[논문]와이어 와인딩을 이용한 신개념 중력보상 메커니즘

이동규; 이상호; 박정환; 서태원

doi:10.5302/j.icros.2016.16.0051

와이어 와인딩을 이용한 신개념 중력보상 메커니즘
Novel Gravity Compensation Mechanism by Using Wire-Winding 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.22 no.9, 2016년, pp.733 - 737

이동규 (영남대학교 기계공학부) , 이상호 (영남대학교 기계공학부) , 박정환 (영남대학교 기계공학부) , 서태원 (영남대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a mechanism that can compensate for gravity in a robot manipulator. Industry robots generate torque due to carrying heavy weight. For this reason, the robots need high specification motors, which increases the prices of the robots and their production costs. In order to resolve these problems, a mechanism for gravity compensation has been developed using a spring and wire system. But this system has problems related to wire stretching. A winding mechanism is therefore used to supplement this drawback of the wire. The robot used was developed by the 1-DOF system. Analysis was performed for the performance of the mechanism. Experiments were conducted to compare simulation results and experimental results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서는 새로운 개념의 중력보상 메커니즘을 제시한다. 로봇 자중에 의한 토크를 스프링과 와이어 메커니즘을 이용하여 보상한다.
스프링 와이어 메커니즘의 단점은 와이어에 큰 장력을 받게 되면 와이어가 끊어지는 현상이 발생하는 것이다. 본 연구에서는 와이어가 받는 장력을 줄이고자 와이어를 감는 방식의 메커니즘을 제시한다. 그림 3과 같이 두 개의 풀리가 고정되어 있고, 고정된 풀리에 와이어를 n번 감는 방법으로 구성되어 있다.
이를 보안하고자 본 논문에서는 와이어를 사용하면서 내구성은 높이고 로봇의 전체 자중은 줄이는 메커니즘을 제시하고자 한다. 와이어를 감는 방법[10]은 와이어의 감는 횟수에 따라 장력은 비례하게 되고 조인트 강성은 제곱에 비례한다.

가설 설정

(d) 180°가 되면 스프링의 압축이 가장 크지만 중력토크는 0이 되고, 보상토크가 발생하지 않는다.

제안 방법

로봇은 2자유도로 제작되었으며, 정적 해석을 통해 중력보상의 가능성을 검증하였다. 그리고 보상 토크가 발생하도록 스프링 강성을 설계하였다. 또한 실험을 통해 로봇의 자세에 따라 적절한 보상이 이뤄지는지 확인하고, 추후 메커니즘의 자유도를 확장하여 다자유도 매니퓰레이터의 시제품을 제작하고, 매니퓰레이터의 성능을 실험을 수행할 예정이다.
와인딩 시스템은 감긴 횟수에 따라 장력은 비례하고 강성은 제곱에 비례한다. 로봇은 2자유도로 제작되었으며, 정적 해석을 통해 중력보상의 가능성을 검증하였다. 그리고 보상 토크가 발생하도록 스프링 강성을 설계하였다.
본 장에서는 중력보상 메커니즘의 적절한 보상이 이루어지는지 확인하기 위해 정적 해석을 수행하였다. 단순히 와이어를 연결하여 스프링을 압축하는 방법[7]은 완벽한 보상이 되지만 와이어에 부하되는 장력이 높아 와이어가 끊어지는 내구성 문제가 생긴다.
실험은 그림 9와 같이 제작된 시제품을 링크 1에 연결된 모터를 사용하여 90도에서 0도까지 회전하는 동안의 모터에 부하되는 토크를 측정하였다. 측정된 값은 모터 제어기를 통하여 측정되는 출력대비 값을 아날로그로 얻은 뒤, 모터의 토크상수를 사용하여 출력토크를 측정하였다.
실험을 위해 그림 8과 같이 앞서 해석한 결과를 사용하여 와이어와 스프링을 이용한 로봇을 제작하였다. 로봇은 2 자유도로 제작되었으며 로봇의 링크는 알루미늄으로 제작되었고, 베이스는 3D 프린터를 이용하여 제작하였다.
와이어가 감긴 횟수 n은 스프링의 강성을 줄여준다. 제시된 메커니즘은 n²배 작은 강성을 사용하면서 동일한 무게를 가진 링크의 중력을 보상한다.
제시된 메커니즘의 성능을 확인하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 수행하기 위한 로봇의 조건은 링크의 무게 1kg, b의 길이 50mm, a의 길이 25mm, 와인딩 횟수 n=1, 무게중심까지의 거리 l = 135mm 그리고 스프링 강성 k는 265 N/m이다.
실험은 그림 9와 같이 제작된 시제품을 링크 1에 연결된 모터를 사용하여 90도에서 0도까지 회전하는 동안의 모터에 부하되는 토크를 측정하였다. 측정된 값은 모터 제어기를 통하여 측정되는 출력대비 값을 아날로그로 얻은 뒤, 모터의 토크상수를 사용하여 출력토크를 측정하였다. 측정된 토크의 값은 그림 10과 같고 중력보상을 하면 최대 0.

