[논문]의료용 로봇의 미진동제어를 위한 가변감쇠형 동조질량감쇠기 기술 개발

차운용; 전종균; 박상곤; 한현희

doi:10.5050/ksnve.2014.24.9.706

의료용 로봇의 미진동제어를 위한 가변감쇠형 동조질량감쇠기 기술 개발
Developing Tuned Mass Damper of Adjustable Damping Type to Control the Vibrations of Medical Robots 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.24 no.9, 2014년, pp.706 - 715

차운용 (Dept. of Mech. Eng. Sunmoon University) , 전종균 (Dept. of Mech. Eng. Sunmoon University) , 박상곤 (RMSTechnology Corporation) , 한현희 (RMSTechnology Corporation)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the medical community has been enthusiastically welcoming robots that are able to provide high-quality medical services across the board, including assisting the surgeons during surgeries. In response, many higher education institutions and research facilities started to conduct various experiments and studies about these robots. During such research, it was discovered that the arm of one particular robot type that is being developed to assist surgeries are prone to vibrate even from the weakest impact, in addition to other residual vibration problems. We attempted to reduce such dynamic response by using a MF-TMD that is produced by adding magnetic fluid to ECD. We verified the MF-TMD's performance by testing it within various frequency bands and attenuations. We then designed a cantilever that was structurally similar to the robot's arm. We attached the MF-TMD to this cantilever and conducted a pilot experiment, which validated our hypothesis that MF-TMD will reduce the robot arm's vibrations through its optimal damping ratio. Henceforth, we attached the MF-TMD to the robot arm in question and conducted a performance experiment in which we tuned the MF-TMD's frequency and damping factor to its optimal level and measured the vibrations of the arm. The experiment demonstrated that the vibrations that occurred whenever the arms rotated were significantly reduced.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

실제 문제가 되는 수술용 로봇 arm에 고정지그를 이용하여 MF-TMD를 부착 후 두 가지의 방향성을 가지고 성능실험을 하였다. Impact hammer를 이용한 modal test와 MF-TMD를 부착하지 않은 arm의 회전운동에 따른 진동특성에 대한 성능실험을 실시하였고, 로봇 arm의 진동방향(X방향)과 MF-TMD의 부착방향이 같을 시 진동진폭의 크기가 크게 감소한 것을 time spectrum과 FRF그래프를 통해 확인하였다. 또한 로봇 팔의 길이방향인 Z방향의 진동특성 실험결과 진동량이 매우 미비하고 가변감쇠에 따른 영향을 거의 받지 않았음을 확인하였다.
MF-TMD를 장착하였을 때 로봇 팔의 고유진동수는 4.625 Hz였으며 MF-TMD의 주파수를 가변하여 공진점을 4.625 Hz로 동일하게 맞추고 최적의 감쇠비를 실험을 통해 튜닝하였다.
국내에서 개발중인 수술용 로봇이 미세한 진동에도 로봇의 특정 arm이 떨리는 현상이 발생되었고, 문제점을 해결하기 위해 자기효과감쇠(ECD)를 가지는 자기장에 자성유체를 결합한 가변감쇠형 동조질량감쇠기를 개발하였다. 로봇 arm 1개 질량 60 kg의 2 %인 1.
8에서 대상물과 TMD의 고유진동수가 10 %오차가 발생시 대상물과 TMD의 고유진동수가 일치했을 때보다 진동저감 효과가 감소한 것을 확인할 수 있다. 따라서 TMD의 고유진동수에 대한 가변능력이 필요하며 이를 고려하여 MF-TMD를 설계하였다.
MF-TMD와 1번 센서의 방향은 로봇 팔의 회전 방향인 X방향이고 2번 센서는 로봇 팔의 길이 방향인 Z방향이다. 수술자세 중 진동에 가장 취약한 자세를 선택하여 로봇 arm A의 진동을 측정하였고, 로봇의 헤드부를 impact hammer로 가진하였을 때와 로봇 arm B의 회전운동에 따른 진동량을 TMD 설치 전과 후로 나누어 측정하였다.
실제 문제가 되는 수술용 로봇 arm에 고정지그를 이용하여 MF-TMD를 부착 후 두 가지의 방향성을 가지고 성능실험을 하였다. Impact hammer를 이용한 modal test와 MF-TMD를 부착하지 않은 arm의 회전운동에 따른 진동특성에 대한 성능실험을 실시하였고, 로봇 arm의 진동방향(X방향)과 MF-TMD의 부착방향이 같을 시 진동진폭의 크기가 크게 감소한 것을 time spectrum과 FRF그래프를 통해 확인하였다.
기둥모양의 헤드부에 4개의 arm이 달려있는 형태이며, 미세한 충격에도 로봇의 arm이 떨리는 현상이 발생하였다. 의료용 로봇 arm이 가지고 있는 고유진동수는 5 Hz이며 TMD의 질량이 더해지면 고유진동수가 변하기 때문에 고유진동수를 조절할 수 있도록 가변능력을 갖추어 제작하였고 자기효과 감쇠(ECD)를 가지는 자기장에 자성유체를 결합하여 가변감쇠 효과를 높일 수 있도록 설계하였다.
이 실험에서는 modal test를 통해 MF-TMD의 가변감쇠에 따른 성능을 검증하였고, 다음 실험으로 MF-TMD가 달려있지 않은 arm B가 회전운동을 할 때 arm A의 진동특성이 어떻게 나타나는지를 측정하였다.
이 연구에서는 자성유체(magnetic fluids)를 이용한 가변 감쇠시스템을 결합한 형태인 가변감쇠형 동조질량감쇠기(MF-TMD)를 로봇 arm에 적용하여 진동을 제어하였다.
이 중 국내 기업에서 개발중인 수술용 로봇에서 미세한 충격에도 로봇의 arm이 떨리는 현상과 잔류 진동 문제가 발생되었고, 구조물에서 발생하는 동적 응답을 줄이고자 여러 진동제어장치 중 동조질량감쇠기(tuned mass damper)를 사용하였다. 동조질량감쇠기는 1900년대 초에 개발된 이래로 구조 및 원리의 단순성과 우수한 진동제어성능 때문에 많은 구조물에 다양한 형태로 적용되었다^(2,3).
자기효과 감쇠를 더한 MF-TMD의 경우 감쇠력에 따른 효과 차이는 높으나 최적의 감쇠력 결정이 중요하여 이에 대한 실험을 수행함으로서 자기효과에 따른 진동흡수성능을 검증하였다.
제작한 외팔보에 MF-TMD를 Fig. 12와 같이 장착했을 때 로봇의 고유진동수와 동일한 5 Hz로 맞추어놓고 성능을 테스트하였고 그 결과는 Fig. 14와 같다. Brass와 magnetic의 간격이 2.
질량비와 감쇠비에 따른 주파수응답의 변화를 수치적으로 해석하고 확인하기 위해 이 연구에서는 수치해석을 MATLAB 프로그램을 이용하여 진행하였다. 감쇠비 ζ 의 변화를 확인하기 위해 식 (4)의 진동진폭과 가진진동수비 g를 함수로 나타낸 그래프를 그리면 Fig.

