[논문]기계식 중력보상 기반의 중량물 취급용 5자유도 로봇 머니퓰레이터의 개발

송승우; 송재복

doi:10.7746/jkros.2016.11.4.242

기계식 중력보상 기반의 중량물 취급용 5자유도 로봇 머니퓰레이터의 개발
Development of a 5 DOF Manipulator for Weight Handling based on Counterbalance Mechanism 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.11 no.4, 2016년, pp.242 - 247

송승우 (Mechanical Engineering, Korea University) , 송재복 (Mechanical Engineering, Korea University)

Abstract ▼ AI-Helper

A robot manipulator handling a heavy weight requires high-capacity motors and speed reducers, which increases the cost of a robot and the risk of injury when a human worker is in collaboration with a robot. To cope with this problem, we propose a collaborative manipulator equipped with a counterbalance mechanism which compensates mechanically for a gravitational torque due to the robot mass. The prototype of the manipulator was designed on the basis of a four-bar linkage structure which contains active and passive pitch joints. Experimental performance evaluation shows that the proposed robot works effectively as a collaborative robot.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 기계식 중력보상 장치를 사용하여 로봇의 자중에 의한 중력토크를 모터의 도움 없이 완전히 상쇄할 수 있으며, 안전한 협업이 가능한 중력보상 로봇을 개발하였다.
본 연구에서는 로봇 자중으로 인해 피치관절에 작용하는 중력토크를 완전히 상쇄할 수 있는 중력보상 장치를 갖추어 자체 동력이 매우 낮은 중량물 취급로봇을 개발하였다. 개발된 로봇은 로봇의 1축링크에 위치한 중력보상 장치로 인해 기구의 복잡성과 부피가 다소 증가하지만, 구동에 필요한 에너지를 대폭 절감되어 단가 및 운용비용을 낮추면서 중력 방향에 대한 충돌 안전성 또한 향상시켰다.
이때 τ_r은 중력토크 τ_g와 보상토크 τ_c의 차로써 실제 관절에 인가되는 토크를 의미한다. 본 연구에서는 산업용 협업로봇에 이와 같은 기어 기반의 중력보상 메커니즘에 기초한 중력보상 관절을 설계하였다.
본 연구에서는 앞서 설명한 중력보상 메커니즘을 기반으로 저용량 모터로도 중량물 핸들링이 가능한 로봇을 개발하였다. 개발된 로봇은 모듈형 중력보상 장치를 포함하며, 중력보상 관절은 평행 4절링크 구조와 연동된다.
개발된 로봇은 모듈형 중력보상 장치를 포함하며, 중력보상 관절은 평행 4절링크 구조와 연동된다. 본 절에서는 로봇의 사양과 더불어 중력보상과 관련한 링크 구조 및 관절 설계에 대해 서술한다.

가설 설정

이때 m2의 무게중심은 J2와 J3을 잇는 직선 상에 위치하는 것으로 가정하였고, 이때 J2에 작용하는 중력토크 τg는 식 (5)와 같다.

