안녕하세요. 김상규 전문가입니다.
Q. 신체적 결함이 있는 동물에게 로봇팔을 달아 이를 보완할 수 있을까요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.여러 문제로 인한 장애가 있는 동물에게 있어서로봇팔이나 다리 등을 부착하여 보조하기 위한 기술에는아주 다양한 기술이 적용됩니다.관련 기술을 간단히 나열해 보자면1. 센서 기반 장애물 감지 기술시각장애 반려동물 보조장치: 시각장애 반려동물에게 장애물을 감지하여 진동으로 알리는 기술이 있습니다. 센서를 통해 장애물을 감지하고, 반려동물에게 진동신호를 보내 장애물의 위치를 알려주어 사고를 방지합니다2. 뇌-기계 인터페이스 기술로봇팔 제어: 뇌-기계 인터페이스 기술은 인간의 뇌 신호를 해독하여 장애가 있는 환자가 생각만으로 로봇팔을 제어할 수 있도록 합니다. 이 기술은 대뇌 피질 신호를 분석하여 팔의 이동 궤적을 예측하고, 장애인들이 자연스럽고 쉽게 로봇팔을 제어할 수 있도록 합니다3. 인공지능 기반 로봇 기술웨어러블 로봇: 하반신 마비 장애인을 위한 웨어러블 로봇은 인공지능 기술을 활용하여 사용자가 로봇을 부르면 휠체어에 다가오고, 사용자가 로봇을 입으면 일어납니다. 이 로봇은 주변에 도움 없이도 혼자 입고 걸을 수 있도록 설계되어 있습니다4. 생체모사 기술생각대로 움직이는 인공 팔: 생체모사 기술을 통해 수부 절단 장애인에게 꿈같은 이야기가 현실로 다가올 수 있도록 개발되고 있습니다. 이 기술은 인간능력 향상 및 편익 증진을 위해 인간과 동물의 생체원리를 기반으로 하며, 첨단기술 기반 고난도 생체모사를 통해 인체에 적용 가능한 기술개발이 추진 중입니다5. 로봇 안내견 기술로봇 안내견: 로봇 안내견은 레이저 반사파로 장애물을 파악하며 이동합니다. 사용자를 향한 카메라를 통해 시각 장애인이 로봇의 안내에 따라 잘 걷는지 확인할 수 있습니다
Q. 해저에서는 유압식 로봇팔을 자주 사용하는 것으로 알고있는데 그 이유가 뭔가요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.해저의 수압이 높은 환경에서 유압식 로봇팔이 원활한 작동여부와 작동 조건에 대해 간단히 열거해보면1, 유압식 로봇팔의 작동 조건수압 변동 보상: 해저 작업을 위한 유압식 로봇팔은 수압 변동을 보상할 수 있는 폐회로 설계가 필요합니다. 이는 고압 유체를 유지하고, 로봇팔의 동작을 안정적으로 유지하는 데 중요합니다2, 방수 처리방수 처리: 유압식 로봇팔은 해수에 대한 부식 방지 설계가 필수적입니다. 이는 내부 장치들을 해수의 침수로부터 보호하기 위해 필요한 설계입니다. 이를 통해 로봇팔이 수중에서 장시간 작동할 수 있습니다3, 전기 모터의 활용전기 모터의 활용: 최근에는 유압식 로봇팔의 단점을 보완하기 위해 전기 모터 방식을 많이 사용하고 있습니다. 전기 모터 방식은 전선을 통해 전기를 공급할 필요가 없기 때문에, 전선의 두께와 무게를 줄일 수 있습니다. 또한, 소음이 적은 장점이 있습니다
Q. 질문: 마찰이 거의 없는 초소형 기어 시스템을 설계할 때, 어떤 신소재가 가장 적합할까요? 그리고 이러한 시스템이 일상에서 활용될 수 있는 분야는 어디일까요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.마찰을 최소화할 기어시스템 설계에 있어서◆ 신소재 및 나노 기술의 적용 상황에 대해 열거해 보면1. 신소재의 적용코팅 시스템: 코팅 시스템은 기어의 마찰을 감소시키는 데 효과적입니다. 아연-철 박막 코팅, 아연-니켈 박막 코팅, 아연-알루미늄 코팅 등 다양한 코팅 시스템이 사용됩니다. 이러한 코팅은 마모 방지와 마찰 감소를 복합적으로 제공하며, 특히 기계적 마모 감소와 내마모성 향상을 위해 사용됩니다2. 나노 기술의 적용나노 입자 기반 윤활제: 나노 입자를 사용한 윤활제는 기계 부품의 마찰 저항을 크게 줄이고, 기계 성능을 극대화할 수 있는 잠재력을 지닙니다. 이러한 윤활제는 마찰을 최소화하고, 기어의 동작을 원활하게 하며, 기어의 수명을 연장시킵니다3. 나노 구조의 적용나노 구조의 마찰 감소: 나노 구조를 이용한 마찰 감소 기술은 기어의 마찰 계수를 낮추는 데 효과적입니다. 나노 구조는 마찰 기계적 하중에서 마모 방지 및 마찰 감소를 제공하며, 특히 엔진 부품과 베어링 부품에서 사용됩니다4. 