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1. ROBOTICS 8장 : 매니퓰레이터의 기구 설계 Http://raic.kunsan.ac.kr

2. INDEX • 1.작업요구에 근거한 설계 • 2.기하학적인 형상 • 3.작업장 속성의 정량적인 측정 • 4.과다하고 폐연쇄적인 구조 • 5.구동방법 • 6.강성도의 힘 • 7.위치센싱 • 8.휨센싱

3. 앞장에서는 공간상의 궤도를 사용해 매니퓰레이터의 운동을 표시하는 법에 대해 알아보았고, 이번장은 매니플레이터의 기계적인 설계에 중점을 두었다 설계시 몇 개의 관절이 필요한지, 어떻게 배치하며, 어떤 관절을 사용해야 하는지에 대한 문제를 다루도록 한다 [ 로버트시스템의 요소 ] 1. 내부와 자체센서를 포함하는 매니퓰레이터 2. 말단효과장치, 혹은 팔 끝의 공구 3. 비전시스템, 부품공급장치와 같은 효과장치와 외부센서들 4. 제어기

4. 1.작업요구에 근거한 설계 [자유도] 작업에서 요구하는 자유도와 매니퓰레이터의 자유도가 조화 되어야 하고, 모든 작업이 6 자유도를 만을 요구 하지는 않는다. 말단 효과 장치가 축 대칭을 가지고 있을 때 이현상 이 흔하게 발생되어 나타난다. 축 대칭 부품은 매니퓰레이터의 요구되는 자유도를 줄인다 • {그림1}의 6자유도 로보트는 작업을 위하여 무수히 많은 방법으로 위치 시킬 수 있는데 이를 로보트 작업에 대하여 과다 하다고 한다. • 대칭공구 해석은 대칭축에 있는 가상관절을 사용해 임의의 말단효과 장치를 특별한 방위로 움직이게 해서 6자유도를 필요하게 한다 한 개는 가상관절 이므로 실제로는 5 자유도만 필요하다. [그림 1 축대칭 공구를 가진 6자유도 매니퓰레이터는 과다한 (REDUNDANT) 자유도는 갖는다.

5. [작업공간] 작업부피, 작업낭 이라 하고 작업 수행시 작업물과 고정구를 작업공간에 적합 하도록 위치시켜야 한고 작업의 전체적인 작업의 크기는 매니퓰레이터의 작업공간을 결정한다 [하중용량] 매니퓰레이터의 하중용량은 구조 구성요소의 크기 및 동력전달시스템과 액츄에이터에 관련된다 [속력] 빠른 매니퓰레이터가 용이하긴 하나 어느 정도 위치 정확도 범위 내에서 가속과 감속의 적절히 이용해, 단지 최고속도가 아닌 가속능력을 중요시 하게한다 [반복성과 정밀성] 정밀성은 설계보다 제작과정이 더 중요하며 고 정밀성은 링크의 인자의 많은 지식에 의해 얻어진다 제작 후 정확한 측정,혹은 제작동안의 공차의 주의 깊은 관찰로 이것을 가능하게 한다

6. 2.기하학적인 형상 [직교좌표형] 가장 간단한 형상. 관절1~3은 미끄럼 관절로 서로 수직하고, 직교좌표 x,y,z축에 대응하며 매우 단단한 구조를 가진 커다란 로버트가 만들어진다 장점은 설계가 간단 하며, 세개의 관절로 인한 기구학적인 특이성이 발생하지 않는다. 단점은 공급장치와 고정구가 로버트이 내부에 있어 기계에 많이 의존하게 되어 기존의 작업 셀에 직교좌표 로버트를 재배치시키는 일을 어렵게 한다. [다관절형] 관절형,팔꿈치형,의인형 이라 하며, 두개의 어깨관절로 구성된다.작업장내로 가장적게 침입해 도달할 수 있는 공간에 제한이 있다 그러나 직교 좌표형보다 구조가작아 작은 작업공간에 적은 비용으로 사용이 가능하다. [스카라형] 세개의 평행인 회전관절을 가지고 있으며 평면 내에서 움직이는 방위를 잡을 수 있고, 네번째 미끄럼 관절은 말단 효과장치를 평면에 수직하게 움직이게 한다 장점은 세개의 관절은 매니퓰레이터나 하중의 무게를 지탱할 필요가 없다는 것이다.링크0은 첫번째 두개의 관절을 돌리는 액츄에이터를 쉽게 수용할 수 있다는 것이다.평면 작업에 가장 적당하다.

