[논문]다자유도 수동식 중력보상장치 기반의 6자유도 산업용 로봇

안국현; 송재복

doi:10.7746/jkros.2017.12.1.01

Abstract ▼ AI-Helper

Static balance of an articulated robot arm at various configurations requires a torque compensating for the gravitational torque of each joint due to the robot mass. Such compensation torque can be provided by a spring-based counterbalance mechanism. However, simple installation of a counterbalance ...

Static balance of an articulated robot arm at various configurations requires a torque compensating for the gravitational torque of each joint due to the robot mass. Such compensation torque can be provided by a spring-based counterbalance mechanism. However, simple installation of a counterbalance mechanism at each pitch joint does not work because the gravitational torque at each joint is dependent on other joints. In this paper, a 6 DOF industrial robot arm based on the parallelogram for multi-DOF counterbalancing is proposed to cope with this problem. Two passive counterbalance mechanisms are applied to pitch joints, which reduces the required torque at each joint by compensating the gravitational torque. The performance of this mechanism is evaluated experimentally.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 롤-피치-피치-롤-피치-롤의 관절 구조를 갖는 6자유도 로봇의 처음의 두 피치관절에 대해 중력보상장치를 적용하기 위해 중력보상장치의 설계변수 선정을 위한 시뮬레이션을 진행하였다. 이에 따라 설계 모델을 바탕으로 첫 번째 피치관절(관절 2)에 연결된 링크의 질량을 4kg, 무게중심까지의 거리를 170mm, 두 번째 피치관절(관절 3)에 연결된 링크부터 말단까지의 질량을 12 kg, 무게중심까지의 거리를 155 mm, 관절 2와 3 사이의 거리를 400mm로 설정하였다.
본 연구에서는 일반적인 산업용 로봇의 구조를 유지하면서 2개의 피치관절에 중력보상장치가 적용된 6자유도 수직다관절 로봇을 개발하였다. 평행 4절링크 구조를 이용하여 다자유도 중력보상을 구현하였으며, 로봇의 시제품을 이용한 실험을 통해 2개의 중력보상장치가 효과적으로 로봇의 중력토크를 상쇄한다는 것을 확인하였다.

제안 방법

본 연구에서는 일반적인 수직다관절 산업용 로봇의 관절 구성(롤-피치-피치-롤-피치-롤)을 따르는 6자유도 로봇을 개발하고, 2개의 피치관절에 대해 중력보상을 구현하였다. 단순하지만 내구성이 높은 슬라이더-크랭크 방식을 이용하여 관절의 회전에 수동적으로 따르면서 근사적으로 보상토크를 생성하는 중력보상장치를 적용하였으며, 평행 4절 링크 구조를 로봇에 적용하여 중력토크가 가장 많이 인가되는 2개의 피치관절에 중력보상을 구현하였다. 이를 통해 로봇의 구동에 필요한 토크를 획기적으로 감소시켜 필요한 에너지를 최소화시켰고, 시제품을 제작하여 중력보상 성능 및 동적 상태에서의 제어 성능을 검증하였다.
본 연구에서는 일반적인 수직다관절 산업용 로봇의 관절 구성(롤-피치-피치-롤-피치-롤)을 따르는 6자유도 로봇을 개발하고, 2개의 피치관절에 대해 중력보상을 구현하였다. 단순하지만 내구성이 높은 슬라이더-크랭크 방식을 이용하여 관절의 회전에 수동적으로 따르면서 근사적으로 보상토크를 생성하는 중력보상장치를 적용하였으며, 평행 4절 링크 구조를 로봇에 적용하여 중력토크가 가장 많이 인가되는 2개의 피치관절에 중력보상을 구현하였다.
단순하지만 내구성이 높은 슬라이더-크랭크 방식을 이용하여 관절의 회전에 수동적으로 따르면서 근사적으로 보상토크를 생성하는 중력보상장치를 적용하였으며, 평행 4절 링크 구조를 로봇에 적용하여 중력토크가 가장 많이 인가되는 2개의 피치관절에 중력보상을 구현하였다. 이를 통해 로봇의 구동에 필요한 토크를 획기적으로 감소시켜 필요한 에너지를 최소화시켰고, 시제품을 제작하여 중력보상 성능 및 동적 상태에서의 제어 성능을 검증하였다.
제작한 중력보상로봇의 중력보상 정도를 확인하기 위해 관절에 삽입한 토크센서를 통해 관절에 인가되는 중력토크를 측정하였다. Fig.
중력보상장치의 효과를 확인하고, 중력보상 로봇의 성능을 확인하기 위해 다음과 같이 관절의 토크를 측정하고, 속도의 추종 정도를 실험하였다.

