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문제 정의
- 본 연구에서는 델타로봇의 역기구학식을 해석하였고 해석한 수식을 토대로 델타로봇의 모델링을 이용하여 동역학 해석 프로그램으로 모델링의 타당성을 확인하였다. 동역학 해석프로그램에서 사용한 모션 제어 코드를 실제의 제어기에 이식하여 사용함으로써 모델링와 제어기 구현의 연속성을 유지하였다.
- 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 고속 운동에 적합한 경량 델타로봇을 모델링하여 제작하여 기존의 델타로봇에 비해 경량화 하였으며 또한 모델링을 이용한 모션 시뮬레이션을 통하여 로봇 제어의 타당성을 확인하였다.[7][8][9][10] 이어서 시뮬레이션으로 획득한 데이터를 통하여 모터 및 모터 드라이버를 선정하고 선정된 모터와 저가형 제어보드를 이용하여 로봇의 모션 제어 소프트웨어를 개발하였다 이를 바탕으로 경량 델타로봇을 제작하여 실험을 통하여 성능을 평가하였다.
제안 방법
- [11] 위 기구부들에 대해서 우선 기본적인 모델링이 필요함에 따라 CATIA를 이용하여 목표하고자 하는 형태로 최소한의 형태로 모델링을 진행하였다 그에 대해서 그림 Fig. 1 에 표현 하였다 이후 위 모델링을 토대로 기구학 시뮬레이션을 진행하였다.
- [7][8][9][10] 이어서 시뮬레이션으로 획득한 데이터를 통하여 모터 및 모터 드라이버를 선정하고 선정된 모터와 저가형 제어보드를 이용하여 로봇의 모션 제어 소프트웨어를 개발하였다 이를 바탕으로 경량 델타로봇을 제작하여 실험을 통하여 성능을 평가하였다.
- 완성한 델타로봇의 실제 모션의 움직임과 시뮬레이션에서 나타난 결과를 비교하기 위해서 델타로봇 Control 플랫폼 중심을 기준으로 동작을 확인하였다. z축 구동과 (x, y) 구동의 두 가지 실험을 통하여 성능 확인을 진행하였다.
- 이후 모델링의 내구성과 구동범위의 타당성을 검증하였고 이후 실제 제작에 착수하였다. 델타로봇의 기본 구성 요소인 플랫폼, 베이스, 크랭크, 링크 암, 유니버설조인트 등의 기구부에서 크기와 무게를 줄이고자 링크 암 및 유니버설조인트 등의 재료를 플라스틱으로 선정하여 델타로봇의 경량화를 시도하였고, 모터는 고가의 서보모터 대신에 저렴한 가격의 스텝모터를 사용하였다. 선정한 스텝모터의 Stall 토크는 550[N·mm]로 Fig.
- 동역학 해석프로그램에서 사용한 모션 제어 코드를 실제의 제어기에 이식하여 사용함으로써 모델링와 제어기 구현의 연속성을 유지하였다. 델타로봇의 링크 재질을 플라스틱으로 선정하여 알루미늄 소재 대비하여 60% 가량의 무게 경량화를 하였고, 제어부는 ATMEGA를 이용한 제어플랫폼으로 저렴하게 제작할 수 있도록 하였다. 또한 기존의 고가의 서보모터를 대신하여 스텝모터를 사용함으로 인해 가격의 저렴화를 시도하였다.
- 실제 델타로봇을 제작할 때 경량 구조의 설계개념과 가격의 저렴화를 목표로 제작하였다. 델타로봇의 안정성과 빠른 구동을 위한 구조로 설계를 하였으며 최소한의 부품구성과 가벼운 플라스틱 소재를 선택하여 경량화를 시도하였다. Fig.
- 이러한 오차는 링크 암과 유니버설조인트가 플라스틱으로 설계되었기 때문에 발생한 것으로 추정된다. 두번째 실험은 z축을 -18로 고정시키고, x축 y축 값을 변경하는 구동을 실시하였다. x축, y축 상의 최대 길이는 워크스페이상에서 6.
