일반적으로 산업용 로봇은 가반중량에 비해서 매우 큰 자중을 가지게 되며, 이로 인한 큰 중력토크를 보상하여야 하므로, 고사양의 모터/감속기를 사용하게 되어 제조단가가 높아진다. 이러한 머니퓰레이터의 자중 및 가반중량을 기계식 중력보상장치로 보상하게 된다면, 모터/감속기 사양을 크게 낮추어서 제조단가를 낮출 수 있다. 그러나 기존의 와이어 기반의 중력보상장치의 경우, 내구성 및 파손 등의 문제로 실용성이 낮았다. 본 연구에서는 이를 개선하고자 기어 및 롤러 기반의 내구성 높은 중력보상장치를 개발하고, 이를 사용하여 낮은 용량의 모터/감속기로도 가반하중 목표를 만족시킬 수 있는 중력보상 장치를 탑재한 머니퓰레이터를 개발하였다. 본 연구에서는 다양한 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제안한 중력보상장치가 머니퓰레이터의 모든 자세에 대해서 중력에 대한 완전한 보상토크를 제공하였으며, 큰 가반하중에 대해서도 적절한 보상토크를 제공할 수 있음을 보였다.
일반적으로 산업용 로봇은 가반중량에 비해서 매우 큰 자중을 가지게 되며, 이로 인한 큰 중력토크를 보상하여야 하므로, 고사양의 모터/감속기를 사용하게 되어 제조단가가 높아진다. 이러한 머니퓰레이터의 자중 및 가반중량을 기계식 중력보상장치로 보상하게 된다면, 모터/감속기 사양을 크게 낮추어서 제조단가를 낮출 수 있다. 그러나 기존의 와이어 기반의 중력보상장치의 경우, 내구성 및 파손 등의 문제로 실용성이 낮았다. 본 연구에서는 이를 개선하고자 기어 및 롤러 기반의 내구성 높은 중력보상장치를 개발하고, 이를 사용하여 낮은 용량의 모터/감속기로도 가반하중 목표를 만족시킬 수 있는 중력보상 장치를 탑재한 머니퓰레이터를 개발하였다. 본 연구에서는 다양한 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제안한 중력보상장치가 머니퓰레이터의 모든 자세에 대해서 중력에 대한 완전한 보상토크를 제공하였으며, 큰 가반하중에 대해서도 적절한 보상토크를 제공할 수 있음을 보였다.
Industrial manipulators are usually heavy given the payloads they carry. Therefore, they require high-capacity servomotors and speed reducers, which leads to high costs. However, if manipulator weight could be compensated for using a counterbalance mechanism, the motors' and speed reducers' capaciti...
Industrial manipulators are usually heavy given the payloads they carry. Therefore, they require high-capacity servomotors and speed reducers, which leads to high costs. However, if manipulator weight could be compensated for using a counterbalance mechanism, the motors' and speed reducers' capacities could be minimized substantially. However, it is usually difficult to assure durability and reliability with the conventional wire-based counterbalance mechanism. Therefore, a more robust gear- and roller-based counterbalance mechanism is proposed in this study. A manipulator was developed using this mechanism; this manipulator maintains its performance even when using motors and reducers of lower capacities. The results of various simulations and experiments verified that the proposed mechanism provides the torque required to compensate for gravitational torque in any configuration and minimizes the torque required for supporting a large payload.
Industrial manipulators are usually heavy given the payloads they carry. Therefore, they require high-capacity servomotors and speed reducers, which leads to high costs. However, if manipulator weight could be compensated for using a counterbalance mechanism, the motors' and speed reducers' capacities could be minimized substantially. However, it is usually difficult to assure durability and reliability with the conventional wire-based counterbalance mechanism. Therefore, a more robust gear- and roller-based counterbalance mechanism is proposed in this study. A manipulator was developed using this mechanism; this manipulator maintains its performance even when using motors and reducers of lower capacities. The results of various simulations and experiments verified that the proposed mechanism provides the torque required to compensate for gravitational torque in any configuration and minimizes the torque required for supporting a large payload.
