[논문]와이어 구동방식 원격조작기용 그리퍼의 반자동 파지 및 해제 동작을 위한 스프링 강성 분석

유승남; 이종광

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.11.1405

와이어 구동방식 원격조작기용 그리퍼의 반자동 파지 및 해제 동작을 위한 스프링 강성 분석
Stiffness Analysis of Spring Mechanism for Semi-Automatic Gripper Motion of Tendon-Driven Remote Manipulator 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.11, 2012년, pp.1405 - 1411

초록
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위험지역에서의 작업을 위하여 전세계적으로 원격조작기가 널리 활용되고 있다. 특히 원격 시스템의 경우, 운영되는 환경의 특징상 안정적인 성능이 담보되어야만 하며, 조작기 몸체의 경량화 및 운용환경 외부에서의 유지보수 편리성을 위하여 구동부를 시스템의 기저부에 집중시킬 수 있는 장력구동방식 메커니즘이 주로 활용되고 있다. 본 연구에서는 장력구동 방식 원격조작기에 적용하기 위한 그리퍼 탄성 구동부의 설계를 위해 시도된 접근법을 소개하고자 한다. 제시된 그리퍼 시스템은 기본적으로 스프링 메커니즘에 기반을 둔 4 절 링크형 구조를 가지고 있으며 마스터 조작자에 의해 동작되는 슬레이브 조작기의 말단부에 결합되는 구조를 가진다. 본 논문에서는 이러한 조작기의 요구사항에 맞는 그리퍼의 파지력 및 복원력을 재현하기 위하여 그리퍼 상에서의 적정 스프링 결합위치 및 요구강성과 그에 따른 운동학적 영향계수 등을 분석 및 고찰하였다. 최종적으로는 이러한 분석내용들을 바탕으로, 실제 그리퍼 시스템에 적용함으로써 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Remote handling manipulators are widely used for performing hazardous tasks, and it is essential to ensure the reliable performance of such systems. Toward this end, tendon-driven mechanisms are adopted in such systems to reduce the weight of the distal parts of the manipulator while maintaining the handling performance. In this study, several approaches for the design of a gripper system for a tendon-driven remote handling system are introduced. Basically, this gripper has an underactuated spring mechanism that is combined with a slave manipulator triggered by a master operator. Based on the requirements under the specified tendon-driven mechanism, the connecting position of the spring system on the gripper mechanism and kinematic influence coefficient (KIC) analysis are performed. As a result, a suitable combination of components for the proper design of the target system is presented and verified.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

결국, 현재의 구조상에서 스프링 연결거리를 증가시키면 더 큰 복원력을 얻을 수 있으나 과도한 강성의 스프링을 선정할 경우, 원하지 않는 상황에서 급격하게 자세가 복원되거나 그리퍼의 자세 별 복원속도의 편차가 심해지는 단점을 확인하였다. 다음 절에서는 joint-to-joint 의 스프링 연결구조를 가지는 그리퍼 메커니즘에 대한 운동학적 영향계수를 분석하여 본 절에서 제시된 스프링 연결구조 상에서의 적정 스프링 강성을 모색해 보고자 한다.
특히 장력구동방식의 그리퍼의 경우, 파지를 위한 Grasping 동작, 기본 자세 복원을 위한 Release 동작을 안정적으로 구현하기 위하여 적절한 스프링 메커니즘의 설계 및 적용이 필수적인 요소라고 할 수 있다. 본 논문에서는 장력구동 방식의 마스터-슬레이브형 서보식 조작기의 요구사항에 맞는 그리퍼의 파지력 및 복원력을 재현하기 위하여 그리퍼 상에서의 적정 스프링 결합위치 및 요구강성과 그에 따른 운동학적 영향계수(Kinematic Influence Coefficient, KIC)⁽⁸⁾를 분석 및 고찰하였다. 최종적으로는 이러한 분석내용들을 바탕으로, 제시된 그리퍼 시스템의 구현을 위한 적정 설계요소들의 조합안을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 장력구동방식의 서보식 원격조작기에 적용되는 자동복원 메커니즘 기반 그리퍼 시스템의 스프링 적용방안을 고찰하였다. 먼저 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 스프링의 결합 위치에 따른 다양한 경우의 조합에 대한 스프링 복원력 및 그리퍼의 거동을 확인함으로써, 본 메커니즘의 구조상 복원력 측면에서 가장 유리한 joint-to-joint 연결 방식을 선정하였다.
본 절에서는 그리퍼의 모든 동작구간 내에서 일정수준의 그리퍼 강성 변화량을 유지하기 위하여 스프링의 길이 변화에 대해서 그리퍼를 당기는 유효힘의 변화율이 0 이 되는 스프링 강성 k_s 를 찾는 것을 목표로 한다. Fig.
본 연구에서 제시된 그리퍼는 4 절 링크 구조에 스프링이 체결된 구조를 가지며, 스프링의 연결 방식에 따라서 다양한 복원력을 구현할 수 있다. 본 절에서는 다양한 스프링 연결구조를 재현하여 각각의 구조에 따른 그리퍼의 파지력 및 복원력과 관련한 거동을 살펴보고자 한다. Fig.
본 논문에서는 장력구동 방식의 마스터-슬레이브형 서보식 조작기의 요구사항에 맞는 그리퍼의 파지력 및 복원력을 재현하기 위하여 그리퍼 상에서의 적정 스프링 결합위치 및 요구강성과 그에 따른 운동학적 영향계수(Kinematic Influence Coefficient, KIC)⁽⁸⁾를 분석 및 고찰하였다. 최종적으로는 이러한 분석내용들을 바탕으로, 제시된 그리퍼 시스템의 구현을 위한 적정 설계요소들의 조합안을 제시하고자 한다. Fig.

