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Elacloid Drive
사이클로이드 감속기의 새로운 패러다임.
독자적 구조로 새롭게 태어난 민트로봇의 정밀감속기인 엘라클로이드 드라이브를 소개합니다.
기존 감속기의 단점을 극복하다.
정밀 감속기는 로봇에 있어 가장 중요하고 가장 비싼 부품 중 하나입니다. 일반적으로 산업용 로봇은 하모닉 드라이브 또는 사이클로이드 드라이브(RV) 유형의 감속기를 사용합니다. 이 두가지 감속기는 각각의 장단점을 가지고 있습니다. 하모닉 드라이브 구동방식은 작고 가볍고 매우 정밀하지만, 비교적 약하고 제조하기가 매우 어려우며 매우 비쌉니다. 한편, 사이클로이 드라이브 구동방식은 크고 무겁고 하모닉 드라이브 구동방식에 비해 상대적으로 덜 정밀하지만, 힘이 매우 좋으며 제조가 비교적 쉽고 하모닉 드라이브 구동방식에 비해 상대적으로 저렴합니다. 아무튼, 공통적으로 두 가지 유형의 감속기의 가격은 매우 비쌉니다.
그래서 우리는 보다 더 저렴한 감속기를 만드는 방법을 고려했습니다. 첫 번째로, 우리는 제조 공정의 어려움을 줄이기 위해 사이클로이드 드라이브 구동방식의 원리를 선택했습니다. 그런 다음, 제조 장비 투자 비용, 가공 시간 등과 같이 제품의 생산 원가를 줄이기 위해 기존의 사이클로이드 드라이브와는 다른 저비용으로 제조가 가능한 공정을 새로 수립했습니다. 마지막으로 우리는 새로 개발된 제조 공정으로 인하여 떨어질 수 있는 정확도를 유지하기 위해 우리만의 특별한 구조를 적용했습니다. 이것이 우리의 엘라클로이드 드라이브가 개발된 역사입니다.

감속기는 로봇 암 전체의 약 34% 이상의 가격을 차지합니다. 따라서, 로봇 비용을 줄이기 위한 과정은 감속기의 비용절감으로 시작해야 합니다. 감속기의 비용 절감을 할 수 있다면 낮은 가격의 로봇이 개발 가능하며 이로 인하여 더 많은 로봇이 보급될 수 있습니다. 그렇게 로봇이 더많이 보급화된다면 우리는 진정한 4차 산업혁명을 향해 나아갈 수 있습니다.
우리는 엘라클로이드 드라이브 [Elacloid Drive]가 이 가격 혁명을 이끌 수 있다고 확신합니다.
구조
특허 받은 제로 백래시 고정밀 사이클로이드 감속기.
사이클로이드 드라이브 감속기는 편심 회전을 하는 입력 축이 사이클로이드 치형을 갖는 디스크를 회전시켜 마치 내치핀이 디스크 위를 굴러가는 것과 같은 움직임을 발생시켜 감속 메커니즘을 구현 합니다. 이 때, 디스크와 핀은 매우 단단한 부품이기 때문에 서로 미끄러지며 구동하기 위해서는 두 부품사이에 반드시 미세한 공차가 존재해야 합니다. 따라서, 일반적인 사이클로이드 드라이브는 완전한 제로 백래시를 구현할 수 없습니다.
일반 사이클로이드 감속기의 치형
당사 엘라클로이드 감속기의 치형
우리는 이러한 사이클로이드 디스크와 핀 사이의 구동을 위하여 필요한 미소 공차를 완전하게 제거하기 위하여 사이클로이드 디스크의 치형과 맞물리는 핀에 탄성변형의 원리를 적용하였습니다. 스프링 효과를 갖는 중공 형태의 핀을 사용하게 되면 핀과 디스크가 완전히 접촉이 되어도 핀이 마치 스프링처럼 탄성 변형을 하기 때문에 부품사이의 마찰력이 줄어들어 두 부품은 미끄러 질 수 있습니다. 그리고 중공 형태의 핀은 디스크의 내치 부분과 맞물릴 때마다 공차 범위 수준의 미소한 탄성 변형을 반복 하게 됩니다.
위와 같은 원리를 이용하게 되면 사이클로이드디스 크와 내치핀이 서로 미끄러지며 구동하기 위하여 필 요한 미소 공차를 완전히 제거한 제로 백래시 사이클 로이드 감속기를 만들 수 있습니다. 또한, 소형화 및 경량화가 가능하며 적은 중량 및 크기에서도 하모닉 드라이브 수준의 높은 정밀도를 구현할 수 있습니다.

