[논문]중력 보상기를 적용한 로봇 매니퓰레이터 연구

최형식; 허재관; 서해용; 홍성율

doi:10.5916/jkosme.2010.34.2.267

초록
AI-Helper

중력보상기의 구조에 대해 연구하였고, 이를 적용하여 로봇 관절의 성능을 개선하기 위하여 새롭게 개발한 6축의 로봇 매니퓰레이터에 대해 설명한다. 로봇의 기구학 해석을 하였다. 또한, 다양한 스프링으로 구성된 중력보상기를 적용한 로봇 관절구동기의 성능에 대하여 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과에 따르면, 중력보상기를 적용한 로봇 매니퓰레이터의 관절에 가해지는 외부부하는 중력보상기에 사용되는 스프링의 강도에 비례하여 줄어드는 것이 검증되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the structure of a gravity compensator was studied, and the 6-axis robot manipulator which is newly developed by applying the gravity compensator is presented to improve the torque performance of the robot joint. The kinematics analysis on the robot was presented. Also, a simulation o...

In this paper, the structure of a gravity compensator was studied, and the 6-axis robot manipulator which is newly developed by applying the gravity compensator is presented to improve the torque performance of the robot joint. The kinematics analysis on the robot was presented. Also, a simulation of the performance of the joint actuator of robot adopting the gravity compensator was presented by applying various springs. According to the simulation results, it was validated that the payload effect on the robot joint actuator adopting the gravity compensator is reduced in proportion to the spring intensity of the gravity compensator.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 6축의 매니퓰레이터 구조를 갖는 다관절 로봇의 중력으로 인한 부하토크의 감쇠를 위한 중력보상기의 구조를 설계 하였다. 설계한 중력보상기를 로봇 매니퓰레이터의 어깨관절에 적용하여 그 성능을 시뮬레이션하고, 경량이면서도 높은 가반 하중을 적용할 수 있도록 로봇 매니퓰레이터에 가해지는 부하 및 가반하중의 영향을 저감할 수 있는 설계에 관한 연구를 수행하였다.
이는 그립퍼가 장착되는 말단으로부터 멀리 있는 관절일수록 모멘트가 커져서 더 많은 토크부하가 걸리며 중력으로 인한 토크가 가중된다. 본 논문에서는 부하토크가 가장 많이 걸리는 어깨부위의 두 관절 구동기에 걸리는 부하를 보상하기 위하여 중력 보상기를 적용하는 다관절로봇을 설계하였고 이때 적용하는 중력보상기의 설계에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서 로봇의 두 어깨관절에 적용한 중력 보상기의 성능을 검증하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 행하였다. 이를 위해서 다음과 같은 동작조건을 설정하였다.
본 논문에서는 6축의 매니퓰레이터 구조를 갖는 다관절 로봇의 중력으로 인한 부하토크의 감쇠를 위한 중력보상기의 구조를 설계 하였다. 설계한 중력보상기를 로봇 매니퓰레이터의 어깨관절에 적용하여 그 성능을 시뮬레이션하고, 경량이면서도 높은 가반 하중을 적용할 수 있도록 로봇 매니퓰레이터에 가해지는 부하 및 가반하중의 영향을 저감할 수 있는 설계에 관한 연구를 수행하였다.

