[논문]방수형 로봇팔의 설계, 실험 및 제어 연구

하지훈; 주영도; 김동희; 김준영; 최형식

doi:10.5916/jkosme.2014.38.6.648

방수형 로봇팔의 설계, 실험 및 제어 연구
A study on design, experiment control of the waterproof robot arm 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.38 no.6, 2014년, pp.648 - 657

하지훈 (Department of Mechanical Engineering, Korea Marine and Ocean Univ.) , 주영도 (SMEC CO., Ltd.) , 김동희 (Department of Mechanical Engineering, Korea Marine and Ocean Univ.) , 김준영 (Division of Marine Equipment Engineering, Korea Marine and Ocean Univ.) , 최형식 (Division of Mechanical & Energy Systems Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
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본 논문에서는 화재나 홍수로 인하여 침수된 건물 내부를 탐사할 수 있는 새로운 방수형 4축 로봇팔을 설계하고 로봇의 기구학 및 동역학 해석을 수행한다. 로봇팔은 카메라를 이용한 탐사를 위한 Pitch-Pitch-Pitch-Yaw 4축 구조로 설계하고, 이를 구동하기 위한 관절구동기의 용량을 선정한다. 또한 수심 10m의 방수가능한 관절구동기를 설계 하고 실제 구동시험을 통하여 방수성능을 검증한다. 설계한 로봇팔의 순기구학 및 역기구학 식의 해석을 통해 닫힌 해를 유도하며, 메커니컬실의 마찰력을 고려한 로봇팔의 운동방정식을 뉴턴-오일러 방법에 의해 유도한다. 유도한 동역학식을 이용하여 개발한 로봇이 목표궤적을 잘 추종할 수 있도록 슬라이딩모드 제어기를 설계하고, 시뮬레이션을 통해 그 성능을 확인한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is about the study on a newly developed small waterproofed 4-axis robot arm and the analysis of its kinematics and dynamics. The structure of robot arm is designed to have Pitch-Pitch-Pitch-Yaw joint motion for inspection using a camera on itself and the joint actuator driving capacity are selected and the joint actuators are designed and test for 10m waterproofness. The closed-form solution for the robot arm is derived through the forward and inverse kinematics analysis. Also, the dynamics model equation including the damping force due to the mechanical seal for waterproofness is derived using Newton-Euler method. Using derived dynamics equation, a sliding mode controller is designed to track the desired path of the developed robot arm, and its performance is verified through a simulation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 화재나 홍수로 인하여 침수된 건물 내부를 탐사할 수 있는 방수형 소형 4축 로봇팔을 설계하고, 이에 대한 기구학 및 동역학 해석을 수행한다. 침수된 좁고 극한 공간에서 다양한 임무와 탐사에 적합하도록 경량의 이동 플랫폼과 카메라를 장착할 수 있는 4축 관절 구조를 설계하고, 수심 10m의 방수 가능한 관절구동기를 설계하며, 이에 대한 순기구학 및 역기구학 해석을 수행한다.
본 논문에서는 화재나 홍수로 인하여 침수된 건물 내부를 탐사할 수 있는 새로운 구조의 방수형 소형 4축 로봇팔을 개발하고 이의 기구학 및 동역학 해석을 하였다. 카메라를 장착할 수 있는 Pitch – Pitch – Pitch - Yaw 4축 구조로 설계했다.
설계한 4축 로봇팔의 성능을 검증하기 위하여 본 논문에서는 로봇팔이 관절에서의 마찰토크와 같은 외란이 있음에도 불구하고 목표궤적을 잘 추종하도록 하기 위해서 외란에 강인한 슬라이딩모드 제어기를 설계하였다. 식 (25)를 간략한 n 링크 로봇팔 동역학 행렬식으로 다음과 같이 표현할 수 있다.
일반적인 집기와 놓기를 포함하는 유용한 동작이 가능한 로봇팔에 대한 설계연구를[5] 하였다. 이 연구에서는 양팔로봇을 제작하여 감각을 가지며 물체를 다루는 연구를 수행하였다. 이외에도 로봇팔의 다양한 집기 및 놓기, 이송, 최적 자세에 대한 연구[6]-[8]들이 있으며, 이동에 로봇팔을 사용하는 것에 대한 연구[9]와 안정된 카메라뷰를 얻기 위해 로봇팔을 설계한 연구[10], 그리고 로봇팔의 경량화를 위해 탄소섬유강화 플라스틱을 이용한 로봇팔의 설계에 대한 연구도 수행되었다[11].