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문제 정의
본 연구에서는 로봇의 자중 및 회전 변위에 따라 인가되는 중력토크를 적절히 보상할 수 있는 기어유닛 기반의 중력보상장치를 개발하였다. 이를 통하여 로봇이 자세를 유지하거나 동작할 때 필요한 토크를 현저하게 낮출 수 있다.
본 연구에서는 앞에서 개발한 기어유닛 기반의 중력보상장치를 적용한 다자유도 머니퓰레이터를 개발하였다. 본 장에서는 개발된 머니퓰레이터 및 탑재된 중력보상장치의 설계에 대하여 설명한다.
그러나 기존에 개발된 중력보상장치의 경우, 대부분 와이어를 사용하여 스프링을 압축시켜서 보상토크를 생성하는 방식이므로, 와이어의 변형 및 파손 등에 따른 안전성 및 내구성에 대한 문제가 지속적으로 제기되었다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고자, 비교적 내구성과 신뢰성이 높은 기어와 롤러 등의 기계요소를 사용한 중력보상장치를 제안하였다. 이를 통하여 로봇의 구동에 필요한 토크를 최소화하여 저용량의 모터 및 감속기로도 로봇을 구성할 수 있으므로, 로봇 가격의 저하를 가져올 수 있다.
본 연구에서는 제시한 기어유닛 기반의 중력보상장치에 대한 성능을 검증하고자 Fig. 5와 같이 요-피치-요-요-롤의 5자유도로 구성된 머니퓰레이터를 개발하였다. 머니퓰레이터의 사양은 Table 1과 같다.
제안 방법
(2) 본 연구에서는 기어유닛 기반의 중력보상장치를 제안함으로써, 기존 와이어를 사용한 중력보상장치의 내구성 및 신뢰성을 개선하였다.
개발된 중력보상장치의 성능을 검증하고자, Fig. 13(a)와 같이 실험장치를 구성한 후, 링크를 45o~135o까지 회전시켜 로드셀 및 엔코더를 사용하여 각도에 따라 인가되는 힘을 측정하였다. 또한 이를 모멘트 암을 고려하여 토크로 변환한 결과, (b)과 같이 최대 100Nm의 토크를 보상하는 것을 알 수 있다.
6의 부하해석 결과에서 보듯이, 중력의 영향을 받는 피치관절(joint 2)에 매우 큰 토크가 인가되므로, 일반적인 경우에는 충분한 토크를 제공하기 위하여 고사양의 모터 및 감속기 사용이 필요이다. 그러나 본 연구에서는 기어 유닛 기반의 신뢰성 높은 중력보상장치를 개발하여 머니퓰레이터의 피치관절에 탑재함으로써, 로봇의 자중으로부터 인가되는 중력토크를 보상하여 모터로부터의 토크를 최소화한다.
또한 개발된 기어유닛 기반의 중력보상장치를 탑재한 다자유도 머니퓰레이터를 설계하였다. 다양한 시뮬레이션 및 실험을 통하여 개발된 중력보상장치의 성능을 검증하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
다음으로, 실제 작업 시에 최대 가반하중 25kg이 인가된 상황에서의 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과에서 볼 수 있듯이, 일반적으로는 머니퓰레이터 자중 및 가반하중으로부터 223Nm에 달하는 중력토크가 인가되므로, 이를 충분히 지지할 수 있는 고사양의 모터 및 감속기가 필요하다.
이를 통하여 로봇이 자세를 유지하거나 동작할 때 필요한 토크를 현저하게 낮출 수 있다. 또한 개발된 기어유닛 기반의 중력보상장치를 탑재한 다자유도 머니퓰레이터를 설계하였다. 다양한 시뮬레이션 및 실험을 통하여 개발된 중력보상장치의 성능을 검증하였다.
로봇의 자세 유지 및 동작 시에 가장 큰 토크가 인가되는 관절 2의 필요 토크를 최소화하기 위하여 Fig. 7과 같이 중력보상장치를 설계하였다. 또한 중력토크를 효과적으로 보상하기 위하여 Fig.
