카테고리: Robotics

태양광 우주선 주노(juno), 목성 궤도에 안착하다

주노, 목성 궤도에 안착

무인 탐사선 ’주노(Juno)’가 태양광과 별들의 중력을 동력으로 5년간 우주를 날아 목성 궤도에 안착했다. 이로써 주노는 우주에서도 태양에너지를 통한 에너지 효율성과 우주선의 무게를 줄이는 것이 가능하다는 것을 증명하고 있는 중이다.

주노, 목성 궤도에 안착

 

미국 NASA는 7월 5일 낮 12시 18분(한국시간) 주노가 목성 궤도 진입을 위한 감속 엔진 점화를 시작해, 35분 뒤인 낮 12시 53분에 목성 궤도에 성공적으로 안착했다고 발표했다. 주노는 지난 2011년 8월 5일 미국 플로리다에서 발사되어 5년간 28억㎞를 비행해 태양계에서 가장 크고 오래된 행성인 목성 궤도에 ’갈릴레오’에 이어 2번째로 진입하게 됐다.

주노는 앞으로 20개월 동안 목성으로부터 5000킬로미터 상공에서 목성 주변을 37회 돌면서 두꺼운 구름층 안에 숨어서 지금까지 미지의 영역으로 남아 있는 목성의 내부를 관측하게 된다.

목성을 농구공 크기로 축소한다고 가정할 때, 주노의 궤도는 겨우 목성에 0.8cm 밖에 떨어지지 않은 궤도를 도는 꼴이다.

주노의 궤도는 타원형의 극 궤도를 그리며 진행하게 된다. 이는 목성의 유해 방사선 지역으로부터 최대한 주노에 탑재된 전자기기들을 보호하기 위한 것이다. 그럼에도 주노는 1년후에는 1억번 X레이를 쬐는것 이상의 방사선 피폭이 이뤄질 전망이다.

이러한 유해 방사선으로부터 민감한 전자기기들을 보호하기 위해 주노는 티타늄 밸트로 포장됐다. 외부보다 800배 적게 방사선에 피폭될 것이다. 1년간 수명을 유지시키게 된다는 것이다.

주노는 태양 전지 패널을 최대한 많이 확보하기 위해서 20미터에 달하는 크기에 3624킬로그램이다.

나사는 이날 주노가 목성 안착 준비를 위해 ’주노캠’이라 불리는 컬러카메라를 끄기 전에 촬영한 마지막 사진을 공개하기도 했다.(아래)

주노(JUNO)가 목성궤도에 안착했다

 

목성 내부와 대기 탐사를 위해 주노에는 컬러 카메라(주노캠)와 전파 측정기 등 모두 9종류의 장비가 장착됐고 에너지를 공급할 거대한 태양전지판으로 만들어진 삼각편대의 날개 3개도 달렸다.

주노가 목성 궤도에 처음 진입할 때 공전주기는 53.5일이지만, 10월 19일에 주 엔진을 다시 약 22분간 연소해 14일 공전주기로 궤도를 바꾸고 목성의 극지방을 관측할 예정이다. 이후에는 갈릴레오처럼 목성으로 추락해 사멸하게 될 예정이다.

목성의 궤도는 지구보다 태양으로부터 5배 더 멀리서 공전한다. 따라서 지구보다 약 25배 적은 햇빛만이 목성에 도달한다. 주노는 태양으로부터 가장 먼 거리에서 작동하도록 설계된 최초의 태양광 우주선이 됐다.

Technicians test Juno's solar arrays in preparation for launch at NASA's Kennedy Space Center.

 

특히 매우 적은 태양광만으로 에너지를 만들어야 하기 때문에 태양 전지 패널이 커지게 됐다. 이에 주노는 태양 전지 패널을 최대한 부착하기 위해 육각형의 주노 본체에 3방향으로 태양전지판 날개모양을 달았다. 각각의 날개에는 11개의 태양 전지 패널과 MAG boom으로 구성된다.

또한 2개의 55 amp-hour lithium-ion 배터리를 장착했다. 이는 태양빛을 밪지 못하거나 목성의 그늘에 들어갔을 때, 그리고 기기에 악영향을 미치는 방사선이 강력할 때 가동될 것이다.

