Development of two-DOF simultaneous gravity compensator for mobile manipulator

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With advancements in mobility technology, robots equipped with manipulators on mobile platforms have been gaining attention for providing diverse solutions in both industrial and everyday applications. These robotic systems perform complex tasks by leveraging additional degrees of freedom (DOF) and expanded workspaces, undertaking missions such as exploration, rescue, and service delivery in environments that are difficult for humans to access. However, the limited payload capacity and battery life of mobile platforms necessitate manipulator designs that simultaneously achieve lightweight, energy efficiency, and compactness. To address these challenges, previous research has focused on gravity compensators, which enable robots to maintain performance levels similar to existing systems while utilizing low-capacity motors. A gravity compensator is a mechanism that mechanically offsets the gravitational torque caused by the weight of manipulator links, and its design can vary depending on the mechanical components used to compress the spring. Although various types of gravity compensators have been developed, improvements in spatial efficiency and durability are still required, necessitating the development of novel gravity compensator concepts to address these challenges.
This study developed a two-DOF simultaneous gravity compensator capable of compensating for gravity torques acting on two consecutive pitch joints within a single link. This mechanism was designed based on a spring and slider-crank mechanism and has been applied to the six-DOF mobile manipulator SiGMA to simultaneously compensate for the gravity torque of the shoulder and elbow pitch joints.
The experimental results demonstrated that the mechanism not only compensated for the weight of the links without relying on motor torque but also achieved a high torque compensation rate of 71.58% and a power reduction rate of 32.23% across the full angular range of the two joints. Furthermore, ground angle response, repeatability, and platform integration experiments validated its potential for practical applications. Consequently, the two-DOF simultaneous gravity compensator proposed in this study enables the design of manipulator platforms that achieve lightweight structures, compactness, and energy efficiency, thereby verifying its suitability.

국문 초록 (Abstract)

모빌리티 기술의 발전으로 이동성 플랫폼에 매니퓰레이터를 탑재한 로봇이 산업 및 일상 생활에서 다양한 솔루션을 제공하며 주목받고 있다. 이러한 로봇 시스템은 추가적인 자유도와 확장된 작업 영역을 통해 복잡한 작업을 수행할 수 있으며, 인간이 접근하기 어려운 환경에서 탐사, 구조, 서비스 제공 등의 임무를 수행한다. 그러나 이동성 플랫폼은 제한된 페이로드와 배터리 용량으로 인해 매니퓰레이터의 경량화, 에너지 효율, 컴팩트함을 동시에 충족하는 설계가 필요하다. 이를 해결하기 위해 중력보상장치에 대한 연구가 선행되어 왔으며, 이를 로봇에 탑재함으로써 저용량 모터를 사용하면서도 기존과 유사한 성능을 제공할 수 있다. 중력보상장치는 매니퓰레이터 링크의 자중에 의한 중력 토크를 기구적으로 상쇄하는 메커니즘으로, 스프링을 압축하는 기구적 요소에 따라 다양한 형태로 설계될 수 있다. 그러나 기존의 중력보상장치는 공간 효율성과 내구성 측면에서 개선이 필요하며, 이를 해결할 새로운 개념의 중력보상장치 개발이 요구된다.
본 연구에서는 단일 링크 내에서 두 개의 연속된 피치 관절에 작용하는 중력 토크를 동시에 보상할 수 있는 2자유도 동시 중력보상장치를 개발하였다. 이 메커니즘은 스프링과 슬라이더 크랭크 메커니즘을 기반으로 설계되었으며, 6자유도 모바일 매니퓰레이터 SiGMA에 적용되어 어깨와 팔꿈치 피치 관절의 중력 토크를 동시에 보상한다.
본 연구에서 개발된 플랫폼을 대상으로 실험을 진행한 결과, 모터 토크 없이도 링크의 자중을 보상할 뿐만 아니라 2자유도 동시 중력보상 실험에서 71.58%의 토크 보상률과 32.23%의 전력 감소율을 보였다. 또한 지면각 대응, 반복정밀도, 플랫폼 통합 실험을 통해 실제 응용 가능성을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제안한 two DOF 동시 중력보상장치는 매니퓰레이터의 경량화, 컴팩트함, 에너지 효율을 동시에 만족하는 플랫폼 설계를 가능하게 하였고 그 적합성을 입증하였다.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables 2
• List of Figures 3
• Abstract 7
• 1 Introduction 9
• 1.1 Background and Motivation 9
• 1.2 Previous Research 13
• 1.2.1 Single-DOF Gravity Compensator 13
• 1.2.2 Multi-DOF Simultaneous Gravity Compensator 18
• 1.3 Research Objectives 20
• 2 Two-DOF Simultaneous Gravity Compensator 22
• 2.1 Introduction 22
• 2.2 Slider-Crank based Gravity Compensator 23
• 2.3 Two-DOF Simultaneous Gravity Compensator 31
• 2.3.1 Mechanism Configuration 31
• 2.3.2 Mechanism Analysis 39
• 2.4 Summary 44
• 3 Manipulator Design 45
• 3.1 Introduction 45
• 3.2 Robot Specification 46
• 3.3 Conceptual Design 48
• 3.4 Detail Design and Prototype Development 55
• 3.4.1 Shoulder Assembly(Joint1, Joint2, Joint3) 62
• 3.4.2 Wrist Assembly(Joint4, Joint5, Joint6) 70
• 3.4.3 SiGMA Full Assembly 73
• 3.5 Summary 76
• 4 Experimental Results 77
• 4.1 Introduction 77
• 4.2 Experiments 78
• 4.2.1 Link Weight Compensation 79
• 4.2.2 Single-DOF Compensation 82
• 4.2.3 Two-DOF Simultaneous Compensation 87
• 4.2.4 Ground Angle Response 93
• 4.2.5 Repeatability 96
• 4.2.6 Platform Integration 98
• 4.3 Summary 100
• 5 Conclusion 101
• Bibliography 103
• 초록 107