V5 모터에 기어비 사용

VEX EDR 시스템에는 두 가지 유형의 스퍼 기어, 기어 키트 및 고강도 기어 키트가 있습니다(스퍼 기어 선택 방법참조). 이러한 기어를 조립하면 동력 전달을 맞춤화하고, 토크를 높이거나 속도를 높일 수 있습니다. 이는 두 개 이상의 기어를 구동축에 조립하여 기어의 이빨이 서로 맞물리도록 하면 됩니다. 모터는 기어 중 하나의 구동축에 동력을 공급합니다. 

기어비 

간단한 기어비는 구동축 당 하나의 기어만 사용합니다. 동력 또는 입력을 제공하는 기어를 구동 기어 이라고 하며, 회전하거나 출력을 담당하는 기어를 구동 기어라고 합니다. 기어비는 다음 공식을 사용하여 계산합니다.

V5 로봇 구성품의 조립 팁을 보여주는 다이어그램으로, 사용자가 조립 과정을 안내하기 위해 라벨이 붙은 부품과 단계별 지침이 포함되어 있습니다.

 

  • 토크: 모터가 로봇의 구성 요소에 적용할 수 있는 회전력입니다.
  • 속도: 회전 속도는 물체가 회전하는 속도입니다. 
  • 전력 전달: 기어, 바퀴 또는 기타 기계 구성 요소를 구동하기 위해 모터에서 로봇의 다양한 부분으로 에너지를 전달하는 프로세스입니다. 

1:1 기어비 

1:1 기어비 은 구동 기어가 한 바퀴 회전하여 종동 기어가 한 바퀴 완전히 회전한다는 것을 의미합니다. 이 기어비는 다음과 같은 이점을 제공합니다.

  • 균형 잡힌 속도와 토크: 구동 기어와 피동 기어의 비율이 같으므로 두 기어 사이에 속도나 토크 변화가 없습니다. 이러한 균형은 모터의 기본 성능이 충분한 응용 분야에 이상적입니다.
  • 직접 동력 전달: 이 기어비는 모터에서 생성된 동력이 손실 없이 구동되는 부품에 직접 전달되도록 보장합니다.
  • 간소화된 설계: 1:1 기어비는 로봇의 기계 설계를 간소화하여 설계 및 제작 과정을 더 간단하게 만듭니다.
  • 예측 가능한 성능: 입력 및 출력 속도가 동일하므로 로봇의 성능이 더욱 예측 가능합니다. 이는 일관된 성과가 요구되는 작업이나 작업 타이밍이 중요한 작업에 유용할 수 있습니다.

아래 그래픽은 1:1 기어비의 예를 보여줍니다. 구동기어와 피동기어의 이빨 수는 동일합니다(60T). 모터는 60T 구동 기어를 한 바퀴 회전시켜 60T 종동 기어가 한 바퀴 완전히 회전하도록 합니다. 

 

5:1 기어비 

V5 카테고리 구성 요소의 조립 팁을 설명하는 다이어그램으로, 적절한 조립을 위한 단계별 지침과 라벨이 붙은 부품을 보여줍니다.

5:1 기어비 은 구동 기어가 5회전해야 피동 기어가 1회전을 완료한다는 것을 의미합니다. 이 기어비는 다음과 같은 이점을 제공합니다.

  • 증가된 토크: 토크는 모터가 로봇의 구성 요소에 적용할 수 있는 회전력입니다. 토크를 증가시키면 로봇은 더 무거운 하중을 처리할 수 있고, 물건을 들어올리거나 밀어내는 등 더 많은 힘이 필요한 작업을 수행할 수 있습니다. 구동 기어는 종동 기어보다 이빨이 적어 토크 출력은 5배나 큰 반면 속도 출력은 1/5에 불과합니다. 
  • 감소된 속도: 토크가 증가하는 동안 구동 기어의 속도가 감소합니다. 속도 감소는 더 많은 제어와 정밀성이 필요한 작업에 유익합니다.
  • 향상된 모터 효율성: 기어비가 높을수록 모터가 더 효율적으로 작동할 수 있습니다. 이러한 기어비는 모터의 마모를 줄이고 모터의 수명을 연장할 수 있습니다.
  • 특정 작업에 대한 사용자 정의: 이 기어 비율은 더 큰 기어 시스템과 통합되어 로봇의 성능 특성을 사용자 정의할 수 있습니다.

