[논문]로봇 설치면 자세 변화에 대응 가능한 자중 보상 기반 안전 매니퓰레이터

도현민; 김휘수; 김두형; 최태용; 박동일; 손영수

doi:10.7735/ksmte.2016.25.6.511

로봇 설치면 자세 변화에 대응 가능한 자중 보상 기반 안전 매니퓰레이터
Safe Industrial Manipulator Based on a Counterbalancing Mechanism with Adaptation to the Posture Change of a Robot Base Plane 원문보기

한국생산제조학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.25 no.6, 2016년, pp.511 - 516

도현민 (Department of Robotics and Mechatronics, Korea Institute of Machinery and Materials) , 김휘수 (Department of Robotics and Mechatronics, Korea Institute of Machinery and Materials) , 김두형 (Department of Robotics and Mechatronics, Korea Institute of Machinery and Materials) , 최태용 (Department of Robotics and Mechatronics, Korea Institute of Machinery and Materials) , 박동일 (Department of Robotics and Mechatronics, Korea Institute of Machinery and Materials) , 손영수 (Department of Robotics and Mechatronics, Korea Institute of Machinery and Materials)

Abstract ▼ AI-Helper

Guaranteeing the safety of human workers around robots has become an important issue with the increasing demand for human-robot collaboration in industrial production lines. This study proposes a robot manipulator equipped with a counterbalancing mechanism that reduces the power of actuators required to drive the robot, thus keeping a human worker safer in a human-robot collaborative environment. A counterbalancing torque that exactly cancels out the gravitational torque in the proposed mechanism is generated by restoring the force of a spring in the counterbalancing mechanism. A prototype design and experimental results are presented to verify the effectiveness of the proposed method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 자중 보상 메커니즘을 로봇 매니퓰레이터에 도입함으로써 자중보상에 필요한 토크치에 해당하는 구동부 파워를 감소시킴으로써 인간 로봇 공존 환경에서 주변 작업자의 안전을 확보할수 있는 안전 매니퓰레이터를 제안하였다. 그리고 로봇의 설치면 자세가 변화할 때 자중 보상토크가 중력토크를 정확히 상쇄시키지 못하는 문제를 해결하기 위하여 설치면에 따른 중력보상 기준면을 제어하는 방법을 제안하고 검증하였다. 로봇의 안전성을 검증하기 위하여 클램핑 상황에서의 정적 충격력을 측정하여기존 대비상해 위험성을 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
본 논문은 자중 보상 기법, 특히 로봇의 설치면 자세 변화에 대응 가능한 자중보상기법을 적용하여 근원전인 안전성을 확보한 안전 매니퓰레이터를 제안하고, 로봇과의 협동 작업 시 발생 가능성이 높은 클램핑 상황에서의 충격력 측정을 통하여 설계한 로봇의 안전성을 검증하였다.
본 논문은 자중 보상 메커니즘을 로봇 매니퓰레이터에 도입함으로써 자중보상에 필요한 토크치에 해당하는 구동부 파워를 감소시킴으로써 인간 로봇 공존 환경에서 주변 작업자의 안전을 확보할수 있는 안전 매니퓰레이터를 제안하였다. 그리고 로봇의 설치면 자세가 변화할 때 자중 보상토크가 중력토크를 정확히 상쇄시키지 못하는 문제를 해결하기 위하여 설치면에 따른 중력보상 기준면을 제어하는 방법을 제안하고 검증하였다.
1(b)와 같이 중력토크가 보상토크에 의하여 상쇄되지만, 베이스 설치면의 각도가 변화하는 경우는 그에 따라서 중력 방향이 변하기 때문에 기 계산된 보상토크가 중력토크를 완전히 상쇄시키지 못한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 설치면의 각도를 측정할수 있는 기울기 센서를 부착하여 이에 대응되는 보상토크를 생성할 수 있는 시스템을 제안하고 있다. 즉, 설치면의 각도가 변하더라도 항상 중력토크를 상쇄시킬 수 있는 보상토크가 생성된다.

가설 설정

이상의 비교 실험에서 로봇 설치면의 기울기가 변화할 경우 제안한 방법의 유효성을 검증할 수 있었다. 자중 보상 기준면이 설치면 각도에 대응하여 변화하게 되면 로봇의 자중 보상 효과 및 로봇의 제어 성능은 설치면이 수평인 경우와 동일하므로 설치면이 고정되어 있는 경우를 가정하여 이후 내용을 기술하겠다.

