[논문]에너지 효율 향상을 위한 직렬형 머니퓰레이터의 관성 파라미터 설계 최적화 방법

황순웅; 김현국; 최윤성; 신규식; 한창수

doi:10.5762/kais.2016.17.11.395

에너지 효율 향상을 위한 직렬형 머니퓰레이터의 관성 파라미터 설계 최적화 방법
Design Optimization Method of Inertial Parameters of Serial Manipulators for Improving the Energy Efficiency 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.11, 2016년, pp.395 - 402

황순웅 (한양대학교 메카트로닉스공학과) , 김현국 (한양대학교 메카트로닉스공학과) , 최윤성 (한양대학교 기계공학과) , 신규식 (한양대학교 로봇공학과) , 한창수 (한양대학교 로봇공학과)

초록
AI-Helper

이 논문은 직렬형 머니퓰레이터의 관성 성질을 고려하여 에너지 효율을 향상 시키기 위한 설계 방법에 대해 논하였다. 이 방법은 운동방정식에 가장 많은 영향을 끼치는 관성 행렬을 분석하여 최적화 문제의 구속 조건에 대입하는 방식이다. 이를 위해, 첫 번째로 초기에 설계된 머니퓰레이터에 대한 동적 모델링을 도출하고 여기서 표현되는 관성 행렬의 특성을 분석한다. 두 번째로 분석된 관성 행렬의 변화 정도를 정량화하는 지표를 정의하여 구속 조건과 설계 파라미터의 경계조건을 설정하였다. 마지막으로 토크를 목적 함수로 정하고 앞서 정의된 구속 조건과 경계조건을 통하여 최적화를 수행한다. 또한, 목적 함수 외에 관성, 에너지 및 질량에 관련된 보조 지표를 정의하고 최적화된 파라미터가 요구성능을 만족하는지 다시 한번 확인하는 과정을 거치는 설계 알고리즘을 제안하였다. 제안한 설계 알고리즘의 수행 결과로 토크 최소화를 통하여 에너지 효율이 향상되었으며, 제안된 방법을 공간상의3 자유도 직렬 머니퓰레이터에 시뮬레이션 테스트 하였다. 이 설계 알고리즘은 일반적으로n 자유도를 가지는 머니퓰레이터에도 적용이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a design methodology for improving the energy efficiency by considering the inertial properties of serial manipulators. This method employed is to put the inertia matrix, which has a critical effect on the equation of motion, into the constraints of the optimization problem. Through the optimization process, we propose a design algorithm that can double-check whether the optimized parameters satisfy the required performance or not by using an auxiliary index associated with the inertia and energy. Using this design algorithm, we were able to improve the energy efficiency by minimizing the torque. We applied this method to a 3 degrees of freedom serial manipulator and simulated it.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 논문은 직렬 머니퓰레이터의 관성특성을 분석하고 이를 이용하여 토크를 최소화시키는 설계 파라미터를 찾아내어 에너지효율을 향상시키는 설계 방법론을 제안하였다. 첫 번째 단계에서는 초기 설계된 머니퓰레이터에 대한 동역학 모델을 통해서 관성행렬에 대한 분석이 이루어졌다.
이 논문은 직렬형 머니퓰레이터의 분석된 관성 특성을 기반으로 토크를 최소화하는 최적화문제에 적용하여 로봇이 작업을 하기 위해 필요한 성능을 내기 위하여 에너지 효율을 향상시키기 위한 설계방법을 제안하였다. 첫 번째로, worst-case를 가정하였고, 목적함수는 로봇 작업에 필요한 전체 토크 값으로 정하였다.

가설 설정

시뮬레이션을 통해 머니퓰레이터의 운동 상태를 구하기 위하여 입력을 등각가속도로 설정하였으며, 관절의 위치와 각속도는 입력 각가속도의 적분을 통하여 구하도록 설정하였다. 각 관절의 각가속도의 입력 값이 각각 1 초 동안 1.57 rad/s² 일 때를 worst-case로 가정하여 운동 상태를 해석하였다. 여기서는 작업을 하는 도중 singular에빠져서 모든 관절이 동시에 actuator가 낼 수 있는 최고 각가속도로 움직이는 상황을 worst-case로 가정하였다.
57 rad/s² 일 때를 worst-case로 가정하여 운동 상태를 해석하였다. 여기서는 작업을 하는 도중 singular에빠져서 모든 관절이 동시에 actuator가 낼 수 있는 최고 각가속도로 움직이는 상황을 worst-case로 가정하였다.
이 논문은 직렬형 머니퓰레이터의 분석된 관성 특성을 기반으로 토크를 최소화하는 최적화문제에 적용하여 로봇이 작업을 하기 위해 필요한 성능을 내기 위하여 에너지 효율을 향상시키기 위한 설계방법을 제안하였다. 첫 번째로, worst-case를 가정하였고, 목적함수는 로봇 작업에 필요한 전체 토크 값으로 정하였다. 두 번째로, O.

