[논문]중력보상장치 설계계수를 고려한 고가반 로봇설계에 관한 연구

이도승; 이호수; 표상훈; 윤정원; 류성기

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.5.023

[국내논문] 중력보상장치 설계계수를 고려한 고가반 로봇설계에 관한 연구
Study on Design of Heavy Payload Robot Considering Design Factor of Gravity Compensator 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.5, 2019년, pp.23 - 28

이도승 (경상대학교 기계항공공학부) , 이호수 (광주과학기술원 융학기술학제학부) , 표상훈 (광주과학기술원 융학기술학제학부) , 윤정원 (광주과학기술원 융학기술학제학부) , 류성기 (경상대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, medium- to large-scale transportation machinery and machine tool manufacturing process lines have shown a trend toward centralization, softening, lightening, and slimming to reduce costs and increase productivity. This has increased the demand for vertical articulated robots. When developing and introducing a heavy weight-handling robot that can be easily applied to existing production lines, it is expected to have a great effect in securing industrial competitiveness by solving industrial issues such as the decreased productivity and increased risk of accidents due to work involving heavy lifting. In this study, we design a 6-axis robot mechanism with a heavy load-handling capacity of 700kg or more for large-sized materials of various types supplied in small quantities.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 기존 로봇의 단점을 보완하고 가반하중 700 kg 이상 급의 고중량물 핸들링 6축 로봇 기구를 설계하고자 한다.
본 논문에서는 고가반 수직다관절 로봇의 중력보상장치 분석 및 설계 계수 최적화를 통한 설계를 하였다. ADAMS 동역학 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 각 Joint에 걸리는 토크 및 모터 용량을 분석함으로써 다음과 같은 결과를 얻었다.

가설 설정

1과 같이 Counter weight와 Spring system 2가지 중력보상장치를 이용하지만 로봇 손목부의 구동모터가 가반하중에 영향을 주고 Reach가 짧다. 독일 KUKA 회사의 KR1000 L750 titan PA는 Reach가 길고 높은 가반하중을 가지지만 모터용량이 크고, 로봇의 무게가 크다.

제안 방법

시스템을 설계하는 과정에서 기구해석 및 동적해석을 수행하였으며 이를 통해 고가반 6축 로봇의기구적 모델 및 동역학적 모델을 제시하고, 동역학 해석을 통해 중력보상장치의 특징 및 최적 계수를 도출하고, 각 링크의 최적 모터용량 설계를 하였다.
Link 2에 설계된 스프링 방식의 중력보상장치가 로봇에 주는 영향을 알아보기 위해 스프링 계수를 달리하여 동역학 해석을 수행하였고, 스프링 방식의 중력보상장치가 Joint 2의 토크에 영향을 미치는 것을 확인하였다. Fig.
Counter weight 중력보상장치의 구조는 4 bar linkage로 이루어져 있으며 Counter weight의 모터가 구동함에 따라 Link 3을 구동시킨다. Counter weight 중력보상장치가 로봇에 주는 영향을 알아보기 위해 Counter weight의 무게를 0 kg에서 2000kg 사이의 값으로 동역학 해석을 수행하였고, Fig. 6에 도시된 그래프와 같이 Counter weight가 없을 때 로봇 베이스의 x축 모멘트가 2배 증가하는 것으로 보아 로봇이 고중량물을 가반 시 로봇 전체의 밸런스도 유지시켜주는 것으로 보이고, Fig.
본 논문에서는 고가반 수직다관절 로봇의 중력보상장치 분석 및 설계 계수 최적화를 통한 설계를 하였다. ADAMS 동역학 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 각 Joint에 걸리는 토크 및 모터 용량을 분석함으로써 다음과 같은 결과를 얻었다.
1. 기구학 및 동역학 해석을 통해 고가반 수직다관절 로봇의 스펙을 선정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 제안된 6축 다관절 로봇은 Fig. 2에 도시하였다.

데이터처리

Case 1과 Case 2는 시작점(2000, 0, 3000)을 두고 각각 y-z평면과 x-z평면의 원형 궤적 운동을 하고, Case 3과 Case 4는 로봇의 끝단이 워크 스페이스 경계선에 근접하도록 시작점(3000, 0, 1250)을 두고 각각 y-z평면과 x-z평면의 원형 궤적 운동을 하도록 생성하였다. ADAMS 시뮬레이션을 이용하여 가반 질량조건 700kg, 로봇의 끝단 이동 속력 1.2 m/s 설정하고 생성된 원형 궤적에 따라 동역학 해석을 하였다.

성능/효과

스프링 계수의 최적 값을 찾기 위해 Joint 2에 최대 토크가 발생하는 Case 3와 Case 4의 원형 궤적운동에서 스프링 계수 425 ~ 1000 N/mm 사이의 값으로 추가 해석을 하였고, Table 4에 도시된 것과 같이 스프링 계수 570 N/mm 이하 값에서 안전 계수가 3 이상을 가지고 있음을 확인할 수 있었고, 스프링 방식 중력보상장치의 최적 계수를 선정에 고려하였다.
7에 도시된 그래프와 같이 Counter weight는 Joint 2에 크게 영향을 주는 것을 확인할 수 있다. Counter weight의 무게가 증가할수록 Joint 2의 토크 그래프가 위로 offset 된 것으로 보아 중력 반대 방향으로 로봇이 움직일 때 중력 보상을 하는 것을 알 수 있고, 로봇의 끝단이 로봇 중심으로 멀어질수록 Counter weight의 역할이 중요하다고 판단된다. Case 4의 토크 그래프에서 Counter weight의 무게가 증가하지만 offset 되지 않는 구간이 있다.
2. 설계된 고가반 로봇의 특징인 중력보상장치 중 스프링 방식은 2축 토크의 감소를 기대할 수 있고, Counter weight 방식은 2, 3축의 토크 감소와 로봇 전체 베이스의 모멘트 감소를 기대할 수 있다.
3. 기존 4 bar Counter weight 방식은 무게 중심이 Joint 2에 수직 이상일 때, 중력보상상실이 일어남을 확인하였고, 이를 해결 시 로봇의 모터용량 감소를 기대할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공정라인 자동화가 요구되는 이유는?	최근 자동차 제조공정라인과 같이 중대형 수송기계 및 공작기계 제조 공정라인도 투자비 절감 및 생산성 향상을 위해 공정라인 자동화가 요구된다. 이와 같은 산업용 로봇에 관한 연구들을 많이 수행되고 있다[1,2].

참고문헌 (8)

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Kim, H. S. and Song, J. B., "Low-Cost Robot Arm with 3-DOF Counterbalance Mechanism," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation 2013, pp. 4168-4173, 2013.
Lacasse, M. A., Lenevieve, G., Boisclair, J., Ouellet, J. and Gosselin, C., "On the Design of a Statically Balanced Serial Robot Using Remote Counterweights," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 4174-4179, 2013.
Park, J. G., Lee, J. Y., Kim, S. H., and Kim, S. R., "Optimal Design of Passive Gravity Compensation System for Articulated Robots," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers - A, Vol. 36, No. 1, pp. 103-108, 2012.
Kang, I. H., Kim, H. S., Song, J. B., Lee, H. S. and Chang, I. S., "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.
Choi, H. S., Kim, Y. S., and Baek, C. Y., "A Revolute Robot Manipulator with a New Structure," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers - A, Vol. 28, No. 5, pp. 539-546, 2004.

원문보기 상세보기
Shin, E. S., Lee, Y. H., A Passive Gravity-Compensation System for Articulated Robots , Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers - A, Vol. 24, No. 2, pp. 481-488, 2000.

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