[논문]고가반 하중 이송가능한 경량 로봇 매니퓰레이터의 구조해석 연구

최형식; 조종래; 허재관; 전지광

doi:10.5916/jkosme.2010.34.2.318

고가반 하중 이송가능한 경량 로봇 매니퓰레이터의 구조해석 연구
Structure Analysis of the Light Robot Manipulator Capable of Handling Heavy Payloads 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.34 no.2, 2010년, pp.318 - 324

최형식 (한국해양대학교 기계공학과) , 조종래 (한국해양대학교 기계공학과) , 허재관 (한국해양대학교 기계공학과 대학원) , 전지광 (한국해양대학교 기계공학과 대학원)

초록
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본 논문에서는 새로운 구조의 6축 다관절 로봇 매니퓰레이터의 경량화와 토크성능을 높이기 위하여 어깨관절부위에 중력보상기를 설계하고 적용하였다. 또한, 매니퓰레이터의 기구학 및 역기구학 해석을 하였다. 자체 중량 30Kg의 경량이면서도 25Kg 고가반하중 인 우수한 성능을 구비할 수 있도록 매니퓰레이터의 링크 구조에 대한 FEM 해석을 수행하였다. FEM 해석을 통하여 로봇 매니퓰레이터의 굽힘이나 파단에 대한 안정성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the structure of the gravity compensator has been designed and applied to a light structure of a new 6-axis robot manipulator to enhance its torque performance. Also, analyses on the kinematics and inverse-kinematics of the manipulator have been performed. An FEM analysis has been performed on the structure of robot links to have an excellent performance of delivering 25 kg payload despite of 30kg weight, which is very light compared with other manipulators. Through the FEM analysis, the stability on the vending or fracture of the links of the robot manipulator has been verified.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 6축의 매니퓰레이터 구조를 갖는다 관절 로봇의 부하토크 감쇠를 위한 최적화 된 중력 보상기의 구조를 설계하고, 경량이면서도 높은 가반 하중을 적용할 수 있도록 매니퓰레이터에 가해지는 부하 및 가반하중의 영향에 대한 역학조사와 FEM 해석을 통하여 경량화 설계에 대한 안정성을 확인하였다.
이는 그립퍼가 장착되는 말단으로부터 멀리 있는 관절일수록 모멘트가 커져서 더 많은 토크부하가 걸리며 중력으로 인한 부하토크가 가중된다. 본 논문에서는 토크부하가 가장 많이 걸리는 어깨부위의 두 관절구동기에 걸리는 부하를 보상하기 위하여 중력보상기를 적용하는 다관절로봇을 설계하였다.

제안 방법

6축 로봇에 적용한 중력 보상기의 경우 고정판을 중간에 위치 시키고 양쪽으로 회전판에 의한 중력 보상 효과를 얻는 구조를 채택하여 단순한 구조를 설계하였다. 제작한 6축 로봇은 Figure 7와 같다.
Figure 8과 Figure 9에서 6축 로봇의 가반 하중을 25kg으로 가정하고 이 경우 설계한 로봇링크의 구조해석을 위해서 ANSIS프로그램을 사용하여 FEM 해석을 수행하고 그 결과를 검토하였다. 해석에서 노드 수는 70050개, 요소 수는 469483개를 적용하고 설계한 6축 로봇의 링크는 알루미늄합금으로 제작하였고 이의 물성치는 Table 1과 같다.
개발한 6축 로봇이 30kg의 경량이지만 매우 높은 가반하중인 25kg을 갖도록 로봇링크를 설계하고 이의 FEM 해석을 수행하였다. FEM해석 결과 개발한 로봇 링크의 굽힘이나 파단이 없는 안정한 구조임을 확인하였다.
일반적으로 사용되는 6축 로봇 매니퓰레이터의 관절축에 관절구동기의 토크성능을 높일 수 있는 중력보상기를 적용하여 경량이면서 고 중량의 이송이 가능한 로봇 매니풀레이터를 개발하였다. 개발한 로봇의 어깨 두축에 모듈화 설계된 중력보상기를 적용하고 로봇의 구조 및 이의 순기구학 및 연기구학 해석을 수행하였다.
기존의 중력보상기를 적용한 경량 설계구조의 6축 로봇에서는 Figure 6의 좌측과 같이 고중량의 이송을 위한 밸런서 구조를 채택하고, 좌우로 돌출된 형태의 고용량 모터를 사용하는 구조가 주로 사용되고 있다. 개발한6축 로봇은 Figure 6의 우측과 같은 고 중량의 밸런서를 대체하여 중력 보상기를 적용하고 좌우로 돌출된 모터 구조를 밸트 풀리 구조를 이용하여 내부에 장착하여 전체적으로 경량이면서 고중량의 이송이 가능한 6축 로봇 설계하였다.
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 Denavit- Hartenberg 규약을 이용하여 Figure 3과 같이 좌표계를 설정하였다.
본 연구에 적용한 6축 로봇의 경우 구형 손목의 형태를 가진 형태로 일반적으로 이러한 구조의 역기구학 해를 구하기 위하여 역위치 기구학 문제와 역방향 기구학 문제로 디커플 시키는 방법을 사용한다. 즉 기구의 손목 축들의 만남의 위치인 손목 중심을 찾고 손목의 방향을 구하는 2개의 간단한 문제로 나눌 수 있다.
일반적으로 사용되는 6축 로봇 매니퓰레이터의 관절축에 관절구동기의 토크성능을 높일 수 있는 중력보상기를 적용하여 경량이면서 고 중량의 이송이 가능한 로봇 매니풀레이터를 개발하였다. 개발한 로봇의 어깨 두축에 모듈화 설계된 중력보상기를 적용하고 로봇의 구조 및 이의 순기구학 및 연기구학 해석을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에서의 로봇은 중력의 영향을 직접 받는 구조를 가진 다관절 로봇이다. 이는 그립퍼가 장착되는 말단으로부터 멀리 있는 관절일수록 모멘트가 커져서 더 많은 토크부하가 걸리며 중력으로 인한 부하토크가 가중된다.
Figure 8과 Figure 9에서 6축 로봇의 가반 하중을 25kg으로 가정하고 이 경우 설계한 로봇링크의 구조해석을 위해서 ANSIS프로그램을 사용하여 FEM 해석을 수행하고 그 결과를 검토하였다. 해석에서 노드 수는 70050개, 요소 수는 469483개를 적용하고 설계한 6축 로봇의 링크는 알루미늄합금으로 제작하였고 이의 물성치는 Table 1과 같다. 로봇의 팔을 펼쳤을 경우와 반대의 경우로 나누어서 두 번의 해석을 실시한 결과 각각의 최대응력이 170.

