소형 폭발물 처리 로봇을 위한 고성능 매니퓰레이터 설계

2.1 소형 폭발물 처리 로봇의 구성

Fig. 1은 본 연구에서 개발한 5자유도 매니퓰레이터를 퍼스텍에서 상용화한 SCOBOT 200의 본체에 장착한 소형 폭발물 처리로봇을 나타내고 있다. 이 로봇은 기본 주행 및 계단 등판이 가능한 이동형 플랫폼, 가반하중 20 kg 이상의 폭발물 운반이 가능한 매니퓰레이터, 폭발물 처리 시 폭발물의 위치를 후방에서 조망할 수 있는 팬/틸트 카메라로 구성된다.

Fig. 1

Small EOD robot with 5-DOF manipulator

이동형 플랫폼은 2-Track 구조 및 독립 서스펜션 구조를 적용하여 50 kg 이하의 소형 이동플랫폼이 이동 가능한 험지 주행과 건축법상 규정되어 있는 18 cm 높이의 계단등판이 가능 하도록 설계 하였다. 이동형 플랫폼 전방과 후방에는 주행용 카메라가 장착되어 사용자가 원격에서의 조종이 원할 하도록 설계하였다. 팬/틸트 카메라는 37배 광학 줌 카메라를 적용하여 폭발물 처리를 위한 조망효과와 더불어 원거리에서 물체를 식별할 수 있는 기능으로 설계하였다. 팬/틸트 카메라의 구동 각도는 팬 이동 355°, 틸트 이동 90°의 회전 성능을 보유하도록 하였다.

Fig. 2는 본 논문에서 설계하는 소형 폭발물 처리로봇을 위한 5자유도 매니퓰레이터를 나타내고 있다. 이것은 5자유도를 가지는 링크 구조를 적용하고, 접었을 때는 몸체 끝부분에서 200mm 이격된 지점에서 최대 가반하중 20 kg 이상, 펼쳤을 때 몸체 끝부분에서 600 mm 이격된 지점에서 5 kg 이상의 성능을 보유하도록 하며, 경량소재인 CFRP를 적용하여 자체 중량 15 kg 이하가 되도록 설계해야 한다.

Fig. 2

5-DOF manipulator for small EOD robot

2.2 5자유도 매니퓰레이터의 구성

폭발물 처리 로봇용 매니퓰레이터는 운용성 확보를 위하여 5자유도 링크 구조를 적용하고, 폭발물 운반을 위한 최대 가반하중 20 kg 이상이어야 하며, 소형 폭발물 처리로봇의 이동 플랫폼에 장착하기 위하여 CFRP 경량화 소재를 적용하여 매니퓰레이터 작업 공간 대비 최소 중량을 갖도록 설계해야 한다. 또한 다양한 환경에서 사용이 가능하도록 방수, 방진이 되도록 설계해야 한다.

Fig. 3은 매니퓰레이터 링크 구조의 개념도를 나타내고 있고, 이것은 3개의 링크, 5개의 조인트, 컨트롤 박스, 그리퍼 등으로 구성되며, 그리퍼를 제외하고 5자유도를 갖는 구조로 기본 설계를 진행하였다. 폭발물 처리로봇은 이동을 해야 하므로 폭발물처리 로봇에 장착되는 매니퓰레이터의 자체 중량이 설계의 중요한 요소이다. 자체 중량을 감소하기 위한 방법으로써 Link1과 Link2의 길이를 최적화 하고, 각축의 모터 용량을 필요 토크에 맞게 최적 설계해야 한다.