솔라 셀은 또한 20년전에 사용했던 실리콘 셀에 비해서 방사선 내성이 강하다. 에너지 효율에도 큰 비중을 두었다. 태양 에너지는 주노의 에너지 효율적인 기능을 가능하게 했다. 또한 우주선은 목성의 그늘을 피하고, 극 궤도에서 방사선을 최소화하도록 설계됐다.

우주에서의 태양에너지 힘

 

목성 궤도에 안착하는데에도 많은 주의가 필요하다. 궤도를 돌면서도 태양전지판은 항상 태양을 향하도록 설계되었다.

목성 궤도를 도는 동안에도 주노는 1분당 2번씩 계속해서 몸체를 회전시켜 태양 전지판의 위치를 바꿔줘야 하며, 이에 따른 목성 관측 장비들의 위치도 바로 잡아야 한다.

주노는 듀얼 추진체를 가진 주 엔진과 단일 추진의 반작용 제어 시스템 추진기로 구성된 듀얼모드 추진 시스템을 갖추었다.

파워일렉트로닉스 매거진 power@icnweb.co.kr

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리니어, 60V 7A 입력범위 스텝다운 µModule 레귤레이터 출시

리니어 60V, 7A 스텝다운 µModule 레귤레이터

리니어 테크놀로지 코리아(대표 홍사곽)는 6V ~ 58V (60Vmax)의 입력 전압 범위를 제공하고 7A에서 ±10% 정확도로 부하 전류를 조절하는 제어 기능이 탑재된 스텝다운 DC/DC µModule® (파워 모듈) 레귤레이터(제품명: LTM8064)를 출시한다고 밝혔다.

LTM8064는 PoL 스텝다운 레귤레이터로서 사용이 가능하며, 통신 인프라, 고급형 컴퓨터, 테스트 장비, 자동차, 항공, 다양한 산업 장비에서 사용되는 24V, 36V, 48V 전압 레일에서 동작한다. 또한, LTM8064는 소싱될 때 최대 7A, 싱킹될 때 9.1A까지 부하 전류를 정밀하게 조절하고 관리(조정)하는 정전류 소스로 동작한다. 이 제품은 정밀 부하 전류 제어 기능이 필요한 애플리케이션에 사용될 수 있다. 이러한 애플리케이션으로는 냉각 및 발열을 위한 펠티에 (Peltier) 디바이스, 배터리 및 슈퍼커패시터 차저, LED및 레이저 드라이브, 모터 및 팬 컨트롤러가 있다.

LTM8064는 16mm x 11.9mm x 4.92mm BGA 패키지로 제공되며, DC/DC 컨트롤러, MOSFET, 인덕터 및 지원 부품이 포함되어 있다. 따라서 저항 2개, 벌크 입력 커패시터 및 출력 커패시터만 있으면 설계가 완성된다. LTM8064는 1.2V ~ 36V의 조절 가능한 출력 전압 범위를 제공한다. 외부의 단일 레지스터를 통해 스위칭 주파수를 100kHz ~ 1MHz까지 조절할 수 있으며 120kHz ~ 1MHz범위에서 외부 클록으로 동기화될 수 있다.

파워일렉트로닉스 매거진 power@icnweb.co.kr

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산업자동화 및 로보틱스를 위한 몰렉스 하네스 케이블

몰렉스, 중공업용 하네스 케이블

한국몰렉스(대표: 이재훈, www.korean.molex.com)가 산업자동화나 로보틱스 애플리케이션에서와 같은 혹독한 환경에서 견고하게 작동하는 완전 주문형 케이블 어셈블리와 하네스를 전격 공급한다고 밝혔다. 기존의 모듈러 D-Sub 체결구조의 레이아웃, 중공업용 커넥터 제품군과 Flamar 케이블을 통합한 이 케이블 어셈블리와 하네싱 제품들은 OEM이 고객사들이 비용을 줄이고 시간을 절약하며 소재 낭비를 줄이도록 돕는다.

