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1. 서론
1.1. 매니퓰레이터 역학의 개념
매니퓰레이터 역학의 개념은 로봇공학의 핵심을 이루는 중요한 분야이다. 매니퓰레이터는 직렬형 다관절로 이루어진 로봇의 일종으로, 컴퓨터에 의해 제어되는 시스템을 가지고 있다. 매니퓰레이터의 작동을 이해하기 위해서는 로봇의 구성 요소와 작동 원리에 대한 이해가 필요하다.
로봇은 엑추에이터, 제어 시스템, 엔드 이펙터, 매니퓰레이터(조인트, 링크, 엑추에이터, 엔드 이펙터, 베이스 등), 센서로 구성되어 있다. 매니퓰레이터의 각 링크는 길이, 비틀림각도, 링크간 전위, 회전으로 표시되며, 이 중 전위와 회전이 변하는 부분이 매니퓰레이터의 작동을 결정한다.
로봇의 작동 원리는 구동부의 엑추에이터, 센서, 링크, 조인트, 그리퍼 등이 결합하여 이루어지며, 이때 조인트의 개수가 로봇의 자유도를 결정한다. 로봇은 최소 6개의 자유도를 가져야 하며, 병진운동을 위한 직교좌표 x,y,z축과 회전운동을 위한 직교좌표 x,y,z축으로 구성된다.
매니퓰레이터의 작동을 분석하기 위해서는 정기구학과 역기구학이 중요하다. 정기구학은 각도를 이용해 좌표값을 구하는 방식이며, 역기구학은 좌표값을 이용하여 각도를 계산하는 과정이다. 정기구학과 역기구학은 서로 밀접한 관계를 가지며, 동차변환 행렬을 이용하여 처음 위치의 좌표계에서 나중 위치의 좌표계로 변환할 수 있다. 동차변환은 물체의 회전과 이동을 한번에 표현하는 변환 방법이다.
이와 같이 매니퓰레이터 역학은 로봇의 구성과 작동 원리, 정기구학 및 역기구학 등의 개념을 포함하는 중요한 분야이다. 이를 이해하면 매니퓰레이터의 동작을 정확하게 분석하고 활용할 수 있게 된다.
1.2. 로봇공학의 정의와 특징
로봇공학의 정의와 특징은 다음과 같다. 로봇공학은 기계, 전기, 전자, 컴퓨터공학 등 다양한 분야가 융복합된 학제간 연구 영역이다. 대학교에서 로봇공학을 배울 때는 기본이 되는 이론들을 배우고 정역학, 동역학을 포함한 기구적인 해석에 대해 학습한다. 또한 구동기, 센서, 시각 시스템 등 요소기술에 대해서도 배운다. 로봇은 컴퓨터 프로그램을 이용한 제어방식이 다양하고 복잡할수록 더 많은 제어가 가능하다. 로봇의 구성 요소로는 엑추에이터, 제어 시스템, 엔드 이펙터, 매니퓰레이터(조인트, 링크, 엑츄에이터, 엔드 이펙터, 베이스 등)와 센서 등이 있다. 로봇은 구동부에 엑츄에이터, 센서, 링크, 조인트, 그리퍼 등이 결합되어 작동하며, 이때 조인트의 개수가 로봇의 자유도를 결정한다. 로봇에는 최소 6개의 자유도가 필요하며, 3개의 병진운동과 3개의 회전운동으로 구성된다. 자유도가 높아질수록 로봇의 동작 경우의 수가 급격히 증가하지만, 실제 현장에서는 자유도가 높은 로봇은 잘 이용하지 않는다.
1.3. 실험 목적
실험 목적은 매니퓰레이터의 정기구학 및 역기구학 분석을 통해 매니퓰레이터 역학에 대한 이해를 증진시키는 것이다.
매니퓰레이터의 각 링크와 조인트 간 관계를 수학적으로 표현할 수 있는 D-H 파라미터를 확인하고, 이를 활용하여 매트랩으로 정기구학 및 역기구학 분석을 수행할 것이다. 실측값과 계산값을 비교하여 오차 발생 요인을 분석하고, 실험 결과에 대한 고찰을 통해 매니퓰레이터 역학에 대한 이해를 높일 수 있을 것이다. 이를 통해 향후 매니퓰레이터 설계 및 제어 기술 발전에 기여할 수 있을 것이다.
본 실험을 통해 로봇 작동 원리에 대한 이해를 높이고, 정기구학 및 역기구학 분석 방법을 습득할 수 있을 것이다. 또한 실험 결과 분석을 통해 매니퓰레이터 역학에 대한 깊이 있는 지식을 얻을 수 있을 것이다.
2. 로봇 작동 원리
2.1. 로봇의 구성 요소
로봇의 구성 요소는 엑추에이터, 제어 시스템, 엔드 이펙터, 매니퓰레이터(조인트, 링크, 엑츄에이터, 엔드 이펙터, 베이스 등등), 센서 등으로 이루어져 있다. 링크는 연결부 강체를 의미하며 길이, 비틀림각도, 링크간 전위, 회전으로 표시되며 전위와 회전이 변하는 부분이다. 로봇은 구동부에 엑츄에이터, 센서, 링크, 조인트, 그리퍼 등 다양한 부품이 결합하게 되며 이때 조인트의 개수가 그 로봇의 자유도를 결정한다. 자유도는 최소 6개를 가져야 하며 병진운동을 위한 직교좌표 x,y,z축과 회전운동을 위한 직교좌표 x,y,z축으로 이루어진다. 자유도가 높을수록 로봇을 이용해 다양한 동작을 수행할 수 있지만 실제 현장에서는 자유도가 높은 로봇은 잘 이용하지 않는다.
2.2. 로봇 제어를 위한 기구학 및 동역학
로봇은 구동부에 엑츄에이터, 센서, 링크, 조인트, 그리퍼 등 다양한 부품이 결합되며, 이때 조인트의 개수가 그 로봇의 자유도를 결정한다. 이 자유도는 최소 6개를 가져야 한다. 병진운동을 위한 직교좌표 x, y, z축과 회전운동을 위한 직교좌표 x, y, z축으로 이루어진다. 자유도가 높아질수록 로봇을 이용한 동작의 경우의 수가 급격히 증가하지만, 실제 현장에서는 자유도가 높은 로봇을 잘 이용하지 않는다.
로봇의 작동 과정은 Trajectory Planning(경로 계획), Kinematics(정기구학) & Dynamics(동역학) & Inverse Kinematics(IK, 역기구학) & Inverse Dynamics(ID, 역동역학), Controller(제어)로 구성된다. Trajectory Planning에서는 시작점에서 끝점까지의 경로, 시간, 위치, 속도, 가속도 등을 결정한다. Kinematics와 Dynamics에서는 end-effector의 위치와 방향 정보,...
