로봇 모듈화 및 안전에 적용 가능한 직렬 매니퓰레이터 설계 및 분석을 위한 방법론에 대한 연구

Abstract

인간 팔 형상의 매니퓰레이터는 일반적으로 일련의 회전 관절 및 링크로 구성되어 있다. 이러한 직렬 매니퓰레이터는 인간을 위한 다양한 작업을 수행하기 위해 일반적으로 어깨 관절부터 손목 관절까지 6-자유도 이상의 자유도를 갖는다. 이 논문은 T형(twist) 및 R형(rotational) 관절로 나타나는 두 유형의 회전 관절로 구성된 매니퓰레이터의 관절 구성에 대한 방법론을 제안하였다. 직렬 매니퓰레이터는 관절의 회전축과 인접한 두 링크 간 상대적인 각도 관계를 통해 일련의 두 유형의 관절을 이용하여 기구학적인 표현으로 표현 가능하다. 이러한 기호(symbolic) 방법론은 일반적인 유형의 기존 매니퓰레이터 분류하거나 직렬 매니퓰레이터의 설계를 하는데 관절과 링크의 모듈 관점에서 쉬운 직관을 제공한다. 로봇 안전 관점에서, 매니퓰레이터에 물리적인 상호작용 및 안전을 로봇에 부여하기 위해 컴플라이언스 또는 안전 컴포넌트 기능이 매니퓰레이터의 관절 또는 링크에 적용된다. 하지만, 충돌을 포함한 물리적인 상호작용은 매니퓰레이터의 베이스부터 말단까지 어디에서든지 일어날 수 있다. 만약 충돌이 상대적으로 자유도가 적은 상박 링크에 발생할 때, 외력이 해당 관절 및 링크로 전달이 제대로 안 될 수 있다. 직렬 매니퓰레이터를 설계하는데 관절 구성을 고려하는 것은 물리적인 상호작용 관점에서 매니퓰레이터의 안전 성능을 향상시키는데 도움이 된다. 외력이 어떤 구성을 갖는 관절에 연결된 링크에 작용할 때, 관절 종류에 따라 토크 전달 특성이 달라진다. 안전 지수를 활용하여 다양한 구성에 대한 구조적인 분석을 통해 로봇 안전에 적합한 관절 구성을 제안할 수 있다. 이를 통해 어깨의 2- 또는 3-자유도를 갖는 물리적인 상호작용을 위한 최적 관절 구성을 제안하였다. 충돌 전부터 충돌에 이르는 시나리오에 따른 실험 결과를 통해 관절 구성이 매니퓰레이터의 안전 성능에 영향을 미친다는 점을 확인하였다. 로봇 모듈화 관점에서, 두 유형의 관절을 이용한 관절 구성 방법론에 따라 두 방향의 입력 축과 한 방향의 출력 축을 갖는 새로운 개념의 관절 모듈이 제안되었다. 이 관절 모듈은 연결 메커니즘을 통해 두 모듈 간 직접 결합이 가능하다. 연결 메커니즘은 관절과 관절 또는 관절과 링크 모듈 간의 기계적인 결합과 전기적인 결합 모두 가능하게 한다. 두 모듈 간의 연결은 같은 각도 간격의 상대적인 위치로 최소 네 방향의 결합이 가능하며, 무성별로 모듈 결합이 가능하도록 개선된 연결 메커니즘을 구현하였다. 관절 및 링크 모듈을 통해, 세 유형의 3-자유도 모듈라 매니퓰레이터를 나타내었다. 조립 후에는 관절 및 링크 모듈의 정보를 통해 표준 D-H(Denavit-Hartenberg) 파라미터를 구할 수 있다. 이 연구에서 제안한 관절 구성에 대한 방법론을 통해 안전 매니퓰레이터의 최적 설계와 모듈라 매니퓰레이터의 다양한 솔루션을 나타낼 수 있다.|Anthropomorphic arm manipulators usually consist of a series of revolute joints and links. Such serial-chain manipulators usually have more than 6-DoFs(Degrees-of-Freedom) from the shoulder to the wrist to conduct miscellaneous tasks for human. This dissertation suggests a methodology for joint configurations of manipulators using two types of revolute joints, rotational(type R) or twist(type T) joints. Serial-chain manipulators are described by this kinematic representation using a series of two types of joints, which are classified according to relationship between a rotational axis and two adjacent links. This is a symbolic methodology with an easy intuition for classifying general types of existing manipulators and designing of serial-chain manipulators in terms of modules of joints and links. In the aspect of robot safety, functions of compliance or safety components are implemented to joints or links of manipulators to add physical interaction or safety to manipulators. However, a physical interaction by a collision may occur anywhere from the base to the end-effector of the manipulators. If a collision occurs at upper link, which has relatively fewer-DoFs joints, an external force may not be properly transmitted to the respective joints and links. Considering joint configuration to design of a serial-chain manipulator can help to improve the safety performance of the manipulator in the sense of physical interaction. When an external force is applied to the link attached to these joints, the characteristics of torque transmission are different according to types of joints. Structural analyses of various configurations of serial-chain manipulators utilizing a safety index enable to propose joint configurations suitable for robot safety. Optimal joint configurations at the shoulder joint of 2- or 3-DoFs are described for physical interaction to serial-chain manipulators. Experimental results following the scenario from pre-collision to collision show that joint configurations affect the safety performance of the manipulator. In the aspect of robot modularity, a new concept of joint module with two input and one output connections is presented from an intuitive idea about joint configurations using two types of joints. This joint module enables direct coupling between two joint modules. In