[논문]복합재 구조물 유지보수를 위한 소형 매니퓰레이터 플랫폼 개발

송근수; 안효훈; 신광복

doi:10.7234/composres.2023.36.2.108

복합재 구조물 유지보수를 위한 소형 매니퓰레이터 플랫폼 개발
Development of Small Manipulator Platform for Composite Structure Repair 원문보기

Composites research = 복합재료, v.36 no.2, 2023년, pp.108 - 116

송근수 (Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Hanbat National University) , 안효훈 (Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Hanbat National University) , 신광복 (Department of Mechanical Engineering, Hanbat National University)

초록
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본 논문에서는 복합재료로 제작된 구조물의 유지보수 자동화를 위한 소형 매니퓰레이터 플랫폼 개발을 위해 기구학적 설계와 다물체 동역학 해석을 수행하였다. 매니퓰레이터의 기구학적 설계를 수행하기 위해 기존복합재 보수 공정을 고려하였다. 보수용 패치 적층 공정을 고려하여 매니퓰레이터와 엔드 이펙터의 기본 제원을 선정한 뒤 3-D 설계를 수행하였다. 이후 보수공정을 고려한 역기구학 해석을 통해 시뮬레이션 및 제어에 필요한 변수를 MATLAB에서 생성하였다. 플랫폼의 구조안정성 평가를 위해 Altair Inspire와 Optistruct를 통한 다물체 동역학 해석을 수행하였다. Inspire에서 진행된 시뮬레이션을 기반으로 Optistruct에서 다물체 동역학 해석을 수행한 뒤 시간에 따른 최대 변위와 Von-Mises 응력 결과를 통해 구조안정성을 검증하였다. 설계검증을 위해 플랫폼의 실제 제작 및 제어를 수행하여 시뮬레이션과 비교한 결과, 실제 보수과정 경로와 시뮬레이션이 잘 일치하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, kinematic design and multi-body dynamics analysis were conducted to develop a small manipulator platform for automating the maintenance of structures made of composite materials. To design manipulator kinematically, the existing composite repair process was considered. The 3D design was conducted after selecting the basic specifications of manipulator and end-effecter in consideration of the patch lamination process for repair. Then, variables necessary for simulation and control were generated in MATLAB through inverse kinematic analysis. To evaluate the structural stability of platform, multibody dynamics analysis was conducted using Altair Inspire and Optistruct. Based on the simulation conducted in Inspire, multibody dynamics analysis was conducted in Optistruct, and structural stability was verified through the results of maximum displacement and Von-Mises stress over time. To verify the design, manufacturing and controlling of platform were conducted and compared with the simulation. It was confirmed that the actual repair process path and the simulation showed a good agreement.

주제어

표/그림 (32)

그림 Fig. 1. Kinematic design flowchart of manipulator
그림 Fig. 2. Schematic of manipulator motion
그림 Fig. 3. Schematic of maximum torque generation motion for joint 1
그림 Fig. 4. Schematic of maximum torque generation motion for joint 2
그림 Fig. 5. Platform for creating detailed designs of manipulator
표 Table 1. Torque range of each Joint
표 Table 2. Specifications for motors of manipulator
그림 Fig. 6. Dimensions and 3D shape of manipulator assemblies
그림 Fig. 7. Dynamic behavior of manipulator during process time
그림 Fig. 8. Load and boundary conditions
그림 Fig. 9. Torque-Time diagram of Motor 1, 2, 3 at 30 N
표 Table 3. Specifications for parts of manipulator
표 Table 4. Maximum torque of each motor and occurring time
그림 Fig. 10. Dimension and position material of final manipulator
그림 Fig. 11. Finite element model of final manipulator
표 Table 5. Motor specifications before and after change
표 Table 6. Weight specifications of final manipulator
표 Table 7. Number of elements and nodes of finite element model
표 Table 8. Material properties of finite element model
그림 Fig. 12. Result of Displacement and Von-Mises stress for Link 1
그림 Fig. 13. Result of Displacement and Von-Mises Stress for Link 2
그림 Fig. 14. Result of Displacement and Von-Mises Stress for End Effecter
그림 Fig. 15. Link 1 made by DMLS method
표 Table 9. Dynamic analysis of manipulator
그림 Fig. 16. End effecter made by assembly drawing
그림 Fig. 17. Manipulator Platform controlled by OpenCR
그림 Fig. 18. Manipulator 3D models for URDF
그림 Fig. 19. Manipulator 3D models for URDF
그림 Fig. 20. Simulation and actual behavior comparison of robot arm
표 Table 10. Comparison angle for each joint Motor
그림 Fig. 21. Angle-Time diagram of Motor 1, 2, 3 for comparison
표 Table 11. Actual compaction forces