가설 설정

⑤ 그리퍼 외부에서 일정한 힘으로 가하고 있는 장력은 조절이 가능하다.

제안 방법

5 kgf 범위의 외부 장력을 그리퍼에 가한 후 순간적으로 해제하여 그리퍼 자체의 스프링 복원력을 이용하여 기본자세로 복원하는 시뮬레이션을 수행한 결과이다. A-B 간의 거리가 가까운 경우(case#1)와 이에 비하여 A-B 간의 거리가 먼 경우(case#2, case#3)의 복원력을 각각 비교하였으며 동일 Case 내에서 그리퍼에 작용하는 외부 장력을 변화시켜가면서 각각의 경우에 대한 그리퍼의 복원력을 분석하였다. Case#1 의 그리퍼 거동을 살펴보면, 외부에서 가하고 있는 장력이 일정수준 이상일 경우 복원이 불가하였으며, Case#2 의 경우 스프링의 강성이 동일한 상황에서 더 큰 복원력을 발휘하였다.
Fig. 3 과 같이 Joint-to-Joint, Joint-to-Linkage (짧은 거리), Joint-to-Linkage(먼 거리)의 스프링 결합방식에 대해서 k_s = 400, 800, 1600 N/m 의 3 가지 강성을 가지는 스프링을 연결하여 각각의 경우에 대한 그리퍼 거동을 분석하였다. 그리퍼 파지동작을 위한 외부하중은 케이블 관성 질량인 m_td 를 포함하여 그리퍼 파지 동작이 일어나는 방향(Fig.
3 과 같이 Joint-to-Joint, Joint-to-Linkage (짧은 거리), Joint-to-Linkage(먼 거리)의 스프링 결합방식에 대해서 k_s = 400, 800, 1600 N/m 의 3 가지 강성을 가지는 스프링을 연결하여 각각의 경우에 대한 그리퍼 거동을 분석하였다. 그리퍼 파지동작을 위한 외부하중은 케이블 관성 질량인 m_td 를 포함하여 그리퍼 파지 동작이 일어나는 방향(Fig. 4 를 기준으로 우측 방향)으로 작용 하도록 하였다. 이때 고려해야 할 점은, 전술한 바와 같이 그리퍼를 초기자세로 복원시킬 경우 모터를 반대 방향으로 회전시키면 전체 와이어 루프가 느슨해지면서 그리퍼 자체의 탄성만으로 복원되어야 하므로, 그리퍼의 스프링은 어떠한 상황에서도 일정한 복원력을 발휘 할 수 있어야 한다.
먼저 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 스프링의 결합 위치에 따른 다양한 경우의 조합에 대한 스프링 복원력 및 그리퍼의 거동을 확인함으로써, 본 메커니즘의 구조상 복원력 측면에서 가장 유리한 joint-to-joint 연결 방식을 선정하였다. 또한, 본 연구에서 제시된 서보식 조작기의 안정적인 구동을 위하여(그리퍼 파지동작의 갑작스러운 해지를 통해 모터 구동 제어가 불안정해지는 현상을 방지하기 위하여) 전 동작 구간에 대한 그리퍼 강성 변화율을 최소화할 수 있는 스프링 강성 선정 기법을 제안하였다. 이를 위해 그리퍼의 스프링 메커니즘에 대한 운동학적 영향계수를 도출하여 그리퍼의 전 운동구간에 대한 스프링 강성과 그리퍼 거동간 관계를 규명하였다.
본 연구에서 제시된 그리퍼는 4 절 링크 구조에 스프링이 체결된 구조를 가지며, 스프링의 연결 방식에 따라서 다양한 복원력을 구현할 수 있다. 본 절에서는 다양한 스프링 연결구조를 재현하여 각각의 구조에 따른 그리퍼의 파지력 및 복원력과 관련한 거동을 살펴보고자 한다.
본 연구에서는 기본적인 그리퍼의 복원성능을 보장하면서 전 동작구간에서 스프링 강성이 일정하게 유지될 수 있는 강성치를 선정하기 위하여 시뮬레이션을 통한 사전 분석을 통해 적정 스프링 강성 구간(Fig. 7 의 사각영역)을 설정하고, 실제 구현된 그리퍼 시스템 복원 성능을 반복 실험하여 최종적으로 스프링의 강성을 ks=1760 N/m 로 선정하였다. Fig.
스프링의 강성에 대한 시뮬레이션 조건은 제작된 서보조작기 시스템이 무부하 상태에서 파지력을 그리퍼의 동력전달부에 직접 인가하는 방식을 취하였으며 모터에서 그리퍼까지 연결된 동력전달용 케이블의 무게를 고려하여 1kg 의 관성 질량을 동력전달부에 추가하였다.
위의 가정에 따라 그리퍼 스프링은 A 점을 고정시킨 상태로 B 점을 링크상에서 이동시키면서, 그리퍼 동작시의 복원력을 평가하였다.
또한, 본 연구에서 제시된 서보식 조작기의 안정적인 구동을 위하여(그리퍼 파지동작의 갑작스러운 해지를 통해 모터 구동 제어가 불안정해지는 현상을 방지하기 위하여) 전 동작 구간에 대한 그리퍼 강성 변화율을 최소화할 수 있는 스프링 강성 선정 기법을 제안하였다. 이를 위해 그리퍼의 스프링 메커니즘에 대한 운동학적 영향계수를 도출하여 그리퍼의 전 운동구간에 대한 스프링 강성과 그리퍼 거동간 관계를 규명하였다. 이러한 과정을 통하여 설계자는 그리퍼 사양 및 작업 요구사항에 부합하는 적정 스프링 강성을 선정할 수 있다.

