로봇시스템에 적용을 위한 새로운 방식의 선형 DC 모터의 설계 방법과 분석

Abstract

본 논문은 현재 사용되고 있는 로봇 시스템의 액츄에이터 중에서도 주로 사용되고 있는 전자기식, 유압식, 공압식 액츄에이터에 대해 비교 분석하고 항목별 평가에서 두루 높은 점수를 받은 전자기식 방식의 액츄에이터가 가지고 있는 최대 단점으로 지적된 약한 출력, 힘을 개선할 수 있는 방법에 대해 새로운 방식을 채택한 시제품을 제작하여 확인하고 연구해 보았다. 회전운동을 직선운동으로 바꾸던 방식의 기존의 회전식 모터를 동작원리부터 직선인 선형 DC 모터(LDM)로 교체하여 운동방향을 바꾸는 과정을 없애 효율을 높이자는 것이 첫 번째이고, 기존의 회전식 모터에는 구현하기 힘들던 액츄에이터들의 조합을 LDM이 가능하게 하여 더 큰 힘을 낼 수 있도록 한 것이 두 번째이다. LDM의 성능 자체를 개선할 수 있는 방법으로도 두 가지를 제시하였다. 그 중 하나는 기존에는 정사각형 구조로 코일의 일부분만 자기장의 영향을 받는 것을 대신해 그 대안으로 원형 영구자석을 이용하여 코일의 모든 부분이 자기장의 영향을 받도록 한 것이 첫 번째이고, 두 번째는 코일이 지나는 자기장의 자속밀도를 높이고 자기력선의 방향이 가능하면 코일과 수직이 될 수 있도록 기존의 단일구조의 영구자석이 아니라 이중구조의 영구자석층으로 하자는 것이다. 그리고 LDM을 로봇시스템에 가상 적용해 얻을 수 있는 효과에 대해서도 조사하였다. LDM을 적용한 PUMA 560과 기존의 회전식 모터를 사용한 PUMA 560의 허용 취급 하중(Load capacity)을 비교 분석하여 성능 향상이 되었음을 보였다. 여기서는 또한 회전식 모터를 쓸 때보다 LDM을 쓰게 됨으로써 구조적으로 얻게 되는 토크 증가 효과도 강조하였다. LDM의 구조가 간단하기 때문에 다양한 두께와 길이로 제작이 가능해 손가락 관절같은 작은 크기의 관절을 움직이는 액츄에이터로도 사용될 수 있음을 보였고 그 신장율도 110~170 % 사이로 근육의 신장율과 비슷함을 보였다. 또한, 감정 표정 로봇에 중요한 입술의 모양을 자연스럽게 표현할 수 있는 대안으로 LDM을 제안하였고, 인체의 어깨, 골반, 목 같은 복합관절에 LDM이 배치되어 자연스럽고 효율적인 움직임을 구현할 수 있음을 보였다. 이처럼 본 논문은 전자기식 액츄에이터의 힘, 토크에 대한 단점을 새롭게 디자인한 LDM으로 개선할 수 있는 해결책을 제시함으로써 로봇 시스템에 LDM을 채택할 수 있는 근거를 제시하였다. 전자기식 액츄에이터의 방식에서 가장 문제가 되었던 힘은 LDM의 조합과 영구자석의 이중구조로 해결할 수 있었고, 액츄에이터의 신장율도 사람의 근육의 신장율과 비슷하거나 그보다 더 높은 수치를 나타냄을 보일 수 있었다. 향후 새롭게 제안한 LDM에 위치제어용 센서도 부착하고 위치제어를 위한 제어기술도 도입하는 등 몇 가지 실전 기술을 도입한다면 실제로 로봇시스템에 LDM을 충분히 적용할 수 있다고 생각한다.