성능/효과

3Nm로 감소한다. 따라서 스프링과 슬라이더-크랭크 기반의 중력보상장치가 로봇 관절에 인가되는 중력 토크를 효과적으로 보상하여 관절에 필요한 토크를 크게 감소시킨다는 것을 확인할 수 있으며, 이는 관절을 구동하는 데 필요한 모터의 용량을 획기적으로 줄일 수 있다는 것을 의미한다. 실제로, 개발한 중력보상로봇의 관절 2와 3에는 100W짜리 모터가 사용되었으며, 이는 중력보상장치를 적용하지 않았을 때 필요한 모터 용량 의 1/3 이하 수준이다.
평행 4절링크 구조를 이용하여 다자유도 중력보상을 구현하였으며, 로봇의 시제품을 이용한 실험을 통해 2개의 중력보상장치가 효과적으로 로봇의 중력토크를 상쇄한다는 것을 확인하였다. 또한, 고속에서의 로봇 운용을 통해 중력보상장치가 탑재되어도 로봇의 제어 성능에는 크게 영향이 없다는 점을 확인하였다.
이는 관절이 회전함 에 따른 스프링의 압축과 복원이 주파수 관점에서는 매우 느리며, 이러한 스프링의 거동으로 인한 영향이 있더라도 스프링과 병렬로 연결된 서보모터가 입력 신호를 추종하면서 영향을 억제하기 때문이다. 이러한 실험을 통해 기존에 사용하던 제어기와 제어 알고리즘을 그대로 사용해도 중력보상 로봇의 제어에는 거의 문제가 없다는 점을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 일반적인 산업용 로봇의 구조를 유지하면서 2개의 피치관절에 중력보상장치가 적용된 6자유도 수직다관절 로봇을 개발하였다. 평행 4절링크 구조를 이용하여 다자유도 중력보상을 구현하였으며, 로봇의 시제품을 이용한 실험을 통해 2개의 중력보상장치가 효과적으로 로봇의 중력토크를 상쇄한다는 것을 확인하였다. 또한, 고속에서의 로봇 운용을 통해 중력보상장치가 탑재되어도 로봇의 제어 성능에는 크게 영향이 없다는 점을 확인하였다.

