[논문]로봇의 회전관절을 위한 케이블 로드를 갖는 유압 구동기 설계 및 구현

김정영; 박상덕; 조정산

doi:10.7736/kspe.2016.33.9.723

[국내논문] 로봇의 회전관절을 위한 케이블 로드를 갖는 유압 구동기 설계 및 구현
Design and Implementation of the Cable Rod Hydraulic Actuator for Robotic Revolute Joints 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.9, 2016년, pp.723 - 730

김정영 (과학기술연합대학원대학교 로보틱스 및 가상공학과) , 박상덕 (과학기술연합대학원대학교 로보틱스 및 가상공학과) , 조정산 (한국생산기술연구원 로봇그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a cable-driven hydraulic actuator named Cable Rod Hydraulic Actuator (CRHA). The cable actuating system is attractive for designing a compact joint in robotic applications since it can be installed remotely from the joint. Recently, cable rods have been used in pneumatic area for inertia reduction. However, designing cable rods in hydraulics is challenging because it is difficult to achieve flexibility and endurance simultaneously under high pressure conditions. In this paper, the cable rod, which consists of a cable and jacket, is proposed to meet both requirements. To design the CRHA, we determined the design parameters, such as cylinder size, and selected the cable rod's material by friction and leakage test. Finally, comparisons experiments about step and frequency responses with conventional hydraulic actuators were performed to assess feasibility for robotic joints, and the results show that the proposed system has good bandwidth and fast response as robotic joints.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 유압 구동기로 로봇의 회전관절을 구성하기 위한 방법으로 케이블과 선형 구동기가 결합된 CRHA를 제안하였다. 비교적 간단한 메커니즘으로 넓은 범위의 작동각을 구현할 수 있는 장점이 있는 케이블 구동 방식을 고출력의 유압 시스템에 활용하기 위한 개념설계를 진행하고 설계에 있어서의 유의점을 살펴보았다.

제안 방법

본 논문에서는 유압 구동기로 로봇의 회전관절을 구성하기 위한 방법으로 케이블과 선형 구동기가 결합된 CRHA를 제안하였다. 비교적 간단한 메커니즘으로 넓은 범위의 작동각을 구현할 수 있는 장점이 있는 케이블 구동 방식을 고출력의 유압 시스템에 활용하기 위한 개념설계를 진행하고 설계에 있어서의 유의점을 살펴보았다. 재질 특성실험을 통해 기존 강체 로드와 스틸 케이블에 비하여 최소 굽힘 반경이나 무게 면에서 유리한 테프론 재질의 자켓과 카본 합사 재질의 케이블은 누유와 마찰력 면에서 사용 가능함을 보였다.
이러한 이유로, 본 논문에서는 케이블 코팅 재질의 파손을 방지하고 누유를 최소화하며, 풀리의 지름을 줄일 수 있도록 Fig. 2(b)와 같이 케이블로드를 직선구간에서는 압축에 강한 딱딱한 재질의 코팅재*와 함께 구성하고, 곡선구간에서는 굽힘반경이 작은 케이블만을 풀리에 연결하는 방법을 제안하고자 한다. (*이후 본 논문에서는 케이블을 보호하는 코팅재를 자켓이라고 부른다.

대상 데이터

또한 케이블의 끝부분은 매듭지어 풀리와 고정하였다. 케이블 로드의 자켓은 앞서 실험 결과에 따라 테프론 재질을 선정하였으며, 케이블은 최대 460 kgf를 견딜 수 있는 카본 합사형태의 MP.F1002347 (Picasso, Portugal)를 사용하였다.

데이터처리

두 번째로 개루프에서의 주파수 응답성능 확인을 위해, 본 연구실에서 개발한 유압구동 4족보행로봇 진풍²에서 사용된 유압 선형 구동기를 4절링크와 결합해 회전관절을 구성한 시스템²⁵과 제안된 시스템과의 비교실험을 진행하였다. 이때 동일한 유압회로 및 공급압력하에 입력과 출력은 각각 서보밸브에 인가한 전류와 위치센서로부터 측정된 속도로, 진폭 ± 1 mA, 주파수 0.
누유 실험은 일반적으로 플라스크와 같은 눈금용기를 이용하여 시간에 따른 양을 측정하지만, 로드의 누유에 대해서는 그 양이 미세하여 기름 종이로 로드를 닦아내어 육안으로 누유를 판단한다. 본 연구에서는 위의 방법을 보완하여 닦아낸 기름종이의 면적을 계산하여 두 재질의 누유 성능을 비교하였다.
구동기에 대한 응답성능은 로봇 관절을 구성하기 위한 중요한 지표 중 하나이다. 이에 입력에 대한 응답특성을 분석하기 위한 계단응답과 주파수응답 실험을 진행하였다.