이러한 탄성변형 원리를 적용시킨 제로 백래시 고정밀 사이클로이드 감속기는 ㈜민트로봇의 독자적인 특허 기술이며, 이 기술을 적용시켜 개발된 제품이 Elacloid Drive (Elastic Deformation Cycloid Drive) 입니다. 엘라클로이드 드라이브는 사이클로이드 드라이브 방식의 감속기 특성상 양산성이 좋고 출력이 높아 하모닉 드라이브 방식의 감속기를 대치할 수 있는 제품으로 각광받고 있습니다.
내치핀과 사이클로이드 디스크 사이의 미소 탄성변형
대한민국 특허 (좌), 국제 PCT (우)
정밀도
감속기의 정밀도.
산업용 로봇이 진동하지 않고 안정적으로 움직일 수 있기 위해서는 로봇의 관절 부위에 사용된 감속기에 흔들림이 없어야 하고, 보통 3 arcmin 이내의 정밀도를 구현할 수 있는 매우 정밀한 감속기를 사용 합니다. 일반적으로 이러한 감속기의 정밀도는 감속기의 히스테리시스 특성을 보여주는 히스테리시스 루프 곡선으로 부터 산출 됩니다.
+T0 : + 방향에 대한 정격 토크
-T0 : - 방향에 대한 정격 토크
비틀림각 : 감속기 출력축의 각도 변화
B : 토크가 + 방향에서 0으로 감속했을 때의 비틀림각
B’ : 토크가 - 방향에서 0으로 감소했을 때의 비틀림각
Hysteresis loss : B와 B’사이의 비틀림’
감속기의 주요 재질인 금속은 탄성체로 볼 수 있으며 모든 탄성체는 탄성 범위 안에서의 외력이 가해져 탄성변형이 일어난 후 외력이 제거 되어 원래의 위치로 복원되었을 때 외력이 가해지기 이전의 위치와 완전하게 동일한 위치로 돌아올 수 없습니다. 예를 들어 감속기의 경우 감속기의 입력 축을 고정하고 +방향으로 일정 부하를 가한 뒤 부하를 제거하면 원래의 위치보다 미소한 만큼 더 비틀린 위치로 복원됩니다. 마찬가지로 –방향으로 일정 부하를 가한 뒤 부하를 제거하면 원래의 위치보다 조금 덜 비틀린 위치로 복원됩니다. 이 두 위치의 차이를 히스테리시스로스라고 부르며, 일반적으로 정밀 감속기의 정밀도를 표현할 때 사용됩니다.
백래시
히스테리시스 로스와 백래시.
백래시는 감속기에서 동력을 전달하기 위하여 마찰하는 부품 사이의 미소한 유격을 의미 합니다. 예를 들어 인볼류트 치형을 주로 사용하는 유성 감속기의 경우 기어가 움직이기 위해서는 반드시 기어의 치형 간에 백래시가 필요 합니다. 한편, 히스테리시스로스는 백래시와는 관계 없이 감속기의 +/- 방향에 각각 부하를 인가한 뒤, 부하를 제거했을 때 발생하는 편차를 의미 합니다. 따라서, 만일 감속기에 백래시로 인한 유격이 존재한다면 이는 히스테리시스로스에 포함되어 나타나게 됩니다. 따라서, 히스테리시스로스가 감속기의 정밀도를 표현하기 위한 더 엄격한 기준이라고 볼 수 있습니다.
엘라클로이드 드라이브 감속기의 백래시.
엘라클로이드 드라이브는 사이클로이드 디스크와 내치 핀간의 간격이 0이기 때문에 감속기 그 자체는 구조적으로 제로 백래시 구조라고 볼 수 있습니다. 하지만, 사용자의 사용 조건에 따라 입력 및 출력축의 연결 부위에서 백래시가 발생할 수 있습니다.
입력축의 키 홈 공차로 인한 백래시.
엘라클로이드 드라이브의ECD-F시리즈는 일반적으로 서보 모터와 직결하여 사용이 되며, 입력축에 서보 모터의 출력 축의 규격에 해당하는 키홈이 존재 합니다. ECD-F 시리즈 입력축의 키홈은 H7 공차로 가공이 되며, 일반적인 서보 모터의 축 공차는 g6 공차 이기 때문에, 이 두 부품 사이에는 미소한 유격이 발생하게 됩니다. 이 유격으로 인한 백래시는 매우 적은 량이며, 보통 1arcsec 이하입니다.
출력축의 볼트 결합으로 인한 백래시.
엘라클로이드 드라이브의 출력축은 출력축에 연결되는 구조물을 볼트 결합으로 부착하도록 설계 되어 있습니다. 따라서, 감속기의 출력축에 연결되는 구조물은 출력축에 결합되는 볼트가 통과하기 위한 클리어런스 구멍을 구비해야 하며, 이 구멍과 볼트 사에는 미소한 유격이 존재하게 됩니다.