제안 방법

충돌시 동적 임팩트의 효과를 배제하고 클램핑 상황에서의 최대 정적 충격력을 측정하기 위하여 힘 센서를 로봇 말단의 움직임 경로 중간에 위치시켜 힘 센서를 최대 토크로 누르도록 실험을 설정 하였다. 구체적으로 조인트 위치가 90도에서 95도까지 움직이도록 하고, 힘 센서와 92도 정도의 위치에서 충돌하도록 하였다. 즉, 힘 센서가 물리적으로 매니퓰레이터의 움직임을 막고 있으므로 최대 힘으로 센서를 누르게 된다.
5초 이후 조인트 위치가 급격하게 변하는 부분이 구동기의 토크입력이 포화되는 시점이다. 두 번째로 자중 보상 기준면의 능동적 제어가 이루어지는 경우에 대하여 동일한 실험을 수행하였다. 이 경우는 로봇의 베이스 설치면 각도 변화와 무관하게 항상 자중 보상이 정확하게 이루어지므로 조인트 위치 변화가 발생하지 않았고, 따라서 위치 명령 추종을 위한 토크가 인가되지 않았다.
본 논문에서 제안한 자중 보상 메커니즘 기반 매니퓰레이터의 성능을 검증하기 위하여 Fig. 5에서 제시한 1자유도 자중 보상 매니퓰레이터를 구현하였다. 로봇팔의 질량은 5.
1 N/mm이다. 우선 자중 보상 효과를 비교하기 위하여 자중 보상 메커니즘이 적용되어 보상토크가 인가되는 경우와 미적용된 경우, 로봇 팔을 들어 올리는데 필요한 힘을 용수철 저울을 사용하여 측정하였다. 자중 보상 메커니즘이 적용된 경우는 초기 마찰력을 극복하기 위한 힘만 필요하므로 5 N의 힘만으로 들어 올릴 수 있었지만, 자중 보상 메커니즘이 적용되지 않은 경우에는 32 N의 힘이 필요하였다.
인간과 로봇의 충돌 시 안전 확보를 위한 제안한 자중 보상메커니즘을 탑재한 로봇 매니퓰레이터의 유효함을 분석하기 위하여 충돌 시 발생하는 클램핑 힘에 대한 분석을 수행하였다. 클램핑은 인간의 신체 일부가 로봇의 말단 또는 말단에 부착된 툴에 의하여 눌리는 경우로 인간과 로봇의 협동 작업 시 발생 가능성이 높은 경우이다.
제안한 방법의 타당성을 검증하기 위하여 로봇의 설치면 변화에 따라 자중 보상 기준면의 변화가 가능한 경우와 자중 보상 기준면이 고정된 경우에 대한 비교 실험을 진행하였다. Fig.
첫 번째 실험은 자중 보상 기준면이 고정된 경우에 대하여 진행하였다. 베이스 설치면의 각도가 변화함에 따라서 자중 보상이 정확하게 이루어지지 않아서 조인트 위치가 변하게 되고, 주어진 위치명령(조인트의 초기 위치)을 추종하기 위하여 토크가 증가하는 것을 확인할수 있었다.
충돌시 동적 임팩트의 효과를 배제하고 클램핑 상황에서의 최대 정적 충격력을 측정하기 위하여 힘 센서를 로봇 말단의 움직임 경로 중간에 위치시켜 힘 센서를 최대 토크로 누르도록 실험을 설정 하였다. 구체적으로 조인트 위치가 90도에서 95도까지 움직이도록 하고, 힘 센서와 92도 정도의 위치에서 충돌하도록 하였다.

대상 데이터

5에서 제시한 1자유도 자중 보상 매니퓰레이터를 구현하였다. 로봇팔의 질량은 5.8 kg, 길이는 565 mm이고, 자중 보상을 위하여 선정한 스프링의 스프링 상수는 k = 11.1 N/mm이다. 우선 자중 보상 효과를 비교하기 위하여 자중 보상 메커니즘이 적용되어 보상토크가 인가되는 경우와 미적용된 경우, 로봇 팔을 들어 올리는데 필요한 힘을 용수철 저울을 사용하여 측정하였다.

데이터처리

다음으로구동 토크측면에서 제안한 자중 보상메커니즘의 유효성을 입증하기 위한 비교 실험을 진행하였다. 제어 알고리즘은 기본적인 피드백 제어기 외에 추가로 스프링 요소 등으로 인한 진동 요소를 막기 위한 피드포워드 제어 알고리즘을 동시에 사용하였다.
제안한 메커니즘의 유효성을 확인하기 위하여 비교 실험을 수행 하였다. 동일한 매니퓰레이터에 제안한 자중 보상 메커니즘이 적용된 경우와 적용되지 않은 경우의 정적 충격력을 비교하였다. 제안한 방법을 적용한 경우는 클램핑힘이 27 N, 적용하지 않은 경우는 클램핑 힘이 107 N으로 측정되었다.
제안한 메커니즘의 유효성을 확인하기 위하여 비교 실험을 수행 하였다. 동일한 매니퓰레이터에 제안한 자중 보상 메커니즘이 적용된 경우와 적용되지 않은 경우의 정적 충격력을 비교하였다.