1:5 기어비 

V5 로봇 구성 요소의 조립 팁을 보여주는 다이어그램으로, 사용자가 프로젝트를 효과적으로 구축할 수 있도록 안내하는 라벨이 붙은 부품과 조립 단계가 설명되어 있습니다.

속도 증가(고속) - 이 유형의 기어비의 목적은 모터에서 바퀴로의 속도를 높이는 것입니다. 구동 기어는 종동 기어보다 이빨이 더 많습니다. 예를 들어, 모터가 60T 기어를 휠의 12T 구동 기어로 구동하는 경우, 60T 구동 기어가회전하면 12T 구동 기어는 5(5)회 회전합니다. 이것을 1:기어비라고 합니다. 이 경우 속도 출력은 5/1배이지만 토크 출력은 1/5입니다.

다음 그래픽을 탐색하여 1:5 기어비의 각 각도를 살펴보세요. 

기어 트레인 

기어 트레인 은 로봇의 한 부분에서 다른 부분으로 동작과 동력을 전달하는 일련의 기어로 구성됩니다. 기어열은 회전 운동의 속도, 토크, 방향을 변경합니다. 기어열은 운동을 전달하기 위해 서로 맞물리는 이빨이 있는 기어, 기어를 제자리에 고정하고 회전할 수 있게 하는 샤프트, 모든 구성 요소를 제자리에 고정하는 데 도움이 되는 샤프트 칼라로 구성됩니다. 기어 트레인의 기능은 다음과 같습니다.

  • 속도 조정: 기어 열차는 회전 속도를 높이거나 낮춥니다. 더 작은 구동 기어가 더 큰 종동 기어와 맞물리면 속도는 낮아지지만 토크는 증가하고, 더 큰 구동 기어가 더 작은 종동 기어와 맞물리면 속도는 높아지지만 토크는 감소합니다.

기어 트레인은 모터에 연결되지 않은 바퀴를 회전시키는 데 사용됩니다. 

특별 참고 사항

V5 카테고리 구성요소의 조립 팁을 보여주는 다이어그램으로, 사용자가 V5 로봇 프로젝트를 효과적으로 구성할 수 있도록 안내하는 라벨이 붙은 부품과 조립 단계를 담고 있습니다.

스프라켓과 체인 시스템의 비율은 기어 비율과 동일한 방식으로 작동합니다. 스프라켓과 체인 시스템은 스프라켓이 체인으로 연결되어 있기 때문에 스프라켓을 여러 거리 간격으로 배치할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 체인 링크는 고강도 기어의 이빨이 부러지는 것보다 적은 힘으로 부러질 수 있습니다. 로봇이 완벽하게 작동하려면 어떤 종류의 파손이든 수리해야 합니다.

간단한 기어비로 구동 기어와 종동 기어 사이에 아무리 많은 크기의 기어를 배치해도 기어비는 변하지 않습니다. 예를 들어, 12T 기어는 36T 기어를 구동하고, 36T 기어는 60T 구동 기어를 구동하더라도 기어비는 여전히 5:1이며, 이는 60T 기어가 12T 기어에 의해 직접 구동되는 것과 같습니다.

속도

회전 속도는 물체가 얼마나 빨리 회전하는지를 말합니다. 예를 들어, V5 스마트 모터의 샤프트 소켓은 분당 100회전 또는 100RPM으로 회전할 수 있습니다. 위에서 설명한 대로 5:1 기어비를 사용하는 경우, 60개 이빨의 구동 기어가 모터의 축으로 회전하고, 그 위에 12개 이빨의 구동 기어가 회전하면, 12개 이빨의 기어는 5배 더 빠른 속도로 회전합니다. 위의 예를 사용하면 12개 이빨 기어는 모터 샤프트의 100 RPM에 비해 500 RPM으로 회전하게 됩니다. 1:5 기어비를 사용하는 경우, 12개 이빨의 구동 기어가 모터의 축에 의해 회전하고, 그 위에 60개 이빨의 구동 기어가 회전하면, 60개 이빨의 기어는 1/5만큼 더 빠른 속도로 회전합니다. 위의 예를 다시 사용하면, 60개 이빨 기어는 모터 샤프트의 100 RPM에 비해 20 RPM으로 회전합니다. 