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 복합재 구조물의 유지 보수를 위한 소형 매니퓰레이터 플랫폼을 개발하였으며 이를 위해 기구학적설계, 다물체 동역학 해석 기반 구조안정성 평가, 3D 프린팅 기반 실제 제작, 그리고 ROS 기반의 제어를 수행하였다.
이에 본 연구에서는 다양한 종류의 모터들을 설계안에 쉽고 빠르게 적용 및 수정하기 위해 매니퓰레이터의 상세 설계안 도출용 3D 모델 플랫폼을 개발하였다. Fig.
이에 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 소형 매니퓰레이터 기반의 복합재 보수 자동화 플랫폼을 개발하였다. 플랫폼 개발을 위한 기구학적 설계를 수행하기 위해 작업 모션 및 작업 반경, 부품 별 제원 등을 선정하여 상세 설계안을 도출한 뒤 MATLAB 및 Altair Inspire를 사용하여 다물체 동역학 시뮬레이션을 통한 설계안 검증을 수행하였다.

제안 방법

MATLAB으로부터 도출된 시간 별 모터의 각도 데이터를 통해 Altair Inspire에서 실제 보수조건을 고려한 다물체 동역학 시뮬레이션을 수행하여 실제 모션 수행 시 발생되는 각 관절 별 최대 부하 토크를 도출하였다. 이후 도출된 부하 토크와 설계안에 적용된 모터의 정격 토크를 비교하여 정격 토크 값이 낮은 경우 최대 부하 토크 값을 만족하는 모터 제품으로 설계안을 변경하였다.
다물체 동역학 시뮬레이션과 유한요소해석 기반의 다물체 동역학 해석을 통해 매니퓰레이터 설계안의 구조안정성을 평가하였다. 이를 위해 Fig.
도출된 설계안에 대해 다물체 동역학 시뮬레이션과 유한요소해석을 기반으로 구조안정성 평가를 수행하였다. 해석 결과 각 부품들에 적용된 소재의 항복강도 대비 매우 낮은 최대 Von-Mises 응력 값을 확인하였으며 이를 통해 최종 설계안의 구조안정성을 확보하였다.
매니퓰레이터 엔드 이펙터는 보수 공정에 따라 다양한 형태의 롤러를 쉽게 교체할 수 있는 볼트 체결 방식으로 제작하였다. Fig.
제어 환경구축은 1) ROS 플랫폼 설치, 2) OpenCR 제어를 위한 Arduino IDE 설치, 3) Dynamixel Wizard를 통한 모터 보정, 4) Moveit을 통한 제어환경 구축 순으로 진행하였다. 먼저 Moveit을 사용하기 위해 매니퓰레이터 각 부품들의 URDF(Universal Robotic Description Format)을 생성하였다. Fig.
소형 매니퓰레이터의 구조안정성 평가를 수행하기 위해 Altair Inspire에서 구축된 구속조건, 하중조건, 그리고 시뮬레이션 조건을 기반으로 Altair Optistruct에서 다물체 동역학 해석을 수행하였다. 다물체 동역학 해석시간은 시뮬레이션과 동일한 21초이며 가장 높은 응력 및 변위가 예상되는 특정 시간 (모션 진행시간 17초)에 대한 최대 변위 및 Von-Mises 응력 결과를 도출하였다.
소형 매니퓰레이터의 링크와 엔드 이펙터의 제작은 분말 형태의 금속 가루를 고온의 레이저로 소결하여 제작하는 DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 3D 프린팅 방식을 통해 제작하였다. Fig.
MATLAB으로부터 도출된 시간 별 모터의 각도 데이터를 통해 Altair Inspire에서 실제 보수조건을 고려한 다물체 동역학 시뮬레이션을 수행하여 실제 모션 수행 시 발생되는 각 관절 별 최대 부하 토크를 도출하였다. 이후 도출된 부하 토크와 설계안에 적용된 모터의 정격 토크를 비교하여 정격 토크 값이 낮은 경우 최대 부하 토크 값을 만족하는 모터 제품으로 설계안을 변경하였다. 이러한 과정을 반복하여 매니퓰레이터 최종 설계안을 도출하였다.
이를 통해 보수공정을 원활히 수행할 수 있는 소형 매니퓰레이터 플랫폼의 최종 설계안을 도출하였다. 이후 도출된 설계안의 구조안정성 평가를 위해 다물체 동역학 시뮬레이션 조건과 실제 보수공정이 고려된 구속 및 하중 조건들을 기반으로 다물체 동역학 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 유한요소모델은 Altair HyperMesh를 통해 생성하였고 다물체 동역학 해석을 위한 유한요소해석 프로그램은 Altair Optistruct를 사용하였다.
이후 복합재 보수 모션에 대한 기구학적 문제 정의 후 관절 별 필요 토크 범위를 도출하였으며 이를 만족하는 로보티즈(社)의 다이나믹셀 모터 제품군을 선정하였다. 이후 상세 설계안 도출용 플랫폼을 개발하여 플랫폼으로부터 도출된 다양한 설계안들에 대해 다물체 동역학 시뮬레이션을 수행하여 관절 별 최대 토크 범위를 도출하였다. 이를 기반으로 기존 설계안에 적용된 모터의 정격 토크와 비교한 결과 관절 1 부분에 적용된 모터의 부족한 토크를 보완하기 위해 제품을 변경하여 소형 매니퓰레이터 플랫폼의 최종 설계안을 도출하였다.
최종적으로 로보티즈(社)의 Dynamixel 제품군이 해당 조건들을 만족하였으며 이를 기반으로 다양한 모터 제품들을 설계안에 적용해가며 복합재 보수용 소형 매니퓰레이터의 상세 설계안들을 도출하였다. 이후 해당 설계안들에 대해 다물체 동역학 시뮬레이션을 수행하여 설계안에 적용된 모터의 토크에 대한 적합성 여부를 평가하였다.
적층 수행능력에 대한 성능평가를 위해 최대 작업 반경 Step 4에서 매니퓰레이터의 실제 적층력을 측정하였다. 실제 모터 전류를 측정한 뒤 성능 그래프를 기반으로 토크 변환 후 실제 적층력을 계산하는 Current-Torque 방법과 무게감지센서를 통해 적층력을 측정하는 Load cell 방법을 사용하였다.
4.2 ROS 기반 소형 매니퓰레이터 제어

