편집-krs_07_0009 (final).hwp

Size: px

Start display at page:

Download "편집-krs_07_0009 (final).hwp"

진희 추
6 years ago
Views:

1 미세작업을위한마이크로 - 나노로봇개발 1 미세작업을위한마이크로 - 나노로봇개발 The Development of High Precision Manipulator and Micro Gripper 이종배 1 박창우 김봉석 2 박준식 3 성하경 4 Jong bae Lee 1 Chang Woo Park Bong Seok Kim 2 Jun Sik Park 3 Ha Gyeong Sung 4 Abstract In this paper, a robotic system which consists of a precision manipulator and a micro gripper for a micro system assembly is presented. By the experiment, we proved that the developed the system gives acceptable performance when minute operations. Developed the micro-nano robot is actuated by newly proposed modular revolute and prismatic actuators. As an end-effector of this system, micro gripper is designed and fabricated with MEMS technology and the displacement of jaw is up to micro meter. We think that new robot system will be appropriate for micro system assembly tasks and life science application Keywords : MEMS, Piezo actuator, Piezoelectric micro gripper, In-plane, Out-plane 1. 서론 1) 마이크로-나노로봇은일반적으로마이크로또는나노미터정도의크기를갖는극소형로봇또는고정밀도를갖는매크로로봇 (macro robot) 을말한다. 사람의혈관을따라이동할수있을정도의극소형로봇은현재연구초기단계로, 에너지원이나구동, 제어에있어해결해야할문제가아직많이남아있다. 이에비해고정밀도를갖는매크로로봇은마이크로미터에서나노미터수준까지의정밀도를갖는초정밀로봇으로, 마이크로스텝모터, 보이스코일모터, 압전소자등에의해구동되는산업용로봇의일종이다. 그림 1은초정밀로봇의응용가능분야로, 바이오분야나미세가공분야에서응용이확대될것으로기대되고있다 [1][2][3]. 초정밀로봇에있어작업에필요한정밀도를갖도록하는 교신저자 : 전자부품연구원지능메카트로닉스연구센터선임연구원 1 전자부품연구원지능메카트로닉스연구센터수석연구원 2 전자부품연구원지능메카트로닉스연구센터전임연구원 3 전자부품연구원나노메카트로닉스연구센터수석연구원 4 전자부품연구원지능메카트로닉스연구센터센터장 것이중요한데, 대표적인작업대상의물리적인크기는그림 2에서비교하였다. 초정밀로봇중에서마이크로미터내외의정밀도를갖는매니퓰레이터는바이오용으로마이크로스텝모터기술을사용한제품들이 Narishige, Sutter, RI 등의회사에서시판되고있으며나노미터정밀도를갖는로봇은 Kleindiek 등의회사에서반도체테스트를포함한다목적용으로개발하여판매하고있다. 본연구에서는압전소자를이용하여마이크로미터이하의정밀도를가지며, 클린룸과같이공간적으로제한된환경에서작업하는데유리한소형의로봇매니퓰레이터 (manipulator) 와그끝에부착하여사용할수있는마이크로그리퍼를개발한다. 로봇매니퓰레이터에있어서, 압전소자의단점인작은행정거리를극복하기위해행정거리확대메커니즘에의한직선형과회전형구동모듈을개발하고, 각구동모듈을결합하여매니퓰레이터를구성할수있도록한다. 마이크로그리퍼는작업에적합한형상의그리퍼를저가로생산할수있도록 MEMS 기술을사용하여 4종류의마이크로그리퍼를제작하고특성을평가한다.

의구동기모듈을개발하고각각의조합에의해매니퓰레이터를구성하도록하였다. 그림 1. 마이크로나노로봇의응용분야 2.

1에서는충분한스트로크를가지며추력이큰구조인인치웜방법으로샤프트를구동시키는구조를채택하였다 [4].

두번째선형구동기인 P-Type 2 는 2개의압전소자를이용하였는데, 압전소자를조동 (Coarse)

운동구현을위해두개의압전소자에 sin파와 cos파를입력하여마찰점을움직인다. 그림 2.

초정밀로봇시스템 로봇 제작사 용도 Sutter ( 미 ) 바이오실험용 MMI ( 스위스 ) 바이오실험용

압전소자는크기가작고나노미터수준의정밀도를얻을수있는반면, 행정거리가짧아기구적으로행정거리를확대할필요가있다.

선형구동기구조체의중심부에는알루미나재질의구가고정되어이동자와접촉을하도록한다. 2.1.

