안한 중력보상기의 성능을 검증하였다.

이론/모형

또한 시뮬레이션의 검증을 위하여 실험의 조건을 시뮬레이션의 것과 일치시켰다. 이때, 링크를 구동하는 모터와 하모닉드라이버로 구성된 관절구동기의 보를 수평으로 유지하기 위하여 PID 제어 알고리즘을 적용하여 제어하였다. 중력보상기를 적용한 것과 하지 않은 경우에 PID 이득을 똑같이 적용하였다.

성능/효과

은 토크 상수이다. 무부하 오프셋 전류 I_o는 실험을 통해 측정한 결과 0.005A 이하로 매우 작아서 무시할 수 있었다. 따라서 식 (5)에서 부하토크 T_m과 전류 I_m은 비례적인 관계로 설정되며 부하 토크의 크기는 전류의 측정으로 알 수 있다.
본 논문에서 개발한 중력보상기는 회전운동을 하는 로봇 팔이나 보행 로봇을 위한 구동모터에 직결된 감속기로 구성된 관절 구동기에 연결된 링크에 가해지는 중력에 의한 부하 모멘트를 회전각에 따라 보상하여 관절 구동기에 가해지는 부하토크를 저감시켜 상대적으로 관절구동기의 토크성능을 증가시키는 특성을 갖는다.
실험 결과를 통하여 중력보상기를 적용한 관절구동기의 부하는 적용하지 않은 경우에 비해 현저히 감소하였고 이 부하의 경감으로 인한 관절 구동모터의 전류의 양은 1/4.6 배로 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
실험과 시뮬레이션을 통하여 고안한 중력보상기는 중력에 영향을 받는 로봇의 관절에 부착하여 사용함으로써 로봇의 관절 구동성능을 상대적으로 대폭 향상시킬 수 있는 우수한 장비임을 확인하였다.
맨 밑의 그림은 관절 구동기에 가해지는 부하토크와 중력보상기 내의 스프링 압축으로 인해 발생한 반발 모멘트 간의 차를 나타낸다. 이 시뮬레이터를 잘 활용하면 부하에 대한 적절한 스프링 상수 및 스프링의 개수를 선정하거나 중력보상기의 지름을 최적으로 설계하여 모터에 부과되는 부하토크를 최적으로 감소시킬 수 있다.
중력보상기를 최적으로 설계하여 로봇의 관절 구동기에 설치하면 관절 구동기에 가해지는 부하토크를 크게 저감할 수 있다. 본 논문에서는 이를 위해 제안한 중력보상기의 성능을 검증하기 위하여 기본적인 실험 장치를 구축하고 실험하였다.
6배로 줄어들었음을 알 수 있다. 즉, 2.5kg의 부하를 구동모터에 연결된 링크에 가했을 때, 중력보상기의 토크저감 성능으로 0.54kg의 부하만이 구동모터에 부착된 링크에 가해지는 매우 큰 부하토크 저감성능이 있음을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공압 관절 구동기의 문제점은 무엇인가?	하지만, 유압 구동기는 무겁고 보수유지가 어려운 단점으로 사용에 어려움이 있어서 보편적으로 사용되지 못하고 있다. 다른 관절구동기로는 경량으로 구성하여 로봇 암의 토크성능을 증대시키기 위하여 압축 공기주머니의 인공근육을 적용하여 중량대비 높은 가반하중을 가지는 공압 관절 구동기에 대한 연구가 있었으나 이는 관절구동기의 위치 및 속도 제어에 어려운 문제가 있었다[2].
	중력보상기는 어떻게 구성되어 있는가?	이는 Fig. 2에서와 같이 로봇 관절부에 고정되는 고정판과 이에 밀착 하여 중심이 로봇의 링크가 결합되는 모터/감속기의 회전축에 결합되어 회전하는 회전판, 그리고 회전판 면의 원주를 따라 형성된 슬롯과 슬롯 내에 삽입되는 스프링으로 구성되는 매우 간결한 구조로 구성된다. 중력보상기의 부하토크 감쇄는 회전판에 연결된 로봇 링크에 가해지는 중력으로 인한 부하가 회전각에 따라 원주방향의 스프링을 압축시켜 이의 반발력에 비례하여 부하를 감소시키는 특성을 갖도록 구성하였다.
	유압 구동기의 단점은 무엇인가?	[1]. 하지만, 유압 구동기는 무겁고 보수유지가 어려운 단점으로 사용에 어려움이 있어서 보편적으로 사용되지 못하고 있다. 다른 관절구동기로는 경량으로 구성하여 로봇 암의 토크성능을 증대시키기 위하여 압축 공기주머니의 인공근육을 적용하여 중량대비 높은 가반하중을 가지는 공압 관절 구동기에 대한 연구가 있었으나 이는 관절구동기의 위치 및 속도 제어에 어려운 문제가 있었다[2].

참고문헌 (7)

A. Takanishi, M. Ishida, Y. Yamazaki, and I. Kato, "The realization of dynamic walking by the biped walking robot WL-10RD," J. of the Robotics Society of Japan, Vol. 3, pp. 325-336, 1985

상세보기
M Damme, F. Daerden, and D. Lefeber, "A pneumatic manipulator used in direct contact with an operator," IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, pp. 4505-4510, 2005
J. Yamaguchi, D. Nishino, and A. akanishi, "Realization of dynamic biped walking varying joint stiffness using antagonistic driven joints," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 2022-2029, 1988
B. Espiau and P. Sardain, "The anthropormophic biped robot BIP2000," Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 3996-4001, 2000
S. Sakai and K. Osuka, "Active vision of a heavy material handling agricultural robot using robust control: a case study for initial cost problem", Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 1707-1713, 2005
H. S. Choi and J. Oh, "A new revolute robot manipulator adapting the Closedchain Mechcnism, J. of Robotic Systems, Vol. 22, No. 2, pp. 99-109, 2005

상세보기
모터의중력보상기, 등록번호:0801799과 국제출원 (PCT/KR2007/001918, 미국출원 번호: 11/997,542)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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