[논문]로봇 팔의 원격제어를 위한 스튜어트 플랫폼 기반의 조작장치

이상덕; 유홍선; 안국현; 송재복; 김종원; 유재관

doi:10.3795/ksme-a.2015.39.2.137

로봇 팔의 원격제어를 위한 스튜어트 플랫폼 기반의 조작장치
Stewart Platform-Based Master System for Tele-Operation of a Robot Arm 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.2, 2015년, pp.137 - 142

이상덕 (고려대학교 기계공학부) , 유홍선 (고려대학교 기계공학부) , 안국현 (고려대학교 기계공학부) , 송재복 (고려대학교 기계공학부) , 김종원 (LIGNex1(주) 연구개발본부 기계연구센터) , 유재관 (LIGNex1(주) 연구개발본부 기계연구센터)

초록
AI-Helper

최근 국방 및 보안 분야 등과 같은 위험 환경에서 임무를 수행하는 로봇 팔의 원격제어와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 로봇 팔의 원격제어를 위해서는 조작장치가 필수적이므로, 본 연구에서는 스튜어트 플랫폼을 기반으로 로봇 팔을 직관적으로 제어할 수 있으며, 기존의 조작장치와 비교하여 이동성 및 휴대성이 우수한 조작장치를 개발하였다. 조작장치의 크기와 무게를 최소화하기 위하여 스튜어트 플랫폼을 기반의 기구부를 구성하였으며, 조작장치의 동작범위를 최대화하기 위하여 와이어를 적용하였다. 개발된 조작장치를 검증하기 위하여 상용 IMU와 비교실험을 수행하였으며, 실험 결과를 바탕으로 개발된 조작장치의 실용성과 신뢰성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Teleoperation of a robot arm working in hazardous environments has been studied in the field of defense and security. A master system is an essential part that plays an important role in the teleoperation. We developed a master system, which is an essential part in the teleoperation, so that it can operate the slave robot arm intuitively and has excellent mobility and portability compared to conventional master systems. The master system adopted a Stewart platform to minimize the size and weight, and the legs of the Stewart platform are composed of wires to improve the operation range of the system. The experimental validation of the developed master system is conducted with a commercial IMU, and the experimental results show that the proposed master system can perform reliable and dexterous teleoperation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 스튜어트 플랫폼과 와이어 기반의 조작장치를 개발하였다. 스튜어트 플랫폼을 기반으로 기구부를 설계하여 6자유도의 조작이 가능하도록 하였으며, 동시에 조작장치의 부피 및 무게를 최소화하였다.
본 연구에서는 직관적인 로봇 팔의 제어가 가능하며, 이동성과 휴대성이 우수한 원격 조작장치를 개발하였다. 개발된 조작장치는 스튜어트 플랫폼을 기반으로 설계되어 6자유도의 조작이 가능하며, 동시에 조작장치의 부피 및 무게를 최소화하였다.

가설 설정

1(a)와 같이 이동부와 기저부가 분리되고, 사용하지 않는 경우에는 Fig. 1(b)과 같이 이동부와 기저부가 결합되어 조작장치의 이동성 및 휴대성이 극대화된다. 개발된 원격 조작장치의 주요사양은 Table 1과 같다.

