[논문]미션 시나리오기반 장갑형 로봇시스템 유압매니퓰레이터 설계

정동탁; 김철; 김주현; 서진호; 김무림

doi:10.7839/ksfc.2017.14.4.051

[국내논문] 미션 시나리오기반 장갑형 로봇시스템 유압매니퓰레이터 설계
Mission Scenario-based Design of Hydraulic Manipulators for Armored Robot Systems 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.14 no.4, 2017년, pp.51 - 60

정동탁 (Korea Institute of Robot and Convergence (KIRO)) , 김철 (Department of Mechanical Engineering, Kyungpook National University) , 김주현 (Korea Institute of Robot and Convergence (KIRO)) , 서진호 (Korea Institute of Robot and Convergence (KIRO)) , 김무림 (Korea Institute of Robot and Convergence (KIRO))

Abstract ▼ AI-Helper

In this study to develop disaster response robot in complex disaster site, we present the design of hydraulic manipulators for armored robot systems. To this end, we performed voice of customer researches with firefighters and rescue personnel. We created and analyzed the mission scenario of firefighters and rescue personnel in complex disaster situations, and derived the required functions of the robot to successfully perform missions. A heavy-duty, heat resistant, dexterous hydraulic robot manipulators is designed to realize the required functions. The designed robot has been verified through simulations and analysis in terms of the working area of the robot, actuating torques, and temperature analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 복합재난 현장에 투입 가능한 장갑형 로봇시스템의 개발을 위해 임무 시나리오에 적합한 유압 매니퓰레이터의 설계를 수행하였다. 임무 시나리오에 의하면 유압 매니퓰레이터는 장애물을 제거하기 위해 고하중의 작업이 가능해야 하며, 샌드위치 판넬로 구성된 벽을 절단하고 진입이 가능해야 하고, 500°C의복사열 환경에서 1시간 이상 견딜 수 있어야 한다.

가설 설정

매니퓰레이터는 외부에 노출되어 작업하게 되므로 매니퓰레이터의 어느 부분이든 물체와 충돌할 수 있다. 그리하여 물체의 충격이 각각 링크 1~6에 가해지는 상황을 가정하여 해석하였다. Fig.
목표로 하는 복합재난환경은 한국소방산업기술원의 자료에 근거하여 복사열원 온도를 500°C로 가정 하였다.
복합 재난 환경에서 유압 매니퓰레이터는 파손이 없어야 하며 임무 수행함에 있어서 충분한 신뢰성을 가져야 한다. 본 논문에서는 무게가 62.8kg인 정6면체(길이 200mm)가 2m/s의 속도로 매니퓰레이터에 충돌하는 상황을 가정하였다.

