[논문]불가사리 채집용 4절 링크 매니퓰레이터의 최적 설계

김지훈; 진상록; 김종원; 서태원; 김종원

doi:10.7736/kspe.2013.30.9.961

[국내논문] 불가사리 채집용 4절 링크 매니퓰레이터의 최적 설계
Optimal Design of a Four-bar Linkage Manipulator for Starfish-Capture Robot Platform 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.9, 2013년, pp.961 - 968

김지훈 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) , 진상록 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) , 김종원 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) , 서태원 (영남대학교 기계공학부) , 김종원 (서울대학교 기계항공공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an optimal design for starfish capturing manipulator module with four-bar linkage mechanism. A tool link with compliance is attached on the four-bar linkage, and the tool repeats detaching starfish from the ground and putting it into the storage box. Since the tool is not rigid and the manipulator is operating underwater, the trajectory of the tool tip is determined by its dynamics as well as kinematics. We analyzed the trajectory of the manipulator tool tip by quasi-static analysis considering both kinematics and dynamics. In optimization, the lengths of each link and the tool stiffness are considered as control variables. To maximize the capturing ability, capturing stroke of the four-bar manipulator trajectory is maximized. Reaction force and reaction moment, and other kinematic constraints were considered as inequality constraints.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 매니퓰레이터의 성능을 불가사리 채집 효율으로 규정하고, 이를 최대화하고자 하였다. 최적화의 목적 함수, 설계변수, 제한조건 등은 아래와 같다.
본 연구에서는 수중 정지운항 플랫폼에 부착되어 유해생물인 불가사리를 채집하는 기능을 수행하는 4절링크 매니퓰레이터를 제시하였다. 매니퓰레이터의 개념설계를 수행한 후 수중에서 매니퓰레이터의 기구학적/동역학적인 해석을 통하여 매니퓰레이터 끝단의 궤적을 계산하였다.
이에 본 연구에서는 4절링크 원리를 이용한 불가사리 채집 기구부 메커니즘을 제안하고 이를 최적화하였다. 4절링크 구조는 단순한 회전운동을 일정한 궤적을 따라 반복하는 왕복운동으로 변환하고, 각 링크의 길이를 변화시켜 궤적의 형상을 다양하게 조절할 수 있기 때문에 불가사리 구제 작업의 반복적인 움직임을 구현하기 적합하다.

가설 설정

A: Mobile underwater robotic platform. B: Starfish capturing manipulator with four-bar mechanism. C: Starfish storage box
a) 로봇에 설치된 카메라를 통해 조종자가 불가사리가 군집하여 있는 장소를 발견 후, 조종하여 불가사리 근처로 이동한다. b) 로봇의 자세제어를 통해, 다량의 불가사리를 채집할 수 있는 적정한 위치와 자세에서 정지운항한다. c), d) 4절링크 구동모터가 작동함에 따라, 4절링크가 불가사리를 보관함쪽으로 이동시키고 저장한다.
본 연구의 시뮬레이션에서는 매니퓰레이터가 부착된 플랫폼이 공간상에 고정되어 있다고 가정하였다. 그러나 실제 상황에서는 4절링크의 운동에 의한 수중항력과 지면과의 접촉 등으로 인해 발생하는 힘과 모멘트가 플랫폼에 전달되고, 이는 수중 운항 플랫폼의 자세제어에 외란으로 작용한다.