가설 설정

또한 τ는 제어입력 벡터이며 #는 관절에서 발생하는 마찰부하를 포함하는 외란 항이다. 이러한 외란항의 정확한 값을 알지 못하지만 일정한 범위 안에 존재한다고 가정한다.

제안 방법

소형 및 경량화를 고려하여 로봇 관절부의 링크 내에 설치공간이 작고 조립 및 분해가 용이하다. 가벼운 메커니컬실을 적용하여 모터 회전축의 방수구조를 설계하고 관절구동기에 적용하였다.
각 모터 하우징을 포함하는 로봇 링크의 중량은 각각 2.5kgf, 2.5kgf, 2.5kgf, 2kgf로 제약조건을 설정 하였다. 이에 따라 드라이버 및 배선을 포함하는 로봇팔의 총 무게는 약 10kgf으로 설정하고, 수심 10m 방수와 가반하중 2kgf의 조건을 충족하기 위한 설계를 수행하였다.
제약조건에 따라 부하용량 해석을 통해 선정한 구동기와 메커니컬실을 적용한 관절구동기의 하우징을 설계하였다. 관절구동기의 하우징을 링크의 일부로 구성하는 단순구조의 로봇팔을 설계함으로써 로봇팔의 경량화 설계를 하였다. Figure 5는 설계에 따라 직접 제작한 로봇팔의 사진이다.
카메라를 장착할 수 있는 Pitch – Pitch – Pitch - Yaw 4축 구조로 설계했다. 그리고 각 관절 구동기에 가해지는 부하해석을 하고 이에 따라 구동기의 용량을 선정하였다. 또한, 수심 10m 의 방수 가능하도록 메커니컬실을 적용하여 관절 구동기를 설계 제작하여 10m 깊이의 수조에서 구동시험을 통하여 성능을 검정하였다.
뉴턴-오일러 방법에 의해 유도한 로봇의 운동방정식은 식 (23)과 같으나 본 연구에서는 일반 로봇과 달리 수중에서 동작 가능하도록 메커니컬실을 이용한 방수기능을 더하였다. 이 메커니컬실은 스프링의 면압에 의해 외부의 물이 모터 및 전자장치가 설치된 로봇 링크 내부로 유입되는 것을 방지하는 것으로 로봇관절의 동작에 마찰력을 일으키므로 식 (9)에 이의 모델링 식을 고려하여야 한다.
또한 1축, 2축 및 3축의 관절구동기는 각각 ±70° 까지 동작이 가능하며, 4축은 카메라의 촬영이 용이하도록 360° 의 동작이 가능하도록 설계 하였다.
그리고 각 관절 구동기에 가해지는 부하해석을 하고 이에 따라 구동기의 용량을 선정하였다. 또한, 수심 10m 의 방수 가능하도록 메커니컬실을 적용하여 관절 구동기를 설계 제작하여 10m 깊이의 수조에서 구동시험을 통하여 성능을 검정하였다.
제작한 로봇팔의 수밀성능을 시험하기 위하여 10m 깊이의 수조에서 방수시험을 하였다. 로봇팔의 각 축을 회전 동작시키며 방수시험을 하였다. 다음의 Figure 6, Figure 7 및 Figure 8 은 각각 1축, 2축, 3축, 관절구동기의 방수성능 시험장면을 나타낸다.
또한 설계한 로봇팔의 D-H 방법에 의해 순기구학 및 역기구학 해석을 통해 닫힌 해를 유도하였고, 메커니컬실의 마찰력을 고려한 로봇팔의 운동방정식을 뉴턴-오일러 방법에 의해 유도하였다. 마찰과 같은 외란이 있는 개발 로봇팔이 목표궤적을 잘 추종할 수 있도록 슬라이딩모드 제어기를 설계하고 시뮬레이션을 통해 그 성능을 확인하였다.
