이 논문에서는 자동차의 제동장치에 사용되는 브레이크 모듈 조립 작업을 로봇을 사용하여 자동화한 사례를 소개한다. 브레이크 모듈은 하나의 토크 멤버에 두 개의 브레이크 패드와 두 개의 패드 라이너를 장착하여 조립을 완성한다. 이 조립 작업은 로봇의 방향을 자주 바꾸어 주어야하기 때문에 일반적인 산업용 로봇 핸드를 사용하면 조립 시간이 오래 걸린다. 이 논문에서는 두 가지 방법을 제안한다. 첫 번째 방법은 다섯 개의 그리퍼를 갖는 로봇 엔드 이펙터를 설계, 제작하여 기존의 산업용 6축 머니퓰레이터에 장착하여 조립 작업을 수행하는 방법이다. 이 방법에서는 두 개의 브레이크 패드와 두 개의 패드 라이너를 한꺼번에 파지하여 조립 작업을 수행하며 따라서 하나의 그리퍼 만을 가지고 있는 기존의 엔드 이펙터에 비해 조립 시간을 줄일 수 있었다. 두 번째 방법에서는 첫 번째 방법을 더욱 개선하여 엔드 이펙터가 하나의 부가적인 자유도를 가지도록 설계, 제작하여 기존의 산업용 6축 머니퓰레이터에 장착하였다. 이 방법에서는 전체 로봇 머니퓰레이터가 7 자유도를 갖는 여유자유도 머니퓰레이터가 되어 로봇의 동작을 최소화하면서 조립에 필요한 다양한 로봇 방향을 구현할 수 있었다.
이 논문에서는 자동차의 제동장치에 사용되는 브레이크 모듈 조립 작업을 로봇을 사용하여 자동화한 사례를 소개한다. 브레이크 모듈은 하나의 토크 멤버에 두 개의 브레이크 패드와 두 개의 패드 라이너를 장착하여 조립을 완성한다. 이 조립 작업은 로봇의 방향을 자주 바꾸어 주어야하기 때문에 일반적인 산업용 로봇 핸드를 사용하면 조립 시간이 오래 걸린다. 이 논문에서는 두 가지 방법을 제안한다. 첫 번째 방법은 다섯 개의 그리퍼를 갖는 로봇 엔드 이펙터를 설계, 제작하여 기존의 산업용 6축 머니퓰레이터에 장착하여 조립 작업을 수행하는 방법이다. 이 방법에서는 두 개의 브레이크 패드와 두 개의 패드 라이너를 한꺼번에 파지하여 조립 작업을 수행하며 따라서 하나의 그리퍼 만을 가지고 있는 기존의 엔드 이펙터에 비해 조립 시간을 줄일 수 있었다. 두 번째 방법에서는 첫 번째 방법을 더욱 개선하여 엔드 이펙터가 하나의 부가적인 자유도를 가지도록 설계, 제작하여 기존의 산업용 6축 머니퓰레이터에 장착하였다. 이 방법에서는 전체 로봇 머니퓰레이터가 7 자유도를 갖는 여유자유도 머니퓰레이터가 되어 로봇의 동작을 최소화하면서 조립에 필요한 다양한 로봇 방향을 구현할 수 있었다.
In this paper, we deal with robotic automation for assembling car brake modules. A car brake module is comprises of a torque member, two brake pads, and two pad liners. In the assembly process, brake pads and pad liners are needed to be inserted in a torque member. If we use a typical robotic hand f...
In this paper, we deal with robotic automation for assembling car brake modules. A car brake module is comprises of a torque member, two brake pads, and two pad liners. In the assembly process, brake pads and pad liners are needed to be inserted in a torque member. If we use a typical robotic hand for the assembly, task time takes too long. So, we propose two methods. The first method is to use an end effector that has five grippers capable of gripping five assembly parts. In the first method we attached the implemented end effector to a conventional 6 degrees of freedom industrial manipulator and performed the bake module assembly task. Experimental results show that the task time is remarkably reduced. The brake module assembly task needs the robot to change its orientation frequently, so, in the second method, we added one degree of freedom to the end effector that is used in the first method. By attaching it to a conventional 6 degrees of freedom industrial manipulator, we composed a 7 degrees of freedom redundant manipulator. A redundant manipulator has the advantage of flexible manipulation so the robot can change its orientation easily and can perform assembly task very fast. Experimental results show that the second method dramatically reduce whole task time for brake module assembly.
