[논문]유압 양팔 매니퓰레이터가 탑재된 장갑형 로봇시스템 개발

김무림; 박상현; 김종걸; 서갑호; 서진호

초록이 없습니다.

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Examples of complex disaster
그림 Fig. 2 Concept of armored robot system
그림 Fig. 3 Prototype of armored robot system
그림 Fig. 4 Structure of 6DOF vertical articulated robot manipulator
그림 Fig. 5 DH coordinates for manipulator
표 Table 1 DH parameters for manipulator
그림 Fig. 7 Hydraulic circuit
그림 Fig. 6 Concept of manifold block
표 Table 2 Hydraulic cylinder spec.
그림 Fig. 8 Developed hydraulic dual manipulators
그림 Fig. 9 Hydraulic control system
그림 Fig. 10 Structure of robot controller
그림 Fig. 11 Control performance
그림 Fig. 13 Implementation of 500kg lift
그림 Fig. 12 Implementation of crash task

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문제 정의

유압 매니퓰레이터는 자중대비 높은 가반하중을 낼 수 있어 차체에 부착하기에 용이하면서도 재난 현장에서의 고 하중 작업이 가능하다. 본 연구에서는 두 개의 유압 매니퓰레이터를 활용하여 각 팔에 하중을 분담하면서도 기민한 작업이 가능하도록 하였다.
본 연구에서는 복합 재난 상황에서 대응하기 위한 장갑형 로봇의 구성 파트 중 작업 도구 활용 및 중량물 핸들링을 위한 유압 양팔 매니퓰레이터 개발을 수행하였다. 개발된 매니퓰레이터는 제어 정밀도 측정, 파괴 작업 및 중량물 핸들링 작업 적용을 통해 그 효용성이 확인되었다.
소방대원은 이같이 열악한 상황에서 화재 진압, 방재와 함께 긴급구조의 임무를 수행하게 된다. 이 때 장갑형 로봇 시스템은 소방대원의 임무 보조를 위해 ① 열, 유독가스, 낙하물 등으로부터의 보호 기능, ② 방수포, 도끼, 크러셔 등 작업도구의 용이한 활용 기능, ③ 장애물 극복을 통한 활동 범위 확대 기능, ④ 보행 진입을 대체 가능한 탑승 이동 수단 제공을 목적으로 한다.
재난 현장에서 그리퍼와 같은 도구 활용 및 장해물 파쇄/제거와 같은 작업 수행을 위해 장갑형 로봇에 장착되는 유압 매니퓰레이터의 개발이 이루어졌다. 유압 매니퓰레이터는 자중대비 높은 가반하중을 낼 수 있어 차체에 부착하기에 용이하면서도 재난 현장에서의 고 하중 작업이 가능하다.

가설 설정

기구학적 설계에서는 로봇의 DH 파라미터³⁾ 및 실린더의 4-bar 구조를 결정하는 기구학 파라미터의 선정이 이루어졌으며, 동역학적 설계에서는 각 실린더에 요구되는 하중을 기반으로 실린더의 단면적을 결정하였다. 유압 매니퓰레이터에 공급되는 압력은 210bar를 가정하였다. 마지막 상세설계에서는 도면의 구체화 및 가공 공차의 선정이 이루어졌다.