마찰 전기 나노 발전기마찰 전기 나노 발전기: 마찰 전기 나노 발전기는 마찰을 이용하여 전력을 생성하는 기술입니다. 이 기술은 내부 임피던스를 최소화하여 전력을 효과적으로 전달할 수 있도록 설계되며, 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 그러나 내부 임피던스를 감소시키기 위한 전력 관리 시스템이 필요합니다◆ 일상에서의 적용사례를 짚어본다면1. 나노 코팅 기술나노 코팅: 나노 코팅 기술은 마찰을 감소시키는 데 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 자동차 엔진의 피스톤과 크랭크샤프트와 같은 움직이는 부품에 아연-니켈 박막 코팅을 사용하여 마찰을 줄이고, 보다 원활한 작동을 가능하게 합니다2. 윤활제 도입윤활제: 윤활제는 접촉하는 표면 사이의 마찰을 줄이는 데 효과적입니다. 오일, 그리스, 분말 등 다양한 형태의 윤활제가 사용되며, 온도, 압력 및 접촉하는 재료에 따라 선택됩니다. 예를 들어, 작동 온도가 높은 용도에는 고온 그리스가 필요할 수 있습니다3. 나노 입자 기반 윤활제나노 입자 기반 윤활제: 나노 입자를 사용한 윤활제는 기계 부품의 마찰 저항을 크게 줄입니다. 그래핀 기반 윤활제는 다양한 기계 시스템에서 마모를 줄이고 에너지 효율을 향상시키는 놀라운 특성을 보여줍니다. 이러한 나노 입자는 고체 윤활제 역할을 하여 직접적인 접촉을 방지하는 보호층을 형성하여 표면 사이의 마찰을 줄입니다4. 표면 개질표면 개질: 표면 개질 기술을 통해 접촉 면적을 최소화하거나 해당 표면의 특성을 변경하여 마찰을 감소시킬 수 있습니다. 예를 들어, 알루미나 분말의 표면 개질은 화학 산업, 의학, 촉매 및 담체, 세라믹 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다. 이러한 개질은 내마모성과 긁힘 방지 성능을 향상시키는 데 도움이 됩니다5. 중량 분포 최적화중량 분포 최적화: 중량 분포를 최적화하면 운동 마찰을 줄이는 데 중요한 역할을 합니다. 스키나 사이클링과 같은 스포츠에서는 체중을 적절하게 분산하면 운동선수와 운동하는 표면 사이의 마찰을 최소화하는 데 도움이 됩니다. 체중을 앞뒤로 이동함으로써 운동선수는 저항을 줄이고 더 부드럽고 효율적인 움직임을 가능하게 하는 최적의 균형을 찾을 수 있습니다1.6. 전자 클러치 시스템전자 클러치 시스템: 전자 클러치 시스템은 클러치를 연결하고 해제하기 위해 기계적 연결 장치를 사용하지 않고, 센서를 활용하여 엔진 속도, 차량 속도, 스로틀 위치, 도로 상태 등의 매개변수를 모니터링합니다. 수집된 정보는 클러치 마찰판의 최적 결합 및 분리 지점을 결정하기 위해 제어 알고리즘을 통해 처리됩니다. 이 시스템은 정확하고 적응력이 뛰어난 결합 지점을 허용하여 기어 변속을 보다 부드럽게 하고 마찰판의 마모를 줄입니다
Q. 기계 장비의 동적인 특성을 분석하는 방식
기계 장비의 동적인 특성을 분석하는 방식은 여러 가지가 있습니다각각 방식은 특정한 분석 목적과 기법을 기반으로 하기에 관련된 방식들을 간단히 나열해보면1. 동적 기계적 분석기 (DMA) 사용DMA: 동적 기계적 분석기는 재료의 점탄성 특성을 온도, 시간, 주파수 및 진폭의 함수로 정밀하게 정량화합니다. 특히, 폴리머의 탄성률과 강성을 측정하는 데 사용되며, 감쇠 특성, 크리프, 이완 또한 측정할 수 있습니다2. 수학적 모델링과 시뮬레이션수학적 모델링: 기계 시스템의 역학적 특성을 분석하기 위해 수학적인 모델링과 시뮬레이션 기법이 사용됩니다. 시스템의 운동 방정식을 구성하고, 초기 조건과 외부 입력에 따른 시스템의 동작을 예측하는 것이 이에 포함됩니다. 이를 통해 시스템의 안정성, 진동 특성, 응답 시간 등을 분석할 수 있습니다3. 유연 다물체 동역학유연 다물체 동역학: 유연 다물체 동역학은 강체 다물체 동역학을 기반으로 유한 요소법을 도입한 통합 솔루션입니다. 이를 통해 전체 시스템의 동역학적 고동을 해석할 수 있으며, 노드 법과 모드 중 쳐 법을 활용하여 비선형 해석을 수행할 수 있습니다. 유연 다물체 동역학은 자동차, 로봇, 기계 장치 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다4. 진동 분석진동 분석: 진동 분석은 기계 장비의 진동 특성을 평가하는 데 사용됩니다. 진동의 크기, 주파수, 두 신호들 간의 위상이 기계 상태의 평가에 사용됩니다. 진동 센서를 통해 기계 상태의 감시, 성능의 검사, 결함의 진단을 수행할 수 있습니다5. NVH 해석NVH 해석: NVH(Noise, Vibration, Harshness) 해석은 기계 장비의 진동, 소음, 고성능을 평가하는 데 사용됩니다. RecurDyn과 같은 소프트웨어를 통해 NVH 해석을 수행하며, 다양한 사례를 통해 시스템의 동역학적 고동을 해석할 수 있습니다