대상 데이터

실험을 위해 그림 8과 같이 앞서 해석한 결과를 사용하여 와이어와 스프링을 이용한 로봇을 제작하였다. 로봇은 2 자유도로 제작되었으며 로봇의 링크는 알루미늄으로 제작되었고, 베이스는 3D 프린터를 이용하여 제작하였다. 링크의 길이는 270mm이고, 스프링 상수는 265N/m를 사용하였다.
로봇은 2 자유도로 제작되었으며 로봇의 링크는 알루미늄으로 제작되었고, 베이스는 3D 프린터를 이용하여 제작하였다. 링크의 길이는 270mm이고, 스프링 상수는 265N/m를 사용하였다. 스프링은 규격 표를 참조하여 계산을 통해 얻은 값과 가장 근접한 제품을 선택하였다.
제시된 메커니즘의 성능을 확인하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 수행하기 위한 로봇의 조건은 링크의 무게 1kg, b의 길이 50mm, a의 길이 25mm, 와인딩 횟수 n=1, 무게중심까지의 거리 l = 135mm 그리고 스프링 강성 k는 265 N/m이다. 시뮬레이션의 결과는 그림 5와 같이 중력에 의한 토크를 보상토크가 완전히 상쇄시킨다.
로봇의 위치가 변하면 와이어가 스프링을 압축할 수 있는 구조로 설계되었다. 와이어는 지름 1mm, 재질은 SUS304, 최대하중 9kg을 사용하였다. 모터(MX-64, Robotis)는 베이스에 장착되어 최대 6.

이론/모형

본 논문에서는 새로운 개념의 중력보상 메커니즘을 제시한다. 로봇 자중에 의한 토크를 스프링과 와이어 메커니즘을 이용하여 보상한다. 스프링 와이어 메커니즘의 단점인 와이어의 내구성 문제를 와인딩 메커니즘을 통해 극복하였다.
단순히 와이어를 연결하여 스프링을 압축하는 방법[7]은 완벽한 보상이 되지만 와이어에 부하되는 장력이 높아 와이어가 끊어지는 내구성 문제가 생긴다. 이 문제를 해결하기 위해 와이어를 감는 방법[10] 사용하였다. 해석을 위해 중력보상 메커니즘의 자유물체도는 그림 4와 같다.

성능/효과

(c) 로봇의 자세가 90°로 로봇의 중력 토크가 가장 크게 발생하며, 스프링의 압축에 의하여 가장 큰 보상 토크가 발생한다.
4Nm의 토크가 측정되었다. 실험결과 중력을 보상하였을 때 최대 57%의 토크를 줄일 수 있다. 보상토크의 값이 0으로 수렴되지 않는 것은 모터 감속기의 마찰과 로봇의 기계적 마찰이 반영되었기 때문이다.
F_s 는 링크의 위치가 90°에서의 크기이다. 표에서 보여주듯이 강성의 크기와 힘의 크기는 와이어를 감는 횟수에 비례하여 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 감는 횟수를 늘림으로써 스프링 와이어 시스템의 단점인 와이어 내구성의 문제를 해결 할 수 있다.

