2023-1 4족보행 로봇(Quadruped robot) 만들기 #4 (다리 설계 2)

『다리 설계 1』에서 연구하고 결정한 내용을 바탕으로 다리의 prototype 설계와 모델링을 진행했다.

 

 

우선 '①시뮬레이션에서 쓸 모델의 설계와 모델링'을 끝내고 이를 기반으로 다듬어서 '②실물 모델링(for 3d 프린팅)'을 만들었다.

 

 

우선 아래는 ①의 조립품과 부품들의 사진이며 각각 설계할 때 참고했던 사항들을 적었다.

 

leg prototype without bearing

●시뮬레이션을 바탕으로 'femur, tibia의 joint간 길이 = 8cm, mg996r 서보모터 사용, 기어를 사용해 femur를 구동'을 전제로 설계를 했다.

 

+)ROS를 사용할 예정(특히 gazebo)이라면 inventor로 모델링할 때 z축이 상하 방향축이 되도록 하는 것이 좋다. inventor는 기본 세팅이 y축이 상하 방향축이 되는 것이기에 나중에 urdf를 만들 때 상당히 귀찮아진다. 나는 아예 ROS전용 part template을 만들어뒀다.

 

 

 

 

femur

femur(no_bearing)

●다리 설계에서 가장 어려웠고 여러 버전을 만들었던 부분이었다. femur_link 부러지지 않을 정도의 두께를 갖도록 하면서 femur-motor_cover 체결부가 부러지지 않을 두께로 설계하는 부분이 어려웠다. 동시에 femur-motor_cover 체결부는 모터로 체결되는 부분이 아닌 단순 원기둥의 2개의 revolution joint여서 둘 사이의 회전이 부드럽게 되게 할 필요도 있었다.

 

 

●회전을 부드럽게 하기 위해 처음에는 베어링을 사용하는 것을 고려해서 설계를 했었다. 

 

(좌) femur(bearing), (우)femur(bb_bearing) 

●좌측은 표준베어링을 사용한 모델로 베어링 외경은 femur에, 내경은 motor_cover에 억지 끼워맞춤으로 고정하는 것을 생각했었다. 이때 고려했던 베어링은 689zz, 6700zz, 6901zz였다. 아이디어 중에서 가장 튼튼하고 정석적인 것이었지만 '억지 끼워 맞춤으로 인한 수리 난이도 상승(분해 힘듦)', '내경, 외경이 내가 원하는 치수보다 너무 크거나 작음'의 문제가 컸다. 특히 치수가 안 맞는 부분은 자칫하면 motor cover의 cylinder부분이 부러질 수도 있다는 생각(*내경이 너무 작아 반지름이 작았다.)이 컸었다.

 

 

●우측은 표준베어링을 사용하기 애매하면 직접 만들자라는 생각에서 나온 모델이다. 베어링 내부 구슬을 프린팅해도 좋지만 그래도 매끄러운 표면에 비교적 정밀한 공정으로 나온 bb탄이 적합하다고 생각해서 bb탄을 사용한 것을 고안했다. 확실히 내경의 지름은 표준베어링 때보다 크게 잡을 수 있었지만 'bb탄을 넣고 빼는 것의 어려움', '역시 분해가 힘듦'의 문제가 있었다.

 

 

●며칠을 고민하다가 현재 치수에서는 베어링을 쓰는 것이 힘들거라는 결론이 나왔다. 이에 그냥 아예 베어링을 사용하지 않아도 되는지를 생각해 보았다. 이때 생각한 것은 '잘 매끄럽게 돌아갈까?', 어떻게 femur와 motor_cover가 빠지지 않게 하지?'였다.

 

 

●첫번째 고민은 '치수를 잘 맞춰주고 윤활유, 혹은 그라인더를 이용한 표면 정리'로 해결이 될 거 같다는 결론을, 두번째 고민은 'ㄷ자 모양으로 femur가 빠지지 않게 잡아주는 부품을 추가하자(femur_jig)'라는 결론에 도달했다.

 

 

●결국 최종적으로 prototype에는 베어링이 없는 형태의 femur를 사용하게 되었다.

