제목: 열역학이란?학 번:이 름:제출일: 4월 14일열역학에 대한 자료조사열역학(Thermodynamics)이란?? 거시적 단위의 물질 거동 및 에너지 사이의 변환을 서술하는 학문 분야“The branch of science that describes the behavior of matter and the transformation betweenforms of energy on a macroscopic scale, or the human scale and larger.”? 열역학은 온전히 경험적임“Thermodynamics is entirely empirical.”? 평형에 있는 시스템의 거시적 특성들을 기술함“Describes macroscopic properties of equilibrium systems”? 단지 몇 개의 측정 가능한 변수들만으로 시스템을 설명할 수 있음“Only a few such variables are needed to describe the system, and the variables are generallydirectly accessible through measurements.”? 4개의 법칙을 기술하고, 간단한 수식화함“Built on 4 Laws and “simple” mathematics”열역학 법칙0th Law : Defines Temperatures (T)1st Law : Defines Energy (U)2nd Law : Defines Entropy (S)3rd Law : Gives Numerical Value to Entropy열역학의 응용 분야의 예(1) 암모니아 합성: Synthesis of NH3 gas from N2 and H2 (Haber-Bocsh Process)N2 (g) + 3 H2 (g) ↔ 2 NH3 (g)=> 온도와 압력을 조절함으로 암모니아의 생산량을 조절 가능함“Control of NH3 output by changing the temperature and/or pressure”(2) 전기화학 연료전지: Electrochemical Fuel CellCH3OH(liq) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2O (liq)=> 이론적 최대 효율 계산 가능함Þ 온도와 압력을 조절함으로 전기에너지의 생산량을 조절 가능함“Control of electrical energy by temperature and/or pressure”(3) 새로운 화학 화합물 생산: Production of New Chemical Compound=> 평형조건하에서 예상되는 최대 생산량 계산 가능함“Maximum yield expected under equilibrium conditions should be calculated.”열역학에서는 공정의 ‘속도’를 고려하지 않음일반적으로 사용되는 크기 또는 양의 단위(1) 질량: m, 몰수: n, 전체부피: Vt(2) 몰질량(분자량): M(3) 비부피:(4) 몰부피:(5) 고유밀도:(6) 몰밀도:V, ρ, T, P, 조성은 계의 크기에 독립적인 세기 열역학적 변수=> 세기변수 또는 세기성질 (Intensive variables or Intensive properties)cf) 크기변수 또는 크기성질 (Extensive variables or Extensive properties)ex) 부피(Vt), 질량(m), 몰수(n)열역학에서의 “일” : 유체의 부피가 변화할 때 수반되는 ‘일’피스톤의 움직임으로 인한 실린더 내부의 유체의 압축/팽창피스톤에 의해 유체에 가해지는 힘 = (피스톤의 면적) ´ (유체의 압력)피스톤의 변위 = (유체의 부피 변화) ´ (피스톤의 면적)에너지 보존물리적 공정의 경우, 일어나는 변화와 관계없이 항상 일정하게 유지되는 양Ex) 질량 보존의 법칙수행된 일은 그 물체의 조건을 그 주위 조건과 연관시켜 나타내주는 어떤 양의 변화와 같다.=>과정을 역으로 진행시켜 그 물체를 초기 상태로 되돌려 놓음으로써행하여진 일을 다시 회수할 수 있다.열: 일과 마찬가지로 전달되는 과정의 ‘에너지’“열은 항상 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐른다.”=> 열이 전달되는 속도는 두 물체 사이의 온도차이(ΔT)에 비례함.열역학적 의미에서 열은 결코 물체 내에 저장되는 것이 아니며, 한 물체에서 다른물체로, 계(system)와 외계(surroundings) 사이를 이동하는 에너지이다.상태 변화 (Change of state; Transformations)H2(g, 5 bar, 100 oC) = H2(g, 1 bar, 50 oC)
