[논문]메카넘휠 성능개선을 위한 일체형 설계 및 구조해석

정재웅; 권순재; 주백석; 박준영

doi:10.14775/ksmpe.2014.13.2.117

메카넘휠 성능개선을 위한 일체형 설계 및 구조해석
Unified-type Design and Structural Analysis for Mecanum Wheel Performance Improvement 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.13 no.2, 2014년, pp.117 - 123

정재웅 (씨엠케이) , 권순재 (부경대학교) , 주백석 (금오공과대학교 지능기계공학과) , 박준영 (금오공과대학교 기계설계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to provide a mobile robot with omnidirectionality, various types of omnidirectional wheels have been developed. This paper deals with an improved design and structural analysis of a Mecanum wheel, which is the type of omnidirectional wheels most commonly used in industrial fields. A geometric formulation for manufacturingthe Mecanum wheel is presented and two types of Mecanum wheels are designed and fabricated in this research. While conventional assembled-type Mecanum wheels have a complicated structure and the high possibility of mutual interference between sub-components, a unified type of Mecanum wheel reduces the number of sub-components and increases the degree of structural rigidity. The stress and strain properties of the two designs are compared to confirm the quantitative improvement of the new design by a commercial structural analysis tool. The analysis results show that the unified type of Mecanum wheel has properties superior to the assembled type of Mecanum wheel in terms of its ability to reduce interference.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 경우 각 요소의 강성을 키울 수 있도록 서브롤러의 경우 반지름을 더 크게 설계하거나 롤러 브래킷은 더 굵게 설계해야하지만 이는 조밀하게 위치한 요소들 간의 간격을 더 작게 하여 오히려 간섭의 발생 위험을 키우게 된다. 간섭 최소화와 변형 최소화라는 상호 배타적인 설계목표를 달성하기 위하여 이 연구에서는 롤러 브래킷을 제거한 일체형(unified-type) 메카넘휠을 제안하였다. 일체형 메카넘휠은 림휠이 롤러 브래킷 역할을 함으로써 강성은 높아지고 롤러 브래킷이 제거되었으므로 롤러 브래킷과 서브롤러 사이의 간섭은 근본적으로 사라진다.
본 연구에서는 이동로봇에 전방향 이동성을 부여하기 위해 사용되는 전방향휠 중에서 산업용으로 널리 사용되는 메카넘휠의 설계 및 구조해석을 수행하였다. 메카넘휠 고유의 기구학적 특성을 설명하는 형상 식에 관하여 설명하고 이를 기반으로 두 가지 형태의 메카넘휠을 설계하고 제작하였다.
이를 위한 방안으로 로봇의 이동 플랫폼에 특수한 메커니즘을 갖는 바퀴를 사용하여 플랫폼 자체의 방향 전환이 없이 임의의 방향으로 이동할 수 있는 전방향성(omni-directionality)을 부여하는 구동방식들이 연구되었다^[1]. 본 연구에서는 이러한 바퀴 중에 한 가지 형태인 메카넘휠(Mecanum wheel)에 관하여 다룬다. 메카넘휠은 중심에 존재하는 림휠(rim wheel)과 그 주변을 특정한 각도를 가지고 비스듬하게 둘러싸고 있는 서브롤러(sub-roller)로 구성된다.

가설 설정

그러나 더욱 엄밀한 관찰에 따르면 서브롤러와 서브 롤러의 회전축이 접촉하는 전체 영역 중에 가장 말단 부분임을 알 수 있다. 그 이유는 우선 서브롤러가 없이 해석한 경우에는 서브롤러의 회전축을 고정단으로 가정하고 나머지 부분에서 최대 응력 지점을 찾았다. 그러나 서브롤러가 있는 경우에는 서브롤러와 지면과의 접촉점이 고정된 경계조건이고 서브롤러 및 그 회전축을 포함한 전 영역이 해석 대상이 된다.
1을 사용하였고 부하하중과 지면과의 접촉조건이라는 두 가지 경계조건을 기반으로 구조해석을 수행하였다. 첫 번째 경계조건으로 중량이 60kg인 사각형 형태의 이동로봇의 각 모서리에 4개의 메카넘휠이 설치되었다고 가정하고 각 메카넘휠의 회전축에 작용하는 부하하중을 15kg으로 선정하였다. 메카넘휠이 구동하여 회전할 때에 지면과의 접촉점은 이 연구에서 설계한 메카넘휠의 경우 1개 또는 2개이다.

