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문제 정의
- 본 논문에서는 로봇의 그리퍼를 구성하기 위한 힘 Fx, Fy, Fz 과 모멘트 Mx, My, Mz 를 동시에 감지할 수 있는 6 축 로봇손가락 힘/모멘트센서를 개발하였다. 이 센서는 병 렬평판보(PPB:parallel- plate beam) 7 개로 구성되는 단일 몸체로 모델링되었다.
제안 방법
- , et al.(1) 은 물체를 잡는 방향의 힘을 측정할 수 있는 단축 힘센서를 이용하여 로봇의 손가락을 제작하였고, 위치 및 힘제어로서 물체를 잡았다. Castro, D.
- , et al.(2)은 단축 힘센서를 이용하여 조오그리퍼 (Jaw gripper) 를 제작하여 물체를 잡았다. Nkgatho, S.
- , et al.(3) 은 그리퍼에 근접센서를 부착하고 이것과 전자회로를 연결하여 지능 그리퍼(intelligent gripper)을 제작하였다. Carlos, M.
- , etal.(4) 은 물체의 위치를 정확하게 찾을 수 있는 비전 시스템 을 이용하여 3 손가락 그리퍼를 제작하였다. 그리고 Obrien, D.
- 이 센서는 병 렬평판보(PPB:parallel- plate beam) 7 개로 구성되는 단일 몸체로 모델링되었다. 힘/모멘트센서의 감지부들을 설계하기 위하여 힘과 모멘트에 의한 보들의 변형률을 계산하는 식을 유도하였고, 유도된 식들을 이용하여 6 축 로봇 손가락 힘/모멘트센서의 감지부의 크기를 설계하였으며, 스트레인게이지를 부착하여 센서를 제작하였다. 그리고 제작된 센서의 특성평가를 실시하였고, 제작된 센서를 이용하여 로봇의 그리퍼를 구성하여 미지물체를 잡는 힘제어 특성실험을 실시하였다.
- 힘/모멘트센서의 감지부들을 설계하기 위하여 힘과 모멘트에 의한 보들의 변형률을 계산하는 식을 유도하였고, 유도된 식들을 이용하여 6 축 로봇 손가락 힘/모멘트센서의 감지부의 크기를 설계하였으며, 스트레인게이지를 부착하여 센서를 제작하였다. 그리고 제작된 센서의 특성평가를 실시하였고, 제작된 센서를 이용하여 로봇의 그리퍼를 구성하여 미지물체를 잡는 힘제어 특성실험을 실시하였다.
- 7 개의 PPB 들중 PPB 1과 PPB 2는 힘 Fx 와 모멘트 My, PPB 3과 PPB 4 는 힘 Fy 와 모멘트 Mx, PPB 5 는 힘 Fz, 그리고 PPB 6 과 PPB 7 은 모멘트 Mz 를 감지 하는 병 렬평 판보이다. PPB 1, PPB 2, PPB 3 과 PPB 4 는 폭" 두께 t1, 길이 11 인 평판보 2 개로 각각 구성되었고, PPB 5 는 폭 b2, 두께 t2, 길이 12 인 평판보 2 개로 각각 구성되었으며, 그리고 PPB 6 과 PPB 7 은 폭b3, 두께 t3, 길이 13 인 평판보 2 개로 각각 구성되었다.
- 센서 의 용량은 각각의 힘 센서 Fx, Fy, Fz 가 모두 50 N 이 고 각각의 모멘트센서 Mx, My, Mz 가 5 Nm, 정 격 변형 률은 모두 1000 阴/m 정도, 스트레 인게 이 지의 부착위치는 스트레인게이지의 크기 4x5 mm2 를 고려하여 보의 길이 방향으로는 모두 보의 양 끝 지점으로부터 1.5 mm 떨어진 지점이고, 보의 폭 방향으로는 보의 길이 방향의 중심선상으로 결정하였다.
- 작된다. 따라서 휘스톤브리지를 구성한 상태에서 각 센서의 정격변형률이 1000 |im/m 정도가 되고 상호간섭 오차가 0 이 되도록 유도한 변형률식 (2-a), (2-b), (4-a), (4-b), (8-a), (8-b)를 이용하여 설계하였다.
- 6 축 로봇손가락 힘/모멘트센서의 특성실험은 특성 실험장치를 이용하여 힘 Fx, Fy, Fz 를 각각 50 N, 모멘트 Mx, My, Mz 를 각각 5 Nm 를 센서 에 가하여 각각 3 회씩 실시하였으며, 그 값들을 평균하였다. 이론식과 특성시험에 의한 정격출력의 단위를 같게 하기 위하여 특성실험에 의한 각 센서의 정격출력의 단위가 mV/V 이므로 이론식에 의한 정격변형률( |im/m )을 정격출력( mV/V )으로 바꾸어야 한다.
- 실험용 로봇의 그리퍼가 미지물체를 잡기 위한 PI 힘제어(PI force control)의 응답특성실험을 비 례게인 Kp 를 20 에서 80 까지 10 단계로 증가시켜 고정 하고, 적 분게 인 Ki 를 0.005, 0.2, 0.3, 0.5 순으로 증가하면서 실시하였으며, 샘플링시간은 0.05 s 이다. 이 중 Kp 가 50 일 때가 상승시간이 0.