제안 방법

5개의 능동관절과 1개의 종속관절로 구성된 5자유도 중력보상 로봇은 중력보상 장치가 효율적으로 작동할 수 있는 관절 구조를 지니며, 1개의 중력보상 장치를 탑재하면서도 넓은 작업반경을 확보하였다. 중력보상 장치로 인한 관절토크 및 모터 용량의 감소 효과는 개발된 로봇 시제품의 실험을 통해 검증되었으며, 이는 모터의 에너지 절감으로 이어져 로봇의 단가 및 운용 비용을 낮출 수 있다.
제작된 로봇은 무게 및 강성을 고려하여 알루미늄 합금(AL6061-T6)으로 제작되었으며, 링크 1의 우측 면에는 중력보상을 위한 스프링 모듈이 장착되어 로봇의 위치 및 자세에 관계 없이 항상 자중에 의한 영향을 완전히 보상한다. 개발된 시제품은 부가적으로 타이어의 파지 및 이송이 가능한 그리퍼가 장착되었으며, 팔 내부의 중공형 관절 구조를 통해 모터 및 각종 장치의 배선이 내부로 지나갈 수 있도록 하였다.
개발된 로봇은 로봇의 1축링크에 위치한 중력보상 장치로 인해 기구의 복잡성과 부피가 다소 증가하지만, 구동에 필요한 에너지를 대폭 절감되어 단가 및 운용비용을 낮추면서 중력 방향에 대한 충돌 안전성 또한 향상시켰다. 또한 본 연구에서는 제안한 로봇의 시제품 제작 및 실험을 통해 관절 토크 및 모터 용량의 감소 효과를 검증하였다.
본 연구에서 개발된 중력보상 로봇은 기존의 무게추 및 와이어 타입의 장치에 비해 내구성 및 신뢰성이 높아 중량물 취급로봇의 환경에 적합한 기어 기반의 중력보상 메커니즘을 통해 기구 자중에 의해 발생되는 중력토크를 완전히 상쇄한다. 본 연구에서 개발한 중력보상 메커니즘은 링크와 기어 유닛, 롤러와 압축스프링 등으로 구성되며, Fig.
본 연구에서 개발된 중력보상 로봇은 기존의 무게추 및 와이어 타입의 장치에 비해 내구성 및 신뢰성이 높아 중량물 취급로봇의 환경에 적합한 기어 기반의 중력보상 메커니즘을 통해 기구 자중에 의해 발생되는 중력토크를 완전히 상쇄한다. 본 연구에서 개발한 중력보상 메커니즘은 링크와 기어 유닛, 롤러와 압축스프링 등으로 구성되며, Fig. 2는 중력보상 메커니즘의 구성 및 원리를 나타낸 것이다.
본 연구에서는 개발된 중력보상 로봇 시제품의 실험을 통해 중력보상 장치로 인한 토크 상쇄효과를 정량적으로 검증하였다. 시제품은 관절 2에 연동된 모터 및 중력보상 장치의 작용으로 로봇의 상하 운동에 대한 동력을 제공하므로, Fig.
본 연구에서는 압축코일 스프링 6개를 병렬로 구성하여, Fig. 6과 같이 중력보상 장치의 강성 k=156.5 N/mm, 롤러 위치 R=71.6 mm로 설정하여 로봇 자중에 의한 중력토크를 완전히 상쇄시킬 수 있는 중력보상 장치를 설계하였다. 이에 따라 Fig.
본 연구에서는 앞서 설명한 사양 및 해석 결과를 토대로 Fig. 9와 같이 협업용 중력보상 로봇 시제품을 제작하였다. 제작된 로봇은 무게 및 강성을 고려하여 알루미늄 합금(AL6061-T6)으로 제작되었으며, 링크 1의 우측 면에는 중력보상을 위한 스프링 모듈이 장착되어 로봇의 위치 및 자세에 관계 없이 항상 자중에 의한 영향을 완전히 보상한다.
시제품은 관절 2에 연동된 모터 및 중력보상 장치의 작용으로 로봇의 상하 운동에 대한 동력을 제공하므로, Fig. 10과 같이 별도의 무게를 인가하지 않은 상태에서 관절 2를 90°에서 45°까지 회전하는 동작에 대하여 최고 속도 30°/s, 가감속 시간 0.5 sec의 조건에서 관절 2의 모터토크를 측정하였다.
6 mm로 설정하여 로봇 자중에 의한 중력토크를 완전히 상쇄시킬 수 있는 중력보상 장치를 설계하였다. 이에 따라 Fig. 7과 같이 중력보상 장치를 피치관절 J2에 구현하였으며, 또한 중력보상 장치를 구성하는 스프링 및 LM 가이드 등 소모성 기구요소들을 외측에 위치하는 모듈로 설계하여 장기간 로봇 구동에 따른 유지보수성도 고려하였다.
이와 같이 중력토크를 상쇄하면 피치 관절에 한하여 기존의 성능을 유지하면서도 저용량 구동이 가능하게 된다. 이와 같은 중력토크 상쇄를 위해 이전의 연구에서 기어 기반의 중력보상 메커니즘^[6]을 개발하였으며, 이를 로봇에 적용하여 저전력 구동이 가능한 협업용 중력보상 로봇을 개발하였다.
5 sec의 조건에서 관절 2의 모터토크를 측정하였다. 일반적으로 모터의 출력 토크는 모터전류에 비례하며, 본 실험에서는 모터 드라이버의 아날로그 전류정보를 수집한 뒤 토크상수를 고려하여 이를 출력토크로 환산함으로써, 실제 모터 출력토크를 측정하였다. 실험은 중력보상 장치의 유무에 따라 각각 수행되었으며, 측정된 모터의 출력토크는 Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 앞서 설명한 중력보상 메커니즘을 기반으로 저용량 모터로도 중량물 핸들링이 가능한 로봇을 개발하였다. 개발된 로봇은 모듈형 중력보상 장치를 포함하며, 중력보상 관절은 평행 4절링크 구조와 연동된다. 본 절에서는 로봇의 사양과 더불어 중력보상과 관련한 링크 구조 및 관절 설계에 대해 서술한다.
개발된 로봇은 천장 고정형으로 가반하중 20 kg, 관절별 최대 동력은 200 W로 구성된다. 또한 기구적으로 5개의 능동관절과 1개의 종속관절(J3)로 구성되며 모두 회전관절이다.
9와 같이 협업용 중력보상 로봇 시제품을 제작하였다. 제작된 로봇은 무게 및 강성을 고려하여 알루미늄 합금(AL6061-T6)으로 제작되었으며, 링크 1의 우측 면에는 중력보상을 위한 스프링 모듈이 장착되어 로봇의 위치 및 자세에 관계 없이 항상 자중에 의한 영향을 완전히 보상한다. 개발된 시제품은 부가적으로 타이어의 파지 및 이송이 가능한 그리퍼가 장착되었으며, 팔 내부의 중공형 관절 구조를 통해 모터 및 각종 장치의 배선이 내부로 지나갈 수 있도록 하였다.