Fig. 3

Conceptual diagram of the manipulator link structure

Link1과 Link2의 길이 선정을 위하여 폭발물 처리로봇용 매니퓰레이터의 작업 공간을 실제 사용자가 요구하는 필요 공간(그리퍼 포함 1500 mm)을 분석하고 이동 플랫폼의 자체 중량과 장착성을 고려하여 Link1과 Link2의 길이의 합을 1300 mm로 결정하였다. Link1과 Link2의 각각의 길이는 작업 공간 및 최소 중량을 고려하여 설계하였다. 경량화를 위하여 Link1과 Link2의 재질은 CFRP를 적용하고, 모터와 기어헤드의 직경을 고려한 최소 직경으로 50 mm의 외경을 가지는 파이프 구조로 설계하였다. 또한 방수, 방진을 위하여 각축 구동 모터 및 모터 드라이버, 배선을 링크 내부에 장착하도록 하였다.

매니퓰레이터의 Joints1에서 4의 구조는 안전을 위하여 전원이 차단되었을 경우 현재 위치에서 정지할 수 있는 구조로 고안 하였다. 또한 안정성 측면에서 각 축 회전부에 마그네틱 센서를 이용한 하드웨어 리미트 기능을 적용하여 링크가 움직일 수 있는 최대 각도를 제한하여 매니퓰레이터의 운용 안정성을 확보하였다.

2.3 그리퍼 설계

그리퍼는 매니퓰레이터에 포함되므로 무게를 줄이고, 폭발물을 안전하게 잡고 운반하기 위해 설계 및 제작되어야 한다. Fig. 4는 그리퍼의 주요 설계 치수 및 명칭을 나타내고 있고, Table 1은 설계한 그리퍼의 주요 부위 치수를 나타내고 있다. 그리퍼는 5자유도 매니퓰레이터의 끝점에 위치하므로 Joints1에서 4의 필요 토크를 줄이기 위하여 최대한 경량화 설계를 해야 한다. 각 관절의 필요 토크가 작아지면 적용되는 모터 및 기어, 링크의 굵기 등이 줄어들게 되고, 결과적으로 전체 매니퓰레이터가 경량화 된다. 다양한 폭발물을 파지할 수 있는 그리퍼를 개발하기 위하여 집게형 그리퍼 설계에 관한 연구가 진행되었으며,¹⁴ 본 논문에서는 EOD 요원의 요구사항을 만족하는 가장 큰 대상 물체로써 무게 20 kg 이하, 크기 150 mm 이하로 가정하였다. 그리퍼의 특성은 대상물체와의 접촉표면, 그립력, 그립시간, 그립 면적으로 결정된다.¹⁵ 이때의 그립력은 그리퍼의 형상을 이용하여 접촉면과 슬립의 영향은 최소가 된다고 가정하였다. 본 논문에서는 매니퓰레이터의 전체 무게를 고려하여 그리퍼의 무게(Link3 포함)를 2kg 이하가 되도록 설계한다. 대상 물체의 최대무게는 20 kg으로 가정하고, 이 때 발생하는 중력방향의 힘은 196 N이므로 안전율 2를 고려하여 최대 400 N의 그립력을 가지도록 설계하였다.

Fig. 4

Parts name and dimensions of gripper

Table 1

Dimension table of gripper

본 논문에서 적용된 그리퍼 메커니즘은 처리할 수 있는 폭발물의 최대 무게 20 kg의 부하를 고려하여 높은 토크출력이 가능한 4절 링크 구조방식의 단순 개폐형 구조를 적용하였다. 설계 목표로써 경량화를 위하여 그리퍼 링크의 두께를 최소화하면서 최대 부하를 견딜 수 있도록 하였다. 변형률과 안전율을 높게 설계하면 강도면에서 이로운 점이 있으나 이로 인해 경량화하기 어려운 점이 있다. 따라서 그리퍼 링크의 두께는 일반적인 안전율 2보다 낮은 안전율 1.7이상, 응력 50 Mpa 이상, 변형률 0.003 이하가 되도록 하였다. Fig. 5는 ANSYS를 이용한 그리퍼의 구조해석 결과를 나타내고 있고, 그립력 400 N의 힘을 가했을 때 안전율 1.79, 변형률 0.002, 응력 143 MPa로 각 구성품의 안정성을 확인하였다. 그리고 설계결과 그리퍼의 무게(Link3 포함)는 1.92 kg이었다.