- 델타로봇의 링크 재질을 플라스틱으로 선정하여 알루미늄 소재 대비하여 60% 가량의 무게 경량화를 하였고, 제어부는 ATMEGA를 이용한 제어플랫폼으로 저렴하게 제작할 수 있도록 하였다. 또한 기존의 고가의 서보모터를 대신하여 스텝모터를 사용함으로 인해 가격의 저렴화를 시도하였다. 모션 제어 커널에는 타이머 인터럽트를 기반으로 하는 모션 제어 커널을 설계하여 포어그라운드(Foreground)로 구성하였고, 사용자 인터페이스는 백그라운드(Background)로 분리하였다.
- 또한 기존의 고가의 서보모터를 대신하여 스텝모터를 사용함으로 인해 가격의 저렴화를 시도하였다. 모션 제어 커널에는 타이머 인터럽트를 기반으로 하는 모션 제어 커널을 설계하여 포어그라운드(Foreground)로 구성하였고, 사용자 인터페이스는 백그라운드(Background)로 분리하였다. 이때 구동되는 클락 속도는 8ms로 일반 산업용 제어기보다는 느리지만, 중급 정도의 모션 제어가 가능하도록 하였다.
- 포어그라운드는 모션 프로파일에 따른 구동과 펄스생성을 위하여 타이머기반으로 설계되었다 사용자가 원하는 경로와 좌표를 입력하면, 현재 좌표를 시작으로 이동 경로를 생성하되, 최대속도와 가감속도로 구성된 모션 프로파일을 시간스케줄에 따라 이동좌표에 대한 펄스를 출력하게 되어 있다. 보드의 특성을 고려하여 타이머 인터럽트의 완성한 델타로봇의 실제 움직임과 시뮬레이션에 클럭(Clock) 속도를 8ms로 프로그래밍 하여 모션의 정밀도를 높이고자 하였다. 타이머 인터럽트를 통하여 델타로봇은 실시간 제어가 가능하게 되었으며 보다 정확한 주기로 제어가 가능하게 되었다.
- 실제 델타로봇을 제작할 때 경량 구조의 설계개념과 가격의 저렴화를 목표로 제작하였다. 델타로봇의 안정성과 빠른 구동을 위한 구조로 설계를 하였으며 최소한의 부품구성과 가벼운 플라스틱 소재를 선택하여 경량화를 시도하였다.
- 7은 각각의 링크 암의 구동 토크 값을 도시화하였다. 여러 방향으로 이 움직이면서 가해지는 링크 암의 구동 토크 값을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 이 값을 통하여 구동하면서 발생하는 최대 토크 값을 확인하고 링크 암을 구동시키기 위한 모터를 선정하기 위한 근거로 사용하였다.
- 완성한 델타로봇의 실제 모션의 움직임과 시뮬레이션에서 나타난 결과를 비교하기 위해서 델타로봇 Control 플랫폼 중심을 기준으로 동작을 확인하였다. z축 구동과 (x, y) 구동의 두 가지 실험을 통하여 성능 확인을 진행하였다.
- 델타로봇의 모션 커널(Kernel) 제작하기 위해서 우선 제어 보드를 선정해야 한다. 우선 제어하기 편한 ATMEGA를 기반으로 제어 프로그램을 제작하였다. 그래서 ATMEGA MCU 칩을 기반으로 만들어진 RAMBO 1.
- 여러 방향으로 이 움직이면서 가해지는 링크 암의 구동 토크 값을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 이 값을 통하여 구동하면서 발생하는 최대 토크 값을 확인하고 링크 암을 구동시키기 위한 모터를 선정하기 위한 근거로 사용하였다.
- 모션 제어 커널에는 타이머 인터럽트를 기반으로 하는 모션 제어 커널을 설계하여 포어그라운드(Foreground)로 구성하였고, 사용자 인터페이스는 백그라운드(Background)로 분리하였다. 이때 구동되는 클락 속도는 8ms로 일반 산업용 제어기보다는 느리지만, 중급 정도의 모션 제어가 가능하도록 하였다. 이렇게 완성된 기구부와 제어부를 장착한 델타로봇을 제작하였고, 경로 제어 실험을 통하여 타당성을 검증하였다.
