로봇 關節驅動을 위한 3自由度 스피리컬 모터의 解析 및 制御特性에 관한 硏究

Abstract

정보화 시대를 뒤이어 현대사회의 기술적 혁신을 이끌 것으로 평가되는 로봇기술은 최근 들어 대단히 많은 기술의 개발과 개량이 이루어져 왔으며, 그 추세는 점점 더 급격해 지고 있다. 그 중에서도 주로 인공지능, 햅틱과 관련된 센서기술, 프레임 설계기술, 운동제어기술 분야에 있어서는 불과 십년 전과는 비교가 되지 않을 정도로 기술의 혁신과 축적이 진행되어왔다. 그러나 20세기를 이끈 자동차기술의 핵심인 엔진과 관련해서는 대단히 많은 연구와 조사가 이루어진 것과는 달리, 로봇을 구동하기 위한 모터와 엑추에이터에 관련해서는 과거에 비하여 그다지 기술혁신이 이루어진 것이 없다고 할 수 있으며, 특히 전력전자기술에 힘입은 모터 구동장치의 개선을 제외하면 거의 기술의 진보가 멈추어져 있었다고 해도 과언이 아니다. 모터와 엑추에이터를 이용한 로봇의 관절은 하나의 동작점에서 다 자유도를 필요로 하는 경우가 많아 관절시스템이 복잡해지고, 여러 개의 모터와 엑추에이터를 사용함으로 인한 중량과 부피의 증가가 뒤따르며, 각종 연결시스템의 링크설계로 인한 제어가 어려워지는 등의 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 하나의 모터로 다 자유도를 구현할 수 있는 로봇 관절구동용의 스피리컬모터 특성에 대해서 조사하고, 그 동작을 예측하고 해석 할 수 있는 방법에 대해 고찰하였으며, 실험을 통한 검증을 위해 3자유도를 가진 스피리컬 모터를 제작하여 그 특성을 비교 검토하였다. 본 연구가 아직 우리나라에서 뿐 아니라 전 세계적으로도 타당성 조사연구단계에 이르고 있는 스피리컬 모터를 비롯한 새로운 개념의 로봇관절구동장치에 대한 연구저변 확대에 밑바탕이 될 것이라 생각된다.; Spherical motor is a relatively new device in electric machinery. It has potential to be adopted in a number of areas of robotic and automatic control applications. This paper gives an overview of the various implementations of the technology and discusses its advantages and disadvantages, in this field. The author undertook a literature review of current research in this field to evaluate the operation, use and advantages and disadvantages of this spherical motor. An area where it is likely to be adopted is in robotic joint like wrist, ankle. Spherical motor was found to have several advantages over its simple construction and for use in robotic applications. It was however found to have limitations in spinning operation and a limited tilting angle. The author presented novel method to simulate the back-emf and the positioning characteristics of the spherical motor and verified by measuring the positions and back-emf characteristics of the manufactured spherical motor. This study will be very useful for the engineers and researchers who study robotics and new devices for the multi-D.O.F joints.