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문제 정의
- 연속체 로봇의 끝단에 측면 방향으로 외력이 작용하는 경우에 대해서 알아보기로 한다. [Fig. 5]와 같이 연속체 로봇의 끝단에 외력 f가 작용하고, 구동 와이어는 길이가 고정된 경우에 대해서 알아보자. 연속체 로봇의 빔은 처음에는 외력의 방향으로 회전하다가, 구동 와이어의 길이가 고정이 되어 있기 때문에, 이를 보상해 주기 위해 말단 부분은 외력의 반대 방향으로 회전하게 된다.
- 3장에서는 측면 외력을 받게 될 경우의 연속체 로봇에 대해서 모델링한다. 또한 기존의 변위 계산 방법과 본 논문에서 제시된 가상 일-에너지를 이용한 변위 계산 방법을 비교해 보기로 한다.
- 하지만 구동 와이어의 분포 하중을 고려하지 않았고, 장력이나 곡률과 같은 연속체 로봇의 파라미터들이 빠져 있다. 본 논문에서는 가상 일 및 내부에너지 증가라는 새로운관점에서 형상을 분석해 보고자 한다.
- 본 논문에서는 열가소성 탄성중합체인 페박스라는 소재를 사용하여, 다공의 유연튜브를 제작하고, 스테인레스 구동 와이어를 사용하여 굽힘 동작을 할 수 있는 연속체 로봇의 정역학적 모델링에 대해서 다루었다. 연속체 로봇은 부정맥 시술을 위해 제작되었고, 협소한 외부 환경과의 물리적 접촉에서, 연속체 로봇의 끝단에서 측면 외력이 작용할 경우, 가장 심하게 변형을 받을 수 있다.
- 또한 크기 제약 조건이 심한 하이퍼 리던던트 로봇의 설계에도 도움을 줄 수 있는 데, 동일한 크기 제약 조건에서 기하학적인 변수들을 조정함에 따라 좀더 외력에 강인하거나 S자 굴곡 현상을 최소화시킬 수 있는 로봇을 설계할 수 있다. 본 논문에서는 제안된 연속체 로봇의 정역학적 모델을 개발하고, 외부에서 측면 하중을 받게 될 경우의 형상 변화에 대해서 고찰해 보기로 한다. 2장은 기본적인 연속체 로봇의 기구학과 정역학에 대해서 설명한다.
- 연속체 로봇의 기본적인 기구학에 대해서 알아보기로 한다. 본 연구에서 제안된 연속체 로봇은 굴곡 변화가 발생하는 탄성체와, 그 탄성체 안에 삽입되는 구동 와이어로 이루어졌다.
- 연속체 로봇의 끝단에 측면 방향으로 외력이 작용하는 경우에 대해서 알아보기로 한다. [Fig.
- 구동 와이어는 벽에 있는 4개의 구멍에 삽입이 되고, 연속체 로봇의 말단 부분에서 고정이 되어 와이어를 잡아당기는 동작으로 빔을 조향시킬 수 있다. 이 소형 연속체 로봇은 인체 내에 삽입되어 여러가지 중재 시술을 하려는 목적으로 개발되었다. 연속체 로봇은 연조직을 채취하거나 치료작업을 하는 경우에는 외부 환경으로부터 하중을 받게 된다.
- 연속체 로봇은 부정맥 시술을 위해 제작되었고, 협소한 외부 환경과의 물리적 접촉에서, 연속체 로봇의 끝단에서 측면 외력이 작용할 경우, 가장 심하게 변형을 받을 수 있다. 이에 측면 외력 작용 시의 형상 및 변위를 예측하고자, 기본적인 기구학 및 정역학 모델링, 외력이 작용하는 경우의 힘-모멘트 평형, 가상 일-에너지에 관해 서술하였다. 가상 일-에너지 방법을 이용하여 변위를 예측하였고, 이를 전통적인 캔틸레버 빔을 이용한 변위 계산 식과 비교해보았다.
- 여기에서 마찰이나 중력에 대한 힘은 장력 T에 비해서는 매우 작기 때문에 무시하기로 한다. 이제 빔에 작용하는 여러 힘에 대해서 힘과 모멘트 평형상태를 알아보기로 한다. 먼저 휘어진 빔 안에 놓인 와이어의 전체 길이에 작용하는 분포 하중 w(s)와 동일한 짝 힘 Feq를 계산해 보기로 한다.
가설 설정
- 1) 굴곡형상은 일정한 상수의 곡률을 가진다.
- 2) 굴곡이 일어날 때, 단면의 형상은 항상 일정하다.
- 3) 탄성체는 압축 및 벤딩 응력을 받지만, 압축으로 인한 변형은 무시한다.
- 4) 구동 와이어는 늘어나지 않는다.
- [Fig. 2(a)]와 같이, 유클리디안 공간 상에서, 빔이 x-z 평면에 있을 때 각도 Φ 만큼 굴곡이 발생한다고 가정하자.
- 3]과 같이 구동 와이어는 중심 축에서 일정한 거리만큼 떨어진 거리에 있고, 선형적인 모델이라는 가정 상, 중심 축과 평행하게 구동 와이어가 놓이게 된다. 그리고 구동 와이어에는 인장력만이 걸리고 그 장력은 와이어의 길이에 따라 일정하게 분포한다고 가정한다. 구동 와이어는 빔 안에 놓여 지기 때문에 길이 방향에 수직인 분포하중을 받게 된다[Fig.
- 그 합은 양쪽 와이어 모두 0이고, 이 때의 형상은 대칭성을 가지는 S자 굴곡이 된다. 늘어나지 않는 구동 와이어는 모두 동일한 토크를 기저부에서 말단부로 전달하기 때문에 대칭성을 이룬다고 가정한다. 가정 4)에 의해서 구동 와이어는 늘어나지 않고, 길이가 고정이 되어 있기 때문에, S 자 굴곡이 이루어지게 되어도 항상 길이는 고정이 된다.
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