병렬로봇은 구조적 특성 때문에 정밀성 및 고강성이 요구되는 분야와 고속성이 요구되는 분야에서 주로 적용되고 있다. 물류 분야에서 고속이송의 중요성은 날이 갈수록 증가하고 있으며, 본 연구에서도 동일한 목적으로 고속 이송에 적용될 병렬로봇이 개발되었다. 개발된 로봇은 최대 3kg의 부하를 이송할 수 있으며 0.1kg의 부하조건에서의 최대 운전 조건은 싸이클 타임 0.3sec로 최대 속도 약 4.5m/sec로 운전할 수 있으며(Pick & Place 작업, Adept cycle) 이때 최대 가속도는 약 13G에 달한다. 본 논문에서는 개발된 고속 병렬로봇의 설계 및 해석에 관한 연구결과와 개발된 로봇의 성능에 관해 소개하고자 한다.
병렬로봇은 구조적 특성 때문에 정밀성 및 고강성이 요구되는 분야와 고속성이 요구되는 분야에서 주로 적용되고 있다. 물류 분야에서 고속이송의 중요성은 날이 갈수록 증가하고 있으며, 본 연구에서도 동일한 목적으로 고속 이송에 적용될 병렬로봇이 개발되었다. 개발된 로봇은 최대 3kg의 부하를 이송할 수 있으며 0.1kg의 부하조건에서의 최대 운전 조건은 싸이클 타임 0.3sec로 최대 속도 약 4.5m/sec로 운전할 수 있으며(Pick & Place 작업, Adept cycle) 이때 최대 가속도는 약 13G에 달한다. 본 논문에서는 개발된 고속 병렬로봇의 설계 및 해석에 관한 연구결과와 개발된 로봇의 성능에 관해 소개하고자 한다.
Parallel robots used in industry require high stiffness or high speed because of their structural characteristics. Nowadays, the importance of rapid transportation has increased in the distribution industry. In this light, an industrial parallel robot has been developed for high-speed transfer. The ...
Parallel robots used in industry require high stiffness or high speed because of their structural characteristics. Nowadays, the importance of rapid transportation has increased in the distribution industry. In this light, an industrial parallel robot has been developed for high-speed transfer. The developed parallel robot can handle a maximum payload of 3 kg. For a payload of 0.1 kg, the trajectory cycle time is 0.3 s (come and go), and the maximum velocity is 4.5 m/s (pick amp, place work, adept cycle). In this motion, its maximum acceleration is very high and reaches approximately 13g. In this paper, the design, analysis, and performance test results of the developed parallel robot system are introduced.
Parallel robots used in industry require high stiffness or high speed because of their structural characteristics. Nowadays, the importance of rapid transportation has increased in the distribution industry. In this light, an industrial parallel robot has been developed for high-speed transfer. The developed parallel robot can handle a maximum payload of 3 kg. For a payload of 0.1 kg, the trajectory cycle time is 0.3 s (come and go), and the maximum velocity is 4.5 m/s (pick amp, place work, adept cycle). In this motion, its maximum acceleration is very high and reaches approximately 13g. In this paper, the design, analysis, and performance test results of the developed parallel robot system are introduced.
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문제 정의
본 절에서는 앞서 설명한 바와 같이 최대 가감속 13G의 조건(본 로봇에서 사용하는 Adept Cycle에서는 순간적으로 13G의 가속도가 요구됨)에서 사용되는 병렬로봇의 구조해석을 수행한 결과를 기술하고자 한다. 또한 구조 해석에서 메인하우징의 재질이 FC300일 경우와 알루미늄재료의 경우에 대한 응력해석 결과를 비교하여 재질에 따른 응력수준과 최대변위(Maximum displacement)에 대한 결과를 비교하고 분석하고자 하였다.
이를 구현하기 위해서는 목표 작업공간을 만족하는 델타형 병렬 로봇의 기구학적 설계 파라미터를 결정해야한다. 목표 작업공간을 만족하는 병렬로봇 기구 파라미터 선정하기 위하여 병렬로봇 시각화 시뮬레이터를 개발하였다. 본 시각화 시뮬레이터를 이용하여 Fig.
5m/sec로 운전할 수 있다(Pick & Place 작업, Adept cycle). 본 논문에서는 개발된 고속 병렬로봇의 설계 및 해석에 관한 연구결과와 개발된 로봇의 성능에 관해 소개하였다.