그렇다면 왜 항상 가능한 가장 빠른 기어비를 사용하지 않을까요? 로봇이 더 빨리 움직일수록 경쟁력이 높아질 것으로 보입니다. 첫 번째 이유는 로봇의 기능을 제어할 수 있는 속도가 더 빠르다는 것입니다. 몇 가지 예를 들어보자면, 로봇이 운전하는 기능이 있는데, 바퀴가 너무 빨리 회전하면 제어하기가 매우 어려울 수 있습니다. 기능이 위아래로 회전하는 팔인 경우, 너무 빨리 회전하면 제어하기 어려울 수도 있습니다.

토크

토크는 특정 거리에서 하중을 회전시키는 데 필요한 힘의 양입니다. 모터의 토크는 제한되어 있습니다. 예를 들어, V5 스마트 모터가 1 Nm(뉴턴 미터)의 토크를 생성하는 경우 5:1 기어비를 사용하면 구동되는 12개 이빨 기어는 모터의 토크 입력의 ⅕를 출력하므로 출력은 0.2 Nm가 되고, 1:5 기어비에서는 60개 이빨 기어는 모터의 토크 입력의 5배를 출력하므로 출력은 5 Nm가 됩니다. 

두 번째 이유는 로봇을 설계할 때 항상 가능한 가장 빠른 기어비를 사용할 수 없기 때문입니다. 증가된 속도 기어 비율을 사용하여 로봇 바퀴를 더 빨리 구동할 경우, 기어 비율이 모터에서 사용 가능한 토크를 초과하여 로봇이 빠르게 움직이지 않거나 전혀 움직이지 않을 수 있습니다. 거의 동일한 설계를 가진 두 로봇이 상호 작용하는 경우, 낮은 기어비 구동계를 가진 로봇이 높은 기어비 구동계를 가진 로봇을 밀 수 있는 경우도 있습니다. 왜냐하면 낮은 기어비 로봇이 더 큰 토크를 가질 것이기 때문입니다. 또 다른 예로, 모터에 삽입된 샤프트에 직접 부착된 경우에도 팔이 회전하지 않을 수 있습니다. 팔을 회전시키면 모터의 가용 토크를 초과할 수 있기 때문입니다. 이 경우에는 모터 토크의 출력을 높이고 팔을 회전시키는 데 필요한 토크량을 초과하기 위해 토크 증가 기어비를 사용해야 합니다.

V5 스마트 모터의 속도와 토크는 모터 대시보드를 사용하여 측정할 수 있습니다.

로봇 현실

다행히도 V5 클로봇 조립 설명서에 사용된 기어비는 맞춤형 로봇을 설계하기에 충분합니다. 많은 구동계는 녹색 200 RPM V5 기어 카트리지가 장착된 V5 스마트 모터로 바퀴의 샤프트나 트랙 스프라켓을 직접 구동하여 잘 작동합니다. 그러나 타워나 게임 조각 흡입구와 같은 설계 구조물을 모터가 있는 곳에 배치해야 하는 경우 위에서 설명한 대로 스프라켓과 체인 또는 기어를 사용한 동력 전달을 사용할 수 있습니다. 대부분의 암의 경우, 위에서 설명한 7:1 증가 토크 기어 비율은 200 RPM 모터로 12T 기어를 구동하고 암에 84T 구동 기어를 부착하면 충분합니다. 경쟁 우위가 더욱 중요해짐에 따라 속도와 토크 사이의 "적절한 지점" 균형을 찾는 것이 더욱 중요해졌습니다. 이는 사용 가능한 3개의 V5 기어 카트리지(빨간색: 100 RPM, 초록색: 200 RPM, 파란색: 600 RPM) 중 하나와 V5 스마트 모터를 사용하고, 필요한 경우 토크를 높이기 위한 기어 비율이나 속도를 높이기 위한 기어 비율과 모터를 결합하여 달성할 수 있습니다.

기어와 기타 모션 하드웨어는 https://www.vexrobotics.com/vexedr/products/motion에서 구매할 수 있습니다.

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