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배경:

로봇 공학은 기계 공학, 제어 시스템, 재료 과학 및 정보 기술을 포함한 전통적인 분야를 포함하는 종합 과학입니다. 최신 세대의 로봇 공학은 컴퓨터 과학, 생체 공학 및 고급 제조와 같은 다른 분야에도 개방되었습니다. RoboMaster  Competition은 젊은 엔지니어 들이  혁신을 테스트하고 로봇 공학 분야에서 실제 경험을 얻을 수 있는 독특한 기회를 제공합니다.  2017년 이후 2번의 우승을 차지한 South China University of Technology 의 로봇 팀은 이 국제 대회에서 6 년째 경쟁하고 있습니다. (SCUT)는 로봇 공학 전문가 팀을 개발했습니다. 올해 참가 팀이 200개 이상인 SCUT 팀은 설계에서 제조에 이르기까지 효율성과 품질 워크플로우를 개선하기 위한 완전히 새로운 솔루션을 찾고 있습니다. 이 젊은 전문가들은 Autodesk  와 Farsoon Technologies 에서 기회를 포착했습니다 .

도전:

설계 반복, 중량 감소 및 강도 요구 사항의 세 가지 주요 과제가 있습니다 . 매년 RoboMaster는 서로 다른 요구 사항을 발표하고 각 팀은 단 8개월 만에 최종 콘테스트에 맞게 디자인을 조정해야 합니다 . 로봇의 최상의 성능을 달성하기 위해 전통적으로 설계 팀은 기계 설계, 동적 분석, 구조 분석, 조립, 프로그래밍, 테스트 등을 포함하는 4-5개의 복잡한 "설계-제작-테스트" 반복을 수행해야 했습니다. .

초점의 대상은  모바일 시스템을 상부 발사체 시스템과 연결하는 핵심 구성 요소인 로봇의 안정 장치 마운트 입니다.  경기 중 조향, 조준, 사격과 같은 복잡하고 빠른 동작을 수행하도록 지정되었으며 , 이 구성 요소의 경량화는  최적의 성능을 달성하는 데 핵심이었습니다. 한편 로봇은  경기 중 충돌, 펠릿 충격, 진동 등 다양한 극한 상황을 경험하게 된다. 로봇 설계의 핵심인 스태빌라이저 마운트는 대회 필드의 손상을 방지하기 위해 극도의 기계적 강도가 필요합니다.

이전에는 스태빌라이저 마운트의 설계가 생산 방법, 주로 최대 27개의 부품 을 추가로 조립하는 CNC 기계 가공에 의해 제한되었습니다 . 이렇게 조립된 부품의 무게는 최대 295g이 될 수 있어 반응 시간과 이동 속도가 느려집니다. 또한 조립된 부품은 충격 시 손상 가능성을 높였습니다. (그림 1)

해결책:

2019년 초 SCUT 팀은  설계 및 제조 프로세스를 개선하기 위해 Autodesk 소프트웨어  와 Farsoon Metal Additive 기술을 채택하기 시작했습니다. 적층 기술은 응용 분야에 가장 적합한 설계 기하학의 유연성에서 전례 없는 자유를 제공합니다.

Autodesk Fusion 360의 핵심 기능인 생성 설계를 통해 SCUT 팀은 스태빌라이저 마운트에 대한 설계 조건 및 기준을 적용하여 요구 사항을 충족하는 다양한 설계를 생성할 수 있습니다. 학생들은 경쟁 중 극한의 충격 하중과 같은 다양한 작업 조건을 부품에 적용한 다음 원하는 중량 제한(경량 목표), 엔지니어링 재료(Rasin, 나일론, 알루미늄 포함)와 같은 출력 옵션을 정의할 수 있습니다. , 안전 계수(최대 8) 및 잠재적 가공 방법(CNC, 밀링, 첨가제) 등을 통해 대회 기간 동안 부품의 최상의 성능을 보장합니다. 생성된 모든 옵션은 최종 제조를 위한 최적의 설계를 선택하기 위해 학생들이 추가로 탐색하고 테스트할 수 있습니다(그림 2). 그들은 조립 및 현장 검증을 위해 재료와 처리 방법이 다른 3가지 디자인인 라신(광조형), 나일론 6(플라스틱 레이저 소결) 및 알루미늄(금속 레이저 용융)을 선택합니다. Rasin 및 Nylon 6 부품은 현장 충격에서 파손되었으며, Farsoon FS271M 금속 레이저 용융 기술로 생산된 AlSi10Mg 알루미늄 스태빌라이저 마운트는 자격을 갖춘 강도와 성능으로 돋보입니다(그림 1).

그림 1: Autodesk Fusion 360의 원본 설계 및 생성 설계

이러한 제너레이티브 디자인과 적층 제조의 조합은 전통적인 디자인 프로세스의 개념을 완전히 뒤집습니다. 기존의 가공 및 재료 옵션의 제한 없이 매우 짧은 시간에 최적의 디자인을 생성합니다.

그림 2: Autodesk Fusion 360: 생성된 옵션 탐색 및 비교

결과:

최적화된 적층 제조 스태빌라이저 마운트는 170g 의 최종 중량을 달성했습니다. 이는  원래 CNC 프로세스에 비해 중량이 42% 감소한 것입니다. 더 가벼운 무게는 신호에 대한 더 빠른 응답과 현장에서의 향상된 이동성을 의미합니다. 동시에 27개의 부품을 단 1개의 단일 부품으로 결합 함으로써 재료 낭비를 줄이는 동시에 지지대를 생성적으로 추가하여 강도를 향상시켜 구조적 무결성을 보장하면서 로봇의 질량을 줄입니다.

