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변수변화에 따른 가변강성 메커니즘의 강성변화 경향성에 관한 연구
Parametric Study on the tendency of Stiffness Variation using Variable Stiffness Mechanism 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.6, 2016년, pp.750 - 758  

함기범 (선문대학교 기계공학과) ,  한지호 (선문대학교 전자공학과) ,  전종균 (선문대학교 기계공학과) ,  박용재 (선문대학교 기계공학과)

초록
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일반적으로 시스템을 강성체로 설계할 경우 시스템의 구조적 안정성을 확보할 수 있으나 유리잔을 잡거나 작은 수술용 도구로 사용하는 등의 사용용도에 따라 활용성이 제한될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 유연한 재질을 사용하여 강성조절이 가능한 메커니즘에 대한 연구가 다양하게 이루어져 왔다. 기존에 연구했던 강성체와 연성체의 연속구조로 이루어진 모델에 텐던을 삽입한 구조를 이용한 가변강성 메커니즘을 통하여 가변강성 구조체에 대한 가능성을 확인하였다. 그러나 필요로 하는 가변강성을 충족하기 위한 구조체의 설계 변수에 대한 연구가 필요하였다. 따라서 본 연구에서는 가변강성 메커니즘의 다양한 변수 변화에 따른 강성변화 실험을 통해 강성의 경향성을 파악하고자 하였다. 실험 결과 지름이 클수록 강성은 증가하며 강성의 증가폭 또한 늘어난다. 또한 연성체 길이가 짧을수록 강성이 증가하며 텐던을 당겨 연성체를 압착할 경우 강성값은 비선형적으로 증가하였다. 동일 조건에서 연성체 길이변화에 따른 강성 증가폭과 강성체의 길이 변화에 따른 강성 증가폭을 비교하였을 때 연성체 길이 변화가 강성체 길이 변화 보다 강성값 변화에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 또한, 해석값이 실험값에 비하여 정확성은 낮지만, 가변강성의 경향성을 확인하기 위하여 해석적인 방법을 통한 강성을 예측해보았다. 이러한 변수변화 실험 결과는 필요로 하는 강성값을 충족하는 가변강성 메커니즘 설계에 활용할 수 있을 것이다.

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In general, a system can be stable when it is designed with a rigid material. However, the use of a rigid system can be limited, such as grasping a glass or using a small surgical instrument. To resolve this limitation, a variable stiffness mechanism was developed using a flexible material. Previous...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이러한 문제점을 해결하기 위하여 새로운 형태의 가변강성 메커니즘이 필요하였다. 내골격 형태의 구조에서 착안하여 강성체와 연성체를 교대로 배치하여 강성을 변화시킬 수 있는 새로운 가변강성 구조체를 고안하고 이에 대하여 검증하였다[7]. 이러한 연성 재질의 비선형성을 활용하여 강성을 변화시키는 새로운 메커니즘은 강성의 변화를 용이하게 할 수 있는 것을 확인하였으나, 이를 활용하고 필요한 강성에 맞춘 가변강성 메커니즘을 설계하기 위한 설계 변수들에 대한 고찰이 필요하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 기존에 진행된 가변강성 메커니즘의 활용성을 높이고 필요한 강성에 맞추어 가변강성 메커니즘을 설계하기 위한 설계 변수 변화에 따른 강성변화에 대한 연구를 진행하였다. 이를 통하여 가변강성메커니즘 설계를 위한 기준을 제시하고자 하였으며, 기초적인 시뮬레이션을 통해 제시된 메커니즘의 강성변화에 대한 경향성을 파악할 수 있도록 하였다.
  • 둘째, 해석 방법에 발생할 수 있는 오차이다. 본 연구에서 사용한 연성구조 해석 방법은 유연한 플라스틱과 같이 구부러지는 연성구조를 해석하기 위하여 비틀림 스프링을 장착한 모델을 제시하고 있다. 기존의 연성 구조를 강성체와 비틀림 스프링이 연결되어 있는 모델로 변경하여 구조체의 거동을 해석하게 된다.
  • 본 연구에서는 변수에 따른 가변강성 메커니즘의 강성변화를 다양한 방법으로 실험하였고 결과를 비교 분석하여 강성변화의 경향성을 파악하였다. 설계자가 필요한강성에 따라서 맞춤 설계할 시 유용하다.
  • 사람의 손과 같이 물건을 쉽게 잡기 위하여 유연한 재질을 활용하여 로봇 손을 제작하는 연구도 진행되고 있다[1]. 이러한 연구는 유연한 재질을 활용하여 어떠한 모양의 물체라도 쉽게 잡을 수 있도록 재질의 성질을 활용한 것이 특징이다. 그러나 유연한 재질의 특성상 물체의 질량이 증가하는 경우 잡기 어려워지는 현상이 발생할 수 있다.