Fig. 5

Structure analysis result of gripper

2.4 링크별 토크 산출

Fig. 6은 5자유도 매니퓰레이터의 링크와 관절의 위치를 나타내고 있다. 각 축의 필요 토크를 결정하기 위해서는 매니퓰레이터의 운용 반경에 따른 각 링크의 길이 선정이 중요한 설계 입력요소이다. 폭발물 처리를 위한 매니퓰레이터의 최대 운용 반경은 몸체 끝부분을 기준으로 800 mm까지 도달 가능하고, 이때의 가반하중은 5 kg 이상이 되도록 하였다. 최소 운용반경은 몸체 끝부분에서 2 00mm에 도달 가능하고, 가반하중은 20 kg 이상이 되도록 설계하였다.

Fig. 6

Link and joint position of 5-DOF manipulator

Fig. 6에서 나타낸 Link1과 Link2의 길이는 각 축의 구동모터 용량과 및 기어구조의 기어비를 결정함에 있어 중요한 입력요소이고, 매니퓰레이터 무게 최소화를 할 수 있는 길이를 선정하였다. Link1의 길이는 매니퓰레이터를 접었을 경우 플랫폼 몸체 내부에 장착 가능한 최대 길이를 감안하여 700mm로 결정하였다. Link2의 길이는 최대 운용반경 1300 mm에서 Link1의 길이를 제외한 600 mm로 결정하여 각 축의 필요토크를 결정하였다. Link1과 Link2의 길이를 위와 같이 결정한 이유는 Fig. 6에서 나타낸 것과 같이 링크 전체 길이가 1300 mm로 동일할 경우 Link2의 길이가 작을수록 Joint3에 필요한 토크가 작게 되므로 Joint3에서 필요한 모터 및 기어구조의 무게가 감소된다. Joint3의 무게가 감소하면 Joint2에서의 모터 및 기어구조 무게도 감소하므로 전체적인 매니퓰레이터의 무게가 감소하는 효과가 있다.

필요 토크 계산을 위한 가정으로 매니퓰레이터 최대 확장 시 목표 가반 중량을 5 kg으로 설정하고, 각 축의 무게중심은 링크의 센터에 위치, 효율은 맥슨모터사의 기어헤드와 고효율 상용웜휠기어의 효율을 적용하여 0.5, 일반적인 기구물의 안전율 2, 마찰계수 0.5를 적용하여 계산하였다.

각 관절의 모터용량을 결정하기 위해서는 토크계산이 필요하다. 각 관절에 적용된 토크계산식은 식(1)부터 식(4)와 같이 쓸 수 있다.

여기서 L₁, L₂, L₃은 Links 1부터 3의 길이, m₁, m₂, m₃는 Links 1부터 3의 무게, m_f는 End-Effect의 최대 확장시의 허용무게, T₁, T₂, T₃, T₄는 Joints1부터 4의 필요토크, g는 중력가속도, Sf는 안전율, η는 효율, μ는 마찰 계수를 나타낸다.

Joint1의 필요 토크 T₁은 Link1의 길이 700 mm, Link2의 길이 600 mm, Link3의 길이 2 00 mm와 Link1의 무게 6 kg, Link2의 무게 4 kg, Link3의 무게 2kg을 적용하여 계산하였다. Joint2의 필요토크는 Joint1 필요토크 계산 시 적용된 마찰계수를 제외한 사양을 적용하였다. Joint3의 필요 토크는 Link2의 길이 600 mm와 Link3의 길이 200 mm, Link2의 무게 5 kg과 Link3의 무게 2 kg을 적용하였다. Joint4의 필요 토크는 Link3의 길이 200 mm와 Link3의 무게 3 kg을 적용하여 계산하였다. 각 축의 필요토크 계산 시 공통적으로 효율 0.5와 안전율 2를 적용하였다.