제안 방법

매니폴드 블록에서는 각 팔의 관절 개수에 해당하는 총 6 개의 슬롯에 여분의 슬롯을 1개 추가하여 작업 도구의 조작 등에 활용할 수 있도록 하였다. 각 관절을 제어하기 위한 비례 밸브 출력단은 체크 밸브를 통해 외부 신호에 의해 개폐가 되도록 하였으며 이를 알람 및 오류 상황에 대한 대응 수단으로 활용하였다.
개발된 유압 매니퓰레이터를 활용하여 샌드위치판넬 파괴 작업([그림 12])과 중량물 핸들링 작업([그림 13])을 수행하였다. 두 가지 작업 모두 성공적으로 수행함을 확인하였으며, 소방관의 입회하에 기타작업들도 성공적으로 수행함을 확인하였다.
기구학적 설계에서는 로봇의 DH 파라미터³⁾ 및 실린더의 4-bar 구조를 결정하는 기구학 파라미터의 선정이 이루어졌으며, 동역학적 설계에서는 각 실린더에 요구되는 하중을 기반으로 실린더의 단면적을 결정하였다. 유압 매니퓰레이터에 공급되는 압력은 210bar를 가정하였다.
장갑형 로봇은 양압장치를 통해 오염된 공기로부터 인명을 보호함과 동시에 내열, 방수, 내충격 기능을 갖춘 차체를 지닌다. 또한 구난 작업을 위한 유압식 로봇팔을 탑재하였으며 독립구동형 크롤러를 활용하여 재난 환경에서의 험지주행이 이루어지도록 한다. 이를 운용하기 위한 통합 시스템에서는 파노라믹뷰, 탑승/원격 교차제어, 작업 자동화를 통해 긴급한 미션 수행이 가능하도록 한다.
매니폴드 블록에서는 각 팔의 관절 개수에 해당하는 총 6 개의 슬롯에 여분의 슬롯을 1개 추가하여 작업 도구의 조작 등에 활용할 수 있도록 하였다. 각 관절을 제어하기 위한 비례 밸브 출력단은 체크 밸브를 통해 외부 신호에 의해 개폐가 되도록 하였으며 이를 알람 및 오류 상황에 대한 대응 수단으로 활용하였다.
사용자는 조작을 통해 로봇의 말단이 직경 500mm의 원을 그리도록 지령을 내린다. 이 과정에서 측정된 각 관절의 측정값에 정기구학을 적용하여 말단 위치를 연산한다. 이렇게 얻어진 말단 위치는 제어에 의한 오차가 반영된 결과에 해당하므로 초기에 로봇 지령으로 전달된 기준 궤적의 원과 비교함으로써 제어에 의해 발생된 오차를 알 수 있다.

이론/모형

마지막으로 각 실린더의 목표 길이를 추정하기 위한 제어 알고리즘을 통해 비례 밸브의 스풀 지령이 산출된다. 여기에는 모델 불확실성과 외란에 강인한 시간지연 제어(Time-Delay Control)⁵⁾ 방법을 적용하였다.

성능/효과

수행하였다. 개발된 매니퓰레이터는 제어 정밀도 측정, 파괴 작업 및 중량물 핸들링 작업 적용을 통해 그 효용성이 확인되었다.
같다. 개발된 유압 매니퓰레이터는 양팔 기준 500kg 이상의 가반하중 성능을 보이며 각 팔의 중량은 약 300kg이다.
13])을 수행하였다. 두 가지 작업 모두 성공적으로 수행함을 확인하였으며, 소방관의 입회하에 기타작업들도 성공적으로 수행함을 확인하였다.

후속연구

본 연구의 결과물은 재난 안전 로봇의 발전 및 유압 매니퓰레이터 연구 분야의 유용한 참고 사례가 될 것으로 기대한다.
향후, 유압 매니퓰레이터의 활용성을 높이기 위해 다양한 작업 적용과 함께 유지보수성 및 제어 신뢰성을 확보해 나갈 계획에 있다.

참고문헌 (5)

D. Jeong, C. Kim, J. H. Kim, J. Suh, and M. Jin, "Mission Scenario-based Design of Hydraulic Manipulators for Armored Robot Systems", Journal of Drive and Control, Vol. 14, No. 4, pp. 51-60, 2017.

원문보기 상세보기
S. H. Park, M. Jin, Y. Kim, D. Kim, J. Kim, D. B. Shin and J. Suh, "Vehicle Body Design of Armored Robot for Complex Disaster", Journal of Korea Robotics Society, Vol. 13, No. 4, pp. 248-255, 2018.

원문보기 상세보기
M. W. Spong and M. Vidayasagar, Robot Dynamics and Control, John Wiley & Sons, Singapore, 1989.
H. Sadeghian, L. Villani, M. Keshmiri and B. Siciliano, "Dynamic multi-priority control in redundant robotic systems," Robotica, Vol. 31, No. 1, Issue 7, pp. 1155-1167, 2013.

상세보기
T. C. Hsia, T. A. Lasky, and Z. Guo, "Robust independent joint controller design for industrial robot manipulators," IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 38, No. 1, pp. 21-25, 1991.

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