Linear Actuator Ver. 2, Ver. 3 제작

Linear Actuator Ver. 2, Ver. 3 제작

지난 포스팅에서 앞으로 내가 만들고자 하는 로봇과 그러한 로봇을 만들기 위한 준비로써 Linear Actuator
시제품을 만드는 과정을 설명하였다.

하지만 시제품이다보니 여러모로 한계가 있었다. 우선 지난 작업의 한계들을 조금 살펴보고 가자.

1. 모터 선정의 문제 : 지난 번 사용한 모터는 8520 coreless 모터로 주 용도는 소형 드론을 만드는데 사용하는 모터다. 따라서 RPM은 매우 높으나 torque는 낮아서 지난 포스팅의 동영상에서 보듯이 작은 마찰에도 내부 실린더가 잘 올라오지 않거나 움직이는 속도가 잘 조절이 안되는 모습이었다. 게다가 모터 축이 원통형이어서 웬만큼 단단히 접착하지 않으면 모터 축과 연결하는 부품이 헛돌기 일쑤다.
2. 멈춤 제어 장치 부재 : 내부 실린더가 위나 아래의 끝부분에 도달하게 되면 모터를 정지시켜 더이상 작동하지 않도록 해야 모터에 부하가 걸리지 않을 것이다. 하지만 개인이 제작하는 수준이다보니 아직은 구현이 쉽지 않다. 일단 소프트웨어적으로 구현을 하기 위해 encoder를 함께 구매해놨지만 아직 사용은 안하고 있다. 당분간은 아두이노 스케치상에서 적절한 시간 조절을 통해 멈춤을 제어해야 할 것 같다.
3. 구조 설계의 문제 : 이 부분은 아직도 딱부러지게 해결을 못했다. 가급적 조립과 분해가 쉽도록 하기 위해 머리를 굴리고 있으나 이번 제작한 것들은 조립이 까다롭게 되었다. 그리고 내부 실린더가 헛도는 것을 막기 위해 내부 실린더 하단부를 사각형으로 만들고 그에 따라 외부 실린더의 내부도 사각형 형태로 만들었었는데 아무래도 마찰이 큰 것 같아 이번에는 조금 바꿔보았다. 하지만 3D 프린팅의 관점에서보면 지난번 구조가 더 효율적이다.

이러한 문제점들을 일부 개선하여 새롭게 버전 2와 버전 3의 Linear Actuator를 만들었다.
여전히 몇가지 문제는 남아있지만 동작은 한결 자연스러워졌다(버전 2와 버전 3의 차이는 모터와 전체 크기의 차이다). 

모터 선정

모터와 관련해서는 앞서 언급한대로 고 RPM, 저 torque 문제와 원통형의 모터축 문제를 해결해야 했다.
우선 torque 문제를 해결하기 위해 geared motor를 검색했다. 그냥 예전에 기어박스를 이용하여 속도를 줄이면 
torque가 올라간다는 것을 주워 들은 것 같다...-.- 다행히 많은 검색 결과가 나왔다. 게다가 대부분의 geared 모터는
모터 축(엄밀히 말하면 기어박스의 축)이 D컷이 되어있었다(D컷은 원통형 축의 한쪽을 잘라내어 모터 축이 헛도는 
것을 막는 방법으로 잘라내고 난 모양이 영문 D와 같다고 하여 D컷이라고 한다).

다음 기준으로는 가능한한 소형화를 해야 하기 때문에 모터의 크기가 중요 선정 기준이 되었다. 사실 지난 번 사용한
8520(지름 8.5mm, 높이 20mm) 모터정도가 딱 좋다 싶었는데 정작 Linear Actuator를 만들고 나니 생각보다
크기가 컸다. 어쨌든 8520 모터를 크기의 기준으로 삼았다.

