[논문]트리즈를 이용한 재난대응 특수목적기계의 양팔용 작업장치 설계

조정산

doi:10.7839/ksfc.2018.15.3.029

[국내논문] 트리즈를 이용한 재난대응 특수목적기계의 양팔용 작업장치 설계
Design of Attachments for Dual Arm of Disaster-Responding Special Function Machinery by TRIZ 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.15 no.3, 2018년, pp.29 - 35

조정산 (Department of Robot, Korea Institute of Industrial Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the design of attachments for dual arms of disaster responding heavy machine. The heavy machine handles a variety of tasks such as cutting, shredding, picking and moving in unstructured environment. Despite the need for rapid response, the heavy machine has difficulty in repeatedly replacing the attachment depending on the task. Thus, we propose a method to solve this physical and functional contradiction relation by using TRIZ separation principles. Above all, the existing equipment and the required working scenarios were surveyed and summarized in order to separate the attachments functionally for right-handed, left-handed and two-handed operation. Then, we proposed the design directions and conceptual design as following: multi function type attachment A, for precise operation and various operations; grab type attachment B, for grasping irregular objects and auxiliary device for both arms to handle bulky objects.

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문제 정의

재난 장비들은 대부분 양팔 형태로서, 두 개의 작업기와 각각의 종단에 작업장치(어태치먼트, attachment)가 부착되어 있는데, 이전 연구¹⁾에서는 작업시나리오에 따른 양팔 작업기 형상에 대한 설계안을 도출하였고, 본 논문에서는 양팔에 부착될 작업장치의 설계에 관한 것이다. 이를 위해서 2장에서는 기존 장비들의 작업장치들을 조사 분석하고, 재난대응 특수목적 기계의 작업시나리오에 따른 기능을 정의하여 설계요구사항을 도출하고, 3장에서는 트리즈(TRIZ)를 활용하여 설계 방향을, 4장에서는 개념 설계안을 제시하며, 5장에서는 결론과 더불어 향후 연구 계획을 기술하고자 한다.
본 장에서는 재난대응 시나리오에 따른 요구사항을 만족하는 양팔작업기용 작업장치를 설계함에 있어 고려해야 할 부분과 함께, 요구되는 기능사이의 모순관계를 분석하여 러시아의 알트슐러에 의해 개발된 트리즈를 활용하여 설계 방향을 제시하고자 한다.⁸⁾
핀칭 부분으로 재질이 다른 다양한 물체를 파지하기 위해서는 파지력을 조절하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 실린더의 압력을 제어하여 필요한 파지력을 조절하는 방식을 채택하였다.
건설기계에서 사용하는 그래브는 물체의 형상에 따라 파지 성능이 달라진다. 전용그래브를 제작하는 이유도 파지성능을 향상시켜 작업의 효율성을 높이고자 함이다. 사람과 같이 손가락 관절마다 구동기를 설치하면 조작성은 높아지지만, 시스템이 복잡해지고, 무거워지며, 제어가 어려워진다.
사람과 같이 손가락 관절마다 구동기를 설치하면 조작성은 높아지지만, 시스템이 복잡해지고, 무거워지며, 제어가 어려워진다. 본 연구에서는 비정형 물체에 대해서 단순히 실린더의 압력만 제어하더라도 다양한 형상의 물체를 파지할 수 있도록 Robotiq사의 3지형 그래브⁹⁾를 모방하여 설계하였다. 손가락 관절은 물체 형상에 따라 적응할 수 있는 부족 구동 방식으로써 복합구조의 4절 링크장치와 스프링으로 구성되어 있다.
5에 나타낸 것처럼 양팔에 스프링을 포함하는 보조 장치와 양팔의 위치제어를 통하여 필요한 파지력을 조절할 수 있다. 구체적인 설계안은 보조 장치에 대한 연구는 진행 중에 있어 추후 자세한 내용을 제시하고자 한다.