제작된 복합재 보수용 소형 매니퓰레이터를 제어하기 위해 ROS 기반의 PC 상위제어기와 OpenCR(Open-Source Control module for ROS) 주 제어기를 적용하였다. 제어 환경구축은 1) ROS 플랫폼 설치, 2) OpenCR 제어를 위한 Arduino IDE 설치, 3) Dynamixel Wizard를 통한 모터 보정, 4) Moveit을 통한 제어환경 구축 순으로 진행하였다.
해석에 사용된 유한요소모델은 Altair HyperMesh를 통해 생성하였고 다물체 동역학 해석을 위한 유한요소해석 프로그램은 Altair Optistruct를 사용하였다. 최종적으로 구조안정성이 확보된 설계안을 기반으로 매니퓰레이터를 제작한 뒤 ROS(Robot Operating System)를 활용한 제어를 통해 매니퓰레이터 플랫폼 성능평가를 수행하여 전반적인 개발 과정에 대한 신뢰성을 확보하였다.
이에 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 소형 매니퓰레이터 기반의 복합재 보수 자동화 플랫폼을 개발하였다. 플랫폼 개발을 위한 기구학적 설계를 수행하기 위해 작업 모션 및 작업 반경, 부품 별 제원 등을 선정하여 상세 설계안을 도출한 뒤 MATLAB 및 Altair Inspire를 사용하여 다물체 동역학 시뮬레이션을 통한 설계안 검증을 수행하였다. 이를 통해 보수공정을 원활히 수행할 수 있는 소형 매니퓰레이터 플랫폼의 최종 설계안을 도출하였다.
플랫폼 개발을 위한 설계안 도출을 위해 기구학적 설계 프로세스를 개발하였다. 이후 복합재 보수 모션에 대한 기구학적 문제 정의 후 관절 별 필요 토크 범위를 도출하였으며 이를 만족하는 로보티즈(社)의 다이나믹셀 모터 제품군을 선정하였다.

