[논문 리뷰] Design, Modelling and Validation of a Novel Extra Slender Continuum Robot for In-situ Inspection and Repair in Aeroengine

Mingfeng Wang, Xin Dong외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 09.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 21인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 항공기 엔진 연소실 내에서 현장 점검 및 수리를 위한 새로운 16자유도, 초박공(지름 대 길이 비율 <0.02) 이단 테이던드라이브 연속로봇을 제안한다. 기울인 디스크, 고강성-유연성 조인트, 2-자유도 단위당 3개의 케이블 구동 방식을 통합하여 정밀한 형태 제어와 선택적 스태티크스를 가능하게 하였으며, 조각상 일정 곡률 운동학 모델과 각도에 의존하는 마찰을 고려한 킬레프트-탄성봉 정적 모델을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

In-situ aeroengine maintenance works are highly beneficial as it can significantly reduce the current maintenance cycle which is extensive and costly due to the disassembly requirement of engines from aircrafts. However, navigating in/out via inspection ports and performing multi-axis movements with end-effectors in constrained environments (e.g. combustion chamber) are fairly challenging. A novel extra-slender (diameter-to-length ratio &lt;0.02) dual-stage continuum robot (16 degree-of-freedom) is proposed to navigate in/out confined environments and perform required configuration shapes for further repair operations. Firstly, the robot design presents several innovative mechatronic solutions: (i) dual-stage tendon-driven structure with bevelled disks to perform required shapes and to provide selective stiffness for carrying high payloads; (ii) various rigid-compliant combined joints to enable different flexibility and stiffness in each stage; (iii) three commanding cables for each 2-DoF section to minimise the number of actuators with precise actuations. Secondly, a segment-scaled piecewise-constant-curvature-theory based kinematic model and a Kirchhoff-elastic-rod-theory based static model are established by considering the applied forces/moments (friction, actuation, gravity and external load), where the friction coefficient is modelled as a function of bending angle. Finally, experiments were carried out to validate the proposed static modelling and to evaluate the robot capabilities of performing the predefined shape and stiffness.

연구 동기 및 목표

• 엔진을 완전히 분해하지 않고도 항공기 엔진 내에서 현장 점검 및 수리를 수행하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 협소한 점검 포트를 통과하여 제한된 공간 내에서 복잡한 구성을 이루는 데 가능한 로봇을 설계하기 위해.
• 혁신적인 메카트로닉 설계를 통해 선택적 스태티크스와 높은 하중 용량을 실현하기 위해.
• 마찰, 구동력, 중력, 외부 하중를 고려한 정확한 운동학 및 정적 모델을 개발하기 위해.
• 실험적 테스트를 통해 형태 정확도와 스태티크스 제어 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 기울인 디스크를 갖춘 이단 테이던드라이브 구조는 정밀한 형태 형성과 선택적 스태티크스를 가능하게 하여 고하중 용량을 실현한다.
• 고강성-유연성 병합 조인트는 로봇의 다양한 단계에서 변형성과 스태티크스를 조절 가능하게 한다.
• 2-자유도 단위당 3개의 제어 케이블은 액추에이터 수를 줄이면서도 정밀한 구동을 보장한다.
• 세그먼트 스케일링된 조각상 일정 곡률 이론 기반 운동학 모델은 액추에이터 작용에 따른 로봇 구성 예측을 가능하게 한다.
• 킬레프트-탄성봉 이론 기반 정적 모델은 적용된 힘(마찰, 액추에이터력, 중력, 외부 하중)을 포함하며, 마찰 계수는 굽힘 각도의 함수로 모델링된다.
• 실험을 통해 정적 모델의 정확성을 검증하고, 정의된 형태와 스태티크스 수준을 달성할 수 있는 능력을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 연속로봇이 초협소한 항공기 엔진 환경에서 높은 기민성과 하중 용량을 동시에 확보할 수 있는가?
• RQ2 변형 곡률을 가진 초박공 다중 세그먼트 연속로봇의 구성 예측에 정확한 운동학 모델은 무엇인가?
• RQ3 이러한 로봇에서 마찰은 굽힘 각도에 따라 어떻게 변화하며, 정확도 향상을 위해 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ4 최소한의 액추에이터를 갖춘 테이던드라이브 설계가 16-DOF 시스템에서 정밀한 형태 제어와 선택적 스태티크스를 달성할 수 있는가?
• RQ5 제안된 정적 모델은 복합 하중 조건 하에서 실제 로봇 거동을 어느 정도 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 로봇은 협소한 엔진 통로를 성공적으로 통과하여 높은 반복성으로 정의된 복잡한 구성을 구현하였다.
• 조각상 일정 곡률 운동학 모델은 실험 데이터와의 최소한의 편차로 로봇 형태를 정확히 예측하였다.
• 각도에 의존하는 마찰을 포함한 킬레프트-탄성봉 정적 모델은 실험적 힘-변위 측정치와 강한 일치를 보였다.
• 기계적 설계를 통해 선택적 스태티크스를 달성하여 수리 작업 중 안정적인 하중 처리가 가능했다.
• 실험적 검증을 통해 모델이 다양한 하중 조건 하에서 형태 및 스태티크스 예측 정확도를 확인하였다.
• 2-자유도 단위당 3개의 케이블 구동 방식은 액추에이터 수를 효과적으로 줄였으며, 정밀 제어와 동적 반응성을 유지하였다.