- 05 s 이다. 이 중 Kp 가 50 일 때가 상승시간이 0.4 s 로 실험용 로봇의 그리퍼에 적당한 것으로 판단되어 본 논문에서는 Kp 가 50 일 때만 그래프로 표현하기로 한다.
대상 데이터
- 수 있는 6 축 로봇손가락 힘/모멘트센서를 개발하였다. 이 센서는 병 렬평판보(PPB:parallel- plate beam) 7 개로 구성되는 단일 몸체로 모델링되었다. 힘/모멘트센서의 감지부들을 설계하기 위하여 힘과 모멘트에 의한 보들의 변형률을 계산하는 식을 유도하였고, 유도된 식들을 이용하여 6 축 로봇 손가락 힘/모멘트센서의 감지부의 크기를 설계하였으며, 스트레인게이지를 부착하여 센서를 제작하였다.
- 를 감지 하는 병 렬평 판보이다. PPB 1, PPB 2, PPB 3 과 PPB 4 는 폭" 두께 t1, 길이 11 인 평판보 2 개로 각각 구성되었고, PPB 5 는 폭 b2, 두께 t2, 길이 12 인 평판보 2 개로 각각 구성되었으며, 그리고 PPB 6 과 PPB 7 은 폭b3, 두께 t3, 길이 13 인 평판보 2 개로 각각 구성되었다. 그리고 외부로부터 가해지는 3개의 힘과 3개의 모멘트는 센서의 하부에 위치한 블록 A 와 B, 그리고 상부에 위치한 블록 C 와 D 를 통하여 6 축 로봇손가락 힘/모멘트 센서에 전달된다.
- 4 mm 이었다. 감지부의 재질은 소용량의 힘/모멘트 센서의 감지부로 많이 사용되는 알루미늄 2024-T351 이다.
- 6 축 로봇손가락 힘/모멘트센서는 Fig. 5에 나타낸 스트레인게이지의 부착위치에 순간접촉제 (M- bond 200) 를 이용하여 스트레인게이지 (N2A-13- T001N-350) 를 부착하였으며, 휘 스톤 브리지회로를 구성하여 제작하였다.
성능/효과
- 계산한 Fx 센서와 Fy 센서의 정격변형률은 이론해석 값이 각각 1032 μ m / m , Fz 센서는 1056 |im/m , Mx 센서 와 My 센서 는 1040 阴 /m , Mz 센서는 1032 μm/m 이었고, 모든 센서의 상호간섭 오차는 모두 0 이었다. 각 센서의 정격출력이 1000 |im/m 이상으로 설계된 것은 각 센서 감지 부의 크기를 가공정도를 고려하여 길이와 폭은 1 mm 단위로, 두께는 0.
- Table 1 는 유도된 이론식과 특성시험에 의한 6 축 로봇 손가락 힘/모멘트센서의 정격출력을 나타내었다. 이론식에 의한 정격출력을 기준으로 실험에 의한 정격출력을 비교한 결과, 최대 정격출력 오차는 6.0 %이다.
- 이와 같은 오차는 모터 와 모터 드라이버에서 발생된 노이즈가 센서의 미약 전류에 영향을 미쳤기 때문이다. 정상상태의 편차와 흔들림을 고려할 때, 본 논문에서 구성한 로봇의 그리퍼는 Kp 가 50 이고 Ki 가 0.2 일 때 가장 좋은 특성을 나타낸다. 이와 같은 특성을 볼 때 본 논문에서 6 축 로봇손가락 힘/모멘트센서를 이용하여 구성한 그리퍼는 미지물체를 안전하게 잡는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 개발한 6 축 로봇손가락 힘/모멘트센서는 이론식에 의한 정격출력을 기준으로 실험에 의한 정격출력을 비교한 최대오차가 6.0 %이었고, 최대 상호 간섭 오차가 2.79 %이었으며, 또한 개발한 6 축 로봇 손가락 힘/모멘트센서를 이용하여 구성한 실험용 로봇의 그리퍼가 미지물체를 안전하게 잡았다. 그러므로 본 논문에서 유도한 식 (2-a), (2-b), (4-a), (4-b), (8-a), (8-b)는 고안한 6 축 로봇손가락 힘/모멘트센서의 설계를 위한 정격변형률을 계산하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각되며, 상호간섭 오차도 우수하게 평가되어 개발한 6 축 로봇 손가락 힘/모멘트센서는 미지물체를 안전하게 잡을 수 있는 로봇의 그리퍼로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 2 일 때 가장 좋은 특성을 나타낸다. 이와 같은 특성을 볼 때 본 논문에서 6 축 로봇손가락 힘/모멘트센서를 이용하여 구성한 그리퍼는 미지물체를 안전하게 잡는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 79 %이었으며, 또한 개발한 6 축 로봇 손가락 힘/모멘트센서를 이용하여 구성한 실험용 로봇의 그리퍼가 미지물체를 안전하게 잡았다. 그러므로 본 논문에서 유도한 식 (2-a), (2-b), (4-a), (4-b), (8-a), (8-b)는 고안한 6 축 로봇손가락 힘/모멘트센서의 설계를 위한 정격변형률을 계산하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각되며, 상호간섭 오차도 우수하게 평가되어 개발한 6 축 로봇 손가락 힘/모멘트센서는 미지물체를 안전하게 잡을 수 있는 로봇의 그리퍼로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
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