로봇 적용
FSM, FSSM 연구 및 검증사례 3 : Actuator Fail
로봇 적용
FSM, FSSM 연구 및 검증사례 3 : Actuator Fail
로봇의 Actuator Fail
로봇의 모터, 서보모터등 구동장치에 이상이 발생하여 제어기의 명령대로 힘, 토크, 속도, 위치를 정상적으로 출력하지 못하는 상태
Actuator Fail이 발생하면 동작 성능 저하 뿐만 아니라
로봇의 자세 불안정, 이동 불능, 충돌, 전도 등으로 이어질 수 있습니다.
1) 로봇용 모터
로봇용 모터(Robot Motor)
전기에너지를 회전력으로 변환해 로봇을 움직이는 핵심 액추에이터
모바일 로봇의 구동축, 바퀴 등에서 사용
2) 로봇용 모터 고장영향
고장 치명도 1단계: 구동 성능 저하
- 모터 출력, 토크 및 속도 성능 저하
- 위치, 속도, 토크 제어 오차 증가
- 진동, 발열 및 비정상 동작 발생
고장 치명도 2단계: 동작 불안정 및 임무 실패
- 바퀴의 구동력 부족 또는 구동 불능
- 궤적 이탈, 주행, 보행 및 자세 제어 성능 저하
- 조작, 이동, 운반 등의 작업 중단
고장 치명도 3단계: 충돌, 전도 및 안전 위험
- 급격한 구동력, 관절 토크 상실로 로봇 제어 불능
- 로봇과 충돌, 주행 사고, 전도 위험
- 로봇, 주변 설비 손상 및 인명 안전 위험으로 확대
3) 로봇용 모터 고장원인
모터내부 고정자회로 파손, 전원공급 차단 등
고속 회전, 반복적인 가감속 및 높은 부하 변화에 의한 과열, 과전류 등
4) 로봇용 모터 - FSM 적용 효과
효과 1: 모터 고장 즉시 격리
- 고장 발생 영향을 신속하게 차단 및 격리
- 정상 구동 회로로 고장이 확산되는 것을 방지
효과 2: 구동력 신속 회복
- 정상 고정자를 이용해 모터 출력, 토크를 신속하게 회복
- 바퀴의 급격한 구동력 손실과 동작 불안정 억제
효과 3: 안정적인 동작 및 임무 지속
- 모터 고장 상황에서도 필요한 구동 성능 유지
- 고장을 극복하여 충돌, 전도 위험을 줄이고 안정적인 동작과 임무 지속 지원
5) 선행연구
Fail-safe기반 HS(Horizontal Separation)듀얼모터 시스템 개발
(한국연구재단(NRF), 2021-2022)
Fail-Safe 기반 외전형 FSM 설계 및 검증
선행연구를 통해 개발된 외전형 FSM의 고토크 특성을 가진
범용 FSM 모터를 설계
외전형 FSM의 회전자, 고정자 구조를 재설계하고, 자속선 및
자속밀도 등 전자기 해석을 통해 설계도면 검증 후 개발
성능테스트베드를 이용해 구동용 FSM의 정상/고장모드에서
전류제어에 의한 토크회복 및 Fail-Safe 성능을 검증
1) 로봇용 서보모터
로봇용 서보모터(Robot Servo Motor)
모터와 센서의 피드백을 이용해 로봇 관절의 위치, 속도, 토크를
정밀하게 제어하는 핵심 구동장치
2) 로봇용 서보모터 고장영향
고장 치명도 1단계: 정밀 제어 성능 저하
- 위치, 속도, 토크 제어 오차 증가
- 관절 응답성 및 동작 정밀도 저하
- 진동, 떨림, 비정상적인 관절 움직임 발생
고장 치명도 2단계: 관절 동작 불안정 및 작업 실패
- 서보모터 출력, 토크 저하 또는 특정 관절 구동 불능
- 목표 궤적 이탈 및 자세, 보행 제어 성능 저하
- 조작, 이동, 보행 등의 작업 및 임무 중단
고장 치명도 3단계: 충돌 및 안전 위험
- 관절 구동력 또는 토크의 급격한 상실로 로봇 제어 불안정
- 로봇의 비정상 동작, 충돌 위험
- 로봇 주변 설비 손상 및 작업자 안전 위험으로 확대
3) 로봇용 서보모터 고장원인
모터내부 고정자회로 파손, 전원공급 차단 등
고속 회전, 반복적인 가감속 및 높은 부하 변화에 의한 과열, 과전류 등
4) 로봇용 서보모터 - FSSM 적용 효과
효과 1: 서보모터 고장 신속 격리
- 정상 구동부로 고장영향이 확산되는 것을 방지
효과 2: 관절 구동 성능 신속 회복
- 정상 구동부를 활용해 필요한 출력 및 토크를 신속하게 회복
- 위치, 속도, 토크 제어 성능을 유지하여 관절 동작 불안정 최소화
효과 3: 안정적인 동작 및 임무 지속
- 서보모터 고장 상황에서도 필요한 관절 구동 성능 유지
- 충돌, 전도 위험을 줄이고 안정적인 조작, 보행, 작업 및 임무 지속 지원
5) 선행연구
AI Fail-safe기반 듀얼모터 패키지 개발
(과학기술사업화진흥원(COMPA), 2023-2024)
Fail-Safe 기반 내전형 FSM 설계 및 검증
기존 외전형 FSM 기술을 토대로 고성능 범용 내전형 FSM을 설계
듀얼 회전자 및 듀얼 고정자 구조를 설계하고, 고장 발생 시 격리 및 정상 회복가능한 Fail-Safe기반 내전형 FSM 목표 역학해석 수행
자속선 및 자속밀도 등 전자기 해석과 시뮬레이션을 통해 내전형 FSM의 설계 적합성 및 구동 성능 검증
내전형 FSM의 실물제작 및 테스트베드를 이용한 성능검증 수행
고정자가 정상 및 고장에서 전류제어 기반 토크 회복 Fail-Safe
성능 검증
고장에도 멈추지 않는 미래를 만듭니다
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