이렇게 기준을 정하고 선정한 첫번째 모터가 바로 N20 모터를 베이스로 한 일군의 기어모터였다.
N20 모터는 가로, 세로, 높이가 각각 10mm X 12mm X 15mm정도되는 크기의 사각형 형태의 모터로 주로 소형
서보모터를 만드는데 사용되거나 앞단에 금속 기어박스를 달아 판매를 한다. 메이저 제조사는 pololu라는 업체인 것
같은데 가격이 비싸고, 중국산 카피제품은 허용 전압과 기어비에 따라 3천 원 대 후반에서 만 원대에서 구매 가능하다.

나는 일단 banggood에서 12V, 100RPM의 스펙을 갖는 모터를 선택하여 주문하였으나...2달이 다되가는 지금까지
도착하지 않고 있다는 슬픈 전설이...ㅠ.ㅠ

결국 국내 업체를 통해 6V, 450RPM에 뒤쪽으로 encoder를 달 수 있는 제품을 포함하여 추가로 2종류의 변형 
제품을 구매했다.

일단 이 제품은 생각보다 크기가 작고 스펙에 따라서는 꽤 높은 토크를 낸다는 점이 장점이다. 내가 처음 banggood
에서 주문한 제품의 경우 정격토크가 2.0kgf-cm정도다. 가격은 약 3,900원 정도. 하지만 미처 생각하지 못한 것이
있었으니...바로 모터의 형태다. 그 전에 사용한 8520 모터는 원통형의 모양이었지만 이 모터는 육면체 모양이다.
8.5mm와 12mm...별 차이가 없어보이지만 지름이 8.5mm인 것과 사각형의 한 변이 12mm인 것은 결과물에서
엄청난 차이를 만들게 된다(아래 버전별 비교사진 참고).

일단 N20모터를 기준으로 모델링을 하는 과정에서 크기가 상당히 커진다는 것을 확인하고 추가로 모터를 검색하였다.
그러다 발견한 것이 LCP 시리즈였다. 이 모터는 지름 6mm의 원통형 모터로 유성기어가 장착된 모델인데 가장
높은 토크를 가진 모델이 LCP06-A03V-0700으로 기어박스 포함 전체 길이는 약 21mm 정도로 8520모터와 비슷
한 크기를 가졌다. 3V에서 작동하며 정격토크는 200gf-cm이고 40RPM의 속도를 낸다.

이 모터를 사용하여 만든 Linear Actuator가 가장 적당한 크기였다.

벗뜨! 그러나!

일단 이 모터의 가장 큰 단점은 가격이다. 국내 업체 중 가장 싼 곳이 개당 8,400원에 판매하고 있다. N20 베이스 
모터와 비교하면 크기는 1/2, 가격은 X2 + 𝛼인 것이다. 게다가 40RPM...사실 이 방면으로는 젬병인 문돌이다보니
40RPM이 의미하는 바를 몰랐다. 1분에 40바퀴 돌아간다는 것 정도는 검색질로 알 수 있었으나 그게 어느 정도의
속도인지는 정말 몰랐다...ㅠ.ㅠ 

회전 운동이 물체를 움직이는 거리와 회전 운동을 직선 운동으로 바꾼 후 물체를 움직이는 거리는 천지 차이다.
물론 회전 운동의 경우 회전 축으로부터의 거리가 영향을 크게 미치고 직선 운동의 경우 나사선의 간격이 영향을
미치므로 직접 비교는 힘들지만 아무튼 M2나 M3 사이즈의 작은 볼트의 나사선 간격을 놓고 보면 모터의 회전 속도가
웬만큼 빠르지 않다면 움직이는 거리가 매우 작다(아래 동영상 참고). 

만일 이 모터를 사용한 Linear Actuator로 만들 수 있는 로봇이 있다면 그것은 단 하나! 바로 달팽이 로봇이다...-.-

결국 이 모터보다 한 등급 낮은 120gf-cm의 토크에 200RPM의 속도를 갖는 모터를 추가로 주문했다.