- 이때 구동되는 클락 속도는 8ms로 일반 산업용 제어기보다는 느리지만, 중급 정도의 모션 제어가 가능하도록 하였다. 이렇게 완성된 기구부와 제어부를 장착한 델타로봇을 제작하였고, 경로 제어 실험을 통하여 타당성을 검증하였다.
- 이후 모델링의 내구성과 구동범위의 타당성을 검증하였고 이후 실제 제작에 착수하였다. 델타로봇의 기본 구성 요소인 플랫폼, 베이스, 크랭크, 링크 암, 유니버설조인트 등의 기구부에서 크기와 무게를 줄이고자 링크 암 및 유니버설조인트 등의 재료를 플라스틱으로 선정하여 델타로봇의 경량화를 시도하였고, 모터는 고가의 서보모터 대신에 저렴한 가격의 스텝모터를 사용하였다.
- 8과 같이 홈 센싱을 위한 센서 어셈블리를 구성하여 보다 정밀한 제어를 가능하도록 설계하였다. 제어기에 맞는 전원을 공급하기 위하여 SMPS (Switching Mode Power Supply)를 설치하였다. 이러한 제작을 통하여 델타로봇은 Fig.
- 제어부는 최근 현장에서 많이 사용되고 있는 ATMEGA 기반의 모터드라이버 일체형 보드를 사용하여 기존의 델타로봇의 제어부에 비하여 단순하게 구성하였다. 추가적으로 포토센서를 연결하여 Fig. 8과 같이 홈 센싱을 위한 센서 어셈블리를 구성하여 보다 정밀한 제어를 가능하도록 설계하였다. 제어기에 맞는 전원을 공급하기 위하여 SMPS (Switching Mode Power Supply)를 설치하였다.
대상 데이터
- 우선 제어하기 편한 ATMEGA를 기반으로 제어 프로그램을 제작하였다. 그래서 ATMEGA MCU 칩을 기반으로 만들어진 RAMBO 1.4 보드를 선택하였다. 또한 제어보드에는 스텝모터드라이버가 내장되어 있기 때문에 모션 커널에서는 모션 제어를 위한 경로 모션 프로파일을 생성한다 특히 스테핑 모터의 제어를 위하여 정해진 주기의 펄스생성 알고리즘이 포함되어 있다 모션 커널 프로그램의 작동 순서도를 Fig.
- 델타로봇의 기본 구성 요소로는 플랫폼, 베이스, 크랭크, 링크 암, 유니버설 조인트(Universal joint) 등의 기구부로 구성된다.[11] 위 기구부들에 대해서 우선 기본적인 모델링이 필요함에 따라 CATIA를 이용하여 목표하고자 하는 형태로 최소한의 형태로 모델링을 진행하였다 그에 대해서 그림 Fig.
- 선정한 스텝모터의 Stall 토크는 550[N·mm]로 Fig. 7의 최대 토크인 70[N·mm]보다 비교적 큰 여유를 두도록 하였다.
- 그 외에 연결부품 들에 대해서는 알루미늄으로 제작하였다. 제어부는 최근 현장에서 많이 사용되고 있는 ATMEGA 기반의 모터드라이버 일체형 보드를 사용하여 기존의 델타로봇의 제어부에 비하여 단순하게 구성하였다. 추가적으로 포토센서를 연결하여 Fig.
성능/효과
- 본 연구에서는 델타로봇의 역기구학식을 해석하였고 해석한 수식을 토대로 델타로봇의 모델링을 이용하여 동역학 해석 프로그램으로 모델링의 타당성을 확인하였다. 동역학 해석프로그램에서 사용한 모션 제어 코드를 실제의 제어기에 이식하여 사용함으로써 모델링와 제어기 구현의 연속성을 유지하였다. 델타로봇의 링크 재질을 플라스틱으로 선정하여 알루미늄 소재 대비하여 60% 가량의 무게 경량화를 하였고, 제어부는 ATMEGA를 이용한 제어플랫폼으로 저렴하게 제작할 수 있도록 하였다.
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