동축 마그네틱 기어를 활용한 구동 모듈의 설계, 제어 및 툴 변환 응용
Design, Control, and Tool-changing Application of Coaxial Magnetic Gear-based Actuation Module
- 주제어 (키워드) 동축 자석 기어 , 구동기 , 토크 제어 알고리즘 , 하드웨어 안정성 , 툴 변환 메커니즘 , Coaxial Magnetic Gear , Actuator , Torque Control Algorithm , Hardware Safety , Tool-changing Mechanism
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 정석환
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000076329
- UCI I804:11029-000000076329
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
본 연구는 중소형 로봇 애플리케이션을 위한 소형 동축 마그네틱 기어 기반 구동 모듈의 기계적 메커니즘 설계와 최적화, 실용적이고 효과적인 활용을 위한 외란 관측기 기반의 토크 제어 알고리즘을 제시한다. 기존의 기어 기반 변속기는 동력 전달을 위해 물리적인 접촉이 반드시 수반되어야 하지만, 제안하는 동축 마그네틱 기어 기반의 구동 모듈은 비접촉 방식으로 동력을 전달함으로써 다양한 이점을 가질 수 있다. 마그네틱 커플링(즉, 마그네틱 스프링)을 통해 비접촉으로 전달되는 파워는 기존 접촉 기반 변속기에 비해 높은 역구동성, 하드웨어 안전성 및 입출력 간의 투명성을 가질 수 있으며, 이러한 특징들은 로봇시스템 분야에서 다양한 이점을 제공할 수 있을 것이다. 또한, 마그네틱 커플링은 직렬 탄성 구동기와 유사한 특징을 가지므로 추가적인 토크 센서 없이도 토크 제어를 가능하게 한다. 마그네틱 기어 설계는 차등 진화법을 이용하여 최적화하였으며, 동적 모델을 도출하여 제안하는 구동 모듈의 동적 특성을 분석하였다. 구동 모듈의 동적 특성을 바탕으로 외란 관측기 기반 토크 제어 알고리즘을 제안하였고, 여러 실험을 통해 제안된 제어기의 성능을 검증하였다. 마지막으로, 로봇시스템 활용의 예시로써, 제안하는 구동 모듈을 툴 변환 메커니즘에 적용하여 로봇시스템의 적용 가능성을 보였다.
more초록 (요약문)
The thesis describes a actuation module for small-to-mid-sized robots that uses a magnetic gear to transmit power in a non-contact manner. Unlike traditional mechanical gears, which rely on physical contact to transfer power, the magnetic gear allows for remote power transmission through magnetic coupling, which enhances the backdrivability, safety, and transparency of the transmission system. Additionally, the magnetic coupling provides features similar to a series elastic actuator, which allows for torque control without requiring an additional torque sensor. The differential evolution(DE) method was used to optimize the magnetic gear design and a dynamic model that characterizes its behavior of module was derived. A disturbance observer-based torque control algorithm was proposed that takes advantage of the magnetic spring's unique features and several experiments were conducted to validate their approach. Finally, as an example of the practical use of the robot system, the proposed actuation module was applied to the tool changing mechanism to demonstrate the applicability of the robot system.
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