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표제지

목차

Nomenclatures 7

Abstract 15

제1장 서론 18

제2장 물류이송로봇 20

제1절 물류창고 20

1. 물류창고 구조 20

2. 물류흐름 22

3. 문제점 23

4. 이송로봇을 이용한 물류시스템의 제안 24

제2절 이송로봇 28

1. 바퀴형 이동로봇의 구조 28

2. 기존 이송로봇의 문제점 30

3. 제안하는 물류이송로봇 플랫폼 34

제3장 물류이송로봇 플랫폼의 설계 37

제1절 개요 37

제2절 플랫폼의 전체구조 37

제3절 기계부 설계 39

1. 하부 섀시 39

2. 상부 섀시 42

제4절 구동부 설계 44

1. 구동 속도 및 토크 산출 44

2. 구동부 구조 46

3. 구동부 설계 47

제5절 기구부 설계 51

제6절 제어부 설계 55

1. 제어부 55

2. 전원부 58

제4장 물류이송로봇의 해석 59

제1절 FEM 해석 59

제2절 기구학 65

제3절 동역학 68

제5장 물류이송로봇 플랫폼의 개발 72

제1절 부품 선정 72

1. 구동모터 선정 72

2. 구동바퀴 설계 제작 74

3. 타이밍벨트 및 풀리 76

4. 구동축 79

5. 섀시 부품 79

제2절 기계부의 개발 82

1. 하부 섀시 82

2. 상부 섀시 83

제3절 구동부의 개발 86

제4절 제어기 및 자계위치 인식센서 87

제6장 실험 및 고찰 92

제1절 개요 92

제2절 구동부의 특성 실험 93

1. RPM 측정기를 이용한 특성 실험 93

2. 구동부의 엔코더를 이용한 특성 실험 97

3. PID 속도 제어 99

제3절 제자리 회전 실험 100

1. 제자리 회전의 실험환경 100

2. 제자리 회전의 실험결과 100

제4절 체결이송 실험 103

1. 체결이송 실험환경 103

2. 체결이송 실험결과 104

제5절 적재이송 및 최대 주행속도 실험 105

1. 적재이송 및 최대 주행속도의 실험환경 105

2. 적재이송 및 최대 주행속도의 실험결과 107

제6절 자계경로 추적 주행 실험 110

1. 자계경로 추적 주행 실험환경 110

2. 자계경로 추적 주행 실험결과 111

제7절 고찰 114

제7장 결론 118

참고문헌 120

국문초록 125

저자소개 127

표목차

〈표 2-1〉 물류창고의 구조와 업무 내용 20

〈표 2-2〉 바퀴 구조에따른 이동로봇의 분류 29

〈표 2-3〉 표 2-2의 기호 설명 30

〈표 2-4〉 이송로봇의 기본 사양 33

〈표 2-5〉 제안하는 물류이송로봇의 요구조건 36

〈표 3-1〉 하부 섀시의 BOM 41

〈표 3-2〉 상부 섀시의 BOM 43

〈표 3-3〉 요구 조건에 적합한 파라미터 45

〈표 3-4〉 산출된 구동속도 및 토크 46

〈표 3-5〉 구동부의 BOM 50

〈표 5-1〉 계산된 구동모터의 요구 사양 72

〈표 5-2〉 선정된구동모터의 사양 73

〈표 5-3〉 타이밍 벨트의 타입 선정 76

〈표 5-4〉 타이밍 벨트 선정을 위한 파라미터 77

〈표 5-5〉 타이밍 벨트 선정 결과 78

〈표 5-6〉 개발된 물류이송로봇의 사양 91

〈표 6-1〉 RPM 측정 실험의 결과(PWM: 10∼50%) 94

〈표 6-2〉 RPM 측정 실험의결과(PWM: 60∼100%) 95

〈표 6-3〉 듀티 비율에 대한 PWM의 digit 값 97

〈표 6-4〉 자계경로 추적 오차-횡방향 113

〈표 6-5〉 제안한 물류이송로봇의 요구조건 114

〈표 6-6〉 개발된 물류이송로봇의 사양과 비교 115

〈표 6-7〉 제안한 이송로봇과 기존로봇의 특성 117

그림목차

〈그림 2-1〉 물류창고 관리시스템 21

〈그림 2-2〉 물류의 흐름 22

〈그림 2-3〉 물류창고 업무의 과정 23

