다음 로봇공학 프로젝트를 위한 이상적인 3D 프린팅 드라이브 선택

이제 이러한 드라이브의 조립 과정을 빠르게 안내해 드리겠습니다.

벨트 드라이브 어셈블리

벨트 드라이브를 조립하려면 먼저 하우징의 볼 베어링을 통해 최종 출력 풀리를 제자리에 삽입해야 합니다.

그런 다음 첫 번째 입력 풀리가 들어갈 출력 풀리 내부에 볼 베어링을 설치해야 합니다. 이 입력 풀리는 먼저 스테퍼 모터에 고정되어야 하며, 이를 위해 M3 너트를 삽입하기 위한 두 개의 슬롯을 만든 다음 M3 그러브 나사를 사용하여 풀리를 제자리에 단단히 고정할 수 있습니다.

풀리는 스테퍼 모터보다 2mm 위에 있어야 합니다. 

스테퍼를 삽입하기 전에 벨트 두 개를 삽입해야 합니다.

그런 다음 M3 볼트를 사용하여 스테퍼를 하우징에 고정할 수 있습니다. 드라이브를 최대한 컴팩트하게 만들고 싶었기 때문에 이 볼트를 고정하는 것은 좁은 펜치로만 가능했습니다.

전혀 편리하지는 않지만, 최고의 성능을 발휘할 수 있도록 최대한 견고하게 만드는 것이 목표이기도 했습니다. 

다음으로 중간 풀리를 삽입하고 그 주위에 두 개의 벨트를 감쌀 수 있습니다. 이 도르래는 두 개의 볼 베어링 사이에 작은 거리 링을 두고 수용됩니다.

그런 다음 풀리용 샤프트를 삽입할 수 있습니다. 3D 프린팅된 중공 6mm 샤프트이며 M4 볼트로 강화됩니다.

예를 들어, 이 볼트 대신 M6 볼트만 사용할 수 있지만 이렇게 하면 M6 볼트의 외경이 약 5.8mm이기 때문에 연결이 너무 단단하지 않고 3D 프린팅 샤프트를 사용하면 베어링을 완벽하게 통과하도록 정확히 6mm 또는 5.95mm로 만들 수 있습니다.  

하단에는 볼 베어링이 놓일 거리 링을 삽입해야 합니다.

그런 다음 벨트를 늘리고 샤프트를 베어링을 통과하여 하우징의 반대쪽에 삽입할 수 있습니다. 그런 다음 M4 볼트를 삽입하고 M4 너트로 모든 것을 제자리에 고정할 수 있습니다. 이제 벨트 구동이 완료되고 작동합니다.

벨트는 상당히 빡빡하지만 더 나은 제어와 성능을 위해 텐셔너를 추가해야 합니다. 저는 외경 13mm의 볼 베어링을 사용하여 벨트 텐셔너를 만들었습니다. 볼 베어링은 M3 볼트와 너트로 작은 브래킷에 부착되어 있습니다.

이 브래킷을 벨트에 밀어 넣어 장력을 준 다음 볼트를 조일 수 있습니다. 그것은 올바르게 작동하는 다소 간단한 메커니즘입니다. 

마지막으로, M3 볼트와 너트 몇 개를 사용하여 드라이브 커버를 고정하고 출력 샤프트에 물건을 부착할 수 있는 나사형 인서트를 추가할 수 있습니다.

그러면 벨트구동이 완료되고, 출력축을 손으로 움직여보면 얼핏 보면 백래시가 전혀 없는 것처럼 느껴집니다.

사이클로이드 드라이브

이제 사이클로이드 드라이브 빌드를 살펴보겠습니다. 제가 언급했듯이 사이클로이드 드라이브와 유성 기어박스를 만드는 방법에 대한 자세한 비디오가 이미 있으므로 여기서는 이에 대해 몇 마디만 말씀드리겠습니다. 

사이클로이드 드라이브를 조립할 때 모든 규칙을 준수하고 180도 위상을 다르게 배치하고 모든 치수를 다시 확인했음에도 두 번째 디스크를 제자리에 삽입할 수 없는 문제가 발생했습니다.

