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문제 정의
- 또한 원격 조종을 위해 로봇팔 말단에 카메라를 설치하고 카메라의 동작반경을 극대화하기 위한 구조로 설계되었다. 또한 조명을 설치하여 효과적으로 주변환경 정보 획득 및 생존자 탐색을 목적으로 설계하였다. 구조 작업용 로봇팔은 전방의 이동을 방해하는 장애물을 파쇄 또는 극복하기 위한 목적으로 사용되는 작업용 로봇에 부착된다.
- 본 논문에서는 화재나 홍수로 인하여 침수된 지역에서 탐사 및 구조 작업을 수행할 수 있는 방수형 4축 로봇팔을 설계하고 이의 기구학 및 동역학 해석을 수행하였다. 탐색용 로봇팔은 Pitch – Pitch – Pitch – Yaw의 4축 구조로 설계하고 최대 10m의 수심에도 방수가 가능한 구조로 설계하였다.
- 본 연구에서는 임무 목적에 따라 탐사용 로봇팔과 구조 작업용 로봇팔을 개발하였다. 탐사용 로봇팔은 화재나 홍수로 침수된 지역에서도 재난환경 조사가 가능한 탐사용 로봇에 부착되어 사용되는 목적으로 개발되었다.
- 본 연구에서는 임무 목적에 따라 탐사용 로봇팔과 구조 작업용 로봇팔을 개발하였다. 탐사용 로봇팔은 화재나 홍수로 침수된 지역에서도 재난환경 조사가 가능한 탐사용 로봇에 부착되어 사용되는 목적으로 개발되었다. 따라서 각 구동부는 수심 10m에서도 방수가 가능하도록 3중 수밀 방식을 적용하였다.
제안 방법
- 4축 탐사용 로봇팔에 대한 기구학적 해석을 수행하였다. D-H (Denavit-Hartenberg) 규약을 사용하여 그림 4와 같은 좌표계를 설정하였다.
- 각 관절의 각도 변위는 2축의 경우 수직 기준으로 전방 10°~ 후방 90°이며, 3축은 2축의 구조적 제한으로 40°를 움직일 수 있도록 설계하였다.
- 이를 위해 중량의 작업공구를 지지 가능하며 작업 높이와 공구의 진입 각도를 조작이 가능한 기구부로 구성되었다. 개발된 로봇팔들의 공통적인 특징은 재난 환경을 고려하여 구동기의 모듈화 설계를 수행하여 유지보수가 쉽고 고장시 신속히 교체가 가능하도록 설계되었다. 또 구동기의 케이블이나 센서 신호 케이블들을 내장하여 외부로부터 보호하도록 내장 설계를 수행하였다.
- 탐색용 로봇팔은 Pitch – Pitch – Pitch – Yaw의 4축 구조로 설계하고 최대 10m의 수심에도 방수가 가능한 구조로 설계하였다. 구조 작업용 로봇팔은 10kg의 작업용 공구하중을 지지할 수 있는 Yaw-Pitch-Pitch-Roll 구조로 설계되었고, 외부의 물 유입을 방지할 수 있는 구조로 제작되었다. 설계한 로봇을 D-H 좌표계를 설정하여 기구학 해석 및 역기구학 해석을 수행하였다.
- 그림 12와 같이 구조 작업용 로봇팔을 임시 지지대에 거치 후 10kg의 작업공구를 말단에 위치시킨 후 구동 테스트를 실시하였다. 목표 가반하중을 부착하고 작업공구를 원하는 지점까지 원활하게 이동이 가능했으며 일련의 프로세스를 자동으로 반복하게 하여 조립완성도와 작동 신뢰도를 확인하였다.
- 그림 8과 같이 탐색용 로봇팔과 주행 플롯폼을 결합하여 말단장치가 주어진 궤적을 추종하는 테스트를 실시하였다. 그림 9와 같이 말단장치의 초기 위치(0mm, 550mm)에서 목표 위치(100mm, 550mm)까지 주어진 경로를 따라 이동하는 테스트를 실시하였다.