로봇의 동역학 적용사례Application of the dynamics of robotsAbstracts ; This paper shows to stabilize a balancing robot. We derive the dynamics of a balancing robot and design its controller using LQR method. For stabilizing balancing robot, we introduce a method to detect an angle using inertial sensors. In this study, we use a complementary filter to fuse signals by frequency response of gyroscope and accelerometer in order to measure the inclined angle of balancing robot. The filter coefficients are obtained by least square to minimize error in angle-detecting filter design. And then, after we derive a dynamics of balancing robot using Lagrange method, we linearize that dynamics for using LQR method.Key Words : multi-body dynamics, transitioning, wall climbing robot, magnetic force modeling1. 서 론최근 다양한 산업의 적용을 목적으로 등반로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.등반 로봇이란 사람이 작업하기 어려운 극한작업현장에서 작업자를 대신하여 작업을수행하는 로봇을 의미한다. 현재 다양한 지형장애물을 지닌 극한 작업현장에 대한 접근을목적으로 많은 등반 로봇들이 연구 중이다.현재까지 개발된 등반 로봇들은 기구학해석에 대한 연구는 많이 진행된 반면, 동역학해석에 대한 연구는 거의 진행되고 있지 않다.하지만 로봇의 동역학 해석은 등반 로봇의최적화 제어 및 로봇의 지능화를 위해 반드시수행되어야 될 연구 과제이다.따라서 이번 논문에서는 현재 개발중인등반 로봇인 Combot에 대한 동역학 해석을진행하는 것을 목표로 한다. Combot 의 Internaltransition 에 대한 동역학 분석을 목표로하였으며, 이를 위해 라그랑지안 식을사용하였다. 동역학 분석에서의 외부 힘은로봇이 벽면에서 받는 외력과, 흡착 유닛으로사용한 자석의 부착력을 고려하여 진행하였다.2. 등반 로봇의 동역학이번 분석의 대상이 되는 등반 로봇(이하Combot)의 형상을 살펴보면 Fig. 1 과 같다.등반 로봇은 3 개의 바디로 이루어져 있으며각 바디는 자석벨트가 장착 되어 있다. 각바디는 2 개의 링크와 5 개의 조인트를 통해각각 연결이 되며, 조인트는 3 개의 능동조인트와 2 개의 수동 조인트로 이루어 져있다.그림에서 보이는 J2, J4, J5 는 능동 조인트로토크 제어 모터가 달려있으며, J1, J3 는 수동조인트로 비틀림 스프링이 달려있다.Figure 2 a)는 Combot 의 실제 internaltransition 의 모습을 나타내며, b)는 이러한internal transition 의 동역학 분석을위하여 Combot 의 기구학을 분석한 모델을묘사하고 있다. 회전 축은 모두 Z 축으로 XY평면에 수직하다.2.1 동역학 구성그림1 에는 밸런싱 로봇의 개념도가 나타나 있다. 