대상 데이터

① 적정수준의 탄성을 생성하기 위하여 두 지점간의 상대 거리의 변화가 일정량 이상 발생하는 지점들을 분석 대상으로 한다.

이론/모형

본 연구에서는 장력구동방식의 서보식 원격조작기에 적용되는 자동복원 메커니즘 기반 그리퍼 시스템의 스프링 적용방안을 고찰하였다. 먼저 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 스프링의 결합 위치에 따른 다양한 경우의 조합에 대한 스프링 복원력 및 그리퍼의 거동을 확인함으로써, 본 메커니즘의 구조상 복원력 측면에서 가장 유리한 joint-to-joint 연결 방식을 선정하였다. 또한, 본 연구에서 제시된 서보식 조작기의 안정적인 구동을 위하여(그리퍼 파지동작의 갑작스러운 해지를 통해 모터 구동 제어가 불안정해지는 현상을 방지하기 위하여) 전 동작 구간에 대한 그리퍼 강성 변화율을 최소화할 수 있는 스프링 강성 선정 기법을 제안하였다.

성능/효과

슬레이브 그리퍼의 경우 모터의 회전력으로 아이들(Idle) 기어에 직결된 풀리를 회전시키게 되며, 풀리에 감긴 와이어가 인장되면서 파지 동작을 수행하게 된다.⁽⁹⁾ 특히 슬레이브 그리퍼의 파지를 해제할 경우, 모터가 반대 방향으로 회전하면서 전체적인 와이어 루프가 느슨해지는데, 이때 그리퍼 내부에 설치된 스프링의 복원력으로 원상 복귀가 이루어지므로 모터제어의 특성을 고려하였을 때, 와이어의 장력은 최대한 일정하게 유지하여야 한다.
다만 스프링의 강성이 과도할 경우, 스프링의 자세 복원 이후에 다소간의 출렁임(Fluctuation)이 발생하였다. 결국, 현재의 구조상에서 스프링 연결거리를 증가시키면 더 큰 복원력을 얻을 수 있으나 과도한 강성의 스프링을 선정할 경우, 원하지 않는 상황에서 급격하게 자세가 복원되거나 그리퍼의 자세 별 복원속도의 편차가 심해지는 단점을 확인하였다. 다음 절에서는 joint-to-joint 의 스프링 연결구조를 가지는 그리퍼 메커니즘에 대한 운동학적 영향계수를 분석하여 본 절에서 제시된 스프링 연결구조 상에서의 적정 스프링 강성을 모색해 보고자 한다.
8 은 실제 개발된 매니퓰레이터에 적용된 그리퍼 시스템 및 스프링 메커니즘에 대하여, 구동력을 제공하는 모터의 회전각에 따른 그리퍼 장력 변화를 측정한 결과를 나타내고 있다. 동일한 매니퓰레이터를 대상으로 하여 본 연구에서 제시된 그리퍼(KAERI) 및 이와 유사한 성능과 제원을 가지는 상용 그리퍼(HWM 社 A100 모델 부속 그리퍼⁽¹⁰⁾)를 각각 적용하여 실험한 결과, 본 연구에서 제시한 스프링 강성을 적용한 그리퍼 시스템이 전체 동작 구간 내에서 더 적은 장력변화를 보였다. 이러한 경향은 파지동작 해제시의 거동 에서도 동일하게 확인할 수 있었다.
시뮬레이션 결과, A-B 간의 간격이 가장 멀어지는 joint-to-joint 연결 방식(Case#3)이 동일 스프링 강성 내에서 가장 큰 복원력을 발휘하였다. 다만 스프링의 강성이 과도할 경우, 스프링의 자세 복원 이후에 다소간의 출렁임(Fluctuation)이 발생하였다.