In this paper, we deal with robotic automation for assembling car brake modules. A car brake module is comprises of a torque member, two brake pads, and two pad liners. In the assembly process, brake pads and pad liners are needed to be inserted in a torque member. If we use a typical robotic hand for the assembly, task time takes too long. So, we propose two methods. The first method is to use an end effector that has five grippers capable of gripping five assembly parts. In the first method we attached the implemented end effector to a conventional 6 degrees of freedom industrial manipulator and performed the bake module assembly task. Experimental results show that the task time is remarkably reduced. The brake module assembly task needs the robot to change its orientation frequently, so, in the second method, we added one degree of freedom to the end effector that is used in the first method. By attaching it to a conventional 6 degrees of freedom industrial manipulator, we composed a 7 degrees of freedom redundant manipulator. A redundant manipulator has the advantage of flexible manipulation so the robot can change its orientation easily and can perform assembly task very fast. Experimental results show that the second method dramatically reduce whole task time for brake module assembly.
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문제 정의
본 논문에서는 자동차에 사용되는 브레이크 모듈의 조립 자동화 문제를 다루었다. 브레이크 모듈은 하나의 토크 멤버에 두 개의 브레이크 라이너와 두 개의 브레이크 패드를 조립하여야 하므로 이를 일반적인 구조의 로봇 핸드를 사용하여 조립부분품을 하나씩 조립한다면 작업 시간이 오래 걸린다.
본 논문에서는 자동차의 제동 장치에 사용되는 브레이크 모듈 조립작업을 로봇을 사용하여 자동화하는 문제를 다루고자한다. 브레이크 모듈 조립 작업은 세 가지 종류의 조립부분품을 조립하는 것이 필요한 작업으로 조립 시간이 중요한 성능 지수 중의 하나인 작업이다.
브레이크 모듈은 하나의 토크 멤버에 두 개의 브레이크 라이너와 두 개의 브레이크 패드를 조립하여야 하므로 이를 일반적인 구조의 로봇 핸드를 사용하여 조립부분품을 하나씩 조립한다면 작업 시간이 오래 걸린다. 조립 작업에서 가장 중요한 요소 중의 하나는 조립 시간으로, 조립 시간을 단축시키기 위해서 본 논문에서는 두 가지 방법을 제안하였다.
제안 방법
1 자유도를 갖는 엔드 이펙터는 3.1절에서 설계한 엔드 이펙터와 그리퍼들의 구조는 같으면서 모터와 풀리를 사용하여 한 개의 회전 자유도를 갖도록 설계되었다. 부가된 자유도는 -100°∼+20°의 구동 범위를 갖는다.
6축의 산업용 머니퓰레이터에 무자유도 엔드 이펙터를 부착한 첫 번째 방법과 1 자유도의 엔드 이펙터를 부착한 두번째 방법을 사용하여 브레이크 모듈 조립 작업을 수행한 결과를 표 2에서 비교하였다. 두 방법 모두 일반적인 구조의 로봇 핸드를 사용하는 방법에 비해서 좋은 성능을 보였다.
두 번째 방법에서는 주어진 조립 작업에서 머니퓰레이터의 방향 전환이 빈번하다는 점에 착안하여 첫 번째 방법에서 제안한 엔드 이펙터에 자유도를 하나 더 추가한 엔드 이펙터를 설계 제작하였다. 이 1 자유도를 갖는 엔드 이펙터를 6축 수직다관절 머니퓰레이터에 부착함으로써 전체적으로 7 자유도의 여유자유도 머니퓰레이터를 구성하여 조립 작업을 수행하였다.