성능/효과

07 m/s로 빠른 속도를 요구하는 필드로봇의 구동기에 준하는 성능을 확인할 수 있었다. 또한 주파수 응답실험에서는 실제 유압로봇에 사용된 구동기 및 4절링크보다 높은 대역폭을 확인할 수 있었다.
또한 성능 검증을 위해, CRHA의 프로토타입을 제작하고 이를 2개의 CRHA와 풀리를 조합하여 회전 관절을 구성하였다. 응답실험을 통해 실제 유압 로봇분야에서 사용될 수 있음을 확인하였는데, 계단 응답실험에서는 구동기 최대속도1.07 m/s로 빠른 속도를 요구하는 필드로봇의 구동기에 준하는 성능을 확인할 수 있었다. 또한 주파수 응답실험에서는 실제 유압로봇에 사용된 구동기 및 4절링크보다 높은 대역폭을 확인할 수 있었다.
비교적 간단한 메커니즘으로 넓은 범위의 작동각을 구현할 수 있는 장점이 있는 케이블 구동 방식을 고출력의 유압 시스템에 활용하기 위한 개념설계를 진행하고 설계에 있어서의 유의점을 살펴보았다. 재질 특성실험을 통해 기존 강체 로드와 스틸 케이블에 비하여 최소 굽힘 반경이나 무게 면에서 유리한 테프론 재질의 자켓과 카본 합사 재질의 케이블은 누유와 마찰력 면에서 사용 가능함을 보였다. 또한 성능 검증을 위해, CRHA의 프로토타입을 제작하고 이를 2개의 CRHA와 풀리를 조합하여 회전 관절을 구성하였다.

후속연구

향후 CRHA의 내구성 향상을 위한 연구와 함께 보행 로봇이나 매니퓰레이터와 같이 특성이 제각각 다른 분야에 CRHA를 적용하기 위해, 분야별 설계 방법과 제어 방법에 대한 연구를 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실린더 타입 선형 구동기와 추가적인 장치를 통해 회전 관절을 구성하는 방법의 문제점은?	가장 보편적인 방법7,9-11으로는 실린더 타입 선형 구동기와 추가적인 장치(링크, 기어)의 연결을 통해 회전운동으로 바꾸는 것으로, 4절 메커니즘7,9을 이용하거나 랙-피니언,10 헬리컬11과 같은 기어를 이용한다. 비교적 쉬운 설계방식이나 추가적인 장치로 인해 기계적 유격, 백래쉬로 인해 로봇 제어의 어려움을 겪을 수 있다. 12 이러한 기계적 공차를 줄이기 위한 방법으로 회전 구동기를6,8 관절에 직접 연결하는 방법도 있는데, 주로 싱글, 더블베인 형태의 구동기를 이용한다.
	유공압분야에서 케이블 구동방식의 강점은?	케이블 구동 방식은 구동기를 로봇 관절로부터 분리하여 설치할 수 있기 때문에 새로운 형태의 로봇 관절 설계방법으로 주목 받고 있다. 13-16,24 특히 유공압분야13-16에서, 인장력만을 이용하는 케이블 구동방식의 특성은 구동기 설계 시 로드가 휘어지는 좌굴에 대한 고려가 필요 없기 때문에 피스톤 로드의 직경을 보다 작게 만들 수 있다. 이러한 점들은 로봇관절을 설계함에 있어 강점이 될 수 있다.
	유압 구동기는 어느 분야에서 각광받고 있는가?	산업용 로봇에서는 주로 전기 모터와 감속기를 이용하며,1 사용 조건에 따라 공압 또는 유압 구동기를 이용하기도 한다. 2,3 이 중 유압 구동기는 부피 대 동력비가 높고, 외부 충격으로부터 강인하며, 빠른 반응성을 가지므로4 외골격 로봇,5 보행 로봇7-9과 같은 필드로봇 분야에서 각광을 받고 있다.

참고문헌 (26)

Maxon Motor, "Automation and Robotics," http://www.maxonmotor.co.kr/ (Accessed 31 March 2016)
Cho, J. S., Park, S. D., and Kim, K. I., "Design of Mechanical Stiffness Switch for Hydraulic Quadruped Robot Legs Inspired by Equine Distal Forelimb," Electronics Letters, Vol. 51, No. 1, pp. 33-35, 2015.

상세보기
Hosoda, K., Takuma, T., Nakamoto, A., and Hayashi, S., "Biped Robot Design Powered by Antagonistic Pneumatic Actuator for Multi-Modal Locomotion," Robotics and Autonomous Systems, Vol. 56, No. 1, pp. 46-53, 2008.

