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문제 정의
- 본 논문에서는 이러한 기존 그리퍼의 문제점을 근본적으로 해결하기 위한 개선된 그리퍼 설계를 제안하고 이를 실험적으로 검증하고자 한다. 2장에서는 개선된 그리퍼 설계 과정과 CAE 해석 평가 과정을 기술한다.
- 본 연구에서는 일체형 유연 그리퍼의 파지 안정성 향상을 위한 설계 개선을 수행하였다. 기존 유연 그리퍼가 대상체 파지 과정의 초기 상태에서 대상체를 밀어내는 방향의 접촉력이 발생하는 현상을 개선하기 위하여 손가락의 위치(r)와 최대닫 힘위치(xc)를 변경하였고, 손가락의 링크부 설치각(Φ1, Φ2, Φ3)을 변경하여 파지력을 증가시킬 수 있도록 설계 개선을 수행하였다.
- 본 연구에서는 파지 안정성을 강화하기 위한 그리퍼의 설계 개선을 수행하였다. 이때, 파지 안정성은 대상체와 손가락 사이의 마찰력을 배제한 상태에서 [Fig.
- . 본 연구팀은 과수 대상물의 형상이나 모양에 능동적으로 대응할 수 있는 유연한 로봇 그리퍼[14]를 제안하였다. 핀레이(Fin Ray) 구조를 채용하여 유연 소재의 손가락을 제작하고 핀레이 구조의 링크 개수와 두께에 대한 설계를 진행하여 파지 가능성을 확인하였다.
제안 방법
- 2장의 해석 결과를 바탕으로 [Fig. 5]의 Case 1 형상의 링크 구조를 가지고 새로운 손가락 위치를 반영한 [Fig. 7]과 같은 새로운 그리퍼를 제작하였다. 최대 닫힘 위치(xc ≤ 38mm)와 간섭을 고려하여 그리퍼의 베이스 부분은 더 깊어지고 고정 링크부까지의 반지름도 증가하였다.
- 개선된 설계를 바탕으로 새로운 그리퍼를 제작 후 구형 대상체와 과수 모형 대상체에 대한 파지 실험을 수행하였다. 그리퍼의 손가락 링크 부분의 과도한 굴곡 없이 안정적으로 파지되는 것을 확인하였고, 대상체의 파지 초기부터 그리퍼의 내부 방향으로 수평힘이 작용함을 알 수 있었다.
- 그리퍼의 손가락이 과수 표면에 가하는 접촉력을 측정하기 위해 [Fig. 11]와 같이 FSLP (Force Sensing Linear Potentiometer) 센서를 각 손가락 내측부에 부착 후 접촉 압력을 측정하였다. 구 형태의 공을 파지하는 경우 [Fig.
- 그리퍼의 최대 당김힘을 측정하기 위하여 [Fig. 13]과 같이 파지가 완료된 대상체에 전자식 저울을 직결하고, 대상체가 그리퍼에서 이탈할 때까지 당기면서 이때 발생하는 최대 힘을 측정하였다. 그 결과, 구형 공과 토마토모형의 경우 각각 평균 18.
- 기존 유연 그리퍼가 대상체 파지 과정의 초기 상태에서 대상체를 밀어내는 방향의 접촉력이 발생하는 현상을 개선하기 위하여 손가락의 위치(r)와 최대닫 힘위치(xc)를 변경하였고, 손가락의 링크부 설치각(Φ1, Φ2, Φ3)을 변경하여 파지력을 증가시킬 수 있도록 설계 개선을 수행하였다.
- 파지력의 크기는 Case 3가 좀더 크게 나타나나, 외측부의 좌굴현상이 심한 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 Case 1의 형상을 개선 손가락 설계안으로 채택하였다. 이때, x = 38mm에서 Fx가 음의 값으로 전환되었으므로, 손가락의 최대닫힘위치를 xc ≤ 38mm로 선정하였다.
