액추에이터

3. 역사

산업혁명 이후, 선박이 대형화되면서 인력으로 조종하기 어려워져 유압식 제어 장치가 도입되었고, 건설 기계의 보급에도 유압식 액추에이터가 중요한 역할을 했다. 공압식 액추에이터는 19세기 말부터 철도 차량의 브레이크나 문 개폐 장치 등에 사용되었다.^[26] 사출 성형기와 산업용 로봇은 초기에는 유압식이 주류였지만, 1990년대 이후 파워 일렉트로닉스의 발달로 전동식의 출력밀도와 신뢰성이 향상되면서 제어성과 에너지 효율이 뛰어난 전동식이 시장 점유율을 높였다. 그러나 2010년대에 보스턴 다이내믹스가 다족 보행 로봇에 정밀 유압 제어를 도입하면서 흐름이 바뀌었고, 유압식의 장점이 다시 주목받으면서 로봇에 유압 액추에이터를 도입하는 사례가 늘고 있다.^{[20][21][22][23][24][25]}

4. 성능 지표

액추에이터의 성능 지표에는 속도, 가속도, 힘(또는 각속도, 각가속도, 토크)뿐만 아니라 에너지 효율, 질량, 부피, 작동 조건, 내구성 등이 있다. 액추에이터의 효율은 모든 작동 매커니즘의 유용성을 측정하는 표준으로 쓰인다.

:$\backslash varepsilon\; =\; \backslash frac\{\backslash text\{useful\; work\}\}\{\backslash text\{spent\; energy\}\}=\backslash frac\{\backslash text\{output\; energy\}\}\{\backslash text\{input\; energy\}\}$

힘, 속도, 작동 조건, 내구성에 대한 자세한 내용은 하위 문단을 참고하면 된다.

4. 1. 힘

4. 2. 속도

4. 3. 작동 조건

4. 4. 내구성

5. 응용

공학에서 액추에이터는 운동을 일으키거나 물체를 고정하여 운동을 방지하는 기구로 자주 사용된다.^[18] 전기 공학에서 액추에이터는 트랜스듀서의 한 종류이다. 액추에이터는 입력 신호(주로 전기 신호)를 어떤 형태의 운동으로 변환하는 장치이다.

액추에이터는 전동기나 엔진처럼 물체를 움직이는 구동 장치와 그 동작에 의해 제어를 수행하는 기계, 유압·공압·열·전자기 등 물리적인 장치를 가리킨다. 사용하는 작동 원리(입력·출력하는 에너지)에 따라 다양한 종류가 있다. 신축·굴신·선회와 같은 단순한 운동을 하는 것만을 포함하는 경우와 전동기(모터)나 엔진처럼 동력을 지속적으로 발생시키는 것을 포함하는 경우가 있다.

액추에이터는 기본적으로 에너지를 공급함으로써 운동을 발생시킨다. 어떤 장치에 탑재하는 경우에는 전기적인 신호에 의해 제어할 수 있도록 제어 기구에 통합한다. 제어 방식은 사용하는 에너지의 종류나 액추에이터 자체의 용도에 따라 다양하다. 단순한 개폐기(스위치)나 밸브에 의한 것이 있다. 핸들이나 레버와 같은 조작 부분에 연결된 것도 있다. 큰 힘을 발생시키는 액추에이터를 작동시키기 위해 동력 전달 장치의 개폐기에 장착된 소형 액추에이터 등 다양한 활용 방법이 있다.

로봇의 관절을 움직이는 등의 용도로 사용된다. 여기에는 에너지를 공급할 때만 수축하고, 에너지를 차단하면 외부 힘에 대해 수동적으로 되는 액추에이터도 많으며, 관절을 움직이는 경우에는 관절을 구부리는 액추에이터와 펴는 액추에이터가 세트로 사용되거나, 한쪽을 스프링의 탄성으로 대체하는 설계 방식도 있다. 복잡한 경우에는 힘의 합성을 이용하여 여러 개의 액추에이터에서 얻어지는 힘을 이용하여 축을 지점으로 하여 복잡한 운동을 하는 경우도 있다.

이러한 복잡한 동작을 요구하는 액추에이터는 제어를 위해 상태를 감지하는 센서와 동시에 통합되어 상태를 감시한다(센싱). 이를 통해 액추에이터에 입력되는 에너지를 조절하여 원하는 대로 움직이지만, 건설 기계와 같이 단순한 경우에는 작업자가 각 관절의 상태를 눈으로 확인하고 조절하기 때문에 이러한 상태 파악을 위한 센서류는 사용되지 않는다.

