[논문 리뷰] Kinematic and Dynamic Analysis of the 2-DOF Spherical Wrist of Orthoglide 5-axis

Raza Ur-Rehman, Stéphane Caro외 2명|ArXiv.org|2009. 04. 01.

Robotic Mechanisms and Dynamics참고 문헌 17인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 오르othoglide 5축 머신툴의 2-DOF 구면 허리에 대한 종합적인 운동학적 및 역학적 분석을 제시한다. 이는 델타 유형의 3-DOF 평행 이송 매니퓰레이터와 구면 허리를 결합한 평행 운동학 기구이다. CAD에서 유도된 기하학적 및 관성 파라미터를 사용하여 다양한 궤적,切削력 및 공구 길이 조건 하에서 성능을 평가하며, 역학적 궤적에 필요한 토크와 속도를 바탕으로 최초의 액추에이터 선택을 내리게 된다.

ABSTRACT

This paper deals with the kinematics and dynamics of a two degree of freedom spherical manipulator, the wrist of Orthoglide 5-axis. The latter is a parallel kinematics machine composed of two manipulators: i) the Orthoglide 3-axis; a three-dof translational parallel manipulator that belongs to the family of Delta robots, and ii) the Agile eye; a two-dof parallel spherical wrist. The geometric and inertial parameters used in the model are determined by means of a CAD software. The performance of the spherical wrist is emphasized by means of several test trajectories. The effects of machining and/or cutting forces and the length of the cutting tool on the dynamic performance of the wrist are also analyzed. Finally, a preliminary selection of the motors is proposed from the velocities and torques required by the actuators to carry out the test trajectories.

연구 동기 및 목표

• 오르othoglide 5축 머신툴 내 2-DOF 구면 허리의 운동학적 및 역학적 거동 분석
• 절삭력 및 다양한 공구 길이를 포함한 현실적인 가공 조건에서 허리의 성능 평가
• CAD 소프트웨어를 이용한 허리의 기하학적 및 관성 파라미터 도출을 통한 정확한 모델링
• 역학적 하중 조건 하에서 정의된 테스트 궤적을 실행하기 위한 액추에이터 요구사항(토크 및 속도) 규명
• 허리 기구의 동적 성능 요구사항을 바탕으로 최초의 모터 선택 지원

제안 방법

• CAD 소프트웨어에서 추출한 정밀한 기하학적 및 관성 파라미터를 사용하여 구면 허리 모델링
• 끝부분의 위치, 속도 및 가속도를 결정하기 위해 정방향 및 역방향 운동학 분석 수행
• 다양한 테스트 궤적 하에서 액추에이터 토크 및 힘을 계산하기 위해 동역학 모델링 적용
• 외부 절삭력 및 공구 길이 변화가 허리 동역학에 미치는 영향 시뮬레이션
• 다양한 테스트 궤적을 통해 작업공간, 기민성 및 동적 반응 평가
• 결과를 바탕으로 액추에이터 출력 요구량 추정하여 최초의 모터 선택 가능

실험 결과

연구 질문

• RQ1 절삭력과 공구 길이는 2-DOF 구면 허리의 동적 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 정의된 테스트 궤적을 정확히 따라가기 위해 필요한 액추에이터 토크 및 속도는 무엇인가?
• RQ3 허리의 운동학적 구조는 기민성 및 작업공간 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기하학적 및 관성 파라미터의 정확도는 동역학 모델링 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실시간 제어 및 머신툴 통합을 위해 액추에이터 요구량을 어떻게 추정할 수 있는가?

주요 결과

• 허리의 동적 성능은 절삭력과 절삭 공구 길이의 영향을 크게 받는다.
• 궤적에 따라 달라지는 액추에이터 토크 및 속도가 계산되어 적합한 모터의 최초 선택이 가능해졌다.
• CAD에서 유도된 기하학적 및 관성 파라미터 덕분에 허리의 정확한 운동학적 및 동역학적 모델링이 가능했다.
• 테스트 궤적을 통한 성능 평가에서 고력 조건에서 특히 동적 하중의 변동이 확인되었다.
• 정밀 가공을 위한 액추에이터 크기 결정 시 공구 길이 및 외부 힘을 고려해야 한다는 것이 입증되었다.
• 동역학 모델은 오르othoglide 5축 머신툴의 제어 시스템 설계 및 실시간 성능 최적화의 기초를 제공한다.