성능/효과

2는 구조물의 주파수와 진동진폭에 따른 그래프이며, 비감쇠 동조질량감쇠기가 구조물의 응답에 미치는 영향을 보여준다. 1자유도계가 2자유도계로 변환되어 특정주파수의 진동을 흡수하고 2개의 또 다른 고유진동수가 발생한 것을 확인할 수 있다.
Fig. 21 Z direction’s TMD FRF at arm A

Arm B의 회전운동에 따른 진동을 측정한 결과 잔류 진동이 문제 되는 arm A의 X방향에 대해서는 MF-TMD를 장착 후 진동크기가 감소하였고, 회전운동을 한 arm B와 다른 arm C, D는 측정결과 X와 Z방향에 대한 진동크기가 작아 이 논문에서 arm A를 제외한 나머지 데이터 값은 제외하였다.
이러한 문제는 TMD에 감쇠를 더함으로써 특정주파수 부근에서의 공진 발생 문제를 해결할 수 있다. 감쇠를 추가하는 방안으로 자성유체(magnetic fluids)를 사용하였고, 가변감쇠 시스템을 적용함으로써 구조물의 응답에 따른 감쇠력을 변화시킬 수 있어 진동흡수성능을 향상시킬 수 있다.
결과적으로 MF-TMD의 가변주파수 능력을 통해 로봇 arm에 질량이 더해졌을 시 변화되는 고유진동수에 맞춰 공진점을 동일하게 맞추었고, 가변감쇠를 통해 최적의 감쇠비를 튜닝하고 특정 주파수 범위에서는 진동을 흡수하는 성능이 뛰어나지만 그 부근의 주파수 범위에서는 공진을 발생시킬 수 있는 기존의 TMD 단점을 보완하였다.
기존 TMD에 가변 감쇠시스템을 적용함으로써 구조물의 응답에 따라 감쇠력을 제어할 수 있어 효과적인 진동제어가 가능하다.
8 %의 감쇠율임을 확인할 수 있다. 또한 5.8 % 이상의 감쇠율에서는 진동저감효과가 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
3에 나타난 것처럼 진동 저감효과가 미비하고 두 개의 비감쇠 고유진동수에서 공진이 발생하여 구조물 내 다른 주파수에 영향을 미칠 수 있다. 또한 감쇠비가 일정이상(damping 30 %)으로 높을 경우 최적 감쇠비(damping 15 %)에 비해 효율이 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
또한 로봇 arm과 spec이 비슷한 외팔보에 MFTMD를 부착 후 최적의 감쇠비를 튜닝하여 예비실험을 통해 진동저감효과에 대한 검증을 실시하였고, 예비실험 결과 MF-TMD를 외팔보에 부착하였을 때 최적의 감쇠비를 통한 우수한 진동저감효과를 확인할 수 있었다.
Impact hammer를 이용한 modal test와 MF-TMD를 부착하지 않은 arm의 회전운동에 따른 진동특성에 대한 성능실험을 실시하였고, 로봇 arm의 진동방향(X방향)과 MF-TMD의 부착방향이 같을 시 진동진폭의 크기가 크게 감소한 것을 time spectrum과 FRF그래프를 통해 확인하였다. 또한 로봇 팔의 길이방향인 Z방향의 진동특성 실험결과 진동량이 매우 미비하고 가변감쇠에 따른 영향을 거의 받지 않았음을 확인하였다.
국내에서 개발중인 수술용 로봇이 미세한 진동에도 로봇의 특정 arm이 떨리는 현상이 발생되었고, 문제점을 해결하기 위해 자기효과감쇠(ECD)를 가지는 자기장에 자성유체를 결합한 가변감쇠형 동조질량감쇠기를 개발하였다. 로봇 arm 1개 질량 60 kg의 2 %인 1.2 kg으로 설계하였으며 개발된 MF-TMD의 자체 성능 테스트를 통해 가변에 따른 주파수의 대역(약 10 Hz)과 가변감쇠율(최대 46.2%)을 확인하였다.
. 이러한 특성을 가지는 자성유체를 바탕으로 넓은 범위의 진동제어가 가능하며 자기효과 감쇠(eddy current damping)를 가지는 자기장과 자성유체의 결합으로 기존에 TMD가 가지는 있는 감쇠효과를 더욱 높일 수 있다.
자성유체가 결합되어 있는 magnetic과 brass 사이의 거리에 따른 감쇠율 측정결과는 Table 1에 나와 있는 것처럼 brass와 magnetic 사이의 거리가 가까울수록 감쇠율이 최대 46.2 %까지 높아지는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자성유체란	자성유체는 자기장 부하 시 자기장의 세기에 따라 유체의 점도를 변화시키는 지능형 유체이다(9). 이러한 특성을 가지는 자성유체를 바탕으로 넓은 범위의 진동제어가 가능하며 자기효과 감쇠(eddy current damping)를 가지는 자기장과 자성유체의 결합으로 기존에 TMD가 가지는 있는 감쇠효과를 더욱 높일 수 있다.
