Modeling of Closed-Chain Mechanisms and Its Application to Practical Robotic Systems

Abstract

대부분의 로봇 메커니즘에 사용되는 구조는 직렬형, 병렬형, 혼합형으로 분류된다. 직렬형 메커니즘은 단순한 구조와 큰 작업 공간을 지니는 장점을 지닌다. 그러나, 메커니즘의 구조에 의해서 상대적으로 낮은 정밀도와 작은 하중을 버틴다. 이러한 문제점을 보완하기 위해서 높은 정밀도와 큰 하중을 버틸 수 있는 병렬형 메커니즘이 제안되었으나 병렬형 구조의 단점은 많은 특이점과 작은 작업영역이다. 따라서 병렬형과 직렬형의 장점을 동시에 지니고 있는 혼합형 메커니즘에 대한 연구도 진행되고 있다. 본 학위논문에서는 닫힌 구조를 지니고 있는 병렬형 및 혼합형 메커니즘을 제안하고 이것을 활용한 응용 사례를 제시하고 실험을 통하여 그 성능을 보인다. 첫 번째로 새로운 형태의 접이형 3자유도 병렬형 메케니즘을 이용한 메커니즘을 제안한다. 이 메커니즘은 내부적으로 4절 링크를 가지고 있는 세 개의 체인으로 구성되며, 하중을 구조적으로 지지하며 관절 구동기는 운동에 필요한 구동만을 감당하게 설계되었으며, 또한 상단 플랫폼과 베이스 플랫폼 사이의 공간을 절약할 수 있는 접이 구조를 가지고 있다. 이 메커니즘에 대한 기구학 모델을 유도하고 모터 용량에 대한 해석을 수행한다. 제안된 메커니즘은 평면 TV의 방향조절 시스템으로 응용되어 실험을 통하여 그 성능을 확인한다. 두 번째로 정기구학 해를 지는 접이형 3자유도 병렬형 메커니즘을 이용한 마스터 장치를 제안한다. 이 메커니즘은 스캇(Scott) 메커니즘을 이용하여 휴대가 용이한 작은 크기의 마스터 장치로 설계되었다. 기구학 모델을 유도 하고 이 모델을 이용하여 작업영역 해석과 기구학적 특성을 분석한다. 이 마스터 장치는 큰 유리를 끼우는 건설로봇을 조정하는 조정기에 적용된다. 메커니즘의 기구학 모델의 유효성과 햅틱 장치로의 성능은 시뮬레이터를 이용한 실험을 통해서 확인된다. 세 번째로 혼합형 5 자유도 메커니즘과 병렬형 4 자유도 메커니즘을 이용한 의료용 말단장치를 제안한다. 혼합형 5 자유도 메커니즘은 XY 직렬형 스테이지와 병렬형 3 자유도 메커니즘의 조합으로 구성된다. 이 메커니즘은 뇌수술에서 의사가 수술로봇의 위치와 자세를 가이드하고 로봇이 의사가 가해진 힘에 의해서 동작하는 의사 로봇 협동 시스템에 유용하게 사용된다. 의사 로봇 협동 시스템은 매크로 로봇, 양방향 투시기, 수술 계획 시스템과 혼합형 5 자유도로 구성된다. 제안된 시스템의 성능은 두개골 팬텀 실험을 통해서 보인다. 병렬형 4 자유도 메커니즘은 외부에 네 개의 UPS 체인과 내부에 한 개의 SP 체인으로 구성된다. 기구의 내부에 있는 체인은 메커니즘의 측면의 하중을 버티고 종속된 움직임을 고정시킨다. 이 메커니즘은 혈관에 바늘또는 카테터가 자세를 고정하고 삽입하는 메커니즘으로 이용된다. 네 번째로 생체 모방을 구조를 지니는 혼합형 메커니즘을 제안하고 다중 충돌이 발생하는 다중 체인 구조를 지니는 생체 모방 구조에 대한 임팩트 해석을 수행한다. 다중 체인 구조를 지니는 생체 구조에 대해서 다양한 자세에서 다중 충돌하는 착지 시뮬레이션을 통해서 생체 구조의 임팩트 특성을 해석한다. 또한 기구학적 여유와 여유 구동이 동시에 지니는 생체 모방 메커니즘에 대하여 두 가지 특성이 동시에 고려된 모션 생성 알고리즘을 제안하고 시뮬레이션을 통하여 메커니즘의 특성을 해석한다. 결론적으로, 본 논문은 닫힌 구조를 지니는 새로운 메커니즘들의 모델링, 해석을 통해서 수술 로봇, 마운팅 장치, 생체 모방 메커니즘, 마스터 장치와 같은 실제적인 로봇 시스템으로 응용이 가능한 시스템을 제안하는 것을 목표로 한다.; Most of currently existing robot mechanisms are classified as a serial type, a parallel type, and a hybrid type. The advantages of the serial mechanism are simple structure and large workspace, but the disadvantages of this mechanism are relatively a low precision and payload. In general, the parallel structure provides improved stiffness, greater accuracy, and greater payload than does the serial structure. The disadvantages of this structure are many singularities and small workspace. The hybrid structure has many of the merits of both serial and parallel mechanism. In this dissertation, theoretical study and practical applications using the parallel and hybrid mechanisms with closed-chains are investigated and the performances of the proposed mechanism are shown through simulations and experiments. Firstly, a new foldable 3-DOF parallel mechanism with 2-rotation and 1-translation is proposed. This mechanism consists of three chains with each special four-bar mechanism, which is employed to have a foldable feature and support a large weight. The kinematic modeling and kinematic analysis was performed along with actuator sizing. This mechanism was developed and tested to show the effectiveness as the automatically adjustable flat panel TV mounting device. Secondly, a new spatial 3-DOF parallel mechanism with a unique forward kinematic solution is proposed. Using the Scott mechanism as its sub-chain, the mechanism is foldable, which is useful for design of a compact-sized master device. The kinematics of this mechanism is derived and its kinematic characteristics are analyzed in terms of workspace and kinematic isotropy. The mechanism was implemented and tested as a master device to control the construction robot which handles large glass plate. Thirdly, two medical devices are proposed. A hybrid 5-DOF mechanism consists of a XY serial stage and a spatial 3-DOF parallel mechanism. The role of this mechanism is to guide a pose of the medical device in the brain surgery using a human-robot collaboration control mode. Human-robot collaboration system consists of a macro robot, a hybrid 5-DOF mechanism, a bi-planar fluoroscopy, and a surgical planning system. The effectiveness of the developed surgical system was shown through a skull phantom experiment. A 4-DOF parallel mechanism consists of four external UPS chains and one internal SP chain. Application of this mechanism is to set a pose and insert a needle or catheter into blood vessel. Finally, a hybrid mechanism having a bio-mimetic structure is proposed, and impact problem for the bio-mimetic structures with multi-chained structures is analyzed when collision happens at multiple positions. A bio-mimetic mechanism that has simultaneous force and kinematic redundancies is analyzed. A motion generation algorithm that considers both force and kinematic redundancies is proposed. The performance of the proposed algorithm is shown by simulation. Secondly, characteristics of multiple contact cases are investigated through landing simulation of an articulated leg model with different kinds of foot. The internal impulse model is applied to analyze the characteristic of the kinematic structure of a biomechanical system. The aim of this dissertation is modeling of closed-chain mechanisms and its application to practical robotic systems such as a medical robot, a mounting device, a bio-mimetic mechanism, and a master device.