몰렉스, 중공업용 하네스 케이블

“몰렉스는 단일 커넥터부터 완벽한 시스템 솔루션까지 모든 것을 제공한다”고 언급한 몰렉스의 사업 개발 담당이사인 리카르도 코미니 (Riccardo Comini)는 “당사는 자동차, 식품 및 음료 제조시설을 비롯해 소재 가공 및 상용차 등 혹독한 제조 환경에도 잘 견디도록 설계 제조된 시스템 기반 및 작동되는 케이블 솔루션을 제공 함으로써 자동화 산업을 지원한다”고 설명했다.

’몰렉스 중공업용 커넥터’는 전원, 컨트롤 및 신호 회로 등의 기능을 필요로 하는 모든 어플리케이션에 적합한 제품으로 UL/CSA 승인을 받았다. 이 제품 시리즈는 산업용 애플리케이션을 위한 IP66/67등급과 식품 제조 산업과 같이 잦은 세척을 필요로 하는 애플리케이션에 맞도록 IP69K (EN60529) 등급도 획득했다.

전원, 신호, RF 및 기학에 적합한 몰렉스의 D-Sub 체결 구조의 레이아웃으로 설계된 모듈러 커넥터는 다양한 애플리케이션에 적용 되며, IP69등급의 씰링을 제공 할 뿐만 아니라 UL 승인도 받은 제품이다. Brad Power, Brad Ultra-Lock®, MX-PTL™, Micro-Change®, Micro-Change CHT (Circular Hybrid Technology) 그리고 산업용 이더넷 인터커넥트 솔루션으로 구성된 Brad® M12제품군은 각 단일 제품들의 장점을 모은 것이다.

최종 애플리케이션이 무엇이든 몰렉스는 각종 산업 OEM에 로보틱스, 자동차부터 운송 및 물류와 같이 다양한 분야에서도 엄격한 검사를 거친 케이블 어셈블리와 하네스 솔루션을 원가 절감형 가격으로 제공한다.

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유방암의 진단 및 치료를 위한 종양 경계 마킹 로봇의 위치 제어 시스템 개발

해결 과제:

로봇에 사용된 모터의 개수만큼 엔코더와 컨트롤러를 사용하여 뛰어난 동기화 효율성과 GUI 품질을 갖춘 6 자유도(DoF) 로봇용 서보 시스템을 제작합니다.

솔루션:

NI 아날로그 입력, 모터 활성화와 엔코더 신호 피드백을 위한 타이머 카운터 보드 등의 하드웨어와 동기화 및 PID 제어 기능, GUI를 위한 LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 제어 시스템을 구축합니다.

저자_ Junggun Kim, 국립암센터

개요 및 문제점 설명

국립암센터(NCC) 의공학과의 연구원들은 MR(자기공명영상촬영장비) 갠트리에서 환자의 유방암 종양을 표시하기 위한 MR(자기공명영상촬영장비) 호환 로봇을 연구 및 개발하고 있습니다. 국립암센터는 한국 유일의 정부 지원 암센터이며 암에 대한 연구, 의료, 교육을 선도함으로써 전국적인 암 억제 프로그램을 지원하고 있습니다. 이 프로젝트는 국립암센터의 연구비 지원을 받아 진행되었습니다.

로봇의 위치를 정확하고 안정적으로 제어하기 위해 조종기의 각 모터가 정확한 시간에 0.09° 이하의 오차로 계산된 각도에 도달해야 합니다. 이러한 기능에는 스테핑(stepping) 모터가 적합합니다. 그러나 스테핑 모터는 MR에 호환되지 않기 때문에 이 경우에는 사용할 수 없었습니다. 스테핑 모터 대신 MR 호환이 가능한 비자성 초음파 모터를 사용했습니다. 초음파 모터를 사용하는 로봇에 필요한 정확성 및 동기화 성능을 확보하기 위해 그림 1과 같이 컨트롤 및 엔코더가 장착된 서보 시스템을 구현해야 했습니다.

