3D 프린터를 이용한 고 감속비를 갖는 경량화 하모닉 드라이브(Harmonic Drive) 설계

초록

하모닉 드라이브는 유성기어에 비해 가벼우며 높은 정밀도를 갖는 장점으로 고정밀 로봇에 많이 사용되고 있으며, 로봇 산업의 발전에 따라 핵심 부품으로 주목받고 발전되고 있다. 하지만 국내 로봇 감속기는 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이기 때문에 독자적인 기술개발이 절실한 상황이다. 본 논문은 하모닉 드라이브 구동에 핵심적인 역할을 하는 플렉스 스플라인의 설계 및 제작을 다룬다. 플라스틱 재질을 사용하여 감속기의 경량화는 물론 플렉스 스플라인과 유성기어를 접합시켜 협소한 공간에서의 고 감속비를 얻을 수 있었다. NX를 이용해 하모닉 드라이브 구성품인 상부/하부 하우징 및 캐리어, 유성기어, 플렉스 스플라인을 3D로 모델링 하였으며, ANSYS workbench를 이용해 플렉스 스플라인의 반력 및 응력, 안전율 등을 확인하기 위해 정적해석을 수행하였다. 작동 부하를 줄이기 위해 기어 치형에 맞는 주름형태를 제작했으며, 그 결과 플렉스 스플라인의 원형 형상보다 주름형상이 반경방향으로의 반력을 줄여 작동부하를 줄여주는 결과를 도출하였다. 또한 스프링이 아닌 구조 자체로 원주 방향의 탄성력을 얻어 진동 충격 흡수의 효과를 얻기 위해 Compliant Spring 형상을 적용하였다. 유연성과 내충격성이 뛰어난 Ultimaker CPE+ 필라멘트를 플렉스 스플라인에 적용했으며 그 외의 구성품에 대해서는 가공성이 우수한 Zortrax PLA 필라멘트를 적용해 3D 프린터를 이용하여 제작했다. 이론식과 정적해석을 통해 설계 및 제작한 하모닉 드라이브를 겹층의 사포로 마찰을 높인 경사판을 제작하여 등판 각 실험을 통해 비교 검증하였다. 1:34.01의 감속비를 갖는 평기어 감속기를 장착한 탱크는 최대 13까지 등판했으며, 1:192.5의 감속비를 장착한 탱크는 최대 32까지 등판했다. 하모닉 드라이브를 장착한 모형은 실제 탱크와 비슷한 정도의 등판능력을 보여주었다.