본 연구에서 저자들은 상업적 목적으로 고속핸들링용 병렬로봇을 개발하였다. 이를 위하여 필요작업영역을 만족하도록 기구 파라미터를 결정하고 고속 가감속에 의한 관성력 하에서의 구조 해석을 통하여 기구의 안정적인 설계를 확보하였으며 최종적으로는 반복정밀도 실험을 통하여 그 성능을 입증하였다.
본 연구에서는 고속 이송에 적용될 병렬로봇이 개발되었다. 개발된 로봇은 최대 3kg의 부하를 이송할 수 있으며 0.
본 절에서는 앞서 설명한 바와 같이 최대 가감속 13G의 조건(본 로봇에서 사용하는 Adept Cycle에서는 순간적으로 13G의 가속도가 요구됨)에서 사용되는 병렬로봇의 구조해석을 수행한 결과를 기술하고자 한다. 또한 구조 해석에서 메인하우징의 재질이 FC300일 경우와 알루미늄재료의 경우에 대한 응력해석 결과를 비교하여 재질에 따른 응력수준과 최대변위(Maximum displacement)에 대한 결과를 비교하고 분석하고자 하였다.
이를 위하여 필요작업영역을 만족하도록 기구 파라미터를 결정하고 고속 가감속에 의한 관성력 하에서의 구조 해석을 통하여 기구의 안정적인 설계를 확보하였으며 최종적으로는 반복정밀도 실험을 통하여 그 성능을 입증하였다. 이에 본 논문에서는 이러한 연구결과들을 소개하고자 한다.
가설 설정
이는 통상 Adept cycle로 불리기도 한다.(8) 왕복 Cycle의 운전 시간은 0.3초이다. 본 논문에서는 Fig.
두 링크사이의 스프링은 탄성범위 내에서만 사용되기 때문에 선형구간으로 가정하였으며 스프링의 강성을 계산하기 위해서는 식 (1)에 나타낸 바와 같이 스프링의 강성을 반력과 변위의 비례적 관계를 이용하여 탄성조건에서 3차원 유한요소모델을 통하여 스프링강성을 추출하였다.
제안 방법
(1) 목표 작업영역 (Φ1300 *500mm)을 만족하면서 고속, 고부하에 견딜 수 있는 병렬로봇의 설계를 위한 기구학적 주요 파라미터를 결정하였다.
고속 가감속에 의한 외력에 대응할 구조해석을 통해 구조 건전성이 설계단계에서 검증되었다.
델타형 병렬 로봇 시스템의 구동 시에 충분한 강성이 요구되는 메인 하우징은 쉘 요소로 유한요소모델을 작성하였으며, 상부덮개의 볼트체결 부위와 상부플레이트 볼트체결 부위, 하부의 유니버설조인트 서포트와의 볼트체결 부위는 실제 모델의 형상에 가깝도록 유한요소모델을 작성하였다. 또한 플레이트는 용접 구조물이 아닌 주조에 의한 구조물을 고려하여 볼트체결 부위를 제외한 메인하우징의 모든 부분을 하나의 구조물로 모델링하였다.
델타형 병렬 로봇 시스템의 외측 암을 구성하는 한 쌍의 관절 링크는 빔 요소로 반영되어 있기 때문에 빔 요소를 구성하는 두 절점을 이용하여 1개의 스프링 요소(Fig. 6)가 감쇄가 없는 조건의 스프링 상수(k=1323N/m)가 적용되도록 하였으며 이를 통해 전체 로봇 시스템의 유한요소모델을 보다 단순하고 효과적으로 표현하였다.
따라서 본 로봇은 설계대로 제작되었으며 제작된 로봇의 목표 정밀도(± 0.1mm)를 만족하는지를 측정을 통하여 검증하였다.
델타형 병렬 로봇 시스템의 구동 시에 충분한 강성이 요구되는 메인 하우징은 쉘 요소로 유한요소모델을 작성하였으며, 상부덮개의 볼트체결 부위와 상부플레이트 볼트체결 부위, 하부의 유니버설조인트 서포트와의 볼트체결 부위는 실제 모델의 형상에 가깝도록 유한요소모델을 작성하였다. 또한 플레이트는 용접 구조물이 아닌 주조에 의한 구조물을 고려하여 볼트체결 부위를 제외한 메인하우징의 모든 부분을 하나의 구조물로 모델링하였다.