브레이크 모듈 조립 작업을 수행할 때, 두 개의 패드 라이너와 두 개의 브레이크 패드를 토크 멤버에 조립하는 것이 필요한데 이를 일반적인 구조의 로봇 핸드를 사용하여 하나씩 조립한다면 작업 시간이 오래 걸리게 되어 생산성이 매우 떨어진다. 따라서 두 개의 패드 라이너와 두 개의 브레이크 패드를 동시에 파지할 수 있으며 토크 멤버도 동시에 파지할 수 있도록 로봇 엔드 이펙터(End effector)를 설계, 제작하여 사용하였다. 제작된 엔드 이펙터는 총 다섯 개의 그리퍼(Gripper)를 가지며 외형은 그림 5와 같다.
또한 브레이크 모듈 조립 작업은 조립에 사용할 부분품을 파지하고 부착하는데 있어서 다양한 방향에서 접근하는 것이 필요하다. 따라서 브레이크 모듈 조립 작업 자동화를 위한 첫 번째 방법에서는 기존의 산업용 6 자유도 머니퓰레이터에 그림 5의 엔드 이펙터를 장착하여 작업을 수행하였다.
로봇은 두 개의 패드 라이너 그리퍼를 사용하여 작업대의 중앙 아래쪽에 위치한 패드 라이너 카트리지로부터 두 개의 카트리지를 파지하고, 그림 4의 좌측 상단에 위치한 브레이크 패드 카트리지의 상부로 이동하여 두 개의 브레이크 패드 그리퍼를 이용하여 두 개의 브레이크 패드를 파지한다.
로봇은 위치와 방향을 바꾸면서 패드 라이너와 브레이크 패드를 고정된 토크 멤버에 조립한 후, 조립된 완성품을 토크 멤버 그리퍼로 파지하여 이동한 후 배출한다. 이와 같은 브레이크 모듈 조립 작업 순서를 요약하면 그림 6과 같다.
이 7 자유도 머니퓰레이터는 임의로 로봇에게 주어진 손끝의 위치와 방향에 대해 무한개의 역기구학 해를 가지므로 사용자의 선호에 따라 해를 선택할 수 있는 장점이 있다. 무한 해 중에서 특정한 해를 선정하기 위해서는 특정한 성능지 수를 최적화하여 이론적으로 해를 구하는 것이 필요하나 본 논문에서는 숙력된 작업자가 로봇의 자세 변환이 가능한 적은 자세를 교시(teaching)에 의해 구하는 방식을 택하였다.
브레이크 모듈 조립 작업을 수행하기 위하여 6 자유도 머니퓰레이터에 자유도가 없는 엔드 이펙터를 부착하여 사용하는 방법과 6 자유도 머니퓰레이터에 1 자유도를 갖는 엔드 이펙터를 부착하여 여유자유도 머니퓰레이터로 구성하여 작업을 수행하는 두 가지 방법을 제안하고 실험을 통하여 효용성을 검증한다.
두 번째 방법에서는 주어진 조립 작업에서 머니퓰레이터의 방향 전환이 빈번하다는 점에 착안하여 첫 번째 방법에서 제안한 엔드 이펙터에 자유도를 하나 더 추가한 엔드 이펙터를 설계 제작하였다. 이 1 자유도를 갖는 엔드 이펙터를 6축 수직다관절 머니퓰레이터에 부착함으로써 전체적으로 7 자유도의 여유자유도 머니퓰레이터를 구성하여 조립 작업을 수행하였다. 두 번째 방법에서는 유연하고 다양한 해를 갖는 여유 자유도 머니퓰레이터의 특성으로 인하여 조립 작업시간을 획기적으로 줄일 수 있음을 실험을 통하여 검증하였다.
즉, 조립 작업 시에 로봇이 자주 위치와 방향 전환을 수행하여야 하므로 첫 번째 방법에서도 로봇의 움직임이 많은 단점이 존재하였다. 이 단점을 해결하기 위하여 두 번째 방법에서는 엔드 이펙터 자체가 1 자유도를 갖도록 하여 기존 6 자유도의 산업용 머니퓰레이터와 함께 전체 7 자유도를 갖는 여유자유도 머니퓰레이터로 구성하여 조립 작업을 수행하였다.