제안 방법

4절링크 매니퓰레이터를 이산 시간(discretetime) 시스템으로 가정하고, 시간을 잘게 나누어 각 미소시간에서 준정적(quasi-static)하게 기구학, 동역학을 분석하여 매니퓰레이터의 거동을 해석하였다. 매니퓰레이터가 비틀림 스프링을 갖지 않고 강체 링크들로만 이루어져 있다면 동역학을 계산하지 않고 기구학으로만 매니퓰레이터의 궤적이 결정되지만, 링크가 스프링의 복원력과 수중 항력 등에 의해 각도가 변화하기 때문에 동역학을 풀어야 완전한 궤적을 구할 수 있다.
매니퓰레이터의 개념설계를 수행한 후 수중에서 매니퓰레이터의 기구학적/동역학적인 해석을 통하여 매니퓰레이터 끝단의 궤적을 계산하였다. 그리고 매니퓰레이터가 불가사리를 쓸어 담을 수 있도록 끝단이 지면과 접촉을 유지하는 거리를 채집가능거리로 정의하고 이를 최대화하는 최적화를 수행하였다. 수행 결과 설계변수의 값이 크게 변화하지 않았음에도 목적함수인 채집가능거리는 56% 향상되었음을 확인하였다.
채집 기구가 보관함으로 불가사리를 수집한 후 다음 작업을 위해 빗자루 링크가 보관함으로부터 멀어질 때, 강체 링크 끝단의 높이가 일정 거리 이하가 될 경우 불가사리를 로봇에서 더 먼 쪽으로 밀어내어, 다음 채집 작업 시 작업효율 감소의 우려가 있다. 따라서 경로의 높이 차가 일정 수준 이상을 유지하도록 제한조건을 두었다. 실제 어촌에 피해를 주고 있는 종인 별 불가사리와 아무르 불가사리의 평균 높이가 약 10mm임을 고려하여, 충분한 높이인 30mm를 높이 차의 제한조건으로 고려하였다.
본 연구에서는 수중 정지운항 플랫폼에 부착되어 유해생물인 불가사리를 채집하는 기능을 수행하는 4절링크 매니퓰레이터를 제시하였다. 매니퓰레이터의 개념설계를 수행한 후 수중에서 매니퓰레이터의 기구학적/동역학적인 해석을 통하여 매니퓰레이터 끝단의 궤적을 계산하였다. 그리고 매니퓰레이터가 불가사리를 쓸어 담을 수 있도록 끝단이 지면과 접촉을 유지하는 거리를 채집가능거리로 정의하고 이를 최대화하는 최적화를 수행하였다.
매니퓰레이터의 채집 작업효율을 높이기 위하여, 1회 작업 시 불가사리를 채집 가능한 작업범위를 최대화하고자, 4절링크 매니퓰레이터가 1회 작업 시 강체 링크가 지면을 쓸게 되는 거리 (L)를 최적화 목적함수로 설정하였다. 이를 채집가능거리라 하였으며, Fig.
7에 도시하였다. 먼저 다구찌 방법론을 한 번 사용하여 넓은 범위에서 최소값을 찾고, 그 값을 다시 초기값으로 랜덤 좌표 추적을 사용하여 보다 주변의 국소 최적점(local minimum)을 찾아간다. 국소 최저점에 수렴하면 다시 다구찌 방법론 등을 사용하여 국소 최저점에서 벗어나려고 시도하면서 전역 최소점(global minimum)을 찾아가는 기법이다.
본 장에서는 Matlab Simulink를 이용한 시뮬레이션 상에서 각 링크 사이의 내력, 토션 스프링의 복원력, 수중 항력, 지면과의 반력 등을 구현하여 매니퓰레이터의 움직임을 준정적으로 해석하고 계산하였다.
이는 플랫폼의 자세제어기로 일정 수준 극복할 수 있으나, 제어의 측면에서 이는 클수록 좋지 않은 값이므로, 이를 일정한 수준 이하로 유지시키는 제한조건을 두었다. 추진기의 추력과 제어기의 성능을 고려하여, x, y 방향의 반력, 플랫폼 무게중심에서의 모멘트를 각각 30 N, 40 N, 10 Nm로 제한하였다.

이론/모형

본 연구에서는 수중환경에서 4절링크에서의 움직임을 Matlab Simulink를 이용하여 구현하였다. 시뮬레이션 상에서 4절링크 매니퓰레이터는 Fig.
본 최적화 연구에서는 최근 새롭게 개발한 하이브리드 다구찌-랜덤 좌표 추적 알고리즘(Hybrid Taguchi-Random order Coordinate search Algorithm, HTRCA) 방법을 사용하였다. 이는 넓은 범위에서 빠르게 최적값을 찾는 다구찌 방법론(Taguchi method)과, 초기값의 근처에서 최저점(minimum)을 찾는 랜덤 좌표 추적(random order coordinate search) 알고리즘을 혼합한 것이다.

성능/효과

그리고 최적화된 궤적에서, h₁=-6, h₂=-25.88, h₃=-25.98, h₄=-6.88로 제한조건 (9)~(12)를 만족하여, 본 연구에서 얻은 설계변수의 최적값은 제한조건 내에서 능동적인 제한조건에 걸리지 않고, 최적값에 수렴했음을 알 수 있다.
9와 같다. 목적함수인 채집 가능거리는 초기값에서 189.3mm이고 최적값에서는 295.5mm로, 최적화를 통해 채집가능거리가 약 56% 증가하였다.
국소 최저점에 수렴하면 다시 다구찌 방법론 등을 사용하여 국소 최저점에서 벗어나려고 시도하면서 전역 최소점(global minimum)을 찾아가는 기법이다. 본 알고리즘을 이용하면 전역 최소점을 높은 성공률로 찾을 수 있고, 고차원 함수의 문제도 높은 신뢰도로 최적화를 수행할 수 있다는 장점이 있다.
본 최적화 연구에서 사용한 HTRCA 방법에서는 설계변수 중 링크의 길이 변수에서는 4 mm를 최소단위 스텝 크기(step size)로 설정하였기 때문에, 위와 같이 설계변수의 초기값에서 4 mm의 배수만큼 차이 나는 최적값을 얻었다.
설계변수의 최적값이 초기값에서 크게 변화하지 않았지만 목적함수가 56% 증가한 점으로 보아 매니퓰레이터의 끝단이 각 링크의 길이, 그리고 비틀림 스프링의 스프링 상수에 민감도가 크다는 결론을 내릴 수 있다. 따라서 4절링크를 이용한 기구부를 설계할 때는 반드시 적절한 제한조건에서 최적화를 수행하여야 함을 확인하였다.
그리고 매니퓰레이터가 불가사리를 쓸어 담을 수 있도록 끝단이 지면과 접촉을 유지하는 거리를 채집가능거리로 정의하고 이를 최대화하는 최적화를 수행하였다. 수행 결과 설계변수의 값이 크게 변화하지 않았음에도 목적함수인 채집가능거리는 56% 향상되었음을 확인하였다. 추후 실제 매니퓰레이터의 성능 검증을 위해 본 매니퓰레이터의 시작품을 제작하여 실험을 수행할 예정이다.