〈그림 2-4〉 기존 물류창고의 사례 24

〈그림 2-5〉 제안하는 규격화된 물류용 선반 25

〈그림 2-6〉 제안하는 물류창고의 구조 26

〈그림 2-7〉 제안하는 이송로봇의 운용환경 27

〈그림 2-8〉 기존 이송로봇의 대표적인 예 31

〈그림 2-9〉 제안하는 이송로봇의 컨셉 34

〈그림 2-10〉 물류창고에서 물류이송로봇의 이동 환경 35

〈그림 3-1〉 제안하는 물류이송로봇의 구조 37

〈그림 3-2〉 설계된 하부 섀시의 2D 도면 39

〈그림 3-3〉 설계된 하부 섀시의 3D 도면 40

〈그림 3-4〉 설계된 상부 섀시의 3D 도면 42

〈그림 3-5〉 구동부의 구조 46

〈그림 3-6〉 구동부의 기본 구성 47

〈그림 3-7〉 구동바퀴와 회전형 캐스터의 배치 48

〈그림 3-8〉 구동부 3차원 도면 49

〈그림 3-9〉 하부 섀시 및 구동부의 3D 도면 51

〈그림 3-10〉 제어박스의 3차원 도면 52

〈그림 3-11〉 제어박스를 하부섀시에 배치한 3차원 도면 53

〈그림 3-12〉 설계된 물류이송로봇의 3차원 도면 54

〈그림 3-13〉 제안하는 물류이송로봇의 제어기 구조 55

〈그림 3-14〉 구동 제어기의 블럭도 56

〈그림 3-15〉 전체 제어 시스템의 블록도 57

〈그림 3-16〉 전원부의 블록도 58

〈그림 4-1〉 이송로봇의 FEM 해석 조건 60

〈그림 4-2〉 X축 변위에 대한 이송로봇의 FEM 해석 61

〈그림 4-3〉 Y축 변위에 대한 이송로봇의 FEM 해석 62

〈그림 4-4〉 Z축 변위에대한 이송로봇의 FEM 해석 63

〈그림 4-5〉 이송로봇의 FEM 해석 조건 64

〈그림 4-6〉 기준 좌표계와 로봇 좌표계 65

〈그림 4-7〉 물류이송로봇의 기구학 모델 68

〈그림 5-1〉 선정된 구동모터 및 감속기의 포함한 2차원 도면 73

〈그림 5-2〉 제안하는 구동 바퀴의 구조 설계 74

〈그림 5-3〉 구동 바퀴의 2D차원 도면 75

〈그림 5-4〉 고토크 타이밍 풀리 P8M형 78

〈그림 5-5〉 구동축 설계 79

〈그림 5-6〉 섀시에 사용한 알루미늄 프로파일 80

〈그림 5-7〉 알루미늄 프로파일 조립을 위해 사용되는 부품들 81

〈그림 5-8〉 프로파일을 이용하여 개발한 하부 섀시 82

〈그림 5-9〉 하부 섀시의 밑면 83

〈그림 5-10〉 개발된 상부 섀시 84

〈그림 5-11〉 상부 섀시 지지용 프레임 85

〈그림 5-12〉 개발된 구동부 86

〈그림 5-13〉 개발된 제어박스 87

〈그림 5-14〉 하부 섀시에 구성된 제어박스 88

〈그림 5-15〉 배터리 장착 88

〈그림 5-16〉 자계위치센서 89

〈그림 5-17〉 개발된 물류이송로봇 90

〈그림 6-1〉 RPM 측정을 위한 실험 환경 93

〈그림 6-2〉 RPM 측정 실험의 결과(Forward) 96

〈그림 6-3〉 RPM 측정 실험의 결과(Backward) 96

〈그림 6-4〉 엔코더를 이용한 구동바퀴의 속도 측정 결과 98

〈그림 6-5〉 PID를 적용한 구동바퀴의 속도 측정 결과 99

〈그림 6-6〉 물류이송로봇의 제자리회전 실험 환경 100

〈그림 6-7〉 물류이송로봇의 제자리회전 실험 결과 101

〈그림 6-8〉 이동식 선반의 체결이송 실험환경 103

〈그림 6-9〉 이동식 선반의 체결이송 실험결과 104

〈그림 6-10〉 적재이송 및 최대 주행속도의 실험환경 106

〈그림 6-11〉 분동을 적재한 상태로 최대 속도로 주행 : 시작위치에서 촬영 107

〈그림 6-12〉 분동을 적재한 상태로 최대 속도로 주행 : 도착위치에서 촬영 108

〈그림 6-13〉 분동을 적재한 상태로 최대 속도로 주행 : 마스킹테이프 촬영 109

〈그림 6-14〉 자계경로 추적 주행을 위한 실험환경 111

