휠 장착 로봇 공학에서의 모션 솔루션 발전

소개

엔지니어와 과학자들은 앞으로 농업, 병원, 유지 관리, 건설과 심지어 가정 등 모든 곳에 로봇이 존재하게 되면서 로봇이 우리 삶에 없어서는 안 되는 부분이 될 것이라고 기대합니다. 로봇은 여러 산업, 특히 정밀도가 필요한 산업에서 인간을 대체할 가능성이 높습니다. 로봇은 인간의 노동으로 올바르게 수행하기 어려운 작업을 완료하거나 위험하다고 여겨지는 조건에서 인간을 대체할 것입니다. 이러한 수많은 산업에서 응용 분야는 휠 구동식 로봇에 매우 집중할 것입니다.

휠 장착 로봇은 모터 구동식 휠을 사용하여 지면을 탐색하며 스스로 나아갑니다. 이 설계는 트레드나 다리를 사용하는 것보다 단순하며, 휠을 사용하면 울퉁불퉁하지 않고 평평한 지형에서 더 쉽게 이동하도록 설계하고, 제작하고, 프로그래밍할 수 있습니다. 휠 장착 로봇은 차동 조향의 비용이 저렴하고 단순하기 때문에 소비자 시장에서 인기가 있습니다. 로봇의 휠 수는 제한이 없지만 휠이 3개만 있어도 정적 및 동적 균형을 잡는 데 충분합니다. 휠 더 있으면 균형을 더 잘 잡을 수 있지만, 특히 지형이 평평하지 않은 경우 모든 휠이 지면에 있으려면 추가 메커니즘이 필요합니다. 모션 솔루션은 구동성을 향상시키기 위해 토크 성능을 늘리는 휠을 구동하는 기어박스와 결합된 모터로 구성됩니다.

이 문서에서는 시장의 요구와 수요, 응용 분야 요구 사항, 선택 기준, 기술적 이점 및 로봇 공학의 미래 발전에 대해 설명합니다.

시장의 요구와 수요

병원에서 감염 관리, 의료 서비스, 의료 폐기물 전달, 생화학 표본 전달 및 일반 의료 작업에 사용할 로봇에 대한 엄청난 수요가 있습니다. 현재 코로나19의 전 세계적 대유행으로 인해 그 수요는 몇 배로 증가했습니다. 성장하고 있는 또 다른 시장은 항공 우주 및 방위(A&D) 산업으로, 로봇은 감시 및 군사 작전에서 중요한 역할을 합니다. 예정된 시장은 인프라에서 균열이나 결함을 찾기 위해 이미지를 촬영하는 로봇을 구동하여 이 파이프라인을 검사하는 파이프라인 검사(예: 수중 시스템)입니다. 이러한 응용 분야에 사용되는 제품이 직면한 주요 요구 사항은 다음과 같습니다.

•	작고 가벼움
•	높은 토크
•	높은 내구성(긴 수명)
•	낮은 소음(병원 및 A&D)
•	고효율 및 낮은 전류 소모

응용 분야 요구 사항

(그림 1)로봇에 사용되는 일반적인 제품은 소형 유성 기어박스와 결합된 브러시 또는 무브러시 DC 모터입니다. 요구 사항은 응용 분야마다 조금씩 다를 수 있지만 일반적인 모션 솔루션의 사양은 다음과 같습니다.

•	모터: 코어리스 브러시 DC / 무브러시 DC 모터
•	기어박스 구성: 유성 – 2/3단계, 30:1~120:1 비율
•	포장 크기: 직경 40mm 미만
•	기어박스 출력 토크: 4~8Nm
•	기어박스 출력 속도 – 50~150rpm

선택 기준

모터와 기어 선택은 응용분야의 로봇을 설계할 때 중요한 작업입니다. 그림 2에 중점을 둘 핵심 사항이 표시되어 있습니다.

