직렬 탄성 구동기 (Series Elastic Actuator)
한 줄 정의: 모터·감속기와 부하 사이에 스프링을 직렬로 넣어 힘을 측정·제어하는 구동기 구조입니다.
쉽게 풀면
모터 출력이 스프링을 거쳐 관절에 전달되게 만든 구동기입니다. 스프링이 얼마나 변형되었는지 재면 힘을 알 수 있고, 충격도 스프링이 흡수합니다. Pratt와 Williamson(1995)이 제안했습니다.
왜 중요한가
사람과 부딪혀도 안전하고 정확한 힘 제어가 필요한 보행 로봇, 외골격, 재활 로봇에서 널리 쓰이는 대표 구조입니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
"외골격의 무릎 관절에 직렬 탄성 구동기를 적용하여 스프링 변형량으로 관절 토크를 추정하고 토크 제어를 수행하였다."
스프링을 힘 센서처럼 쓴 전형적인 SEA 활용입니다.
조금 더 깊게 보면
SEA에서는 힘 제어 문제가 스프링 변형(위치) 제어 문제로 바뀌므로, 위치 센서만으로 비교적 정확한 힘 제어가 가능합니다. 스프링은 충격 흡수와 에너지 저장에도 도움이 되지만, 강성이 낮을수록 힘 분해능은 좋아지고 제어 대역폭은 낮아지는 절충이 있습니다. 스프링 강성을 운전 중 바꿀 수 있게 확장한 것이 가변강성 구동기입니다.
주의할 점
가변강성액추에이터는 강성을 조절할 수 있는 반면, SEA는 일반적으로 고정된 스프링 강성을 씁니다. 스프링 때문에 위치 정밀도와 응답 속도는 강성 구동기보다 떨어질 수 있습니다.