리버스 브릿지 타입 변위 증폭기를 이용한 계층구조의 소형 압전 트라이포드 매니퓰레이터

Abstract

본 논문은 압전 작동기용 리버스 브릿지 타입 변위증폭기를 설계하고 이들을 교차 적층한 3개의 링크를 증폭된 선형 변위를 이용하여 플랫폼의 회전(Rotation)과 위치(Z-axis) 정밀 제어가 가능한 3자유도 계층구조 병렬형 매니퓰레이터(3-RPS, Revolute joint, Prismatic actuator, Spherical joint)의 모델링과 구현에 대해서 다루었다. 압전 작동기만의 변형률은 0.1% 정도로 매우 작으므로 리버스 브릿지 타입의 변위 증폭기를 설계하여 유효 변형률을 2.3%로 증가 시키었고 내부로 굽은 리버스 브릿지 타입의 특성을 이용하여 교차하여 직렬로 적층함으로써 각 링크들이 높은 변위를 발생시킴과 동시에 매니퓰레이터의 소형화(D×H :48.6mm×56.0mm)가 가능하도록 하였다. 변위 증폭기의 변위 증폭률을 높이기 위하여 변위 증폭률에 대한 Ideal model과 Analytical model(compliant mechanism)를 구하여 중요 설계변수를 도출하고 이를 타깃 압전 작동기의 크기를 고려한 모델에 변수로 적용하였다. 이를 변위증폭률에 대하여 상용 FEM으로 파라미터 스터디(Parameter study) 하였고 변위증폭률이 최대인 모델로 제작하여 변위를 측정하고 해석과 비교하였다. 제작된 리버스 브릿지 타입 변위 증폭기들을 4개 교차하여 적층하여 계층구조의 3개의 축을 구성하였다. 각축 하단부에는 회전 조인트를 이용하여 베이스와 연결하고 상단부에는 볼 조인트로 플랫폼과 연결하여 최종 프로토타입을 제작하고 구동범위(Rotational angle : 2°, Z-Stroke : 874㎛)를 측정하였다.