모터와 기어박스를 선택하는 첫 번째 단계는 제품에서 예상되는 작동 및 최대 조건을 결정하는 것입니다. 모터 + 기어박스의 설계와 선택에서 가장 중요한 요소는 휠 출력에서 경험하는 필요한 속도와 토크를 확인하는 것입니다.

토크
먼저 필요한 출력 토크를 결정한 다음 역순으로 작업하여 모터와 기어링을 찾는 것이 더 쉽습니다. 휠의 토크는 로봇 가속도, 휠 직경, 수행 성능(일부 액추에이터가 고장나거나 휠이 미끄러지는 경우 전체 로봇을 당기기에 충분해야 함), 최소 경사 오르기 또는 장애물 극복을 기반으로 결정해야 합니다. 최종 토크에 도달하려면 마찰과 효율성도 고려해야 합니다.

속도
필요한 토크 정도를 결정한 후 다음 단계는 휠이 회전해야 하는 속도를 결정하는 것입니다. 우선 원하는 휠 속도(즉, 최종 출력)를 결정하면 모터와 기어링을 선택할 준비가 된 것입니다. 로봇 제조업체는 일반적으로 로봇이 구동해야 하는 속도를 확정하고 휠 직경은 휠 출력에서 필요한 속도를 결정합니다.

포장 공간
필요한 모터의 기본 성능 특성을 알고 나면 다음 단계는 모터 스택(인코더 + 브레이크 + 모터 + 기어링)이 로봇에 맞고 깔끔하게 포장될 수 있는지 확인하는 것입니다. 인코더를 사용하면 모터 샤프트 회전 정도를 측정할 수 있고, 브레이크 시스템은 토크를 유지하는 데 도움이 되며 비상 상황에서 동적 중지를 제공합니다. 로봇 공학에 사용되는 다양한 유형의 인코더와 브레이크가 있습니다.

전압
작동 전압은 모터에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 일반적으로 전압이 높을수록 모터의 속도 성능이 높아집니다. 모터 데이터 시트에서 전압 상수(역 EMF 상수)를 보고 모터가 볼트당 얼마나 빨리 회전할지 확인할 수 있습니다.

작동 온도
이 온도가 문제가 되는 경우는 많지 않지만, 모터 스택이 밀폐된 경우 과열되지 않도록 해야 합니다. 기어박스의 온도 범위는 윤활 수명에 영향을 미칠 수 있고 시간이 지나면서 성능을 저하시킬 수 있는 문제입니다.

무게
모터 선택을 위해 토크를 결정하려면 부하의 질량을 알아야 합니다. 질량 예상치(실제 질량이면 더 좋음)는 모터를 선택하는 데 중요합니다. 질량 예상치를 기준으로 설계하는 경우 약 25%의 안전 여유를 적용해야 합니다. 모터 데이터 시트에서 토크 상수를 보고 암페어당 얻을 수 있는 토크 출력을 파악할 수 있습니다.

비용
기어박스가 더 저렴할 수 있으므로 처음부터 기어박스를 구축하고 싶은 유혹을 때때로 받을 수 있습니다. 그러나 새 기어를 설계, 조립, 테스트하는 데 시간이 걸리는 경우 표준 카탈로그에서 기어박스를 구비하는 것이 더 경제적인 경우가 많습니다.

정밀도 / 정확도 / 효율성
기어링에서 감당할 수 있는 지체 정도는 얼마입니까? 많은 경우에 휠 모터에서는 정밀도와 정확도가 약간 떨어질 수 있습니다. 이 기어 모터는 다양한 지형과 토크 프로파일에 사용되며 모든 응용 분야에서 높은 성능(저소음/진동 등)을 요구하지는 않기 때문에 낮은 정밀도를 감당할 수 있습니다. 그러나 로봇 팔이나 기기에는 보다 정밀하고 정확하며 역회전이 낮은 시스템이 필요한 경우가 많습니다.

