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수직다관절 로봇의 중력보상장치 최적설계
Optimal Design of Passive Gravity Compensation System for Articulated Robots 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.1, 2012년, pp.103 - 108  

박진균 (현대중공업 기술개발본부 기계전기연구소) ,  이재영 (현대중공업 기술개발본부 기계전기연구소) ,  김상현 (현대중공업 기술개발본부 기계전기연구소) ,  김성락 (현대중공업 기술개발본부 기계전기연구소)

초록
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본 논문에서는 수직다관절 로봇에 걸리는 중력 토크를 보상하는데 주로 사용되는 스프링 중력보상장치의 최적설계에 대하여 기술하였다. 스트레스, 좌굴, 피로 조건과 같은 스프링 설계에 대한 다수의 비선형 제약 조건을 반영하면서, 동시에 계산 시간을 줄이기 위하여, SQP(Sequential Quadratic Programming)를 적용하였다. 또한 정수해를 가져야 하는 설계 변수를 반영하기 위하여, Continuous Relaxation 방법을 사용하였다. 시뮬레이션을 통하여 설계된 중력보상 장치가 주요 작업 영역에서 추가의 무게 증가 없이 중력 보상 성능이 효과적으로 높아짐을 입증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, the optimal design of a spring-type gravity compensation system for an articulated robot is presented. Sequential quadratic programming (SQP) is adopted to resolve various nonlinear constraints in spring design such as stress, buckling, and fatigue constraints, and to reduce computati...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 위의 불평형 토크는 2, 3 번째 축의 자세에 따라 변하는 값이기 때문에, 설계자는 특정 자세에 대해서 중력보상장치를 설계하는 것이 아니라, 로봇의 주 사용 영역 전체에 대해서 중력보상장치를 설계해야 한다는 어려움이 있다. 따라서 로봇에 주어진 중력보상장치의 성능지수를 주 사용 영역 전체에 대해 정의하기 위하여, 다음과 같은 성능지수 P를 제안하였다.
  • 본 논문에서는 특히 스프링을 통한 중력 보상 장치에 대한 소비전력저감 효과가 최대화되는 최적 설계 문제를 다루고자 한다.
  • 본 논문의 이해를 돕기 위하여 본 논문의 최적화 대상인 중력보상장치의 동작개념에 대하여 간략히 설명하도록 하겠다.
  • 본 연구에서는 수직다관절 로봇의 중력보상장치로 가장 많이 사용되고 있는 스프링 중력보상장치의 최적설계를 수행하였다. 최적설계의 목적함수는 수직다관절 로봇의 작업영역 중 주로 이용되는 영역에서의 중력보상성능으로 설정하였으며, 제약 조건은 스프링의 스트레스, 좌굴, 피로 조건 및 스프링 간의 기하 조건 등으로 설정하였다.
  • 본 절에서는 중력보상장치의 최적설계문제에 대한 설계변수, 목적함수에 대하여 제안하고자 한다. Fig.
  • 이에 본 논문에서는 기존 상용 산업용 로봇에서 가장 흔히 적용되는 중력보상 메커니즘을 바탕으로, 중력보상장치의 스프링에 대한 주요 동작 영역에서의 전역 성능지수를 정의하여 목적함수로 설정하고, 스프링의 기하 및 응력, 피로, 진동, 좌굴, 스프링 지수 등의 기계 요소 설계적 조건과 실제 제작 시 필요한 특정 치수의 정수 조건을 제약 조건으로 하여, 실제 적용 가능한 산업용 로봇의 중력보상장치 최적화 방법을 제시하였다.

가설 설정

  • 이러한 Serial-Type Manipulator 는 통상 6 자유도를 가지며, 중력에 의한 토크가 가장 큰 2 번째 축에 대하여 중력보상장치를 설치한다. 최적화 대상 모델을 간략하기 위하여, Fig. 2 와 같이 축 자세에 따른 무게중심의 변화가 큰 1 ~ 3 축만을 고려하도록 하고, 나머지 축은 고정하였으며 4~6 축 부분의 질량은 Link 3 에 고정된 것으로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
스프링을 통한 중력 보상 장치의 단점은 무엇인가? 스프링을 통한 중력 보상 장치는 현재 산업용 로봇 업계에서 가장 많이 사용되는 중력 보상 방법으로 유압 실린더에 비해 가격이 저렴하며, Counter-Mass 방식과는 반대로 구동 토크 증가가 발생하지 않는다는 장점이 있다. 하지만 링크의 위치에 따라 스프링의 보상력이 비선형적으로 달라지고, 스프링 피로에 의해 성능 변화가 발생할 수도 있다는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위해서는 설계 시 동작 영역 전반에 걸친 보상력 고려와 충분한 피로 수명 확보가 요구가 된다.
스프링을 통한 중력 보상 장치의 장점은 무엇인가? 스프링을 통한 중력 보상 장치는 현재 산업용 로봇 업계에서 가장 많이 사용되는 중력 보상 방법으로 유압 실린더에 비해 가격이 저렴하며, Counter-Mass 방식과는 반대로 구동 토크 증가가 발생하지 않는다는 장점이 있다. 하지만 링크의 위치에 따라 스프링의 보상력이 비선형적으로 달라지고, 스프링 피로에 의해 성능 변화가 발생할 수도 있다는 단점이 있다.
모터의 평균 부하를 감소시키는 방법에는 무엇이 사용되는가? 이와 더불어 소비전력저감의 한 방법으로 로봇 기구에 걸리는 중력을 Passive 하게 보상하여, 해당 모터의 평균 부하를 감소시키는 방법이 사용되고 있다. 이를 구현하기 위하여 주로 스프링이나 유압 실린더, Counter-Mass 등이 사용되고 있다.
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참고문헌 (8)

  1. Segla, S., Kalker-Kalkman, C. M. and Schwab, A. L., 1988, "Static Balancing of a Robot Mechanism with the aid of a Genetic Algorithm," Mechanism and Machine Theory, Vol. 33, pp. 163-174. 

  2. Simionescu, I. and Ciupitu, L., 2000, "The Static Balancing of the Industrial Robot Arms Part I: Discrete Balancing," Mechanisms and Machine Theory, Vol. 35, pp. 1287-1298. 

  3. Simionescu, I. and Ciupitu, L., 2000, "The Static Balancing of the Industrial Robot Arms Part I: Continuous Balancing," Mechanisms and Machine Theory, Vol. 35, pp. 1299-1311. 

  4. Mancini, L. J. and Piziali, R. L., 1976, "Optimal Design of Helical Springs by Geometrical Programming," Engineering Optimization, Vol. 2, pp. 73-81. 

  5. Yokota, T., Taguchi, T. and Gen M., 1997, "A Solution Method for Optimal Weight Design Problem of Helical Spring Using Genetic Algorithms", Computers & Industrial Engineering, Vol. 33, pp. 71-76. 

  6. Shigley J. E. and Mischke C. R., 2001, Mechanical Engineering Design, McGraw-Hill, New York, pp.629-663. 

  7. Venkataraman P., 2009, Applied Optimization in MATLAB Programming, Wiley, New Jersey, pp.403-406. 

  8. Ashok D. B. and Tirupathi R. C., 1999, Optimization Concepts and Applications in Engineering, Prentice Hall, New Jersey, pp.183-188. 

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