3D 프린팅 건축을 위한 ON-SITE 설치형 병렬 케이블 로봇 시스템 개발 : 무차원 변수를 이용한 구조설계 최적화 및 외란관측기를 이용한 제어 = Development of ON-SITE Installed Cable-driven Parallel Robot System for 3D Printing Construction: Structural Design Optimization Using Dimensionless Variables and Disturbance Observer-Based Control
저자
발행사항
서울 : 세종대학교 대학원, 2020
학위논문사항
학위논문(석사)-- 세종대학교 대학원 : 기계공학과 2020. 2
발행연도
2020
작성언어
한국어
주제어
DDC
629.892 판사항(22)
발행국(도시)
서울
형태사항
145 p. : 삽도 ; 26cm
일반주기명
지도교수:곽관웅
참고문헌: p.132-137
UCI식별코드
I804:11042-200000283882
소장기관
로봇 기술의 개발에 따라 로봇의 영역이 건축 영역으로 확산하고 있다. 기존의 건축 방식은 시간이 많이 소요되고, 많은 인력이 요구된다는 문제점이 있으므로 3D 프린팅을 통해 건축물을 제작하고자 하는 시도가 실시되고 있다. 일반적인 3D 프린팅 기술은 리니어 모션 가이드 기반의 3자유도 직교 로봇 방식으로 구현된다.
하지만 이를 건축물 프린팅을 위해 직교 로봇을 대형화 할 경우 리니어 모션 가이드의 중량이 급격하게 늘어나고 Z축 stroke 구현의 기계적 제약으로 일정 수준 이상으로 확대 구현할 수 없는 결정적인 한계가 있다.
본 연구는 이러한 한계점을 극복하기 위해서 건축물 3D 프린팅에 적합한 병렬형 케이블 로봇을 제안했다.
첫째, 현재까지 개발된 병렬형 케이블 로봇 메커니즘을 조사하고 특징을 분석하여 새로운 병렬형 케이블 로봇의 메커니즘을 제안했다. 제안된 메커니즘의 기구학 및 운동방정식을 도출하여 동역학 해석을 하고, 이를 바탕으로 제안된 메커니즘의 구현 가능성을 확인했다.
둘째, 케이블 로봇의 구조물이 커지고, 말단부의 무게가 커질수록 제어에 요구되는 케이블에 걸린 장력의 크기는 커진다. 케이블 로봇의 작업공간 내의 장력에 대한 이해 부족으로 로봇의 부적절한 상세 설계를 진행할 시, 모터의 용량부족 및 케이블의 파단 또는 구조물의 파괴 등이 일어날 수 있다. 따라서 케이블 로봇의 장력 분포에 영향을 주는 유효 변수를 선정하여 최적화 기법을 이용한 장력 분포 해석을 실시했다. 또한 이러한 유효변수와 장력 분포 해석을 통해 얻은 최대 장력 값과의 관계식을 도출하여 유효 변수들과 최대 장력과의 상관관계성을 SPSS(Statistical Package for the Social Science) 통계 소프트웨어를 이용하여 분석했다.
셋째, 시뮬레이션을 통해 구현 가능성이 검증된 병렬형 케이블 로봇을 설계하고 제작한다. 설계 시 케이블 로봇을 구동하는 데 필요한 모터의 토크 용량은 동역학 해석 및 장력 분포 해석을 통해 도출하고, 구동 상의 최대 부하 상태가 모터의 정격운전영역 내에 포함되도록 모터 및 감속기를 선정했다. 본 연구에서 기구적인 설계는 상용 설계 소프트웨어인 CATIA를 활용했다.
마지막으로, 본 연구에서는 자체 제작된 병렬형 케이블 로봇 말단부의 정밀한 위치 제어를 위하여 제어 알고리즘을 제안한다. 케이블 로봇은 ON-SITE에서 작업을 하므로 외부에 의한 외란 요소가 존재할 가능성이 크기 때문에 단순한 PID 제어, 불감대 보상기가 적용된 PID 제어 및 외란관측기 제어가 포함된 PID 제어 기법을 활용하여 성능을 비교했다.
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