Dymaxion.Kim: Ultra Mini Servo Drive

미국의 Barrett Tech.를 살펴보니 흥미롭다.

( http://www.barrett.com )

핵심기술은 크게 2가지인 듯 한데

1. 케이블 텐션을 이용한 로봇관절용 기어레스 동력전달
2. 초미니 BLDC 분산제어기

1번은 뭐 그렇다 치고
2번의 결과물로 나온 제품을 보니 기존의 상식을 뛰어넘는 그야말로
Super Invention에 가까운 물건이다.

제품명이 'The Puck'이다.
이 제품을 소개한 페이지들을 보면...

http://www.robotics.org/product-catalog-detail.cfm/Barrett-Technology-Inc/Ultra-Miniature-Puck-Brushless-ServoElectronics-Module/productid/3054

http://www.barrett.com/robot/news-pressreleases.htm

http://www.barrett.com/robot/industrial_robot_wam.pdf ---> 필독

등등 줄줄 나오는데,
간단히 요약하자면 다음과 같다..

1. 2002년부터 개발 시작, 2007년에 제품에 적용 성공, 계속 업그레이드중
2. 사이즈 D35xL17mm, 중량 45g
3. 32bit DSP 프로세서 내장
4. 레이저 반사식 엔코더 소자 내장 (분해능 40,000PPR까지 가능)
5. CANbus 및 RS232 통신
6. 파워서플라이 회로 내장
7. 내부 온도 제어 기능 및 모터 온도 모니터링 기능 내장
8. 각종 I/O 지원
(디지털 및 아날로그 신호 입력 - 위치센싱용 홀센서 라던가
스트레인게이지 따위를 연결 가능한)
9. BLDC 드라이브용 내장 FET는 300W급 모터 구동 가능... 후덜덜

외부의 냉각핀(Fins) 처럼 생긴 돌기 형상은, 처음에는 그냥 냉각핀인줄 알았는데
케이스는 에폭시 재질이고 빙 둘러가면서 44개의 홈이 파여 있다.
저 홈에는 전기 접점 터미널이 나와있기 때문에,
와이어의 중간 피복을 살짝 까서 저 홈에 끼우면 커넥팅이 된다.

보통 초소형 전자회로를 만들때 커넥터 사이즈가 문제가 흔히 되는데
그것을 저런 식으로 해결하다니 대단한 아이디어라고 생각된다.

미국특허를 보면 좀 더 자세한 내용을 알 수 있으니 참고해 본다...

http://www.google.com/patents/about?id=GjabAAAAEBAJ&dq=US2006071622&rview=1
--> 필독

2012년도에는 700W급(=1마력) 신제품을 내놓는다고 하는데,
사이즈는 더 줄인다고 한다. 이건 뭐... ㅠㅠ;

아무튼 종합적으로 볼 때 정말 놀라운 제품임에 틀림없다.

기술적인 난점은
로직 부분이야 ASIC을 개발해서 사이즈를 얼마든지 줄인다 치는데
파워 드라이빙 쪽은 어떻게 사이즈를 줄였는지 정말 궁금하다.
MOSFET을 어떻게 새로 개발한다손 치더라도,
소자 자체의 RDS(ON) 이나 Flyback Diode의 저항값 때문에 발열은 원리적으로 불가피한데
별도 방열판도 설치하지 않고 저런 대용량의 파워를 다룬다는 건 상식을 초월하기 때문이다.

최근에 나오는 MOSFET 소자들은 RDS(ON) 값을 극단적으로 낮춰서 발열이 거의 없는 경우도 있다고 하는데 그런 기술이 적용되었지 않나 하고 막연히 추정할 뿐이다.

Nominal로 3.3A 흘리는데 온도 상승은 50도씨에서 포화되는 수준에 불과하다고 하니 ...
(파워 효율 99% 달성되어 있다고 함)

자사의 WAM 로봇에 적용되었을 경우,
4-DOF 로봇팔에서 페이로드 4kg을 부과시켰을 때 겨우 28W의 파워가 당겨지고 (케이블 동력전달 기구의 효과일 것으로 생각됨) 이때 PUCK의 온도는 40도씨라고 한다.

현재 우리가 개발중인 200W급 BLDC 드라이버의 경우와 비교해 보면...
우리는 저런 식으로 ASIC까지 개발해 가면서 극단적으로 개발하는 것이 불가능하므로
어쩔 수 없이 전통적인 PCB위에 모든 회로를 꾸밀 수 밖에 없는데
아무튼 최대한 근접해 보도록 노력할 수 밖에 없다....

특허문서에 나온 설명이나 그림을 한 번 보자.

제품 외관이다. 아주 심플하고 명료하다.

와이어를 커넥팅하는 독특한 아이디어를 볼 수 있다.
와이어가 이탈하지 않도록 하면서 깔끔하게 잡아줄 수 있는 브라켓 부품도 있다.

로직 IC는 아예 ASIC으로 개발한 듯 하다. 골드와이어가 복잡하게 연결되는 것으로 봐서
실리콘 기판이 여러 쪽으로 분할되어 있고, 패키징을 외주로 줘서 특별하게 한 듯 하다.
특히 130번의 레이저 반사식 포토센서의 배치는 압권이다.
고분해능과 설치의 간편함을 한 번에 해결한 것 같다.

ASIC의 블록 다이어그램이다.
마이크로프로세서 코어는 32bit DSP를 사용했다고 되어 있다.

PCB는 아래위로 2쪽으로 분할되어 있는데, 위쪽의 288번 섹션 부분에 아마 센서랑 로직이 들어가 있을 것이고, 반대쪽 292번 섹션에 파워 및 드라이브 회로가 들어가 있는 것으로 보인다. PCB간의 연결은 별도의 헤더 부품을 사용하지 않고, 리드선으로 직결 납땜했다.
아마 특별한 지그를 이용해서 생산 가능하도록 했을 것이다.
PCB의 아래,위쪽에는 쉴드 및 절연을 위해 별도의 Sheet를 댄 것으로 보인다.