방수형 로봇팔을 구동하는 각 축의 구동기 용량을 선정하기 위하여, 2.1절에서 설정한 제약조건을 바탕으로 각 축의 관절구동기 용량을 선정하였다.
본 연구에서는 방수형 소형-경량화 로봇팔의 관절구동기는 직결구조로 설계하였다. Figure 3는 로봇 링크의 3D 모델링이고 Figure 4는 방수 설계에 대한 구조이다.
본 연구에서는 상기와 같은 설계사양을 만족하기 위한 설계를 수행하였으며, 로봇팔의 구조는 플랫폼과 결합하여 이동시, 카메라의 탐사공간을 최대한으로 하는 구조로 설계하였다. Figure 1은 이동 로봇에 설계되어질 4축 로봇팔을 설치하는 개념도로 Pitch-Pitch-Pitch-Yaw 관절구조로 설계하였다.
설계된 슬라이딩모드 제어기의 성능을 확인하기 위하여 각 관절에 대하여 LSPB 방법을 이용한 궤적을 생성하고 이를 추종하도록 하는 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 로봇팔의 파라미터는 Table 1 에 나타낸 실제 로봇팔에 대한 파라미터를 사용하였으며, 슬라이딩모드 제어기에 사용된 파라미터는 Table 8과 같다.
5kgf, 2kgf로 제약조건을 설정 하였다. 이에 따라 드라이버 및 배선을 포함하는 로봇팔의 총 무게는 약 10kgf으로 설정하고, 수심 10m 방수와 가반하중 2kgf의 조건을 충족하기 위한 설계를 수행하였다.
제약조건에 따라 부하용량 해석을 통해 선정한 구동기와 메커니컬실을 적용한 관절구동기의 하우징을 설계하였다. 관절구동기의 하우징을 링크의 일부로 구성하는 단순구조의 로봇팔을 설계함으로써 로봇팔의 경량화 설계를 하였다.
제작한 로봇팔의 수밀성능을 시험하기 위하여 10m 깊이의 수조에서 방수시험을 하였다. 로봇팔의 각 축을 회전 동작시키며 방수시험을 하였다.
본 논문에서는 화재나 홍수로 인하여 침수된 건물 내부를 탐사할 수 있는 방수형 소형 4축 로봇팔을 설계하고, 이에 대한 기구학 및 동역학 해석을 수행한다. 침수된 좁고 극한 공간에서 다양한 임무와 탐사에 적합하도록 경량의 이동 플랫폼과 카메라를 장착할 수 있는 4축 관절 구조를 설계하고, 수심 10m의 방수 가능한 관절구동기를 설계하며, 이에 대한 순기구학 및 역기구학 해석을 수행한다. 또한, 뉴턴-오일러 방법에 의한 동역할 해석을 수행한다.
카메라를 장착할 수 있는 Pitch – Pitch – Pitch - Yaw 4축 구조로 설계했다.

대상 데이터

설계된 슬라이딩모드 제어기의 성능을 확인하기 위하여 각 관절에 대하여 LSPB 방법을 이용한 궤적을 생성하고 이를 추종하도록 하는 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 로봇팔의 파라미터는 Table 1 에 나타낸 실제 로봇팔에 대한 파라미터를 사용하였으며, 슬라이딩모드 제어기에 사용된 파라미터는 Table 8과 같다.

