[논문]힘/모멘트 측정기능을 갖는 6축 로봇 베이스 플랫폼 개발

정성훈; 김한성

doi:10.21289/ksic.2019.22.3.315

힘/모멘트 측정기능을 갖는 6축 로봇 베이스 플랫폼 개발
Development of a 6-axis Robotic Base Platform with Force/Moment Sensing 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.22 no.3, 2019년, pp.315 - 324

Abstract ▼ AI-Helper

This paper present a novel 6-axis robotic base platform with force/moment sensing. The robotic base platform is made up of six loadcells connecting the moving plate to the fixed plate by spherical joints at the both ends of loadcells. The statics relation is derived, the robotic base platform prototype and the loadcell measurement system are developed. The force/moment calibrations in joint and Cartesian spaces are performed. The algorithm to detect external force applied at a working robot is derived, and using a 6-DOF robot mounted on the robotic base platform, force/moment measurement experiments have been performed.

주제어

표/그림 (24)

그림 Fig. 1 6-axis robotic base platform
그림 Fig. 2 Geometry of a robotic base platform
그림 Fig. 3 Block diagram of the 6-axis force/moment measurement
그림 Fig. 4 System configuration of the robotic base platform
그림 Fig. 5 Calibration program using Simulink and xPC
표 Table 1. Design parameters of a Robotic Base Platform
표 Table 2. Max. force/moment measurement range
그림 Fig. 6 Force/moment measurement experiment setup
그림 Fig. 7 Joint calibration experiment of loadcell #1
표 Table 3. Joint calibration result of loadcells
표 Table 4. Cartesian calibration result of the base platform
그림 Fig. 8 Cartesian calibration experiment of the base platform
그림 Fig. 9 External wrench detection algorithm
그림 Fig. 10 Modeling of link masses of a 6-DOF robot
그림 Fig. 11 Kinematic model of a 6-DOF robot
표 Table 5. Link masses of a 6-DOF robot
표 Table 6. D-H Parameters of a 6-DOF robot
그림 Fig. 13 Measured and calculated wrench along x-axis
그림 Fig. 12 Measurement experiment of a 6-DOF robot arm mounted on the base platform
그림 Fig. 14 Measured and calculated wrench along y-axis
그림 Fig. 15 Measured and calculated wrench along z-axis
그림 Fig. 16 Trajectory planning of a 6-DOF robot
$Fig. 17 Comparison of <TEX>$w^{m}_B$</TEX> with <TEX>$w^{c}_R$</TEX>$ 그림 Fig. 17 Comparison of $w^{m}_B$ with $w^{c}_R$
$Table 7. Max. wrench error between <TEX>$w^{m}_B$</TEX> and <TEX>$w^{c}_R$</TEX>$ 표 Table 7. Max. wrench error between $w^{m}_B$ and $w^{c}_R$

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 6-SPS (Spherical- Prismatic – Spherical) 병렬구조를 이용하여 6축 로봇 베이스 플랫폼을 설계하고자 한다.
본 논문에서는 기존 산업용 로봇과 협동로봇에서 사용된 F/T 센서, 토크센서 등을 이용한 힘/모멘트 감지방법보다 측정 민감도가 높고 경제적인 6축 힘/모멘트 측정방법을 제시한다. 제안하는 로봇 베이스 플랫폼은 6-SPS 병렬구조에 비교적 저가의 인장/압축 로드셀을 각 다리에 장착하여 6축 힘/모멘트를 측정하는 방법이다.
본 논문에서는 힘과 모멘트 측정을 위해 작업 로봇의 기구부 베이스에 힘/모멘트 측정장치를 위치하는 방법^[8][9]을 제안한다. 제안하는 방법은 외부의 힘/모멘트 감지를 위해 별도의 토크센서를 요구하지 않고 작업로봇의 기구부 베이스에 힘/모멘트 측정장치가 위치하므로 측정 민감도를 최대화할 수 있는 장점이 있다.