신뢰성 및 소음
대부분의 응용 분야에서 추구하는 요소는 신뢰성 향상이며, 모터 스택은 필수 작동점을 견딜 수 있어야 합니다. 감시 로봇과 같은 일부 중요한 응용 분야에서는 높은 신뢰성과 더불어 낮은 소음이 주요 구동 요소이므로 모터와 기어박스는 두 가지 요구 사항을 모두 충족해야 합니다.

예를 살펴보겠습니다. 휠 장착 로봇 응용 분야의 경우 모션 솔루션을 위한 제품 사양을 Portescap에서 다음과 같이 자세히 설계했습니다.

•	모터 세부사항: - 브러시 DC 35 GLT
•	주 기어박스: - 유성 기어박스, 3단계, 평, 99.8 총 기어박스 비율

기술적 이점

많은 휠 장착 로봇은 이동을 위해 별도로 구동되는 휠을 사용하는 차동 조향을 사용합니다. 균형이 더 좋은 설계는 2쌍의 동력 휠이 달린 4륜 구동 로봇입니다. 각 쌍이 같은 방향으로 회전할 수 있습니다. 각 쌍이 같은 속도로 운행되지 않으면 로봇이 천천히 움직이고 직선으로 구동할 수 없습니다. 최적의 설계에는 자동차에 사용되는 것과 유사한 차동 조향 메커니즘이 있어 로봇이 왼쪽 또는 오른쪽으로 회전할 수 있으며, 모터 하나만 있으면 됩니다. 또 다른 일반적인 로봇 구성은 차동 조향 대신 휠을 독립적으로 구동하는 모터를 사용합니다. 이 경우 각 휠을 구동하기 위해 별도의 모터가 필요합니다.

솔루션의 전체 사양은 다음과 같이 정의됩니다.

•	포장: - 직경 32mm x 길이 115mm
•	기어박스 출력 토크 성능: 8Nm
•	기어박스 출력 속도: 80rpm
•	기대 수명: - 1,000시간
•	최대 온도: - 125℃

Portescap 제품은 더 작은 포장, 더 높은 토크 수행 성능 및 더 높은 내구성 측면에서 이점이 있어 여러 휠 장착 로봇 응용 분야에 적용할 수 있습니다.(그림 3)

휠 장착 로봇 공학의 미래 발전

휠 장착 로봇의 최대 약점은 암석 지형, 급경사 또는 마찰이 낮은 지역을 잘 탐색할 수 없다는 것입니다. 이러한 한계를 극복할 수 있는 단일 로봇의 개발에 대한 요구가 나날이 증가하고 있습니다. 이를 위해서는 트랙(차동 구동), 스키드 스티어 4륜, 차동 구동 2륜 + 패시브 캐스터와 같이 로봇 메커니즘을 변경할 필요가 있습니다. 따라서 복잡성은 증가하고, 비용에 대한 영향을 포함한 세부적인 연구가 필요합니다.

전체 아키텍처는 크게 변경하지 않으면서 모션 솔루션 최적화에 집중해야 합니다. 이 문서에서는 내구성, 효율성 및 저소음 측면에서 휠 장착 로봇의 성능에 도움이 될 수 있는 모션 솔루션의 기술 향상을 강조합니다.

•	최신 베어링 솔루션 - 니들 롤러 베어링 (그림4)이 스커핑 고장을 방지하고 유성 핀에서 유성 기어를 부드럽게 회전시킵니다.
•	최적의 기어박스 - 비틀림 힘이 낮은 톱니 조합으로 소음이 적습니다(그림 5).
•	고급 FEA 기반 분석 – 잠재적인 오류를 식별하여 설계 초기 단계에서 해당 오류를 제거하는 데 도움이 됩니다(그림 6).
•	고급 음향 시뮬레이션 - 소음을 예측하고 기본 중점 사항이 소음인 중요한 응용 분야에 대한 설계를 최적화할 수 있습니다(그림 7).

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