[논문]T형상 압전 엑추에이터의 설계 및 구동특성 연구

김태훈; 박민호; 정성수; 전호익; 천성규; 박태곤

doi:10.4313/jkem.2019.32.1.30

T형상 압전 엑추에이터의 설계 및 구동특성 연구
Study on Design and Driving Characteristics of T-Shaped Piezoelectric Actuators 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.1, 2019년, pp.30 - 34

김태훈 (창원대학교 전기공학과) , 박민호 (국방기술품질원) , 정성수 (창원대학교 전기공학과) , 전호익 (창원대학교 전기공학과) , 천성규 (창원대학교 전기공학과) , 박태곤 (창원대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A newly proposed T-shape piezoelectric actuator, composed of piezoelectric benders, was designed and studied. This actuator has four legs, and can walk in both forward and backward directions. The piezoelectric actuator has a simple structure and can be easily fabricated. It consists of a piezoelectric bender and a joint. The piezoelectric bender is composed of carbon and ceramic materials. Therefore, there is an advantage in that it can be fabricated on a very small scale. Elliptical displacements of the piezoelectric actuators were analyzed by finite element analysis. Elliptical motion at the tip occurred at two voltages having a 90-degree phase difference. Based on the finite element analysis results, prototype actuators with maximum displacements were fabricated, and the characteristics of their movements were characterized.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Structure of the T-shaped.
그림 Fig. 2. Driving principle of the T-type actuator. (a) Displacement of piezoelectric benders and (b) phase difference of applied voltage.
그림 Fig. 3. Parameters of piezoelectric bender.
표 Table 1. Parameters of piezoelectric bender.
그림 Fig. 4. Displacement characteristics according to elastic body material.
그림 Fig. 5. Displacement characteristics depending on the elastic bodythickness.
그림 Fig. 6. Displacement characteristics depending on the piezoelectricbender width.
그림 Fig. 7. T-type actuator fabrication and driving system.
그림 Fig. 8. Speed of T-type actuator depending on voltage.
그림 Fig. 9. Speed of T-type actuator depending on load.
그림 Fig. 10. Speed of T-type ambulatory robot depending on surface.
그림 Fig. 11. The speed of T-type ambulatory robot depending onangle of slope.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 곤충의 운동 메커니즘을 모방하여 협소한 공간을 탐사하기 위한 목적을 가진 T형 보행로봇을 제안하였다. T형 보행로봇은 서로 다른 축으로 진동하는 두 개의 압전 벤더에 90° 위상차를 가진 전원이 인가되어 타원변위를 구현하여 구동된다.
본 논문에서는 전기에너지를 인가하여 기계에너지를 출력하는 압전 역효과를 응용한 T형상의 압전 엑추에이터를 제안하였다. 압전 세라믹과 탄성체로 구성되어 진동을 발생시키는 압전 벤더가 T형 고정자에 부착되어 진동이 결합되는 엑추에이터의 다리 끝단에서 타원 변위가 발생된다.
데이터의 신뢰성을 위해 동일한 모델과 비교 데이터를 확보하였고 압전 벤더의 형상설계를 위한 수정과 보완 과정으로 유한요소 해석의 자료를 구축하였다. 제안된 T형 압전 엑추에이터의 지속적인 연구를 통해 붕괴된 건축물의 내부 탐사와 생물 관찰, 군사용 등의 다양한 방면에서 활용 가능성을 확인하고자 한다 [3].