가설 설정

1(b)은 로봇베이스 플랫폼 시작품을 나타내고 이는 인장/압축 로드셀(loadcell) 양단에 구형 조인트를 장착하여 이동플랫폼을 고정플랫폼에 지지하는 구조를 갖는다. 로드셀을 직선 조인트로 모델링할 수 있으나 변형이 매우 작으므로 이동플랫폼의 이동은 없다고 가정한다.

제안 방법

Fig. 6(a)와 같이 대략 10N 간격으로 80N까지 무게추로 이동플랫폼에 x, y, z축 방향의 힘을 적용하였다. 모멘트는 Fig.
7은 1축에 사용된 로드셀의 측정 및 보정실험 결과를 나타낸다. 대략 10N 간격으로 50N까지 무게추를 로드셀에 인가하여 측정실험을 수행하였다. Table 3은 6개 로드셀의 offset 및 slope 보정값을 나타낸다.
본 연구에서는 CAS사의 로드셀(SBA-25L, 3mV/V, 25kgf)을 이용하여 로봇 베이스 플랫폼을 구성하였다. 로드셀 증폭기로는 CAS사의 LCT-Ⅱ를 사용하였고, 이의 측정은 NI사의 PXI-6229 (16bit, 250kS/s, 32-ch AI)를 사용하여 측정부를 구성하였다. Fig.
로봇 베이스 플랫폼의 정밀한 힘/모멘트 측정을 위하여 로드셀의 보정(calibration) 실험을 수행하였다. Fig.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 로봇 베이스 플랫폼의 정역학 해석방법을 제시한다. 병렬구조를 이용한 로봇 베이스 플랫폼의 기구부 및 측정부 설계방법을 제시한다.
조인트 및 직교공간 상에서 힘/모멘트 보정실험을 수행한다. 마지막으로 외부 힘 감지 알고리즘 및 6자유도 작업로봇을 장착하여 힘/모멘트를 측정한 실험결과를 제시한다.
로봇 베이스 플랫폼의 정역학 해석방법을 제시한다. 병렬구조를 이용한 로봇 베이스 플랫폼의 기구부 및 측정부 설계방법을 제시한다. 조인트 및 직교공간 상에서 힘/모멘트 보정실험을 수행한다.
상용 인장/압축 로드셀을 사용하여 로봇 베이스 플랫폼의 기구부 및 6축 로드셀 측정부를 개발하였고 조인트 및 직교 공간상에서 힘/모멘트 보정 실험을 수행하였다. 작업로봇을 플랫폼상에 장착하고 작업로봇에 외부 힘이 작용하였을 때 이를 감지할 수 있는 알고리즘을 제시하였다.
작업로봇을 플랫폼상에 장착하고 작업로봇에 외부 힘이 작용하였을 때 이를 감지할 수 있는 알고리즘을 제시하였다. 실제 6자 유도 작업로봇을 플랫폼에 장착하고 x, y, z축 직선이동 궤적에 대하여 작업로봇 동역학의 측정값과 계산값을 비교하였다. Table 7과 같이 힘과 모멘트의 최대오차가 ±12.
Table 3은 6개 로드셀의 offset 및 slope 보정값을 나타낸다. 여기서 MATLAB의 polyval함수를 이용하여 1차식의 곡선피팅(curve fitting)을 수행하였다.
상용 인장/압축 로드셀을 사용하여 로봇 베이스 플랫폼의 기구부 및 6축 로드셀 측정부를 개발하였고 조인트 및 직교 공간상에서 힘/모멘트 보정 실험을 수행하였다. 작업로봇을 플랫폼상에 장착하고 작업로봇에 외부 힘이 작용하였을 때 이를 감지할 수 있는 알고리즘을 제시하였다. 실제 6자 유도 작업로봇을 플랫폼에 장착하고 x, y, z축 직선이동 궤적에 대하여 작업로봇 동역학의 측정값과 계산값을 비교하였다.
본 논문에서는 기존 산업용 로봇과 협동로봇에서 사용된 F/T 센서, 토크센서 등을 이용한 힘/모멘트 감지방법보다 측정 민감도가 높고 경제적인 6축 힘/모멘트 측정방법을 제시한다. 제안하는 로봇 베이스 플랫폼은 6-SPS 병렬구조에 비교적 저가의 인장/압축 로드셀을 각 다리에 장착하여 6축 힘/모멘트를 측정하는 방법이다.
을 제안한다. 제안하는 방법은 외부의 힘/모멘트 감지를 위해 별도의 토크센서를 요구하지 않고 작업로봇의 기구부 베이스에 힘/모멘트 측정장치가 위치하므로 측정 민감도를 최대화할 수 있는 장점이 있다.
병렬구조를 이용한 로봇 베이스 플랫폼의 기구부 및 측정부 설계방법을 제시한다. 조인트 및 직교공간 상에서 힘/모멘트 보정실험을 수행한다. 마지막으로 외부 힘 감지 알고리즘 및 6자유도 작업로봇을 장착하여 힘/모멘트를 측정한 실험결과를 제시한다.