제안 방법

10(a)와 같이 IMU를 조작장치의 이동부에 고정시키고, Fig. 10(b)에 나타낸 바와 같이 조작장치의 이동부를 roll, pitch, yaw 축에 대하여 각각 회전시키는 실험을 수행하였다. 이동부의 다양한 위치에 조작성능을 검증하기 위하여 이동부의 상대적인 높이를 Fig.
이동부의 조작 시 와이어에 장력이 인가되지 않는 경우에는 와이어의 좌굴이 발생할 수 있으므로, 와이어의 길이 변화를 정확히 측정하기 위해서는 와이어의 좌굴이 발생하지 않아야 한다. 따라서 개발된 조작장치는 와이어에 지속적으로 장력을 인가함으로써 와이어의 좌굴을 방지할 수 있는 와이어 되감김 기구를 구비한다. Fig.
를 바탕으로 수행되고, X1를 계산하기 위해서는 조작장치의 와이어의 길이를 측정할 수 있어야 한다. 따라서 와이어의 길이 측정 및 X_c의 산출이 가능하도록 조작장치의 기저부를 설계하였다. 조작장치 기저부는 Fig.
특히, 조작장치를 이용하여 이동부위 방위를 측정하는 과정에서 이동부의 방위가 크게 변할 때에도 와이어의 길이 변화는 미미한 경우가 있으므로 상당한 오차가 발생할 가능성이 있다. 따라서 조작장치의 성능을 실험적으로 검증할 필요가 있으며, 본 연구에서는 개발된 조작장치로부터 계산된 이동부의 방위와 3축 IMU를 사용하여 측정한 이동부의 방위를 비교하는 실험을 수행하여 조작장치의 성능을 검증하였다. 실험에 사용된 IMU의 측정오차는 동적인 상황에서 ±2° 이내이며, 해상도는 0.
개발된 조작장치는 스튜어트 플랫폼을 기반으로 설계되어 6자유도의 조작이 가능하며, 동시에 조작장치의 부피 및 무게를 최소화하였다. 또한, 와이어를 이용하여 기구부를 구성함으로써 조작 범위를 극대화하였다. 원격 조작장치의 성능을 검증하기 위하여 원격 조작장치로부터 계산한 이동부의 방위와 IMU 센서를 이용하여 측정한 이동부의 방위를 비교하는 실험을 수행하였으며, 실험을 통하여 개발된 원격 조작장치를 정밀한 로봇 팔의 조작이 가능함을 확인하였다.
스튜어트 플랫폼을 기반으로 기구부를 설계하여 6자유도의 조작이 가능하도록 하였으며, 동시에 조작장치의 부피 및 무게를 최소화하였다. 또한, 와이어를 이용하여 조작 장치를 구성함으로써 조작장치의 조작범위를 극대화하였다. 따라서 개발된 로봇 팔 조작장치는 직관적인 로봇 팔의 제어가 가능하며, 이동성과 휴대성이 우수하다.
본 연구에서는 스튜어트 플랫폼과 와이어 기반의 조작장치를 개발하였다. 스튜어트 플랫폼을 기반으로 기구부를 설계하여 6자유도의 조작이 가능하도록 하였으며, 동시에 조작장치의 부피 및 무게를 최소화하였다. 또한, 와이어를 이용하여 조작 장치를 구성함으로써 조작장치의 조작범위를 극대화하였다.
조작장치의 이동부는 사용자와 물리적인 접촉이 일어나는 부분이므로 사용자의 편의성을 고려하여 설계되었다.

대상 데이터

조작장치의 이동부는 사용자와 물리적인 접촉이 일어나는 부분이므로 사용자의 편의성을 고려하여 설계되었다. 이동부의 높이는 85mm, 길이는 104mm, 폭은 96mm이고, 무게는 180g이다.

성능/효과

본 연구에서는 직관적인 로봇 팔의 제어가 가능하며, 이동성과 휴대성이 우수한 원격 조작장치를 개발하였다. 개발된 조작장치는 스튜어트 플랫폼을 기반으로 설계되어 6자유도의 조작이 가능하며, 동시에 조작장치의 부피 및 무게를 최소화하였다. 또한, 와이어를 이용하여 기구부를 구성함으로써 조작 범위를 극대화하였다.
또한, 와이어를 이용하여 조작 장치를 구성함으로써 조작장치의 조작범위를 극대화하였다. 따라서 개발된 로봇 팔 조작장치는 직관적인 로봇 팔의 제어가 가능하며, 이동성과 휴대성이 우수하다.
11의 그래프를 통하여 확인할 수 있듯이, 개발된 조작장치를 이용하여 계산한 방위와 IMU를 통하여 측정한 이동부의 방위는 거의 일치하며, 두 방위 사이의 오차는 모든 방향에 대하여 최대 2%이내이다. 따라서 개발된 조작장치를 통해 계산한 이동부의 방위를 신뢰할 수 있으며, 개발된 조작장치를 이용하여 로봇 팔의 방위를 충분히 정밀하게 조작할 수 있다.
또한, 와이어를 이용하여 기구부를 구성함으로써 조작 범위를 극대화하였다. 원격 조작장치의 성능을 검증하기 위하여 원격 조작장치로부터 계산한 이동부의 방위와 IMU 센서를 이용하여 측정한 이동부의 방위를 비교하는 실험을 수행하였으며, 실험을 통하여 개발된 원격 조작장치를 정밀한 로봇 팔의 조작이 가능함을 확인하였다. 따라서 개발된 로봇 팔 조작장치는 전장과 같은 야외 환경에서 로봇 팔을 조작하기에 적합하며, 다양한 분야에서 활용 가능하다.

