로봇 시스템을 위한 줄 꼬임 기반 콤팩트 구동 메커니즘의 설계 및 제어

Abstract

본 논문에서는 로봇 시스템의 구동 한계를 극복하기 위한 콤팩트한 줄 꼬임 기반의 구동 메커니즘의 설계와 이를 위한 제어 알고리즘을 제시한다. 로봇 시스템을 위한 대표적인 구동 메커니즘인 모터-고정 기어 기반의 시스템은 그것의 열 및 물리적 한계로 인해 넒은 속도-토크 구동 범위를 가질 수 없다. 특히 소형 로봇 시스템의 경우 구동기가 차지할 수 있는 부피가 상당히 한정되므로 구동기의 선택에 있어 많은 제약을 받게 되며, 결과적으로 로봇의 최종 성능 역시 제한된다. 이를 해결하기 위해 토크와 속도를 증폭 할 수 있는 다양한 소형 변속 메커니즘이 제안되었지만 구동 메커니즘의 복잡성 및 기계부품의 소형화 한계로 인해 지금까지는 실제 적용에 많은 한계점을 가지고 있다.

제안되는 구동 메커니즘은 줄 꼬임이라는 유연(compliant) 메커니즘과 기존의 클러치 시스템인 강체(rigid) 메커니즘을 결합하여 부피가 작고 간단한 메커니즘을 가지면서도 토크와 속도의 증폭이 가능한 자동 변속 메커니즘 기능을 제공한다. 제안하는 구동 메커니즘은 꼬임 반지름이 다른 두 가지의 줄 꼬임 구동 모드를 가지며 각 구동 모드는 서로 다른 입-출력 변속 비를 생성한다. 두 구동 모드는 역학적으로 완전히 분리되어 완벽한 변속 메커니즘을 제공한다. 이를 통해 기존에 불가능하였던 콤팩트한 변속 메커니즘이 구현 될 수 있으며, 로봇 시스템의 출력 범위의 확장에 기여할 수 있을 것이다. 특히, 로봇 핸드나 그리퍼와 같은 소형 로봇에 제안하는 구동 메커니즘을 적용하여 기존 기어 구동 기반의 로봇 성능 한계를 극복하고자 한다.

본 메커니즘의 힘 제어를 위해 포터 인터럽터 기반의 소형 힘 센서 설계가 제안되었으며 이는 로봇 손가락에 설치될 정도의 작은 크기로 제작이 가능하다. 제안된 변속 메커니즘의 제어를 위해 하위 및 상위 제어기가 설계되었다. 제안된 변속 메커니즘은 구동 모듈로 시제품으로 제작되었으며 모듈 및 로봇 그리퍼에 대한 시험평가를 통해 그 성능이 검증되었다.