그러다가 문제는 감속비라는 것을 깨달았습니다. 사이클로이드 드라이브가 제대로 작동하려면 비율이 홀수여야 합니다. 이전 영상에서 이미 세 가지 다른 디자인의 사이클로이드 드라이브를 만들어 봤는데, 우연히 감속비가 홀수가 되어 두 개의 사이클로이드 디스크와 제대로 작동하는 사이클로이드 드라이브를 만들려면 디스크에 홀수 개의 톱니 또는 로브가 있어야 한다는 사실을 놓쳤습니다.

이전 디자인 글은 아래에서 확인하실 수 있습니다.

• 사이클로이드 드라이버란 무엇입니까? 디자인, 3D 프린팅 및 테스트
• CNC 가공 vs 3D 프린팅 사이클로이드 드라이브 – 설계 및 테스트
• 고조파 vs 사이클로이드 구동 – 토크, 백래시 및 마모 테스트

감속비가 홀수라는 것은 잇수를 15로, 링기어 롤러의 수를 16으로 변경하고 하우징과 디스크를 다시 인쇄해야 한다는 것을 의미했습니다.

이제 두 개의 사이클로이드 디스크를 제대로 설치하고 전체 조립을 마칠 수 있었습니다.

백래시 테스트

좋습니다. 이제 3개의 드라이브가 준비되었습니다. 이제 비교 테스트를 살펴보겠습니다.

정확성이나 백래시 테스트부터 시작하겠습니다.

유성 기어박스

먼저 유성 기어박스가 있습니다. 여기서는 반복성을 테스트하고 있으며 좋은 결과를 보여줍니다. 막대는 20cm 거리에서 1/100mm 이내에 제자리로 돌아옵니다.

그러나 물론 힘을 가하면 백래시가 눈에 띄게 나타납니다. 바는 해당 거리에서 몇 mm 위아래로 재생됩니다. 손으로 움직일 때 아무런 저항 없이 출력이 자유롭게 유격되는 느낌이 듭니다. 

백래시를 일반적인 단위인 아크분으로 표현하려면 다음을 수행해야 합니다. 기어박스 공칭 토크 성능의 약 1~2%에 해당하는 부하를 적용하면서 양방향 변위를 측정해야 합니다.

기어박스의 토크를 테스트할 때 10cm 거리에서 최대 32N 정도 나왔으니 백래시 테스트를 위해서는 0.5N 정도의 하중을 가해야 할 것 같은데 20cm 거리에서 2N으로 해보자. 이 하중으로 한 방향으로 약 2.9mm, 다른 방향으로 0.75mm의 변위를 얻었습니다. 

이러한 측정값을 백래시 단위인 아크분으로 표현하기 위해 먼저 변위 각도인 알파를 계산할 수 있습니다.

간단한 삼각법을 사용하면 각도가 약 1도가 됩니다. 1각분은 1도의 1/60입니다. 따라서 이 3D 프린팅 유성 기어박스의 백래시는 약 60분각입니다.  

이것이 측정하고 백래시를 계산하는 올바른 방법인지 알고 계시다면 댓글로 알려주세요. 100% 정확하지는 않더라도 동일한 방법을 사용하여 드라이브별 백래시를 표현하여 최종적으로는 비슷한 결과를 얻을 수 있도록 하겠습니다.

이제 앞서 언급했듯이 톱니 맞물림이 얼마나 촘촘하거나 손실되었는지에 따라 기어박스는 다른 결과를 제공해야 합니다. 여기에 대한 확인이 있습니다. 첫 번째 테스트에서 기어박스 링 기어는 수평 확장 –0.15mm, 유성 기어는 –0.05mm로 프린팅되었습니다.

이제 링기어를 수평 확장 0mm로 교체하여 더욱 타이트하게 맞췄습니다. 이제 기어박스는 약 50분각의 백래시를 보여주었습니다.

이는 15% 더 나은 결과와 같으며, 이제 기어박스의 유격이 줄어드는 것을 손으로 느낄 수도 있습니다. 

백래시를 더욱 개선하기 위해 유성 기어도 수평 확장 0mm로 인쇄했고 다시 약 30각분으로 더 나은 결과를 얻었습니다.