그림 1. 초음파 모터 및 컨트롤러를 사용한 서보 시스템

서보 시스템을 구축하기 위해서는 엔코더 신호 처리를 위한 다채널 카운터와 제어 프로그램에 구동 전압을 제공하기 위한 다채널 아날로그 출력 단위가 필수적입니다.

프로젝트 설명 및 문제 해결

유방암의 진단 및 치료 시 의사가 육안으로 맨살과 종양을 구별하는 것은 매우 어렵습니다. 이 때 MRI(자기공명 영상 촬영 장비) 를 사용하면 종양을 쉽게 구별할 수 있습니다. 이러한 MRI의 장점을 활용하기 위해 MR 환경에서 사용하기에 적합한 생검 및 시술 시스템이 활발히 개발되고 있습니다.

그 중 하나가 국립암센터의 MR 유방 생검 로봇입니다. 이 로봇의 목적은 유방암 병변이 바늘로 표시되어 있는 MR 영상을 통해 의사가 환자의 유방암 병변 위치를 쉽게 파악하고 생검과 시술을 효과적으로 실시할 수 있도록 돕는 것입니다.

그러나 이러한 시스템을 구현하기 위해서는 몇 가지 어려운 문제를 해결해야 합니다. 우선 이러한 로봇 시스템은 반드시 MR과 호환 가능해야 합니다. 즉 이러한 시스템으로 인하여 MR 영상의 왜곡이 생기거나 시스템이 MR 간트리의 강한 자기장(대략 3 테슬라)의 영향을 받는 등의 문제가 발생해서는 안 됩니다. 뿐만 아니라 MR 환경에서 안전하게 사용할 수 있어야 합니다. 이 로봇은 델타 유형의 일종으로 전반적인 구조는 다음과 같습니다:

그림 2. 로봇의 전반적인 구조(왼쪽) 및 MR 로봇 조종기(오른쪽)

역기구학을 통해 계산한 액추에이터 각도가 제어 프로그램에 전달됩니다. 그 다음에는 다리 부분의 모터가 활성화되고 세 다리 움직임의 조합에 따라 상판이 움직입니다. 상판이 움직인 후, 침투 바늘이 달린 엔드 이펙터(end effector)가 회전하고 기울어져 유방의 모형에 바늘을 삽입할 준비를 합니다. 마지막으로 종양의 위치 정보에 따라 엔드 이펙터의 바늘이 유방 코일로 삽입되어 타겟에 표시를 합니다. 종합하자면 이러한 전체 과정에서 세 가지 모션이 일어나며, 각 모션은 모터 움직임의 조합으로 구성됩니다.

안정성과 안전을 확보하기 위해서는 모든 모션이 동기화되어야 합니다. 뿐만 아니라 구동 전압 신호와 엔코더 신호를 효과적으로 처리하기 위해 편리한 DAQ 장비가 필요합니다. 또한 무엇보다 손쉽게 제어 프로그램을 작성하여 모든 제어 과정을 구현하고 이해하며 효과적으로 모니터링할 수 있어야 합니다. 이러한 이유 때문에 우리는 PCI-6733 보드, PCI-6602 보드, LabVIEW 소프트웨어를 선택했으며 NI 엔지니어 및 DAQ 교육 프로그램의 지원을 받았습니다.

하드웨어 설정

아날로그 출력과 엔코더 신호의 피드백에 두 개의 보드를 사용하여 모터의 PID 제어를 수행했습니다.

그림 3. 하드웨어의 구조

고속 아날로그 출력, 1 MS/s, 16 비트 8채널을 갖춘 PCI-6733 및 32 비트 카운터가 내장된 8채널의 PCI-6602를 사용했습니다.

소프트웨어

제어 프로그림은 LabVIEW를 사용하여 작성했습니다. LabVIEW는 프로그래밍 구문이 훨씬 직관적인 그래픽 단위로 되어 있기 때문에 프로그램을 작성하기가 쉽습니다. 또한 운영자가 여섯 개의 모터를 효과적으로 모니터링할 수 있도록 지원합니다.

그림 4. LabVIEW의 PID 제어 프로그램

기술 지원이 필요할 경우에는 NI 엔지니어 서비스와 DAQ 및 신호 컨디셔닝 교육과정 등의 교육 프로그램이 큰 도움이 되었습니다.