2 2 로봇공학회논문지제 2 권제 1 호 (2007.3) 는선형 2종 (P-type 1,2) 과회전형 2종 (R-type 1,2) 의구동기모듈을개발하고각각의조합에의해매니퓰레이터를구성하도록하였다. 그림 1. 마이크로나노로봇의응용분야 개별화선형구동기머니퓰레이터의작업범위를넓히기위해서, 첫번째선형구동기모델인 P-TYPE 1에서는충분한스트로크를가지며추력이큰구조인인치웜방법으로샤프트를구동시키는구조를채택하였다 [4]. 직선구동부분은샤프트를고정시키는부분과고정부분사이의거리를늘려주는부분으로구성되어있다. 두번째선형구동기인 P-Type 2 는 2개의압전소자를이용하였는데, 압전소자를조동 (Coarse) 운동에서는초음파구동방식을이용하고미동 (fine) 운동에서는압전소자의변위를제어하여정밀도를구현하였다. 운동구현을위해두개의압전소자에 sin파와 cos파를입력하여마찰점을움직인다. 그림 2. 대상물체의크기비교 표 1. 초정밀로봇시스템 로봇 제작사 용도 Sutter ( 미 ) 바이오실험용 MMI ( 스위스 ) 바이오실험용 RI ( 미 ) 바이오실험용 Kleindiek ( 독 ) 반도체용 2. 초정밀매니퓰레이터및마이크로그리퍼 2.1 초정밀매니퓰레이터초정밀매니퓰레이터는압전소자에의한구동방식을채택하였는데, 압전소자는크기가작고나노미터수준의정밀도를얻을수있는반면, 행정거리가짧아기구적으로행정거리를확대할필요가있다. 본연구에서 P-type 1 P-type 2 그림 3. 선형구동기구조체의중심부에는알루미나재질의구가고정되어이동자와접촉을하도록한다 회전형구동기회전형구동기는일정범위이상의구동범위를가지며정밀한회전운동이가능한구조가되어야한다. 이를위해서전단변형을하는압전소자와인장변형을하는압전소자를사용하여정밀한회전운동이가능한회전구조를구현하였다. 첫번째회전형모델 R-type 1은그림 4와같이베이스, 압전세라믹, 회전판으로구성되어있으며, 베이스에 120도간격으로배치된압전소자에전압이가해지게되면압전소자에전단변형이발생하면서회전판을밀어주게된다. 입력전압을순간적으로 0V로낮추게되면압전소자는원래모습으로복원을하게되지만, 압전소자위에서회전을발생한구동체는관성력에의해회전한위치에정지하게된다. 이러한과정을반복하게되면구동체는회전운동을하게된다.

미세작업을위한마이크로 - 나노로봇개발 3 그림 5. 인장변형 piezo actuator 기반회전메카니즘 그림 4.

( ㄱ ) 각각의압전소자의크기가동일할것. ( ㄴ ) 각각의압전소자를동일하게장착할것. ( ㄷ ) 각각의압전소자와구동체가동일한힘으로균일하게접촉할것.

두번째회전형모델 R-type 2에서는인장변형압전소자를사용하여그림 5-(b) 와같이압전소자를링과일체형으로부착되어있는보와접촉하도록장착한다.

3 미세작업을위한마이크로 - 나노로봇개발 3 그림 5. 인장변형 piezo actuator 기반회전메카니즘 그림 4. 전단변형압전소자기반회전메커니즘, R-type 1 이메커니즘에서가장중요한부분은압전소자와회전체의마찰력확보문제인데, 120도간격으로배치된압전소자가동시에회전체와접촉하기위해서는다음의세가지조건을만족해야한다. ( ㄱ ) 각각의압전소자의크기가동일할것. ( ㄴ ) 각각의압전소자를동일하게장착할것. ( ㄷ ) 각각의압전소자와구동체가동일한힘으로균일하게접촉할것. 이조건을만족하기위해서각각의압전소자를고정하는부분에 roll, pitch, z방향의 3자유도를조절할수있는메커니즘을추가함으로써조절을통하여위의세가지조건을만족시킬수있다. 두번째회전형모델 R-type 2에서는인장변형압전소자를사용하여그림 5-(b) 와같이압전소자를링과일체형으로부착되어있는보와접촉하도록장착한다. 이두개의인장변형압전소자가보의변화를발생시키고보의변화는전체적인링의형상을변화시키기때문에링안에미세한간격을확보하며장착되어있는구동체 (moving disk) 를회전하게한다. 이때에압전소자 에가해지는전압의파형은그림 5-(c) 와같다. 실선의파형은구동체의정회전을발생시키고점선의파형은구동체의역회전을발생시킨다. 그림 6은구조해석프로그램 (COSMOSWORKS) 을사용하여파형에따라링의변형되는모습을표현한것으로파형이천천히증가할경우링은그와같은속도로변형이일어나게되는데이변형은링과구동체를접촉하게함으로써구동체를회전할수있게한다. 증가하던파형이 0V로급격하게떨어지는구간에서구동체는관성력에의해회전한위치에남아있게되고링만원래의형태로복원된다. 이러한과정을일정한주파수로반복하게되면구동체는회전하게된다. 이와같은경우순간적으로파형을 100V로증가하게되면구동체는관성력에의해원래의위치에있게되고, 파형을서서히 0V로감소시키게하면그림 6에서나타난링의변화순서가반대로발생되기때문에구동체를역방향으로회전시키게된다. 이와같은메커니즘은압전체와구동체가직접접촉하는것이아니라중간의링을매개체로이용하여구동력을전달하는방식이며압전소자와구동체의접촉력을보다쉽게확보할수있고비교적큰부하를회전시킬수있다는장점이있다. 하지만, 이경우는링의설계가매우까다롭고링과구동체사그림 6. 링의변화

4 로봇공학회논문지제 2 권제 1 호 (2007.3) 이의원하는간격을확보하기위하여실제로제작하는데있어서의발생하는가공상의오차가문제가될수있다.

이와같이모듈형태로매니퓰레이터를구성하기위해서는각각의구동모듈이충분한추력을갖고있어야한다. 2.

그리퍼의중앙부분은고정되고, 하단부의압전소자에의한변위가양턱의운동으로변환된다. 그림 10은이그리퍼를사용하여금속마이크로비드를포획하여이동하는실험장면이다. 그림 9.

그림 8은독일의 Clocke Nonotechnik에서개발한마이크로그리퍼로금속가공에의해제작된그리퍼이다.

Out-of-plane형으로정의하고, 이러한기준으로 2종의 In-plane형마이크로그리퍼, 2종의 Out-of-plane형마이크로그리퍼를개발하였다. 그림 10.

4 4 로봇공학회논문지제 2 권제 1 호 (2007.3) 이의원하는간격을확보하기위하여실제로제작하는데있어서의발생하는가공상의오차가문제가될수있다. 앞에서개발된각모듈의조합에의해매니퓰레이터를구성할수있는데, 그림 7은 R-type 1과 P-type 1을조합하여구성한 R-R-P형매니퓰레이터이다. 이와같이모듈형태로매니퓰레이터를구성하기위해서는각각의구동모듈이충분한추력을갖고있어야한다 In-plane 압전형마이크로그리퍼그림 9는압전소자에의해구동되는 In-plane형마이크로그리퍼로 Carrozza가제안한구조를 MEMS로제작하였다 [8]. 그리퍼의중앙부분은고정되고, 하단부의압전소자에의한변위가양턱의운동으로변환된다. 그림 10은이그리퍼를사용하여금속마이크로비드를포획하여이동하는실험장면이다. 그림 9. In-plane 압전형마이크로그리퍼 그림 7. R-R-P 형매니퓰레이터 2.2 마이크로그리퍼마이크로그리퍼는마이크로로봇에장착하여미세한부품을다루기위해사용된다. 그림 8은독일의 Clocke Nonotechnik에서개발한마이크로그리퍼로금속가공에의해제작된그리퍼이다. 마이크로그리퍼는 MEMS 기술을사용하여제작할수있는데, MEMS 기술을사용하면극소형의마이크로그리퍼를다양한형상으로, 저가격에대량생산할수있지만내구성과강도가약한단점이있다 [5][6][7]. 본연구에서는 MEMS 그리퍼의형태를그리퍼의턱이, 생성된같은평면상에서동작하면 In-plane 형, 서로수직인평면상에서동작하면 Out-of-plane형으로정의하고, 이러한기준으로 2종의 In-plane형마이크로그리퍼, 2종의 Out-of-plane형마이크로그리퍼를개발하였다. 그림 10. In-plane 압전형마이크로그리퍼를사용한금속마이크로비드 ( 직경 200 μm ) 그리핑장면 In-plane 정전형마이크로그리퍼그림 11은정전형 In-plane 마이크로그리퍼로그리퍼내부에빗 (Comb) 구조를볼수있다. 빗구조에서발생한정전기력은힌지구조를통해마이크로그리퍼의양턱을여닫는힘으로변환된다. 개발된마이크로그리퍼는전압을 15V 인가하였을때최대 63 μm의변위를얻을수있다. 그림 8. Clocke Nanotechnik( 독 ) 마이크로그리퍼 그림. 11 In-plane 압전형마이크로그리퍼

미세작업을위한마이크로 - 나노로봇개발 5 2.2.3 Out-of-plane 캔틸레버형마이크로그리퍼그림 12는캔틸레버형 Out-of-plane 마이크로그리퍼이다. 실리콘으로그림에표시된것과같은캔틸레버를두쌍제작하고두캔틸레버를서로마주보게조립하여제작한다. 전압을인가하면캔틸레버가서로마주보고휘게되어물체를그리핑하게된다. 인가전압 7V에서약 100 μm정도의변위를가진다.

13 Out-of-plane 힘센서내장마이크로그리퍼 3. 실험 그림 14는인치웜타입인 P-type 1의분해능시험으로사용계측기의한계인 10nm를얻었다. position(nm) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.00 0.10 0.20 0.30 time(sec) 그림 14. 선형 P-type 1 의분해능 그림 12.

5 미세작업을위한마이크로 - 나노로봇개발 Out-of-plane 캔틸레버형마이크로그리퍼그림 12는캔틸레버형 Out-of-plane 마이크로그리퍼이다. 실리콘으로그림에표시된것과같은캔틸레버를두쌍제작하고두캔틸레버를서로마주보게조립하여제작한다. 전압을인가하면캔틸레버가서로마주보고휘게되어물체를그리핑하게된다. 인가전압 7V에서약 100 μm정도의변위를가진다. 그림 12의아래그림은 Out-of-plane 캔틸레버형마이크로그리퍼를패키징하여전극을부착한것이다. Manual rotating & tilting stage XYZ manual stage 2 axis manual manipulator PZT bender CCD Sample stage + - P.S...100V + - CCD P.S...10V Oscilloscope 그림. 13 Out-of-plane 힘센서내장마이크로그리퍼 3. 실험 그림 14는인치웜타입인 P-type 1의분해능시험으로사용계측기의한계인 10nm를얻었다. position(nm) time(sec) 그림 14. 선형 P-type 1 의분해능 그림 12. Out-of-plane 캔틸레버형마이크로그리퍼 그림 15 는 P-type 2 의분해능으로약 50nm 정도이다 Out-of-plane 힘센서내장마이크로그리퍼그림 13은압전벤더로동작하는힘센서내장마이크로그리퍼이다. 그리퍼의동작은압전벤더에전압을가함으로써이루어지고압전벤더끝단에부착되어있는핑거팁은 Si로제작되며압저항센서가내장되어있다. 그리퍼의파지력은압저항의변화로부터측정가능하다. 그림 15. 선형 P-type 2 의분해능 다음은입력전압에대한그리퍼의변위를측정한것이다. 측정은입력전압으로정전압장치의출력을인가하고, 바이브로미터 (Vibrometer) 를사용하여변위를측정하는방법을사용하였다. 그림 16은 In-plane 압전형액추에이터에전압을인가하였을때그리퍼의변위를그린것으로선형관계가있음을알수있다.

6 로봇공학회논문지제 2 권제 1 호 (2007.3) 그림 16. In-plane 압전형마이크로그리퍼의입력전압과변위의관계 그림 17은 In-plane 정전형마이크로그리퍼의변위특성으로입출력특성이비선형적이지만시뮬레이션과실제실험결과가잘부합하므로예측이가능하다. 그림 19.