그래서 처음에는 60각분에서 기어박스의 백래시를 30각분으로 개선했습니다.

하지만 디자인 과정 자체에서 Onshape의 사용자 정의 FeatureScript를 사용하여 기어를 생성할 때 기어에 0.1mm의 백래시 또는 오프셋을 추가했다는 점에 유의하세요.

그래서 수평 확장 0mm로 모두 인쇄할 수 있고 여전히 적절하게 조립하여 좋은 결과를 얻을 수 있습니다. 즉, 기어를 생성할 때 백래시를 더 증가시켜 0.1mm 오프셋을 제거할 수 있지만 그렇게 하면 기어를 전혀 조립할 수 없거나 조립할 수는 있겠지만 효율성이 떨어지거나 심지어 완전히 막힐 수도 있다고 생각합니다. 효율성이나 토크 테스트에서 이러한 동작을 잠시 살펴보겠습니다.

사이클로이드 드라이브

그럼에도 불구하고 이제 사이클로이드 디스크 백래시 성능을 살펴보겠습니다.  반복성 측면에서는 더 나쁜 결과를 보였습니다. 막대가 1/10mm 이내의 다양한 지점에서 되돌아오고 있었습니다.

백래시는 약 60분각의 값으로 계산되었습니다. 이는 유성기어박스의 최악의 경우와 동일하다. 그런데 여기서 손으로 움직여보니 자유로운 플레이가 느껴지지 않고 바로 저항이 좀 있었습니다.

이 테스트를 위해 사이클로이드 디스크는 –0.15mm 수평 확장으로 인쇄되었으며 조립할 때 실제로 상당히 단단했습니다. 그래서 사이클로이드 디스크에 있는 6개의 출력 구멍의 정밀도도 드라이브의 성능에 기여하기 때문에 수평 확장은 -0.2mm, 구멍 확장은 +0.2mm로 인쇄해 보았습니다.

따라서 디스크가 느슨하게 끼워지면 결과는 훨씬 더 나빠져 약 150분각이 되었고 손으로 움직일 때 샤프트가 자유롭게 유격되었습니다.

벨트 드라이브

자, 다음으로 벨트 드라이브의 성능을 살펴보겠습니다. 반복성은 20cm 거리에서 1/100mm 이내로 꽤 좋은 것 같습니다. 그러나 우리는 또한 오버슈트와 같은 현상이 있음을 알 수 있습니다. 막대는 0.04mm까지 올라갔다가 다시 0.03mm로 돌아옵니다.

백래시를 테스트할 때 약 45각분의 값을 계산했습니다.

다른 두 드라이브에 비하면 좋은 결과지만, 여기 벨트 드라이브를 사용하면 벨트 장력을 제어할 수 있고 이를 통해 백래시도 개선할 수 있습니다.

벨트를 좀 더 팽팽하게 했더니 백래시가 약 25분각으로 줄었습니다.

그래서 백래시 측면에서는 벨트 드라이브가 세 가지 드라이브 중 가장 좋은 결과를 얻었습니다.

토크/효율 테스트

사이클로이드 드라이브

자, 이제 효율성이나 토크 출력을 비교해 보겠습니다. 사이클로이드 구동부터 시작하겠습니다. 10cm 거리에서 측정값은 약 16N, 즉 토크는 약 160Ncm입니다.

드라이브 없이 스테퍼 모터가 보여준 토크(약 18Ncm)와 비교하면 토크가 약 9배 증가한 것입니다.

이는 약 60%에 불과한 낮은 드라이브 효율입니다. 이 드라이브의 감속비는 15:1이며 이상적인 조건에서는 토크가 15배 증가해야 하지만 그 중 약 60%를 얻었습니다. 그 이유는 드라이브에서 마찰이 많이 발생하거나 사이클로이드 디스크가 상당히 빡빡하게 맞아서 저항이 높기 때문이라고 생각합니다. 

이를 좀 더 느슨하게 끼워진 사이클로이드 디스크와 비교하면 약 18N, 즉 180Ncm의 판독값을 얻었습니다.

