관성 모멘트 감소를 위한 벨트 하모닉 감속기 개발

Abstract

전기 모터는 빠른 제어 반응성과 상대적으로 용이한 에너지원 관리로 인해 현대 로봇 분야에서 가장 범용적으로 사용되는 액추에이터 중 하나이다. 그러나 높은 회전 속도 대비 부족한 가용 토크 범위 때문에, 대부분의 로봇 설계에서 토크를 증가시키는 감속기와 함께 적용된다. 특히, 큰 감속비와 높은 정밀도라는 장점으로 인해 파동 조화 감속기 일명 하모닉 기어는 여러 가지 로봇 설계에서 자주 사용된다. 그러나 하모닉 기어는 어려운 제조 공정 및 탄성체로 만들어진 동력 전달원 등으로 인하여 두께 제한 등 여러 가지 한계가 존재한다. 한편, 족형 로봇의 경우, 다리의 관성 모멘트가 제어 반응성에 영향을 줄 수 있으므로 각 관절에 모터와 감속기를 포함한 액추에이터를 직접 배치하기 어렵다. 또한, 감속기와 동시에 동력 전달 장치나 4절 링크를 사용하면 전체적인 부피가 커지고 무게가 무거워지는 단점이 존재한다. 본 논문에서는 체인, 타이밍 벨트 등의 동력 전달 장치로 탄성체를 모사하여 플렉스 스플라인을 대체하는 새로운 감속기를 제안한다. 특히, 벨트 하모닉 감속기의 원리를 사용하여, 동력 축과 관절 축을 분리함과 동시에 고감속비의 액추에이터를 적용할 수 있는 HABA-T(HArmonic Belt Applied Transmission)를 제시하였으며, 위치 추종 성능을 분석하여 관성 모멘트 감소가 필요한 링크에 설계 적용 가능성을 제시하였다.

Electric motors are one of the most universally used actuators in the field of modern robots due to their rapid control responsivity and easy energy source management. However, they are applied with a speed reducer that increases the torque in most robot designs due to the insufficient torque range. In particular, harmonic gears are used in various robots due to the advantages of a large reduction ratio and high accuracy. However, there are various difficulties in manufacturing and the power transmission source as an elastic body such as thickness limitation. On the other hand, in a legged robot, in which the moment of inertia of the leg can affect control responsivity, it is difficult to directly place an actuator including a motor and a reducer in each joint. Also, using a power transmission device or a four-link with the reducer has the disadvantage that the overall volume is increased and the weight is heavier. In this paper, a novel reducer that replaces the flex spline with power transmission devices such as chains and timing belts by imitating an elastic body is proposed. In particular, HABA-T (HArmonic Belt Applied Transmission) using a belt harmonic reducing mechanism that can apply an actuator with a high reduction ratio while separating the actuator axis and the joint axis is proposed. And, the feasibility of the novel mechanism for applications that require reducing the moment of inertia was demonstrated by analyzing the position tracking performance.