Development and validation of a simulation system and motion strategies for dynamic part manipulation systems

국문 초록 (Abstract)

이 연구에서 부품 처리시스템의 동특성을 위한 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 개발 하였다. 부품 처리시스템은 본질적으로 많은 불연속 동작을 가진 비선형 다이나믹시스 템이다. 그 시스템의 동특성은 물체사이의 기구학적 구속조건식에 의해 결정된다. 그 런데, 이 구속조건식들은 시스템 다이나믹스의 함수로서 변화하며, 특정한 경우를 제 외하고는 예측하기가 어렵다. 개발한 시뮬레이션 프로그램은 여러가지 형태의 기구학 적 구속조건식들의 변화를 자동적으로 예측하고 포착한다. 그리고, 물체들의 외부 윤 곽선을 다이나믹스 해석의 종합적 요소로서 고려하여, 다이나믹 운동 방정식을 자동적 으로 재구성한다. 물체의 윤곽선은 직선 혹은 원호에 의해 표현되어 질 수 있다. 시뮬 레이션 프로그램의 개발을 위해 Rigid Body Mechanics에서의 기본적이고도 중요한 문 제들을 해석하였다. 이 연구는 Rigid Body Mechanics의 틀속에서 Multibody시스템에 대해, 마찰력을 고려한 Impact 현상을 완벽하게 해석하였다. 이 해석 결과를 실험을 통한 양적 비교에 의해 입증하였다. 또한 이 연구는 마찰력을 고려한 미끄럼 동력학에 대한 해석을 제시하고, 그 결과에 근거하여 조직적인 알고리즘을 개발하였다. 개발된 시뮬레이션 프로그램을 동적부품 처리를 위한 Motion Strategy를 계획하기 위한 설계 도구로서 사용하였다. 이 연구는 불확실한 초기 위치를 가진 부품을 특정한 방향으로 정렬시키는 非센서 Motion Strategy를 제시하였다. 이 연구 결과를 바탕으로 하여 유 연 부품 정렬기를 설계, 제작 및 검사하였다. 부품의 동작을 고속 비데오 카메라로 녹 화하였고, 컴퓨터에 의해 영상 처리한 뒤, 시뮬레이션 결과를 묘사하는 애니메이션과 비교하였다. 그 정성적인 비교는 개발된 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램에 의해 설계한 Motion Strategy의 유효성을 입증하였다. 마지막으로, 로보트를 이용한 고속 조립작업 에서의 동특성을 해석하였고, 성공적인 조립 작업을 위한 조건들을 유도하였다. 이 연 구는 미국 과학재단(NSF)에 의해 재정 지원되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This research develops a computer simulation system for the dynamic behavior of part manipulation systems. Part manipulation systems are intrinsically nonlinear dynamic systems with many discontinuous motions. The system dynamics are determined by kinematic constraints between bodies. However, these constraints change as a function of the dynamics and are difficult to predict except for specific cases. The developed simulation system automatically predicts and detects the changes in various types of constraints and then reformulates the dynamic equations of motion, considering the boundary representation of the bodies as an integral component of the dynamic analysis. The simulation system allows the boundaries of bodies to be described by circular arcs as well as straight lines. Through developing the simulation system, fundamental issues in rigid-body mechanics are considered. This research analyzes impact with friction for multibody systems, within the framework of rigid-body mechanics. The analysis is experimentally validated through quantitative comparison. In addition, this research presents a computer-oriented analysis for dynamics of sliding with friction. A general formulation of the dynamics for multiple contacts in multibody systems is suggested. The developed simulation system is used as a design tool to plan motion strategies for dynamic part manipulation. A sensorless motion strategy which succeeds in aligning a part into a specified orientation in the face of uncertainty of the initial configuration of the part is presented. Flexible gravity parts-feeders designed by this work are constructed and tested. The motion of parts is recorded using a video camera, and then compared to the graphical animation results that illustrate the simulated motion of the system. The qualitative comparison validates the motion strategies planned with the aid of the simulation system. Finally, dynamic behavior of high-speed peg-in-hole insertion is analyzed, and conditions for the peg to be guided along the chamfer correctly towards the center of the hole are derived.