가설 설정

  • 1. Concept of a variable stiffness mechanism. The longer structure represents the flexible state and the shorter structure represents the stiff state.
  • 그 외의 연성체의 경우 모멘트에 의한 변형만 발생한다고 가정하였다. 이 경우, 발생하는 강성 값 K1은 식(4)와 같다.
  • 여기서 구한 새로운 굽힘 강성을 Pseudo Rigid Body Model에 적용하여 해석을 진행하였다. 단, 강성체는 완성강성체로 가정하였다. Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
구조체를 설계할 때 무엇을 기반으로 설계하는가? 기본적으로 구조체를 설계할 때 강성체를 기반으로 설계를 진행한다. 어떠한 시스템을 강성체로 구성할 경우, 그 구조물은 안정성은 확보될 수 있으나, 반대로 사용용도에 따라 위험성이 있을 수도 있다.
강성체로 구성된 로봇 손은 어떤 장단점이 동시에 나타날 수 있는가? 어떠한 시스템을 강성체로 구성할 경우, 그 구조물은 안정성은 확보될 수 있으나, 반대로 사용용도에 따라 위험성이 있을 수도 있다. 예를 들어 강성 체로 구성된 로봇 손은 구조적 안정성은 뛰어나지만, 자체의 강성으로 인하여 제어를 정밀하게 하지 못 할 경우 유리잔과 같은 물체를 집을 때 깨지는 문제가 발생할 수 있다. 사람의 경우 어떠한 물체를 집거나 잡을 때 물체의 종류에 따라서 집는 방법을 달리하기도 하고 손에 작용하는 강성을 조절하기도 한다.
시스템을 강성체로 구성 시 장단점은 ? 기본적으로 구조체를 설계할 때 강성체를 기반으로 설계를 진행한다. 어떠한 시스템을 강성체로 구성할 경우, 그 구조물은 안정성은 확보될 수 있으나, 반대로 사용용도에 따라 위험성이 있을 수도 있다. 예를 들어 강성 체로 구성된 로봇 손은 구조적 안정성은 뛰어나지만, 자체의 강성으로 인하여 제어를 정밀하게 하지 못 할 경우 유리잔과 같은 물체를 집을 때 깨지는 문제가 발생할 수 있다.
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참고문헌 (9)

  1. A. M. Dollar and R. D. Howe, "The Highly Adaptive SDM Hand: Design and Performance Evaluation," The International Journal of Robotics Research, vol. 29, no. 5, pp. 585-597, Apr. 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1177/0278364909360852 

  2. M. Zoppi, R. Molfino, and P. Cerveri, "Modular micro robotic instruments for transluminal endoscopic robotic surgery: New perspectives," IEEE/ASME Int. Conf. on Mechatronics and Embedded Systems and Applications (MESA), pp. 440-445, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/mesa.2010.5551996 

  3. Y. J. Park, U. S. Jeong, J. S. Lee, S. R. Kwon, H. Y. Kim, and K. J. Cho, "Kinematic Condition for Maximizing the Thrust of a Robotic Fish Using a Compliant Caudal Fin," IEEE Transactions on Robotics, vol. 28, no. 6, pp. 1216-1227, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TRO.2012.2205490 

  4. S. Kawamura, T. Yamamoto, D. Ishida, T. Ogata, Y. Nakayama, O. Tabata, and S. Sugiyama, "Development of passive elements with variable mechanical impedance for wearable robots," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, vol. 1, pp. 248-253, 2002. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/robot.2002.1013369 

  5. Y. J. Kim, S. Cheng, S. Kim, and K. Iagnemma, "A Novel Layer Jamming Mechanism With Tunable Stiffness Capability for Minimally Invasive Surgery," IEEE Transactions on Robotics, vol. 29, no. 4, pp. 1031-1042, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TRO.2013.2256313 

  6. T. Mitsuda, S. Kuge, M. Wakabayashi, and S. Kawamura, "Haptic displays implemented by controllable passive elements," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, vol. 4, pp. 4223-4228, 2002 DOI: http://dx.doi.org/10.1109/robot.2002.1014417 

  7. T. M. Huh, Y. J. Park, and K. J. Cho, "Design and analysis of a stiffness adjustable structure using an endoskeleton," Int. J. Precis. Eng. Manuf., vol. 13, no. 7, pp. 1255-1258, Jul. 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s12541-012-0168-2 

  8. L. Howell, "Compliant mechanisms," Wiley-IEEE, 2001. 

  9. M. S. Chalhoub, and J. M. Kelly, "Effect of bulk compressibility on the stiffness of cylindrical base isolation bearings," Int. J. of Solids and Structures, vol. 26, no. 7, pp. 743-760, 1990. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0020-7683(90)90004-F 

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