이론/모형

9와 같은 실험 장치를 구성하였다. 우선 로봇 매니퓰레이터가 누르는 힘을 측정하기 위하여 지면에 수직 방향으로 힘 센서를 부착하였는데, 힘 센서는 ATI사의 Mini58 모델^[9]을 사용하였다. 또한 로봇 매니퓰레이터의 말단에는 충격력을 센서로 전달하기 위한 임팩터를 부착하였는데 반발계수가 1에 가까운 당구공을 사용하였다.
다음으로구동 토크측면에서 제안한 자중 보상메커니즘의 유효성을 입증하기 위한 비교 실험을 진행하였다. 제어 알고리즘은 기본적인 피드백 제어기 외에 추가로 스프링 요소 등으로 인한 진동 요소를 막기 위한 피드포워드 제어 알고리즘을 동시에 사용하였다. 추종해야 할 기준궤적으로는 식 (4)의 사인 궤적을 사용하였다.

성능/효과

본 논문은 자중 보상 기법, 특히 로봇의 설치면 자세 변화에 대응 가능한 자중보상기법을 적용하여 근원전인 안전성을 확보한 안전 매니퓰레이터를 제안하고, 로봇과의 협동 작업 시 발생 가능성이 높은 클램핑 상황에서의 충격력 측정을 통하여 설계한 로봇의 안전성을 검증하였다. 또한 로봇의 설치면 변화에도 로봇의 자중 보상이 적절히 이루어지고 있음을 제시하였다.
그리고 로봇의 설치면 자세가 변화할 때 자중 보상토크가 중력토크를 정확히 상쇄시키지 못하는 문제를 해결하기 위하여 설치면에 따른 중력보상 기준면을 제어하는 방법을 제안하고 검증하였다. 로봇의 안전성을 검증하기 위하여 클램핑 상황에서의 정적 충격력을 측정하여기존 대비상해 위험성을 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 향후 본 논문에서 제안한 1자유도 매니퓰레이터에 대한 자중 보상 메커니즘을 다자유도로 확장하고, 확장된 메커니즘에서도 클램핑 힘 측면에서 안전성의 유효함을 확인하고자 한다.
첫 번째 실험은 자중 보상 기준면이 고정된 경우에 대하여 진행하였다. 베이스 설치면의 각도가 변화함에 따라서 자중 보상이 정확하게 이루어지지 않아서 조인트 위치가 변하게 되고, 주어진 위치명령(조인트의 초기 위치)을 추종하기 위하여 토크가 증가하는 것을 확인할수 있었다. 즉, 자중 보상이 정확하게 이루어지지 않아서 자중지지를 위한 추가적인 보상토크가 요구되고 이것이 로봇의 구동부 부하로 작용하는 것이다.
10은 측정 결과를 보여주고 있다. 이 실험에서는 부하를 고려하지 않고 있는데, 가반질량 5 kg을 고려할 경우 부하 무게에 의한 정하중 증가분 약 50 N, 그리고 부하를 핸들링하기 위한 모터 토크 용량 증가분에 따른 정하중 증가분 약 70 N을 고려할경우, 상기측정치에서 약120 N이 증가하게 되고, 이를 고려하더라도 총 클랭핑 힘은 150 N 이하임을 확인할 수 있다.
8에 기울기 센서값 변화와 조인트 위치 및 토크 궤적 데이터를 제시하고 있다. 이상의 비교 실험에서 로봇 설치면의 기울기가 변화할 경우 제안한 방법의 유효성을 검증할 수 있었다. 자중 보상 기준면이 설치면 각도에 대응하여 변화하게 되면 로봇의 자중 보상 효과 및 로봇의 제어 성능은 설치면이 수평인 경우와 동일하므로 설치면이 고정되어 있는 경우를 가정하여 이후 내용을 기술하겠다.
이는 자중 보상 메커니즘을 적용할 경우 보상토크가 메커니즘에 의하여 생성되므로 모터의 구동토크가 낮아지기 때문이다. 이상의 실험 결과에서 제안한 자중 보상 메커니즘의 유효성을 입증할 수 있었다.
동일한 매니퓰레이터에 제안한 자중 보상 메커니즘이 적용된 경우와 적용되지 않은 경우의 정적 충격력을 비교하였다. 제안한 방법을 적용한 경우는 클램핑힘이 27 N, 적용하지 않은 경우는 클램핑 힘이 107 N으로 측정되었다. 즉, 제안한 방법을 적용한 경우 클램핑 상황에서의 정적 충격력이 현저하게 감소됨을 확인할수 있었다.
제안한 방법을 적용한 경우는 클램핑힘이 27 N, 적용하지 않은 경우는 클램핑 힘이 107 N으로 측정되었다. 즉, 제안한 방법을 적용한 경우 클램핑 상황에서의 정적 충격력이 현저하게 감소됨을 확인할수 있었다. Fig.