참고로 몇가지 모터들을 비교한 사진을 올린다. 첫 번째 사진의 오른쪽 모터는 직경 4mm 크기의 진동 모터다.
혹시나 어떻게 사용해볼 수 있을까 하고 덜컥 구입했지만…역시나 이 크기로는 무리다…

좌측부터 8520 coreless 모터, LCP06-A03V-0700 유성 기어 모터, 초소형 진동 모터

좌측부터 일반 DC 모터(학습용), N20 기어 모터, SG90 서보 모터, LCP06-A03V-0700 유성 기어 모터, 
마이크로 서보 모터

3D 프린팅

지난 포스팅에서도 언급한 바와 같이 3D 프린터를 이용하는데 있어 가장 큰 문제는 바로 공차 설정이다.
0.5mm를 줘도 안들어가는 일이 비일비재하여 아예 넉넉하게 0.8 ~ 1.0mm 정도 준 후 볼트로 조여 최종 고정시키는 
방식을 사용하기로 했다. 하지만 이 방법도 만능이 아닌 것이 FDM 방식의 3D 프린터는 녹은 필라멘트를 실처럼 얇게
뽑아 한층한층 쌓아가며 만드는 방식이다보니 이렇게 층이 쌓인 방향으로는 강도가 매우 약하다. 자칫 볼트를 심하게
조일 경우 이 층이 갈라져 깨져버린다. 이 문제를 막을 방법은 출력물의 두께를 두껍게 하는 것 뿐이지만 마냥 그럴 
수도 없고...

또 다른 문제는 개인차가 있는 문제이겠지만 간혹 출력 중 노즐이 막히는 경우가 있다. 대략 5시간 가까이 출력해야 
하는 부품이 3시간 출력후 노즐이 막혀 헛돌고 있으면...나무아미타불...ㅠ.ㅠ 한 몇번 이런 문제가 생기다보니 답답한
마음에 차라리 전문 출력 업체에 출력 의뢰를 하려고 했더니 이건 또 가격이 안드로메다인지라...ㅠ.ㅠ

최대한 출력 시간을 줄일 수 있도록 모델링을 하고 출력 중 환경(온도, 진동 등)이 일정하게 유지되도록 하는 외에는
달리 방법이 없다. 특히 출력 시간의 경우 동일한 모델을 180도 돌려 출력하는 것만으로도 시간을 줄일 수 있다.
가능한한 서포터가 적게 출력되도록 하는 것이 아무래도 출력 시간을 줄일 수 있지만 가급적이면 조립되는 면에는
서포터가 안생기도록 하는 것이 나중에 매끈한 면으로 서로 연결할 수 있어 유리하다. 결국 케바케로 출력 시간이
결정될 수밖에 없다.

그럼 버전 2와 버전 3의 3D 프린터 출력물 및 구성품을 알아보자.

버전 2

1. 외부 실린더 하단 덮개 (O-ring으로 연결)
2. 모터 하우징
3. 외부 실린더
4. 볼트와 모터 축 연결부 (볼트는 M2, 30mm 렌치 볼트)
5. 너트와 외부 실린더 연결부 (너트는 M2 사이즈, 외부 실린더는 외경 3mm 스테인레스 파이프)
6. 내부 실린더 덮개 (O-ring으로 연결)
7. LCP06-A03V-00700 유성 기어 모터

버전 2의 조립 과정은 다음과 같다.

버전 3는 구성품만 설명한다. 조립 과정은 비슷비슷...

버전 3

1. 외부 실린더 상단 덮개 (버전 2의 경우 이 부분이 실린더와 일체형이다)
2. 외부 실린더 하단부 (모터 삽입부)
3. 외부 실린더 상단부
4. 볼트와 모터 축 연결부 (볼트는 M6, 60mm 육각볼트)
5. 너트와 내부 실린터 연결부 (너트는 M6, 내부 실린더는 외경 8mm 스테인레스 파이프)
6. 외부 실린더 하단 덮개 (처음에는 짧게 만들었으나 외부 실린더의 연결부가 보기 안좋아서 가리기 위해 길게 만들었음)
7. N20 6V 450rpm 기어 모터
8. 내부 실린더 덮개

버전 3의 경우 조립 과정에서 외부 실린더 상단과 하단 조립 후 외부 실린더 하단 덮개가 이 연결부를 덮게 되는데
꽤 여유있게 공차를 주었음에도, 출력물의 바닥과 천정이 살짝 퍼지는 현상과 함께 볼트를 체결하면서 볼트가 잘못 
들어가 연결부에 변형이 생기는 문제가 발생하여 조립이 빡빡하게 되었다.

