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문제 정의
- 본 논문에서는 설비 작업자의 근력지원 및 반복 피로도 저감을 위한 착용형 근력 지원 로봇의 경량화를 위한 탄소섬유 복합재료를 적용하는 설계와 프레임의 안전성 평가를 위한 평가 내용을 기술하였다.
제안 방법
- 7. Design of the CFRP frame part 물성평가는 각 방향성을 갖는 복합재료의 특성을 고려하여 Warp 방향과 Fill 방향의 시험편에 대해 각각 수행하였으며, 시험 시 발생하는 변형을 측정하기 위해 접착식 2축 스트레인 게이지(2-axial strain gauge)를 부착하고 Instron社의 만능재료시험기(instron 5982)를 통해 평가하였다. 적용수지는 등방성 소재를 적용하였다.
- 12는 적층 정보에 따른 모델의 영역을 구분하여 나타내었고, Table 3은 각 영역에 대한 적층 정보를 나타내었다. 각 영역에 대한 적층 두께는 구성 부품의 체결의 용이성과 제작 시 이형의 편의 및 효율적인 제작 공정을 위하여 균일한 두께를 유지할 수 있는 치수를 선정하였다. 이때, 적층 정보는 Fig.
- 착용형 로봇의 구성은 고관절 구동기를 기준으로 메인 프레임과 대퇴부 프레임으로 나누어진다. 고관절 구동기는 전기모터와 하모닉 드라이브로 구성된 구동기로 양방향에 절대각 회전각 센서(absolute encoder)와 증분형 회전각 센서(incremental encoder)를 부착하여 위치 제어를 수행하였다. 고관절 구동기의 구성은 프레임 및 케이스는 알루미늄(AL7075-T6) 소재를 적용하였고 회전축은 크롬-몰리브덴 강재에 열처리를 적용하여 강도를 보강하였다.
- 해석 평가를 통해 구조적 안전성이 확보된 착용형 로봇에 대한 제작을 수행하였다. 구동계를 구성하는 알루미늄은 기계가공을 통해 제작하였으며 환경 요인에 인한 부식방지를 위해 산화피막(anodizing) 처리하였다. 탄소섬유/에폭시 복합소재 프레임의 제작은 단일몰드를 사용하였으며 우수한 성능을 보장받을 수 있는 오토클레이브(autoclave)공법을 사용하였다.
- 이로 인해 작업자의 부하 중량이 증가되어 시험 시 작업자의 중량 부담이 가중되는 문제가 발생되었다. 따라서 경량화를 위하여 2차 제작은 Fig. 3의 구성에서 메인 프레임과 대퇴부 프레임을 경량소재로 대체하고 고관절 구동기를 단순화 시키는 형태로 개발 방향을 선정하였다. 착용형 로봇의 경량화를 위해 메인 및 대퇴부 프레임에 탄소섬유/에폭시 복합재를 적용하고 T300 탄소섬유 평직 프리프레그(T300 Carbon fiber/epoxy woven prepreg)를 선정하였다.
- 메인 프레임은 작업자에 견착되어 착용감에 영향을 줄 수 있는 착용형 로봇에서 가장 큰 부품에 속하며, 구동 모터가 장착되는 프레임이다. 따라서 진동 현상 발생 여부를 확인하고, 가진원인 모터에서 발생 예상 되는 진동수와 고유치 및 고유모드를 계산하였다. Fig.
- 이를 위해 출력 토크는 감소가 필요하여 중량물 무게 25kg을 들어 올리는 경우 최대 토크 150 Nm로 개발 되었다. 또한, 작업자의 허리에 작용하는 굴곡 모멘트를 상쇄 시키도록 개발하였다. 최종으로 프레임에 적용되는 최대 토크는 250 Nm로 선정하였다.
- 탄소섬유/에폭시 적층 복합재의 기계적 물성평가를 통해 나타난 결과를 Table 2에 정리하였다. 물성평가를 통해 획득된 기계적 물성은 구조 해석평가에 적용하였다. 기계적 Fig.
- 일반적인 실용 로봇의 개발에서 경량화를 위한 연구 개발이 현재 조금씩 이루어지는 단계이지만, 대부분 구성 부품의 감소 또는 금속재 프레임의 위상최적화 설계를 통해 최적화 하는 수준이다. 본 연구에서는 착용형 로봇에 대하여 비강성/비강도가 높은 복합소재를 적용한 로봇 프레임의 설계, 해석 그리고 제작을 수행하였으며, 기존 금속재 프레임을 대체하여 1차 제작품 무게 15 kg에서 경량 복합소재를 사용하여 7 kg으로 경량화를 구현할 수 있었다. 착용형 근력 지원로봇의 개발에서 경량구조를 적용하여 사용자의 착용여건(휴대성, 미려도, 무게 감소로 인한 피로감 저하 등)이 개선되는 것을 확인하였고, 중량 감소로 인한 배터리 용량의 증대의 효과도 얻을 수 있었다.
- 적용수지는 등방성 소재를 적용하였다. 소재에 대한 시험평가를 통해 획득된 기계적 물성을 기준으로 파손 기준식을 적용 및 평가가 가능하도록 물성을 평가하였다.
