양팔 로봇의 동적 운동 해석을 위한 ADAMS 기반 툴킷 개발

Abstract

본 논문은 동역학 해석 프로그램인 ADAMS를 이용하여 양팔로봇 전용 툴킷을 만들고 활용하는 방법에 대해 다룬다. 현재 양팔 로봇의 설계 및 개발은 실물에 의존하여 진행 하는 경우가 많기 때문에 시행 착오에 의한 시간 및 비용의 활용이 효율적이지 못하다. 따라서 실물을 제작 하기 전 가상의 프로토타입을 만들어 설계 시행착오에 대한 손실을 최소화 한 것이 요구된다. 이러한 요구 조건에 부합하는 개발을 위해 본 논문에서는 복잡한 양팔 로봇의 가상 프로토타입 설계, 해석을 비롯한 후 처리과정까지 자동으로 수행 하는 툴킷을 제작했다. 가상 프로토타입이 실물을 대신하기 위해서는 현실을 반영하는 정확한 수학적 모델을 구성하는 것이 필수적이다. 모델의 정확한 운동 해석을 위해 질량, 관성 모멘트, 토크 제어기, 마찰토크 등 실물의 사양들을 모델 내에 정확히 정의했다. 특히 해석 모델은 다음과 같은 특징을 가진다. 첫 째, 강체링크를 기구학적 조인트로 연결하고 목표 각도를 입력 함으로써 관절의 운동을 발생 시켰다. 각 관절의 목표 각도는 Adaptive Sampling-based Motion Planning 알고리즘에 의해 Time에 대한 함수로 산출 했다. 이 관절 각도를 입력으로 받아 PD제어기를 거쳐 각 관절의 토크를 계산했다. 둘 째, 조인트 부의 마찰 토크가 각도 제어에 큰 영향을 주는 인자로 알려져 있어 이를 해석 모델에 반영하였다. 마찰 모델은 마찰재의 회전 변위를 고려하여 stick – slip 현상이 구현 가능하도록 마찰 토크로 정의 하였다. 마찰 토크는 미분 방정식으로 표현되며 예압 토크와 각 조인트의 반력으로 수렴하는 특성이 나타난다. 앞 서 언급한 방법으로 상세한 모델을 구성하고 효율, 감속 비, 안전계수를 고려하여 관절 토크로부터 모터의 제원을 계산했다. 또한 PD제어기의 게인 값에 대한 영향을 분석하여 설계 초기에 제원 설정 방향을 제시했다. 이렇게 제시된 설계 값들을 로봇 개발에 이용하면 실물에 의존하는 로봇 개발에서 벗어나 동역학 해석을 통한 로봇 개발이 이루어 질 것으로 기대된다.