본 논문에서는 모터 설계에서 기존의 단일 모터를 사용한 구동 구조의 단점을 보완하고 중공형 관절의 장점을 활용할 수 있는 방안으로 다수의 모터를 이용한 관절 구성을 통해 높은 토크, 높은 정밀성, 낮은 백래쉬 구현 방법, 2차적인 안전장치 설계 및 적용 방법 등을 제시한다.
본 논문에서는 모터 설계에서 기존의 단일 모터를 사용한 구동 구조의 단점을 보완하고 중공형 관절의 장점을 활용할 수 있는 방안으로 다수의 모터를 이용한 관절 구성을 통해 높은 토크, 높은 정밀성, 낮은 백래쉬 구현 방법, 2차적인 안전장치 설계 및 적용 방법 등을 제시한다.
In this paper, In order to make up for the weak point of driving structure that existing used single motor in motor design, as a method to make use of advantage for joint of hollow type, we propose implementation methods for high torque, high precision, backlash less, and design of secondary safety ...
In this paper, In order to make up for the weak point of driving structure that existing used single motor in motor design, as a method to make use of advantage for joint of hollow type, we propose implementation methods for high torque, high precision, backlash less, and design of secondary safety device, and application method through joint organization using multiple motors.
In this paper, In order to make up for the weak point of driving structure that existing used single motor in motor design, as a method to make use of advantage for joint of hollow type, we propose implementation methods for high torque, high precision, backlash less, and design of secondary safety device, and application method through joint organization using multiple motors.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 로봇관절 개발에 있어서 다수의 중실형 모터를 적용한 중공형 타입 구현과 함께 적용 기어의 백래쉬를 감소하기 위한 기술, 모터 드라이버 모듈의 실시간 통신 및 제어기술, 모터의 배치 및 적용 방법 등을 종합적으로 개선 적용시켰다. 1개의 중실형 모터를 사용한 로봇 관절과 비교하여 공간 활용성, 무게중심의 편심현상을 줄임으로써 향상된 기구적 안정성, 다수의 모터를 운용환경 및 사용목적에 따라 적용 배치시킴으로써 제어의 정밀성이나, 혹은 높은 토크력 위주의 수요자 맞춤형 제어 특성을 보유할 수 있다는 점에서 공장자동화 및 기계설비 분야 등의 산업용 로봇 분야와 개인 서비스 로봇 분야에 활용성이 높을 것으로 기대된다.
이에 본 논문에서는 모터 설계에서 기존의 단일모터를 사용한 구동구조의 단점을 보완하고 중공형 장점을 활용할 수 있는 방안으로 다수의 모터를 이용한 관절 구성을 통해 높은 토크, 높은 정밀도, 낮은 백래쉬 설계 및 중공형 구조 설계 등의 기술의 구현방법을 제안한다.
제안 방법
그림 8은 광-이더캣 기반의 서보드라이버의 모듈로 출력파워 100W, 출력전류 10A의 성능을 가지고 있으며, 중공형 구조로 제작함으로써 내부의 빈 공간을 활용한 케이블 배선 등의 활용이 가능한 구조로 제작하였다.[6-7]
또한 그림 1과 같이 다수의 모터를 적용함에 있어서 각기 다른 특성의 모터를 적용 배치함으로써 사용 목적에 따른 제어특성을 가질 수 있도록 하였다. 즉 그림 1에서 ①번의 AC서보 모터는 정밀제어를 위한 모터로 정밀성이 요구되는 동작을 수행할 때 주도적인 구동력을 가지게 된다.
또한 조립과정에서 정밀 조립을 위한 방법으로 별도의 지그를 제작/활용함으로써 백래쉬를 줄일 수 있도록 한다. 또한 정밀제어를 위한 기구부 구성가운데 중요한 부분을 차지하고 있는 것은 가공품의 소재와 가공의 정밀성이다.