후속연구

하지만 중력보상을 통해 상대적으로 작은 용량의 모터를 사용하여 로봇을 구동함으로써 운영 시에 필요한 전기 에너지를 대폭 절감할 수 있으며, 로봇의 자중에 의한 중력토크뿐만 아니라 대상 작업물에 의한 중력토크까지 보상한다면 더 큰 효과를 만들 수 있을 것으로 예상된다. 이를 구현하기 위해 보상토크의 크기를 조절할 수 있는 가변 중력보상장치에 대한 연구를 진행할 계획이다.
개발한 로봇은 중력보상장치를 탑재하므로 이를 위한 추가공간이 필요하며, 2자유도 중력보상을 위한 평행 4절링크의 사용으로 관절 3의 구동 범위가 제한을 받는다는 단점이 있다. 하지만 중력보상을 통해 상대적으로 작은 용량의 모터를 사용하여 로봇을 구동함으로써 운영 시에 필요한 전기 에너지를 대폭 절감할 수 있으며, 로봇의 자중에 의한 중력토크뿐만 아니라 대상 작업물에 의한 중력토크까지 보상한다면 더 큰 효과를 만들 수 있을 것으로 예상된다. 이를 구현하기 위해 보상토크의 크기를 조절할 수 있는 가변 중력보상장치에 대한 연구를 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 제시하는 6자유도 로봇개발 및 검증 방향은?	본 연구에서는 일반적인 수직다관절 산업용 로봇의 관절 구성(롤-피치-피치-롤-피치-롤)을 따르는 6자유도 로봇을 개발하고, 2개의 피치관절에 대해 중력보상을 구현하였다. 단순하지만 내구성이 높은 슬라이더-크랭크 방식을 이용하여 관절의 회전에 수동적으로 따르면서 근사적으로 보상토크를 생성하는 중력보상장치를 적용하였으며, 평행 4절 링크 구조를 로봇에 적용하여 중력토크가 가장 많이 인가되는 2개의 피치관절에 중력보상을 구현하였다. 이를 통해 로봇의 구동에 필요한 토크를 획기적으로 감소시켜 필요한 에너지를 최소화시켰고, 시제품을 제작하여 중력보상 성능 및 동적 상태에서의 제어 성능을 검증하였다.
	중력토크를 상쇄하는 대표적인 방법은 무엇이 있는가?	이러한 에너지를 최소화하기 위해 관절에 인가되는 중력토크를 상쇄하려는 다양한 시도가 있었다[1,2]. 대표적인 방법으로 평형추를 설치하여 링크의 무게중심을 관절의 회전축에 일치시켜 중력토크를 상쇄하는 방법과 스프링을 통하여 힘 평형을 이루는 방법이 있다. 일부 대형 산업용 로봇에는 첫 번째 피치관절에 대해서 스프링이나 평형추를 통한 중력보상을 적용해오고 있다.
	중력보상장치는 어떻게 구성되는가?	설계된 중력보상장치는 Fig. 6(a)과 같이 2개의 스프링과 스프링 좌굴을 방지하기 위한 스프링 가이드, LM 가이드에 고정되어 움직이면서 스프링을 압축하는 슬라이더 블록과 스프링의 힘을 전달하는 커넥팅 로드로 구성된다. Fig.

참고문헌 (9)

Q. Lu, C. Ortega, and O. Ma, "Passive Gravity Compensation Mechanisms: Technologies and Applications." Recent Patents on Engineering, vol. 5, no. 1, pp. 32-44, 2011.

상세보기
T. Rahman, R. Ramanathan, R. Seliktar and W. Harwin, "A Simple Technique to Passively Gravity-Balance Articulated Mechanisms," Journal of Mechanical Design, vol. 117, no. 4, pp. 655-658, 1995.

상세보기
I.H. Kang, H.S. Kim, J.B. Song, H.S. Lee, and I.S. Chang, "Manipulator Equipped with Counterbalance Mechanism Based on Gear Unit", Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers, vol. A38, no. 3, pp. 289-294, 2014.
T. Wongratanaphisan, M. Chew, "Gravity Compensation of Spatial Two-DOF Serial Manipulators," Journal of Robotic Systems, vol. 19, no. 7, pp. 329-347, 2002.

상세보기
S. K. Agrawal, A. Fattah, "Gravity-Balancing of Spatial Robotic Manipulators," National Conference on Machines and Mechanisms, vol. 39, no. 12, pp. 1331-1344, 2003.
A. Fattah, S. K. Agrawal, "Gravity-Balancing of Classes of Industrial Robots," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 2872-2877, 2006.
N. Ulrich, V. Kumar, "Passive Mechanical Gravity Compensation for Robot Manipulators," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 1536-1541, 1991.
G. Endo, H Yamada, A. Yajima, M Ogata, and S Hirose, "A Passive Weight Compensation Mechanism with a Non-Circular Pulley and a Spring," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 3843-3848, 2010.
H.S. Kim and J.B. Song, "Low-cost robot arm with 3-DOF counterbalance mechanism," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 4168-4173, 2013.

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