제안 방법

새로운 장비의 설계 요구사항을 도출하기 위해서는 어떤 상황에서 어떤 작업을 수행하는지를 결정하는 것이 매우 중요하다. 재난대응 특수목적기계의 작업시나리오는 붕괴지역 및 재난 환경 분석과 더불어 전문가의 자문을 통하여 요구되는 작업을 정의하였고¹⁾, 이에 따른 동작을 크게 절단, 인양, 벌리기, 이동 등으로 분류하고 각각의 환경과 작업조건, 작업미션별로 총 25개의 시나리오를 도출하였다. 대부분의 작업은 작업장치로 이루어지기 때문에 각 상황별 작업성을 향상을 위한 작업장치의 설계가 무엇보다 중요하다.
트리즈는 창의적 문제 해결방법론으로 기술분야 뿐만 아니라 다양한 분야에서 새로운 해결방법을 제시하기 위해 사용하고 있다. 본 연구에서는 설계 요구사항으로부터 물리적 모순관계를 시간에 의한 분리, 공간에 대한 분리, 전체와 부분에 의한 분리와 함께 트리즈의 40가지의 원리를 이용하였다.
첫째, Table 3에서 TC1과 TC2를 해결하기 위하여 공간에 의한 분리와 분할(Segmentation) 및 비대칭(Asymmetry) 원리를 적용하였다. 작업장치를 교환하지 않는 첫 번째 방법은 사람과 같은 로봇 손을 부착하고, 절단기, 드릴, 스프레더 등 다양한 툴을 잡고 작업하는 것이다.
넷째, TC5를 해결하기 위해 전체와 부분에 의한 분리와 국부적 품질(Local quality)을 적용하였다. 절단기의 칼날 부분과 크러셔의 마모가 많이 되는 부분은 교체가 가능하도록 설계하고, 지렛대처럼 힘이 많이 필요한 기능(절단, 파쇄, 핀칭 순)부터 회전축에 가깝게 배치하면 무게와 사이즈를 줄일 수 있다.
오른쪽은 정밀한 작업을 위해 필요한 툴들을 묶어 다기능 작업장치로 설계하였다. 건설장비에서도 쉐어와 크러셔는 복합된 형태의 제품이 있으며, ASTACO모델들도 두 가지 기능을 결합한 작업장치를 소개하였다.
오른쪽은 정밀한 작업을 위해 필요한 툴들을 묶어 다기능 작업장치로 설계하였다. 건설장비에서도 쉐어와 크러셔는 복합된 형태의 제품이 있으며, ASTACO모델들도 두 가지 기능을 결합한 작업장치를 소개하였다. 연구 개발 중인 특수목적기계는 재난 상황에서 소방관을 돕기 위한 장비이기 때문에 설계를 위하여 소방관들의 작업을 분석하였다.
건설장비에서도 쉐어와 크러셔는 복합된 형태의 제품이 있으며, ASTACO모델들도 두 가지 기능을 결합한 작업장치를 소개하였다. 연구 개발 중인 특수목적기계는 재난 상황에서 소방관을 돕기 위한 장비이기 때문에 설계를 위하여 소방관들의 작업을 분석하였다. 분석 결과, 절단과 파쇄뿐만 아니라, 출입문이나 샌드위치 패널 사이를 벌리거나 잔해물 사이를 벌리는 기능(Spreader)이 필요함을 알 수 있었다.
실린더는 가장 많은 힘이 필요한 절단력(20mm 철근 기준 350kgf)을 기준으로 선정하였다. 이에 따라 파쇄력은 약 220kgf, 파지력은 120kgf로 예상되며, 전개력은 소방구조대원이 사용하는 장비 기준으로 100kgf로 설계하였고, C형강 절단을 위해 절단기의 날의 길이는 150mm이상으로 설계하였다.
Table 3의 TC5를 해결하기 위해 절단기의 칼날 부분과 크러셔에서 마모가 많이 되는 부분은 강성 재질로 교체가 가능하며, 지렛대 원리처럼 힘이 많이 필요한 기능을 회전축 가까이 배치함으로써 강성 해석을 통하여 무게와 사이즈를 최적화하였다. 핀칭 부분으로 재질이 다른 다양한 물체를 파지하기 위해서는 파지력을 조절하는 것이 필요하다.
Robotiq 그래브는 2중 링크 메커니즘으로 구속을 주었는데, 이는 14개의 힌지 조인트를 구성해야 하기 때문에 구조가 복잡하고 강한 강성이 필요한 특수목적기계에 사용하기에는 한계가 있다. 오른쪽 작업장치의 기능인 두 손가락 끝이 맞붙어 물건을 집을 수 있는 핀칭 기능을 위한 링크부분을 제거하였다. 그러나, 손가락들을 완전히 굽히면 파이프나 철근을 움켜잡을 수는 있다.
지금까지 재난대응 특수목적기계의 양팔작업기용 작업장치의 설계를 위하여 기존 장비를 분석하고 작업시나리오에 따라 요구사항을 정리하여 설계에 필요한 고려사항을 도출하였다. 재난이라는 특수한 상황에서 다양한 작업에 대응하기 위해 발생하는 물리적 기능적 모순을 트리즈를 통하여 해결방법을 제시하였다.
지금까지 재난대응 특수목적기계의 양팔작업기용 작업장치의 설계를 위하여 기존 장비를 분석하고 작업시나리오에 따라 요구사항을 정리하여 설계에 필요한 고려사항을 도출하였다. 재난이라는 특수한 상황에서 다양한 작업에 대응하기 위해 발생하는 물리적 기능적 모순을 트리즈를 통하여 해결방법을 제시하였다. 이에 따라 작업장치를 정밀한 동작과 다양한 작업 수행을 위한 작업장치A와 비정형 물체 파지를 위한 그래브 타입의 작업장치B, 그리고 부피가 큰 물체 조작을 위한 양팔 협조용 보조 장치에 대한 개념 설계안을 제시하였다
재난이라는 특수한 상황에서 다양한 작업에 대응하기 위해 발생하는 물리적 기능적 모순을 트리즈를 통하여 해결방법을 제시하였다. 이에 따라 작업장치를 정밀한 동작과 다양한 작업 수행을 위한 작업장치A와 비정형 물체 파지를 위한 그래브 타입의 작업장치B, 그리고 부피가 큰 물체 조작을 위한 양팔 협조용 보조 장치에 대한 개념 설계안을 제시하였다