2000년대에는 제어용 컴퓨터의 고성능화·소형화가 진행되면서 로봇이 더욱 현실적인 장치로 개발되고 있지만, 그 이면에서 액추에이터도 더욱 효율적으로 작동하는 것이 요구되고 있으며, 센싱 기술도 병행하여 센서의 소형화·고정밀화 및 일정한 정보 처리 기능을 갖춘 지능화가 진행되고 있으며, 이것들이 로봇 공학의 전반적인 발전을 촉진하고 있다.

다음은 액추에이터가 사용되는 몇 가지 예시이다.

• 빗살 톱니 구동기
• 디지털 마이크로미러 장치
• 전동기
• 전기활성 고분자
• 유압 실린더
• 압전 액추에이터
• 플라즈마 액추에이터
• 공압 액추에이터
• 스크류 잭
• 서보 메커니즘
• 솔레노이드
• 스테핑 모터
• 형상기억합금
• 열 바이모프
• 유압 액추에이터
• 트림 액추에이터 (항공기 설계에서)

6. 대한민국 주요 액추에이터 제조사

대한민국의 주요 액추에이터 제조사로는 스마트로보틱스, 케이에스에스 등이 있다.^[31]

7. 원형-직선 운동 변환

모터는 주로 원형 운동을 하는 데 사용되지만, 리드 스크류나 이와 비슷한 기구를 사용하여 원형 운동을 직선 운동으로 바꿀 수 있다. 반대로 압전 액추에이터처럼 본래 직선 운동을 하는 액추에이터도 있다. 원형 운동과 직선 운동 사이의 변환은 보통 다음과 같은 몇 가지 간단한 기구를 통해 이루어진다.

• 나사: 스크류 잭, 볼 스크류, 롤러 스크류 액추에이터는 모두 나사라는 단순 기계의 원리를 이용한다. 액추에이터 너트를 회전시키면 스크류 샤프트가 직선으로 움직인다. 스크류 샤프트를 움직이면 너트가 회전한다.
• 바퀴와 축: 호이스트, 윈치, 랙 앤 피니언, 체인 드라이브, 벨트 드라이브, 리지드 체인, 리지드 벨트 액추에이터는 바퀴와 축의 원리를 이용한다. 바퀴/축(예: 드럼, 기어, 풀리 또는 샤프트])을 회전시키면 직선 부재(예:

8. 가상 계측

가상 계측에서 액추에이터와 센서는 가상 계측기의 하드웨어 보완 장치이다.

참조

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_[2] 논문 A Dictionary of Electronics and Electrical Engineering http://dx.doi.org/10[...] 2018
_[3] 서적 Handbook of Valves and Actuators: Valves Manual International https://books.google[...] Elsevier Science 2021-11-11
_[4] 서적 Mechatronics: An Integrated Approach CRC Press
_[5] 웹사이트 What's the Difference Between Pneumatic, Hydraulic, and Electrical Actuators? http://machinedesign[...] 2016-04-26
_[6] 간행물 The Role of Rack and Pinion Actuators in On-Off & Modulating Controls Valve Manufacturers Association
_[7] 웹사이트 Automax SuperNova Series Pneumatic Rack & Pinion Actuators http://www.flowserve[...] Flowserve Corporation 2014-07-07
_[8] 웹사이트 What is a Pneumatic Actuator? http://www.tech-faq.[...] 2018-02-20
_[9] 웹사이트 Pneumatic Valve Actuators Information - IHS Engineering360 http://www.globalspe[...] 2016-04-26
_[10] 뉴스 How does an electric actuator work? http://blog.indelac.[...] 2018-02-20
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_[13] 웹사이트 Ultra-compact: Valves with shape memory actuators https://www.gesundhe[...] 2021-03-24
_[14] 논문 Soft Actuators for Soft Robotic Applications: A Review 2020-10
_[15] 논문 2015 Transducers - 2015 18th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS)
_[16] 논문 Freeform fabrication of ionomeric polymer-metal composite actuators
_[17] 논문 Fabrication of electrostatic MEMS microactuator based on X-ray lithography with Pb-based X-ray mask and dry-film-transfer-to-PCB process
_[18] 논문 Fabrication of a simple and easy-to-make piezoelectric actuator and its use as phase shifter in digital speckle pattern interferometry 2019
_[19] 서적 Mechanisms and Mechanical Devices Sourcebook McGraw-Hill
_[20] 뉴스 油圧復活、耐衝撃性でモーターに逆襲 川崎重工・ブリヂストンがロボットに https://xtech.nikkei[...] 日経クロステック 2020-06-01
_[21] 논문 油圧による柔軟で機動性の高い多脚ロボットの実現
_[22] 논문 タフロボット用油圧アクチュエータ
_[23] 논문 電動モータと油圧システムの競演から協演へ 電気学会
_[24] 논문 次世代アクチュエータが切り拓く新しいロボティクス
_[25] 웹사이트 ロボット向け電油アクチュエータの開発 - 川崎重工 https://www.khi.co.j[...]
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