 

덕분에 다시 분해하면서 외부 실린더 하단부의 연결 부위가 박살이 나서 4시간 넘는 출력물을 새로 뽑아야 했다...ㅠ.ㅠ 
새로 뽑은 부품으로 조립할 때는 줄로 연결부위를 조금 다듬어 주었더니 무리없이 조립이 되었다.

마지막으로 완성된 제품의 버전별 크기를 비교해보면 다음과 같다.

사진 왼쪽부터 
버전 3 : 길이 약 15cm / 무게 약 56g
프로토타입 : 길이 약 10cm / 무게 약 24g (사진에서는 내부 실린더가 약간 돌출된 상태라 조금 길어보임)
버전 2 : 길이 약 8.5cm / 무게 약 7g

3D 프린팅을 위한 모델링 파일은 아래 링크에서 받을 수 있다.

모델링 파일

Ver. 3 : https://www.thingiverse.com/thing:2956768

Ver. 2 : https://www.thingiverse.com/thing:2956757

동작 테스트

동작 테스트는 동영상으로 감상해보자.
타이머를 켜놓았으니 초당 얼마나 움직이는지 확인하면 되겠다. 다만 버전 3의 경우 원래 6V에서 작동하는 모터인데
버전 2와 동일한 3.7v의 리튬 폴리머 배터리로 작동을 시킨 만큼 이 동영상보다는 좀 더 속도가 나올 것이다.

다만 아직 얼마만큼의 무게를 움직일 수 있는지에 대해서는 테스트를 하지 않았다.

문제점

제법 개선을 했음에도 불구하고 여전히 문제가 있다. 앞서 말한 정지 제어가 안된다는 문제와 구조적으로 내부 
실린더와 너트를 연결하는 부위를 원형으로 하는 대신 외부 실린더 안쪽에는 돌기를, 너트 연결부에는 홈을 파서
내부 실린더가 헛도는 것을 막도록 바꾸었는데 조립의 편의성 때문에 모터와 볼트 연결부 역시 동일한 구조로 
만들었다. 이 구조는 만일 양 끝단이 당겨지는 힘을 받았을 때 모터 축과 볼트 연결부가 단단히 고정되어있지 않다면
내부 실린더가 빠져버리는 문제가 발생할 수 있다.

고쳐야 하겠지만...새로 설계하고 출력하는 시간이 어마무시 하므로, 괜찮겠지 하고 넘어가보자...ㅠ.ㅠ

속도 문제는 새로운 모터가 도착하는대로 다시 테스트를 해볼 것이다.

그나저나 본격적으로 로봇을 만들기 시작하게 되면 이 부품들을 몇세트 씩은 더 뽑아야 하는데...또 얼마나 많은
시간이 걸릴까...

정리

아직 많은 문제점이 있지만 그래도 제법 그럴듯한 모양으로 Linear Actuator가 만들어졌다(하지만 지금도 3D 
프린터 출력 시간을 생각하면 치가 떨린다). 이제 본격적으로 로봇을 설계하고 만들어야 하겠지만 최소한 버전 3를
1개 더 만들어야 하고 버전 2를 6개 정도는 더 만들어야 한다. 나의 생활 패턴 상 3D 프린팅을 하는 데만도 2주는
잡아야 할 것 같다. 물론 그 전에 적절한 힘을 낼 수 있는지 먼저 테스트도 해야 하고...

어쨌든 본격적인 로봇 작업이 시작되면 지금보다는 좀 더 재밌는 글을 쓸 수 있지 않을까 기대해본다^^