[논문]CFRP를 이용한 정찰로봇용 머니퓰레이터의 설계

김성수; 송재복; 김휘수

문제 정의

본 논문에서는 감시정찰 로봇의 구성 및 설계 과정에 대하여 살펴본다. 또한, CFRP를 사용하여 설계된 머니퓰레이터를 소개하고, 부하 해석 및 구조 해석을 통해서 경량화된 머니퓰레이터의 장점을 검증한다.
본 논문에서는 정찰로봇용 머니퓰레이터 설계에 CFRP를 사용함으로써, 필요 토크를 최소화할 수 있는 경량화 머니퓰레이터를 설계하였다. 또한 시뮬레이션을 통하여 CFRP로 제작한 머니퓰레이터가 우수한 위치 정밀도를 제공할 수 있음을 검증하였다.

제안 방법

머니퓰레이터의 성능 유지를 위해서는 경량화 설계뿐만 아니라, 로봇 고유의 정밀도 유지가 중요하다. 따라서 본 절에서는 Fig. 2와 같이 기존 두랄루민(6061-T6)으로 설계된 링크와 본 논문에서 제시한 CRRP로 설계된 링크의 구조해석 결과를 비교하였다. 각 링크에는 Table 1의 최대 필요 토크를 기준으로 하중을 인가하였고, 최대 도달 거리를 갖는 자세에서 각 링크의 처짐을 해석하였다.
앞 절에서 설정한 사양을 바탕으로 필요 토크의 산출을 위하여 동역학 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 머니퓰레이터의 재질을 다양하게 설정함으로써, 재질 차이에 따른 무게 및 필요 토크의 차이를 비교하였다. CFRP 링크의 밀도는 1760Kg/m³으로, 기존에 사용되었던 금속 재질(철, 두랄루민)과 비교하여 각각 34.
본 논문에서는 감시정찰 로봇의 구성 및 설계 과정에 대하여 살펴본다. 또한, CFRP를 사용하여 설계된 머니퓰레이터를 소개하고, 부하 해석 및 구조 해석을 통해서 경량화된 머니퓰레이터의 장점을 검증한다.
본 연구에서는 모바일 플랫폼 장착을 위한 무인 정찰용 머니퓰레이터 설계에 카본섬유 강화 복합재(CFRP, Carbon fiber reinforced plastics)를 활용함으로써, 머니퓰레이터의 무게를 최소화하였다. 또한, 경량화 설계로 정찰로봇의 이동성을 향상시키고, 필요한 부품의 용량을 최소화하였으며, 카메라의 안정화 제어 시 빠른 응답이 가능하도록 하였다.
1(a)와 같이 5자유도 머니퓰레이터를 설계하였다. 머니퓰레이터의 하부 3축은 롤-피치-피치로 구현하여 위치를 결정할 수 있도록 하였고, 엔드 이펙터에는 피치와 요 축으로 설계하여 카메라의 팬(pan)-틸트(tilt)가 가능하도록 하였다. 머니퓰레이터의 최대 길이는 620 mm, 가반중량은 3kg로 설정하였고, Fig.
특히, 모바일 플랫폼과 결합되어 사용되는 머니퓰레이터의 경우는 기동성 및 주행 안전성 향상을 위해서 반드시 경량화되어야 한다. 본 연구에서는 모바일 플랫폼 장착을 위한 무인 정찰용 머니퓰레이터 설계에 카본섬유 강화 복합재(CFRP, Carbon fiber reinforced plastics)를 활용함으로써, 머니퓰레이터의 무게를 최소화하였다. 또한, 경량화 설계로 정찰로봇의 이동성을 향상시키고, 필요한 부품의 용량을 최소화하였으며, 카메라의 안정화 제어 시 빠른 응답이 가능하도록 하였다.
앞 절에서 설정한 사양을 바탕으로 필요 토크의 산출을 위하여 동역학 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 머니퓰레이터의 재질을 다양하게 설정함으로써, 재질 차이에 따른 무게 및 필요 토크의 차이를 비교하였다.

대상 데이터

3과 같이 정찰로봇용 머니퓰레이터를 제작하였다. 말단 카메라 모듈을 제외한 전체 무게는 6.5kg이며, 결합성을 고려하여 관절은 금속, 주요 링크는 CFRP로 제작하였다. 본 정찰로봇용 머니퓰레이터는 Fig.

성능/효과

또한 머니퓰레이터의 재질을 다양하게 설정함으로써, 재질 차이에 따른 무게 및 필요 토크의 차이를 비교하였다. CFRP 링크의 밀도는 1760Kg/m³으로, 기존에 사용되었던 금속 재질(철, 두랄루민)과 비교하여 각각 34.7%, 87.4%의 무게 감소 효과가 있었다. 또한, Table 1에서 볼 수 있듯이, 가장 토크가 많이 필요한 2축의 최대 필요 토크가 금속 재질과 비교하여 5.
본 논문에서는 정찰로봇용 머니퓰레이터 설계에 CFRP를 사용함으로써, 필요 토크를 최소화할 수 있는 경량화 머니퓰레이터를 설계하였다. 또한 시뮬레이션을 통하여 CFRP로 제작한 머니퓰레이터가 우수한 위치 정밀도를 제공할 수 있음을 검증하였다. 본 결과를 통하여 앞으로 개발되는 다양한 머니퓰레이터에 CFRP를 사용함으로써, 무게를 최소화하고 머니퓰레이터에 필요한 부품의 사양을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.
4%의 무게 감소 효과가 있었다. 또한, Table 1에서 볼 수 있듯이, 가장 토크가 많이 필요한 2축의 최대 필요 토크가 금속 재질과 비교하여 5.3%, 41.0% 감소하는 것을 알 수 있었다.

후속연구

또한 시뮬레이션을 통하여 CFRP로 제작한 머니퓰레이터가 우수한 위치 정밀도를 제공할 수 있음을 검증하였다. 본 결과를 통하여 앞으로 개발되는 다양한 머니퓰레이터에 CFRP를 사용함으로써, 무게를 최소화하고 머니퓰레이터에 필요한 부품의 사양을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.

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