기구학적, 동역학적 모델링을 통한 충돌계수의 가변특성 분석 및 인체-로봇 통합형 모델의 해석

Abstract

다양한 로봇들이 인간의 목적을 충족시키기 위해서 개발되었고, 각각의 로봇들은 주어진 목적을 수행하기 위해서 기구학 및 동역학 모델링을 기반으로 한 자신만의 동작 계획 방법을 가질 필요가 있다. 또한, 로봇은 주변에 영향을 미치는 환경에서도 주어진 목적을 수행하기 위해서 요구되는 자유도보다 더 많은 자유도를 가지게 되는데, 이러한 로봇을 ‘여유 자유도를 가진 로봇’ 이라 말한다. 여유 자유도 로봇은 주어진 임무뿐 만 아니라, 충격과 같은 예상치 못한 메니퓰레이터와 환경의 상호작용에서도 대처할 수 있다. 그러나, 동작중인 로봇은 물체 뿐 만 아니라 사람과도 수많은 상호작용을 겪기 때문에 이를 예측 하기 위해서 충격 모델링은 정밀하게 모델링 되어야 하고, 또한 현재까지도 중요한 연구분야 중 하나이다. 충격 동역학에서 반발계수(coefficient of restitution, COR)는 충격량을 측정하는데 있어서 가장 중요한 변수중의 하나이다. 일반적으로 반발계수는 상수로 알려져 왔지만 실제로 반발계수는 충돌하는 두 물체의 각각의 재질, 두 물체간의 상대적인 충돌속도에 의해 결정된다. 또한, 반발계수는 두 물체간의 접촉면적에 의해서도 결정된다. 그렇기 때문에, 이러한 반발계수의 가변적 특성을 고려하지 않게 되면 충돌 후의 물체의 실제 움직임이 우리가 생각했던 것과 다를 수 있게 된다. 위 학위논문에서는 이 현상에 대해 살펴보기 위해서 3자유도 핑거 메커니즘을 이용한 충격동역학의 분석이 수행된다. 그리고, 3자유도 핑거 메커니즘을 이용한 분석적인 반발계수 모델을 제시하고, 앞서 제시한 가변 반발계수 모델과 우리가 흔히 사용해왔던 상수 반발계수 모델을 적용한 각각의 충돌지점에서 물체가 받는 외부 임펄스와 그에 따른 물체의 초기속도를 실제 실험에서 얻은 외부 임펄스와 물체의 초기속도를 서로 비교함으로써 제시한 가변 반발계수 모델이 상수 반발계수보다 더 타당함을 입증한다. 한편, 충돌지점에서 물체에 가해지는 외부 임펄스가 가해지면 메니퓰레이터의 각각의 관절에 내부 임펄스가 발생하게 된다. 본 학위논문에서는 앞서 적용한 가변 반발계수 모델과 상수 반발계수 모델을 이용하여 3자유도 평면형 사람팔 메니퓰레이터와 공과의 충돌 시뮬레이션을 수행함으로써 가변 반발계수 모델과 상수 반발계수 모델을 적용한 각각의 관절에 걸리는 내부 임펄스를 제시하였고, 서로 수치적으로 비교함으로써 이 둘의 차이를 알아보았다. 또한 공의 움직임에 대한 동역학을 해석함으로써, 충돌 후에 가변 반발계수 모델과 상수 반발계수 모델을 적용했을 때의 공의 초기속도, 총 이동거리 등과 같은 움직임의 경향을 시뮬레이션으로 분석하였다. 인체-로봇 통합 시스템은 사람이 무거운 물체를 들고 있거나 단순 반복작업을 수행할 때, 이러한 수고를 덜어주고자 만들어진 메니퓰레이터이다. 각각 직렬형 체인 구조를 이루는 인체가 로봇과 체결이 되면 일종의 여유자유도를 가진 병렬형 구조를 이루고, 이 병렬형 구조로 이루어진 두 개의 상지 부분이 짐을 들게 되면 커다란 크기의 병렬형 구조를 이루게 된다. 또한 본 논문에서는 이러한 병렬형 구조를 분석하고, 실질적인 적용으로서, 크고 무거운 지하철 문을 다루는 데 필요한 모션을 시뮬레이션 하였고, 이를 바탕으로 인체-로봇 통합 시스템이 지하철 문을 끼워 맞추는 작업을 하는 것에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고, 물체를 들어올릴 때 발생하는 부하를 분배하여 사람에 걸리는 부하의 크기를 줄이는 알고리즘을 제시한다. 본 학위논문에서는 임팩트 동역학에 대한 모델링과 병렬형 구조 메커니즘에 대한 모델링을 다루고 이를 반발계수의 가변특성과 사람-로봇 결합형 외골격 로봇의 모델링에 적용하는 것을 목적으로 한다. | Various robots are developed for human-being’s purpose. Each robot should have their own motion trajectory based on its kinematics and dynamics modeling to succeed their task. Also, the robot has more degrees of freedom than the required degrees of freedom according to the purpose of the task and environment condition. This kind of robot calls ‘Kinematically redundant robot’. The kinematically redundant robot can accomplish given task and react uncertain interaction with environment. The working robot , however, also experiences interaction with human frequently. For this reason, impact modeling should be considered seriously and the researches which are related to impact modeling is one of important research field. The coefficient of restitution (COR) is one of the most important variables to estimate the amount of impulse. In general, we have considered COR as a constant value. However, COR is the function of the contact material and the colliding velocity. Furthermore, COR is also a function of contact area. Thus, without considering the variable characteristic of COR, the actual motion of an object just after impact is not the same as we expect. In this paper, The analysis of the impact dynamics with respect to 3 degree of freedom (DOF) finger mechanism is conducted. Also, analytical COR model is proposed by using the 3 DOF finger mechanism. As a next step, The effectiveness of variable characteristic of COR is verified by comparing external impulse and initial velocity of the object after impact which is measured between external impulse and initial velocity of the object which is derived by constant COR model and external impulse and initial velocity of the object which is derived by variable COR. Meanwhile, when the external impulse is exerted on manipulator, the internal impulses exist in each joints of the manipulator. In this paper, the simulation of the impact between 3DOF human arm and the ball is conducted based on the previously proposed COR model and external impulse. The tendency of the ball motion such as the quantities of internal impulse, initial velocity of ball, total travel distance and so on which is derived from constant COR and variable COR is compared. In this simulation the dynamics of rolling ball motion is also applied. A human-robot integrated exoskeleton