고강성 고감속 초박형 감속기 개발을 위해 유성기어와 링 기어가 두 개가 있는 복합 유성기어 감속기 형태로 제작을 수행하였다. Fig. 1은 복합 유성기어 감속기의 계략도로 유성기어인 P₁과 P₂는 컴파운드 기어로 잇수가 다른 두 기어를 결합하여 제작하였다. 해당 구조로 총 3종류의 서로 다른 감속비의 감속기를 개발하였으며 Table 1은 개발한 3종류의 복합 유성기어 감속기의 제원이다. 이론상 감속비는 식(1)을 활용하여 계산하였으며 작은 공간에서 높은 감속비를 가질 수 있도록 부품의 크기를 소형화 필요하므로 고탄소강과 기계 구조용 합금강 재료를 사용하여 복합 유성기어 감속기를 제작하였다. Fig. 2는 복합 유성기어 감속기의 전체적인 구조를 보여주고 있으며 회전 동력의 입력은 선기어(S)로 인가하며 감속된 출력 회전 동력은 2단 링기어(R₂) 출력으로 하여 로봇 결합에 용이하도록 설계하였다.

Fig. 1 
Compound planetary gearbox diagram

Fig. 2 
Structure of compound planetary gearbox

감속기 성능 평가를 진행하기 위해서는 회전력을 만들어 줄 수 있는 모터와 회전을 제어하여 토크를 생성할 수 있는 브레이크가 필요하다. 본 논문에서는 서보 모터(Servo Motor)와 파우더 브레이크(Powder Break)를 사용하여 동력계 시스템을 구축하였으며 모터와 브레이크 사이에 토크 측정기를 배치하여 감속기의 성능을 평가하였다. Fig. 3은 동력계의 전체적인 구조적인 모습을 보여준다. 토크 센서는 입력모터와 제작한 복합 유성기어 감속기의 이론상 제원에 따라 측정 가능한 범위의 센서로 선정하였으며 토크 값에 대한 데이터는 센서의 인디게이터를 통해 데이터를 수집할 수 있으며 수집 장치를 통해 데이터를 저장하였다. Fig. 4는 실제 동력계 모델이다.

Fig. 3 
Assembly diagram of dynamometer

Fig. 4 
Actual dynamometer model

낮은 역구동성(Reverse Drive), 백래시(Backlash), 전달오차(Transmission)는 로봇 시스템 구동부에 적용하는 감속기에서 중요한 요소로 작용한다. 역구동성, 백래시, 전달오차를 측정은 정확한 위치측정 센서를 필요로 하여 비접촉 절대 엔코더를 사용하기 위해 동력계 이외의 새로운 기구를 메커니즘이 필요하다. 본 논문에서는 3가지 항목을 측정하기 위해 시험에 필요한 지그를 자체적으로 개발하였다.

Fig. 5는 3가지 항목 측정에 필요한 지그 시스템을 보여준다. 입력 모터로 구동하고 감속기 출력부에 비접촉식 절대 엔코더센서를 부착하여 데이터를 추출할 수 있도록 하였으며 출력부에 무게 추를 인가할 수 있는 바를 삽입하여 역구동성을 측정할 수 있도록 하였다. Fig. 6은 실제 지그 모델이다.

Fig. 5 
Assembly diagram of jig

Fig. 6 
Actual test jig model

감속기의 효율은 식(2)와 같이 구할 수 있다. 디지털 타코미터를 활용하여 감속기의 입력축의 정격 입력 회전 수를 확인 후 시험 조건에 따라 정격 출력 토크를 인가하였다. 입/출력 토크를 계측한 후 식(1)을 통해 얻은 이론상 감속비와 토크 값을 이용하면 효율을 구할 수 있다[7].

출력 당 부피는 식(3)과 같이 구할 수 있다. 복합유성기어 감속기 시제품과 도면을 참고하여 형상과 치수를 확인하고 3D 모델링을 활용하여 감속기의 부피를 확인하였다.

출력 당 무게는 식(4)와 같이 구할 수 있다. 출력 당 부피 평가 시 측정한 형상과 치수를 기본으로 하며 전자 저울을 사용하여 감속기 무게를 측정하였다. 출력은 모터의 출력을 의미하며 식(5)를 이용하였다. 9.549 상수값은 Output RPM 값을 rad/s 단위로 변환해주기 위해 나눠주었다.

동력계를 이용하여 출력 당 부피, 출력 당 무게, 효율, 감속범위를 측정하였으며 감속기가 모터에 의해 구동 시 소음을 측정하기 위해 소음 측정기도 사용하였다. 소음 측정은 동력계에 있는 시험체의 전면, 측면에 일정한 거리에 소음 측정계를 두고 측정하였으며 낮은 소음은 감속기가 정교하게 제작되었음을 의미한다[8].