후속연구

수행 결과 설계변수의 값이 크게 변화하지 않았음에도 목적함수인 채집가능거리는 56% 향상되었음을 확인하였다. 추후 실제 매니퓰레이터의 성능 검증을 위해 본 매니퓰레이터의 시작품을 제작하여 실험을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	불가사리의 특징은?	불가사리는 남해 해역의 마을어장과 패류어장에 서식하며 양식어종에 피해를 주고 수산자원을 황폐화하는 해적생물이다. 불가사리는 절단된 신체 일부를 다시 자라나게 하는 재생력이 강하며, 마땅한 구제방법과 천적이 없고 번식속도가 빨라 개체 수를 줄이기 쉽지 않고, 다 자란 불가사리한 마리는 1년에 약 10 kg의 어패류를 포식하는 것으로 알려져 어촌에 매년 큰 피해를 주는 골치 거리로 대두되고 있다.
	불가사리가 해적생물이라 불리는 이유는?	불가사리는 남해 해역의 마을어장과 패류어장에 서식하며 양식어종에 피해를 주고 수산자원을 황폐화하는 해적생물이다. 불가사리는 절단된 신체 일부를 다시 자라나게 하는 재생력이 강하며, 마땅한 구제방법과 천적이 없고 번식속도가 빨라 개체 수를 줄이기 쉽지 않고, 다 자란 불가사리한 마리는 1년에 약 10 kg의 어패류를 포식하는 것으로 알려져 어촌에 매년 큰 피해를 주는 골치 거리로 대두되고 있다.
	불가사리를 채집하는 수중로봇은 어떤 문제를 해결해줄 수 있는가?	불가사리 구제기구 개발을 위한 노력이 없지 않았으나,1-3 실질적인 효과가 적고 어장 생태계를 파괴시키는 등의 문제로 인해 널리 사용되지 못하였다. 현재는 어장에서 걷어올린 그물에 붙어있는 불가사리를 어민들이 일일이 수작업으로 떼어내거나, 관련 지방자치단체의 지원으로 해녀와 스쿠버들이 해저에서 직접 채집하는 방식으로 불가사리를 구제하고 있다.4,5 그러나 이러한 방법들은 구제량에 비해 인적·물적 자원의 소모가 크고, 특히 해저에서 직접 불가사리를 채집하는 경우 장시간의 잠수는 인체에 해가 되는 등 전반적으로 비효율적인 면이 크다.

참고문헌 (12)

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Han, J. and Gye, H., "An apparatus and method for capturing starfish in the sea," KOR Patent, No. 1020070111077, 2007.
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Lee, J., "100 Scuba Divers Exterminating Starfish," http://www.ilyoseoul.co.kr/news/articleView.html?idx no69000 (Accessed 31 January 2012)
Zheng, T., Branson, D. T., Rongjie, K., Cianchetti M., Guglielmino, E., Follador, M., Medrano-Cerda, G. A., Godage, I. S., and Caldwall, D. G., "Dynamic Continuum Arm Model for Use with Underwater Robotic Manipulators Inspired by Octopus Vulgaris," IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 5289-5294, 2012.
Kim, J., Kim., J., and Choi, D., "Optimization of Hind Foot Trajectory Using Four Bar Linkage for Lizard Inspired Robot," Proc. of KSPE Autumn Conference, pp. 209-210, 2012.
Kim, H., "Optimal Design of Four-bar Mechanism in Consideration of Tolerances and Clearances," Proc. of KSPE Autumn Conference, Vol. 2, No. 3, pp.70-76, 1985.
Arnaud, H. and Yannick A., "Walking Trajectory Optimization with Rotation of the Feet for a Planar Bipedal Robot with Four-bar Knees," The ASME 2012 11th Biennial Conference On Engineering Systems Design and Analysis, 2012.
Nariman-Zadeh, N., Felezi, M., Jamali, A., and Ganji, M., "Pareto Optimal Synthesis of Four-bar Mechanisms for Path Generation," Mechanism and Machine Theory, Vol. 44, No. 1, pp. 180-191, 2009.

상세보기
Khorshidi, M., Soheilypour, M., Peyro, M., Atai, A., and Shariat Panahi, M., "Optimal Design of Four-bar Mechanisms Using a Hybrid Multi-objective GA with Adaptive Local Search," Mechanism and Machine Theory, Vol. 46, No. 10, pp. 1453-1465, 2011.

상세보기
Jin, S., Lee, S., Kim, J., and Seo, T., "Starfish Capture Robotic Platform: Conceptual Design and Analysis," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 29, No. 9, pp. 978- 985, 2012.

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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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