제안 방법

유압 매니퓰레이터의 관절의 각도범위는 Table 2와 같다. 각 관절의 각도범위를 이용하여 X-Y축 및 Y-Z 축의 작업영역을 도출하였다 9). Y-Z평면의 최대 작업 영역은 상하 3,900mm이며 전후 3,230mm이며(Fig.
각 관절 좌표계와 기구학적 변수를 설정하여 유압 매니퓰레이터의 정기구학과 역기구학을 유도했다. 각관절 좌표계의 변환행렬을 생성하고 Table 1의 기구학적 변수를 이용하여 End-effector의 자세를 구했다. 여기서 x, y, z의 방향 벡터를 n, s, a로 표현했으며 P 는 위치벡터로 나타내었다.
공기의 입구속도를 0.1m/s, 1m/s 두 가지 경우로 나누어 해석을 수행하고 유압 매니퓰레이터의 표면 온도를 관찰하였다. 매니퓰레이터를 일직선으로 폈을 경우 최대 온도는 입구속도 0.
또한 낙하물/장애물들의 예상치 못한 충돌상황을 가정하여 충격해석을 수행하여 매니퓰레이터 설계의 적정성을 검토하였다.
유압 매니퓰레이터의 기본 설계를 수행하고, 정기 구학, 역기구학을 도출하고 작업 시뮬레이션을 진행 하여 작업 범위, 각 관절의 각도 변화량, 구동에 필요한 토크 등을 알아보았다. 또한 매니퓰레이터 냉각 방안을 도출하고 온도 해석을 수행하여 복합 재난 환경에서 연속적으로 사용하려고할 때 필요한 공기 유량을 도출하였다.
5)를 수행 가능한 고가반하중의 유압식 매니 퓰레이터를 설계하고, 작업시뮬레이션을 수행하여 기구학적 성능을 검증하였다. 또한 온도해석, 구조해석, 충격해석을 수행하여 내열/내충격성을 검증하였다.
24~25에 보였다. 또한 이 값들을 상온에서 부하가 없을 때, 상온에서 부하 500kg을 적용했을 때의 값들과 비교하였다(Table 9~11).
개발 과정은 관절 매커니즘 설계, 매니퓰레이터 형상 설계 및 시뮬레이션을 통한 해석 등 3개 부분으로 나뉜다. 매니퓰레이터 손목에는 기본적으로 그리퍼를 장착하되, 작업의 수요에 따라 여러 가지 도구를 교체 가능하게 설계하였다.
매니퓰레이터를 고온 환경으로부터 보호하기 위해 Fig. 18와 같이 외부에 두께가 2mm인 단열재를 이용 하여 감싼 후 차가운 공기를 불어 넣는 방식을 채택 하였다. 6자유도 매니퓰레이터의 아래의 유동통로로 주입되는 차가운 공기는 반대 쪽 출구로 나오게 된다.
복합재난이 발생할 가능성이 높은 공장 건물의 외벽이 대부분 샌드위치 판넬로 만들어진 것을 고려하여, 화재 등이 발생했을 때 장갑형 로봇이 샌드위치 판넬로 구성된 외벽을 절단하고 진입하는 시나리오를 선정하였다. 유압 매니퓰레이터의 말단부에는 그라인더를 장착하여 샌드위치 판넬을 절단하게 되며 절단범위는 장갑형 로봇이 충분히 출입할 수 있도록 높이 2,300mm, 너비 3,000mm인 직사각형을 고려하였다.
복합재난환경에서 유압 매니퓰레이터가 고하중의 물체를 운반하고 장애물을 제거할 수 있는지 알아보기 위하여 온도해석 자료를 바탕으로 열-구조해석을 진행하여 매니퓰레이터 강도의 적정성을 확인하였다.
본 논문에서는 매니퓰레이터 외부에 단열재를 감싼 후 매니퓰레이터와 단열재의 사이로 공기를 흘려보내 매니퓰레이터의 온도를 낮추는 방법을 선택하였다. 공기의 물성치는 Table 4, 5, 6에 나타내었다⁹⁾.
본 논문에서는 온도해석 결과를 바탕으로, 최악의 상황을 가정하여 61.5°C 온도에서 열-구조 해석을 수행하여 매니퓰레이터의 건정성을 파악했다.
본 논문에서는 장갑형 로봇시스템의 임무 시나리오(Fig. 5)를 수행 가능한 고가반하중의 유압식 매니 퓰레이터를 설계하고, 작업시뮬레이션을 수행하여 기구학적 성능을 검증하였다. 또한 온도해석, 구조해석, 충격해석을 수행하여 내열/내충격성을 검증하였다.
유압 매니퓰레이터의 말단부에는 그라인더를 장착하여 샌드위치 판넬을 절단하게 되며 절단범위는 장갑형 로봇이 충분히 출입할 수 있도록 높이 2,300mm, 너비 3,000mm인 직사각형을 고려하였다. 시뮬레이션은 양팔 유압 매니퓰레이터를 이용하여 Fig. 9~11과 같이 상하좌우 모든 면을 절단하도록 진행하였다.
열전달 해석을 필요한 단열재와 공기 유동 사이의 정확한 경계층을 모사하기 위해 ANSYS inflation기능을 이용하여 직육면체 격자를 생성하였다(Fig. 20). 열전달 해석의 정확성과 안정성을 위해 특히 2mm두께의 단열재와 벽면 근처에 조밀한 격자를 생성하였다.
20). 열전달 해석의 정확성과 안정성을 위해 특히 2mm두께의 단열재와 벽면 근처에 조밀한 격자를 생성하였다. 생성된 격자의 수는 약 2,000만개이다.
유압 매니퓰레이터의 기본 설계를 수행하고, 정기 구학, 역기구학을 도출하고 작업 시뮬레이션을 진행 하여 작업 범위, 각 관절의 각도 변화량, 구동에 필요한 토크 등을 알아보았다. 또한 매니퓰레이터 냉각 방안을 도출하고 온도 해석을 수행하여 복합 재난 환경에서 연속적으로 사용하려고할 때 필요한 공기 유량을 도출하였다.
단열재는 MARKETECH International Inc.의 Silica Aerogel을 사용하여 열전도를 최소화 하였다. 단열재의 물성치는 Table 7에 보였다⁹⁾ .
임무 시나리오 구현을 위한 작업시뮬레이션을 진행하여 각 관절에 필요한 토크를 관측하였다(Fig. 16, 17). 각 링크의 질량은 Table 3과 같다.
작업 시뮬레이션을 수행할 때 관절의 토크를 관측 하였다. 관절 2(Pitch방향 운동 축)에 가장 큰 토크가 필요함을 알 수 있다.
6자유도 매니퓰레이터의 아래의 유동통로로 주입되는 차가운 공기는 반대 쪽 출구로 나오게 된다. 전산유동해석은 형상모델링, 격자 생성, 경계조건 설정, 수치기법 설정, 해석 및 후처리 등 순서로 진행하였다. 형상모델링을 위해 해석모델을 Fig.

