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시뮬레이션을 이용한 로봇 설계
제품. 다관절 로봇 해석
목적 . 다관절 로봇의 제어기 개발 및 부품 사양 결정
로봇을 개발하기 위해서는 동작을 제어하는 제어기, 동작 중에 발생하는 진동, 여러 부품의 강성, 로봇에 사용되는 모터의 관성비 등 다양한 요소를 고려해야만 한다. ‘시행착오(trial and error)’ 방식을 이용하거나 경험에 의존하여 로봇을 설계하는 경우, 시제품이 완성된 후에 문제점이 발견되는 경우가 종종 있다. 그리고 이로 인해 개발 기간이 길어지고, 제품 품질이 저하될 수도 있다. 시뮬레이션을 이용하게 되면 시제품이 준비되기 전에 로봇의 중요한 요소들을 조기에 평가하고, 검토할 수 있어 개발 기간과 비용을 크게 줄일 수 있다. ITRI은 1973년에 설립된 기술 연구개발 기관으로 RecurDyn으로 모델링 한 가상 시제품을 다관절 로봇의 개발에 활용하였다. ITRI는 RecurDyn을 이용하여 모터, 베어링, 감속기와 같은 로봇의 여러 요소는 물론 로봇의 움직임을 제어하는 제어기를 설계할 수 있었다. 또한 RecurDyn의 유연체 모델링 기술을 통해 로봇의 다양한 자세에 대한 진동 특성을 빠르고 효율적으로 파악할 수 있었고, 개발 비용을 절감할 수 있었다.
◆ 주요 작업 프로세스
① Joint, Bushing, Coupler, Beam force 등을 이용하여 빠르게 해석할 수 있는 강체 모델 구성
- Connecting Stiffness를 고려하면서도 빠르게 해석할 수 있는 Beam force를 이용하여 Bolt 체결을 모델링
- 감속기를 Coupler로 모델링하고, Torsional Rigidity를 표현하기 위해 감속기 바디를 Bushing으로 고정
② CoLink를 이용하여 로봇 동작을 제어하기 위한 제어기를 모델링하고, RecurDyn의 강체 모델과 CoLink의 co-simulation을 수행
③ 일부 Body를 유연체로 변경하여 바디의 변형에 의한 진동을 모사
④ Eigen Analysis를 포함한 Scenario Analysis를 이용하여 로봇 동작 중에 나타나는 여러 자세에 대한 고유 진동 모드를 예측
◆ 주요 해석 기술
- 로봇의 동작 경로를 예측하기 위한 역기구학 기술 (Inverse Kinematics)
- 제어기의 PID Gain 값을 손쉽게 튜닝하기 위한 Parametric Modeling 기능
- 노멀 모드뿐만 아니라, 베어링이 연결된 위치의 노드에 대한 구속 모드까지 고려할 수 있는 유연체 해석 기술 (Reduced Flex)
- 로봇의 동작에 따른 여러 자세에 대한 고유 진동 모드를 손쉽게 계산할 수 있는 Scenario Analysis 기법
◆ 관련 제품
- RecurDyn/Professional
- RecurDyn/FFlex
- RecurDyn/Linear
- RecurDyn/CoLink
◆ 고객에게 주어진 과제 및 이슈
- 원하는 동작을 로봇이 구현 가능한 지를 빠르게 검증할 수 있는 방법의 필요성
- 로봇 구동에 적합한 베어링, 모터, 감속기의 스펙 결정을 위한 효율적인 방법이 요구됨
- 로봇의 자세에 따라 달라지는 진동 특성을 파악하기 어려움
- 시제품 제작 전까지 제어기를 설계하기 어려움
◆ 해결
- 역기구학을 이용하여 로봇 동작 범위의 예측 및 확인
- 리커다인 모델을 통해 토크, 강성과 같은 설계에 필요한 데이터를 획득
- RecurDyn MFBD 기술을 이용하여 로봇의 진동 특성을 정확하게 예측
- 시제품 대신 RecurDyn 모델을 Plant로 사용하여 제어기를 설계
◆ 성과
- 시제품 없이도 가상 모델을 이용하여 로봇의 거동을 제어하기 위한 제어기를 빠르게 설계
- 모터의 적정 용량, 베어링 강성 등 로봇에 필요한 데이터를 시뮬레이션을 통해 획득
- 다양한 디자인에 대한 정량적인 평가에 소요되는 시간과 비용 절감
- 고유진동 모드의 애니메이션과 같은 시각적인 해석 결과를 통해 설계 변경을 위한 아이디어 획득
◆ 활용 및 해석사례
-
RecurDyn을 이용한 제조용 로봇팔 시뮬레이션
- 유연체로 모델링된 로봇팔의 진동 확인
-
로봇 분야의 RecurDyn 활용사례
- 다양한 활용 사례
- 고객 사례