상세보기
Merritt, H. E., "Hydraulic Control Systems," John Wiley & Sons, pp. 1-2, 1967.
Zoss, A. B., Kazerooni, H., and Chu, A., "Biomechanical Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX)," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 11, No. 2, 128-138, 2006.

상세보기
Kim, J. T., Lee, J. W., Kim, H. G., Seo, J. H., Chon, S. U., et al., "Method for Improving the Position Precision of a Hydraulic Robot Arm: Dual Virtual Spring-Damper Controller," Intelligent Service Robotics, Vol. 9, No. 2, pp. 93-99, 2015.
Raibert, M., Blankespoor, K., Nelson, G., Playter, R., and Team, T., "BigDog, the Rough-Terrain Quadruped Robot," Proc. of the 17th World Congress, pp. 10822-10825, 2008.
Khan, H., Kitano, S., Frigerio, M., Camurri, M., Barasuol, V., et al., "Development of the Lightweight Hydraulic Quadruped Robot-MiniHyQ," Proc. of the 2015 IEEE International Conference on Technologies for Practical Robot Applications, pp. 1-6, 2015.
Seo, J. H., Cho, J. S., Park, B. Y., Kim, J. T., and Park, S. D., "Leg Mechanism Design for SLIP Model of Hydraulic Quadruped Robot," Proc. of the 2014 11th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence, pp. 461-466, 2014.
Parker, "Products," http://www.parker.com/ (Accessed 15 September 2015)
Helac, "Products and Service," http://www.helac.com/ (Accessed 15 September 2015)
Merzouki, R. and Cadiou, J. C., "Estimation of Backlash Phenomenon in the Electromechanical Actuator," Control Engineering Practice, Vol. 13. No. 8, pp. 973-983, 2005.

상세보기
Alfayad, S., Ouezdou, F. B., and Namoun, F., "New 3-DOFs Hybrid Mechanism for Ankle and Wrist of Humanoid Robot: Modeling, Simulation, and Experiments," Journal of Mechanical Design, Vol. 133, No. 2, Paper No. 021005, 2011.

상세보기
Zhu, W. H. and Piedboeuf, J. C., "Adaptive Output Force Tracking Control of Hydraulic Cylinders with Applications to Robot Manipulators," Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 127, No. 2, pp. 206-217, 2005.

상세보기
Tolomatic, "'Pneumatic Actuator," http://www.tolomatic.com/ (Accessed 12 February 2016)
W. C. Branham, "Products," http://www.wcbranham.com/ (Accessed 12 February 2016)
Barrett Technology, "Products," http://www.barrett.com/ (Accessed 10 September 2015)
Agrawal, V., Peine, W. J., and Yao, B., "Modeling of Transmission Characteristic across a Cable-Conduit System," IEEE Transactions on Robotics, Vol. 26, No. 5, pp. 914-924, 2010.

상세보기
Palli, G., Borghesan, G., and Melchiorri, C., "Modeling, Identification, and Control of Tendon-Based Actuation Systems," IEEE Transactions on Robotics, Vol. 28, No. 2, pp. 277-290, 2012.

상세보기
Kim, J. H., Cho, J. S., Chon, S. U., and Park, S. D., "The Experiment of Material for Flexible Load End for Hydraulic Actuator," Proc. of KSPE Autumn Conference, p. 428, 2014.
Park, B. Y., Park, S. D., Cho, J. S., Kim, J. T., Chon, S. U., et al., "Design and Implementation of Hydraulic Drive Cable Actuator," Proc. of KSPE Spring Conference, pp.775-776, 2015
Semini, C., "HyQ - Design and Development of a Hydraulically Actuated Quadruped Robot," Ph.D. Thesis, Department of Advanced Robotics, University of Genoa, 2010.
Na, B. H., Choi, H. J., and Kong, K. C., "Design of a Direct-Driven Linear Actuator for a High-Speed Quadruped Robot, Cheetaroid-I," IEEE Transactions on Mechatronics, Vol. 20, No. 2, pp. 924-933, 2015.

상세보기
Kong, K. C., Bae, J. B., and Tomizuka, M., "Torque Mode Control of a Cable-Driven Actuating System by Sensor Fusion," Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 135, No. 3, Paper No. 031003, 2013.

상세보기
Lee, S. R., "Hydraulically Actuated Joint Control for Maintaining Posture of a Walking Robot on Uneven Terrain," M.Sc. Thesis, Intelligent Robot Engineering, University of Science and Technology, 2011.
Kutz, M., "Standard Handbook of Biomechanical Engineering and Design," McGraw-Hill, Chap. 32, 2003.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증