MODULE M2 · 10.0 HOURS

텐던 구동 메커니즘 설계

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LEARNING OBJECTIVES

이번 모듈의 목표

  1. 텐던 구동 메커니즘의 기본 역학 구조와 관절 모사 원리를 이해한다.
  2. 정교한 로봇 손을 위한 텐던 재료(Dyneema SK78)의 특성을 학습한다.
  3. 텐던의 장력 전달 경로와 캡스턴 설계 시 마찰 및 마모 방지법을 익힌다.
  4. 액추에이터의 스톨 토크와 텐던 구동 시의 기계적 이득을 계산한다.

텐던 구동 메커니즘의 기초

텐던 구동(Tendon-driven) 시스템은 원격지에 위치한 액추에이터에서 인장력을 텐던(줄)을 통해 관절로 전달하여 구동하는 방식이다 [S9]. 생물학적 손가락의 힘줄 구조를 모사하여 액추에이터를 손바닥이나 팔뚝으로 이동시킴으로써, 손가락 자체의 질량을 줄이고 정교한 움직임을 구현할 수 있다 [S10].

1. 텐던의 선택 및 장력 전달

본 설계에서는 고강도 저신율 섬유인 Dyneema SK78을 사용한다 [S16]. 이 재료는 지름 1.5 mm에서 230 daN(약 230 kgf)의 파단 하중을 가지며, 작동 신율이 1% 미만으로 정밀한 위치 제어에 적합하다 [S16].

2. 기계적 이득과 구동기 선정

XM430-W350-T 스마트 액추에이터는 스톨 토크 4.1 N·m를 제공한다 [S11]. 텐던은 회전축에서 캡스턴 반경을 통해 힘을 변환하므로, 액추에이터의 토크 출력은 텐던의 장력으로 치환된다. 전체 시스템은 11대의 액추에이터를 사용하며, 피크 전류 합계는 약 25.3 A에 도달할 수 있다 [S11]. 퓨즈와 부하·전원 정격의 비교만으로 안전성이나 동작 순서를 보장하지 않는다. 퓨즈 제조사 시간-전류 곡선과 전원 OCP 특성을 함께 검토해 보호 협조를 확인한다 [S15, S24, S25].

3. 안전 및 보호 설계

각 12 V 전원 분기는 독립적인 퓨즈를 통해 운용된다 [S15, S24]. 3개의 전원 어댑터는 각각 11.5 A 정격으로, 합산 전류 용량은 34.5 A에 달하여 시스템 피크 전류인 25.3 A를 충분히 수용한다 [S11, S15]. 분기 합산 정격이 액추에이터 총 피크 전류를 상회하도록 설계하여 운용 안전성을 확보한다.

WORKED EXAMPLES

해설 예제

  1. 예제 1: 텐던 구동 시의 장력 계산 액추에이터 토크(τ)가 1 N·m이고 캡스턴 반경(r)이 0.01 m일 때, 텐던 장력(T)은 T = τ/r = 1/0.01 = 100 N이다. Dyneema SK78의 파단 하중 230 daN(약 2300 N) 대비 안전율을 고려하여 설계한다 [S16].
  2. 예제 2: 전원 분기 분배 및 보호 전체 액추에이터 11대의 스톨 전류 합계는 25.3 A이다 [S11]. 이를 3개 분기에 4대, 4대, 3대로 배분하면 각 분기의 최대 부하는 각각 9.2 A, 9.2 A, 6.9 A이다. 퓨즈와 부하·전원 정격의 비교만으로 안전성이나 동작 순서를 보장하지 않는다. 퓨즈 제조사 시간-전류 곡선과 전원 OCP 특성을 함께 검토해 보호 협조를 확인한다. 퓨즈 제조사 시간-전류 곡선과 어댑터 OCP 특성을 함께 검토해 보호 협조를 확인한다 [S24, S25].

LAB PROTOCOL

텐던 장력 및 관절 마찰 측정 실습

  1. 1

    제공된 링크와 베어링을 사용하여 손가락 관절 모델을 조립한다.

  2. 2

    텐던을 연결하고 텐셔너를 사용하여 초기 장력을 설정한다.

  3. 3

    멀티미터를 DC 전압 모드로 설정하고, 각 분기의 12 V 전원 어댑터 출력을 물리적으로 분리하여 확인한다.

  4. 4

    전원 인가 전 관절의 회전 마찰력을 수동으로 측정하여 기록한다.

안전 점검
  • 정비·접근 전 3개 절연 전원 어댑터를 물리적으로 분리하고 멀티미터로 1 V 미만 DC 전압을 확인한다.
  • 전원 인가 중에는 절대로 손가락의 가동 범위에 접근하지 않는다.
  • 충격 방지 작업용 보안경을 반드시 착용한다.

실습 제출물

  • 관절 회전 각도에 따른 텐던 장력 측정 데이터
  • 마찰력 분석 보고서
  • 최종 안전 계측 기록

ASSIGNMENT

5지 로봇손 텐던 경로 설계

제출물

평가 기준

  • 텐던 경로가 굴곡부 마찰을 최소화하도록 설계되었는가?
  • Dyneema SK78의 물리적 특성이 고려되었는가?
  • 3개 전원 분기의 부하 배분이 액추에이터 스톨 전류를 적절히 반영하였는가?
  • 퓨즈 및 전원 단락 방지 설계가 BOM 사양을 준수하는가?

KNOWLEDGE CHECK

이해도 점검

1Dyneema SK78 텐던을 사용할 때의 주요 이점은 무엇인가?
23개의 12 V 전원 어댑터(각 11.5 A)를 사용하는 이유로 적절한 것은?

FIELD CHECK

완료 기준

  • 모든 실습 데이터와 도면이 최종 보고서에 포함되어야 한다.
  • 물리적 전원 분리 후 3개 분기의 DC 전압이 1 V 미만임을 계측으로 입증해야 한다.
  • 텐던 경로 설계에서 캡스턴 마찰을 고려한 해석이 포함되어야 한다.

MODULE SOURCES

이 모듈의 근거

  1. Ruka-v2: Tendon Driven Open-Source Dexterous Hand with Wristarxiv.org · paper
  2. US11325264B1 - Tendon-driven robotic handpatents.google.com · patent
  3. D-Pro 1.5 mmliros.com · technical_documentation
  4. XM430-W350 e-Manualemanual.robotis.com · datasheet
  5. GST160A12-R7B Enclosed Desktop Power Adaptermeanwell.com · datasheet
  6. ATO AFH Series In-Line Fuse Holderlittelfuse.com · datasheet
  7. ATOF 287 Series 10 A Blade Fuselittelfuse.com · datasheet