Inception Drive: 로봇 공학을 위한 소형 무한 가변 변속기

작년에 SRI의 Alexander Kernbaum은 순수 롤링 모션을 기반으로 한 새로운 종류의 회전식 변속기인 Abacus Drive를 소개했습니다. 이 변속기는 현재의 (그리고 꽤 비싼) 표준인 하모닉 기어보다 훨씬 저렴하고 훨씬 더 에너지 효율적입니다. 이제 Kernbaum은 또 다른 독창적이고 영리하게 명명된 변속기 디자인으로 돌아왔습니다. Inception Drive라고 불리는 이 장치는 로봇과 모든 종류의 사물을 더욱 안전하고 저렴하며 훨씬 더 효율적으로 만들기 위해 설계된 "새로운 중첩 풀리 구성을 기반으로 한 초소형 무한 가변 변속기"라고 설명합니다. .

무단변속기의 일종인 무한가변변속기(IVT)에서는 변속비가 양(+)측이나 음(-)측에서 접근할 수 있는 영점을 포함한다. 즉, 같은 속도로 같은 방향으로 회전하는 전기 모터와 같은 일정한 입력은 더 빠르게 회전하거나, 느리게 회전하거나, 반대 방향으로 회전하거나, 전혀 회전하지 않는 출력으로 변환될 수 있습니다(이 "기어식"에서는 중립" 모드에서는 하나의 출력 회전을 일으키기 위해 무한한 입력 회전이 필요하므로 이름은 "무한 가변 변속기"입니다.

IVT는 이미 존재합니다. 개념은 전혀 새로운 것이 아닙니다. SRI의 새로운 점은 Inception Drive를 기존 IVT보다 훨씬 더 작고 가볍게 만드는 영리한 엔지니어링입니다. 이전에는 물리적으로 불가능했던 방식으로 IVT를 로봇 애플리케이션에 통합할 수 있다는 의미이기 때문에 이는 큰 의미가 있습니다.

이와 같은 변속기가 로봇 공학에 중요한 이유는 Kernbaum이 올해 초 ICRA에서 발표한 논문에서 설명했듯이 효율성이 높기 때문입니다.

로봇 변속기의 효율성이 50% 미만인 것은 드문 일이 아닙니다… 출력 속도가 자주 변경되면 모터와 고정비 변속기 시스템을 크기, 성능 및 효율성에 동시에 최적화하는 것이 불가능합니다. 변속기의 고정비로 인해 모터 내에서 상당한 손실이 발생합니다. 예를 들어 고품질 전기 모터는 높은 속도와 낮은 토크에서 작동할 때 효율이 90%일 수 있지만, 로봇 응용 분야에서는 가능한 가장 작은 패키지에서 필요한 최대 토크와 속도를 달성하도록 시스템을 설계해야 합니다. 최대 효율 근처에서는 거의 작동하지 않는 시스템입니다.

가변 비율 변속기는 모터 속도를 최대 효율 또는 최대 전력에 맞추는 데 도움이 될 수 있지만 크기, 무게 및 복잡성으로 인해 역사적으로 대부분의 로봇 및 산업 응용 분야에서 사용이 불가능했습니다. 이것이 바로 SRI의 초소형 무한 가변 변속기(IVT)가 핵심적인 역할을 할 수 있는 부분입니다. 작은 크기, 단순성 및 가역적 출력으로 인해 가변 속도 변속기에 대한 여러 가지 새로운 응용 분야가 가능해졌습니다. 이는 로봇의 고정 비율 전송을 대체할 만큼 작으며, 많은 로봇 플랫폼의 에너지 소비를 절반으로 줄이고 모바일 플랫폼의 배터리 수명을 두 배로 늘릴 수 있다고 믿습니다.

비디오를 보고 그것이 어떻게 작동하는지 잘 이해할 수 없다면(그리고 Kernbaum도 시각화하기 어렵다고 인정합니다), 아래에 제시된 설명을 읽고 비디오를 다시 시청하여 도움이 되는지 확인하십시오.

여기에는 드라이브 자체 내부에서 발생하기 때문에 보기가 매우 어려운 몇 가지 매우 중요한 일이 진행되고 있습니다. 첫 번째는 두 풀리가 서로 상호 작용하는 방식입니다. 물론 이는 V-벨트를 통해 발생하지만 기존 변속기에서처럼 하나의 풀리가 회전하여 벨트를 회전시키고 다른 풀리가 회전하는 것과는 다릅니다. 오히려 외부 풀리는 고정되어 전혀 회전하지 않는 반면, 드라이브 내부에 있는 내부 풀리는 입력 샤프트의 중심에서 벗어나 장착되어 있기 때문에 흔들림이 있습니다. (장치 이름은 영화 인셉션을 참조한 것이지만 꿈 대신 도르래가 중첩되어 있습니다.)

입력 샤프트로 인해 내부 풀리가 원형 운동으로 흔들리게 되므로 바깥쪽으로 흔들릴 때 외부 풀리에서 V 벨트가 계속 들어 올려지고, 흔들릴 때 V 벨트가 다시 아래로 내려갑니다. 내부 풀리와 외부 풀리의 유효 직경이 동일하면 V 벨트가 두 풀리 사이에서 앞뒤로 이동하기 때문에 별다른 일이 발생하지 않습니다. 그러나 내부 풀리와 외부 풀리의 유효 직경이 다른 경우 V 벨트는 두 풀리를 연결된 상태로 유지하려고 시도하면서 한 방향 또는 다른 방향으로 당겨지게 됩니다. 외부 풀리는 회전하지 않기 때문에 V 벨트가 가하는 힘으로 인해 내부 풀리가 대신 회전하게 되며 이것이 변속기의 출력이 됩니다.