이 때, 구조물과 감속기의 출력축은 볼트 결합으로 발생하는 축력에 의한 두 면의 마찰력으로 지지가 됩니다. 이 때, 감속기의 출력축과 부착된 구조물이 미끄러지지 않기 위한 마찰토크는 아래와 같이 계산됩니다.
N : 감속기의 출력축에 채결되는 볼트의 개수
μ: 감속기의 출력축과 연결되는 구조물 사이의 마찰 계수
F: 감속기의 출력축에 채결되는 볼트의 축력
r: 감속기의 출력축에 결합되는 볼트 구멍의 피치원 반지름
만일 감속기의 출력축에 마찰토크를 초과하는 부하가 걸리게 된다면, 감속기의 출력축과 부착된 구조물은 구조물에 있는 볼트 구멍의 미소 유격 범위 안에서 미끄러지게 되며, 이 때 부터는 볼트의 전단력으로 두 부품이 지지되게 됩니다. 따라서, 안정적 위치 전달을 위해서 사용자는 두 부품간의 마찰력을 초과하지 않는 범위에서 감속기의 구동 부하를 산정해야 합니다. 만일 미끄러짐이 예상될 경우 미끄러짐을 방지하기 위하여 감속기의 출력축에 구비된 키홈을 이용하여 고정을 위한 키를 부착할 수 있습니다.
제품타입
원하는 것, 필요한 것만 만들다.
모델 지정 기호 형식.
(1) 브랜드 (2) 타입 (3) 외경사이즈 (4) 감속비
엘라클로이드 드라이브 F (플렌지) 79 40 60 80 -
107 40 60 80 100
C (실린더) 70 40 60 80 -
90 40 60 80 100
120 40 60 80 100
* 초록상자 : 현재 주문 가능한 모델
(1) 브랜드
엘라클로이드 드라이브 : 정밀 제어를 위한 감속기
(2) 타입
F 시리즈 : 플렌지 형태의 마운트 타입
C 시리즈 : 실린더 형태의 마운트 타입
(3) 외경사이즈
F시리즈와 C시리즈는 다름
(4) 감속비
감속기의 감속비율
제품 타입.
엘라클로이드 드라이브는 하중 지지를 위한 고강성 크로스롤러 베어링이 내장된 유니트 형태로 제공이 됩니다. 따라서, 사용자는 하중지지를 위한 별도의 베어링을 사용하지 않아도 감속기를 손쉽게 구조물에 연결할 수 있습니다.
ECD-F 시리즈
ECD-F 시리즈는 플렌지 형태의 결합부를 제공하는 사이클로이드 감속기 유니트입니다. ECD-F 시리즈는 보통 모터와 직결로 연결된 뒤 관절 모듈로써 로봇의 하우징에 결합 됩니다. ECD-F 시리즈는 현재 가장 많이 사용되고 있는 하모닉드라이브 감속기 형태인 HDS 사의 CSF(G) 모델과 호환이 가능하도록 제작이 되어 기존 하모닉드라이브 감속기에 대한 손쉬운 대안책으로 활용이 가능합니다.
ECD-C 시리즈
ECD-C 시리즈는 실린더 형태의 결합부를 제공하는 사이클로이드 감속기 유니트 입니다. ECD-C 시리즈는 중공 구조를 지원하며 이로 인하여 직결 구동 뿐만이 아닌 기어나 타이밍 벨트, 혹은 프레임리스 모터를 사용하여 케이블이 통과할 수 있는 중공 구조를 구성할 수 있습니다.
기술사양
모델 ECD-F-79-80 ECD-F-107-80 ECD-C-70-80 ECD-C-90-100 ECD-C-120-100
감속비 80 80 80 80 80
공칭 출력 토크 29Nm 82Nm 22Nm 63Nm 118Nm
공칭 입력 속도 2,000rpm 2,000rpm 2,000rpm 2,000rpm 2,000rpm
최대 출력 토크 56Nm 178Nm 43Nm 137Nm 304Nm
최대 입력 속도 3,000rpm 3,000rpm 3,000rpm 3,000rpm 3,000rpm
허용 가능한 최대 속도 / 최소 속도 30,000rpm/s^2 30,000rpm/s^2 30,000rpm/s^2 30,000rpm/s^2 30,000rpm/s^2
회전 관성 8.6e-6kg/m^2 3.01e-5kg/m^2 8.6e-6kg/m^2 8.6e-6kg/m^ 8.6e-6kg/m^2
각도 전송 오류 < 2.0arcmin < 2.0arcmin < 2.0arcmin < 2.0arcmin < 2.0arcmin
히스테리시스 로스 < 2.0arcmin < 2.0arcmin < 2.0arcmin < 2.0arcmin < 2.0arcmin
무게 0.55kg 1.21kg 0.45kg 0.83kg 1.90kg