Table 2는 각 링크의 길이와 무게에 따른 각 관절에 필요한 최대 토크계산 결과를 나타내고 있다. 이때 각 링크의 길이 합은 1500 mm, 전체 무게는 12 kg이며, Joint1을 위한 모터, 기어박스 및 제어기가 장착된 제어기 하우징 무게는 3 kg으로 설계하여 최대 중량 15 kg 이내가 되도록 설계하였다.

Table 2

Necessary torque of each joint and design conditions

Table 3은 각 관절의 출력토크 및 기어비를 나타내고 있다. 각 관절의 출력 토크는 Table 2의 설계조건을 적용하여 필요토크 이상이 되도록 모터는 Maxon사의 EC 4pole 모터와 EC Max모터, 기어는 웜-휠 기어와 Maxon사 기어헤드를 선정하였다.

Table 3

Output torque and gear ratio of each joint

Fig. 7(a)는 Link1, Fig. 7(a)는 Link2의 구조해석 결과를 나타내고 있다. 해석조건은 Link1의 무게 6 kg, Link2의 무게 4 kg, 그리퍼를 포함한 Link3의 무게 2kg으로 가정하고, 가장 열악한 조건인 매니퓰레이터를 펼쳤을 경우 가반하중 2 0 kg를 가정하여 Link1과 Link2의 해석을 진행하였다. Link1과 Link2는 제작시 동일한 두께를 가지도록 하고, 경량화를 위하여 중공파이프(두께 일정)로 결정하였다. Link1과 Link2는 설계 시 두께는 동일하지만 길이가 다르고, 경량화를 위하여 일반적인 안전율 2보다 낮은 안전율 1.7과 최소 응력 50Mpa을 적용하여 설계와 해석을 하였다. 이를 근거로 설계 목표로써 Link1과 Link2의 두께는 응력 50 Mpa 이상, 변형률 0.003 이하, 안전율 1.7 이상이 되도록 하였다.

Fig. 7

Structure analysis result of Link1 and Link2

해석 결과 Link1은 응력 50MPa, 변형률 0.00079, 안전율 5.5이고, Link2는 응력 156 MPa, 변형률 0.0024, 안전율 1.79로 구조적으로 안정함을 확인하였다. 각 링크의 두께는 해석결과와 CFRP 소재를 이용한 링크의 제작과정 등을 고려하여 2 mm로 결정하였고, 각 링크의 외경은 50mm로 결정하였다. 즉, 각 링크의 두께를 일정하게 설계한 것은 CFRP 소재를 이용한 링크의 제작공정상 두께가 다른 파이프 형태로 제작하기 어렵기 때문이다.

2.5 매니퓰레이터의 최종 형상 및 사양

Fig. 8은 최종 설계된 매니퓰레이터의 형상을 나타내고 있고, 이것은 장착부(Mounting Part), Links 1부터3, Joints1부터5, 그리퍼 등으로 구성되었다. 장착부는 본체와 매니퓰레이터를 고정하는 고정체이고, 이것은 커넥터로 연결되어 탈/부착 및 유지보수가 용이한 구조로 설계되었다. Link1은 Jionts2와 3, Link2는 Joints3과 4, Link3은 Joints4와 5에 각각 연결되었다. Joints1부터 5는 Table 4에서 선정한 모터들이 부착되었고, 이들의 회전각은 각각 ± 180°, 0 - 180°, ± 170°, ± 170°, ± 180°이다. 배선 및 구동장치는 내부에 장착되고, 방수, 방진 등의 환경 성능도 고려되어 설계되었다.

Fig. 8

Designed manipulator modeling

Table 4

Designed manipulator specification

Table 4는 본 논문에서 설계된 매니퓰레이터의 주요 사양을 나타내고 있다. 이것은 각 링크를 최대로 펼쳤을 때 1500 mm, 무게 14.61 kg, 매니퓰레이터를 접었을 경우 가반하중 2 0 kg, 매니퓰레이터를 펼쳤을 경우 최대 5 kg, 그리퍼 파지 범위 150mm 이상, 5자유도이다.