본 논문에서는 그림 1과 같은 방식으로 다수의 모터를 하나의 축으로 연결하는 구조로 연결시킴으로써 중앙의 공간을 활용한 중공형 관절을 구현할 수 있도록 하였다. 정밀 기계장치나 로봇관절 등을 개발할 때 모터는 사용되는 부품가운데 중량에 상당한 영향을 미치며, 이는 1개의 중실형 모터를 사용할 경우 미세하게나마 무게중심의 편심현상을 가져오는 단점 발생하게 된다.
본 논문의 구조는 2장 중공형 모터의 구조 설계로서 기본 구조, 내부 구성, 제어기 특성, 백래쉬 감소 설계, 3장의 결론으로 구성한다.
본 연구에서 사용되었던 로봇 관절의 경우에는 모터의 케이스 및 프레임 등은 강성이 약한 알루미늄 소재를 표면 처리하여 적용 하였으며, 사프트 및 기어, 토크 센서 등은 열처리 과정을 거침 기계구조용 탄소강과 크롬-몰리브덴강 등 특수강을 이용하여 적용시킴으로써 동력전달 구조상의 강성유지와 함께 정밀성을 유지할 수 있도록 하였다.[4]
이러한 문제점을 보완하기 위하여 저 백래쉬형 기어의 사용과 조립성 개선 등의 기계적인 방법과 함께 기어 사이에 존재하는 백래쉬를 외란으로 정의하여 검출/보상할 수 있도록 하는 방법을 제안한다.
성능/효과
또한 드라이버 모듈의 일체화를 통해서 각각의 로봇 관절이 자체적으로 하나의 모듈형 구조가 될 수 있도록 함으로써 추가적인 관절 구성의 자유도를 높였다. 이는 로봇관절을 활용한 응용분야나 로봇 매니퓰레이터 개발에 있어서 사용목적 및 운용환경에 따라 그에 적합한 성능의 로봇을 구성하는 등의 활용성이 높을 것으로 기대된다.
로봇이 작업상황고 위험상황을 스스로 판단하여 제어한다는 것은 사실상 어려운 일이지만 2차적인 안전장치를 추가적으로 적용함으로써 기존의 방식에 비해 조금더 활용성을 높일 수 있도록 하였다.
후속연구
본 논문에서는 로봇관절 개발에 있어서 다수의 중실형 모터를 적용한 중공형 타입 구현과 함께 적용 기어의 백래쉬를 감소하기 위한 기술, 모터 드라이버 모듈의 실시간 통신 및 제어기술, 모터의 배치 및 적용 방법 등을 종합적으로 개선 적용시켰다. 1개의 중실형 모터를 사용한 로봇 관절과 비교하여 공간 활용성, 무게중심의 편심현상을 줄임으로써 향상된 기구적 안정성, 다수의 모터를 운용환경 및 사용목적에 따라 적용 배치시킴으로써 제어의 정밀성이나, 혹은 높은 토크력 위주의 수요자 맞춤형 제어 특성을 보유할 수 있다는 점에서 공장자동화 및 기계설비 분야 등의 산업용 로봇 분야와 개인 서비스 로봇 분야에 활용성이 높을 것으로 기대된다. 또한 통신 및 제어시스템의 발전과 함께 다수의 모터를 이용한 동기화 제어 및 다축제어 시스템의 신뢰성이 높아지고 있는 실정으로 기존의 두 개 이상의 모터를 한축에 같이 연결하여 제어함으로써 발생 되었던 마이너스 효율이 점차 플러스 효율로 그 발전이 지속될 것으로 보인다.
광통신의 높은 통신속도, 저손실율 등의 특성이 결합한 광-이더캣 기반의 통신 인터페이스 모듈은 대용량의 데이터 연산 및 처리를 요구하는 매니퓰레이터 제어 및 운용에 있어서 100Mbps 급의 고속 통신 속도와 함께 중장거리 통신의 손실을 최소화함으로써 활용도가 높을 것으로 기대된다.
다수의 모터를 한축에 연결하여 모터의 특성별로 출력축 모션을 제어하는 시스템은 종합적인 구성요소 및 제어 시스템의 발전과 함께 나날이 그 성능 및 효율성이 증가하고 있는 분야로 지속적인 테스트와 성능검증을 통하여 보다 다양하고 신뢰성 높은 정밀제어 방법을 연구해 나갈 계획이다.