제안 방법

로봇의 안정적인 구동을 위해서 링크의 관절 변수에 대한 기구학(kinematics) 해석이 필요하여 본 연구에서는 설계된 6축 로봇을 바탕으로 관절 링크에 대한 기구학 해석을 수행하였다. 로봇의 어깨 축에 해당되는 0축을 기준으로 하여 DenavitHartenberg 규약을 이용하여 Figure 8과 같이 좌표계를 설정하였다
Figure 7 은 다관절 로봇에 적용하는 중력보상기의 구조를 설계한 것이다. 상단의 고정 격벽을 중심으로 두개의 스프링을 내장하여 양방향에 회전에 대해 보상력을 얻을 수 있는 구조로 설계하였다.
15초, 등속은 2초간 하였다. 시뮬레이션은 로봇의 하부 축인 Figure 11과 같이 사절링크로 구성된 관절에 중력보상기가 적용된 경우와 되지 않은 경우에 대해 비교하였다. 중력보상기를 적용한 경우는 5종류의 스프링 상수를 갖는 스프링을 적용한 경우의 시뮬레이션을 행하였다.
일반적으로 사용되는 6축 로봇 매니퓰레이터에 새로운 형태의 중력보상기를 적용함으로써 경량이면서 고 중량의 이송이 가능한 로봇의 관절구동기 모듈을 개발하였고, 중력보상기 모듈을 적용하여 설계한 로봇의 구조를 설명하였고,이 로봇에 시뮬레이션을 통해 적용한 중력보상기의 부하토크 저감 성능을 검증하였다. 중력보상기 내의 스프링 계수가 높은 것을 사용할수록 부하로 인한 토크를 감쇄하는 양이 커짐을 알 수 있었다.
시뮬레이션은 로봇의 하부 축인 Figure 11과 같이 사절링크로 구성된 관절에 중력보상기가 적용된 경우와 되지 않은 경우에 대해 비교하였다. 중력보상기를 적용한 경우는 5종류의 스프링 상수를 갖는 스프링을 적용한 경우의 시뮬레이션을 행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 대상으로 하는 로봇은 중력의 영향을 직접 받는 구조를 가진 다관절 로봇이다. 이는 그립퍼가 장착되는 말단으로부터 멀리 있는 관절일수록 모멘트가 커져서 더 많은 토크부하가 걸리며 중력으로 인한 토크가 가중된다.
본 연구에서 제안하는 중력보상기(Gravity Compensator)는 Figure 1과 같이 고정판, 회전판, 스프링 압축돌기, 및 압축스프링 등으로 구성된다. 압축스프링의 압축변위에 따른 복원력을 이용하여 구동 시 요구되는 부하토크를 감쇄시켜줌으로써 구동기에서 발생시켜야 할 구동토크를 줄여주는 효과를 얻을 수 있게 된다.

성능/효과

압축스프링의 압축변위에 따른 복원력을 이용하여 구동 시 요구되는 부하토크를 감쇄시켜줌으로써 구동기에서 발생시켜야 할 구동토크를 줄여주는 효과를 얻을 수 있게 된다. 결과적으로 압축스프링의 복원력으로 발생되는 보상력 만큼 관절구동기의 성능이 향상된다.
시뮬레이션 결과에 따르면 관절이 30° 회전하였을 때 각각의 스프링 상수에 따라 최저 6.5N·m에서 최대 34.36N·m의 토크 저감 효과를 갖는 것을 알 수 있다.
일반적으로 사용되는 6축 로봇 매니퓰레이터에 새로운 형태의 중력보상기를 적용함으로써 경량이면서 고 중량의 이송이 가능한 로봇의 관절구동기 모듈을 개발하였고, 중력보상기 모듈을 적용하여 설계한 로봇의 구조를 설명하였고,이 로봇에 시뮬레이션을 통해 적용한 중력보상기의 부하토크 저감 성능을 검증하였다. 중력보상기 내의 스프링 계수가 높은 것을 사용할수록 부하로 인한 토크를 감쇄하는 양이 커짐을 알 수 있었다. 특히, 스프링 상수 37.
중력보상기 내의 스프링 계수가 높은 것을 사용할수록 부하로 인한 토크를 감쇄하는 양이 커짐을 알 수 있었다. 특히, 스프링 상수 37.2 N/mm를 사용한 경우에 가해지는 부하의 약 50%를 저감할 수 있는 우수한 성능을 시뮬레이션을 통하여 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업용 로봇의 연구는 어떻게 분류하는가?	산업용 생산 공정에 적용되는 로봇은 인간의 팔구조 형태의 로봇이 주류를 이루고 있으며, 이러한 산업용 로봇에 관한 연구는 크게 기구부적인 측면과 제어성능적인 측면으로 분류할 수 있다.
	중력보상기는 어떻게 구성되는가?	본 연구에서 제안하는 중력보상기(Gravity Compensator)는 Figure 1과 같이 고정판, 회전판, 스프링 압축돌기, 및 압축스프링 등으로 구성된다. 압축스프링의 압축변위에 따른 복원력을 이용하여 구동 시 요구되는 부하토크를 감쇄시켜줌으로써 구동기에서 발생시켜야 할 구동토크를 줄여주는 효과를 얻을 수 있게 된다.
	직렬로 연결된 연쇄적인 링크 구조의 단점은 무엇인가?	이들 스칼라 및 다관절 로봇의 구조적 공통점은 직렬로 연결된 연쇄적인 링크 구조다[5][6]. 연쇄적인 구조의 단점은 상단 링크의 중량이 하단 링크의 관절까지의 거리에 비례하여 부과되는 것이다. 특히, 다관절 로봇은 중력에 영향을 받아 스칼라 로봇에 비해 훨씬 큰 토크부하가 로봇의 관절 구동기에 가해진다.

