Many industrial applications require multi-DOF (degree-of-freedom) rotational motions to achieve various tar-gets. As of now, multi-DOF spherical motion are realized almost exclusively by using a separate 1-DOF motor for each axis. Each 1-DOF motor is connected by gears and links. While 1-DOF motor can provide accurate motions on a single axis, the combinations of these single-axis motors as multi-DOF devices are rather bulky and incapable. Be-cause friction and backlash exists in motion transmission mechanisms, the combined multi-DOF actuator has poor accuracy. In addition, this type of combined multi-DOF actuator system has kinematic singularities in the operation range. In order to solve these problems, several spherical actuators have been developed. Spherical actuators are capable of multi-DOF rotational motion within a single joint. For these last few decades, spherical actuator has been a popular research topic around the world because it has the advantages of compact size, high motion precision, fast response, direct driven, non-singularity in workspace and high efficiency. In addition the spherical actuator has a wide potential application: robotic wrist, elbow, and shoulder actuators; camera actuators for surveillance; manufacturing machine actuators; head ramp and side-view mirror actuators for automobile
Most spherical actuators are based on the principle of electromagnetism. The three dimensional nature of the electromagnetic field distribution in almost all previous spherical actuators make their electromagnetic and dynamic behavior difficult to analyze and this has been a significant obstacle to their design optimization and servo application. Closed-loop control systems for nonlinear electromagnetic spherical actuators especially have difficulties due to a number of uncertainties involving system identification and force/torque computation. As a result, the potential advantages of employing spherical actuators have not been realized. Therefore, most of developed spherical actuators remain un-commercialized.
The main objective of this thesis is to propose, design and control a novel type of spherical actuator in application to the multi-DOF joint. The key feature of the proposed spherical actuator is to use the same principle with VCM for easy accessibility of feedback control. The VCM has a simple principle of driving and the constant torque coefficient characteristic. In past studies of spherical actuators, the complexity of the actuating principle makes modeling error worse and more difficult to control. The simple principle of VCM is an important motivational factor to solve their problems. In addition, a sensing and guide mechanism is placed in the inside of the actuator in order to increase the chance for commercialization.
We designed a novel spherical actuator which is easy to control. Also, the novel spherical actuator increases the chance for commercialization. In order to maximize the actuator’s torque, the design optimization is presented. In addition, the parameter analysis is conducted for design parameters. Using a FEM simulation tool, the analytic model was verified. For feedback control, the sensing and guide mechanism was also designed.
We manufactured the proposed spherical actuator for experimental verification. We implement and evaluate the novel spherical actuator by measuring working range, tracking error, in-position error, resolution, 2% settling time, torque constant, velocity ripple and torque ripple. We applied a new spherical actuator to a small surveillance camera. Unlike existing surveillance camera modules, the new surveillance camera with proposed spherical actuator can be rotated 3-DOF direction. The new surveillance camera module has more surveillance scope. In addition, the rotating pictures can be compensated to horizontal pictures. Application of camera module is only the tip of the iceberg. Considering a size, weight, working range, we will be able to design various novel spherical actuators for different situations. The novel VCM spherical actuator will be able to apply in many industrial and military applica-tions.
다양한 산업 현장에서 여러 가지 목적으로 다자유도 회전 가능이 요구되고 있다. 특히 로봇 산업에서 로봇의 관절구동에 필요한 다자유도 회전 기구에 대한 수요는 점점 증대되어 왔다. 다자유도 구동기는 레이더 구동 및 무인 감시카메라 구동, 정찰로봇 관절구동 등과 같은 군사 분야에서 그 필요성이 더욱 강조되고 있다. 현재까지 로봇 시스템에서 다자유도 회전 구동을 위해 2-3개의 1자유도 회전모터를 병렬로 연결하여 쓰는 경우가 대부분이었다. 그러나 이는 다수의 모터 사용으로 효율성이 떨어질 뿐만 아니라 기어와 링크 사용으로 정밀도 측면에서도 떨어진다. 스피리컬 구동기는 한 개의 조인트에서 다자유도 회전 구동이 가능한 기구다. 일반적으로 스피리컬 모터라고 알려져 있으며 단일 모터로 2-3 자유도 회전이 가능한 모터를 의미한다. 스피리컬 구동기의 경우 단일 구동기로 다자유도 회전이 가능하기 때문에 에너지 효율성 측면과 소형화 측면에서 유리하다. 또한 기어와 링크 사용이 없으므로 고속, 고정밀 위치 제어가 가능하다. 뿐만 아니라 회전중심이 일치하기 때문에 기하학 적으로 시스템 해석이 간편해진다. 이러한 장점 때문에 현재까지 다양한 종류의 스피리컬 구동기가 개발 되었다. 구동 방식에 따라 크게 유도형, 초음파형, 영구 자석형으로 나눌 수 있다. 유도형(Induction type) 스피리컬 구동기는 고정자의 코일에서 발생하는 자기장이 회전자의 표면의 전류를 발생시켜 회전자가 회전하게 되는 방식이다. 유도형의 경우 복잡한 기계 구조로 인해 정밀하지 못한 제어성능을 갖고 열 발생이 심하다는 단점이 있다. 초음파 스피리컬 구동기는 피에죠 물질을 이용하여 초음파 주파수로 진동시켜 마찰로 회전자를 회전 시킨다. 부피가 상당히 작고 구동 각도가 크다는 장점이 있지만 속도가 느리고 제작이 복잡하다는 단점이 있다. 영구 자석형 스피리컬 구동기는 자기저항(Reluctance)을 이용하여 회전자를 구동한다. 구동 각도가 상대적으로 크고 시스템 제작이 비교적 간단하여 현제까지 가장 많이 사용되고 있는 구동 방식이다. 고정자에 대칭으로 여러 코일이 배치되어 있고 회전자에 영구자석이 부착되어 있다. 고정자의 코일에 전류를 흘려주어 영구 자석을 다자유도로 회전시키는 구동 방식이다. 자기 저항형의 스피리컬 구동기는 기존의 개발된 스피리컬 구동기중 가장 좋은 성능을 가지고 있지만 낮은 제어 안정성과 토크 세기가 약하다는 단점이 있다. 스피리컬 구동기는 앞에서와 설명했듯이 많은 장점이 있지만 현재까지는 상용화 되지는 못하고 연구 개발 수준에 머물러 있는 상태이다. 그 원인으로는 구동방식의 복잡성으로 인한 낮은 제어 안정성과 센서 설치 시 시스템이 커지는 단점이 있기 때문이다. 새롭게 제안하는 스피리컬 구동기는 이러한 단점을 극복하는 것이 목표이다. VCM을 이용하여 구동방식을 단순화 하였으며 구동기 내부에 센서를 장착하여 정밀 피드백 제어가 가능하게 설계 하였다.