제안 방법

유한요소 해석 결과를 바탕으로 압전 벤더와 엑추에이터의 부품을 제작하고 구동장비를 이용해 구동특성에 대한 실험을 진행하였다. 데이터의 신뢰성을 위해 동일한 모델과 비교 데이터를 확보하였고 압전 벤더의 형상설계를 위한 수정과 보완 과정으로 유한요소 해석의 자료를 구축하였다. 제안된 T형 압전 엑추에이터의 지속적인 연구를 통해 붕괴된 건축물의 내부 탐사와 생물 관찰, 군사용 등의 다양한 방면에서 활용 가능성을 확인하고자 한다 [3].
그림 6에 나타난 결과는 압전 벤더의 폭 변화에 따른 변위특성을 규명하기 위한 하모닉 해석 결과이다. 압전 벤더의 폭을 줄이면 상대적으로 길이의 비율이 증가하므로, 길이를 35mm로 고정하고 폭의 넓이만 변화시켜 해석을 진행하였다. 압전 벤더의 폭이 10mm일 때, 가장 큰 변위를 보이는 것을 확인하였다.
제안된 엑추에이터의 구동특성을 확인하기 위하여 유한요소 해석 프로그램 ANSYS를 이용하여 변수 설정에 따른 해석을 진행하였다. 유한요소 해석 결과를 바탕으로 압전 벤더와 엑추에이터의 부품을 제작하고 구동장비를 이용해 구동특성에 대한 실험을 진행하였다. 데이터의 신뢰성을 위해 동일한 모델과 비교 데이터를 확보하였고 압전 벤더의 형상설계를 위한 수정과 보완 과정으로 유한요소 해석의 자료를 구축하였다.
제안된 엑추에이터는 자율적인 구동을 위해 전원을 공급해 줄 드라이버와 임무 수행을 위한 카메라 등의 부하를 견딜 수 있어야 하기 때문에 부하의 변화에 따른 속도 실험을 진행하였다. 실험을 위한 부하의 변화는 0~10g까지 추가하였고, 전압은 90V 주파수는 10~60Hz까지 인가하였다.
제작된 압전 엑추에이터의 구동특성을 측정하기 위해 2CH의 함수발생기(33120A, Agilent사) 로 90° 위상 차를 갖는 2개의 파형을 발생시키고 증폭 기(NF HSA 4051-4008)로 신호를 증폭시켜 엑추에이터에 인가된다.
탄성체 재질에 따른 변위 해석으로 Brass와 Carbon의 변위 차이가 1Hz 기준으로 약 6µm 차이를 보이는 것을 확인하였고, 재질에 따른 물성 값을 고려하여 강도와 탄성력 면에서 우수한 Carbon plate를 선택하였다. 해석 결과를 기반으로 제작을 진행하여 실험을 진행하였다. 전압 변화에 따른 속도특성은 80V의 전압이 인가되었을 때 196mm/s로, 90V의 전압보다 주행이 안정적인 것을 확인하였고, 적정 전압과 주파수를 벗어났을 때 진행에 방해가 생기는 것을 확인하였다.
압전 벤더의 사이즈를 고려하기 위해 유한요소 해석 프로그램 ANSYS를 이용하여 설계를 진행하였다. 해석 진행의 목표로써 탄성체의 재질과 두께, 세라믹의 두께, 압전 벤더의 폭 변화에 따른 변위로 설정하였다. 그림 3은 유한요소 해석을 진행하기 위한 압전 벤더의 파라미터를 나타낸다.
해석된 결과를 바탕으로 T형 압전 엑추에이터를 제작하기 위해 압전 세라믹과 탄성체를 가공하였다. 압전 세라믹(PI사 PIC252)은 외부 충격에 취약하기 때문에 가공할 때 주의하지 않으면 균열이 생기거나 특성이 달라지므로 세밀한 작업이 요구된다.

대상 데이터

마찰 면의 거친 정도에 따라 숫자로 표기하는데, 입자가 굵어 표면이 거칠수록 낮은 숫자로 표기한다. 마찰 면의 실험 조건으로 샌드페이퍼 P80-P320을 이용하여 실험을 진행하였다. 인가되는 전압은 90V, 주파수는 3~17Hz의 범위로 측정하였다.
압전 세라믹(PI사 PIC252)은 외부 충격에 취약하기 때문에 가공할 때 주의하지 않으면 균열이 생기거나 특성이 달라지므로 세밀한 작업이 요구된다. 세라믹과 탄성체는 Epotech사의 353ND 접착제를 이용하여 압전 벤더를 제작하였다. 제작된 압전 엑추에이터의 구동특성을 측정하기 위해 2CH의 함수발생기(33120A, Agilent사) 로 90° 위상 차를 갖는 2개의 파형을 발생시키고 증폭 기(NF HSA 4051-4008)로 신호를 증폭시켜 엑추에이터에 인가된다.
전압 변화에 따른 결과에서 가장 우수했던 인가전압 80V, 주파수 40Hz의 조건에서 경사각도를 2°씩 조정하여두 개의 보행로봇으로 실험을 진행하였다.
T형 보행로봇은 서로 다른 축으로 진동하는 두 개의 압전 벤더에 90° 위상차를 가진 전원이 인가되어 타원변위를 구현하여 구동된다. 제작을 위한 유한요소 해석 결과 압전 세라믹의 두께가 0.1mm일때 가장 큰 변위 값을 보였지만, 파손의 이유로 0.2mm로 선택하였고, 탄성체의 두께도 제작 결과, 0.1mm의 탄성체는 보행로봇의 무게를 지탱하지 못하였기 때문에 0.2mm로 선택하였다. 탄성체 재질에 따른 변위 해석으로 Brass와 Carbon의 변위 차이가 1Hz 기준으로 약 6µm 차이를 보이는 것을 확인하였고, 재질에 따른 물성 값을 고려하여 강도와 탄성력 면에서 우수한 Carbon plate를 선택하였다.