대상 데이터
또한, 기어 2에 고정된 롤러에 의하여 스프링이 일정량 압축되며, 이때 발생한 스프링 압축력에 의하여 중력토크가 보상된다. 본 설계에서는 스프링 압축 시에 좌굴을 방지하지 위하여 Fig. 7(b)와 같이 LM가이드를 설치하였으며, 유한요소해석을 통해서 충분한 용량을 갖는 롤러 및 베어링 등을 선정하였다. 또한 대부분의 부품은 강도 및 무게를 고려하여 알루미늄 합금(6061T)으로 제작하였다.
설계된 기어유닛 기반의 중력보상장치는 Fig. 3과 같이, 압축스프링과 스프링블록, 그리고 n의 기어비를 갖는 두 개의 기어 및 기어상에 고정된 롤러로 구성된다. Fig.
성능/효과
(1) 본 연구에서 개발된 중력보상장치를 감속기의 사양을 최소화할 수 있으므로, 로봇의 제작단가를 최소화할 수 있다.
시뮬레이션 결과에서 볼 수 있듯이, 머니퓰레이터의 피치관절이 회전 가능 범위 내에서 상하로 이동할 때, 일반적으로는 최대 125 Nm의 중력토크가 관절에 인가됨을 알 수 있다. 그러나 본 연구에서 제안한 중력보상장치를 탑재하면 머니퓰레이터 자중으로부터 발생하는 중력토크를 완전히 보상하여, 머니퓰레이터 자세유지에 필요한 토크가 0이 됨을 알 수 있다.
또한, Fig. 14과 같이 머니퓰레이터의 무게에 해당하는 30kg의 무게추를 링크에 인가한 결과, 별도의 모터 제어 및 및 감속기 없이도 모든 위치에서 정적 평형을 유지할 수 있음을 확인하였다.
11과 같이 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과에서 볼 수 있듯이, 머니퓰레이터의 피치관절이 회전 가능 범위 내에서 상하로 이동할 때, 일반적으로는 최대 125 Nm의 중력토크가 관절에 인가됨을 알 수 있다. 그러나 본 연구에서 제안한 중력보상장치를 탑재하면 머니퓰레이터 자중으로부터 발생하는 중력토크를 완전히 보상하여, 머니퓰레이터 자세유지에 필요한 토크가 0이 됨을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수직 다관절형 머니퓰레이터의 장점은 무엇인가?
로봇 머니퓰레이터는 사용 목적 및 관절의 구성에 따라 다양한 형태로 개발된다. 특히, 수직 다관절형 머니퓰레이터는 다른 형태의 머니퓰레이터에 비해 작업공간이 넓고, 활용성이 우수하여 다양한 분야에 적용되고 있다. 반면에, 작업을 위한 정지 및 이동 시에 로봇의 자중으로 인하여 각 관절에 큰 중력토크가 인가되어, 이를 부담할 수 있는 높은 용량의 감속기 및 모터를 필요로 한다.
기존의 개발된 중력보상장치은 어떤 방식인가?
그러나 기존에 개발된 중력보상장치의 경우, 대부분 와이어를 사용하여 스프링을 압축시켜서 보상토크를 생성하는 방식이므로, 와이어의 변형 및 파손 등에 따른 안전성 및 내구성에 대한 문제가 지속적으로 제기되었다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고자, 비교적 내구성과 신뢰성이 높은 기어와 롤러 등의 기계요소를 사용한 중력보상장치를 제안하였다.
무게추 또는 가스스프링을 적용하여 자중에 의한 중력토크를 감소시키는 방법의 한계는 무엇인가?
일반적으로 대용량 산업용 로봇의 경우, 첫째 피치(Pitch) 관절에 무게추 또는 가스스프링을 적용하여 자중에 의한 중력토크를 감소시킨다.(1,2) 그러나 이 방법은 로봇 전체의 하중을 증가시키므로 이동성 및 인간-로봇 협업시의 충돌 위험성을 증가시킨다. 이를 해결하기 위하여 스프링을 사용한 다양한 중력보상장치가 제안되었다.
참고문헌 (6)
http://www.abb.com
http://www.yaskawa.com
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