로봇 핑거를 위한 4절 링크 기반 소형 연속 가변 변속 메커니즘의 설계 및 제어
Design and Control of a 4-bar linkage based Compact Continuously Variable Transmission Mechanism for Robotic Finger
- 주제어 (키워드) 로봇 핑거 , 4절 링크 메커니즘 , 연속 가변 변속 메커니즘 , 플렉시블 샤프트 , 외란 관측기; Robotic Finger , 4 bar linkage Mechanism , Continuously Variable Transmission (CVT) , Flexible Shaft , Disturbance Observer
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 정석환
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000076936
- UCI I804:11029-000000076936
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록
본 논문은 로봇 핑거를 위한 소형 연속 가변 변속 메커니즘의 설계와 제어 방법을 제시한다. 로봇 핑거나 핸드, 그리퍼와 같은 기존 중-소형 로봇 시스템에서는 일반적으로 고정 기어 변속기를 갖춘 전기 모터가 사용되어 왔으나, 모터의 토크-속도 선도에 따라 제한된 작동 범위를 가지게 된다. 제안하는 로봇 핑거는 4절 링크 메커니즘을 기반으로 하며, 링크 길이를 능동적으로 조절함으로써 시스템의 입-출력 변속비를 연속적으로 변경할 수 있다. 이는 비교적 단순한 구조와 단일 구동기로 넓은 토크-속도 출력 범위를 생성하여 효율적인 파지 동작을 가능하게 한다. 또한, 플렉시블 샤프트를 활용하여 파지 동작 중 구동기 관성의 영향을 최소화할 수 있는 구조를 제안함으로써 파지 효율성을 극대화 하였다. 로봇 핑거의 설계는 4절 링크의 기구학 분석을 통해 타당성을 확인하였으며, 시스템의 동적 모델을 도출하여 이를 바탕으로한 외란 관측기 기반의 제어 방법을 제시하였다. 3D 프린팅과 여러 기계 요소들을 활용하여 프로토타입을 제작하였으며, 실험을 통해 제안하는 연속 가변 변속 메커니즘과 제어기의 성능을 검증하였다.
more초록
This paper presents the design and control method of a compact continuously variable transmission mechanism for robot fingers. In existing small and medium-sized robot systems such as robot fingers, hands, and grippers, electric motors with fixed gear transmissions have generally been used, but have a limited operating range depending on the torque-speed diagram of the motor. The proposed robot finger is based on a 4 bar linkage mechanism, and the input-output transmission ratio of the system can be continuously changed by actively adjusting the link length. This enables efficient grasping operations by generating a wide torque-speed output range with a relatively simple structure and a single actuator. In addition, grasping efficiency was maximized by proposing a structure that could minimize the influence of actuator inertia during grasping operations using a flexible shaft. The feasibility of the design of the robot finger was confirmed through kinematic analysis of the four-bar link, and a dynamic model of the system was derived and a disturbance observer-based control method based on this was presented. A prototype was fabricated using 3D printing and various mechanical elements, and the performance of the proposed continuously variable transmission mechanism and controller was verified through experiments.
more목차
I Introduction 1
A Research Background 1
B Related Works 4
C Research Objectives 5
II Mechanism and Design 7
A Compact and Continuously Variable Transmission Mechanism 7
B Design of a Robotic Finger using the CCVAT 11
C Flexible Shaft 16
III Transmission Control Algorithm 19
A Low-level control: DOB-based Position Control 19
B Mid-level control: State Transition Algorithm 24
IV Experiments 32
A Fingertip Force and Speed 32
B Current Consumption with external load 34
V Conclusion and Future Work 37
References 38
