복합유성기어 기반 고감속 초박형 감속기 개발과 그 동작 특성 분석

국문 초록 (Abstract)

최근 기계 산업이 발전함에 따라 인간의 활동을 보조하는 기구의 관심이 높아지고 있으며 소형 구동기에 적용할 수 있는 컴팩트하며, 고감속의 고효율 감속기에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 일반적인 구동기는 전기 모터와 감속기의 조합으로 되어있다. 로봇용 구동기에 대체적으로 하모닉드라이브 유형(Harmonic drive type)의 감속기와 사이클로이드 유형(Cycloid type) 감속기가 사용되고 있으며 소형에서 고감속의 감속비를 얻을 수 있는 장점이 있어 가장 많이 사용되었다. 하지만 감속기를 구성하는 부품의 부피가 커서 높은 질량을 가지고 있다. 또한, 전체 효율과 강성이 낮아, 일반적이지 못한 감속기 외형으로 기구부를 세련되게 디자인하기 어려운 치명적인 단점이 있다.
그러므로, 점차 소형화 및 컴팩트화된 구동기의 개발의 적용에는 한계가 있어, 휴머노이드 로봇, 서비스 로봇, 착용형 로봇, 메니퓰레이터 등에 적용할 수 있는 저가이면서도 고효율의 로봇용 감속기의 개발이 필요하다.
본 연구에서는 상기 감속기의 단점을 개선하기 위하여 하모닉드라이브와 사이클로이드 유형의 기어보다 상대적으로 제작이 용이한 복합유성기어를 사용한 로봇용 감속기의 설계를 제안하고, 그 적합성을 검증하였다.
선행 개발이 진행된 로봇용 복합유성기어 감속기의 구조를 분석하였으며, 전체적인 효율과 백레쉬에 대한 시뮬레이션 프로그램을 매트랩 심스케이프를 이용 하여 제작하였고, 개선된 구조를 제안 및 초안 설계를 진행하였다. 감속기 내구성을 높이기 위하여 각 기어의 치 면에 대한 내구성 시뮬레이션을 통해 취약점을 확인 후 이를 보완하는 최적 설계를 진행하하고, 감속비 52:1과 100:1의 시제품 감속기를 제작하였다. 제작된 두 유형의 감속기의 주파수 영역대에서의 동작성 검증과 성능 측정을 하고 국내 시중 양산감속기와 세계 최고 수준의 로봇용 감속기의 성능 수치와 비교하여 로봇용 감속기의 적합성을 평가하였다.

목차 (Table of Contents)

• 국 문 요 약 I
• LIST OF TABLES IV
• LIST OF FIGURES V
• 제 1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 3
• 1.3 연구과정 및 목표 4
• 제 2장 감속기의 특성 5
• 2.1 로봇용 감속기의 특성 5
• 2.2 복합유성기어 감속기의 특성 6
• 제 3장 복합유성기어 감속기 설계 7
• 3.1 효율 시뮬레이션 7
• 3.2 백레쉬 시뮬레이션 13
• 3.3 내구성 시뮬레이션 20
• 3.4 감속기 설계 25
• 제 4장 감속기의 동작 특성 분석 33
• 4.1 동작 특성 분석의 구성과 방법 33
• 4.2 실험 결과 및 비교 분석 35
• 4.2.1 (주파수 영역 특성) 입력축 주기에 따른 출력축 응답성 35
• 제 5장 실험 결과 39
• 5.1 복합 유성감속기의 제작 39
• 5.1.1 52:1 시제품 감속기 39
• 5.1.2 100:1 시제품 감속기 41
• 5.2 개발 감속기의 성능 측정 43
• 제 6장 결 론 44
• 참고문헌 46
• ABSTRACT 49
• 감사의 글 51