- 그림 8과 같이 탐색용 로봇팔과 주행 플롯폼을 결합하여 말단장치가 주어진 궤적을 추종하는 테스트를 실시하였다. 그림 9와 같이 말단장치의 초기 위치(0mm, 550mm)에서 목표 위치(100mm, 550mm)까지 주어진 경로를 따라 이동하는 테스트를 실시하였다. 그 결과 그림 10과 같이 3개의 피치관절이 주어진 경로를 만족하기 위해 역기구학 해석결과에 따라 동작하는 것을 확인할 수 있었으며, 말단장치 위치 오차는 최대 0.
- 뉴턴-오일러 방법에 의해 유도한 로봇의 운동방정식은 식 (23)과 같으나 본 연구에서는 일반 로봇과 달리 수중에서 동작가능 하도록 메커니컬 실을 이용한 방수기능을 더하였다. 이 메커니컬 실은 스프링의 면압에 의해 외부의 물이 모터 및 전자장치가 설치된 로봇 링크 내부로 유입되는 것을 방지하는 것으로 로봇관절의 동작에 마찰력을 일으키므로 이를 고려하여야 한다.
- 탐사용 로봇팔은 화재나 홍수로 침수된 지역에서도 재난환경 조사가 가능한 탐사용 로봇에 부착되어 사용되는 목적으로 개발되었다. 따라서 각 구동부는 수심 10m에서도 방수가 가능하도록 3중 수밀 방식을 적용하였다. 또한 원격 조종을 위해 로봇팔 말단에 카메라를 설치하고 카메라의 동작반경을 극대화하기 위한 구조로 설계되었다.
- 개발된 로봇팔들의 공통적인 특징은 재난 환경을 고려하여 구동기의 모듈화 설계를 수행하여 유지보수가 쉽고 고장시 신속히 교체가 가능하도록 설계되었다. 또 구동기의 케이블이나 센서 신호 케이블들을 내장하여 외부로부터 보호하도록 내장 설계를 수행하였다.
- 목표 가반하중을 부착하고 작업공구를 원하는 지점까지 원활하게 이동이 가능했으며 일련의 프로세스를 자동으로 반복하게 하여 조립완성도와 작동 신뢰도를 확인하였다. 또 그림 13과 같이 주행 플랫폼과 구조 작업용 로봇팔을 결합하여 플랫폼-로봇팔간의 통신 상태와 협조 체계를 확인하였다.
- 탐사용 로봇팔의 외형 크기는 길이 540mm, 높이 240mm, 폭 225mm로 설계하고 제작되었다. 또한 그림 2와 같이 수심 10m에서의 방수 성능을 만족하기 위하여 각 관절 구동기 내부에는 최소 1bar의 내압성능을 위해 3중 O-ring 형태의 방수 구조를 가지도록 설계하였다.
- 또한 그림 6과 같이 외부로부터 분사되는 물로부터 모터와 제어보드를 보호하기 위하여 각 관절 구동기 내부에는 O-ring 과 Oil Seal을 사용하여 방수가 가능토록 하였다.
- 1~3축의 Pitch 모션을 통해 카메라 전개 높이와 상하 시야 확보가 가능하고, 4축의 Yaw모션을 통해 카메라 좌우 시야 확보가 가능한 구조이다. 또한 로봇 팔을 전개하지 않을 때도 전방 시야 확보가 용이하도록 카메라 관절 링크를 구성하였다. 탐사용 로봇팔의 외형 크기는 길이 540mm, 높이 240mm, 폭 225mm로 설계하고 제작되었다.
- 따라서 각 구동부는 수심 10m에서도 방수가 가능하도록 3중 수밀 방식을 적용하였다. 또한 원격 조종을 위해 로봇팔 말단에 카메라를 설치하고 카메라의 동작반경을 극대화하기 위한 구조로 설계되었다. 또한 조명을 설치하여 효과적으로 주변환경 정보 획득 및 생존자 탐색을 목적으로 설계하였다.