1개의 중실형 모터를 사용한 로봇 관절과 비교하여 공간 활용성, 무게중심의 편심현상을 줄임으로써 향상된 기구적 안정성, 다수의 모터를 운용환경 및 사용목적에 따라 적용 배치시킴으로써 제어의 정밀성이나, 혹은 높은 토크력 위주의 수요자 맞춤형 제어 특성을 보유할 수 있다는 점에서 공장자동화 및 기계설비 분야 등의 산업용 로봇 분야와 개인 서비스 로봇 분야에 활용성이 높을 것으로 기대된다. 또한 통신 및 제어시스템의 발전과 함께 다수의 모터를 이용한 동기화 제어 및 다축제어 시스템의 신뢰성이 높아지고 있는 실정으로 기존의 두 개 이상의 모터를 한축에 같이 연결하여 제어함으로써 발생 되었던 마이너스 효율이 점차 플러스 효율로 그 발전이 지속될 것으로 보인다.
이는 곧 기구적인 안전장치와 제어측면에서의 안전장치가 2차적으로 적용될 수 있도록 하는 시스템으로 상호 보완을 통한 보다 효과적인 안전시스템으로써 역할을 할 것으로 보인다.
또한 드라이버 모듈의 일체화를 통해서 각각의 로봇 관절이 자체적으로 하나의 모듈형 구조가 될 수 있도록 함으로써 추가적인 관절 구성의 자유도를 높였다. 이는 로봇관절을 활용한 응용분야나 로봇 매니퓰레이터 개발에 있어서 사용목적 및 운용환경에 따라 그에 적합한 성능의 로봇을 구성하는 등의 활용성이 높을 것으로 기대된다.[1]
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
백래쉬를 감소시키는 방법에는 무엇이 있는가?
백래쉬를 감소시키는 방법으로 최근 개발제품 등으로 상용화된 백래쉬가 없는 타입의 기어제품을 이용하는 방법과 Preloading, Tolerance의 감소, 정밀한 조립 방법 개선 등의 기계적인 방법들이 있지만 이는 결국 제작비용의 증가로 연결되기 때문에 백래쉬로 인한 영향을 보상할 수 있는 제어기법과의 조화를 통한 효과적인 백래쉬 감소 대책이 필요하다.
중실형 모터는 무엇인가?
※ 중공모터 : 중심 부분의 공간이 비어있는 구조의 모터※ 중실모터 : 중심부분이 축으로 구성되어 축이 회전하는 모터
기어 시스템의 결함에는 무엇이 있는가?
따라서 기어 시스템의 결함은 전체 시스템에 중요한 영향을 미치게 된다. 기어 시스템의 결함은 기어 이의 파손, 백래쉬, 기어 이사이의 간섭, 기어 정렬 편심도 등이 있으며 이러한 결함은 세심한 주의와 조기발견을 통해 심각한 문제를 예방할 수 있다. 그중 기어의 백래쉬는 대다수의 기어로 이루어진 동력전달 장치에서 항상 나타나는 현상으로 기어이의 표면에서 윤활작용을 하면서 기어 이의 간섭으로부터 기어 이를 보호하는 역할을 한다.
참고문헌 (7)
문용선, 배영철, 노상현, 조광훈, 박용구, "7자유도 매니플레이터 협업 로봇 설계", 한국전자통신학회논문지, 5권, 1호, pp. 37-43, 2010.
정진호, "산업용 로봇 기구설계 기초" 차세대 지능형 로봇 인력 양성 교육, pp. 124-189, 2007.
L. Feng, Y. Koren, J. Borenstien, "Cross-Coupling Motion Controller for Mobile Robots", IEEE Control System Magazine, pp. 160-232, 1993.
Park, J.-J., Lee, Y.-J., and Song, J.-B., "Safe Joint Mechanism based on Nonlinear Stiffness for Safe Human-Robot Collision,"" Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 2177-2182, 2008.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.