이 후 로봇은 토크 멤버를 파지할 수 있는 방향으로 접근하여 토크 멤버 그리퍼를 사용하여 파지한 후 이동하여, 작업대 중앙에 있는 지그(Jig)에 토크 멤버를 안착시키면 지그에 설치되어 있는 토크 멤버 고정 실린더가 작동되어 토크 멤버를 움직이지 않도록 고정시킨다.
첫 번째 방법에서는 기존에 생산 현장에서 많이 사용되는 산업용 6축 수직다관절 머니퓰레이터에 제작된 엔드 이펙터를 부착하여 브레이크 모듈 조립 작업을 수행하였다. 사용된 6 자유도 머니퓰레이터는 YASKAWA사에서 제조한 ES165 모델로서 이 모델의 외형은 그림 7과 같다.
이 장에서는 로봇을 사용한 브레이크 모듈 조립 작업에 대해 기술한다. 첫 번째로 사용한 방법은 조립 부분품들을 한 번에 모두 파지하여 조립할 수 있는 특수한 형태의 엔드 이펙터(End effector)를 6 자유도의 산업용 로봇에 부착하여 조립하는 방법이고, 두 번째 방법은 첫 번째 방법에서 제작한 엔드 이펙터를 개선하여 엔드 이펙터 자체가 1 자유도를 갖도록 제작하여 6 자유도의 산업용 로봇에 부착하여 전체 7 자유도를 갖는 여유자유도 로봇으로 구성하여 조립하는 방법이다.
대상 데이터
첫 번째 방법에서는 기존에 생산 현장에서 많이 사용되는 산업용 6축 수직다관절 머니퓰레이터에 제작된 엔드 이펙터를 부착하여 브레이크 모듈 조립 작업을 수행하였다. 사용된 6 자유도 머니퓰레이터는 YASKAWA사에서 제조한 ES165 모델로서 이 모델의 외형은 그림 7과 같다. 실험을 위하여 그림 4에 표시된 바와 유사한 작업장을 그림 8과 같이 제작하였다.
성능/효과
6축의 산업용 머니퓰레이터에 무자유도 엔드 이펙터를 부착한 첫 번째 방법과 1 자유도의 엔드 이펙터를 부착한 두번째 방법을 사용하여 브레이크 모듈 조립 작업을 수행한 결과를 표 2에서 비교하였다. 두 방법 모두 일반적인 구조의 로봇 핸드를 사용하는 방법에 비해서 좋은 성능을 보였다.
두 방법 사이에서는 토크 멤버 파지, 토크 멤버 고정 및 부품 조립, 완성품 배출 모두에서 1 자유도 엔드 이펙터를 사용하여 여유자유도 머니퓰레이터로 구성한 두 번째 방법의 성능이 좋았다. 이러한 결과는 로봇이 브레이크 모듈 조립 작업을 수행하기 위해 취해야 할 동작 중에서 특히 방향의 전환이 빈번히 일어나는데 여유자유도 머니퓰레이터는 일반 머니퓰레이터보다 유연하면서도 다양한 자세를 가질 수 있고 따라서 동작 사이의 자세 변환이 최소화되어 공정 사이클 타임을 상당히 줄일 수 있으며, 로봇의 자세 변환이 최소화됨에 따라 로봇의 구동 동작 속도 또한 빨라졌기 때문이다.
이 1 자유도를 갖는 엔드 이펙터를 6축 수직다관절 머니퓰레이터에 부착함으로써 전체적으로 7 자유도의 여유자유도 머니퓰레이터를 구성하여 조립 작업을 수행하였다. 두 번째 방법에서는 유연하고 다양한 해를 갖는 여유 자유도 머니퓰레이터의 특성으로 인하여 조립 작업시간을 획기적으로 줄일 수 있음을 실험을 통하여 검증하였다.
첫 번째 방법은 조립 부분품들을 파지할 수 있도록 다섯 개의 그리퍼를 갖는 엔드 이펙터를 제작하여 이를 6축 수직 다관절 머니퓰레이터에 부착하여 조립 작업을 수행하는 방법이다. 실제 조립 실험을 통하여 조립 작업 시간이 단축될 수 있음을 보였다.