대상 데이터

요구사양은 가스통(367mm) C형강(250mm), 벽돌(50mm x 200mm), 시멘트블럭(250mm)과 함께, 400mm이하 콘크리트 잔해물도 파지가 가능한 구조로 설계하였으며, 파지 가능한 물체의 무게는 200kg으로 선정하였다.

이론/모형

물건을 집어 올리거나 스위치를 조작하고, 밸브를 잠그기도 하며, 용접기, 절단기 등 사람이 사용하는 공구를 파지하여 작업하고, 양팔로 드럼통을 들어올리기도 한다. 3지의 손가락은 각각의 액추에이터로 동작되며, 엄지의 경우는 내전 외전 동작이 되는 것으로 보아 작업장치는 총 4자유도를 가지고 있고, 손가락은 하나의 실린더로 구동되는 2관절을 구동하는 4절 링크 언더액추에이티드(under-actuated) 방식의 메커니즘을 사용하였다.
셋째, TC1과 TC4를 해결하기 위해 시간에 의한 분리와 다용도(Multi function) 원리를 사용하였다. 오른쪽에 장착될 정밀한 조작이 요구되는 작업장치들을 어떻게 통합하여 설계할 것인지에 대한 고려사항으로, 다기능 작업장치를 설계함에 있어 적용한 방법이다.

성능/효과

연구 개발 중인 특수목적기계는 재난 상황에서 소방관을 돕기 위한 장비이기 때문에 설계를 위하여 소방관들의 작업을 분석하였다. 분석 결과, 절단과 파쇄뿐만 아니라, 출입문이나 샌드위치 패널 사이를 벌리거나 잔해물 사이를 벌리는 기능(Spreader)이 필요함을 알 수 있었다. 더불어 앞서 Table 2의 TC3의 해결방안에서 지름 40mm이하의 철근 또는 파이프를 집어 올리기 위한 핀칭 기능도 추가하였다.