이론/모형

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 Denavit- Hartenberg 규약을 이용하여 Figure 3과 같이 좌표계를 설정하였다.

성능/효과

개발한 6축 로봇이 30kg의 경량이지만 매우 높은 가반하중인 25kg을 갖도록 로봇링크를 설계하고 이의 FEM 해석을 수행하였다. FEM해석 결과 개발한 로봇 링크의 굽힘이나 파단이 없는 안정한 구조임을 확인하였다.
74MPa으로 물성치의 인장 및 압축 항복강도인 280MPa 이내의 범위에 들어오는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 설계한 로봇이 25kg가량의 가반 하중을 지지하였을 경우에 굽힘이나 파단과 같은 구조적 결함이 없음을 확인하였다.
해석에서 노드 수는 70050개, 요소 수는 469483개를 적용하고 설계한 6축 로봇의 링크는 알루미늄합금으로 제작하였고 이의 물성치는 Table 1과 같다. 로봇의 팔을 펼쳤을 경우와 반대의 경우로 나누어서 두 번의 해석을 실시한 결과 각각의 최대응력이 170.12MPa과 181.74MPa으로 물성치의 인장 및 압축 항복강도인 280MPa 이내의 범위에 들어오는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 설계한 로봇이 25kg가량의 가반 하중을 지지하였을 경우에 굽힘이나 파단과 같은 구조적 결함이 없음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업용 로봇의 기구부적인 형태는 어떻게 나눌 수 있는가?	산업용 로봇의 기구부적인 형태는 크게 저 부하, 단순 반복 작업인 조립작업에 적합한 스칼라 로봇 및 직교 로봇과 제품의 형상이 복잡하고 작업반경이 커질 경우 사용되는 다 관절 로봇으로 나눌 수 있다[1]. 이들 스칼라 및 다 관절 로봇의 구조적 공통점은 직렬로 연결된 연쇄적인 링크 구조이다[2-3].
	병렬형 로봇의 장단점은?	이러한 문제를 해결하기 위하여 강성을 매우 높이는 병렬구조로 Stewart Platform이 제안되었고[5], 이를 로봇에 적용한 연구가 Minsky[6], Hunt[7], Mohamed[8] 등에 의해 수행되었다. 병렬형 로봇은 강성은 매우 높으나 기구 메커니즘의 해석이 매우 복잡하고 작업 반경이 작은 것이 실제 시스템에의 적용을 어렵게 하는 주된 요인이다.
	스칼라 및 다 관절 로봇의 직렬로 연결된 연쇄적인 링크 구조로 인한 단점은 무엇이 있는가?	이들 스칼라 및 다 관절 로봇의 구조적 공통점은 직렬로 연결된 연쇄적인 링크 구조이다[2-3]. 연쇄적인 구조의 단점은 상단 링크의 중량이 하단 링크의 관절에 거리에 비례하여 부과되는 것으로 특히, 다관절 로봇은 중력에 영향을 받아 스칼라 로봇에 비해 훨씬 큰 토크부하가 로봇의 관절 구동기에가해진다. 따라서 모터와 감속기의 용량이 커야 하고 이에 따라서 로봇의 부피와 중량이 커질 수밖에 없다. 로봇의 구조에서 상단 관절 링크에 부착된 모터와 감속기는 하부 관절 링크를 구동하는 모터의 부하가 되는 구조로 상단 관절 구동모터의 용량이 커질수록 하단 관절의 부하가 증가하는 구조적인 단점을 갖는다[4]. 모터는 토크 증가를 위해 하모닉 드라이버나 RV 감속기와 같은 고 기어비를 갖는 감속기를 적용하고 있으나 이들의 일정 비율 이상의 토크 성능 증가는 불가능하다.

참고문헌 (11)

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, vol.180, no.15, pp.371-386, 1965.

상세보기
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., vol. 107, pp. 226-229, 1985.

상세보기
Ulrich, N., Kumar, V., "Passive mechanical gravity compensation for robot manipulators", Robotics and Automation Proceedings of IEEE International Conference, pp. 1536-1541 vol.2, 1991.
Fattah, A. and Agrawal, S.K. "Gravity- balancing of classes of industrial robots", pp. 2872-2877, 2006.
Na. W.H, A study on the Optimum Design of Biped Walking Robot applied to a Gravity Compensator, Master thesis, Korea maritime University, 2009.

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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