이와 같은 부분품의 특성을 고려하면 패드 라이너와 브레이크 패드는 카트리지에 정렬되어 공급하는 것이 효율적이며 토크 멤버는 컨베이어 벨트 등의 이송 장치를 통하여 자동 공급하는 것이 효율적이다. 따라서 로봇을 사용한 자동화를 위해 작업장을 그림 4와 같이 설계하였다.
일반적인 구조의 로봇 핸드를 장착한 로봇으로 조립 작업을 하면 조립 부분품을 하나씩 파지하여 이동하고 조립하여야 하는 반면 3.1절에서 사용한 첫 번째 방법은 조립에 사용되는 두 개의 패드 라이너와 두 개의 브레이크 패드, 한 개의 토크 멤버를 모두 한꺼번에 파지한 후 조립 작업을 수행함으로써 작업 시간이 짧으며 보다 더 효율적인 작업을 수행할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자동화 생산 공정에서 주로 사용되는 로봇 머니퓰레이터는 무엇인가?
현재 생산 현장에서 로봇을 사용한 자동화는 생산 제품의 핸들링, 팔레타이징, 용접, 도장 등 다양한 공정에서 이루어지고 있다[1]. 이러한 공정에 사용되는 로봇 머니퓰레이터로는 비교적 간단한 작업에 사용되는 직교형 및 수평다관절형 머니퓰레이터와 3차원 공간상에서 임의의 위치와 방향의 작업 점에 접근할 수 있는 수직다관절형 머니퓰레이터가 주로 사용되고 있다[2].
여유자유도 머니퓰레이터란 무엇인가?
특히 여유자유도 머니퓰레이터를 활용한 연구들도 다수 있는데, 여유자유도 머니퓰레이터란 주어진 작업을 수행하기 위해 필요한 자유도보다 더 많은 자유도를 가지고 있는 로봇 으로서 말단장치의 움직임을 생성하는데 다양한 자세를 취할수 있으므로 동작의 유연성이 좋아지고 로봇 시스템을 불안 정하게 하는 특이점(Singularity)을 더욱 용이하게 회피할 수있어 어려운 작업을 매우 효율적으로 수행할 수 있는 장점을 가진다[5]. 자동화 공정에 여유자유도 머니퓰레이터를 적용한 연구로는 산업용 여유자유도 로봇의 역기구학 해석 및 최적 동작 계획에 관한 연구[6], 자동차 제조 공정 중 실링 작업에 여유자유도 로봇을 사용한 연구[7] 등이 있다.
브레이크 모듈 조립 작업 시 브레이크 패드를 하나씩 조립하여 시간이 오래걸리는 일반적인 구조의 로봇 핸드를 대체할 수 있는 기기로 무엇을 사용할 수 있는가?
브레이크 모듈 조립 작업을 수행할 때, 두 개의 패드 라이 너와 두 개의 브레이크 패드를 토크 멤버에 조립하는 것이 필요한데 이를 일반적인 구조의 로봇 핸드를 사용하여 하나씩 조립한다면 작업 시간이 오래 걸리게 되어 생산성이 매우 떨어진다. 따라서 두 개의 패드 라이너와 두 개의 브레이크 패드를 동시에 파지할 수 있으며 토크 멤버도 동시에 파지할수 있도록 로봇 엔드 이펙터(End effector)를 설계, 제작하여 사용하였다. 제작된 엔드 이펙터는 총 다섯 개의 그리퍼 (Gripper)를 가지며 외형은 그림 5와 같다.
참고문헌 (7)
유범상, 김경철, 이후관, 양창완, "산업용 로봇과 생산자 동화 기술," 한국로봇공학회학회지 제 6권, 제 2호, pp. 16-32, 2009.
Craig. John J, Introduction to Robotics, Prentice Hall, 2007.
김동현, 박상신, 성영휘, "이형 제품간 접합 공정 로봇시스템," 로봇학회논문지 제 6권, 제 2호, pp. 141-146, 10, 2011.
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