제안 방법

초기에 설계된 조립형 메카넘휠의 경우 복잡한 구조적 특성 때문에 요소 부품 간의 간섭이 발생할 가능성이 많으므로 이를 개선하기 위하여 일체형 구조의 메카넘 휠을 설계하였다. 그리고 구조해석을 통해 응력과 변형 특성을 비교하여 개선 사항을 정량적으로 도출하였다. 해석을 수행한 결과 조립형 메카넘휠보다 일체형 메카넘휠이 구조적으로 더욱 강인하여 최대응력이 감소하고 변형률 또한 적어 요소 부품간의 간섭을 축소하는 개선된 결과를 보여주었다.
이것은 1개의 서브롤러가 지면과 접촉하다가 다음번 서브롤러로 접촉점이 전달되는 과정에서 부드러운 전달을 위하여 연속된 2개의 서브롤러가 모두 지면과 접촉하는 상황이 발생하기 때문이다. 따라서 두 번째 경계조건으로 서브롤러가 지면과 접촉하는 상황은 1점접촉과 2점접촉 중에서 하중의 집중도가 더 높아서 메카넘휠의 변형에 더 큰 영향을 줄 것으로 판단되는 1점접촉 상황을 선정하였다. 구조해석에 사용된 메카넘휠의 각 부품별 재료 물성치는 Table.
본 연구에서는 이동로봇에 전방향 이동성을 부여하기 위해 사용되는 전방향휠 중에서 산업용으로 널리 사용되는 메카넘휠의 설계 및 구조해석을 수행하였다. 메카넘휠 고유의 기구학적 특성을 설명하는 형상 식에 관하여 설명하고 이를 기반으로 두 가지 형태의 메카넘휠을 설계하고 제작하였다. 초기에 설계된 조립형 메카넘휠의 경우 복잡한 구조적 특성 때문에 요소 부품 간의 간섭이 발생할 가능성이 많으므로 이를 개선하기 위하여 일체형 구조의 메카넘 휠을 설계하였다.
본 연구에서는 림휠, 롤러 브래킷, 서브롤러로 구성되는 조립형 메카넘휠과 림휠이 롤러 브래킷의 역할을 하여 서브롤러를 지지하는 일체형 메카넘휠의 두 가지 형태를 설계하고 구조해석을 통해 하중에 의한 응력(stress)과 변형률(strain)을 비교분석하였다. 구조해석 툴은 ANSYS v12.
메카넘휠은 중심에 존재하는 림휠(rim wheel)과 그 주변을 특정한 각도를 가지고 비스듬하게 둘러싸고 있는 서브롤러(sub-roller)로 구성된다. 본 연구에서는 림휠, 롤러 브래킷, 서브롤러로 구성되는 조립형(assembled- type) 메카 넘휠과 구조적인 강성을 개선하여 부품사이의 간섭발생 요인을 최소화한 일체형(unified-type) 메카넘휠의 두 가지 형태를 설계하고 제작하였다. 두 형태의 메카넘휠 설계를 비교하기 위해 3차원 해석 프로그램인 ANSYS v12.
7은 이 연구에서 설계된 일체형 메카넘휠을 보여준다. 조립형 메카넘휠과는 달리 롤러 브래킷 없이 서브롤러가 림휠에 직접 고정되도록 설계하였다. 그러나 서브롤러 위치에 관한 기하학적인 형상 조건은 조립형의 경우와 동일하게 충족된다.
메카넘휠 고유의 기구학적 특성을 설명하는 형상 식에 관하여 설명하고 이를 기반으로 두 가지 형태의 메카넘휠을 설계하고 제작하였다. 초기에 설계된 조립형 메카넘휠의 경우 복잡한 구조적 특성 때문에 요소 부품 간의 간섭이 발생할 가능성이 많으므로 이를 개선하기 위하여 일체형 구조의 메카넘 휠을 설계하였다. 그리고 구조해석을 통해 응력과 변형 특성을 비교하여 개선 사항을 정량적으로 도출하였다.
한편 서브롤러가 응력과 변형률의 관점에서 메카넘휠의 성능에 어느 정도의 영향을 끼치는지 살펴보기 위하여 추가적인 구조해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

두 가지 설계안의 차이를 명확히 비교분석하기 위해서 우선 동일하게 사용되는 서브롤러를 제외한 내부 구조만을 해석의 대상으로 삼았다. 그리고 서브 롤러까지 포함한 해설결과는 뒤에 별도로 다루었다.

