단순한 조작만으로 구동기구 결합 및 분리 가능!

무인로봇의 구동기구 결합을 위한 퀵 커플러 설계

일반적으로 퀵 커플러는 중장비의 암에 버킷과 같은 어태치먼트를 작업용도에 맞게 쉽게 교체하여 사용할 수 있도록 하기 위한 결합장치로 활용된다. 본문은 무인로봇의 다양한 구동기구 또는 장치의 결합 및 분리를 가능하게 하는 퀵 커플러를 제안하고, 퀵 커플러의 설계형상 및 구현 가능성을 검증해본다.

1. 서론
최근 실용적인 목적을 위해 다양한 무인로봇이 개발되고 있으며, 감시정찰, 탐사, 오염물 제거, 폭발물 처리 등 실제 현장에서 활용하기 위하여 지속적으로 성능이 개선되고 있다. 이러한 무인로봇이 목적에 맞는 작업을 효과적으로 수행하기 위해서는 운용환경에 적합한 주행메커니즘을 적용해 기동성을 확보해야 하고, 필요 시 부가적인 장치의 장착을 통해 작업 특성에 맞는 기능을 구현하여야 한다.

무인로봇의 대표적인 예로 UGV(Unmanned Ground Vehicle)가 있으며 Fig. 1의 320 SUGV, Dragon Runner 등이 널리 알려져 있다. 이러한 무인로봇은 다양한 구동장치 및 센서의 장착이 가능한 플랫폼을 기반으로 설계됐으며, 이를 통해 하나의 플랫폼으로 보다 다양한 용도의 활용이 가능하다.

Fig. 1의 Dragon Runner의 경우 휠, 트랙 등의 구동기구를 비롯해 다양한 장치의 결합을 지원하며 이를 통해 운용목적에 적합한 주행 메커니즘 및 기능을 선택하여 구성할 수 있다. 본문에서는 이러한 무인로봇의 다양한 구동기구 또는 장치의 결합 및 분리를 가능하게 할 수 있는 퀵 커플러를 제안하고자 한다. 일반적으로 퀵 커플러는 중장비의 암(Arm)에 버킷(Bucket)과 같은 어태치먼트(Attachment)를 작업용도에 맞게 쉽게 교체하여 사용할 수 있도록 하기 위한 결합장치로 활용되며, 제안하는 퀵 커플러에도 이와 동일한 개념을 적용했다.

2. 퀵 커플러의 형상 설계
본문에서 제안하는 퀵 커플러는 부가적인 장비의 의존성 없이 사용자의 단순한 조작을 통해 구동기구의 결합 및 분리가 가능한 형상이 고려됐다. 설계형상은 Fig. 2와 같으며 구동기구는 퀵 커플러의 플랜지(Flange)에 체결되어 퀵 커플러와 구동축(Drive Shaft) 결합 시 동력을 구동 기구에 전달한다. 퀵 커플러와 구동축은 원터치로 결합되며, 분리는 회전, 누름의 단순한 조작을 통해 가능하다.

이 퀵 커플러는 Fig. 3과 같이 2쌍의 4절 링크가 공유된 슬라이더(Slider)에 대해 대칭으로 배치된 형상이며 핑거링크(Finger)의 탄성변형을 가정했다. 이러한 구성은 핀조인트 A가 토글 위치를 지나 핑거링크의 물림상태를 유지하며, 퀵 커플러와 구동축의 결합을 가능하게 한다.

Fig. 3의 기구 구성에 기반한 퀵 커플러의 결합 및 분리 과정은 다음과 같다.
퀵 커플러와 구동축의 결합은 락버튼(Lock Button)에 작용하는 외력(FE)에 의해 이루진다. 가해진 외력 FE는 부유링크(Floating Link)를 통해 핀조인트 B, B′에 작용한다. 이때 핑거팁(Fingertip)과 구동축이 접촉된 상태이면 핑거링크는 탄성변형하며, 핀조인트 A가 토글 위치 T에 근접하게 된다. 전달각은 초기의 값보다 증가하여 90도에 이르며, 핀조인트 A는 토글 위치를 지나 슬라이더의 제한된 슬라이딩 궤도에 의해 고정되고, 핑거링크와 구동축은 물림상태가 된다.

이 상태에서 퀵 커플러와 구동축을 분리하기 위한 두 가지 방법은 다음과 같다.
첫 번째 방법은 락버튼에 외력을 가하여 핀조인트 A가 다시 토글 위치를 지나도록 하는 것이다. 두 번째 방법은 슬라이더의 궤도 제한을 해제하여 핀조인트 A를 토글 위치와 멀어지는 방향으로 이동시키는 것이다. 첫 번째 방법의 경우 핑거링크의 탄성변형을 위한 외력(-FE)을 가해야 하므로 조작 편의성을 위해 두 번째 방법을 제안된 퀵 커플러에 적용했다. 퀵 커플러는 핀조인트 A의 토글을 통해 물림상태가 이루어져야 구동축과 안정적으로 결합되며, 이에 대한 검증을 위해 RecurDyn 통한 MFBD(Multi Flexible Body Dynamics) 해석을 수행했다.

3. RecurDyn을 통한 시뮬레이션
퀵 커플러의 MFBD(Multi Flexible Body Dynamics) 해석을 위해 RecurDyn의 FFlex 솔버를 사용했다. 핑거링크는 탄성변형을 위해 유연체로 가정했고, 이외의 링크는 강체로 가정하여 핀조인트 A의 변위(10㎜) 및 이에 따른 핀조인트 B에 작용하는 저항력(FR)을 확인했다. 해석 결과 Fig. 4와 같이 핀조인트 A는 핑거링크를 탄성 변형시키며 토글 위치를 지나 슬라이더의 궤도제한에 의해 정지한 후 물림상태를 유지했다.

4. 결론
본문에서는 무인로봇의 다양한 구동기구 활용을 가능하게 할 수 있는 퀵 커플러를 제안했다. 4절 링크에 기반한 퀵 커플러는 토글 위치의 조절을 통해 결합 및 분리가 가능하며, RecurDyn의 MFBD 해석을 통해 구현 가능성을 검증했다.

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