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제조 공정용 로봇 매니퓰레이터의 효율적 다물체 동역학 해석 모델링 기술 개발
The Efficient Dynamic Modeling of a Manipulator Robot System 원문보기

대한기계학회 논문집. C, 산업기술과 혁신, v.3 no.2, 2015년, pp.155 - 164  

송인호 (펑션베이(주)) ,  류한식 (펑션베이(주)) ,  최진환 (경희대학교 기계공학과)

초록
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기존의 자동차 생산라인의 경우 샤시를 중심으로 양측에 일렬로 배치된 로봇들이 작업을 진행하기 때문에 길고 넓은 공장 부지가 필요하다. 하지만 일렬이 아닌 이열 삼열로 로봇을 배치하여 작업을 진행할 수 있다면, 생산 공장 부지를 최대 절반이하로 줄일 수 있고, 생산 설비를 보다 적은 면적에 설치함으로 로봇 구동 에너지 또한 감소시킬 수 있다. 하지만, 이와 같이 좁은 공간에서 다양한 작업을 수행하려면 여러 작업 기구 장착이 가능한 모듈형 로봇과 원거리에서도 작업이 가능한 가늘고 긴 형태의 로봇 매니퓰레이터를 개발해야만 한다. 이때 로봇을 가상의 공간에서 사전에 모델링해서 가장 최적의 로봇 형태에 대한 성능 평가를 진행할 수 있다면 로봇 개발시 개발 시간의 단축과 개발 비용을 획기적으로 줄일 수 있는데 이러한 평가 작업에 CAE기법들이 활용된다. 특히 로봇의 동역학적 거동 특성을 분석하기 위해서는 다물체 동역학 기법이 활용되는데, 이때 기존 모델링 기술보다 더 효과적이고 좋은 결과를 얻을 수 있는 효율적인 로봇 동해석 모델링 기술에 대하여 연구 진행되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, the robot manipulators are needed more slim size and longer reach and more accurate movement for increasing productivity. So, in this paper, the simulation modeling method and the efficient modeling method for new slim & long reach robot has been investigated for forecasting the slim robot...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 물론, 각 구동 부품의 정밀한 동역학 모델링 기술을 개발하면 정확한 동적 특성을 해석할 수 있지만 해석 모델 구성 비용과 해석 비용이 기하급수적으로 상승한다. 따라서 본 연구에서는 최소한의 동역학 모델링 비용으로 최대한의 동적 특성 결과를 도출하기 위하여 효과적이고 단순화한 로봇 관절부 구동 부품들의 동해석 모델링 기술 개발을 목표로 연구를 진행하였다. 또한, 개발된 효과적인 모델링 기술을 새로운 타입의 모듈형 및 슬림형 로봇 동해석 모델에 적용하여 새로운 형태에 대해서 로봇 동적 거동 특성을 분석 및 성능 평가하여 새로운 타입의 로봇에 대한 개발을 진행하였다.
  • 본 연구에서 효과적인 로봇 관절의 구동 시뮬레이션을 위한 로봇 관절부의 각 부품 모터, 벨트 및 감속기들에 대한 효과적인 동해석 모델링 기술을 개발하였다. 또한, 각 부품 모델링을 조합하는 기술을 통하여 모터에서 구동력을 생성하고 이 구동력을 벨트, 감속기 및 로봇암 순으로 순차적으로 발생된 힘을 전달할 수 있는 기술을 개발하였다.
  • 이러한 모듈형, 슬림형 로봇을 새롭게 설계하고 검증 단계에서 CAE기법을 활용하여 새로운 로봇의 설계 검증과 특히 로봇의 동적 거동 특성을 파악하기 위하여 다물체 동역학 해석 기술이 사용된다. 본 연구에서는 다물체 동역학 해석 소프트웨어인 리커다인 (RecurDyn)을 활용하여 모듈형 및 슬림형 로봇의 동적 거동 특성을 파악하기 위한 로봇 시뮬레이션 모델링 기술을 연구하고 로봇 구동부의 중요 부품들에 대한 동특성 분석을 보다 효율적으로 해석할 수 있는 동해석 모델링 기술에 대하여 연구하였다.
