Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society (한국산학기술학회논문지)

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Design Optimization Method of Inertial Parameters of Serial Manipulators for Improving the Energy Efficiency

에너지 효율 향상을 위한 직렬형 머니퓰레이터의 관성 파라미터 설계 최적화 방법

  • 황순웅 (한양대학교 메카트로닉스공학과) ;
  • 김현국 (한양대학교 메카트로닉스공학과) ;
  • 최윤성 (한양대학교 기계공학과) ;
  • 신규식 (한양대학교 로봇공학과) ;
  • 한창수 (한양대학교 로봇공학과)
  • Received : 2016.10.10
  • Accepted : 2016.11.10
  • Published : 2016.11.30
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Abstract

This paper presents a design methodology for improving the energy efficiency by considering the inertial properties of serial manipulators. This method employed is to put the inertia matrix, which has a critical effect on the equation of motion, into the constraints of the optimization problem. Through the optimization process, we propose a design algorithm that can double-check whether the optimized parameters satisfy the required performance or not by using an auxiliary index associated with the inertia and energy. Using this design algorithm, we were able to improve the energy efficiency by minimizing the torque. We applied this method to a 3 degrees of freedom serial manipulator and simulated it.

이 논문은 직렬형 머니퓰레이터의 관성 성질을 고려하여 에너지 효율을 향상 시키기 위한 설계 방법에 대해 논하였다. 이 방법은 운동방정식에 가장 많은 영향을 끼치는 관성 행렬을 분석하여 최적화 문제의 구속 조건에 대입하는 방식이다. 이를 위해, 첫 번째로 초기에 설계된 머니퓰레이터에 대한 동적 모델링을 도출하고 여기서 표현되는 관성 행렬의 특성을 분석한다. 두 번째로 분석된 관성 행렬의 변화 정도를 정량화하는 지표를 정의하여 구속 조건과 설계 파라미터의 경계조건을 설정하였다. 마지막으로 토크를 목적 함수로 정하고 앞서 정의된 구속 조건과 경계조건을 통하여 최적화를 수행한다. 또한, 목적 함수 외에 관성, 에너지 및 질량에 관련된 보조 지표를 정의하고 최적화된 파라미터가 요구성능을 만족하는지 다시 한번 확인하는 과정을 거치는 설계 알고리즘을 제안하였다. 제안한 설계 알고리즘의 수행 결과로 토크 최소화를 통하여 에너지 효율이 향상되었으며, 제안된 방법을 공간상의3 자유도 직렬 머니퓰레이터에 시뮬레이션 테스트 하였다. 이 설계 알고리즘은 일반적으로n 자유도를 가지는 머니퓰레이터에도 적용이 가능하다.

Keywords

References

  1. X. J. Liu and J. Wang, "Performance atlases and optimum design of planar 5R symmetrical parallel mechanisms," Mechanism and Machine Theory, vol. 41, no. 2, pp. 119-144, 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2005.05.004
  2. B. K. Rout and R. K. Mittal, "Screening of factors influencing the performance of manipulator using combined array design of experiment approach," Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, vol. 25, no. 3, pp. 651-666, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.rcim.2008.05.004
  3. J. R. Singh and J. Rastegar, "Optimal Synthesis of Robot Manipulators Based on Global Kinematic Parameters," Mechanism and Machine Theory, vol. 30, no. 4, pp. 569-580, 1995. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0094-114X(94)00051-L
  4. B. K. Rout, R. K. Mittal, "Parametric Design Optimization of 2-DOF R-R Planar Manipulator-A design of experimental approach," Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, vol. 24, no. 2, pp. 239-248, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.rcim.2006.10.008
  5. S. Kucuk and Z. Bingul, "Comparative study of performance indices for fundamental robot manipulators," Robotics and Autonomous Systems, vol. 54, no. 7, pp. 567-573, 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.robot.2006.04.002
  6. S. Kucuk and Z. Bingul, "Link mass optimization of serial robot manipulators using genetic algorithm," Lecture Notes in Computer Science, vol. 4251, pp. 138-144, 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/11892960_17
  7. F. A. Lara-Molina, J. M. Rosario and D. Dumur, "Multi-Objective Optimization of Stewart-Gough Manipulator Using Global Indices," IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, pp. 79-85, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/aim.2011.6026996
  8. T. Yoshikawa, "Manipulability of Robotic Mechanisms," The International Journal of Robotics Research, vol. 4, no. 2, pp. 3-9, 1985. DOI: http://dx.doi.org/10.1177/027836498500400201
  9. J. P. Merlet, "Jacobian, Manipulability, Condition Number, and Accuracy of Parallel Robots," Journal of Mechanical Design, vol. 128, no. 1, pp. 199-206, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.1115/1.2121740
  10. T. Yoshikawa, "Dynamic Manipulability of Robot Manipulators," IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol 2. pp. 1033-1038, 1985. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/robot.1985.1087277
  11. O. Ma and J. Angeles, "The concept of dynamic isotropy and its applications to inverse kinematics and trajectory planning," IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 48-486, 1990. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/ROBOT.1990.126024
  12. J. L. Pons, R. Ceres, A. R. Jimenez, L. Calderon and J. M. Martin, "Nonlinear Performance Index (npi): A Tool for Manipulator Dynamics Improvement," Journal of Intelligent and Robotic Systems, vol. 18, no. 3, pp. 277-287, 1997. DOI: http://dx.doi.org/10.1023/A:1007902913510
  13. T. A. Loduha and B. Ravani, "On First-Order Decoupling of Equation of Motion for Constrained Dynamical Systems," Journal of Applied Mechanics, vol. 62, no. 1, pp. 216-222, 1995. DOI: http://dx.doi.org/10.1115/1.2895905
  14. P. Herman, "Dynamical coupling reduction for rigid manipulators using generalized velocity components," Mechanics Research Communications, vol. 35, no. 8, pp. 553-561, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.mechrescom.2008.06.005