이 완전히 새로운 워크플로우는  개발 프로세스에서 제조에 이르기까지 설계 반복을 가속화하는 데도 도움이 됩니다. 엔지니어에 의한 전통적인 디자인은 자신의 경험에 의해 제한되는 반면, 제너레이티브 디자인은 클라우드 컴퓨팅을 사용하여 최적의 결과를 생성하고 반복하는 데 도움을 줍니다. 전통적인 제조 방식과 비교할 때, 적층 기술은 단 2일 만에 안정제 2세트를 제작할 수 있습니다(그림 3) . 효율성이 향상되어 전체 작업 흐름이 단순화되는 동시에 응용 분야에 가장 적합한 솔루션을 제공합니다.

그림 3: Farsoon FS271M 베이스 플레이트에 추가로 생산된 스태빌라이저 마운트.

빠른 설계 반복은 SCUT 팀이 훨씬 더 효율적으로 작업하고 재료 및 제조 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다. 올해 SCUT 팀은 연구 개발 비용을 크게 절감했습니다. 예를 들어 기계 팀의 경우 전체 반복 비용이 80% 감소했으며 이는 이전에는 불가능했을 것입니다.

적층 기술의 도움으로 SCUT 팀은 2019년 5월 23일 RoboMaster(중국 남부 지역) 콘테스트에 참가했습니다. 스태빌라이저 마운트의 최적화된 디자인과 향상된 성능 덕분에 SCUT 팀은 치열한 경쟁 속에서도 챔피언십에서 우승할 수  있었습니다 . (그림 4)

그림 4: 경기 중 적층 제조 스태빌라이저가 있는 SCUT 로봇.

 "제너레이티브 디자인과 적층 제조는 전통적 공정에서 새로운 지평을 열었습니다." 라고 기계 및 자동차 공학부 부교수이자 로보틱스 연구실 튜터인 Zhang Dong은 말했습니다 . 재료 제한 및 처리 방법을 통해 설계 프로세스를 크게 가속화하고 생산 비용을 절감합니다. 단 하나의 부품으로 42%의 경량화에 그쳤지만 완벽을 추구한다면 앞으로 각 부품의 궁극의 디자인이 필요합니다. 이 새로운 길을 가는 것은 흥미진진하면서도 도전적이지만 우리는 혁신 기술을 통해서만 차이를 만들 수 있다고 확신합니다.”

로보마스터 소개:

RoboMaster 프로그램은 젊은 엔지니어가 혁신을 배우고 로봇 경진대회 분야에서 실무 경험을 쌓을 수 있는 독특한 기회를 제공합니다. 세계 최고의 소비자 드론 제조업체인 DJI가 주최하는 RoboMaster는 현재까지 가장 영향력 있는 로봇 공학 대회가 될 예정입니다. 각 RoboMaster 이벤트는 시각적 보간, 하이브리드 시스템 및 인공 지능을 포함하여 로봇 공학 분야의 최신 기술을 통합하는 것을 목표로 합니다. 자세한 내용은 https://www.robomaster.com/en-US 를 참조하십시오.

파순 소개:

업계에서 20년 이상의 경력을 가진 레이저 소결 기술의 진정한 선구자 중 한 명인 Dr. Xu Xiaoshu가 2009년에 설립한 Farsoon Technologies는 현재 산업용 금속 레이저 용융 및 플라스틱 레이저 소결 시스템의 선도적인 기계 공급업체입니다. Farsoon은 전기/기계 공학, 레이저, 스캐닝 및 광학, 열 제어, 재료 개발 및 응용 공학 분야의 역량을 갖춘 세계적 수준의 전문가 팀을 개발했습니다. "산업을 위한 개방"이라는 명확한 비전을 가지고 Farsoon은 개방형 시스템, 재료, 매개변수 및 응용 프로그램을 통해 산업 생산을 지원하는 데 전념하고 있습니다. 자세한 내용은 www.farsoon.com을 참조하십시오.

Autodesk 정보:

Autodesk는 3D 디자인, 엔지니어링 및 엔터테인먼트 소프트웨어 분야의 리더입니다. Autodesk는 무엇이든 만들 수 있는 능력을 제공합니다. Autodesk의 비전은 사람들이 더 나은 세상을 상상하고 설계하고 만들 수 있도록 돕는 것입니다. 이 회사는 1982년에 설립되었으며 샌프란시스코 베이 지역에 본사가 있습니다. Autodesk는 전 세계적으로 9,000명 이상의 직원을 고용하고 있으며 이들은 정기적으로 Autodesk를 일하기 가장 좋은 직장으로 선정하여 혁신과 협업, 포용적인 환경, 일과 삶의 균형에 대한 강조를 인용합니다. 자세한 내용은 https://www.autodesk.com/을 방문하십시오.

남중국공과대학교 로봇 혁신 연구소 소개:

SCUT의 로봇 혁신 연구실은 2000년 11월 기계 및 자동차 공학부에서 설립되었습니다. 연구소의 목표는 재능 있는 학부생들이 팀 작업을 통해 엔지니어링 기술을 향상할 수 있는 혁신적인 테스트 공간을 제공하는 것입니다. 수년에 걸쳐 이 팀은 200개 팀 중 2017년과 2018년에 RoboMaster의 National Championship 우승을 포함하여 다양한 국제 대회에 참여하고 상을 받았습니다. 팀은 335개의 국가 특허 출원과 146개의 승인을 제출했습니다. 동시에 연구소는 7개의 신생 기업을 부화시키고 500명 이상의 메카트로닉스 전문가를 교육했습니다. 자세한 내용은 https://www.robomaster.com/zh-CN/resource/pages/906 을 참조하십시오.