7. [그림3 직교 좌표 매니퓰레이터] [그림4 다관절형 매니퓰레이터] [그림5 스카라 매니퓰레이터] [그림6 구형 매니퓰레이터]

8. [구형] 관절형 매니퓰레이터와 많이 유사하며 팔목관절이 미끄럼관절로 대치되었다. [원통형] 팔을 수직으로 움직이기 위한 미끄럼관절과 수직 축을 가진 회전 관절로 이루어져 있다 또 한 개의 미끄럼 관절은 회전 관절 축과 수직이며 이 관절은 어떤 종류의 팔목에 붙게 된다. [손목] 가장 일반적인 손목형상으로 서로 직교하며 교차하는 축을 가진2또는3의 회전 관절로 구성된다. 세 개의 직교하는 축을 가진 매니퓰레이터는 끝 단에 아무런 제약 없이 임의의 원하는 방위에 위치 시킬 수가 있다. [그림7 원통형 매니퓰레이터]

9. 그림8 세개의 동심축을 사용하여 먼곳에 위치한 액츄에이터에 의해서 기구를 구동시키는 베벨기어를 사용해 구동되는 직교축 손목 그림9 비 직교축 손목의 두가지 관찰

10. 그림10 축이 교차하지 않는 손목을 가진 매니퓰레이터, 관절 4의 축이 관절2와 관절 3의 축들과 평행 하도록 손목이 관절형 매니퓰레이터에 정착되면, 폐 형식의 기구학 해를 갖는다. 그림11 5-자유도 용접 로보트의 전형적인 손목 설계

11. 3.작업장 속성의 정량적인 측정 [잘 조절된 작업공간의 설계] 특이점 에서 매니퓰레이터가 한 개 또는 그 이상의 자유도를 잃으면 그 점에서 작업을 실행 할 수 없음을 의미하며 특이점 근처에서는 매니퓰레이터의 행동은 조절되지 못 한다 어떤 의미로는 매니퓰레이터가 특이점 으로부터 멀어지면 일정한 운동을 하고 일정한 방향으로 힘을 가할 수 있다는 말이 된다.

12. [직업공간 생성향상 으로 나타낸 설계 효율성] 비슷한 작업공간 부피의 직교좌표 매니퓰레이터를 만드는 것이 관절형 매니퓰레이터를 만드는 것보다 좀 더 많은 재료가 들어간다는 것을 인지 하고 이를 정량적으로 다루기 위해 매니퓰레이터 길이의 합을 정의했다. (W : 매니퓰레이터 작업공간) 예제 1단계) {그림 5의 scara 매니퓰레이터}의 길이의 합을구하려면, 링크1과 링크2의 길이가 같으므로 L=링크1 + 링크2 + 미끄럼관절3의 운동거리d3 2단계) 작업공간의 부피반경과 높이가 직각원통과 같으므로 따라서

13. 4.과다하고 폐연쇄적인 구조 [미소매니퓰레이터와 과다성] 전통적인 매니퓰레이터는 끝단에 위치한 여러 개의 빠르고 정밀한 자유도에의해서 이루어지며 큰 운동을 수행한다. 일반적으로 작은 운동범위를 가진 관절로된 미소 매니퓰레이터는 작은 운동과 힘 제어를 수행한다 이런 부가적 관절은 기구의 특이현상을 피할수 있게 도와주며, 이 여분의 자유도의 사용은 실제에 응용되고 있다. 과다한 로버트는 복잡한 작업환경에서 충돌을 회피하는 방법으로 중요하다 [폐루프구조] 폐루프의 구조는 기구의 강성도를 증가시키는 장점이 있는 반면 관절운동의 허용범위를 일반적으로 축소시켜서 작업공간을 감소시키는단점이 있다. *연속 6자유도 매니퓰레이터 대안인 폐루프Stewart 기구 말단효과장치의 위치와 방위는 기저에 연결된 6개의 선형 액츄에이터의 길이에 의해 제어되고 기저의 끝에는 액츄에이터가 2자유도의유니버설 조인트에의해 연결되고 말단효과장치에는 각각의 액츄에이터가 3 자유도의 볼소켓트조인트에 부착되어 있다 폐루프기구의 공통적 특징을 나타낸다

14. 5.구동방법 [액츄에이터의 위치] 액츄에이터출력- 관절에 직접연결(직접구동) 설계가 간단하고 제어성이 좋음. 둘 사이에 전달장치와 감속장치가 없으면, 둘 사이는 같은 충실도로 제어된다.그러나 대다수의 액츄에이터는 높은 속력과 낮은 토크를 가질 때 가장 적합하다 액츄에이터-기저에 연결 위와같이 연결되면액츄에이터에서 관절로 운동을 전할 전달장치가 필요하게 된다 이때 감속시스템은 관절이나 액츄에이터에 위치한다 전달과 감속을 합친 배열로 존재하게 된다. 감속과 전달시스템의 불이익은 마찰과 유연성을 기구에 준다는 것이다. 감속장치가 관절에 있을때는 전달장치는 높은 속도와 낮은 토오크로 일하고 만약 감속기 무게가 크면 멀리 장착된 액츄에이터의 장점을 잃는다 전달장치 전반에 대한 감속단계의 최적분배는, 궁극적으로 전달의 유연성, 감속시스템의 무게, 감속시스템에 관련된 마찰과 이러한 부품을 전체 매니퓰레이터에 어떻게 설치하는가에 달려있다.