참고문헌 (15)

http://asimo.honda.com/
K. Harada et al, "A Humanoid Robot Carrying a Heavy Object", Proc. IEEE International Conf, on Robotics and Automation, pp. 1724-1729, 2005.
J.H. Kim, S.W.Park, I.W.Park, and J.H.Oh, "Development of aHumanoid Biped Walking Robot Platform KHR-1-Initial Design and Its Performance Evaluation," 3rd IARP.
Spong. M. W., and Vidyasagar. M., Robot Dynamics and Control, John Wiiley & Sons, 1989.
Richard. P. Paul., Robot Manipulator Mathematic, Programming, And Control, MIT Press, Cambridge, MA.,1982.
Craig. J. J., Introduction to Robotics Mechanic & Control, Addison-Wesley, Reading, MA,1985.
Tsai. L, Robot Analysis The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators, John Wiley & Sons, 1999.
Stewart. D, "A platform with Six Degree of Freedom", Proc. Instn. Mech. Engrs, london, pp.371-386,1965.
Minsky. M, Manipulator design vignettets, Research report 267, MIT AI LAB., 1972.
Hunt. K. H., "Kinematic Geometry of mechanism, Clarendon Press", Oxford, 1978.
Mohamed. M. G, and Duffy. J, "A Direct Determination of Instantaneous Kinematics of Fully Parallel Robotic Manipulators", ASME J. Mech. Trans. Autom. Des., pp.226-229, 1985.
Ulrich. N., Kumar. V, "Passive mechanical gravity compensation for robot manipulators", Robotics and Automation, Proceedings, IEEE International Conference, pp.1536-1541, 1991.
Fattah. A. Agrawal, S.K, "Gravity-balancing of classes of industrial robots" Proceedings 2006 IEEE International Conference pp.2872-2877, 2006.
W.H. Na, "A study on the Optimum Design of Biped walking Robot applied to a Gravity Compensator", Master thesis, Korea maritime University, 2009.
H.S. Choi, J. K. Hur, J. K. Jeon, "The Design of Biped Walking Robot applied to a Gravity compensator", KSME Spring Annual Meeting, pp.205-210, 2009.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

중력 보상기를 적용한 로봇 매니퓰레이터 연구
Study on Robot Manipulator applying the Gravity Compensator 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (15)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

중력 보상기를 적용한 로봇 매니퓰레이터 연구 Study on Robot Manipulator applying the Gravity Compensator 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (15)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

최형식 (77) 허재관 (5) 서해용 (2) 홍성율 (3)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

중력 보상기를 적용한 로봇 매니퓰레이터 연구
Study on Robot Manipulator applying the Gravity Compensator 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper