[서식 A-8]

2015학년도

기계설계프로젝트 최종 보고서

과제명 : 교육용 공장자동화 시스템

(2014년 09.01~2015년 06. 10)

팀명:뿌리 깊은 나무

기계공학 설계프로젝트 최종보고서를

붙임과 같이 제출합니다.

2015. 06.11

대구대학교 기계자동차공학부(기계공학전공)

제 출 문

대구대학교 기계자동차공학부 학부장 귀하

본 보고서를 대구대학교 기계자동차공학부 설계프로젝트 과제 “교육용 공장자동화 시스템”의 결과보고서로 제출합니다. (과제기간 : 14. 09 . 01 ~15. 06 .10 )

2015. 06.11

담당교수 : 이동활           (인)

대표학생 : 이진우           (인)

참여학생 : 김경보            (인)

김동주            (인)

김동윤           (인)

임현수            (인)

김성종            (인)

류종석            (인)

보고서 작성 윤리 서약서

대구대학교 기계자동차공학부 학부장 귀하

본인은 보고서를 작성함에 있어 다음과 같이 연구 윤리 및 보고서 작성 윤리를 준수하였음을 서약합니다.

1. 본인은 다른 학생의 보고서를 복사(copy)하지 않았습니다.

2. 본인은 다른 사람의 보고서 내용 중 전부 또는 일부를 무단으로 도용하거나 인터넷에서 내려받기(download)하여 대체하지 않았습니다.

3. 본인은 보고서에 참고자료를 인용할 경우 원본의 출처를 반드시 표시하였습니다.

2015. 06. 11

담당교수 : 이동활           (인)

대표학생 : 이진우           (인)

참여학생 : 김경보            (인)

김동주            (인)

김동윤           (인)

임현수            (인)

김성종            (인)

류종석            (인)

목  차

최종보고 요약문 제1장 과제내용 및 목표 제1절 목적 및 필요성 제2절 과제의 목표 제3절 기대효과 및 활용방안 기술동향, 연구동향, 개발배경, 개발동기 제2장 개념설계 및 상세설계 제1절 개념설계 개념도, 요구기능정의 제2절 해석 및 평가 제3절 설계 보완 제4절 상세설계 요소설계근거/수식, 산출내역, 해석, 이론, 동작원리, 블록도, 기구도면, 회로도 제3장 가능성실험 제1절 실험의 목적, 목표 제2절 실험의 구성 및 결과 제4장 시험 및 평가 제1절 시험 요구조건 제2절 시험결과 제5장 결론 제1절 문제점 분석 및 처리결과 과제의 가치, 설계결과의 분석, 보완방향, 목표달성의 가능성 분석, 기술적 문제 분석 및 해결방향 제2절 총평 참고문헌 데이터시트, 사양서, 논문, 표준자료, 규격서, 메뉴얼 부록 부록1 설계구성요소 요약 제시 부록2 현실적 제한요소 요약 제시 부록3 기타 부록	1 2 3 4 5 6 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

최종보고 요약문

과제명	교육용 공장자동화 시스템
팀명	뿌리 깊은 나무
팀원	이진우 김경보 김동주 김동윤 임현수 김성종 류종석
과제기간	2015 년 03월 02일 ~ 05월 27일
1. 개발내용 및 목표 현재 21세기는 무한한 발전을 거듭 하고 있다. 이런 발전이 가능한 이유는 공자자동화 시스템의 역할을 배제하기 힘듭니다. 또한 중, 고등학생들에게 교육용으로 씀으로써 기계공학과에 대한 호기심 및 발전에 도움이 될꺼 같아 교육용 공장자동화 시스템을 개발 하기로 하였다. 로봇 팔이 물체를 집어 컨베이어벨트에 옮기면 컨베이어벨트가 작동되어 움직이면 스탑 라인에 초음파 센서를 부착해 물체를 인식하여 컨베이어벨트가 멈추면서 스탑라인이 작동하는 시스템이다. 최종적으로 로봇 팔의 손이 들 수 있는 무게는 500g, 컨베이어벨트 속도 3cm/s, 로봇 팔 반경 90°을 목표로 하였다. 2. 개념설계 및 상세설계 버튼, 스위치, 모터드라이버로 동작하여 시스템을 초음파 센서와, 시스템 자동화를 추진한다. 또한 DC모터와, 서보모터를 제어하여 컨베이어 벨트를 작동시키도록 하겠다. Stop Line(초음파센서와 서보모터 동시제어) AVR128로 컨트롤 하겠다. 1. 로봇팔 손 부분이 옮길 수 있는 물체의 무게 500g으로 설정 2. 로봇팔 반경 90° 〫 3. 컨베이어벨트 속도 3cm/s 4.컨베이어벨트 최대높이 110mm 길이 720mm 5.초음파 센서 감지거리 20~500mm 인식거리 15° 3. 제작 1. 컨베이어 벨트(720*80*110mm)를 과학상자와 포맥스5T를 사용하여 제작 2. 포맥스를 이용하여 로봇팔의 기구부 제작 3. 서보모터를 이용하여 로봇팔의 제어부 제작 4. DC모터를 이용하여 컨베이어 벨트 끝부분 STOP LINE기능 작동 4. 시험 및 평가 로봇 팔과 컨베이어벨트 및 STOP LINE이 정량적 목표에 도달하였음을 확인 하였지만 컨베이어벨트의 길이가 500mm에서 720mm로 늘어났으며 컨베이어벨트의 폭이 80mm에서 70mm로 감소하였다. 제어부에서는 정량적 목표에 도달하였지만 기구부에서 문제점이 발생하였다. 5. 세부 연구개발 내용 및 실적 교육용 공장 자동화시스템을 만듦으로써 기구학 및 메카트로닉스에 관한 전공 지식이 향상 되었다.

제 1장 과제내용 및 목표

제1절 목적 및 필요성

1. 과제개발의 목적

저희가 만들고자 하는 교육용 공장자동화 시스템은 사람이 옮길 수 없는 무게를 옮기는 작업할 때 용이하게 사용이 되며 작업  환경이 열악한 곳이나 사람의 손이 접근하기 어려운 장소,  작업 환경의 질을 향상시킬 수 있는 장비를 만들고 싶어 선정하게 되었다.

2.필요성

교육용 공장자동화 시스템이 필요한 이유는 사람이 들 수 없는 무게를 로봇 팔이 작업을 대신하여 옮길수 있으며 , 위험부담을 줄일 수 있으며 작업 속도도 원활하게 진행 할 수 있기 때문이다. 현재 21세기는 무한한 발전을 거듭하고 있는데 이런 발전이 가능한 이유는 공장자동화 시스템의 역할을 배제하기 힘들기 때문이다.

제2절 과제의 목표

1. 과제개발의 목표

교육용 공장자동화 시스템의 정량적 목표는 옮길 수 있는 중량 500g, 컨베이어벨트 속도 3cm/s, 로봇팔의 반경은 90°이다.

제3절 기대효과 및 활용방안

1. 기대효과

교육용 공장자동화 시스템을 만듦으로써 위험한 작업환경이나 증,고등 학생들에게 교육용으로 씀으로써 기계공학과에 대한 호기심 및 발전에 도움이 된다.

산업용으로는 위험한 작업환경에서 사람을 대신해 작업을 수행해 작업자의 안전을 보장할 수 있다.

제2장 개념설계 및 상세설계

제1절 개념설계

1. 이론적 배경

1.1 로봇 팔

AVR128과 서보모터를 사용하여 로봇 팔 앞에 물체가 있으면 로봇 팔이 물체를 인식하여 컨베이어 벨트위에다가 물체를 옮긴다.

1.2 컨베이어 벨트

DC모터와 스위치를 이용하여 컨베이어 벨트가 작동이 된다. 이때 로봇 팔이 물체를 컨베이어 벨트에 올려놓으면 컨베이어 벨트가 움직임으로써 물체가 이동하게 된다.

1.3스탑 라인

컨베이어 벨트 끝 부분에 초음파 센서를 달아서 초음파 센서가 물체를 인식하게 되면 컨베이어 벨트의 작동이 멈추게 된다.

제4절 상세설계

4.1 캐드 도면

4.1.1 컨베이어벨트

4.1.2 컨베이어벨트 바깥 기둥

4.1.3 컨베이어벨트 바깥받침

4.2.1 로봇 팔

4.2.2 로봇 팔 집게

4.2.3 로봇 팔 집게 기둥

4.2.4 로봇 팔 몸통 기둥

4.2.5 로봇 팔 몸통

4.2.6 로봇 팔 바닥 기둥

4.2.7 로봇 팔 바닥

4.3 회로도

4.3.1 로봇팔 회로도

4.3.2컨베이어벨트&STOP LINE 회로도

제 3장 가능성 실험

제1절 실험의 목적, 목표

저희 뿌리 깊은 나무조는 교육용 공장 자동화시스템을 만들어 중, 고등학생들에게 공장 자동화
시스템의 원리 및 기계공학과에 대한 호기심 및 발전을 위함과 현재 우리사회 성장 동력 중

하나가 공장 자동화 시스템이라 생각을 하여 만들기로 했다.

-정량적 목표

항목	목표치	단위	측정방법	측정횟수
로봇 팔이 들수 있는 무게	500	g	저울	100
로봇 팔 반경	90	[eqn: DEG]	기기작동	100
컨베이어 벨트 속도	3	[eqn: cm/s]	기기작동	100

제 4장 시험 및 성능 평가

제1절 정량적 목표의 분석 검토

평가항목	목표	평가결과	평가(측정)방법	측정시행횟수
로봇 팔이 들수 있는 무게	500g	200g	저울 측정	3
로봇 팔 반경	90[eqn: DEG]	90[eqn: DEG]	기기 작동	30
컨베이어 벨트 속도	3[eqn: cm/s]	3[eqn: cm/s]	기기 작동	30

안전성 자체 평가표

평가항목	점수
개발 전 정량적 목표를 달성하였는가?	상 / 중 / 하
외형적 크기는 어떠한가?	상 / 중 / 하
모터로부터 외형이 안전한가?	상 / 중 / 하
상 - 매우 우수하다 중 - 보통이다 하 - 다른 보안이 필요하다

제 2절 평가결과 및 분석 결론

분석 결론

정량적 목표로 로봇 팔이 들 수 있는 무게 500mm로 정하였지만 플라스틱 기어가 그 무게를

견디지 못하여 목표로 정한 500mm보다 낮은 무게를 사용하였다.

수치설정 중 컨베이어벨트 부분의 폭이 80mm에서 70mm로 10mm 줄어들고 길이가 500mm에서
720mm로 220mm가 늘어나 정량적 목표 중 컨베이어 벨트 폭, 길이가 달라졌다.
하지만 기존에 구상하였던 로봇 팔, 컨베이어벨트 및 STOP LINE의 조립도와 실제 만든 제품과
비교하였을 시 매우 흡사하였으며 기존에 로봇 팔이 움직여 컨베이어벨트에 물건을 올리고 컨베이어
벨트가 물체를 3cm/s의 속도로 옮기고 초음파 센서가 2~400mm앞에서 물체를 인식하여 STOP
LINE의 표지판이 내려오게 된다. 시운전을 해 본 결과 같음을 알 수 있었다.

제 5장 결론

제 1절 결론

-제어부

로봇 팔: 스위치를 누르면 서보모터의 힘으로 작동을 하는 소스코드를 ATMEGA128 프로그램과

브레드보드를 이용하여 입력하였고 그 결과 스위치를 누르면 포맥스로 만든 로봇 팔이
물체를 집어서 컨베이어벨트위에 올리는 것을 확인 하였다.

컨베이어벨트 및 STOP LINE: 컨베이어 벨트 및 STOP LINE은 DC모터와 초음파 센서를 이용                                       하여 로봇 팔이 컨베이어벨트 위에 물체를 올리면 작동하는 것을

하였다.

-기구부

로봇 팔: 포맥스를 이용하여 로봇 팔 및 로봇 팔의 그리퍼 부분을 제작하였고 로봇 팔과 컨베이어
벨트 받침대 또한 포맥스를 사용하여 280*210mm로 제작을 하였고 로봇 팔의 높이는
220mm로 제작하였다. 로봇 팔의 그리퍼의 길이 10mm, 폭 3mm의 크기로 제작 하였
다.

컨베이어 벨트 및 STOP LINE: 포맥스를 이용하여 컨베이어 벨트 및 STOP LINE을 제작 하였고

결과 컨베이어벨트의 길이는 720mm, 폭 80mm, 높이110mm가
되었다. 컨베이어벨트의 처음 구상한 수치는 500mm 였는데 설계                                    를 하는과정에서 220mm를 더 추가하여 720mm로 제작 하였고 컨                                    베이어 벨트 폭은 80mm에서 70mm로 감소하였다.

DC모터와 컨베이어벨트 받침대는 15*15mm로 제작 하였고 STOP
LINE 표지판은 60*30mm로 제작하였다.

제 2절 문제점

2.1 문제점

-기구부

정량적 목표로 로봇 팔이 들 수 있는 무게 500mm로 정하였지만 플라스틱 기어가 그 무게를

견디지 못하여 목표로 정한 500mm보다 낮은 무게를 사용하였다.

컨베이어벨트의 수치설정에서 폭은 80mm로 잡았지만 기구부 작업 중 70mm로 10mm가
감소하였고 작업 과정 중 컨베이어벨트 폭을 자르는 과정 중 포맥스를 너무 짧게 잘라서 10mm
가 감소하는 일이 발생 하였다.

컨베이어벨트의 수치설정에서 길이는 500mm로 잡았지만 실제 작업을 하던 중 500mm가
짧아서 220mm를 추가한 720mm로 컨베이어벨트의 길이를 늘렸다.

2.2 해결방안

-기구부

1. 포맥스가 아닌 알루미늄 혹은 좀 더 튼튼한 재료를 이용하여 기구부에 안정감을 줄 수 있도록         한다.

2. 기구부를 만드는 작업 중 기존 목표설정보다 좀 더 큰 수치를 설정하여 절단을 하였을 시

기존의 수치설정보다 좀 더 큰 기구부 부품이 나오도록 만들고 조금씩 깍아 가며 기존의 목표설정
값을 찾아간다.

2.3 향후 계획

1. 포맥스가 아닌 알루미늄 혹은 좀 더 튼튼한 재료를 이용하여 기구부에 안정감을 줄 수 있도
록한다.

2. 스위치가 아닌 리모컨을 이용하여 로봇 팔을 움직이게 한다.

[참고문헌]

1.규격

로봇 팔의 회전 각도: 90[eqn: DEG]

컨베이어 벨트 크기: 길이:720mm, 폭:80mm, 높이:110mm

컨베이어 벨트 속도:3cm/s

STOP LINE에 부착된 초음파 센서의 인식 거리:2~500cm

2.사양

-서보모터(hs-311) - 토크:3.0/3.5kg(4.8v/6.0v) 속도 : 0.19/0.15(4.8v/6.0v)

-DC모터(wrs-540sm) - 12v동작전압 , 7000rpm

-초음파 센서(HR-SR04) - 사용전원 5v dc 정격전류 2mA 유효각도 15° 측정거리 2~500cm

-아트메가128(NS-AT128) - 동작 전원 2.7V~5.5V 동작 속도 16MHz

3.데이터시트

1. 서보모터(hs-311)

2. DC모터(wrs-540sm)

3.초음파 센서(HC-SR04)

4.아트메가128

5.아트메가 통신포트

설계프로젝트 기존/관련제품 조사표

팀명 : 뿌리 깊은 나무            주제 : 교육용 공장자동화 시스템

제품명	TX2-40
품종	6축 다관절 로봇 팔	출시국	독일
생산자	스토브리	출시년도	2014
사진 및 요약	1.깨끗한 환경이나 더러운 환경에서 사용 가능 2.더 나아진 동적 성능 3.셀 디자인의 적응성 및 유연성 4.유지 보수 감소와 더불어 탁월한 정밀성, 유연성 및 속도 5.거친 환경에서의 작업 성능 6.민감하거나 열악한 작업 환경에서의 폭넓은 활용 가능
키워드	6축 다관절 로봇
유사점	다관절을 이용
차별점	6관절이 아닌 3관절 로봇 팔이다 물체를 집어 컨베이어 벨트 위에 올린다
출처	스토브리(http://www.staubli.com/kr) 네이버 블로그(blog.naver.com/yeogie1?Redirect=Log&logNo=220170945173)

설계프로젝트 관련특허 조사표

팀명 :뿌리 깊은 나무          주제 : 교육용 공장자동화 시스템

특허명	3관절을 가진 로봇을 이용한 가상 촉감인지 방법
출원번호	1019970073909	등록일자	1999년 11월01일
출원자	한국원자력연구원 한국전력공사	등록상태	소멸
도면 및 요약	본 발명은 3관절을 가진 로봇을 이용한 가상 촉감인지 방법에 관한 것으로, 3관절 로봇의 작동공간에 해당하는 3차원 좌표가 모두 입력된 컴퓨터에, 가상현실을 제공하는 물체의 특정 좌표에서의 물성, 형태, 크기에 따른 힘반향(Force reflection)을 컴퓨터에 입력, 사전에 입력된 공간상의 좌표와 작동자가 3관절 로봇의 제 3관절에 부착된 파지대 끝단을 특정좌표까지 이동했을 때의 좌표를 비교하여 로봇의 제3관절에 부착된 파지대의 끝단이 이동시, 특정 좌표에 해당하는 3관절 로봇의 동작명령을 담고 있는 프로그램에 의거 컴퓨터의 제어기가 로봇의 서보모터를 가속, 감속, 정지 그리고 역회전시켜 그때 발생하는 힘반향(Force reflection)의 강도에 따라 로봇의 관절에 부착된 파지대 끝단과 동시에 움직이는 작동자의 손가락에 질감 및 형태가 가상적으로 인지하도록 하는 방법에 관한 것이다.
키워드	3관절 로봇
유사점	3관절을 이용하여 만든 로봇 팔이다.
차별점	로봇 팔 끝에 그리퍼가 달려 물체를 잡을 수 있다. 잡은 물체를 컨베이어 벨트에 올릴 수 있다.
출처	KIPRIS 특허정보검색서비스 (http://www.kipris.or.kr)

설계프로젝트 개념설계 스펙정리표 (Full-scale 제품 기준)

팀명 : 뿌리 깊은 나무         주제 : 교육용 공장자동화 시스템 설계기획안 및 스펙

제품명	교육용 공장자동화 시스템
개념 설계안 및 기능 요약	개념 설계안 : 그리퍼로 500g의 물건을 들어 컨베이어 벨트에 올리면 컨베이어 벨트는 3cm/s의 속도로 이동을 한다. 이 때 초음파 센서가 물체를 인식하게 되면 컨베이어 벨트의 이동이 정지한다. 기능요약 : ① 물체를 집어 컨베이어 벨트에 올리는 기능(팔 : 상하좌우 이동, 그리퍼 집게 : 좌우 이동) ② 운반기능 (집은 물건을 최대 뻗을 수 있는 팔 길이 까지 운반이 가능) ➂컨베이어 벨트 이동기능(3cm/s의 속도로 이동한다) ➃스탑라인 기능( 초음파 센서가 물체를 인식하면 컨베이어 벨트의 작동이 멈춘다)
필수스펙 # 1.	서보모터를 이용한 로봇 팔이 작동
필수스펙 # 2.	그리퍼가 물체를 집고 들어 올릴 수 있음
필수스펙 # 3.	모터드라이버, DC모터와 스위치를 이용한 컨베이어 벨트 속도 조절
필수스펙 # 4.	초음파 센서를 이용한 스탑라인 작동
필수스펙 # 5.
필수스펙 # 6.
필수스펙 # 7.
필수스펙 # 8.
필수스펙 # 9.

설계프로젝트 제품사용 시나리오 검토표 (Full-scale 제품 기준)

팀명 : 뿌리 깊은 나무                    주제 : 교육용 공장자동화 시스템

제품명	교육용 공장자동화 시스템
기능 요약	① 로봇 팔이 물체를 집어 컨베이어 벨트에 올림 ② 모터 드라이버 DC모터와 서보모터를 이용한 컨베이어 벨트 작동 ③ 초음파 센서를 이용한 스탑라인 작동
시나리오 # 1.	상황	로봇 팔이 물체를 감지
	작동 방식	로봇 팔이 물체를 집음 → 로봇팔이 컨베이어 벨트에 물체를 옮김
	필요 기술	서보모터를 이용하여 로봇 팔 작동
시나리오 # 2.	상황	컨베이어 벨트 위 물체가 올라감
	작동 방식	컨베이어 벨트 작동
	필요 기술	모터드라이버와 DC모터를 이용하여 컨베이어 벨트 작동
시나리오 # 3.	상황	물체가 컨베이어 벨트 끝 부분 도착
	작동 방식	물체 감지하고 컨베이어 벨트 작동 중지
	필요 기술	초음파 센서를 이용하여 컨베이어 벨트 위 물체를 감지하여 작동 중지 및 스탑라인 작동