This thesis is focused on designing a mechanical joint which is specialized for Zero Moment Crane(ZMC), a loading and unloading system of Mobile Harbor (MH). This joint will play an important role in stabilizing ZMC using ZMP method. For better adaptability to ZMC and better performance of ZMP method, the joint must satisfy some requirements. First, it should be robust enough to resist huge and various types of load condition, such as tensile, shear, and torsion. Second, it should allow and guide rotation of the connected structures as smooth as possible to minimize friction of the rotation. Finally, it must allow only two degrees of rotational freedom, and forbid the others for the safety of the peripheral structures.
Following the traditional design process, the concept which hybridizes universal joint and spherical joint, and adds deformable rolling elements was suggested. The rolling elements contribute to diminish stress concentration by distributing load and decrease power loss by reducing friction. Considering the complexity and non-linearity of the design problem and the efficiency of optimization, Kriging based approximate optimization algorithm was executed. To demonstrate the designed mechanical joint, structural analysis including contact analysis was done, and small-scale prototype was made.
본 논문은 모바일하버(Mobile Harbor)의 상하역 시스템인 제로 모멘트 크레인(이하 ZMC)에 특화된 기계 요소인 조인트를 설계하는 데에 목표를 둔다. 목표하는 조인트는 ZMP 제어를 통한 ZMC의 자세 안정화에 핵심적인 역할을 하게 되는데, ZMP에 위치하여 고하중의 인장, 전단, 비틀림 하중을 지지하고, 롤과 피치의 두 축 방향의 부드러운 회전 자유도를 가지면서 나머지 회전 및 병진 자유도는 구속하는 기능을 수행한다.
조인트의 설계를 위해 전통적 디자인 과정을 이용하였고, 결과적으로 유니버셜 조인트와 스페리컬 조인트의 구조를 융합하고 변형 가능한 구름 요소를 적용한 설계안이 제안되었다. 설계안에서 변형 가능한 구름 요소는 하중에 의한 변형을 통해 하중 분산 기능을 수행함으로써 구조적 안전성을 높이고, 미끄럼 마찰을 구름 마찰로 대체시킴으로써 마찰 감소를 통해 동력 손실의 감소에 기여한다. 그 외에도 가공성 향상 등 제안된 조인트의 실제 구현 가능성을 높이는 역할을 수행한다. 최적화의 효율성과 최적화 문제의 복잡성, 비선형성을 고려하여 크리깅을 이용한 근사 최적화 기법이 수행되었고, 최적화 결과를 바탕으로 접촉 해석을 포함한 구조 해석과 축소 모형 제작을 통해 설계된 조인트의 실제 적용 가능성과 기능 수행 정도, 안전성 등을 검증 및 평가하였다.
