강체 메커니즘 설계를 위한 위상 및 형상 최적 설계기법 개발

Abstract

강체 메커니즘은 링크와 조인트로 구성된 구조물로서 링크의 조합방법 및 구속조건에 따라 다양한 운동을 할 수 있다. 따라서 강체 메커니즘이 가지는 이러한 특성은 기계의 각 부분에 대한 동력 전달 및 운동 전달에 이용되며 거의 모든 기계에서 사용된다. 기계 시스템에서 입력운동을 원하는 출력운동으로 변환하고 설계자의 목적에 부합하는 운동을 가지는 강체 메커니즘을 설계하기 위해 강체 메커니즘 설계에 대한 다양한 연구가 진행되고 있으며 많은 강체 메커니즘 설계 방법론이 제안되어 왔다. 일반적인 강체 메커니즘 설계 기법은 설계자가 원하는 궤적을 가지는 강체 메커니즘을 설계하기 위하여 운동학 해석을 이용한다. 운동학 해석을 이용하는 강체 메커니즘 설계기법은 강체 메커니즘을 구성하는 정해진 개수의 링크와 조인트를 가지고 조인트의 위치를 변화시키거나 강체 링크의 길이를 변화시켜 가며 원하는 궤적을 만족하는 강체 메커니즘을 설계하는 방법이 주로 이용된다. 이러한 설계 방법들은 최적설계 되기 전 강체 메커니즘의 초기 형상 및 구성에 영향을 많이 받으며 원하는 궤적을 만족하는 최적 메커니즘을 찾지 못할 수 있다는 단점을 가진다. 본 논문에서는 운동학 해석을 이용하는 일반적인 강체 메커니즘의 제한점을 극복하고 효율적인 강체 메커니즘 설계를 위해 새로운 강체 메커니즘 최적 설계 기법을 제안한다[1, 2]. 새로운 강체 메커니즘 설계 기법은 기존의 운동학 해석이 아닌 운동 역학 해석을 이용하여 강체 메커니즘을 설계하는 방법이다. 강체 메커니즘을 설계하기 위해 강체 메커니즘을 구성하는 조인트를 크기가 같은 질점을 이용하여 표현하며 강체 메커니즘을 구성하는 강체 링크를 질점 사이에 적용되는 구속 힘을 이용하여 수치적으로 모델링 하는 방법을 이용한다. 따라서 새롭게 제안된 강체 메커니즘 설계 기법은 강체 메커니즘을 위상 및 형상 최적설계 관점에서 최적설계를 할 수 있게 한다. 본 연구에서 제안하는 새로운 강체 메커니즘 해석 기법은 강체 링크뿐만 아니라 기존의 기법으로는 고려할 수 없는 줄 링크를 고려할 수 있으며 강체 링크와 줄 링크가 혼합된 새로운 강체 메커니즘 설계를 가능하게 한다. 또한 기존의 기법에서 고려할 수 없었던 드라이버(actuator)의 위치와 종류를 고려하여 강체 메커니즘을 설계할 수 있다. 설계자가 원하는 궤적을 가지는 강체 메커니즘을 설계하기 위해서 설계자가 원하는 궤적과 설계된 강체 메커니즘이 가지는 궤적 사이의 오차를 최소화 하는 방향으로 강체 메커니즘이 최적설계 되며 최적화 알고리즘으로 강체 메커니즘 설계에 적절한 알고리즘을 적용하기 위해 본 연구에서 직접 개발한 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)을 이용하였다. 또한 제안된 기법의 효율성을 높이기 위해 유전 알고리즘과 순차적 이차 계획법(Sequential Quadratic Programming (SQP)) 알고리즘이 결합된 h-GA 기법을 이용 하였다. 이렇게 제안된 새로운 강체 메커니즘 설계 기법을 다양한 강체 메커니즘 설계 예제에 적용함으로써 제안된 기법의 유용성을 확인 하였으며 기존의 설계 기법을 이용하여 설계하지 못하는 강체 메커니즘을 본 연구에서 제안된 기법을 이용하여 설계함으로써 제안된 기법의 우수성을 확인하였다.