동적 특성을 고려한 휴머노이드 하체 부품의 구조최적설계

Abstract

휴머노이드는 2족 보행이 가능한 인간형 로봇으로 사람처럼 보고 듣고 말하 고 생각하는 로봇를 의미한다. 휴머노이드가 다양한 동작이나 보행을 할 때 휴 머노이드 구조물에는 동하중이 작용하게 된다. 휴머노이드는 정밀한 제어를 통 해 안정성을 유지하는데, 동하중은 휴머노이드의 구성 부품에 변형과 진동을 유발시켜서 안정성에 영향을 줄 수 있다. 휴머노이드의 구조는 설계자의 경험 과 직관에 의해서 설계하는 경우가 많다. 이때 휴머노이드의 구조를 필요 이상 으로 과도하게 설계하거나 또는 기계적으로 취약한 구조로 설계할 가능성이 있 다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 휴머노이드의 구조설계를 위한 체계적인 설계 시나리오를 개발하였다. 개발한 설계 시나리오를 통해 휴머노이드 하체 부품의 구조최적설계를 수행하였다. 다물체동역학 해석 기법을 사용하여 휴머 노이드에 작용하는 동하중을 계산하였고, 구조최적설계 기법을 통해 휴머노이 드 하체 부품의 구조를 설계하였다. 구조최적설계 시 휴머노이드의 동적 특성 을 고려하기 위하여 등가정하중을 이용한 선형 동적 응답 구조최적설계 기법을 적용하였다. 이를 통해 응력과 강성의 제한조건을 만족하면서 현재 설계보다 질량이 줄어든 개선된 설계를 얻을 수 있었다.; A humanoid is a robot with its overall appearance based on that of the human body. When the humanoid moves or walks, dynamic forces act on the body structure. Although the humanoid keeps the balance by using a precise control, the dynamic forces generate unexpected deformation or vibration and cause difficulties on the control. Generally, the structure of the humanoid is designed by the designer’s experience and intuition. Then the structure can be excessively heavy or fragile. A humanoid design scenario for a systematic design is proposed to reduce the weight of the structure while sufficient strength is kept. Lower parts of the humanoid are selected to apply the proposed design scenario. Multi-body dynamics is employed to calculate the external dynamic forces on the parts and structural optimization is carried out to design the lower parts. Because structural optimization using dynamic forces directly is fairly difficult, linear dynamic response structural optimization using equivalent static loads is utilized. Topology and shape optimizations are adopted for two steps of initial and detailed designs, respectively. Various commercial software systems are used for analysis and optimization. Improved designs are obtained and the design results are discussed.