후속연구

향후, 개념 설계를 바탕으로 작업장치들의 상세 설계와 프로토타입 제작, 그리고 제어에 대한 결과를 보이고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	재난대응용 특수목적기계는 무엇인가?	재난대응용 특수목적기계는 자연재해 및 재난 상황, 특히 붕괴 사고 발생 시 신속하게 현장에 투입하여 초동 대응을 위한 장비이다. 기술이 발전함에 따라 도시는 인구 밀도가 높아지고, 건물이 대형화되면서 지진, 수해 등의 자연재해 또는 화재, 부실공사 등으로 인한 사고 규모가 커지고 있다.
	붕괴사고 시 굴삭기를 이용하여 대응 하는 방법의 한계점은 무엇인가?	이러한 붕괴사고 시 굴삭기를 이용하여 대응 작업이 이루어지지만, 땅을 파는 것에 최적화된 굴삭기는 재난과 같은 비정형 환경에서 다양한 작업을 대응하기에는 한계가 있다. 그리고 이동 성능의 제한으로 작업 장치와 중심부 회전을 이용하여 복잡한 지형을 이동하다보니 진입 시간이 오래 걸리는 문제점과 함께, 운전자의 숙련도에 따라 작업능력의 차이가 크고, 운전자의 안전성을 보장하기 어렵다는 점과 작업 실패에 대한 불안감으로 신속한 대응에 한계가 있다.
	사고 규모가 커지는 원인은 무엇인가?	재난대응용 특수목적기계는 자연재해 및 재난 상황, 특히 붕괴 사고 발생 시 신속하게 현장에 투입하여 초동 대응을 위한 장비이다. 기술이 발전함에 따라 도시는 인구 밀도가 높아지고, 건물이 대형화되면서 지진, 수해 등의 자연재해 또는 화재, 부실공사 등으로 인한 사고 규모가 커지고 있다. 이러한 붕괴사고 시 굴삭기를 이용하여 대응 작업이 이루어지지만, 땅을 파는 것에 최적화된 굴삭기는 재난과 같은 비정형 환경에서 다양한 작업을 대응하기에는 한계가 있다.

참고문헌 (11)

J. S. Cho et al., “Design of Dual Arm Manipulator for a Disaster-Responding Special Purpose Machinery,” J. Drive and Control, Vol. 13, No. 4, pp. 95-101, 2016.
Y. S. Lee et al., “Technical Trend of the Mobile System for the Early Stage Rescue and Reconstruction in Disaster,” J. Drive and Control, Vol. 13, No. 4, pp. 74-81, 2016.
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A. Ishii, "Operating System of a Double-Front Work Machine for Simultaneous Operation," in Proc. the 23rd Int. Symp. Automation and Robotics in Construction, pp. 539-542, 2006.
Hitachi Engineering & Services Co., Ltd., News Release, "Development of ASTACO-SoRa, a Small Double-arm, Heavy-duty Robot for Use in Nuclear Power Accidents," in Japanese, 2012 http://www.hitachi-power-solutions.com/news/data/news20121207_ASTACO-Sora.pdf
S. Fujita, K. Baba and D. Sudoh, "RESCUE ROBOT "T-52 ENRYU"," In Proc. the 23rd Int. Symp. on Automation and Robotics in Construction, pp. 237-240, 2006.
SARCOS Guadian-GT homepage https://www.sarcos.com/products/guardian-gt/
H. J. Kim, J. H. Jeung and J. H. Kown, "Theory of Inventive Problem Slving," Publishing Company Wisdom, 2004.
Robotiq Hand, https://www.robotiq.com
D. H. Lee et al., “Design of an Anthropomorphic Dual-arm Robot with Biologically inspired 8-DOF Arms,” Intelligent Service Robotics, Vol. 10, No. 2, pp. 137-148, 2017.

상세보기
G. A. Pratt and M. M. Williamson, "Series Elastic Actuators," in Proc. IEEE/RSJ Intl Conf. on Intelligent Robots and Systems. Human Robot Interaction and Cooperative Robots, Vol. 1, pp. 399-406, 1995.

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표제어: PCR

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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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