후속연구

로봇의 안전성을 검증하기 위하여 클램핑 상황에서의 정적 충격력을 측정하여기존 대비상해 위험성을 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 향후 본 논문에서 제안한 1자유도 매니퓰레이터에 대한 자중 보상 메커니즘을 다자유도로 확장하고, 확장된 메커니즘에서도 클램핑 힘 측면에서 안전성의 유효함을 확인하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형 전자제품 분야에 로봇이 필요한 이유는 무엇인가?	기존의 자동차 산업 등 대량 생산 시스템에서 요구되던 생산 자동화의수요는최근들어짧은모델교체주기및혼류생산이요구되는 소형 전자제품 분야로 확대되고 있다. 이러한 소형 전자제품 분야는 다품종 소량 생산이 요구되기 때문에 자동화 장치만으로는 다품종에 대응하기 위한 유연성이 부족하기 때문에 로봇이 반드시 필요한 요소이다[1-3]. 하지만 소형 부품의 핸들링 및 정밀한 조립작업 등이 요구되는 소형 전자제품의 특성상, 로봇만으로 생산 작업을 수행하기에는 아직 로봇 기술이 부족한 부분이 있다.
	인간과 로봇이 작업공간을 공유하는데 있어서 가장 중요한것은 무엇인가?	인간과 로봇이 작업공간을 공유하는 데 있어서 가장 중요하고 반드시 해결해야 할 문제가 작업자의 안전 문제이다. 기존의 로봇 생산 시스템에서는 로봇을 안전 펜스로 분리하여 안전을 확보하였지만 동일 셀 내에서 인간과 로봇이 함께 작업하기 위해서는 로봇의 안전기능이 필수적이다.
	로봇만으로 생산 작업을 수행하기에는 아직 로봇 기술이 부족한 부분이 있기에 적합한 방법은 무엇인가?	하지만 소형 부품의 핸들링 및 정밀한 조립작업 등이 요구되는 소형 전자제품의 특성상, 로봇만으로 생산 작업을 수행하기에는 아직 로봇 기술이 부족한 부분이 있다. 따라서 동일셀 내에서 로봇과 사람 작업자가 작업을 분담하여 수행하는 것이 적합한 방법이라고 할 수 있고, 이러한 인간-로봇공존생산에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다[4].

참고문헌 (9)

Bogdan, S., Lewis, F.L., Kovacic, Z., Gurel, A., 2002, An implementation of the Matrix-based Supervisory Controller of Flexible Manufacturing Systems, IEEE Tran. Control System Technology, 10:5 709-716.

상세보기
Moore, K.W., Newman, R., Chan, G., Leech, C., Allison, K., Coulson, J., Simpson, P.B., 2007, Implementation of a High Specification Dual-arm Robotic Platform to Meet Flexible Screening Needs, Journal of the Association for Laboratory Automation, 12:2 115-123.

상세보기
Do, H. M., Choi, T.-Y., Kyung, J. H., 2016, Automation of Cell Production System for Cellular Phones using Dual-arm Robots, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 83 1349-1360.

상세보기
Park, C. H., Kyung, J. H., Park, D. I., Gweon, D.-G., 2010, Direct Teaching Algorithm for a Manipulator in a Constraint Condition using the Teaching Force Shaping Method, Advanced Robotics, 24 1365-1384.

상세보기
Universal Robots, viewed 10 Oct. 2016, .
Park, J.-J., Song, J.-B., 2010, A Nonlinear Stiffness Safe Joint Mechanism Design for Human Robot Interaction, ASME Journal of Mechanical Design 132:6 0610051-0610058.
ISO 10218-1:2006, viewed 10 Oct. 2016, .
Kim, H.-S., Song, J.-B., 2014, Multi-dof Counterbalance Mechanism for a Service Robot Arm, IEEE/ASME Transactions of Mechatronics, 19:6 1756-1763.

상세보기
ATI F/T Sensor: Mini58, viewed 10 Oct. 2016, .

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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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