유연 메커니즘의 정확한 기구학적 모델링을 위한 수정된 매트릭스 방법

Abstract

유연 메커니즘은 유연 힌지의 탄성 변형을 이용하는 메커니즘으로, 기계적인 마찰, 마모, 백래시 등이 없어 다양한 초정밀 시스템에 사용되고 있다. 유연 메커니즘은 유연 힌지의 탄성 변형 량에 따라 메커니즘의 변형 량이 결정 된다. 이때 힌지의 변형 량은 힌지의 최소 두께, 길이, 폭, 단면적 등의 기하학적 매개변수에 의해 결정된다. 따라서 원하는 유연 메커니즘의 설계를 위해서는 각 매개변수에 따른 정확한 해석이 필요하다. 매트릭스 방법은 대표적인 유연 메커니즘의 설계 방법이다. 매트릭스 방법은 메커니즘을 유연 힌지와 강체들로 단순화 하여 설계를 하며, 컴플라이언스 매트릭스 기반의 좌표 계산을 통해 각 강체들의 변위를 계산할 수 있다. 그러나 기존 매트릭스 방법은 유연 힌지 이외의 요소들은 강체로 설정하였기 때문에 힌지 변형 이외의 강체로 설정한 강체들의 변형을 계산할 수 없다. 따라서 기존 방법은 힌지 이외의 요소에서 변형이 발생하는 메커니즘 설계 시 오차가 발생한다. 본 논문에서는 다양한 유연 메커니즘에서 더 정확한 설계가 가능한 수정된 매트릭스 방법을 제시한다. 수정된 방법은 변형이 발생하는 강체를 빔 스프링과 집중질량을 가지는 작은 강체로 가정하여 문제를 해결하고자 한다. 논문에서 제시한 설계 방법을 2 가지의 증폭 메커니즘에 적용하여 타당성을 검증한다. 이때 검증은 정적 및 동적 해석 모두 진행한다. 최적화를 통해 강체 변형의 영향성을 확인하고, 기존의 매트릭스 방법과 논문의 방법의 최적화 결과 차이를 비교한다.