후속연구

원격 조작장치의 성능을 검증하기 위하여 원격 조작장치로부터 계산한 이동부의 방위와 IMU 센서를 이용하여 측정한 이동부의 방위를 비교하는 실험을 수행하였으며, 실험을 통하여 개발된 원격 조작장치를 정밀한 로봇 팔의 조작이 가능함을 확인하였다. 따라서 개발된 로봇 팔 조작장치는 전장과 같은 야외 환경에서 로봇 팔을 조작하기에 적합하며, 다양한 분야에서 활용 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로봇 팔의 원격제어에서 필수적인 장치는?	최근 국방 및 보안 분야 등과 같은 위험 환경에서 임무를 수행하는 로봇 팔의 원격제어와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 로봇 팔의 원격제어를 위해서는 조작장치가 필수적이므로, 본 연구에서는 스튜어트 플랫폼을 기반으로 로봇 팔을 직관적으로 제어할 수 있으며, 기존의 조작장치와 비교하여 이동성 및 휴대성이 우수한 조작장치를 개발하였다. 조작장치의 크기와 무게를 최소화하기 위하여 스튜어트 플랫폼을 기반의 기구부를 구성하였으며, 조작장치의 동작범위를 최대화하기 위하여 와이어를 적용하였다.
	로봇 팔을 활용하여 작업을 수행하는 기술의 한계는?	로봇 기술의 발전과 더불어, 국방, 치안, 재난구조 등과 같이 작업자가 위험한 상황에 노출될 수 있는 분야에서 로봇 팔을 활용하여 작업을 수행하는 기술에 대한 관심이 점차 증대되고 있다. 그러나 지능의 한계, 작업환경의 불확실성 등으로 인하여 로봇 팔을 이용한 작업수행의 완전 자동화에는 아직 많은 한계가 있다. 이러한 이유로 인하여 현재는 로봇 팔이 작업을 수행하되, 로봇 팔의 제어는 원거리에 위치한 사람이 수행하는 원격제어 기술이 주로 활용되고 있다.
	버튼형 조작장치의 특징은?	로봇 팔의 원격제어를 위한 기존의 조작장치는 크게 버튼형 조작장치와 관절형 조작장치로 구분할 수 있다. 버튼형 조작장치는 현재 가장 널리 사용되는 로봇 팔 원격 조작장치이며, 조작장치를 구성하는 조이스틱 또는 버튼의 기능을 숙지한 사용자가 버튼을 눌러 로봇 팔을 제어하는 방식으로 사용된다.(3) 하지만 이러한 버튼형 조작장치는 로봇 팔의 직관적인 제어가 힘들기 때문에 복잡한 작업을 수행하는데 많은 어려움이 있으며, 사용자가 조작장치의 기능을 숙지하기 위한 숙련과정이 필요하다.

참고문헌 (5)

Trevelyan, J., Kang, S.C. and Hamel, W. R., 2008, "Robotics in Hazardous Applications," Handbook of Robotics, Springer, pp. 1101-1126.
Yu, S. N. and Lee, J. K., 2012, "Stiffness Analysis of Spring Mechanism for Semi-Automatic Gripper Motion of Tendon-Driven Remote Manipulator," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 36, No.11, pp. 1405-1411.

원문보기 상세보기
Casper, J. and Murphy, R., 2003, "Human-Robot Interactions During the Robot-Assisted Urban Search and Rescue Response at the World Trade Center," IEEE Trans. Syst. Man, Cybern.(B), Vol. 33, pp. 367-385.

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Ryu, D. S., Song, J. B., Cho, C.S., Kang, S. C. and Kim, M. S., 2010, "Development of a Six DOF Haptic Master for Teleoperation of a Mobile Manipulator," Mechatronics, Vol. 20, No. 2, pp. 181-191.

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Pusey, J., Fattah, A., Agrawal, S. and Messina, E., 2004, "Design and Workspace Analysis of a 6-6 Cable-Suspended Parallel Robot," Mechanism and Machine Theory, Vol. 39, No.7, pp. 761-778.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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