새롭게 제안하는 스피리컬 구동기는 VCM 원리를 이용한다. VCM은 균일한 자기장 속을 지나가는 코일에 전류가 흐르면 로렌츠 힘이 발생하여 구동력을 얻는다. 이와 같은 원리를 스피리컬 구동기에 적용하여 구동원리가 간단한 새로운 형태의 스피리컬 구동기를 설계하였다. 고정자는 크게 내부요크와 외부요크 그리고 원형 자석으로 이루어져 있다. 세 부분 모두 구형으로 이루어져 있으며 제작 및 조립을 위해 네 부분으로 분할하여 설계하였다. 원형 자석은 구동기 중심방향으로 자화 되어 있으며 외부요크에 부착되어 있다. 자석과 내부요크 사이에는 회전자인 코일이 움직일 수 있도록 공극이 존재하고, 내부 요크와 외부요크는 상부와 하부에서 서로 연결 되어 있어 자기 폐루프를 만들어 공극에서의 자속을 최대화 시켜준다. 회전자는 2자유도 tilt-모터와 1자유도 회전 모터로 이루어져 있다. 제안하고 있는 스피리컬 구동기는 2-자유도로 설계 되었으나 회전 모터 결합 시 3-자유도로 확장 할 수 있는 구조이다. 2-자유도 tilt-회전자는 4개의 코일 보빈과 1자유도 회전 모터를 지지할 수 있는 회전자 덮개로 이루어져 있다. 1-자유도 회전 모터는 필요한 자유도에 따라 탈부착이 가능한 구조이다. 각각의 코일 보빈은 구동각 ±35도가 가능한 크기로 설계되며 중앙 링에 결합되어 한 개의 회전자를 이루게 된다. 회전자인 코일은 자석과 요크와의 접촉 없이 공극 안에서 움직이게 된다. 정자의 요크와 자석은 공극에서 균일하고 강한 자속을 발생 시킨다. 공극에 위치하고 있는 회전자의 코일에 전류가 흐르면 로렌츠 힘이 쌍으로 발생하여 토크가 발생되는 원리이다. 자속이 구동기 회전각도 전 구간에서 일정하고 코일 길이도 일정하므로 구동기의 토크는 오직 전류 세기에 따라 변하게 된다. 즉 단순히 직류전류로만 구동기의 정밀 제어가 가능해 진다. 제안하는 스피리컬 구동기는 기존의 스피리컬 구동기의 단점으로 지적 되었던 부피가 큰 외부의 가이드 기구를 내부에 설치하는 것을 목표로 설계되었다. 센서 및 가이드기구를 내부에 설계하는 것은 구동기의 실용성 측면에서도 매우 중요한 점이다. 그동안 개발된 스피리컬 구동기의 경우 외부의 센싱 및 가이드 기구로 인해 구동기의 소형화 측면에서 불리하였다. 그러나 새로 제안하고 있는 스피리컬 구동기의 경우 설계 초기부터 내부에 센싱 및 가이드 기구를 설치되도록 설계하였다. 제안하는 스피리컬 구동기는 정밀 제어를 위해 로터리 엔코더를 센서로 사용하였으며 짐벌 가이드 기구를 이용하였다.
새롭게 제안하고 있는 스피리컬 구동기는 기존에 개발된 스피리컬 구동기의 문제점을 해결하는데 초첨을 맞추어 설계하였다. 제안하고 잇는 스피리컬 구동기는 VCM 구동원리를 이용하여 기존에 개발된 스피리컬 구동기와 비교하여 틸트 토크 성능 개선과 제어안정성을 향상시켰다. 또한 센싱 및 가이드 기구를 구동기 내부에 배치하여 소형화하여 그 활용성을 증대 시켰다.