후속연구

그리고 보상 토크가 발생하도록 스프링 강성을 설계하였다. 또한 실험을 통해 로봇의 자세에 따라 적절한 보상이 이뤄지는지 확인하고, 추후 메커니즘의 자유도를 확장하여 다자유도 매니퓰레이터의 시제품을 제작하고, 매니퓰레이터의 성능을 실험을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고사양의 모터사용의 단점은?	로봇은 큰 토크를 견딜 수 있는 고사양의 모터를 사용하게 된다. 고사양의 모터사용은 로봇의 가격을 증가시킬 뿐만 아니라 큰 에너지 소모가 일어난다. 제품 생산에서 중요한 것은 생산단가를 줄이는 것인데 로봇의 높은 가격과 에너지소모는 단가를 증가시키는 큰 이유이다.
	고사양의 모터사용이 단가를 증가시키는 이유는?	고사양의 모터사용은 로봇의 가격을 증가시킬 뿐만 아니라 큰 에너지 소모가 일어난다. 제품 생산에서 중요한 것은 생산단가를 줄이는 것인데 로봇의 높은 가격과 에너지소모는 단가를 증가시키는 큰 이유이다.
	스프링을 이용한 방법의 장점은?	스프링을 이용하여 중력을 보상하는 방법 또한 잘 알려진 방법이다[3]. 스프링을 이용한 방법은 균형 추에 비해 무게와 부피가 작고, 완벽한 보상이 가능한 장점이 있다. 이 방법 또한 스프링의 변형, 스프링의 위치에 따른 가용범위 한계와 같은 문제점이 존재한다.

참고문헌 (10)

C. Lee, J. W. Lee, and T. Seo, "Geometrical velocity and force analysis on planar serial mechanisms," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, vol. 21, no. 7, pp. 648-653, 2015.

원문보기 상세보기
S. K. Agrawal and A. Fattah, "Gravity-balancing of spatial robotic manipulators," Mechanism and Machine Theory, vol. 39, no. 12, pp. 1331-1344, 2004.

상세보기
M. Freese, S. Singh, E. Fukushima, and S. Hirose, "Bias-tolerant terrain following method for a field deployed manipulator," Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Orlando, Florida, pp. 175-180, May 2006.
C. H. Cho and S. C. Kang, "Static balancing of manipulator with hemispherical work space," IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, pp. 1269-1274, 2010.
N. Takesue, T. Ikematsu, H. Murayama, and H. Fujimoto, "Design and prototype of variable gravity compensation mechanism (VGCM)," Journal of Robotics and Mechatronics, vol. 23, no. 2, pp. 249-257, 2011.

상세보기
K. Koser, "A cam mechanism for gravity-balancing," Mechanics Research Communications, vol. 36, no. 4, pp. 523-530, Jun. 2009.

상세보기
H. Kim and J. Song, "Low-cost robot arm with 3-DOF counterbalance mechanism," Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 4183-4188, 2013.
I. Kang, H. Kim, J. Song, and H. Lee, "Manipulator equipped with counterbalance mechanism based on gear unit," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, vol. 38, no. 3, pp. 289-294, 2014.
J. Min, H. Kim, and J. Song, "Adjustable counterbalance mechanism based on spring and slider-crank mechanism," Conference on the Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 2153-2155, Dec. 2013.
Y. J. Kim, "Design of low inertia manipulator with high stiffness and strength using tension amplifying mechanisms," Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Hamburg, Germany, 2015.

저자의 다른 논문 :

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