데이터처리

압전 벤더의 사이즈를 고려하기 위해 유한요소 해석 프로그램 ANSYS를 이용하여 설계를 진행하였다. 해석 진행의 목표로써 탄성체의 재질과 두께, 세라믹의 두께, 압전 벤더의 폭 변화에 따른 변위로 설정하였다.
압전 세라믹과 탄성체로 구성되어 진동을 발생시키는 압전 벤더가 T형 고정자에 부착되어 진동이 결합되는 엑추에이터의 다리 끝단에서 타원 변위가 발생된다. 제안된 엑추에이터의 구동특성을 확인하기 위하여 유한요소 해석 프로그램 ANSYS를 이용하여 변수 설정에 따른 해석을 진행하였다. 유한요소 해석 결과를 바탕으로 압전 벤더와 엑추에이터의 부품을 제작하고 구동장비를 이용해 구동특성에 대한 실험을 진행하였다.

성능/효과

전압은 60~90V까지 인가하였고, 주파수는 엑추에이터의 실제 구동 범위인 10Hz에서 60Hz로 설정하였다. 10Hz와 20Hz 에서는 90V를 인가하였을 때 각각 63mm/s와 87mm/s로 가장 빠른 속도를 보였으며, 30Hz 이상의 주파수에서는 80V를 인가하였을 때 최대 속도가 났고, 60Hz 주파수에서는 속도가 현저히 감소하는 것을 확인하였다.
인가되는 전압은 90V, 주파수는 3~17Hz의 범위로 측정하였다. P100까지는 안정적인 구동을 보였으나, P80일 때 11Hz부터는 속도가 현저히 감소하는 것을 확인하였다.
경사각도는 2°씩 변화하여 측정하였으며 6°일 때, 23mm/s의 속도를 보이나, 12° 각도까지는 일정하게 감소하는 경향을 보였고 14° 이상의 경사각도에서는 구동이 불가능한 것을 확인할 수 있었다.
경사각이 증가함에 따라 두개의 로봇 모두 선형적인 속도 감소를 보였으며 16°의 각도에서는 동작 불가능한 상태가 되었다.
전압 변화에 따른 속도특성은 80V의 전압이 인가되었을 때 196mm/s로, 90V의 전압보다 주행이 안정적인 것을 확인하였고, 적정 전압과 주파수를 벗어났을 때 진행에 방해가 생기는 것을 확인하였다. 부하 변화에 따른 속도특성은 2 g의 부하에서 가장 안정적인 구동 양상을 보였으며, 마찰 면은 샌드페이퍼의 거친 정도 P100까지 안정적인 구동특성을 나타내었다. 경사각도는 2°씩 변화하여 측정하였으며 6°일 때, 23mm/s의 속도를 보이나, 12° 각도까지는 일정하게 감소하는 경향을 보였고 14° 이상의 경사각도에서는 구동이 불가능한 것을 확인할 수 있었다.
실험을 위한 부하의 변화는 0~10g까지 추가하였고, 전압은 90V 주파수는 10~60Hz까지 인가하였다. 부하가 0g일 때는 40Hz 이상의 주파수에서 불안정한 구동특성을 보였으나, 부하가 가해졌을 때는 2~10g에서 모두 안정적인 구동 특성을 보였다.
그림 5는 세라믹의 두께에 따른 변위를 나타내는 하모닉 해석 결과이다. 압전 세라믹의 두께가 얇아질수록 변위가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 해석 결과, 세라믹의 두께가 0.
해석 결과를 기반으로 제작을 진행하여 실험을 진행하였다. 전압 변화에 따른 속도특성은 80V의 전압이 인가되었을 때 196mm/s로, 90V의 전압보다 주행이 안정적인 것을 확인하였고, 적정 전압과 주파수를 벗어났을 때 진행에 방해가 생기는 것을 확인하였다. 부하 변화에 따른 속도특성은 2 g의 부하에서 가장 안정적인 구동 양상을 보였으며, 마찰 면은 샌드페이퍼의 거친 정도 P100까지 안정적인 구동특성을 나타내었다.
탄성체 재질에 따른 변위 해석으로 Brass와 Carbon의 변위 차이가 1Hz 기준으로 약 6µm 차이를 보이는 것을 확인하였고, 재질에 따른 물성 값을 고려하여 강도와 탄성력 면에서 우수한 Carbon plate를 선택하였다.

