4족 보행로봇의 슬관절용 액추에이터의 최적설계 및 실험적 검증에 관한 연구 :A Study on the Optimal Design and Experimental Verification of the Actuator for the Knee Joint of a Quadruped Walking Robot

모준우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 모준우 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원)

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2018

4족 보행로봇의 슬관절용 액추에이터의 최적설계 및 실험적 검증에 관한 연구

모준우 2018.01 학위논문

2017

특성함수를 이용한 4족 로봇용 슬관절 피치 모터 최적설계

모준우 , 이태우 , 홍도관 외 2명 대한전기학회 학술대회 논문집 2017.10 학술대회자료

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본 논문은 로봇의 관절에 적용되는 영구자석 액추에이터 설계사양 결정방법과 목표 사양에 부합하는 액추에이터의 최적설계, 해석 및 성능평가에 대해 기술한다. 로봇 시스템에서 적용되는 액추에이터에 관한 특성을 분석하였다. 시스템에 최적화된 액추에이터에 개선된 설계 및 해석기법을 적용하여 실제 4족 로봇의 관절에 적용되는 모터의 요구사양을 만족하는 액추에이터를 최적 설계하였다. 그리고 성능평가의 단계를 거쳐 제안된 방법의 타당성을 검증하였다. 본 논문에서는 다음과 같은 내용을 다루고자 한다.

먼저, 기존 4족 보행로봇용 슬관절에 적용되는 상용 액추에이터의 사양을 만족하도록 하였다. 권선계수, 최대 병렬회로수, 강제진동모드를 고려하여 가장 적합하다고 판단되는 극수 슬롯수 조합의 표면 부착형 영구자석 동기 전동기 (Surface permanent magnet synchronous motor, SPMSM)을 선정하였다. 액추에이터가 적용될 어플리케이션의 요구사항에 만족하는 설계사양과 고려사항의 의미 및 중요성에 대하여 기술하였다.

둘째, 설계사양에 부합하는 액추에이터의 전자계 특성 및 기계적 특성을 분석하고 설계를 위한 각 특성에 주요한 영향을 미치는 설계변수를 선정하였다. 다양한 실험계획법 및 통계적 샘플링 방법을 이용해 각 변수 및 수준을 정하고 특성해석을 완료하였다. 전자기 압력, 점적율, 역기전압에 따른 전압 마진 등을 계산하여 각 실험계획법의 최적해를 구하고 이를 비교, 분석하여 최적 모델을 결정하였다.

셋째, 최적 모델의 액추에이터를 제작하여 성능평가를 수행하였다. 슬관절용 액추에이터의 특성을 분석하고 정격의 3배인 순시운전영역까지의 토크와 속도를 고려해 액추에이터의 각 성능지표에 대한 결과를 성능맵으로 제시하였다. 고속, 고출력으로 사용되는 액추에이터 시스템에 대한 순시영역에서의 안정성 평가를 위해 소음, 진동 및 열적 안정성 평가를 수행하였고, 본 논문에서 제안한 액추에이터 설계 및 성능해석에 대한 결과를 실험적으로 검증하였다.

제 1 장 서 론 1
1-1. 연구배경 1
제 2 장 설계사양 및 극수-슬롯수 조합 결정 4
2-1. 목표사양을 고려한 액추에이터 설계사양 4
2-2. 극수-슬롯수 조합 결정 9
제 3 장 액추에이터 최적설계 및 성능해석 13
3-1. 요구사양 및 제약조건 13
3-2. 액추에이터 최적설계 15
3-3. 액추에이터의 다중물리 특성해석 35
3-4. 다중 물리적 성능해석 41
제 4 장 액추에이터 성능시험 55
4-1. 시작품 제작 55
4-2. 액추에이터 무부하 시험 57
4-3. 액추에이터 성능시험 59
4-4. 다중 물리적 성능시험 67
제 5 장 결론 및 향후 계획 77
참고문헌 79

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