제작된 병렬로봇의 정도측정을 위해 레이저 트래커가 사용되었다. 레이저 트래커는 로봇의 말단에 장착된 반사구의 중심을 레이저로 추적함으로써 실제 궤적을 3D 좌표로 측정한다. 측정에 사용된 레이저 트래커는 Fig.
메인프레임과 상부플레이트 및 메인하우징은 3곳을 볼트로 조립하기 때문에 해당 플레이트들의 면적에서 볼트의 직경에 해당하는 절점의 자유도를 커플링 조건(coupling condition)을 이용하여 볼트 체결 조건을 각각 표현하였다. 또한, 내측 암과 외측 암이 연결되는 볼 조인트 위치는 델타형 병렬 로봇 시스템에서 총 12곳에 사용되어진다.
모터는 솔리드 요소를 적용하였으며 감속기에 대해서도 메인하우징과 볼트 체결되는 플레이트를 제외하고 솔리드 요소로 유한요소모델을 작성하였다. Fig.
목표 작업공간을 만족하는 병렬로봇 기구 파라미터 선정하기 위하여 병렬로봇 시각화 시뮬레이터를 개발하였다. 본 시각화 시뮬레이터를 이용하여 Fig. 3과 Fig. 4와 같이 기구파라미터를 변경하면서 작업공간의 변화를 확인하는 방법으로 기구파라미터를 선정하였다. Table 1은 이러한 작업공간 시각화 절차에 따라 선정된 기구 파라미터의 예를 보여주고 있다.
외측 암의 튜브는 중실축의 경우와 중공축의 경우에 대하여 각각 유한요소모델을 작성하여 진동특성을 비교하고자 한다. 외측 암은 하부의 플랫폼에 직접적으로 영향을 미치는 부분으로 델타형 병렬 로봇 시스템의 제어 성능을 결정하는 가장 중요한 부분이며 변형이 가장 클 것으로 예상되는 부분이다.
6mm, 유효감긴수 24, 전체길이 70mm의 형상으로 이루어진 스프링 구조물이 사용되고 있다. 이러한 스프링 요소는 전체구조해석 결과에 큰 영향을 미치기 때문에 Fig. 6에서와 같이 매우 상세하게 유한요소 형상으로 모델링 하였다. 이때 유한요소모델링의 적용에 있어서 스프링의 한쪽 변위는 고정하고 상부 쪽의 고리 부분을 임의의 하중을 가하여 고정 절점에서의 반력을 구하도록 하였다.
본 연구에서 저자들은 상업적 목적으로 고속핸들링용 병렬로봇을 개발하였다. 이를 위하여 필요작업영역을 만족하도록 기구 파라미터를 결정하고 고속 가감속에 의한 관성력 하에서의 구조 해석을 통하여 기구의 안정적인 설계를 확보하였으며 최종적으로는 반복정밀도 실험을 통하여 그 성능을 입증하였다. 이에 본 논문에서는 이러한 연구결과들을 소개하고자 한다.
대상 데이터
델타형 병렬 로봇 시스템에서 가장 중요한 구성품으로 로봇의 구동 시 큰 강성이 요구되는 메인하우징의 재료는 회주철(FC300)을 적용하였다. 그리고 메인하우징의 하부에 위치하고 있는 유니버설조인트 서포트와 실질적으로 물체를 이송하는 플랫폼, 상부 덮개, 내측 암의 파이프 그리고 내측 암의 연결 플랜지는 경량화를 위하여 알루미늄(AL6061)재료를 적용하였다. 또한, 유니버설조인트 커넥터, 메인프레임, 상부 플레이트, 모터와 연결되는 링크인 핀 샤프트 그리고 외측 암 등의 구성품은 강재(SS41)를 적용하였다.
1)을 이용하였다. 그리고 적용요소는 선형요소(Linear element)로서 쉘(SHELL63), 빔(BEAM188), 솔리드(SOLID45)요소(4)를 사용하였다.
5에 상세하게 나타내었다. 델타형 병렬 로봇 시스템에서 가장 중요한 구성품으로 로봇의 구동 시 큰 강성이 요구되는 메인하우징의 재료는 회주철(FC300)을 적용하였다. 그리고 메인하우징의 하부에 위치하고 있는 유니버설조인트 서포트와 실질적으로 물체를 이송하는 플랫폼, 상부 덮개, 내측 암의 파이프 그리고 내측 암의 연결 플랜지는 경량화를 위하여 알루미늄(AL6061)재료를 적용하였다.
