[논문 리뷰] Designing, 3D Printing of a Quadruped Robot and Choice of Materials for Fabrication

Akash Maity, Koustav Roy외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 15.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CAD 모델링과 적층 제조(적층성형) 3D 프린팅을 활용한 3D 프린팅 4족 보행 로봇의 설계 및 제작 방법을 제시한다. 재료 성능을 평가한 결과, 3003 알루미늄 합금 다리가 ABS보다 우수한 강도 대 무게 비율, 구조적 안정성 및 고토크 서보 모터와의 호환성을 보이며, 전원 공급 제약에도 불구하고 보행 안정성을 향상시켰다.

ABSTRACT

Purpose-This paper is based on design of a quadruped robot and manufacturing it with 3-D printer followed by its detailed analysis. It focuses on the advantages of additive manufacturing rather than conventional manufacturing techniques and also highlights its limitations. The consequences of choice of different materials for 3-D printing are evaluated in this report. Design/methodology/Approach- The parts were designed in CAD software and made into Stereo lithography files, which were fed into the 3-D printing software. They were printed with the selection of ABS material. Low torque servos were employed in the beginning of the assembly and were controlled with the Arduino Uno micro controller. Findings- The versatility of legged robots require materials with high strength to weight ratio, where 3003 aluminium alloy sheets proved to be a better choice than conventional ABS. The ABS legs buckled under load and proved to be an inferior material choice for fabrication. The aluminium sheet fabricated legs not only imparted structural stability to the robot but also allowed in selection of more powerful servos for added strength.The bot could now achieve significant level of stability. Research Limitations/Implications- The power supply used for powering the bot was of SMPS type of power supply which made it less mobile. Due to the huge demand of current by the high torque servos used later, the power supply became a huge limitation which can be overcome by applying Lithium ion batteries. Practical Implications- The bot can be used for SLAM and autonomous navigation in areas where it is almost impossible for humans to access into. Originality/Value- This paper shows a concrete study on efficacy of quick CAD designing and rapid fabrication.

연구 동기 및 목표

• 빠른 프로토타이핑을 위한 적층 제조 기반의 저비용 및 커스터마이징 가능한 4족 로봇 개발.
• 로봇 다리 구조에서 3D 프린팅된 ABS와 기계가공된 3003 알루미늄 합금의 기계적 성능 비교.
• 재료 선택이 구조적 안정성, 서보 성능 및 전체 로봇 이동성에 미치는 영향 평가.
• 고토크 서보 모터 구동 로봇에서 현재 전원 공급 시스템의 한계 규명.
• 로봇 연구 분야에서 功能성 다리가 있는 로봇을 신속하게 제작하기 위해 3D 프린팅의 가능성 입증.

제안 방법

• 모든 로봇 부품, 즉 다리와 구조 프레임을 CAD 소프트웨어로 설계한 후, 3D 프린팅을 위한 STL 파일로 내보내기.
• 초기 프로토타이핑을 위해 ABS 플라스틱을 사용한 적층성형(Fused Deposition Modeling, FDM) 3D 프린팅을 적용.
• 비교 테스트를 위해 3003 알루미늄 합금 시트를 기계가공하여 다리 부품으로 제작.
• 초기에는 저토크 서보 모터를 사용하고, 이후 고토크 서보 모터를 관절에 통합하여 구동.
• 서보 모터의 동작 제어 및 보행 패tern 조율을 위해 아두이노 유노 마이크로컨트롤러 사용.
• 전원 공급은 SMPS 유닛을 통해 제공되었으며, 고토크 서보 모터의 높은 전류 소모로 인해 이동성 제약 요소로 규명됨.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 로봇 다리에 하중이 작용할 때, 3D 프린팅된 ABS와 기계가공된 알루미늄 합금 간의 구조적 안정성은 어떻게 비교되는가?
• RQ2 재료 선택이 보행 중 4족 로봇의 안정성과 성능에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 동적 서보 구동 조건에서 ABS를 하중 지지 부품에 사용할 경우 기계적 한계는 무엇인가?
• RQ4 고토크 서보 모터의 사용이 전원 공급 요구사항과 시스템 이동성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 적층 제조와 함께 경량이며 고강도 재료를 조합하면 전통적인 3D 프린팅 플라스틱보다 향상된 로봇 기능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 3003 알루미늄 합금 다리는 3D 프린팅된 ABS 다리가 하중을 견디지 못하고 굽어지는 것과는 달리 현저히 높은 구조적 안정성을 보였다.
• 알루미늄 합금 다리는 더 강력한 서보 모터 사용을 가능하게 하여 보행 안정성과 성능 향상을 이끌어냈다.
• ABS 재료는 낮은 항복 강도로 인해 하중 지지 응용 분야에 부적합하여 작동 중 기계적 고장이 발생했다.
• 고토크 서보 모터의 높은 전류 소모로 인해 SMPS 전원 공급 장치가 주요 제약 요소로 규명되었으며, 이는 이동성 제한을 초래했다.
• 재료 선택은 3D 프린팅된 로봇 시스템의 기계적 성능과 신뢰성 결정에 핵심적인 요소임을 확인하였다.
• 빠른 CAD 설계와 3D 프린팅의 통합은 빠른 프로토타이핑을 가능하게 하지만, 기능적 구현을 위해서는 재료 특성을 철저히 평가해야 한다.