이는 효율성이 10% 더 나은 것과 비슷하지만 여전히 좋지는 않습니다. 효율성은 약 66%에 불과합니다. 게다가 느슨한 사이클로이드 디스크의 백래시는 엄청나서 정밀한 작업에는 전혀 사용할 수 없습니다.

유성 기어박스

이제 유성기어박스 효율을 살펴보겠습니다. 10cm 거리에서 측정된 토크는 약 36N, 즉 토크는 약 350Ncm입니다.

저는 이러한 결과에 다소 놀랐습니다. 왜냐하면 드라이브 없이 스테퍼 모터가 보여준 토크(이 경우 약 23Ncm)와 비교하면 토크가 약 15배 증가하기 때문입니다. 이 기어박스의 감속비는 16:1이므로 효율성은 약 90~95%입니다. 하지만 이 테스트는 느슨하게 끼워진 기어를 사용하여 수행되었으며 손으로 움직일 때 샤프트의 작은 유격이 있었습니다. 

하지만 제가 테스트한 다른 두 가지 사례는 다음과 같습니다. 기어 맞물림이 더 딱 맞는 경우입니다.

수평 확장이 0mm인 링 기어 3D 프린팅을 사용하여 약 310Ncm의 토크 출력을 얻었습니다. 이는 약 84%의 효율성입니다.

또한 기어의 장착이 훨씬 더 단단해지고 모든 유성 기어가 0mm 수평 팽창, 약 290Ncm 토크 출력, 즉 78% 효율로 3D 프린팅되었습니다. 그래도 3D 프린팅 기어박스로는 매우 좋은 결과를 얻었습니다.

벨트 드라이브

마지막으로 벨트 구동 효율을 살펴보겠습니다.

벨트가 약간 느슨한 첫 번째 테스트에서 약 260Ncm의 판독값을 얻었습니다. 이는 약 70%의 효율입니다. 이 스테퍼는 드라이브 없이 약 23Ncm의 토크를 가졌습니다.  그러나 이 경우 문제는 스테퍼 자체가 아닌 두 번째 단계의 더 작은 입력 풀리에서 벨트가 건너뛰는 것이었습니다.

벨트 장력이 더 좋아지면 출력 토크는 약 360Ncm이었으며 이는 약 95~97%의 효율입니다.

정말 인상적이네요. 벨트 드라이브가 가장 효율적인 드라이브일 뿐만 아니라 백래시 측면에서도 최고의 성능을 발휘하는 것으로 나타났습니다.

하지만 어떤 3D 프린팅 드라이브가 가장 좋은지 결론을 내리기 전에 몇 가지 비교를 더 살펴보겠습니다.

내구성 테스트

드라이브에 약간의 무게를 싣고 더 오랜 시간 동안 드라이브를 작동시켜 내구성 테스트를 시도했습니다.

일부 DC 모터를 추로 사용하고 드라이브에 더 많은 스트레스를 가하기 위해 회전 방향이 갑자기 바뀌면서 드라이브가 회전하도록 했습니다. 

약 2시간 후에 사이클로이드 구동이 실패했습니다. 더 이상 짐을 옮길 수 없었습니다. 벨트 구동과 유성 기어박스는 같은 움직임으로 8시간 더 계속됐고, 괜찮았습니다. 이 내구성 테스트 후에 백래시를 다시 테스트했습니다. 

사이클로이드 드라이브는 정밀도를 완전히 잃었습니다. 20cm 거리에서 10mm 정도의 여유가 있었습니다.

유성 기어박스는 또한 이전에는 존재하지 않았던 출력 샤프트의 자유 유격을 도입했습니다. 이번 내구성 테스트에서는 가장 딱 맞는 기어를 사용했습니다. 백래시 단위에서는 시험 전 약 30분에서 시험 후 60분으로 늘어났습니다. 

그리고 벨트 구동은 내구성 테스트 후 약 35분의 백래시를 보였고, 테스트 전에는 약 25분의 백래시를 보였습니다. 

내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지, 정밀도 감소의 원인이 무엇인지 확인하기 위해 드라이브를 열었습니다.

사이클로이드 드라이브에서는 사이클로이드 디스크에 상당한 마모 흔적이 있었습니다. 사이클로이드 디스크 프로파일과 디스크의 출력 구멍 모두에 있습니다. 그래서 PLA 디스크가 변형되면서 드라이브의 정밀도가 크게 감소했습니다. 