 

 

 

 

motor_cover

motor_cover

●motor cover는 femur와 결합되는 부분의 설계에 가장 고민을 많이했다. 사실상 femur 설계의 연장선이었다. 저 cylinder부분의 중심과 모터 축의 중심이 일치하도록 mg996r의 datasheet에 나온 치수뿐만 아니라 직접 측정한 값도 사용했다. 

 

 

●cylinder부분의 두께가 너무 얇으면 프린팅한 결과물이 프린팅 방향으로 부러질 염려가 있어서 가능한 두껍게 하고 싶었다. (+프린팅 방향을 바꾸는 것은 최후의 방법으로 생각했다.)

 

 

●motor1(위쪽-femur구동)과 motor2(아래쪽-femur_link 구동)의 사이 간격은 gear의 치수에 따라 결정했다.

 

 

 

 

gear

gear

●gear를 제대로 설계하기 이전부터 기어의 피치원 지름(PCD)은 25mm로 결정해 둔 상태였다. 너무 작으면 mg996r 폭보다 작아서 기어가 맞물리지 않았고, 너무 크면 로봇이 너무 커지고 외관을 해쳤기 때문이다. 

 

 

●다른 부품의 설계가 다 끝난 후에 모듈 = 1, 잇수 = 25로 제대로 설계했다. 이전 기계제도 때 배웠던 공식이 생각나지 않아서 관련 글과 영상을 찾아봤고 아래 블로그를 보고 설계를 할 수 있었다.

 

https://sigolmaul.tistory.com/30

1. 인벤터 강좌(부품그리기)-스퍼기어(Spur Gear) 그리기

 

●기어의 두께는 assembly로 부품들을 조립해보고 femur에 잘 맞물리는 두께를 inventor상에서 측정해서 결정했다.

 

 

 

 

femur link

femur_link

●femur_link에서 가장 어려웠던 부분은 모터혼(motor horn) 부분이었다. 프린팅을 y축으로 쌓으면 그 부분의 전단강도가 약해질게 뻔했기 때문이다. 하지만 그 정도가 어느 정도 일지는 감이 잘 안 왔다. 그래서 일단은 평범하게 설계를 하고 이후 프린팅 과정에서 z축방향으로 쌓고 그래도 너무 못 버틴다 싶으면 더 두껍게 수정하는 방향으로 계획했다.

 

 

●혼 안쪽의 톱니 부분도 3d프린터로 잘 뽑힐지 감이 안와서 일단은 구멍을 작게 설계해 억지 끼워 맞춤으로 체결하는 것으로 했다.

 

 

 

 

femur jig

femur_jig

+)이런 형태를 jig라고 하는지는 모르겠지만 그냥 기능적으로는 비슷해서 jig라고 했다.

 

●femur_jig는 큰 어려움은 없었고 femur의 가동범위와 gear의 회전에 영향을 주지 않는 것을 조심하면서 설계했다. 다만 motor cover와의 결합을 아예 한 부품으로 출력할지, 아니면 따로 출력해 볼트로 결합할지는 당시에 못 정해서 일단은 형태만 잡아뒀었다.

 

 

 

 

tibia

●tibia는 일단 가능한 간단하게 prototype을 만들었다. 이후 전체 prototype을 만들 때는 바닥과 닿는 부분을 구형으로 설계할 계획이다.

 

 

 

 

tibia link

●tibia_link는 구동할 때 femur_link, tibia를 방해하지 않도록 설계했다.

 

 

●원래 compliant leg를 만들기 위해 이 부분에 스프링이 들어가야하지만 prototype 단계에서는 뺐다. 어떤 스프링을 써야 할지 감이 전혀 안 왔기 때문이다. 추후 전체 prototype이 완성되면 그때 이 부분만 스프링이 추가된 것으로 바꿀 예정이다.

 

 

 

 

②실물 모델링(for 3d 프린팅)은 다음 글에 올린다...

 

 

 

 

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정확한 정보 전달보단 공부 겸 기록에 초점을 둔 글입니다.

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