결론

LabVIEW를 사용함으로써 제어 프로그램을 용이하게 구축할 수 있었습니다. 그래픽 VI는 프로그램을 매우 효율적으로 이해하는 데 유용합니다. 프로그램 운영자가 프런트패널을 사용하면 편리하게 로봇을 구동하고 제어 과정을 모니터링할 수 있습니다. DAQmx 채널 생성(CI-POSITION-Angular-Encoder) VI를 사용하여 효과적인 엔코더 신호 피드백을 수행했습니다. 또한 PID VI를 통해 신속하게 PID 제어 기능을 구현할 수 있었습니다. 경로 분리 방식으로 동기화 문제도 해결했습니다. 동기화 요건을 충족시켜야 하는 모션 내에서 각 모터가 움직이며 바꾸는 모든 각도를 수백 개 ~ 천 개에 이르는 경로로 분리하였습니다. 모터 각도의 각 경로에는 LabVIEW 시스템 클럭으로 카운트한 똑같은 초 수를 할당합니다. 움직인 각도를 전부 합한 것이 모터의 동기화 움직임이 됩니다.

프로토타입 로봇에서는 합리적인 에러 수준(2 mm 이하)의 뛰어난 위치 제어 성능을 구현할 수 있었습니다. 이 에러에 대해서는 알고리즘 및 기계적인 관점에서 논의가 이루어질 것입니다.

저자 프로필:

Junggun Kim

Department of Biomedical Engineering, National Cancer Center

Ilsan

solafide@ncc.re.kr

출처. 한국내쇼날인스트루먼트 www.ni.com

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TI, 전류 구동 용량을 조절할 수 있는 브러시드 DC 게이트 드라이버 IC 출시

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TI 코리아(대표이사 켄트 전)는 게이트 구동 설정을 조절할 수 있는 통합 게이트 드라이버 제품을 출시한다고 밝혔다.

신제품 DRV8701은 유연하게 광범위한 외부 FET(field-effect transistor)을 구동할 수 있으며, 다양한 모터, 속도, 변동 부하를 지원한다. 또한, 백색가전, 가정용 기기, 로봇, 홈 자동화, 동력 공구, 산업용 펌프 및 밸브와 같은 장비에서 단일 게이트 드라이버로 다양한 유형의 브러시드 DC 모터 모델을 지원할 수 있는 유연한 플랫폼을 제공한다.

DRV8701 브러시드 DC 게이트 드라이버는 게이트 구동 용량 조절이 가능하고 첨단 보호 기능과 다른 부품들을 통합함으로써 단일 디바이스로 최대 45개까지의 개별 부품을 대체할 수 있어 보다 작고 견고한 설계가 가능하다.

특히 시스템 유연성 및 확장성이 우수하다. DRV8701을 사용하여 설계자는 유연하게 외부 FET를 선택하고, 게이트 구동 전류를 올리거나 내려서 FET 슬루율을 쉽게 조절할 수 있으며, 시스템 EMI(electromagnetic interference) 성능을 최적화하고 외부 저항/커패시터 없이 추가적인 시스템 보호가 가능하다.

TI코리아 관계자는 “2개의 LDO(low-dropout) 레귤레이터, 전류 감지 증폭기, 포괄적인 보호 기능들을 통합함으로써 경쟁 제품 및 개별 솔루션 보다 시스템 보드 공간을 40%까지 절감할 수 있다.”고 밝혔다.

한편, 엔지니어들은 DRV8701EVM 평가 모듈을 사용하여 자신의 시스템에서 새로운 게이트 드라이버를 테스트할 수 있다. 이 평가 모듈은 MSP430G2553 초저전력 마이크로컨트롤러와 CSD18532Q5B NexFET 전력 MOSFET을 통합하고 있으며, 명함 크기의 소형 폼팩터로 최대 15A 전류를 지원한다. 현재 TI store와 공인 대리점을 통해 49달러에 구입할 수 있다.

파워일렉트로닉스 매거진 power@icnweb.co.kr

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