대상 데이터

직선 조인트 위치에 S-beam의 인장/압축 로드셀을 사용하였고 이의 최대 측정값은 25kgf이다. 6개의 다리에 동일한 크기의 로드셀을 사용하였고 로드셀의 최대측정범위가 25kgf일 때, 정역학 관계를 이용하여 이동플랫폼 Q_B점에 계산되는 힘과 모멘트의 최대값은 Table 2와 같다. 만약, 다른 범위의 힘과 모멘트 측정이 필요하다면, 다른 측정범위의 로드셀만의 교체로 힘/모멘트 측정범위를 손쉽게 변경할 수 있다.
본 연구에서는 CAS사의 로드셀(SBA-25L, 3mV/V, 25kgf)을 이용하여 로봇 베이스 플랫폼을 구성하였다. 로드셀 증폭기로는 CAS사의 LCT-Ⅱ를 사용하였고, 이의 측정은 NI사의 PXI-6229 (16bit, 250kS/s, 32-ch AI)를 사용하여 측정부를 구성하였다.

후속연구

8%) 이내임을 확인하였다. 향후 연구는 로봇 베이스 플랫폼을 이용하여 작업 로봇의 충돌감지 및 직접교시 실험을 수행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	작업 로봇의 기구부 베이스에 힘/모멘트 측정장치를 위치하는 방법의 장점은 무엇인가?	본 논문에서는 힘과 모멘트 측정을 위해 작업 로봇의 기구부 베이스에 힘/모멘트 측정장치를 위치하는 방법[8][9]을 제안한다. 제안하는 방법은 외부의 힘/모멘트 감지를 위해 별도의 토크센서를 요구하지 않고 작업로봇의 기구부 베이스에 힘/모멘트 측정장치가 위치하므로 측정 민감도를 최대화할 수 있는 장점이 있다.
	기존 힘/모멘트 측정방법들의 단점은 무엇인가?	기존 힘/모멘트 측정방법으로 모터 전류 측정방법은 정밀한 신호처리 및 고속 역동역학 연산이 요구된다. 조인트 감속기 출력단에 토크센서를 장착하는 방법은 정밀한 힘/모멘트 측정이 가능하나 고가의 토크센서를 모든 조인트에 장착해야 한다는 한계가 있다. 작업로봇의 엔드이펙터에 F/T 센서를 장착하는 방법은 정밀 힘/모멘트 측정이 가능하나 로봇 암에 작용하는 힘/모멘트는 감지할 수 없고 고가의 F/T 센서를 사용해야 하는 단점이 있다.
	작업 로봇의 힘과 모멘트를 측정하는 방법은 무엇이 있는가?	작업로봇의 충돌감지는 작업로봇의 질량특성 파악이 먼저 이루어져야 하고, Harry West에 의해 힘과 모멘트를 측정하여 로봇의 질량특성을 추정하는 방법[4]이 제 안되었다. 현재 힘과 모멘트를 측정하는 방법으로 는 모터의 전류를 측정하는 방법(한화테크윈사의 HCR-5), 로봇의 조인트에 토크센서를 장착하여 측정하는 방법,[5] 작업로봇의 손목에 F/T 센서를 장착하여 측정하는 방법[6][7] 등이 제시되었다.

저자의 다른 논문 :

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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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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