성능/효과

본 연구에서는 로봇 자중으로 인해 피치관절에 작용하는 중력토크를 완전히 상쇄할 수 있는 중력보상 장치를 갖추어 자체 동력이 매우 낮은 중량물 취급로봇을 개발하였다. 개발된 로봇은 로봇의 1축링크에 위치한 중력보상 장치로 인해 기구의 복잡성과 부피가 다소 증가하지만, 구동에 필요한 에너지를 대폭 절감되어 단가 및 운용비용을 낮추면서 중력 방향에 대한 충돌 안전성 또한 향상시켰다. 또한 본 연구에서는 제안한 로봇의 시제품 제작 및 실험을 통해 관절 토크 및 모터 용량의 감소 효과를 검증하였다.
52 Nm의 출력토크가 발생한 것을 확인하였다. 따라서 관절 2에서 중력보상 장치를 통해 219.14 Nm의 토크가 상쇄되었으며, 결과적으로 50.4%의 토크 절감 효과를 확인할 수 있다. 이는 감속기를 포함한 기구 마찰토크가 반영된 결과이다.
5개의 능동관절과 1개의 종속관절로 구성된 5자유도 중력보상 로봇은 중력보상 장치가 효율적으로 작동할 수 있는 관절 구조를 지니며, 1개의 중력보상 장치를 탑재하면서도 넓은 작업반경을 확보하였다. 중력보상 장치로 인한 관절토크 및 모터 용량의 감소 효과는 개발된 로봇 시제품의 실험을 통해 검증되었으며, 이는 모터의 에너지 절감으로 이어져 로봇의 단가 및 운용 비용을 낮출 수 있다. 또한 저용량 모터의 사용으로 협업 시의 충돌 안전성 향상에도 기여할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	협업용 로봇에 고용량의 모터 및 감속기의 사용이 필수적인 이유는 무엇인가?	작업자와 동일한 작업공간에서 운용되는 로봇은 협업의 특성상 비교적 저속으로 구동된다. 이에 따라 협업용 로봇은 기존의 산업용 로봇에 비해 일반적으로 낮은 용량의 모터 및 감속기를 필요로 하지만, 20 kg 이상의 중량물을 취급하는 고부하 환경에서는 자중과 더불어 작업물에 의한 중력토크가 상당하므로 고용량의 모터 및 감속기의 사용이 필수적이다. 이러한 고용량의 동력 시스템은 로봇의 단가 및 운용비를 증가시키는 주된 요인이며, 제어 오류 및 작업자의 부주의로 인한 충돌 발생 시에 상해 위험성을 높이기도 한다.
	중량물 취급용 로봇에 고용량의 모터가 필요한 이유는 무엇인가?	중량물 취급용 로봇은 그 자체로 높은 자중과 넓은 작업 범위를 가지게 되므로, 이러한 성능을 확보하기 위해서는 고용량의 모터가 필요하다. 따라서 목표 작업성능을 유지하면서 동시에 저용량 모터로 작업이 가능 하려면, 로봇의 구동 시 관절의 필요토크를 일부 상쇄함으로써 모터의 필요 전력을 낮출 수 있는 별도의 기계적 장치가 필요하다.
	고용량의 동력 시스템이 가지는 문제점을 해결하기 위해 어떤 연구가 진행되어 왔는가?	이러한 고용량의 동력 시스템은 로봇의 단가 및 운용비를 증가시키는 주된 요인이며, 제어 오류 및 작업자의 부주의로 인한 충돌 발생 시에 상해 위험성을 높이기도 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 기구 자중에 의한 중력토크를 별도의 액츄에이터 없이 기계장치로만 상쇄시켜 모터의 용량을 낮출 수 있는 중력보상 메커니즘에 대한 연구들이 진행되어 왔다[3-7].

참고문헌 (7)

J. Fryman, and B. Matthias. "Safety of industrial robots: From conventional to collaborative applications," 7th German Conf. on Robotics, ROBOTIK, 2012, pp.1-5.
VDMA position-paper, "Safety in Human-Robot Collaboration," http://rua.vdma.org/en/article/-/article view /4217015
N. Takesue, T. Ikematsu, H. Murayama and H. Fujimoto, "Design and Prototype of Variable Gravity Compensation Mechanism (VGCM)," Journal of Robotics and Mechatronics, 2011, vol.23, no.2, pp.249-257.

상세보기
H.S. Kim, and J.B. Song. "Low-cost robot arm with 3-DOF counterbalance mechanism," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 2013, pp.4168-4173.
M.A. Lacasse, G. Lachance, J. Boisclair, J. Ouellet, and C. Gosselin, "On the design of a statically balanced serial robot using remote counterweights," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 2013, pp.4174-4179.
I. H. Kang, H. S. Kim, J. B. Song, "Counterbalance Mechanism based on Gears and Rollers," KSME Spring Conf. on Dynamics and Control, 2013, pp.174-175
J.T. Seo, J.H. Woo, H.Lim, and B.J. Yi, "Design of a new counter-balancing stackable mechanism," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 2014, pp.2372-2377.

저자의 다른 논문 :

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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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