데이터처리

본 연구에서는 림휠, 롤러 브래킷, 서브롤러로 구성되는 조립형 메카넘휠과 림휠이 롤러 브래킷의 역할을 하여 서브롤러를 지지하는 일체형 메카넘휠의 두 가지 형태를 설계하고 구조해석을 통해 하중에 의한 응력(stress)과 변형률(strain)을 비교분석하였다. 구조해석 툴은 ANSYS v12.1을 사용하였고 부하하중과 지면과의 접촉조건이라는 두 가지 경계조건을 기반으로 구조해석을 수행하였다. 첫 번째 경계조건으로 중량이 60kg인 사각형 형태의 이동로봇의 각 모서리에 4개의 메카넘휠이 설치되었다고 가정하고 각 메카넘휠의 회전축에 작용하는 부하하중을 15kg으로 선정하였다.
본 연구에서는 림휠, 롤러 브래킷, 서브롤러로 구성되는 조립형(assembled- type) 메카 넘휠과 구조적인 강성을 개선하여 부품사이의 간섭발생 요인을 최소화한 일체형(unified-type) 메카넘휠의 두 가지 형태를 설계하고 제작하였다. 두 형태의 메카넘휠 설계를 비교하기 위해 3차원 해석 프로그램인 ANSYS v12.1을 사용하여 구조해석을 수행하였으며 구체적인 응력 및 변형에 관계된 개선 사항을 정량적으로 도출하였다.

성능/효과

그리고 구조해석을 통해 응력과 변형 특성을 비교하여 개선 사항을 정량적으로 도출하였다. 해석을 수행한 결과 조립형 메카넘휠보다 일체형 메카넘휠이 구조적으로 더욱 강인하여 최대응력이 감소하고 변형률 또한 적어 요소 부품간의 간섭을 축소하는 개선된 결과를 보여주었다. 향후 연구로는 메카넘휠의 회전 시 발생하는 변형 및 진동 특성을 실험을 통해서 계측하여 시뮬레이션 결과와 비교 평가하는 연구가 수행될 예정이다.

후속연구

해석을 수행한 결과 조립형 메카넘휠보다 일체형 메카넘휠이 구조적으로 더욱 강인하여 최대응력이 감소하고 변형률 또한 적어 요소 부품간의 간섭을 축소하는 개선된 결과를 보여주었다. 향후 연구로는 메카넘휠의 회전 시 발생하는 변형 및 진동 특성을 실험을 통해서 계측하여 시뮬레이션 결과와 비교 평가하는 연구가 수행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	메카넘휠은 무엇으로 구성되는가	본 연구에서는 이러한 바퀴 중에 한 가지 형태인 메카넘휠(Mecanum wheel)에 관하여 다룬다. 메카넘휠은 중심에 존재하는 림휠(rim wheel)과 그 주변을 특정한 각도를 가지고 비스듬하게 둘러싸고 있는 서브롤러 (sub-roller)로 구성된다. 본 연구에서는 림휠, 롤러 브래킷, 서브롤러로 구성되는 조립형(assembled- type) 메카 넘휠과 구조적인 강성을 개선하여 부품사이의 간섭발생 요인을 최소화한 일체형(unified-type) 메카넘휠의 두 가지 형태를 설계하고 제작하였다.
	메카넘휠을 설계하기 위해서 만족되어야 하는 것은 무엇인가	이러한 메카넘휠을 설계하기 위해서는 림휠과 서브롤러 사이에 특수한 기하학적 관계가 만족되어야 한다. Fig.
	전방향휠을 사용할 경우 어떠한 장점이 있는가?	그리고 이 과정에서 로봇 바디의 방향전환도 함께 이루어진다. 그러나 전방향휠을 채택할 경우 로봇 자체의 방향전환 없이 바퀴의 구조적인 특성에 의해 순간적으로 임의의 방향으로 이동이 가능하며 방향전환 시에도 추가 공간을 전혀 필요로 하지 않는다[3]. 그러므로 협소한 공간에서도 자유롭고 유연하게 회전 및 이동을 하면서 원하는 작업위치까지 접근이 가능하다. Fig.

참고문헌 (5)

Doroftei I., Grosu, V., and Spinu, V., "Omnidirectional Mobile Robot-Design and Implementation," Bioinspiration and Robotics: Walking and Climbing Robots, pp. 511-528, 2007.
Chu, B. and Sung, Y. W., "Kinematic Modeling and Position Compensation based on Mecanum Wheeled Omni-directional Mobile Robot," In Proceedings of ISGMA 2013, pp. A-10-3, Hawaii, US, 2013.
Muir, P. F. and Neuman, C. P., "Kinematic Modeling for Feedback Control of an Omnidirection Wheeled Mobile Robot," IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1772-1778, 1987.
"KUKA omniMove(R)"(2010), http://www.kukarobotics.com/(accessed 30, Mar., 2014).
Chu, B. and Sung, Y. W., "Development of Educational Robot Platform based on Omni-directional Mobile Mechanism," Journal of the Korean Society of Precision Engineering, Vol. 30, No. 11, pp.1161-1169, 2013.

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저자의 다른 논문 :

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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