Electric motors typically used in robot actuators are used to produce low-speed, high torque performance in
combination with a gear reducer to overcome the characteristics of high-speed, and low-torque, but are used in a
limited speed-torque operation range due to the thermal and mechanical limitations of the system. To overcome
this issue, multiple variable transmission systems have been developed. However, because of the complexity of
the proposed design and the limitations in weight reduction, miniaturization, and durability of the mechanical
components, the existing variable transmission mechanisms have difficulty applying to small and medium-sized
robots. Moreover, due to the time delay in gear shifting process, a limited range of variable transmission, and the
low durability limits to its application in the field of physically interacting robots.
This study proposes an active continuously variable transmission design to overcome the limitations of the existing
transmission system, which is hard to apply to robots. The proposed transmission is a type of continuously variable
transmission capable of continuously shifting by a friction-based power transmission between toroidal input and
output disks and spherical rollers. It has the function of preventing malfunction through the occurrence of slip
between the disk and roller in the event of an external shock or overload by utilizing the intrinsic characteristic of
friction-based power transmission. In addition, we enabled a wide range of gear shifting at high speed through the
design of a gear ratio control module that combines a low-output motor with a planetary gear and a worm gear
module. Based on these concepts, a compact design of transmission possessing a wide operation range, high energy
efficiency, and overload protection functions was implemented suitable for physically interacting robotic
applications.
In order to maximize the performance of the proposed transmission, the hardware was manufactured through the
process of setting and optimizing design parameters. Through the kinematic and dynamic modeling and
experimental validations of the frictional power transmission, system output, energy efficiency of the system, gear
shifting performance (range, speed), and the speed-torque curve of the output are presented.
로봇 구동기에 대표적으로 사용되는 전기 모터는 고속 저 토크의 특성을 극복하기 위해 감속기와
결합하여 저속 고 토크의 성능을 내기 위하여 사용되지만 시스템의 열 적 기계적 한계 때문에
제한된 속도-토크 구동 영역에서 사용된다. 이를 해결하기 위해 다양한 가변 변속 시스템들이
개발되었지만 구동 메커니즘의 특성으로 기인하는 부품의 경량화, 소형화 및 내구성의 한계로
인해 중 소형 로봇에의 적용에 많은 문제점을 가지고 있다. 또한 변속 과정에서의 시간 지연,
제한된 범위의 변속 비 변화 및 낮은 내구성으로 인해 특히 외부 환경과 물리적인 상호작용을
하는 로봇 분야에 적용하기에 한계가 있었다.
본 연구에서는 로봇에 적용하기에 힘든 기존 변속 시스템의 한계를 극복하기 위해 능동형 연속
가변 변속기 설계를 제시한다. 제안하는 변속기는 토로이드 형상의 입력 및 출력 디스크와 구형
롤러 사이의 마찰 기반의 동력 전달 방식으로 연속적인 변속이 가능한 무단 변속기의 일종이다.
마찰 식 동력 전달이 가진 본연의 특성을 활용하여 외부의 충격 혹은 과 부하 시 디스크 및 롤러
사이 슬립 발생을 통해 손상을 방지하는 기능을 가지고 있다. 또한 낮은 출력의 모터와 유성기어
및 웜 기어 모듈이 결합된 변속 비 조절 장치 설계를 통하여 넓은 범위의 변속을 빠른 속도로
구현이 가능하다. 이를 통해 기존 로봇의 연속 가변 변속기에 구현이 힘들었던 설계가
가능하였으며, 로봇 구동기 작동 범위의 확장, 높은 에너지 효율 및 과부하 방지 기능을 통해
물리적으로 상호작용하는 로봇 어플리케이션에 적용이 가능하다.
제안한 변속기 성능의 극대화를 위해 설계 변수 설정 및 최적화 과정을 거쳐 하드웨어 제작을
진행하였으며, 마찰 식 동력 전달 시스템의 기구 학 및 동역학 모델링 및 실험적 검증을 통해
시스템의 출력, 에너지 효율, 기어 변속 성능(범위, 속도) 및 출력의 속도-토크 곡선의 결과를
제시한다.