제안 방법

이번 장에서는 관성을 고려한 토크 최소화를 통해서 에너지 효율을 향상시키는 과정을 시뮬레이션에 의해서 보여준다. 3개의 회전 관절을 가지는 공간상의 3자유도 머니퓰레이터에 대해서 시뮬레이션 하였다. 이에 관련된 기구학적 구조(kinematic architecture)가 Fig.
3장에서 제시한 설계 알고리즘을 통해서 최적화를 수행하였다. 이 논문은 최적화 알고리즘의 효율성보다는 설계 최적화를 위한 정식화에 더 관심을 두고 있다.
첫 번째 단계에서는 초기 설계된 머니퓰레이터에 대한 동역학 모델을 통해서 관성행렬에 대한 분석이 이루어졌다. 두 번째 단계에서는 분석된 관성행렬을 바탕으로 정식화에 적용될 구속조건과 설계 파라미터들의 경계조건을 설정하였다. 세 번째 단계에서는 설정된 정식 화를 통해 최적화된 모델을 초기모델과 목적함수 및 보조지표를 통해 비교 분석하여 조건을 만족하면, 제안한 설계 알고리즘과정을 멈추고 그렇지 않다면 다시 반복하였다.
첫 번째로, worst-case를 가정하였고, 목적함수는 로봇 작업에 필요한 전체 토크 값으로 정하였다. 두 번째로, O. Ma와 J. Angeles[11]가 제시한 이상적인 관성행렬을 참조하여 최적화문제의 구속조건에 적용하였다. 세 번째로, 로봇이 작업에 필요한 성능을 내기 위하여 링크 관성의 크기 변화가 심하지 않도록 조건을 부여하였다.
그에 대한 결과는 Table 2에 표시하였고, 초기 모델과 최적화 모델을 비교하기 위한 보조지표 들의 값을 Table 3에 표시하였다. 또한, 직관적인 비교를 위하여 Fig. 6과 Fig. 7에 토크와 에너지에 대한 비교데이터를 그래프로 표현하였다.
Angeles[11]가 제시한 이상적인 관성행렬을 참조하여 최적화문제의 구속조건에 적용하였다. 세 번째로, 로봇이 작업에 필요한 성능을 내기 위하여 링크 관성의 크기 변화가 심하지 않도록 조건을 부여하였다. 위 내용들이 포함된 설계 알고리즘을 제안하였으며, 공간상에서 움직이는 3자유도 직렬 머니퓰레이터에 시뮬레이션 하였다.
시뮬레이션을 통해 머니퓰레이터의 운동 상태를 구하기 위하여 입력을 등각가속도로 설정하였으며, 관절의 위치와 각속도는 입력 각가속도의 적분을 통하여 구하도록 설정하였다. 각 관절의 각가속도의 입력 값이 각각 1 초 동안 1.
세 번째로, 로봇이 작업에 필요한 성능을 내기 위하여 링크 관성의 크기 변화가 심하지 않도록 조건을 부여하였다. 위 내용들이 포함된 설계 알고리즘을 제안하였으며, 공간상에서 움직이는 3자유도 직렬 머니퓰레이터에 시뮬레이션 하였다. 이를 통해, 에너지 효율이 향상됨을 보일 것이며, 제안한 방법은 n 자유도를 가지는 직렬형 머니퓰레이터에도 적용이 가능하다.
제안된 방법은 분석된 관성행렬을 기반으로 하여 총 토크의 크기를 감소시키는 것으로 머니퓰레이터를 설계하기 위한 요구사항들은 다음과 같다.
이 논문은 직렬 머니퓰레이터의 관성특성을 분석하고 이를 이용하여 토크를 최소화시키는 설계 파라미터를 찾아내어 에너지효율을 향상시키는 설계 방법론을 제안하였다. 첫 번째 단계에서는 초기 설계된 머니퓰레이터에 대한 동역학 모델을 통해서 관성행렬에 대한 분석이 이루어졌다. 두 번째 단계에서는 분석된 관성행렬을 바탕으로 정식화에 적용될 구속조건과 설계 파라미터들의 경계조건을 설정하였다.
최적화를 수행하기 위해 필요한 정식화를 정의하기 위해서 초기 머니퓰레이터에 대한 관성과 운동에너지에 대한 분석을 하였으며, 이에 대한 것을 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다.