system is the device that unburdens or lessens the human’s effort to handles heavy weights or repeated tasks. Upper or lower extremity of the human and the manipulator consist of serial type structure. When the human grips the handle of the exoskeleton, the closed-chain structure can be made and each closed chain loads some burden, the large-scaled closed-chain can be formed geometrically. As an empirical application, the target of this work is development of a human-robot integrated exoskeleton system handling a heavy and large-sized door for subway trains. In addition, the load distribution algorithm between exoskeleton and human is proposed in this paper to reduce the effort of the human. The aim of this dissertation is modeling of impact dynamics and closed-chain mechanism modeling and its application to robotic systems such as a variable characteristics of coefficient of restitution (COR), human-robot integrated exoskeleton modeling.; Various robots are developed for human-being’s purpose. Each robot should have their own motion trajectory based on its kinematics and dynamics modeling to succeed their task. Also, the robot has more degrees of freedom than the required degrees of freedom according to the purpose of the task and environment condition. This kind of robot calls ‘Kinematically redundant robot’. The kinematically redundant robot can accomplish given task and react uncertain interaction with environment. The working robot , however, also experiences interaction with human frequently. For this reason, impact modeling should be considered seriously and the researches which are related to impact modeling is one of important research field. The coefficient of restitution (COR) is one of the most important variables to estimate the amount of impulse. In general, we have considered COR as a constant value. However, COR is the function of the contact material and the colliding velocity. Furthermore, COR is also a function of contact area. Thus, without considering the variable characteristic of COR, the actual motion of an object just after impact is not the same as we expect. In this paper, The analysis of the impact dynamics with respect to 3 degree of freedom (DOF) finger mechanism is conducted. Also, analytical COR model is proposed by using the 3 DOF finger mechanism. As a next step, The effectiveness of variable characteristic of COR is verified by comparing external impulse and initial velocity of the object after impact which is measured between external impulse and initial velocity of the object which is derived by constant COR model and external impulse and initial velocity of the object which is derived by variable COR. Meanwhile, when the external impulse is exerted on manipulator, the internal impulses exist in each joints of the manipulator. In this paper, the simulation of the impact between 3DOF human arm and the ball is conducted based on the previously proposed COR model and external impulse. The tendency of the ball motion such as the quantities of internal impulse, initial velocity of ball, total travel distance and so on which is derived from constant COR and variable COR is compared. In this simulation the dynamics of rolling ball motion is also applied. A human-robot integrated exoskeleton system is the device that unburdens or lessens the human’s effort to handles heavy weights or repeated tasks. Upper or lower extremity of the human and the manipulator consist of serial type structure. When the human grips the handle of the exoskeleton, the closed-chain structure can be made and each closed chain loads some burden, the large-scaled closed-chain can be formed geometrically. As an empirical application, the target of this work is development of a human-robot integrated exoskeleton system handling a heavy and large-sized door for subway trains. In addition, the load distribution algorithm between exoskeleton and human is proposed in this paper to reduce the effort of the human. The aim of this dissertation is modeling of impact dynamics and closed-chain mechanism modeling and its application to robotic systems such as a variable characteristics of coefficient of restitution (COR), human-robot integrated exoskeleton modeling.