이론/모형

또한 설계한 로봇팔의 D-H 방법에 의해 순기구학 및 역기구학 해석을 통해 닫힌 해를 유도하였고, 메커니컬실의 마찰력을 고려한 로봇팔의 운동방정식을 뉴턴-오일러 방법에 의해 유도하였다. 마찰과 같은 외란이 있는 개발 로봇팔이 목표궤적을 잘 추종할 수 있도록 슬라이딩모드 제어기를 설계하고 시뮬레이션을 통해 그 성능을 확인하였다.
침수된 좁고 극한 공간에서 다양한 임무와 탐사에 적합하도록 경량의 이동 플랫폼과 카메라를 장착할 수 있는 4축 관절 구조를 설계하고, 수심 10m의 방수 가능한 관절구동기를 설계하며, 이에 대한 순기구학 및 역기구학 해석을 수행한다. 또한, 뉴턴-오일러 방법에 의한 동역할 해석을 수행한다.
로봇팔의 속도 기구학은 자코비안(Jacobian) 행렬을 이용하여 구할 수 있다. 자코비안은 로봇팔의 제어에 있어서 부드러운 궤적을 생성하고, 동역학 운동 방정식을 유도하며 말단장치에 가해지는 힘과 관절에 가해지는 토크의 관계식을 정의하는데 사용된다.
설계한 4축 로봇팔의 동역학을 해석하기 위해 반복적 뉴턴-오일러 방법을 이용하였으며, 로봇팔의 각 링크에 가해지는 힘과 토크를 차례로 해석 하여 직선운동과 회전운동을 나타내는 방정식을 유도하였다[14].

성능/효과

시험 결과 10m 수심에서 축으로 물의 침투가 없는 방수성능을 확인하였다.

후속연구

향후 개발한 로봇팔의 실제 제어에 대한 실험을 수행할 계획이며, 이를 통하여 극한 환경에서 사용할 수 있는 방수형 로봇팔에 대한 적용 가능성을 확인할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실내외 환경에서 이동하며 감시 및 정찰 작업을 하는 로봇들의 특징은?	이들 로봇은 이동부에 로봇팔을 부착하여 동작 하므로 대체로 경량이며 자유도가 낮은 것이 특징 이다. 일반적인 집기와 놓기를 포함하는 유용한 동작이 가능한 로봇팔에 대한 설계연구를[5] 하였다.
	최근 연구되고 있는 다양한 목적의 로봇들은 어떤 역할을 가지는가?	최근 산업용 로봇 외에 생활지원, 위험물처리, 소방방재 등의 다양한 목적의 로봇들이 연구되고 있다. 이러한 로봇들은 고정된 작업을 하는 산업용 로봇들과 달리 실내외 환경에서 이동하며 감시나 정찰을 하는 작업을 한다. 대표적인 로봇들로는 Packbot [1], Remotec-Andros robot [2][3], AZIMUT[4] 등이 있다.
	경량의 이동 플랫폼을 설치하기 위한 4축 로봇팔의 설계 조건은?	- 가반하중 2kgf, 총 무게 10kgf 내외의 소형경량 4축 구조 - 수심 10m 에서의 탐사 및 작업을 할 수 있는 방수설계 - 카메라의 동작반경을 극대화 할 수 있는 관절 구조

참고문헌 (14)

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상세보기
T. Lozano-Perez, J. Jones, E. Mazer, P. O'Donnell, W. Grimson, P. Tournassoud, A. Lanusse, and B. Handey, "A robot system that recognizes, plans, and manipulates," Robotics and Automation, Proceedings IEEE International Conference, vol. 4, pp. 843-849, 1987.
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Mark W. Spong and M. Vidyasagar, Robot Dynamics and Control, Canada; John Wiley & Sons Inc, 1989
J. J. Slotine and W. Li, Applied Nonlinear Control, Prentice-Hall, 1991.

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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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