그림1 에서는 로봇 몸체가 기울어지는 각도이고, �喘觀오� 요-방향의 회전 각도이다. �怜ぐ型聆娩� 각각 로봇의 오른쪽과 왼쪽 바퀴가회전한 각도이고, �Ч耗岵� 회전 중심축에서 로봇 몸체의 무게 중심까지의 거리, �레耗好� 바퀴 사이의 거리, �껸耗岵� 반지름이다. 두 바퀴가 회전한 각도�怜ぐ型聆巒딸怜だ� 이용해서 로봇의 이동거리를 측정할 때 사용한다.3. 상태 측정밸런싱 로봇의 안정화 제어기 설계를 위해 로봇의 각 상태를 측정하는 방법을 다룬다. 특히 로봇이 기울어 지는 각도를 측정하는 방법으로 자이로 센서와 가속도 센서를 이용한 각도 추정 필터를 최소 자승법을 이용해서 설계한다.3.1. 관성 센서를 이용한 각도 검출관성 센서를 이용해서 각도를 추정하는 방법에서많이 사용되는 센서는 각 속도를 측정하는 자이로 센서와 직선 가속도 성분을 검출하는 가속도센서이다. 자이로 센서만으로 각도를 검출 하는 것은 특히 소형 MEMS형 자이로의 경우 각속도의 오차가 누적되는 현상을 가지고, 가속도 센서로 각도를 검출하는 방법은 가속도 센서의 중심이 측정하고자 하는 물체의 회전 중심과 일치하지 않으면 각도 검출에 오차가 발생한다.3.2 최소자승법을 이용한 보정 필터 설계식으로 표현되는 그림2의 필터 계수를 확립하기 위해 그림3의 실험 장비를 사용한다. 그림3의 장비는 회전형 진자 시스템으로 진자(pendulum)와 암(arm)의 연결부위에는자이로센서(InvenSense사의IDG300)와 가속도센서(Freescale사의MMA7260QT)가 부착 되어 있으며, 비교를 위해 회전형엔코더(Autonics사의E30S500)를 장착하였다. 데이터 수집 및 필터 구현을 위해DSP-2812를 프로세서로 사용한다.3.3 각 상태 측정이동거리를 의미하는 로봇의 기울어 지는 각도�熾� 로봇의 요-방향의 회전한 각도와 그 상태의 각 속도이다. 먼저 로봇이 기울어지는 각도는 그림2의 자세 보정 필터를 사용한다. 이 필터는 자이로센서와 가속도 센서를 이용해서 현재의 각도를 추정하며, 본 논문에서는 최소 자승법을 이용해서 식의 보정 필터 계수를 식에 나타내었다. 그리고, 로봇의 기울어지는 각 속도는 자이로센서에서 구한다. 로봇의 이동 거리를 의미하는 각도는 식에서 표현 했듯이 두 바퀴의 회전 각도의평균으로 생각한다. 이때, 두 바퀴의 회전 각도는로봇 몸체의 기울어진 각도와 모터에 내장된 엔코더에서 읽은 각도의 차이로 계산해야 한다. 그리고 로봇의 이동속도는�瓔兌槿臼� 얻는다.4. 선형제어기 설계본 장에서는 2장에서 구한 밸런싱 로봇의 선형동역학 모델을 이용해서 선형 제어기를 설계하고실제 실험 결과를 제시한다. 그 전에 표1에서 실제 본 논문이 다루는 밸런싱 로봇의 파라미터이다. 표1에서�� 그림5의 로봇 형태에 대해 간단히추정하였고, 1차계 시스템으로 표현 할 수 있는모터의 특성을 이용해서 측정하였다. 그리고 나머지 파라미터는 측정하거나 해당 제품의 데이터시트에서 제공되는 수치를 사용하였다.4.1 실험 결과그림5는 본 논문이 대상으로 하는 밸런싱 로봇이다. 그림5에서“1”은 그림2의 자세 추정 필터를구현 하기 위한 자이로 센서(InvenSense 사 의IDG300)와 가속도센서(Freescale사의MMA7260QT)가위치하며, “2”는밸런싱로봇의제어와데이터모니터링을위한DSP-2812 보드와DC 모터드라이버(LMD18200T)가 장착 되어 있다. 밸런싱 로봇을구동하는 DC 모터는 D&J 사의 RB 35 GM-12 TYPE(1/50)이다. 식의�瑛풉誰� 신호�怜だ� 그림 6의 점선과 같이 적절한 시간에�沫맛徨溝돈� 설정한다. 주어진 기준 신호에 대한 로봇 바퀴의 회전 각도인�怜嘯解� 그림에 나타나있다. 이때, 로봇의 기울어진 각도가 그림에 나타나있다. �怜だ� 변한 4초에서 로봇이 상대적으로 크게 흔들리지만 곧 안정화가 되는 것을 확인 할 수 있다. 식의 로봇의 요-방향의 기준신호�瘠ぐ�, 로봇의 요-방향으로의 움직임이 역시 기준 신호를 따라 추적 하고 있음을 나타내었다. 그래프로 나타내지는 않았지만 실험에서, 식의 제어 게인을 식에 적용하여 계산한 제어 입력을 식을 역으로이용하여 계산한 실제 양쪽 모터에 인가한 전압은±�狼司뗌犬뼁【� 인가되고 있었다.