대상 데이터

관절 간 길이는 모터들의 회전축간 수직 거리를 기준으로 설계하였으며 링크 소재는 알루미늄 AL 6061을 적용하였다. 엔드 이펙터 롤러는 무게를 고려하여 직경과 소재를 선정하였다.
도출된 최종 설계안에 대해 제작 방식을 고려하여 링크들의 소재를 변경하였다. 링크의 경우 복잡한 형상을 고려하여 금속 3D 프린팅 기술을 선정하였으며 이에 기존의 적용되었던 AL 6061 소재를 3D 프린팅에 사용되는 소재로 변경하였다. Fig.
관절 간 길이는 모터들의 회전축간 수직 거리를 기준으로 설계하였으며 링크 소재는 알루미늄 AL 6061을 적용하였다. 엔드 이펙터 롤러는 무게를 고려하여 직경과 소재를 선정하였다. 플랫폼에 적용된 모터는 필요 토크범위를 상회하는 제품을 선정하였다.
플랫폼 개발을 위한 설계안 도출을 위해 기구학적 설계 프로세스를 개발하였다. 이후 복합재 보수 모션에 대한 기구학적 문제 정의 후 관절 별 필요 토크 범위를 도출하였으며 이를 만족하는 로보티즈(社)의 다이나믹셀 모터 제품군을 선정하였다. 이후 상세 설계안 도출용 플랫폼을 개발하여 플랫폼으로부터 도출된 다양한 설계안들에 대해 다물체 동역학 시뮬레이션을 수행하여 관절 별 최대 토크 범위를 도출하였다.
정의된 기구학 문제에 적용된 링크 중량 및 모터 제원의 범위는 상용모터 회사들과 매니퓰레이터 개발사들의 제품들을 기반으로 도출하였으며 보수 모션조건, 링크 설계안, 그리고 적층 압력을 만족할 수 있는 제품들을 기준으로 선정하였다. 이후 설계안에 적용될 모터선정을 위해 토크범위를 만족하며 높은 토크/중량비를 나타내는 서보 모터를 고려하였다.

데이터처리

이후 매니퓰레이터 전체 모션에 대한 각 관절 별 모터의 실제 각도와 Fig. 8부터 10까지 시뮬레이션 각도 값과의 비교를 수행하였다. Fig.
소형 매니퓰레이터의 구조안정성 평가를 수행하기 위해 Altair Inspire에서 구축된 구속조건, 하중조건, 그리고 시뮬레이션 조건을 기반으로 Altair Optistruct에서 다물체 동역학 해석을 수행하였다. 다물체 동역학 해석시간은 시뮬레이션과 동일한 21초이며 가장 높은 응력 및 변위가 예상되는 특정 시간 (모션 진행시간 17초)에 대한 최대 변위 및 Von-Mises 응력 결과를 도출하였다. Fig.
실제 제어를 통해 개발된 소형 매니퓰레이터 플랫폼의 모션 수행능력과 적층 수행능력에 대한 성능평가를 수행하였다. Fig.

이론/모형

적층 수행능력에 대한 성능평가를 위해 최대 작업 반경 Step 4에서 매니퓰레이터의 실제 적층력을 측정하였다. 실제 모터 전류를 측정한 뒤 성능 그래프를 기반으로 토크 변환 후 실제 적층력을 계산하는 Current-Torque 방법과 무게감지센서를 통해 적층력을 측정하는 Load cell 방법을 사용하였다. Table 11은 부하가 제일 많이 발생하는 모터 1에 대해 측정된 실제 토크와 각각의 방법을 통해 측정된 적층력을 나타낸다.
이후 도출된 설계안의 구조안정성 평가를 위해 다물체 동역학 시뮬레이션 조건과 실제 보수공정이 고려된 구속 및 하중 조건들을 기반으로 다물체 동역학 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 유한요소모델은 Altair HyperMesh를 통해 생성하였고 다물체 동역학 해석을 위한 유한요소해석 프로그램은 Altair Optistruct를 사용하였다. 최종적으로 구조안정성이 확보된 설계안을 기반으로 매니퓰레이터를 제작한 뒤 ROS(Robot Operating System)를 활용한 제어를 통해 매니퓰레이터 플랫폼 성능평가를 수행하여 전반적인 개발 과정에 대한 신뢰성을 확보하였다.