15. 6.강성도와 휨 [매니퓰레이터의 설계목표] 구조와 구동시스템의 전체적인 강성도를 유지하는 것 단단한 시스템의 전형적인 매니퓰레이터는 공구계의 위치를 직접 측정할 센서를 가지고 있지 않아서 관절의 위치에 근거 정기구학을 사용해 계산한다.링크가 중력이나 하중에 휘여서는 안되며,링크의 데나비트 하텐버그 표시가 여러 하중 조건에 고정되어야 한다.

16. [병렬 및 직렬로 연결된 유연한 요소][축] : 회전운동을 전달하는 방법 *전체 강성도 병렬전체 *둥근축의 비틀림 강성도 *강성도 직렬 [기어] 출력기어의 강성도 [벨트] 벨트구동시스템의 강성도 [링크] 속이빈 보의 강성도

17. [엑츄에이터] 유압실린더, 베인 엑츄에이터 : 간결한 구조로 감속시스템이 없이 조인트 구동 힘을 발생 시키고, 속력은 멀리 떨어진 펌프와 축적장치로 결정된다 유압 은 간단하고 쉬운 위치제어로 많이 사용되었으나 많은 장비를 필요로 하게 되면서, 기계가 커지게 되고 ,실의 마찰때문에 힘이 정확하게 적용되지 못해 진보적 제어에 뒷 떨어지게 된다. 이에 반해 공압은 유압대신 공기를 사용해 깨끗하나, 공기의 압축성과 실의 높은 마찰 때문에 정확히 제어하기 어렵다 전기모터는 유압이나 공압의 동력대 무게의 비율을 가지지는 못하지만 인터페이스와 제어가 가장 간단하 모터이다. [그림12 메니퓰레이터 설계 액츄에이터 중 자주사용되는 DC 브러쉬 모터]

18. 7.위치센싱 매니퓰레이터들은 서보 제어기구이다. 액츄에이터에 들어가는 힘과 토크 명령은 원하는 위치와 측정된 위치사이의 오차에 의해서 계산 되므로 관절이 위치를 측정하는 장치를 갖을 것을 요구한다 함께 위치한 센서와 엑츄에이터쌍을 쉽게 제어하기 위한 일반적인 측정법으로는 센서를 엑츄에이터의 축에 직접 부착해 놓는 방법이 쓰인다 또한 가장 흔한 위치 피드백장치는 증분 회전 광학 인코더이며, 리졸버는 두개의 신호를 출력 하는 장치이다. 타코머터는 축의 속도에 비레하는 아날로그 신호를 얻기 위하여 사용되는 장치로써 속도 센싱이 없을 때, 속도 피드백은 시간에 따라 측정한 위치의 차를 취하여 속도피드백 시간을 얻는다

19. 8.힘 센싱 매니퓰레이터의 말단 효과 장치와 주변 환경이 접촉할때 생기는 힘을 측정하기 위하여 장치들이 설계 되었고, 많은 센서들이 반도체 또는 금속박판을 이용한 스트레인 게이지를 이용한다. 스트레인 게이지는 금속에 부착돼 금속에 비레한다 [ 힘센서 설계 문제 ] 힘을 측정하는 방법은 스트레인 게이지를 사용하여 응력을 받아서 휜부위의변형을 측정하는 것이다. 그래서 센서의 강성과 감도의 교환이 힘센서 설계시 중요한 위치를 차지 한다. 강성이 높으면 감도가 낮고, 센서의 강성도는 과부하 방지 제작에도 영향을 준다. 트렌스듀서 손상은 제한 스톱장치(휨부위가 어떤 점 이상 변형하지 못하도록 하는 장치)로 인하여 방지 할수 있다.

20. . • [ 힘센서 설계시 문제점 ] • 원하는 정보를 얻기 위하여 몇 개의 센서가 필요한가? • 구조물에 센서를 어떻게 부착시킬 것인가? • 어떤구조물이 강성을 유지하면서 종은 감도를 주는가? • 4. 어떻게 기계적인 과부하에 대한 보호장치를 부착 시키는가? [센서를 매니퓰레이터에 부착시키는 세 가지 위치] 1.관절 액츄에이터 센서는 액츄에이터 자체와 토크와 힘의 출력을 측정한다. 그러나 말단효과장치와 주변환경과의 접촉을 감지하는 데는 좋지 않다 2. 말단효과장치와 매니퓰레이터의 마지막 관절사이 센서는 ‘손목센서’라 부르고 말단장치에 작용하는 힘과 토크를 측정 할 수 있도록 스트레인 게이지를 부착 시킨 기계적인 측정장치 이다. 3. 말단효과장치의 ‘손가락 끝’ 일반적으로 힘 감지 손가락은 각 손가락에 작용하는 힘의 1~4성분까지 측정하는 내장형 스트레인 게이지를 가지고 있다.