6 6 로봇공학회논문지제 2 권제 1 호 (2007.3) 그림 16. In-plane 압전형마이크로그리퍼의입력전압과변위의관계 그림 17은 In-plane 정전형마이크로그리퍼의변위특성으로입출력특성이비선형적이지만시뮬레이션과실제실험결과가잘부합하므로예측이가능하다. 그림 19. 마이크로기어그리핑테스트그림 19는마이크로기어의그리핑테스트장면으로중앙에위치한것이마이크로기어이며, 그리퍼로포획하여정해진위치에있는기어축에삽입하는장면이다. 4. 결론 Displacement (um) Actual Device Simulation Data Applied Voltage (V dc ) 그림 17. In-plane 정전형마이크로그리퍼의입력전압과변위의관계 그림 18은 Out-of-plane 힘센서내장마이크로그리퍼의변위특성으로마찬가지로선형특성을보인다. 본연구에서는바이오응용이나, 마이크로시스템제작과같은고정밀, 미세작업을위한초정밀매니퓰레이터와마이크로그리퍼를제작하고그특성을평가하였다. 매니퓰레이터는압전소자를사용하여모듈형태로 2개의선형구동기와 2개의회전구동기를제작하였으며이들의조합에의해로봇매니퓰레이터를제작할수있도록하였다. 마이크로그리퍼는작업에적합한형상을쉽게제작할수있도록 MEMS 기술을사용하여 2 종의 In-plane형마이크로그리퍼, 2종의 Out-of-plane형마이크로그리퍼를개발하였다. 개발된마이크로그리퍼는 7 ~ 100V 정도의저전압에서수십μm정도의변위를가진다. 개발된로봇시스템은미세작업에충분한정밀도를가지며, 바이오응용을포함한많은미세작업분야에서로봇의활용이증가하기를기대한다. 참고문헌 그림 18. Out-of-plane 힘센서내장마이크로그리퍼의입력전압과변위의관계 [1] R. Andrew Russel, "Development of a robotic manipulator for micro-assembly operations", Proceedings of the 1993 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp471~474, [2] Alain Codourey, Miguel Rodriguez, Ion Pappas, "A task-oriented Teleoperation System for Assembly

미세작업을위한마이크로 - 나노로봇개발 7 in the Microworld", ICRA 97, pp235-240, 1997.

7 미세작업을위한마이크로 - 나노로봇개발 7 in the Microworld", ICRA 97, pp , [3] Fumihito Arai, Akihiko Ichikawa, Hisataka Maruyama, Kouhei Motoo and Toshio Fukuda : Manipulation of Single Cell for Separation and Investigation, International Journal of Control, Automation, and Systems, Vol.2 No.2, pp135~143, June [4] IW-800 Series Inchworm Motor, Stages, And Accessories Operating Manual.Burleigh Instruments Inc [5] Jeninifer W. L. Zhou and Wen J. Li, "MEMS fabricated ICPE grippers for aqueous applications", Transducer, pp 556~559, [6] Setae Kim, Sangjun Parkand Dongil Cho, "Low-voltage, Large-displacement microgripper fabricated by the SBM technology and LSI isolation technology", ISC, pp109~110, [7] Takayuki Shibata, Yasutaka Kitamoto and Eiji Makino, "Micromacing of diamond film for MEMS applications", Journal of MEMS, Vol 9. pp 47~51, [8] Carrozza M. C, Menciassi A and Dario P, "The development of a LIGA-microfabricated gripper for micromanipulation tasks", J. M. Microeng. pp 14, 박창우 1997 고려대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1999 연세대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 2003 연세대학교전자공학과 ( 공학박사 ) 현재전자부품연구원지능메카트로닉스연구센터선임연구원관심분야 : Fuzzy control, computer vision E mail : drcwpark@keti.re.kr 김봉석 2003 한국항공대학교항공기계공하과 ( 공학사 ) 2005 고려대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 2005~ 현재전자부품연구원지능메카트로닉스연구센터전임연구원관심분야 : Manipulator system E mail : seize05@keti.re.kr 이종배 1991 한양대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1994 한양대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 1993~1995 LG산전연구원 1995~ 전자부품연구원지능메카트로닉스연구센터수석연구원관심분야 : 로봇지능제어, Localization, Tele-robot E mail : leejb@keti.re.kr 박준식 1992 한양대학교재료공학과 ( 공학사 ) 1994 한양대학교재료공학과 ( 공학석사 ) 1992 한양대학교재료공학과 ( 공학박사 ) 1994 ~ 전자부품연구원나노메카트로닉스연구센터수석연구원관심분야 : 마이크로나노센서및구동기 E mail : jspark@keti.re.kr

8 8 로봇공학회논문지제 2 권제 1 호 (2007.3) 성하경 1986 한양대학교기계공학과 ( 공학사 ) 1995 한양대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 2003 아주대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 1991~ 현재전자부품연구원지능메카트로닉스연구센터센터장관심분야 : 로봇동역학해석, Haptic Device E mail : hgsung@keti.re.kr

슬라이드 1

슬라이드 1 공학컴퓨터활용입문 메카트로닉스시스템 메카트로닉스시스템정의 메카트로닉스시스템예 메카트로닉스시스템이란? 메카트로닉스정의 메카트로닉스란용어는메카틱스 ( 기계역학 ) 와일렉트로닉스 ( 전자 ) 의합성어로서 1960 년대말경일본 (Yaskawa Electoric Co.) 에서만들어져 1980 년전후로정착된신조어이며현재는일반적인용어임. 따라서, 메카트로닉스란기계기술과전자제어및정보처리기술을응용하여,