One distinct feature of robots is a flexibility, which requires that the end-effector of robots can have arbitrary position and orientation in its workspace. In addition, the motion of robots should be accurate in high speed. For the requirements, the robot is constructed with links connected by joints, which is necessarily very complex in kinematics and dynamics.
The robot design consists of two stages; kinematic and dynamic design stage. In the kinematic design stage, joint type and kinematic link parameters such as offset angle and link length are determined, which are related to the workspace shape and volume and dexterity. For a given structure of robots, dynamic design stage determines dynamic link parameters such as mass, mass center, and inertia distribution of links, which are related to the dynamic characteristics and performance of robots.
To position and orient the end-effector of robot arbitrarily, 6 degrees of freedom are required. It is convenient to divide 6 degrees of freedom into two parts; regional structure and orientation structure. In this thesis, possible combinations of simple chain for the regional structure and orientation structure have been analyzed. For the regional structure, there are 20 possible combinations among which sphere volume shape has maximum volume while cubic shape has minimum volume. For the large volume and simple structure of regional structure, there are five commercialized robot models. For the orientation structure, 5 combinations exist, which are evaluated when joint motions are constrained. In addition, the effect of regional structure and hand size on the dexterity are evaluated.
The complex robot dynamic due to its nature of structure is one of the main problems in designing a robot controller. The complexity of robot dynamics can be reduced proper design of links. In this thesis, the design conditions are derived form energy equation of robot, which clarify and simplify the robot design. The way and limitations of link design in simplifying the robot dynamics are analyzed in detail. To demonstrate the advantages, a PUMA 560 robot is redesigned according to the proposed design conditions. Two systems of conventional and redesigned PUMA robot have been compared with respect to the computation efforts, degrees of coupling, and dynamic performance.
The evaluation of the kinematic design and the proposed dynamic design conditions would be useful information and data to design an improved robot in kinematic and dynamic aspects.
다른 자동화 기계에 비해 로보트의 중요한 장점으로는 유연성을 들수 있다. 즉, 하나의 로보트로 여러가지 다양한 작업을 할 수 있는데, 이를 위해서는 일정 작업 영역 내의 임의의 위치에 임의의 자세를 취할 수 있어야 하며 아울러 고속 정확한 동작이 요구된다. 이러한 기능을 위해 관절로 연결된 링크들로 로보트를 구성하였는데, 이는 기구학적 및 동역학적으로 매우 복 잡한 시스템이다.
로보트의 설계는 크게 두단계로 나뉠 수 있다. 기구학적 설계 단계에서는 관절의 종류 및 각 링크의 길이등을 정하며 이는 로보트 작업영역의 형태및 크기와 로보트의 자세성을 결정하게 된다. 로보트의 구조가 정해지면 동역학적 설계단계에서, 각 링크의 무게, 무게중심의 위치, 관성의 분포를 정하며 이는 로보트의 동특성및 성능을 결정하게된다. 본 논문에서는 보다 큰 작업 영역과 좋은 자세성을 갖는 로보트의 구조및 동역학적으로 간단하고, 좋은 성능을 갖도록하는 설계조건을 찾고자 하였다.
임의의 위치에 임의의 자세를 취하기 위해서는 6 자유도가 필요한데, 이를 두 부분으로 나누어 생각하는 것이 문제를 간단하게한다. 3자 유도는 주로 로보트의 위치를 정하는데 쓰며 이를 위치구조(Regional Structure)라 하고, 나머지 3 자유도는 주로 자세를 결정하는데 쓰며 이를 자세구조(Orientation Structure)라 한다. 본 논문에서는 각 관절이 서로 평행하거나 직교하는 위치 구조의 구성가능한 모든경우를 고려하였다. 모두 20 가지의 형태를 구성할 수 있는데, 작업영역이 구의 형태를 갖는 경우, 크기가 최대로되며, 육면체의 형태일 경우 최소가 된다. 이중 작업영역이 크거나 간단한 구조의 5개 구조는 이미 상용화 되어 쓰이고있으며, 나머지 제시된 구조들은 새로운 로보트 모델을 고려할 경우 유용한 자료가 될 것이다. 자세구조는 모두 5 가지의 형태가 있는데, 특히 관절의 운동범위에 제한이 있을 경우 각형태의 성능을 평가하였으며, 자세구조에 연결되었을 경우의 성능등을 평가하였다.
로보트는 그 구조상 매우 복잡한 동역학을 갖고 있으며, 제어및 동특성해석에 많은 어려움이 있다. 본논문에서는 복잡한 로보트의 동역학을 간단히하는 설계조건을 유도하였으며 제시된 설계조건에의해 이상적으로 설계된 로보트의 향상된 동특성 및 성능등을 고찰하였다. 회전관절(Revolute Joint)로 연결된 링크에서 무게중심이 회전축에 위치하게되면, 무게중심의 운동이 없어지며 링크의 세개의 주 관성 모멘트가 같을 경우, 그링크는 임의의 축에대한 관성모멘트가 항상 일정하게 된다. 이를 로보트 설계에 적용하면 아주 간단한 동역학을 갖는 로보트를 얻을 수 있으며, 이는 계산시간, 관절 입력 토크, 관절사이의 커플링 (Coupling) 등의 면에서 좋은 특성을 갖게되는것을 보였다. 아울러, 링크설계를 통한 로보트 동역학을 간단히 하는데 있어서의 가능성 및 한계성을 해석하였다. 본 논문을 통해 제시된 자료, 설계 조건등은 기구학적 및 동역학적으로 향상된 로보트를 설계하는데 유용하리라 생각된다.