	TMD에 고유진동수가 떨어지는 현상이 있을 때 MF-TMD가 효과가 있을까요?	MF-TMD의 가변감쇠는 Fig. 9의 하단의 형태와 같이 두 개의 magnetic 사이에 brass가 있으며 Magnetic과 brass 사이의 거리(distance)를 가변함으로써 감쇠능력을 조절할 수 있다. 가변방법은 magnetic과 연결된 나사(screw)를 수동으로 조절하여 거리를 가변한다. Brass는 촘촘하게 구멍이 나 있는 형태이며, 이를 통해 자기장과 결합되어 있는 자성유체가 서로 결합하여 높은 감쇠효과를 기대할 수 있다.
	자성유체의 활용효과는?	자성유체는 자기장 부하 시 자기장의 세기에 따라 유체의 점도를 변화시키는 지능형 유체이다(9). 이러한 특성을 가지는 자성유체를 바탕으로 넓은 범위의 진동제어가 가능하며 자기효과 감쇠(eddy current damping)를 가지는 자기장과 자성유체의 결합으로 기존에 TMD가 가지는 있는 감쇠효과를 더욱 높일 수 있다.

참고문헌 (9)

Guthart, G. S. and Salisbury, J. K., 2000, The Intuitive Telesurgery System: Overview and Application, Proc. IEEE Int. Conf. Robot. and Automat, pp. 618-621.
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상세보기
Dyke, S. J., 2005, Current Directions in Structural Control in the US, 9th World Seminar on Seismic Isolation, Energy Dissipation and Active Vibration Control of Sructures, Kobe, Japan, pp. 1-22.
Den Hartog, J. P., 1956, Mechanical Vibrations, 4th edn, McGraw-Hill, New York.
Ormondroyd, J. and Den Hartog, J. P., 1928, The Theory of the Dynamic Vibration Absorber, Transactions of ASME, Vol. 50, p. APM-241.
Sadek, F., 1996, A Method of Estimating the Parameters of Tuned Mass Dampers for Seismic Applications, National Institute of Standards and Technology.
Cheng, D. K., 1989, Field and Wave Electromagnetics, 2nd Edition, Addison-Wesley.
Bae, J. S., Kwak, M. K. and Inman, D. J., 2005, Vibration Suppression of Cantilever Beam Using Eddy Current Damper, Journal of Sound and Vibration, Vol. 284, pp. 805-824.

상세보기
Seong, M. S., Lim, S. G., Choi, S. B. and Kim, C. H., 2010, Design and Performance Evaluation of MR Damper for Integrated Isolation Mount, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 20, No. 11, pp. 1046-1051.

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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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