델타형 병렬 로봇의 유한요소모델에 적용된 쉘 요소는 상부 플레이트, 메인하우징, 메인프레임의 지지 플레이트, 감속기의 연결 플랜지 등의 구조물에 적용하였고 16,607개의 절점으로 이루어진 15,521개의 요소를 사용하였다.
그리고 메인하우징의 하부에 위치하고 있는 유니버설조인트 서포트와 실질적으로 물체를 이송하는 플랫폼, 상부 덮개, 내측 암의 파이프 그리고 내측 암의 연결 플랜지는 경량화를 위하여 알루미늄(AL6061)재료를 적용하였다. 또한, 유니버설조인트 커넥터, 메인프레임, 상부 플레이트, 모터와 연결되는 링크인 핀 샤프트 그리고 외측 암 등의 구성품은 강재(SS41)를 적용하였다.(6)
이러한 이유로, 일반적으로 구조해석용 상용 프로그램(6)에서 사용하는 빔의 종류는 오일러 빔(Euler beam)과 티모센코 빔(Timoshenko beam)이 있다. 이중에 정도 높은 해석의 결과를 위하여 단면의 전단변형 효과가 포함된 티모센코 빔 요소(BEAM188)를 사용하였다.(7)
데이터처리
델타형 병렬 로봇 시스템의 유한요소해석을 수행하기 위해서는 범용 구조해석용 상용 프로그램인 ANSYS(ver. 12.1)을 이용하였다. 그리고 적용요소는 선형요소(Linear element)로서 쉘(SHELL63), 빔(BEAM188), 솔리드(SOLID45)요소(4)를 사용하였다.
이론/모형
실제 모터와 감속기의 구조적 형상은 매우 복잡한 형상을 지니고 있고 서로 다른 재료를 이용하여 구성되어 있지만 로봇 시스템의 동특성에 대한 평가를 수행하기 위한 수학적 모델에서는 해당 기기의 형상은 매우 단순하게 표현하였다. 또한, 델타형 병렬 로봇 시스템의 운전 조건에서는 플랫폼에는 최대 6kg의 추가 무게를 고려하기 위하여 120개의 질량요소(MASS21)를 사용하였다. 그리고 외측암 구조물에는 두 링크 사이에 스프링이 상, 하부에 연결되어 있기 때문에 해당 링크 위치에 스프링요소(COMBIN14)를 사용하여 강성을 입력하였다.
성능/효과
(1) 병렬형 매니퓰레이터의 특징은 구동기가 병렬로 연결되어 여러 개의 링크에 부하가 분담되고 각 구동기에는 매니퓰레이터 자체의 부하와 외부 부하에 의하여 모멘트가 아닌 축 방향 하중만이 작용하므로 큰 부하를 구동시킬 수 있다. 따라서 직렬형 보다 높은 강성을 가지며, 각 조인트의 오차가 말단 작동기에 계속 누적되지 않고 서로 상쇄되므로 정밀도가 높은 장점이 있다.
(2) 설계된 델타형 병렬로봇의 고속 가감속 조건하에서 구조적으로 안정함을 입증하기 위하여 구조 해석을 수행하였으며, 이를 통해 변형과 응력의 측면에서 허용범위 내에 있음을 보였다.
(3) 제작된 병렬로봇의 반복 정밀도 실험을 통하여 최대 0.0164mm의 반복정밀도를 가짐을 확인하여 매우 높은 정밀도가 확보되었음을 보였다.
결론적으로 델타형 병렬 로봇을 구성하는 메인하우징의 재질에 대한 재료의 허용응력과 현재 도출된 응력강도의 수준을 비교해 보면, 고속가감속 운전조건에서 모두 재료의 허용응력의 범위에 만족하는 값을 갖고 있음을 확인할 수 있다.
11은 해당 재질이 알루미늄일 경우에 대한 변위를 나타내는 그림이다. 그러므로 Fig. 10과 11의 결과에서 알 수 있듯이 델타형 병렬 로봇은 최대 가속 도로 운전중에 외력의 인가된 반대편의 플랫폼에서 변형이 최대가 됨을 알 수 있으며 재질이 FC300인 경우에 최대 변위가 0.33mm이고 더 낮은 밀도를 지니고 있는 알루미늄의 경우에 최대 변위가 다소 낮은 0.347mm임을 확인할 수 있다.