데이터처리

세 번째 단계에서는 설정된 정식 화를 통해 최적화된 모델을 초기모델과 목적함수 및 보조지표를 통해 비교 분석하여 조건을 만족하면, 제안한 설계 알고리즘과정을 멈추고 그렇지 않다면 다시 반복하였다. 이 과정을 3자유도를 가지는 직렬 머니퓰레이터에 시뮬레이션 적용하였으며, 그 결과를 분석하였다. 목적 함수인 토크는 약 16.

이론/모형

이 논문은 최적화 알고리즘의 효율성보다는 설계 최적화를 위한 정식화에 더 관심을 두고 있다. 그리고 정의된 정식화는 비선형성이 강하고 변수가 많아 최적 값을 얻기 위한 수행 알고리즘으로 유전자 알고리즘을 사용하였다. 그에 대한 결과는 Table 2에 표시하였고, 초기 모델과 최적화 모델을 비교하기 위한 보조지표 들의 값을 Table 3에 표시하였다.
로봇의 운동방정식을 도출하기 위해 가장 많이 사용되는 방법은 2가지가 있다. 첫 번째 방법은 에너지 기반의 오일러-라그랑지 방법(Euler-Lagrange method)이며, 동적인 성질과 제어방식을 분석하는데 좋다. 두 번째 방법은 힘/토크 균형에 기반한 뉴튼-오일러 방법 (Newton-Euler method)이며, 제어방법을 구현하는데 좋고 계산속도가 빠르다.

성능/효과

6%가 감소되었 음을 확인하였다. 이런 결과를 통해서 이 방법론이 에너지효율을 향상시킬 수 있었음을 확인하였다. 또한, 이방법은 3자유도 뿐만 아니라 n자유도를 가지는 직렬 머니퓰레이터에도 적용이 가능하다.
위 내용들이 포함된 설계 알고리즘을 제안하였으며, 공간상에서 움직이는 3자유도 직렬 머니퓰레이터에 시뮬레이션 하였다. 이를 통해, 에너지 효율이 향상됨을 보일 것이며, 제안한 방법은 n 자유도를 가지는 직렬형 머니퓰레이터에도 적용이 가능하다.
제시한 설계 알고리즘을 통한 결과를 살펴보면 목적 함수인 토크와 보조지표인 관성, 에너지, 질량에 대한 값들이 초기 머니퓰레이터에 대한 성능보다 좋아졌음을 확인할 수 있다. 관성의 크기 변화를 나타내는 식(9)에 의한 값은 약 49.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직렬형 머니퓰레이터의 특징은?	로봇은 필요한 작업에 따라서 다양한 형태의 구조를 가지고 있다. 특히 직렬형 머니퓰레이터는 산업현장에서 가장 많이 쓰이고 있는 구조이며 물건이송, 조립, 용접 등 다양한 작업을 수행하기 위하여 그 형태가 다양해지고 있다. 최근에는 복잡한 작업도 가능한 여자유도를 가지는 양팔로봇이 활발하게 연구되고 있다.
	설계 파라미터들을 결정하기 위해 대부분의 설계자들은 경험에 의존하거나 다른 비슷한 제품의 분석을 통해서 진행할 경우 생기는 문제점은?	설계 파라미터들을 결정하기 위해 대부분의 설계자들은 경험에 의존하거나 다른 비슷한 제품의 분석을 통해서 진행하게 된다. 이런 방식은 여러 번의 시행착오와 시간과 비용이 발생하게 되는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 시뮬레이션을 통해서 로봇의 성능을 평가하고 향상시키기 위한 최적화문제로 접근하여 설계 파라미터를 결정하는 연구들이 진행되어 왔다 [3-7].
	로봇들은 요구되는 성능과 작업에 따라서 어떤 것이 결정되는가?	이러한 로봇들은 요구되는 성능과 작업에 따라서 관절의 구조, 링크의 길이/무게/관성 등의 설계 파라미터들이 결정된다. 그래서 로봇설계에 있어서 중요한 것 중에 하나가 로봇성능에 영향을 미치는 파라미터를 파악하는 것이다[1,2].

참고문헌 (14)

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P. Herman, "Dynamical coupling reduction for rigid manipulators using generalized velocity components," Mechanics Research Communications, vol. 35, no. 8, pp. 553-561, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.mechrescom.2008.06.005

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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