성능/효과

다물체 동역학 해석 결과, 링크 1의 최대 Von-Mises 응력은 모터 브라켓에서 발생하였으며 적용소재 항복강도 이내의 값으로 구조적 안정성을 확보하였다. 링크 2와 엔드 이펙터의 최대 Von-Mises 응력은 링크와 모터 브라켓 조립부에서 발생하였으며 적용소재 항복 강도 이내의 값으로 구조적 안정성을 확보하였다.
구조안정성이 확보된 최종 설계안을 기반으로 제작 및 제어 수행 후 모션 시뮬레이션과 비교하였다. 비교 결과 시뮬레이션과 1 mm내외의 위치차이를 나타내어 매우 일치함을 확인하였으며 이를 통해 복합재 보수용 소형 매니퓰레이터 개발을 위한 설계 및 해석 과정에 대한 신뢰성을 확보하였다.
이후 상세 설계안 도출용 플랫폼을 개발하여 플랫폼으로부터 도출된 다양한 설계안들에 대해 다물체 동역학 시뮬레이션을 수행하여 관절 별 최대 토크 범위를 도출하였다. 이를 기반으로 기존 설계안에 적용된 모터의 정격 토크와 비교한 결과 관절 1 부분에 적용된 모터의 부족한 토크를 보완하기 위해 제품을 변경하여 소형 매니퓰레이터 플랫폼의 최종 설계안을 도출하였다.
플랫폼 개발을 위한 기구학적 설계를 수행하기 위해 작업 모션 및 작업 반경, 부품 별 제원 등을 선정하여 상세 설계안을 도출한 뒤 MATLAB 및 Altair Inspire를 사용하여 다물체 동역학 시뮬레이션을 통한 설계안 검증을 수행하였다. 이를 통해 보수공정을 원활히 수행할 수 있는 소형 매니퓰레이터 플랫폼의 최종 설계안을 도출하였다. 이후 도출된 설계안의 구조안정성 평가를 위해 다물체 동역학 시뮬레이션 조건과 실제 보수공정이 고려된 구속 및 하중 조건들을 기반으로 다물체 동역학 해석을 수행하였다.
이후 설계안에 적용될 모터선정을 위해 토크범위를 만족하며 높은 토크/중량비를 나타내는 서보 모터를 고려하였다. 최종적으로 로보티즈(社)의 Dynamixel 제품군이 해당 조건들을 만족하였으며 이를 기반으로 다양한 모터 제품들을 설계안에 적용해가며 복합재 보수용 소형 매니퓰레이터의 상세 설계안들을 도출하였다. 이후 해당 설계안들에 대해 다물체 동역학 시뮬레이션을 수행하여 설계안에 적용된 모터의 토크에 대한 적합성 여부를 평가하였다.
21은 시뮬레이션 각도 값과 실제 각도 값을 그래프를 통해 비교한 것을 나타낸다. 평가 결과, 시뮬레이션 모션들과 실제 매니퓰레이터의 거동이 잘 일치한 것을 확인하였다.

후속연구

본 논문에서 개발된 복합재 보수용 매니퓰레이터 개발 과정을 통해 추후 여러 종류의 복합재 및 파손 형상에 대한 보수를 수행하기 위한 소형 매니퓰레이터 플랫폼들을 쉽게 개발할 수 있다. 이를 기반으로 AFP(Automated Fiber Placement)와 Spray lay-up 공정을 융합한 섬유 분사 및 적층엔드 이펙터가 적용된 소형 매니퓰레이터 플랫폼을 개발하여 더욱 경제적이고 효율적인 복합재 보수용 매니퓰레이터 플랫폼을 개발할 예정이다.
본 논문에서 개발된 복합재 보수용 매니퓰레이터 개발 과정을 통해 추후 여러 종류의 복합재 및 파손 형상에 대한 보수를 수행하기 위한 소형 매니퓰레이터 플랫폼들을 쉽게 개발할 수 있다. 이를 기반으로 AFP(Automated Fiber Placement)와 Spray lay-up 공정을 융합한 섬유 분사 및 적층엔드 이펙터가 적용된 소형 매니퓰레이터 플랫폼을 개발하여 더욱 경제적이고 효율적인 복합재 보수용 매니퓰레이터 플랫폼을 개발할 예정이다.

참고문헌 (9)

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상세보기
Brasington, A., Sacco, C., Halbritter, J., Wehbe, R., and Harik,？R., "A Review of History, Current Technologies, and Future？Paths Forward," Composites Part C: Open Access, Vol. 6, 2021.
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저자의 다른 논문 :

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].

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