대상 데이터

국내에서 개발된 재난 로봇은 다음과 같은 것들이 있다. 2000년 KAIST의 HWRS-ERC에서 개발한 실내 화재 진압용 소방로봇이 있는데 이 로봇은 화점 자동인식 기능이 있으며 층간 이동은 엘리베이터를 사용한다. 그런데 화재가 발생하면 대부분의 건물은 엘리베이터를 사용할 수 없으므로 이 로봇의 적용 범위는 매우 제한적이다.
장갑형 로봇 시스템의 유압 매니퓰레이터는 무거운 물체를 다루어야 하므로 충분한 강도와 강성을 지닌 소재를 사용해야 한다. 유압 매니퓰레이터의 링크 프레임의 소재는 SCM440를 사용하였고 물성치는 Table 8과 같다.

성능/효과

상온의 값과 비교했을 때 링크 1에서 큰 응력이 발생하는 것을 확인하였고, 다른 링크도 비슷한 경향을 보이는 것을 확인하였다. 하지만 전반적으로 등가 응력이 소재의 항복강도(415MPa)보다 작으므로 문제가 없을 것으로 판단하였다.

후속연구

향후에는 내열/내충격/고가반하중의 유압 매니퓰레이터를 제작하고 실제 복합재난환경에서 사용할 수 있게 개선할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합재난은 무엇인가?	복합재난이란 화재, 붕괴, 폭발, 가스사고 등 재난이 발생할 때 초기 대응이 지연 혹은 실패 시 복합적으로 동시 다발적으로 확산되어 대형화될 가능성이 높은 재난이다. 일반적으로 복합재난은 소방대원의 2차사고 위험이 높고 인명구조/화재진압이 매우 어려워 신기술/신장비의 도입이 시급하다1,2).
	국내에서 개발된 재난 로봇의 한계는 무엇인가?	상기 로봇들은 화재 현장으로의 신속한 투입이 어렵거나, 정찰 정보만 제공할 뿐 다른 물리적인 대응 수단이 없다. 또한 원거리 방수 기능만 탑재하고 있는 경우도 있다. 따라서 국내에서 개발된 기존 재난 로봇들은 복합재난 환경에서 인명구조/화재진압에 적합하지 않다.
	복합재난용 로봇은 어떤 기능을 가져야 하는가?	그러므로 복합재난용 로봇(Fig. 4)은 소방관의 현장 접근성을 높이고, 붕괴, 유독가스 등으로부터 안전한 임시 피난처를 제공해야 하며 화점에 정확히 조준 방수를 할 수 있어야 한다. 자세히 설명하면 다음과 같다.

참고문헌 (9)

M. Jin, E. Jung, O. Yu, D. Kim, J. Jang, D. Kim, S. Oh, and J. Suh, "Specification development on armored robot systems for accident response in composite disaster site," Korea Robotics Society Annual Conference, pp. 310-311, Feb. 2017.
Y. R. Kim, O. Yu, Y. Choi, D. Kim, J. Lee, K. K. Ahn, M. Jin, and J. Suh, "An armored robot system for disaster circumstances," Korea Robotics Society Annual Conference, pp. 312-313, Feb. 2017.
Pyung-Hun Chang et al., "Control architecture design for a fire searching robot using task oriented design methodology," in Proc. SICE-ICASE International Joint Conference (ICCAS2006), Busan, Korea, pp.3126-3131, Oct. 2006.
J. Kim, M. Kim, M. Jin, J. Lee, and P. H. Chang, "Development of fire-fighting and rescue robot for outdoor environment using target oriented design methodology," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems Vol.13 No.2, pp. 86-92, 2007.
Nedo, "Development Strategy for Robotics and the Present Conditions in Japan," JOGMEC Techno Forum, 2015.
D. B. Shin et al., "Design of a robot leg mechanism for early rescue and recovery support from a disaster," Journal of Drive and Control, Vol.13, No.4, pp. 89-94, 2016.
J. H. Kim, E. Jung, J. Lee, D. Jeong, and M. Jin, "Forward kinematics and workspace analysis of a hydraulic robot manipulator for armored robot systems," Korea Robotics Society Annual Conference, pp. 555-556, Feb. 2017.
E. Jung, J. H. Kim, and, M. Jin, "Kinematic analysis of hydraulic manipulators for a disaster response robot," International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence, pp. 208-209, Jun. 2017.
M. Jin, J. H. Kim, D. Jeong, and J. Suh, "Hydraulic manipulators for disaster relief and rescue operation," Korean Society of Mechanical Engineers, Autumn Conference, pp. 14-18, Nov. 2017.

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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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