4 조 무선 축구 로봇 동역학 프로젝트 Ⅱ1. 서론 프로젝트 목적 로봇의 구성요소 및 제작과정 2. 본론 모터의 동역학적 해석 기어박스의 동역학적 해석 로봇 다리의 동역학적 해석 3. 결론 느낀점 4. 참고문헌 5. 질의응답 목차 동역학 프로젝트 Ⅱ서론 프로젝트의 목적 ??? 우리가 동역학 시간에 배운 내용들을 활용하여 분석하 go 동역학이 로봇에 어떻게 관련이 있는지 알아보기 무선축구로봇을 만들 때 그 과정들과 작동되는 원리를 살펴보 go 동역학 프로젝트 Ⅱ구성요소 : 모터 , 기어박스 , 건전지케이스 리모컨 , 수신부 , 다리 , 공 , 골대 로드 , 링크 , 고정핀 등 제작과정 동역학 프로젝트 Ⅱ 몸체에 기어박스 연결 다리를 로드와 링크 고정 핀을 사용하여 조립 리모컨케이스에 PCB 기판을 넣어 리모컨 조립 몸체 위에 건전지케이스와 수신부 PCB 기판을 조립하고 부가 부품을 조립주파수를 설정하여 무선 축구 로봇 완성본론 동역학 프로젝트 Ⅱ ? 모터의 동역학적 해석 f : 전하가 받는 힘 (N) q : 전하의 양 (C) v : 움직이는 전하의 속도 (m/s) B : 자기장 (T: 테슬라 ) Φ : 전류와 자기장이 이루는 각 I : 전류 (A) 자기장 내에서 움직이는 전하는 힘을 받는다 . 힘의 크기 는 다음과 같이 계산할 수 있다 . F = qvB sinΦ 또는 F = iB sinΦ 이와 같은 힘으로 모터는 회전하게 되고 모터가 회전함으로 회전력이 기어를 통해 기어박스로 운동에너지 가 전달된다 .동역학 프로젝트 Ⅱ 기어박스 동역학적 해석 이번 로봇에 사용된 기어는 주로 두 축이 평행인 스퍼기어 동력이나 회전의 전달이 확실하다 . 정확한 각속도비 로 전달할 수 있고 , 구조도 비교적 간단하다 . 동력손실도 적고 수명도 길다 . * 그럼 왜 무선축구로봇에 기어박스가 2 개일까 ??? 좌 , 우측으로 회전 할 때 각 기어의 회전력의 차이로 로봇의 좌 , 우측보행을 가능하게 하기 위해서 ?로봇다리 동역학적 해석 2 족 보행 로봇 인간과 유사 인간장비 착용가능 다족 보행 로봇 여러 쌍의 다리로 안정적 다리의 무게부하 감소동역학 프로젝트 Ⅱ 로봇다리 동역학적 해석 로봇다리는 좌 , 우 각각 3 개씩있는데 기어의 회전에 의하여 동시에 각각 링크에 따라서 회전을 하며 지면을 밀어내며 운동을 한다 . 로봇다리를 왜 이렇게 했을까 ??? * 사각형 모양 팔각형 모양 팔각 형 다리보다 뭉툭한 정육면체로 불필요한 마찰을 줄일 수 있다 . * 바퀴 다리 바퀴는 가격이 비싸고 그에 비해 저렴한 가격으로 낼 수 있는 최대의 효율이 다리여서 ? 운동마찰력 Fk = μkN ( μk : 운동 마찰 계수 , N : 수직 항력 )결론 느낀 점 동역학 프로젝트 Ⅱ - 조원들과 직접 무선축구로봇을 만드는 프로젝트를 하게 되어서 로봇키트를 만들며 여러가지 과정을 살펴보았는데 , 단순한 로봇임에도 불구하고 무수한 공학적인 사고방식과 동역학적원리가 포함되는것을 알게되었다 . 동역학이란 과목은 단순한 학문이 아닌 공학에서 가장 기초가되면서 중요한 학문인 것을 알게되었으니 , 단순한 암기가 아닌 원리를 이해할 수있도록 공부해야 겠고 느꼇습니다 . 동역학참고자료 동역학 프로젝트 Ⅱ ◉ DC 모터의 기초 http://www.kyungmintech.com/bbs/skin/ggambo7002_boardgallery/print.php?id=techinfo no=2 http://whatisrc.com.ne.kr/Contents/DCMOTOR.html ◉ 두산 백과 - 기어 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1071248 cid=40942 categoryId=32353 ◉ 최대정지마찰력과 운동마찰력 http://www.dreamcosmos.com/185질 의응답 감 사 합 니 다 동역학 프로젝트 Ⅱ{nameOfApplication=Show}
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