- 중량물을 들어올리기 위한 인간의 근육과 뼈는 매우 복잡한 메커니즘으로 운동을 하지만, 근력을 지원하는 기구의 메커니즘은 단순한 형태에서 개발되어야 한다. 이를 위해 고관절에 대하여 회전에 토크를 인가하여 대퇴부 및 허리 근력을 지원하기 위한 형태로 개발되었다. 작업자는 중량물을 들기 위하여 Fig.
- 5와 같이 구성되었으며, 작업자가 착용 후 동작 시험을 진행하였다. 작동 시험 및 착용 시험을 통하여 성능 검증을 실행하였고, 요구 토크를 낮추고 프레임의 경량화를 통해 2차 시제품 제작을 진행하였다. Fig.
- 작업자의 중량물 이동 작업을 지원하기 위한 착용형 로봇의 개발을 위하여 Fig. 1과 같이 중량물을 들어 올리는 동작을 기준으로 발목 관절이 고정된 것으로 가정하고 무릎관절, 고관절 그리고 어깨 관절을 포함하는 3개의 링크로 모션 모델을 구현하였다. 중량물을 들어올리기 위한 인간의 근육과 뼈는 매우 복잡한 메커니즘으로 운동을 하지만, 근력을 지원하는 기구의 메커니즘은 단순한 형태에서 개발되어야 한다.
- 제작 공정은 첫 번째로 동시 성형 시 삽입되는 알루미늄 프레임 및 인서트와 금형에 대한 제작 후 설계된 치수에 따라 소재를 제단하였다. 설계된 적층정보에 따라 제단된 소재를 금형에 적층하고 내부에 삽입되는 알루미늄 파트를 배치하였다.
- 중공형 알루미늄 프레임, 금속재 회전 미끄럼 베어링, 인서트 프레임 등이 포함된 이종부재가 결합된 형태이므로 동시성형을 통해 제작하였다. 제작된 제품의 접착층 분리(debonding)를 최대한 방지하기 위하여 이종 부재 간 접착부에 필름타입의 FM73 접착층(FM73 adhesive film)을 삽입하였다. 탄소섬유/에폭시 적용 복합재 프레임의 제작과정은 Fig.
- 탄소섬유/에폭시 복합소재 프레임의 제작은 단일몰드를 사용하였으며 우수한 성능을 보장받을 수 있는 오토클레이브(autoclave)공법을 사용하였다. 중공형 알루미늄 프레임, 금속재 회전 미끄럼 베어링, 인서트 프레임 등이 포함된 이종부재가 결합된 형태이므로 동시성형을 통해 제작하였다. 제작된 제품의 접착층 분리(debonding)를 최대한 방지하기 위하여 이종 부재 간 접착부에 필름타입의 FM73 접착층(FM73 adhesive film)을 삽입하였다.
- 해석 평가를 통해 구조적 안전성이 확보된 착용형 로봇에 대한 제작을 수행하였다. 구동계를 구성하는 알루미늄은 기계가공을 통해 제작하였으며 환경 요인에 인한 부식방지를 위해 산화피막(anodizing) 처리하였다.
대상 데이터
- 고관절 구동기는 전기모터와 하모닉 드라이브로 구성된 구동기로 양방향에 절대각 회전각 센서(absolute encoder)와 증분형 회전각 센서(incremental encoder)를 부착하여 위치 제어를 수행하였다. 고관절 구동기의 구성은 프레임 및 케이스는 알루미늄(AL7075-T6) 소재를 적용하였고 회전축은 크롬-몰리브덴 강재에 열처리를 적용하여 강도를 보강하였다.
- 착용형 로봇 프레임에 적용된 탄소섬유/에폭시 적층 복합재료의 기계적 물성 및 파손 평가를 위한 파손 거동을 확인하기 위해 인장시험은 ASTM D3039[8]을 압축시험은 ASTM D3410[9]을 전단시험은 ASTM D5379[10]에서 제시한 형태로 시편을 제작 및 시험을 수행하였다. 기계적 물성평가는 각 시험 당 4개의 시편을 시험하였고, Fig. 8은 탄소 섬유/에폭시 적층 복합재의 인장 시험평가의 응력-변형률 곡선을 나타내며 Fig. 9와 Fig. 10은 각각 압축 그리고 전단시험평가의 응력-변형률 곡선을 나타내었다.
- 본 연구의 적용 대상은 Fig. 1과 같이 제철소의 고로와 전로, 전기로 등 철과 비철을 제조하는 공정상의 각종 로(Converter)에 들어가는 내화물을 축조하는 공정에 작업 인력 2명 이상이 내화물(중량 20~60 kg)을 높은 정밀도로 축조하는 경우이다.
- 제작 공정은 첫 번째로 동시 성형 시 삽입되는 알루미늄 프레임 및 인서트와 금형에 대한 제작 후 설계된 치수에 따라 소재를 제단하였다. 설계된 적층정보에 따라 제단된 소재를 금형에 적층하고 내부에 삽입되는 알루미늄 파트를 배치하였다. 적층이 완료된 상태에서 진공백을 통해 내부에 발생하는 기공(void)을 제거하고 압착(compaction)시킨 후 오토클레이브를 통해 성형하게 된다.