전달오차는 식(6)과 같이 구할 수 있다. 입력축 절대 엔코더센서의 측정값과 출력축 절대 엔코더 센서의 측정값에 감속비를 곱한 값의 오차를 확인하면 전달 오차를 구할 수 있으며 입력모터를 정격 회전수 3,000 RPM으로 구동하였다.

역구동성은 Fig. 5의 지그에 부하인가용 바를 연결한 후 무게추(0.1, 0.2, 0.5 kg)와 무게 추 장착거리(10, 15, 20 cm)를 변경하며 역구동이 발생할 때까지 바에 토크를 인가하여 측정하였으며 식(7)을 이용하여 계산하였다.

백래시는 Fig. 5의 부하인가용 바에 정방향(시계방향)으로 부하(0.5 N m, 무게 추 0.5 kg 및 장착거리 10 cm)를 인가한 후외부 엔코더로 영점을 설정하여 측정하였다. 역방향(반시계방향)으로 부하를 인가한 후 절대 엔코더 센서의 값과 식(8)을 사용하면 감속기의 백래시 값을 측정할 수 있다.

Table 2는 본 연구에서 사용한 장비의 제원을 나타냈으며 기구부와 감속기를 제외한 모든 물품은 상용 제품을 사용하여 시험을 진행하였다.

동력계를 이용한 성능평가는 총 5가지(출력 당 부피, 출력 당 무게, 효율, 감속비, 소음)를 실행하였다. 정지 상태의 감속기 입력 축과 연결되어 있는 입력 모터를 정격 속도, 정격 토크로 구동시킨 후에 출력단에 설치한 파우더 브레이크의 장력을 상승시켜 감속기에 인가되는 토크를 생성하였다.

동력계에 입력 모터를 정격 전력으로 구동 후 입력 토크 센서 인디게이터와 출력 토크 센서 인디게이터에 측정된 값을 식(2)에 대입하면 52 : 1 감속기 효율은 약 73.3%, 100 : 1 감속기는 83.2%, 151 : 1 감속기는 50.1%로 측정되었다. 효율 측정 시험에서 구한 출력 토크 값과 감속기의 부피를 변수로 식(3)에 대입하였을 때 출력 당 부피 값은 감속비 오름 차순으로 약 1,306.66, 663.14, 902.34 mm³/W로 측정되었다.

검교정이 완료된 전자 저울로 감속기 무게를 측정한 후에 출력 당 무게를 구하기 위해 식(4)에 대입하였을 때 감속비 오름 차순으로 각각 약 4.23, 3.79, 5.00 g/W로 측정되었다. 소음의 경우 검교정이 완료된 소음 측정계를 정격 속도로 구동되는 감속기 전방과 측면에 약 300 mm 지점에 위치시켜 측정하였다[8]. 소음 측정은 이론상 감속비 100 이상의 감속기에만 적용하였으며 100 : 1 감속기는 61.5 dB, 151 : 1 감속기는 75.1 dB로 측정되었다.

감속비 시험은 입력 축 평균 회전수와 출력 축 평균 회전수의 비율로 측정하였으며 실제 설계하고 제작한 감속기의 이론상 감속비와 실제 감속비를 비교하기 위해 측정하였다. 각각 52 : 1, 100 : 1, 153 : 1로 측정되었으며 이론값과 큰 오차가 없는 것을 확인할 수 있다. Table 3은 실제 동력계로 측정한 감속기성능 항목에 대해 결과값이다.

지그를 이용한 성능평가는 총 3가지(전달오차, 백래시, 역구동성)를 실행하였다. 식(6)을 이용하여 전달오차를 계산하였다. 복합 유성기어 감속기의 입력축 엔코더의 측정값에 감속비를 나눈 값과 출력축 엔코더의 측정 값의 오차를 확인하였으며 전달오차는 감속비 오름 차순으로 각각 약 6.105, 4.29, 0.10 arc min으로 측정하였다.

백래시는 2.3장에서 제시한 방법으로 측정하였다. 감속기의 중심으로부터 10 cm 떨어진 위치에 0.5 kg 무게추를 부하로 인가하여 출력축에 연결된 절대 엔코더 센서로 변하는 각도를 측정하였다. 측정 결과 백래시는 감속비 오름 차순으로 각각 43.2, 298.8 15.6 arc sec로 측정되었다.

역구동성은 2.3장에서 제시한 방법으로 측정하였으며 무게추를 이용하여 감속기의 중심으로부터 20 cm 떨어진 평행바에 인가하였다 토크에 대한 계산은 식(7)을 사용하였다. 따라서 역구동성은 감속비 오름차순으로 약 1, 1, 8 N m로 측정하였다. Table 4는 지그로 측정한 감속기 성능 항목에 대한 결과값이다.