Q. 기기 설계시 고려해야 할 가장 중요한 요소
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.말씀대로기계 설계에 있어서 고려하고 설계에 반영해야 할 사항은 너무나도 많습니다.모든 요소 중에서도 필수적인 요소라 할 수있는 원칙을 나열해 본다면1, 기계 설계의 역할 기계시스템, 구성 요소 및 제품의 생성 및 개발이 포함되며, 혁신적이고 효율적인 해법 설계를 위한 엔지니어링 원칙, 미학, 기능 및 제조 고려 사항의 적용 포함2, 설계 고려 사항 최종 제품에 영향을 미치는 다양한 요소를 고려한 전체적 접근 방식이 필요 목적 , 기능, 안전, 환경 영향, 제조 가능성 및 비용 효율성이 포함되며 이런 요소와 상호 작용을 이해하는 것이 필수3, 재료 선택 재료 마다의 성능/내구도에 영향을 주는 속성이 있기에 올바른 재료 선택이 매우 중요 금속, 고분자, 합성물 및 세라믹 같은 일반적 재료 선택 시 고려해야할 요소로 강도, 무게, 내식성, 열적 특성 및 비용이 포함 됨4, 응력 / 구조 해석 기계 설계의 중요한 측면은 구성 요소 및 시스템의 구조적 무결성을 디자인하는 것. 응력 분석에는 힘의 분포, 하중이 가해진 상태에서의 재료 상태 예측, 설계가 예상 작동 조건을 견딜 수 있는지 확인하는 작업이 포함되며 정적, 동역학 및 유한 요소 분석(FEA)과 같은 개념은 응력 분석에서 중요한 역할을 하므로 설계의 안전과 신뢰성을 보장하는 데 도움이 됨5, 기계적 동력 전달기계 시스템은 대부분 한 구성 요소에서 다른 구성 요소로 힘을 전달하는 것. 기어, 벨트, 체인 및 샤프트와 관련된 원리를 이해하는 것은 효율적인 동력 전달 시스템을 설계하는 데 필수적이기 때문에 설계 성능을 최적화하기 위한 기어비, 토크, 속도 및 기계적 효율성에 대해 살펴볼 필요가 있음6, 제조 가능성을 고려한 설계기계 설계는 제조 공정도 고려해야 함. DFM(제조 가능성을 위한 설계)에는 효율적이고 경제적으로 제조할 수 있는 설계를 생성하는 작업이 포함되는데 공차 분석, 부품 통합, 어셈블리 고려 사항 및 비용 최적화와 같은 개념은 설계를 실제 제품으로 효과적으로 변환할 수 있도록 하는 데 중요한 역할을 함.7, 인체 공학 및 인적 요소인체 공학과 인적 요소를 고려한 기계 시스템 및 제품 설계는 사용자의 편안함, 안전 및 효율성을 보장하는 데 필수적. 인체 측정 데이터, 인간-기계 상호 작용 및 인체 공학 원리를 이해하면 사용자 경험을 향상하고 부상이나 불편함의 위험을 최소화하는 디자인을 만들 수 있음.8, 프로토타이핑 및 테스트프로토타이핑을 통해 본격적인 생산에 들어가기 전에 디자인을 검증하고 개선할 수 있음. 3D 프린팅, CNC 머시닝 또는 래피드 프로토타이핑과 같은 다양한 프로토타이핑 방법을 탐색하여 아이디어를 실현하고 프로토타입에 대한 철저한 테스트 및 분석을 수행하면, 설계 결함을 식별하여 성능을 최적화하고 필요한 개선을 수행하는 데 도움이 됨.9, 지속 가능성 및 친환경 설계지속 가능성을 고려하는 것은 기계 설계에서 매우 중요. 에코 디자인, 수명 주기 평가, 재생 에너지 통합과 같은 개념을 접목하여 환경 영향을 최소화하는 디자인을 개발하고 보다 친환경적이고 지속 가능한 미래에 기여할 수 있는 재료 재활용, 에너지의 효율적인 시스템 및 지속 가능한 제조 방식을 살펴봐야 할 필요성이 있음.◆ 결론 ◆설계 고려 사항, 재료, 응력 분석, 동력 전달, 제조 가능성, 인체 공학, 원형 제작, 테스트 및 지속 가능성을 탐구함으로써 해당 분야에 대한 포괄적인 이해를 얻을 수 있으며 실습 프로젝트와 실제 경험으로 이론적 지식을 보완하여 기술과 창의성에 대해 배우는 것을 게을리 해서는 안된다는 것이중요한 점 입니다.