- 2]의 설치각도 Φ1, Φ2, Φ3가 모두 직각이 되도록 설계되었다. 링크부 설치각도가 파지력에 미치는 영향을 분석하여 설계 개선을 수행하기 위하여 [Table 1]과 같은 4개의 설계안에 대하여 해석을 수행하고 결과를 비교하였다. 이때, 내측, 외측, 링크부의 두께 및 링크 개수는 기존과 동일하게 고정하였다.
- 손가락 위치에 따른 파지 안정성을 평가하기 위하여 손가락 위치(r)가 각각 20 mm, 33 mm, 40 mm인 경우에 대한 해석을 수행하였다. 이때 20 mm는 기존 그리퍼의 설계 수치이며, 33 mm는 지름65 mm의 대상체를 손가락을 벌리지 않고 잡을 수 있는 최소 위치이다.
- 본 연구에서는 파지 안정성을 강화하기 위한 그리퍼의 설계 개선을 수행하였다. 이때, 파지 안정성은 대상체와 손가락 사이의 마찰력을 배제한 상태에서 [Fig. 1]의 손가락이 물체에 가하는 수평 및 수직 방향 파지력(Fx, Fy)으로 평가하였다. 수평 방향 파지력(Fx)은 과수를 따내는 당김힘(pulling force)에 해당되고, 수직 방향 파지력(Fy)은 과수 표면의 접촉력에 해당한다.
- 이를 위하여 [Fig. 2]와 같이 손가락의 위치(r)와 최대닫힘 위치(χc)를 변경하는 손가락 위치 설계와, 안정적인 파지력을 발생시킬 수 있도록 링크부 설치각(Φ1, Φ2, Φ3)을 변경하는 링크부 형상 설계를 수행하였다.
- 본 연구팀은 과수 대상물의 형상이나 모양에 능동적으로 대응할 수 있는 유연한 로봇 그리퍼[14]를 제안하였다. 핀레이(Fin Ray) 구조를 채용하여 유연 소재의 손가락을 제작하고 핀레이 구조의 링크 개수와 두께에 대한 설계를 진행하여 파지 가능성을 확인하였다. 하지만, 지속적인 테스트 과정에서 일부 대상체 파지 시 손가락과 접촉하는 과정에서 대상체가 미끄러지면서 안정적인 파지가 되지 않는 경우를 확인하였다.
- 해석은 구동부가 x = -10mm의 위치까지 전진하여 손가락을 살짝 연 상태로 대상체에 접근한 후, 반대 방향으로 x = 40mm까지 후진하여 손가락을 닫는 과정으로 수행하였고, 이때 구동부 위치에 따른 파지력을 계산하였다.
- 개선된 그리퍼의 성능은 CAE 해석을 통하여 평가하였다. 해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS Mechanical을 이용하여 수행하였고, 해석 효율 향상을 위하여 해석영역은 1/3 대칭 영역으로 제한하여 1개의 손가락만을 보 요소(beam element)로 모델링하였다. 손가락 소재인 실리콘 고무의 기계적 물성은 탄성계수 100 MPa, 포아성비0.
대상 데이터
- 과수 형상의 물체에 대한 테스트를 위해 [Fig. 10]과 같이 최소 및 최대 직경이 각각 60 mm, 65 mm인 토마토모형에 대한 파지 실험을 수행하였다. (a)와 (b)는 서로 다른위치에서 토마토를 파지한 경우이며, 손가락의 형상을 볼 때, 두 경우 모두 과도한 굴곡 없이 안정적으로 파지할 수 있음을 확인하였다.
- 최대 닫힘 위치(xc ≤ 38mm)와 간섭을 고려하여 그리퍼의 베이스 부분은 더 깊어지고 고정 링크부까지의 반지름도 증가하였다. 기존 그리퍼와 동일하게 손가락(3개) 소재는 TPU (Thermoplastic Poly Urethane)로, 베이스 소재는 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 소재로 하여 3-D 프린터로 제작하였다.
- 따라서 개선 설계안에서는 대상체를 밀어내는 현상이 발생하지 않는 한도 내에서 가장 작은 값을 갖는 r = 33mm를 최적값으로 선정하였다.