유성기어박스에서는 마모나 변형이 크게 느껴지지 않았습니다.

아주 작은 변형이나 마모가 있을 수 있으며, 3D 프린팅 시 나타나는 솔기 기포의 마모일 수도 있습니다. 그래서 솔기가 닳으면 백래시가 증가합니다.

어쩌면 우리가 더 작은 공차로 기어를 인쇄하거나 처음에 더 단단하게 만들면 약간의 효율성을 잃을 수도 있지만 초기 마모 후에는 올바른 효율성과 정밀성을 얻을 수 있습니다. 

벨트 드라이브의 경우 텐셔너 베어링이 벨트를 밀어내는 벨트 뒷면에 마모가 있음을 알 수 있습니다.

이 문제는 적절한 10mm 아이들러 휠을 사용하면 쉽게 해결할 수 있습니다. 또한 정밀도를 향상시키기 위해 얼마간 사용한 후에도 항상 벨트에 장력을 더할 수 있습니다. 나머지 두 개의 드라이브로는 정밀도를 향상시킬 수 있는 방법이 없습니다. 우리는 거기에 자료를 더할 수도 없고 어떤 것도 긴장시킬 수도 없습니다.

그래서 이 모든 것을 고려했을 때 벨트 드라이브가 가장 좋은 성능으로 나왔습니다.

뿐만 아니라 무게, 비용, 제작 용이성 측면에서도 다른 두 드라이브를 능가합니다.

기타 비교

스테퍼 모터를 포함한 벨트 드라이브의 총 중량은 약 550g, 유성 기어박스는 약 600g, 사이클로이드 드라이브는 약 710g이었습니다. 물론, 이러한 드라이브를 로봇 관절로 사용한다면 무게가 매우 중요합니다.

크기 측면에서 사이클로이드 드라이브는 확실히 가장 컴팩트한 드라이브인 반면, 유성 기어박스와 벨트 드라이브는 어딘가 비슷하지만 구성이 약간 다릅니다. 

반면, 사이클로이드 드라이브는 조립이 가장 복잡하거나 어렵고, 유성 기어박스와 벨트 드라이브가 조립이 가장 쉬운 순입니다. 벨트 드라이브에는 실제로 3D 프린팅 부품 외에 구성 요소 수가 가장 적기 때문입니다.

이는 드라이브 구축 비용에도 직접적인 영향을 미칩니다. 이 비디오를 위해 제가 제작한 이 사이클로이드 드라이브는 3D 프린터 부품, 핀, 부싱 및 베어링을 제외한 대부분의 구성 요소를 갖추고 있으며 제작 비용은 약 28달러입니다(3D 프린팅 부품 제외). 그런 다음 약 23달러 정도의 유성 기어박스가 있고, 마지막으로 그 중 1/4 또는 1/3, 즉 약 7.5달러에 불과한 벨트 드라이브가 있습니다.

결론

그래서 내 최종 평결은 무엇입니까? 3D 프린팅된 사이클로이드 드라이브, 유성 기어박스 또는 벨트 드라이브 중 무엇이 더 좋을까요?

글쎄요, 다른 드라이브보다 나은 유일한 범주는 크기나 컴팩트함이었기 때문에 사이클로이드 드라이브는 확실히 피하겠습니다. 

반면, 유성기어박스와 벨트드라이브는 매우 유사한 성능을 보였지만, 제가 진행한 모든 테스트에서 승자를 꼽으라면 벨트드라이브가 아닐까 싶습니다. 정밀도, 효율성, 내구성 등 모든 범주에서 최고의 성능을 발휘했을 뿐만 아니라 제작이 가장 쉽고 저렴했습니다.

하지만 이 테스트는 여기서 끝나지 않고 실제로 실제 시나리오에서 유성 기어박스와 벨트 드라이브를 추가로 테스트 비교하거나 두 개의 로봇 팔을 만들어 하나는 유성 기어박스를 사용하고 다른 하나는 벨트 드라이브를 사용하여 실제 상황에서 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다.