〈그림 6-15〉 자계경로 추적 주행을 위한 실험결과 112

초록보기

 본 논문에서는 기존 물류창고의 문제점을 극복한 물류시스템과 물류이송로봇을 제안하였다. 기존 물류창고의 환경을 분석하여 로봇 플랫폼을 이용한 물류이송에 적합한 물류창고의 환경을 제시하였으며 좁은 이동환경에서 자율주행을 이용한 물류선반의 신속하고 효율적인 이송이 가능한 자계경로 추적 기반의 물류용 선반 체결형 이송로봇플랫폼을 설계 및 개발하였다. 자율주행이 가능하도록 자계경로 추적 기반으로 물류선반을 체결하여 효율적이고 신속한 이송이 가능한 물류이송로봇 플랫폼을 설계 및 개발하였다.

기존 물류창고의 작업자들은 물류창고 내 물류 양의 증가로 인해 이동 공간 부족, 노동력 부족, 업무량의 증가에 대한 문제를 겪고 있다. 문제 해결을 위해 규격화된 물류용 선반과 배치를 통해 이송로봇시스템을 구축하기 위한 환경을 제시하였다. 그리고 제시한 환경에 적합한 이송로봇의 요구조건을 도출하였다.

도출한 이송로봇의 요구조건은 다음과 같다. 폭 1600mm이내의 좁은 통로에서 자유로운 방향 전환이 가능, 최대 300kg 이상의 물류를 적재한 1100mm(W)×1100mm(L) 크기의 이동식 선반 아래로 진입 및 체결하여 이송, 신속하고 효율적인 이송작업을 위한 4km/h 이상의 주행속도, 그리고 자율주행이다. 제안한 물류이송로봇 플랫폼을 구현하기 위한 방법은 다음과 같다.

첫째, 요구조건을 충족시키는 전체구조를 설계하였다. 좁은 통로에서 자유로운 방향 전환을 위한 2바퀴 구동 구조, 플랫폼의 밸런스 안정을 위한 2개의 회전형 캐스터, 리니어 액추에이터를 이용한 도킹부, 플랫폼의 크기를 최소화하기 위한 구동부의 구조, 자계경로 주적 기반의 자율주행을 위한 자계위치 인식센서를 설계하였다.

둘째, 3D 설계 프로그램을 이용하여 각 구성 장치를 상세하게 설계하였다. 가장 기본이 되는 하부 새시, 물류적재를 위한 상부 새시, 체결 이송을 위한 도킹 부, 4km/h 이상의 주행 속도를 구현하기 위한 구동부, 플랫폼의 제어를 위한 제어부와 전원부의 설계의 과정으로 전체 플랫폼을 설계하였다.

셋째, FEM 해석을 통해 설계를 검증하고 물류이송로봇을 위한 기구학과 동역학을 도출하였다. 그리고 플랫폼을 개발하기 위한 부품을 선정하고 설계도를 바탕으로 전체 크기 760mm(W)×900mm(L)×400mm(H)의 물류이송로봇 플랫폼을 개발하였다.

넷째, 개발한 물류이송로봇 플랫폼이 물류이송을 목적으로 구현 가능한지에 대한 검증을 위해 구동모터의 특성 실험, 이동식 선반 체결이송 실험, 고하중 적재이송 실험, 최대 주행속도 실험, 자계위치 인식센서를 이용한 자계경로 추적 실험을 진행하였다. 실험 결과, 먼저 모터 특성을 파악하고 PID제어 기법으로 입력 속도에 대한 출력 속도의 선형성을 향상 시켰다. 다음으로 제자리 회전에 대한 실험으로 1400mm의 원 안에서 벗어나지 않고 회전이 가능함을 확인하였다. 체결이송 실험은 400kg에 해당하는 분동을 적재한 이동식 선반을 체결하여 이송 가능함을 확인하였다. 적재이송 실험과 최대 주행속도 실험은 동시에 하였으며 상부 섀시에 460kg에 해당하는 분동을 적재하고 최고 속도로 주행 가능함을 확인하였으며 이때, 최고 속도는 4.32km/h로 요구 조건을 만족하였다. 마지막으로 임의의 자계경로를 최대 횡방향 오차 4cm 이내로 추적하며 주행함을 확인하였다.

개발된 물류이송로봇은 요구 조건을 모두 만족하며, 기존의 이송로봇보다 물류창고의 좁은 이동 공간에서 물류이송로봇으로 적합함을 검증하였다.

개발된 이송로봇 플랫폼은 물류 운송 또는 이송용 로봇, 산업용 AGV로 적용이 가능하고, 추가적인 모터나 센서 등의 장치를 구성하기 쉬운 플랫폼으로써 범용성에서 다양한 연구가 기대된다.

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