4.1 매니퓰레이터의 무게측정 실험

Fig. 10은 매니퓰레이터의 무게측정 모습을 나타내고 있고, 무게측정은 매니퓰레이터를 저울을 이용하여 3번 측정하여 평균하였으며, 측정결과는 14.5 kg이었다.

Fig. 10

Measurement of manipulator weight.

4.2 매니퓰레이터의 길이측정 실험

Fig. 11은 폭발물 처리로봇 본체에 매니퓰레이터를 장착한 후 매니퓰레이터의 길이측정 모습을 나타내고 있고, Fig. 11(a)는 매니퓰레이터를 폈을 때의 모습을 나타내고 있고, 줄자를 이용하여 3번 측정하여 평균한 결과는 약 1,500mm이었다. Fig. 11(b)는 매니퓰레이터를 접었을 때의 모습을 나타내고 있다. 제작된 매니퓰레이터는 Figs. 11(a)와 11(b)에서 나타낸 것과 같이 여러번 접고 펴는 실험을 번복하였을 때 정상적으로 동작됨을 확인하였다.

Fig. 11

Measurement of manipulator length

4.3 매니퓰레이터의 가반하중 측정실험

Fig. 12는 가반하중 측정실험 모습을 나타내고 있다. Fig. 12(a)는 매니퓰레이터를 폈을 때의 가반하중 측정실험 모습이고, Fig. 12(b)는 측정결과를 그래프로 나타낸 것이다. 실험은 Fig. 12(a)에서 나타낸 것과 같이 퍼스텍에서 상용화한 SCOBOT 200의 본체에 매니퓰레이터를 부착하고, 매니퓰레이터를 편 상태에서 8 kg의 아령을 그리퍼로 잡고 Joint2에 부착된 모터를 구동하여 들었다. 그리고 CAS사에서 제작한 로드셀(SB-50L)과 GP-Works 측정 프로그램을 이용하여 Fig. 12(b)에서 나타낸 것과 같이 아령의 무게를 3회 반복 측정하였다. 측정결과는 약8 kg이었다. Fig. 12(c)는 매니퓰레이터를 접을 때의 가반하중 측정실험 모습이고, Fig. 12(d)는 측정결과를 그래프로 나타낸 것이다. 실험은 매니퓰레이터를 폈을 때와 마찬가지로 3회 반복 실시하였고, 측정결과는 약 20 kg이었다.

Fig. 12

Test of lifting capacity (closed & extended)

4.4 그리퍼의 벌림폭 측정실험

Fig. 13은 그리퍼의 벌림폭 측정실험 모습을 나타내고 있고, 실험을 3번을 측정하여 평균하였으며, 그 결과는 약 150 mm이었다.

Fig. 13

Measurement of grip width

4.5 폭발물 처리로봇의 이동특성실험

소형 폭발물 처리로봇은 폭발물 처리 전문요원이 제시하는 일반적인 폭발물의 무게인 10 kg의 폭발물을 잡아 들고 이동시키는 특성실험을 실시해야 한다. Fig. 14는 폭발물 이동특성실험을 실시하는 모습을 나타내고 있다. 실험은 제작한 매니퓰레이터를 퍼스텍에서 상용화한 SCOBOT 200의 본체에 부착하고, 10 kg의 가상 폭발물 가방을 잡아 들고 이동하였다. 특성실험 결과, 폭발물 처리로봇은 가상 폭발물을 들고 안전하게 이동하였다.

Fig. 14

Test of movement characteristic

Table 5는 매니퓰레이터의 설계사양 대비 특성실험 결과를 나타내고 있고, 특성실험결과는 소형 폭발물 처리로봇의 일반적인 요구사양인 5자유도, 전체길이(그리퍼 포함) 1500 mm, 접었을 때의 가반하중 2 0 kg 이상, 펼쳤을 때의 가반하중 5 kg 이상, 폭발물 처리로봇(SCOBOT 200)의 무게 50 kg이하를 모두 만족하였다.

Table 5

Test result of manipulator