- 해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS Mechanical을 이용하여 수행하였고, 해석 효율 향상을 위하여 해석영역은 1/3 대칭 영역으로 제한하여 1개의 손가락만을 보 요소(beam element)로 모델링하였다. 손가락 소재인 실리콘 고무의 기계적 물성은 탄성계수 100 MPa, 포아성비0.47으로 적용하였다.
- 이때 20 mm는 기존 그리퍼의 설계 수치이며, 33 mm는 지름65 mm의 대상체를 손가락을 벌리지 않고 잡을 수 있는 최소 위치이다. 손가락의 형상은 기존 설계안과 동일하게 외측부 및 내측부 두께를 각각 4 mm와 3 mm, 링크부 두께 및 개수를 3 mm와 3개로 고정하였다.
- 제작된 그리퍼로 지름 60 mm의 구 형상에 대한 파지 시험을 수행하고, 파지 과정의 각 단계에서의 손가락 형상을 [Fig. 8]에 나타내었다. 접촉 순간인 (c)에서의 손가락 형상은 내측이 중심축과 거의 평행을 이루어 대상체를 밀어내는 방향의 합력이 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
데이터처리
- 개선된 그리퍼의 성능은 CAE 해석을 통하여 평가하였다. 해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS Mechanical을 이용하여 수행하였고, 해석 효율 향상을 위하여 해석영역은 1/3 대칭 영역으로 제한하여 1개의 손가락만을 보 요소(beam element)로 모델링하였다.
성능/효과
- 10]과 같이 최소 및 최대 직경이 각각 60 mm, 65 mm인 토마토모형에 대한 파지 실험을 수행하였다. (a)와 (b)는 서로 다른위치에서 토마토를 파지한 경우이며, 손가락의 형상을 볼 때, 두 경우 모두 과도한 굴곡 없이 안정적으로 파지할 수 있음을 확인하였다. 이때, 구동력은 각각 13.
- 9]과 같이 구동부에 전자식 저울을 직결하여 측정하였다. 각 단계에서 측정된 구동력은 [Fig. 10]에 나타내었고, 그 결과 파지가 진행됨에 따라 구동력이 증가함을 확인할 수 있었다. 최대 파지력이 발생하는 (f)의 경우 약 11.
- Case 1의 경우 구동부가 후퇴함에 따라 링크가 세워지면서 내측부와 외측부 사이의 거리를 벌리는 효과를 발생시켰다. 그 결과 손가락과 대상체 사이의 접촉력이 증가하여 수평 및 수직 방향의 파지력이 크게 발생하였다. 이와 대조적으로 Case 2의 경우에는 구동부가 후퇴함에 따라 링크가 눕혀지면서 내측부와 외측부 사이의 거리를 좁히는 효과를 발생시킨다.
- 13]과 같이 파지가 완료된 대상체에 전자식 저울을 직결하고, 대상체가 그리퍼에서 이탈할 때까지 당기면서 이때 발생하는 최대 힘을 측정하였다. 그 결과, 구형 공과 토마토모형의 경우 각각 평균 18.6 N, 18.3 N의 최대 당김힘이 측정되었다. 이는 토마토줄기를 비틀지 않고 그대로 잡아당기는데필요한 힘의 크기보다는 다소 작으나, 일반적인 수확 방법인 비틀어 수확하는 경우에 대해서는 충분한 수준의 힘이다.
- 개선된 설계를 바탕으로 새로운 그리퍼를 제작 후 구형 대상체와 과수 모형 대상체에 대한 파지 실험을 수행하였다. 그리퍼의 손가락 링크 부분의 과도한 굴곡 없이 안정적으로 파지되는 것을 확인하였고, 대상체의 파지 초기부터 그리퍼의 내부 방향으로 수평힘이 작용함을 알 수 있었다. 이 과정에서 필요한 구동력을 측정함으로써 안정적으로 파지하기 위한 요구 구동력도 확인할 수 있었다.