  • 하지만, 이러한 접촉 관계에 대한 상세 모델링을 적용할 경우 모델 생성 비용과 해석 소요 시간 비용이 너무 비싸지기 때문에 모델링 효율성이 굉장히 떨어진다. 이러한 고비용 접촉 모델링 방식은 빠르게 결과를 도출할 수 없고 결과 분석이 효율적이지 않기 때문에 본 연구에서는 벨트와 풀리 사이의 힘과 토크의 평형식으로 유도하여 각각의 위치에서 발생하는 힘과 토크를 직접 계산하여 각 요소에 힘을 직접적으로 부여하는 방식의 모델링 기술을 개발하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
벨트 구동부 시스템은 무엇으로 구성되어 있는가? 벨트 구동부 시스템은 구동 풀리와 피동 풀리에 벨트가 감김으로써 구동풀리 회전에 벨트가 이송되고 벨트에 연결된 피동풀리가 회전력을 전달받게 되는 구조로 구성된다. 벨트 구조를 상세히 모델링 하기 위해서는 벨트와 풀리의 치형에 대한 정확한 치형 모델링과 풀리 치형과 벨트 치형 사이의 접촉 모델링을 정의하여 두 물체 사이의 접촉힘을 계산해야 한다.
로봇 관절 부는 무엇으로 구성되어 있는가? 로봇 관절 부는 모터, 벨트, 감속기등과 같은 다수의 구동 부품들이 조립되어 구동된다. 이러한 구동 부 부품 각각의 동특성들이 조합되어 최종적으로 로봇 매니퓰레이터 관절 전체의 동적 거동 특성으로 나타나게 된다.
벨트와 풀리의 치형에 대한 정확한 치형 모델링과 풀리 치형과 벨트 치형 사이의 접촉 모델링을 정의하여 두 물체 사이의 접촉힘을 계산하여 벨트 구조를 상세히 모델링할 때 어떤 문제점이 있는가? 벨트 구조를 상세히 모델링 하기 위해서는 벨트와 풀리의 치형에 대한 정확한 치형 모델링과 풀리 치형과 벨트 치형 사이의 접촉 모델링을 정의하여 두 물체 사이의 접촉힘을 계산해야 한다. 하지만, 이러한 접촉 관계에 대한 상세 모델링을 적용할 경우 모델 생성 비용과 해석 소요 시간 비용이 너무 비싸지기 때문에 모델링 효율성이 굉장히 떨어진다. 이러한 고비용 접촉 모델링 방식은 빠르게 결과를 도출할 수 없고 결과 분석이 효율적이지 않기 때문에 본 연구에서는 벨트와 풀리 사이의 힘과 토크의 평형식으로 유도하여 각각의 위치에서 발생하는 힘과 토크를 직접 계산하여 각 요소에 힘을 직접적으로 부여하는 방식의 모델링 기술을 개발하였다.
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참고문헌 (5)

  1. Yun, D. J., A Case Study of Mechatronic System Simulation: Forklift Electric Control, 7th International Conferenceon Multibody System, Nonlinear Dynamics and Control, PartsA,Band C,Vol.4, pp. 1551-1556 

  2. FunctionBay, 2012, "RecurDyn V8R1 Solver Theoretical Manual." 

  3. Angeles, J., 1997, "Fundamentals of Robotic Mechanical System," Springer. 

  4. Wittenbrug, J., 1977, "Dynamics of System of Rigid Bodies," B. G Teubner, Stuttgart. 

  5. Yen, J., Haug, E. J. and Rotra, F. A. 1990, "Numerical Method for Constrained Equations of Motion in 

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