마지막으로 델타형 병렬 로봇 시스템의 유한요소모델에 적용된 솔리드 요소는 8,319개의 요소와 10,125개의 절점이 사용하여 모터와 감속기의 형상을 유한요소모델로 표현하였다. 실제 모터와 감속기의 구조적 형상은 매우 복잡한 형상을 지니고 있고 서로 다른 재료를 이용하여 구성되어 있지만 로봇 시스템의 동특성에 대한 평가를 수행하기 위한 수학적 모델에서는 해당 기기의 형상은 매우 단순하게 표현하였다.
5배가량 높은 응력을 보이지만 크기가 미미하며 응력수준은 재료의 허용응력 수준을 충분히 만족하고 있음을 알 수 있다. 응력해석의 결과만을 확인해 볼 때, 메인하우징의 재료로서 알루미늄의 재료를 사용할 경우 로봇 시스템의 기구적 효율성과 경량화를 높일 수 있지만 제작상의 난이도가 높을 것으로 판단된다.
이상에서 개발목표치인 반복정밀도 오차 ± 0.1mm이내를 충분히 달성하였음을 확인할 수 있다(Table 2, Table 3)
후속연구
개발된 병렬로봇은 상용화를 목표로 개발되었으며, 따라서 향후에는 내구성 및 신뢰성 평가를 지속적으로 수행하여 제품의 수명과 신뢰성을 향상시키는 연구를 진행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
병렬형 매니퓰레이터란?
병렬형 매니퓰레이터란 최소 두 개 이상의 직렬 부속기구에 의해 이동 가능한 말단 작동기가 고정된 하판과 연결되어 구성된 닫힌 형태의 기구를 의미한다. (1) 병렬형 매니퓰레이터의 특징은 구동기가 병렬로 연결되어 여러 개의 링크에 부하가 분담되고 각 구동기에는 매니퓰레이터 자체의 부하와 외부 부하에 의하여 모멘트가 아닌 축 방향 하중만이 작용하므로 큰 부하를 구동시킬 수 있다.
고속 이송에 적용될 병렬로봇의 특징은?
물류 분야에서 고속이송의 중요성은 날이 갈수록 증가하고 있으며, 본 연구에서도 동일한 목적으로 고속 이송에 적용될 병렬로봇이 개발되었다. 개발된 로봇은 최대 3kg의 부하를 이송할 수 있으며 0.1kg의 부하조건에서의 최대 운전 조건은 싸이클 타임 0.3sec로 최대 속도 약 4.5m/sec로 운전할 수 있으며(Pick & Place 작업, Adept cycle) 이때 최대 가속도는 약 13G에 달한다. 본 논문에서는 개발된 고속 병렬로봇의 설계 및 해석에 관한 연구결과와 개발된 로봇의 성능에 관해 소개하고자 한다.
병렬로봇이 주로 적용되는 분야는?
병렬로봇은 구조적 특성 때문에 정밀성 및 고강성이 요구되는 분야와 고속성이 요구되는 분야에서 주로 적용되고 있다. 물류 분야에서 고속이송의 중요성은 날이 갈수록 증가하고 있으며, 본 연구에서도 동일한 목적으로 고속 이송에 적용될 병렬로봇이 개발되었다.
참고문헌 (8)
Nam, Y., Lee, Y. and Park, M., 2006, "A Comparative Study of 2 DOF Parallel Mechanism : Workspace Optimization and Kinematic Performance," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 30, No. 12, pp. 1564-1572
Cha, Y., 2009, "Development Status of a Parallel Mechanism" Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol. 15, No. 1, pp. 22-28
Bedoustani, Y. B., Taghirad, H. D. and Aref, M. M., "Dynamics Analysis of A Redundant Parallel Manipulator Driven By Elastic Cables," Department of Electrical Engineering, K.N. Toosi University of Technology
Jeong, J. I., Kang, D., Cho, Y. M. and Kim, J. W., 2004, "Kinematic Calibration for Redundantly Actuated Parallel Mechanisms," ASME Journal of Mechanical design, Vol. 126, pp. 307-318
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