- 구조 작업용 로봇팔은 주행로봇의 이동을 방해하는 장애물을 파쇄 또는 극복하기 위해 그림 5와 같이 중량의 작업공구를 지지 가능한 4축의 관절로 구성된다. 로봇팔의 자유도는 Yaw-Pitch-Pitch-Roll로 작업방향을 주행로봇 캐터필러의 움직임에 비해 정확한 1축의 Yaw모션으로 제어하고, 작업 높이의 조절을 위한 Pitch모션, 절단기 혹은 파쇄기의 진입각도를 조절하기 위해 Roll모션을 적용하였다. 각 관절의 각도 변위는 2축의 경우 수직 기준으로 전방 10°~ 후방 90°이며, 3축은 2축의 구조적 제한으로 40°를 움직일 수 있도록 설계하였다.
- 그림 12와 같이 구조 작업용 로봇팔을 임시 지지대에 거치 후 10kg의 작업공구를 말단에 위치시킨 후 구동 테스트를 실시하였다. 목표 가반하중을 부착하고 작업공구를 원하는 지점까지 원활하게 이동이 가능했으며 일련의 프로세스를 자동으로 반복하게 하여 조립완성도와 작동 신뢰도를 확인하였다. 또 그림 13과 같이 주행 플랫폼과 구조 작업용 로봇팔을 결합하여 플랫폼-로봇팔간의 통신 상태와 협조 체계를 확인하였다.
- 본 연구에서는 4축 로봇팔의 동역학 해석을 수행하기 위해 반복적 뉴턴-오일러 방법을 이용하였으며, 로봇팔의 각 링크를 차례로 다루어, 직선운동과 회전운동을 나타내는 방정식을 유도하였다.
- 구조 작업용 로봇팔은 10kg의 작업용 공구하중을 지지할 수 있는 Yaw-Pitch-Pitch-Roll 구조로 설계되었고, 외부의 물 유입을 방지할 수 있는 구조로 제작되었다. 설계한 로봇을 D-H 좌표계를 설정하여 기구학 해석 및 역기구학 해석을 수행하였다. 또한 메커니컬 실의 마찰력을 고려한 로봇팔의 운동방정식을 뉴턴-오일러 방법에 의해 유도하였다.
- 그림 11. 수중 방수 및 구동 테스트.
- 또한, 그림 11과 같이 수조에서 탐색용 로봇팔의 방수 테스트를 실시하였다. 시리얼 통신을 이용하여 외부에서 동작 명령을 내려서 수중에서 각 관절각을 동작시키고, 고출력 LED의 동작과 카메라 동작을 확인하였다. 수중에서도 관절 구동기의 누수현상 없이 원활하게 움직이는 것을 확인하였다.
- 앞서 소개한 4축 탐색용 로봇팔의 각 관절의 구동용량을 산출한 방법과 유사하게 구조 작업용 로봇팔의 구동 모터 용량을 산출하였다. 작업용 공구의 무게는 10kg로 가정하고 각 축의 자중등을 고려하여 산출한 결과는 표 3과 같다.
- 화상카메라와 열화상카메라를 내장하여 가시광 영역뿐만 아니라 짙은 연기 속에서도 적외선을 이용하여 영상을 획득할 수 있고, 고출력 LED를 장착하여 조명이 없는 지역에서도 시야를 밝힐 수 있다. 열화상 카메라와 고출력 LED의 경우 발열이 발생하므로 이를 해결하고자 방열판이 내압 실린더와 접촉하여 내부 열이 외부로 빠져나가도록 설계하였다.
- 구조 작업용 로봇팔은 전방의 이동을 방해하는 장애물을 파쇄 또는 극복하기 위한 목적으로 사용되는 작업용 로봇에 부착된다. 이를 위해 중량의 작업공구를 지지 가능하며 작업 높이와 공구의 진입 각도를 조작이 가능한 기구부로 구성되었다. 개발된 로봇팔들의 공통적인 특징은 재난 환경을 고려하여 구동기의 모듈화 설계를 수행하여 유지보수가 쉽고 고장시 신속히 교체가 가능하도록 설계되었다.