addition, practical solutions for genderless connection mechanism capable of mechanical and electrical connections between joint or link modules is introduced. The connection between two modules can be established via at least four orientations with relative positions of same angular intervals. Using joint and link modules, 3-DoFs modular manipulators of three kinds of joint configurations are shown representatively. After assembly, the standard D-H(Denavit-Hartenberg) parameters of three examples are obtained utilizing information of joint and link modules. In this research, a proposed methodology of joint configuration for serial-chain manipulator shows optimal design for safe manipulators and diverse solutions for modular manipulators.; Anthropomorphic arm manipulators usually consist of a series of revolute joints and links. Such serial-chain manipulators usually have more than 6-DoFs(Degrees-of-Freedom) from the shoulder to the wrist to conduct miscellaneous tasks for human. This dissertation suggests a methodology for joint configurations of manipulators using two types of revolute joints, rotational(type R) or twist(type T) joints. Serial-chain manipulators are described by this kinematic representation using a series of two types of joints, which are classified according to relationship between a rotational axis and two adjacent links. This is a symbolic methodology with an easy intuition for classifying general types of existing manipulators and designing of serial-chain manipulators in terms of modules of joints and links. In the aspect of robot safety, functions of compliance or safety components are implemented to joints or links of manipulators to add physical interaction or safety to manipulators. However, a physical interaction by a collision may occur anywhere from the base to the end-effector of the manipulators. If a collision occurs at upper link, which has relatively fewer-DoFs joints, an external force may not be properly transmitted to the respective joints and links. Considering joint configuration to design of a serial-chain manipulator can help to improve the safety performance of the manipulator in the sense of physical interaction. When an external force is applied to the link attached to these joints, the characteristics of torque transmission are different according to types of joints. Structural analyses of various configurations of serial-chain manipulators utilizing a safety index enable to propose joint configurations suitable for robot safety. Optimal joint configurations at the shoulder joint of 2- or 3-DoFs are described for physical interaction to serial-chain manipulators. Experimental results following the scenario from pre-collision to collision show that joint configurations affect the safety performance of the manipulator. In the aspect of robot modularity, a new concept of joint module with two input and one output connections is presented from an intuitive idea about joint configurations using two types of joints. This joint module enables direct coupling between two joint modules. In addition, practical solutions for genderless connection mechanism capable of mechanical and electrical connections between joint or link modules is introduced. The connection between two modules can be established via at least four orientations with relative positions of same angular intervals. Using joint and link modules, 3-DoFs modular manipulators of three kinds of joint configurations are shown representatively. After assembly, the standard D-H(Denavit-Hartenberg) parameters of three examples are obtained utilizing information of joint and link modules. In this research, a proposed methodology of joint configuration for serial-chain manipulator shows optimal design for safe manipulators and diverse solutions for modular manipulators.