후속연구

이러한 과정을 통하여 설계자는 그리퍼 사양 및 작업 요구사항에 부합하는 적정 스프링 강성을 선정할 수 있다. 향후에는 본 연구에서 제시한 매니퓰레이터의 그리퍼 시스템에 대하여 동일 강성 또는 서로 다른 강성의 스프링들을 조합, 연결하여 다양한 동작 조건에서의 그리퍼 성능을 고찰해 보고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원격조작기 시스템의 사용처는?	원격조작기 시스템은 작업자가 접근할 수 없는 위험지역에서의 물질 취급, 장치 및 시설의 운용, 시스템 원격 유지보수 등의 다양한 작업을 수행하고 있다.(1) 이러한 원격조작시스템은 기구학적 구조 및 관절부의 구동 방식에 따라서 다양한 종류가 존재하며, 전세계적으로 많은 연구 및 개발이 진행되어 왔다.
	원격 조작기의 대분류는 어떻게 구분되는가?	(1) 이러한 원격조작시스템은 기구학적 구조 및 관절부의 구동 방식에 따라서 다양한 종류가 존재하며, 전세계적으로 많은 연구 및 개발이 진행되어 왔다. 원격 조작기는 크게 기계식 및 서보식 조작기로 구분할 수 있으며, 기계식 조작기는 작업자의 조작력으로 장치의 대부분이 구동되는 형식으로서 장력구동방식을 통해서 조작기와 작업자가 물리적으로 직접 연결되어 있으므로 원격 대상물에 대한 물리적인 접촉이나 취급에 대해서 작업자가 비교적 민감하고 신속하게 대응할 수 있다.(2) 서보식의 경우, 조작자가 조종하는 마스터 서보조작기의 움직임이 제어기를 통해 전기적 신호로 변환되어 슬레이브 서보조작기에 지령됨으로써 마스터 및 슬레이브 서보조작기가 동일한 동작을 수행하게 된다.
	원격 조작기 중 서보식 조작기는 어떤 방식으로 동작이 수행되는가?	원격 조작기는 크게 기계식 및 서보식 조작기로 구분할 수 있으며, 기계식 조작기는 작업자의 조작력으로 장치의 대부분이 구동되는 형식으로서 장력구동방식을 통해서 조작기와 작업자가 물리적으로 직접 연결되어 있으므로 원격 대상물에 대한 물리적인 접촉이나 취급에 대해서 작업자가 비교적 민감하고 신속하게 대응할 수 있다.(2) 서보식의 경우, 조작자가 조종하는 마스터 서보조작기의 움직임이 제어기를 통해 전기적 신호로 변환되어 슬레이브 서보조작기에 지령됨으로써 마스터 및 슬레이브 서보조작기가 동일한 동작을 수행하게 된다. 서보식 조작기는 원격대상물에 대한 물리적인 상호작용이 필요한 경우에 적절한 피드백 기능을 추가할 수 있으며, 기계식 조작기에 비하여 대체적으로 고하중물의 취급이 가능하다.

참고문헌 (10)

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Lee, J. K., Lee, H. J., Park, B. S., Yu, S. N., Kim, K. H. and Kim, H. D., 2011, "Bilateral Control of Master-Slave Manipulator System Using Time Delay Control," Int. Conf. on Informatics in Control, Automation and Robotics, pp. 37-42.
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상세보기
Yu, S. N., Lee, J. K., Lee, H. J., Kim, S. H., Park, B. S., Kim, K. H. and Kim, H. D., 2011, "Assessment of Remote Disassembly Task for BDSM (Bridge transported Dual Arm Servo-Manipulator)," Korean Radioactive Waste Society, Autumn Annual Conference, pp. 105-106.
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저자의 다른 논문 :

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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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