- 최종적으로 각 관절 구동기에 요구되는 구동 용량은 다음 식들을 통해 구해지고, 표 2와 같이 탐색용 로봇팔에 필요한 구동 용량을 산출하였다.
- 탐사용 로봇팔은 재난환경과 같이 협소하고 장애물이 있는 공간에서도 카메라의 동작반경을 극대화할 수 있도록, 그림 1과 같이 4자유도의 Pitch-Pitch-Pitch-Yaw 관절로 설계하였다. 1~3축의 Pitch 모션을 통해 카메라 전개 높이와 상하 시야 확보가 가능하고, 4축의 Yaw모션을 통해 카메라 좌우 시야 확보가 가능한 구조이다.
- 탐색용 로봇팔은 Pitch – Pitch – Pitch – Yaw의 4축 구조로 설계하고 최대 10m의 수심에도 방수가 가능한 구조로 설계하였다.
- 표 1과 같이 ai, αi, di, θi 에 해당하는 각각의 관절 매개변수를 구하고 순기구학 해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 또한 로봇 팔을 전개하지 않을 때도 전방 시야 확보가 용이하도록 카메라 관절 링크를 구성하였다. 탐사용 로봇팔의 외형 크기는 길이 540mm, 높이 240mm, 폭 225mm로 설계하고 제작되었다. 또한 그림 2와 같이 수심 10m에서의 방수 성능을 만족하기 위하여 각 관절 구동기 내부에는 최소 1bar의 내압성능을 위해 3중 O-ring 형태의 방수 구조를 가지도록 설계하였다.
- 탐색용 로봇팔에 사용된 모터드라이브는 100W급 소형 BLDC 모터드라이브가 사용되었고, 구조 작업용 로봇팔에 사용된 모터드라이브는 DC 200W급이다. 리미트 센서로는 소형은 포토 인터럽트를 사용하며, 중형은 마이크로 스위치를 사용하여 제한 각의 위치 유무를 판단하는 역할을 수행한다.
이론/모형
- 4축 탐사용 로봇팔에 대한 기구학적 해석을 수행하였다. D-H (Denavit-Hartenberg) 규약을 사용하여 그림 4와 같은 좌표계를 설정하였다. 표 1과 같이 ai, αi, di, θi 에 해당하는 각각의 관절 매개변수를 구하고 순기구학 해석을 수행하였다.
- 각 관절 축의 움직임을 LSPB (Linear Segments with Parabolic Blends) 방법을 이용하여 궤적을 생성하였다. 각 관절 구동기의 가감속 시간을 ta 로, 총 구동시간을 tt 라고 한다면 다음과 같은 식이 정립한다.
- 설계한 로봇을 D-H 좌표계를 설정하여 기구학 해석 및 역기구학 해석을 수행하였다. 또한 메커니컬 실의 마찰력을 고려한 로봇팔의 운동방정식을 뉴턴-오일러 방법에 의해 유도하였다. 원칩 기반의 제어 시스템을 구성하여, 실제 로봇의 구동 테스트를 실시하여 주어진 궤적을 0.
성능/효과
- 그림 9와 같이 말단장치의 초기 위치(0mm, 550mm)에서 목표 위치(100mm, 550mm)까지 주어진 경로를 따라 이동하는 테스트를 실시하였다. 그 결과 그림 10과 같이 3개의 피치관절이 주어진 경로를 만족하기 위해 역기구학 해석결과에 따라 동작하는 것을 확인할 수 있었으며, 말단장치 위치 오차는 최대 0.5mm 이내인 것을 확인하였다.
- 또한 메커니컬 실의 마찰력을 고려한 로봇팔의 운동방정식을 뉴턴-오일러 방법에 의해 유도하였다. 원칩 기반의 제어 시스템을 구성하여, 실제 로봇의 구동 테스트를 실시하여 주어진 궤적을 0.5mm 이내로 추정하는 것을 확인하였다.
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