3T1R형 4자유도 케이블 구동 병렬 메커니즘의 기구학 특성 분석 및 햅틱기기로의 구현 = Analysis of kinematic characteristics of 3T1R type 4 degree-of-freedom cable driving parallel mechanism and Its implementation as a haptic device
저자
발행사항
서울 : 高麗大學校, 2019
학위논문사항
학위논문(석사) -- 高麗大學校 大學院 制御計側工學科 메카트로닉스專攻 2019
발행연도
2019
작성언어
한국어
KDC
550 판사항(6)
DDC
621.8 판사항(23)
발행국(도시)
서울
형태사항
viii, 62장 : 천연색삽화, 도표 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 金熙國
참고문헌: 장 61-62
DOI식별코드
소장기관
Cable-driven mechanisms have been employed in various industrial fields due to their large workspace size, low inertia, and low friction compared to the conventional rigid-link based parallel mechanisms. In particular, since the cable-driven parallel mechanism has high potential as a haptic device, various researches on its structures have been conducted. Recently, a cable-driven 3T1R-type parallel mechanism has been proposed and its preliminary feasibility study through the workspace analysis and the fabrication of preliminary prototype has been performed. However, more study on its kinematic characteristics, more practical design and prototype implementation need to be done to show its high potential to actual applications.
In this work, as an effort to develop more practical haptic device with the same 3T1R type structure, its kinematic characteristic analysis, its more practical design and prototype fabrication, and the implementation of a stand-alone microprocessor-based control have been conducted. More specifically, since the pre-existing methods such as singular-value decomposition cannot be directly applied to analyze the kinematic characteristics of the cable-driven parallel mechanism due to its unilateral cable force characteristics, an approximate method based on the direction vectors to the vertices of the polytope is suggested and is employed to find the isotropy characteristics of the cable-driven parallel mechanism. Then the prototype is implemented, where each cable of the prototype is equipped with pre-loaded spring such that all cables maintain the positive tension even when the power to the prototype is removed. And the prototype is directly interfaced with Raspberry Pi microprocessor such that it could be controlled as a stand-alone haptic device. Also, to verify the performance of the prototype, a virtual wall is implemented. And through experiments of moving the haptic device along the boundary of the virtual wall it is confirmed that the prototype generates the virtual wall effect successfully.
Conclusively, there are two main contributions of this work. One is that the method to find the kinematic characteristics for the cable-driven parallel mechanism is presented. The other one is that the stand-alone haptic device system based on the microprocessor is implemented and its application potential is verified through the virtual wall experiment.
케이블로 구동되는 메커니즘의 경우 기존의 강체 병렬 구조 메커니즘에 비해 넓은 작업공간과 적은 관성, 그리고 적은 마찰력의 측면에서 우수하여 다양한 산업분야에 활용되고 있다. 특히, 케이블 구동 병렬 메커니즘의 경우 햅틱기기로서 그 활용 가능성이 높아 다양한 병렬 구조에 대한 연구가 수행되고 있다. 최근에 케이블로 구동되는 3T1R 형 병렬구조 메커니즘이 제시되었으며 이에 대한 작업공간 그리고 예비 단계의 모형 제작을 통해 그 활용 가능성에 대한 연구가 수행되었다. 하지만, 그 실용 잠재성을 보이기 위해 기구학 특성 분석, 보다 실용적인 설계 및 시스템 구현에 대한 연구가 필요하다.
이에 본 논문에서는 위와 동일한 케이블 구동형 3T1R형 병렬 구조 햅틱기기의 실용 가능성을 높이기 위한 노력으로 기구학 특성 분석, 실용적인 설계 및 제작, 그리고 독립적인 마이크로 프로세서 기반으로 제어되는 햅틱기기 구현에 관한 연구를 수행하였다. 특히, 기구학 특성 분석의 경우, 한 방향의 장력만을 받을 수 있는 케이블로 인하여 특이값 분해와 같은 일반적인 해석기법이 활용되지 못하므로 본 논문에서는 polytope의 꼭지점까지의 방향 벡터들에 기반을 둔 근사 기구학 특성 수치 해석 방법을 제시하였으며 이를 활용하여 기구학 특성을 분석하였다. 그리고 햅틱 시스템 시작품을 제작하였으며 케이블 각각에 스프링을 부착하여 전원이 제거된 경우라도 항상 케이블이 양의 장력을 유지하도록 하였다. 그리고 라즈베리 파이 마이크로 프로세서를 활용하여 독자적으로 햅틱기기가 구동될 수 있도록 하였으며 햅틱기기의 성능을 검증하기 위한 방안으로 가상벽을 구현하고 가상벽의 경계를 따라 이동하는 구동 실험을 통하여 가상벽 효과가 성공적으로 구현됨을 확인하였다.
결론적으로, 본 연구에서의 두 가지 기여중 하나는 3T1R형 케이블 구동 병렬 구조 메커니즘에 대한 기구학 특성 분석 방법을 제시한 것이며 다른 하나는 마이크로 프로세서에 기반을 둔 햅틱기기 시스템을 구현하고 구동 실험을 통하여 그 구동 성능 및 높은 활용가능성을 확인한 것이다.
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