- 33px;">y는 r이 감소할수록 크게 나타났으며 이는 손가락이 물체에 더욱 밀착되어 더 큰 접촉력을 발생시켰기 때문이다. 따라서, r이 작을수록 물체에 가해지는 힘의 크기는 커지나, 접촉 초기에는 대상체를 밀어내는 단점이 있고, r이 커지면 접촉 초기의 밀어내는 현상은 감소하나 접촉력은 감소함을 확인할 수 있다. 따라서 개선 설계안에서는 대상체를 밀어내는 현상이 발생하지 않는 한도 내에서 가장 작은 값을 갖는 r = 33mm를 최적값으로 선정하였다.
- 토마토의 경우 약 818000 N/m2의 접촉압력까지는 과수의 손상이 없는 것으로 알려져 있다[15,16]. 따라서, 본 논문에서 제안한 그리퍼는 과수의 손상을 발생시키지 않는 충분히 작은 접촉 압력으로 파지가 가능함을 확인하였다.
- 파지 과정에서의 과수 손상 여부를 확인하기 위해 손가락과 과수 표면 사이의 접촉 압력을 측정하였고, 과수의 손상이 발생하지 않는 충분히 작은 압력임을 실험적으로 검증하였다. 또한 과수를 줄기에서 분리하는데 필요한 당김힘을 충분히 확보할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 본 논문에서 설계 및 제작한 유연 그리퍼는 과수 수확 작업에 성공적으로 적용될것으로 기대된다.
- 상기 기술된 실험들을 통하여 개발된 그리퍼는 과수 표면에 손상을 발생시키지 않으면서 과수를 줄기에서 분리할 수 있는 충분한 당김힘을 발생시킬 수 있음을 확인하였다.
- 이상의 4가지 경우를 종합하면 파지력의 크기는 Case 1과 Case 3에서 크게 나타났다. 파지력의 크기는 Case 3가 좀더 크게 나타나나, 외측부의 좌굴현상이 심한 단점이 있다.
- 하지만, 지속적인 테스트 과정에서 일부 대상체 파지 시 손가락과 접촉하는 과정에서 대상체가 미끄러지면서 안정적인 파지가 되지 않는 경우를 확인하였다. 이에 대한 분석 결과, 파지 과정에서 접촉이 일어나는 순간의 손가락 형상을 보면 대상체에 가해지는 접촉력의 방향이 그리퍼 내부 방향이 아닌 반대 방향임을 알 수 있었다. 따라서, 충분한 마찰력이 있는 경우 파지가 이루어지지만 마찰력이 부족한 경우 안정적인 파지가 어려울 수 있게 된다.
- 이 과정에서 필요한 구동력을 측정함으로써 안정적으로 파지하기 위한 요구 구동력도 확인할 수 있었다. 파지 과정에서의 과수 손상 여부를 확인하기 위해 손가락과 과수 표면 사이의 접촉 압력을 측정하였고, 과수의 손상이 발생하지 않는 충분히 작은 압력임을 실험적으로 검증하였다. 또한 과수를 줄기에서 분리하는데 필요한 당김힘을 충분히 확보할 수 있음을 확인하였다.
- 핀레이(Fin Ray) 구조를 채용하여 유연 소재의 손가락을 제작하고 핀레이 구조의 링크 개수와 두께에 대한 설계를 진행하여 파지 가능성을 확인하였다. 하지만, 지속적인 테스트 과정에서 일부 대상체 파지 시 손가락과 접촉하는 과정에서 대상체가 미끄러지면서 안정적인 파지가 되지 않는 경우를 확인하였다. 이에 대한 분석 결과, 파지 과정에서 접촉이 일어나는 순간의 손가락 형상을 보면 대상체에 가해지는 접촉력의 방향이 그리퍼 내부 방향이 아닌 반대 방향임을 알 수 있었다.
후속연구
- 또한 과수를 줄기에서 분리하는데 필요한 당김힘을 충분히 확보할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 본 논문에서 설계 및 제작한 유연 그리퍼는 과수 수확 작업에 성공적으로 적용될것으로 기대된다.
- 향후에는 다양한 형상의 과수에 대한 지속적인 실험을 수행하여 실제 로봇 작업에 활용할 계획이다.
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