초록 ▼

본 과제는 정밀한 수중 작업을 위해 기구학/역학 기반 과구동 병렬기구 이론을 이용하여 양팔형 매니퓰레이터를 제어하는 기술을 연구하였다. 세계적으로 해양 시스템에 대한 수요가 증가하고 있으며 이에 따른 수중 작업의 수요 또한 같이 증가하고 있어 인간 작업자를 대체할 로봇의 개발이 필수적이다. 큰 규모의 수중 건설이나 심해에서의 작업에 사용되는 대형 ROV는 개발되고 상용화된 제품들이 존재하나 연안에서 소규모의 작업을 수행하는 ROV는 아직 많이 개발되지 않았다. 본 과제에서는 연안 환경을 분석하여 이에서 사용할 수 있는 양팔형 수중

본 과제는 정밀한 수중 작업을 위해 기구학/역학 기반 과구동 병렬기구 이론을 이용하여 양팔형 매니퓰레이터를 제어하는 기술을 연구하였다. 세계적으로 해양 시스템에 대한 수요가 증가하고 있으며 이에 따른 수중 작업의 수요 또한 같이 증가하고 있어 인간 작업자를 대체할 로봇의 개발이 필수적이다. 큰 규모의 수중 건설이나 심해에서의 작업에 사용되는 대형 ROV는 개발되고 상용화된 제품들이 존재하나 연안에서 소규모의 작업을 수행하는 ROV는 아직 많이 개발되지 않았다. 본 과제에서는 연안 환경을 분석하여 이에서 사용할 수 있는 양팔형 수중 매니퓰레이터 제어 기법을 이론적으로 연구한다.
연구 과제의 목표 달성을 위하여 우선 양팔 매니퓰레이터와 수중 운항 플랫폼의 제어 알고리즘 개발이 진행되었다. 양팔 매니퓰레이터와 플랫폼 두 서브시스템의 협업을 통해서 하나의 시스템만 작업에 활용하는 것에 비해 더 많은 이득을 가져갈 수 있으므로 두 시스템의 협업을 구현하는 방향으로 제어 알고리즘을 개발하였다. 양쪽이 결속된 플랫폼-매니퓰레이터의 전체 시스템은 과구동 병렬 기구로 볼 수 있으며 해당 형태로 기구학 및 동역학 모델링을 진행하였다. 두 시스템의 협업을 위해서는 작업 수행 시 플랫폼과 매니퓰레이터 간 상호작용에 대한 모델링이 필요하므로 전체 구조물을 강체로 가정하고 카스틸리아노의 정리를 활용하여 상호작용 모델링을 수행하였다. 본 과제에서 개발한 알고리즘은 플랫폼과 매니퓰레이터의 협업을 이용해서 매니퓰레이터 끝단의 힘와 위치를 동시에 제어하면서 외란을 보상할 수 있도록 구성하였다. 양팔 매니퓰레이터에는 Hybrid position/force control 기법을 적용하여 끝단의 힘과 위치를 동시에 제어할 수 있도록 하였다. 해류 등 외부 외란 보상을 위해서는 플랫폼과 매니퓰레이터가 협업하여 외란을 보상하는 알고리즘을 고안하였다. 플랫폼은 매니퓰레이터에 비해 전체 질량이 크고 응답속도가 느린 특성을 가지고 있다. 따라서 이 차이를 고려해서 주파수가 낮은 외란은 플랫폼이 보상하며 주파수가 높은 외란은 매니퓰레이터에서 보상하도록 알고리즘을 구상하였다. 양팔 매니퓰레이터와 플랫폼으로 구성된 전체 시스템은 여유 자유도를 가지므로 영공간 해(null space solution)을 이용하여 여러 목표 작업을 동시에 수행하도록 할 수 있다. 따라서 끝단 힘/위치 제어 작업과 외란 보상 작업은 영공간 해를 이용해서 동시에 수행되도록 제어 알고리즘을 완성하였고, MATLAB 시뮬레이션을 통해서 제어 알고리즘의 효과를 증명하였으며 이를 논문으로 발표하였다. 해당 알고리즘을 실험으로 검증하기 위해서 양팔 매니퓰레이터 시제품을 설계, 제작 중이며 실험 검증을 계획 중이다.
관련 매니퓰레이션 연구를 진행하며 필요한 로봇 기구학 및 최적화 관련 이론 연구도 수행하였다. 기하학적인 해석 방법을 이용하여 매니퓰레이터의 거동을 분석하였고 직관적으로 기구학 해석, 특이점 분석, 강성 분석, 정적역학 해석 등을 할 수 있는 방법을 개발하여 학술논문으로 발표를 하였다. 또한 관련 내용을 연구하면서 기구 최적화를 위한 최적화 기법에 대한 연구가 병행되었는데, Hybrid Taguchi-Random Cooridnate Method 라는 신개념 최적화 방법론을 개발하였고, 이의 응용으로 링키지 구조에 대한 적용을 수행하였다. 이와 같이 본 과제와 같은 매니퓰레이터 연구는 파생되는 연구가 많아 학계, 연구계에 많은 영향을 끼칠 것으로 생각한다.
본 연구 과제를 통해서 과구동 병렬기구 이론을 기반으로 한 플랫폼-매니퓰레이터의 협업을 위한 알고리즘을 개발하였다. 이를 검증하기 위한 양팔 매니퓰레이터를 설계를 완료하였고, 현재 제작 중이다. 또한, 기하학적 접근 방식을 통한 기구학 해석, 특이점 분석, 강성 분석, 정적 역학 해석 등의 기법이 연구되었고, 최적화 이론에 대한 연구가 병행되었다. 개발한 알고리즘 및 기구학 해석 기법은 수중 로봇뿐만 아니라 모바일 매니퓰레이터 등에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

(출처 : I. 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 6
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 6
• Ⅲ. 연구성과 ... 7
• 끝페이지 ... 12