- 메인 프레임에 생성된 절점은 68,253개, 요소는 22,820개를 생성하고, 대퇴부 프레임에 생성된 절점은 41,057개, 요소는 13,250으로 생성되었다. 적용 요소는 8개의 절점을 가지고 적층판 구성이 가능한 Shell281 평판요소를 사용하였다. Fig.
- Design of the CFRP frame part 물성평가는 각 방향성을 갖는 복합재료의 특성을 고려하여 Warp 방향과 Fill 방향의 시험편에 대해 각각 수행하였으며, 시험 시 발생하는 변형을 측정하기 위해 접착식 2축 스트레인 게이지(2-axial strain gauge)를 부착하고 Instron社의 만능재료시험기(instron 5982)를 통해 평가하였다. 적용수지는 등방성 소재를 적용하였다. 소재에 대한 시험평가를 통해 획득된 기계적 물성을 기준으로 파손 기준식을 적용 및 평가가 가능하도록 물성을 평가하였다.
- 3의 구성에서 메인 프레임과 대퇴부 프레임을 경량소재로 대체하고 고관절 구동기를 단순화 시키는 형태로 개발 방향을 선정하였다. 착용형 로봇의 경량화를 위해 메인 및 대퇴부 프레임에 탄소섬유/에폭시 복합재를 적용하고 T300 탄소섬유 평직 프리프레그(T300 Carbon fiber/epoxy woven prepreg)를 선정하였다.
데이터처리
- 착용형 로봇의 경량화를 위하여 설계된 메인 및 대퇴부 프레임의 설계검증을 위한 구조해석 평가를 위하여 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS Workbench v15.0을 이용하였다. 모델의 단순화를 위하여 Fig.
이론/모형
- 본 논문에서는 층간 접근방법(ply by ply approach)에서 텐서다항기준식(Tensor polynomial criteria)중 대표적인 TsaiWu 파손 기준식을 적용하였다. Fig.
- 착용형 로봇 프레임에 적용된 탄소섬유/에폭시 적층 복합재료의 기계적 물성 및 파손 평가를 위한 파손 거동을 확인하기 위해 인장시험은 ASTM D3039[8]을 압축시험은 ASTM D3410[9]을 전단시험은 ASTM D5379[10]에서 제시한 형태로 시편을 제작 및 시험을 수행하였다. 기계적 물성평가는 각 시험 당 4개의 시편을 시험하였고, Fig.
- 구동계를 구성하는 알루미늄은 기계가공을 통해 제작하였으며 환경 요인에 인한 부식방지를 위해 산화피막(anodizing) 처리하였다. 탄소섬유/에폭시 복합소재 프레임의 제작은 단일몰드를 사용하였으며 우수한 성능을 보장받을 수 있는 오토클레이브(autoclave)공법을 사용하였다. 중공형 알루미늄 프레임, 금속재 회전 미끄럼 베어링, 인서트 프레임 등이 포함된 이종부재가 결합된 형태이므로 동시성형을 통해 제작하였다.
성능/효과
- 17의 왼쪽은 메인 프레임과 오른쪽은 대퇴부 프레임에 최대 파손 지수의 출력 층 번호와 파손 지수를 나타내었다. 각 프레임에 파손 지수 분석 결과에서 보듯이 파손 지수 1 미만으로 안전성을 확보한 것으로 확인되었다.
- 또한, 금속재를 가공하여 외골격 형태로의 제작은 착용감을 향상 시키는 제작이 어렵지만, 경량 복합소재의 경우 성형성이 우수하여 사용자의 외골격 형태로 제작이 가능하며, 이를 통하여 착용형 로봇의 경우 착용 쾌적성이 증대되는 것을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 착용형 로봇에 대하여 비강성/비강도가 높은 복합소재를 적용한 로봇 프레임의 설계, 해석 그리고 제작을 수행하였으며, 기존 금속재 프레임을 대체하여 1차 제작품 무게 15 kg에서 경량 복합소재를 사용하여 7 kg으로 경량화를 구현할 수 있었다. 착용형 근력 지원로봇의 개발에서 경량구조를 적용하여 사용자의 착용여건(휴대성, 미려도, 무게 감소로 인한 피로감 저하 등)이 개선되는 것을 확인하였고, 중량 감소로 인한 배터리 용량의 증대의 효과도 얻을 수 있었다. 또한, 금속재를 가공하여 외골격 형태로의 제작은 착용감을 향상 시키는 제작이 어렵지만, 경량 복합소재의 경우 성형성이 우수하여 사용자의 외골격 형태로 제작이 가능하며, 이를 통하여 착용형 로봇의 경우 착용 쾌적성이 증대되는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 향후 프레임에 구동기를 일체화 하여 경량, 단순 그리고 미적효과를 위하여 외골격 동력 일체화 프레임 개발을 복합소재를 적용하기 위한 설계, 해석평가 기법에 대한 연구를 지속할 예정이다.
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