후속연구

경사각도는 2°씩 변화하여 측정하였으며 6°일 때, 23mm/s의 속도를 보이나, 12° 각도까지는 일정하게 감소하는 경향을 보였고 14° 이상의 경사각도에서는 구동이 불가능한 것을 확인할 수 있었다. 관절구조나 다리구조, 부품 간의 결합 방법 등을 보완하여 협소한 공간의 소형 파이프 내부 검사나, 재해로 인해 붕괴된 구조물 내부 탐사 등의 임무를 수행할 수 있을 것으로 사료된다.
경사각이 증가함에 따라 두개의 로봇 모두 선형적인 속도 감소를 보였으며 16°의 각도에서는 동작 불가능한 상태가 되었다. 전압과 주파수, 무게 등을 조절하여 협소한 공간이나 경사각이 있는 공간을 탐사하는 용도로 활용 가능할 것으로 사료 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전 역효과란 무엇인가	본 논문에서는 전기에너지를 인가하여 기계에너지를 출력하는 압전 역효과를 응용한 T형상의 압전 엑추에 이터를 제안하였다. 압전 세라믹과 탄성체로 구성되어 진동을 발생시키는 압전 벤더가 T형 고정자에 부착되어 진동이 결합되는 엑추에이터의 다리 끝단에서 타원 변위가 발생된다.
	T형 압전 엑추에이터는 어떤 구조로 되어 있는가	제안된 T형 압전 엑추에이터의 구조는 그림 1과 같다. T형 고정자 상단에 z축으로 진동하는 압전 벤더가 부착되고, 하단에는 x축으로 진동하는 압전 벤더가 부착되어 다리부품과 연결 팁을 통해 결합된다. T형 압전 엑추에이터는 압전 세라믹과 탄성체로 구성된 압전 벤더의 변위만으로 곤충의 운동 메커니즘을 모방한 구 동 원리를 가지며, 기존의 전자기 모터에 비해 굉장히 단순한 형태를 가지므로 소형화에 특화된 장점을 가진 다.
	효율적인 로봇의 구동을 위해 무엇을 모방하여 연구되고있는가	인간을 포함한 모든 생명체는 환경에 대한 적응과 진화로 인하여 최적화 가능을 거친다. 이러한 생명체의 운동 메커니즘을 모방하여 사용처에 따라 그에 부합하는 효율적인 로봇의 구동을 위한 연구가 이루어지고 있으며, 최근에는 의료나 산업, 환경탐사 등 다양한 목적을 가진 로봇들의 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 인간의 신체적 한계를 대신하여 임무를 수행하는 로봇의 문제점은 구조와 환경적인 측면에서 작용할 수있다.

참고문헌 (5)

F. Pfeiffer, H. J. Weidemann, and P. Danowski, Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (IEEE, Cincinnati, USA, 1990) p. 1458. [DOI: https://doi.org/10.1109/robot.1990.126211]
N. M. White, Ind. Robot, 39 (2012). [DOI: https://doi.org/10.1108/ir.2012.04939daa.010]
T. Ozaki and K. Hamaguchi, IEEE Robot. Autom. Lett., 3, 4217 (2018). [DOI: https://doi.org/10.1109/lra.2018.2863104]

상세보기
L. Sun, Chin. J. Mech. Eng. (Engl. Ed.), 15, 303 (2002). [DOI: https://doi.org/10.3901/cjme.2002.04.303]
H. Hariri, Y. Bernard, and A. Razek, Smart Mater. Struct., 23, 025013 (2013). [DOI: https://doi.org/10.1088/0964-1726/23/2/025013]

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증