MRI 스캐너 내 로봇용 초소형 회전식 시리즈 엘라스틱 액추에이터 설계 및 제어

초록

본 논문은 MRI 환경에 적합한 초소형 회전식 시리즈 엘라스틱 액추에이터(SEA)를 제안한다. 초음파 모터를 속도원천으로 사용하고, 기어 하우징과 모터 하우징 사이에 4개의 압축 스프링을 배치한 전송력 감지 구조를 채택하였다. 외부 임피던스 변화에 강인한 교란 관측기(DOB) 기반 토크 제어기를 설계해 MRI와 비MRI 환경 모두에서 5 % 정착시간 0.05 s, 정착오차 2.5 %를 달성하였다.

상세 분석

이 연구는 MRI 스캐너 내부에서 로봇이 안전하게 힘을 제어하도록 설계된 회전식 시리즈 엘라스틱 액추에이터(SEA)의 구조와 제어 방법을 심층적으로 탐구한다. 기존 MRI‑호환 SEA는 주로 선형 구조이거나 외부 전동기를 케이블을 통해 전달하는 방식으로 부피가 크고 설계가 복잡했다. 저자는 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘전송력 감지(Transmission Force Sensing, TFSEA)’ 아키텍처를 채택하였다. 구체적으로, 기어 하우징과 지면(그라운드) 사이에 4개의 316 스테인리스 압축 스프링을 병렬로 배치함으로써, 스프링 자체가 고정된 상태에서 토크 변화를 직접 측정한다. 이 설계는 스프링이 모터와 기어를 따라 움직일 필요가 없어 전체 부피를 80 mm × 66 mm로 축소하고, 인코더와 전자부품을 고정 측에 배치해 케이블 움직임을 최소화한다.

구동원천으로 선택된 초음파 모터는 비자성 재료로 제작돼 MRI 자기장에 영향을 주지 않으며, 속도원천으로 동작한다. 속도원천 모터는 전통적인 전류‑기반 토크 제어가 어려워, 토크 제어를 위해 교란 관측기(Disturbance Observer, DOB)를 적용하였다. DOB는 실제 시스템 입력과 이상 모델 입력의 차이를 추정해 보상함으로써 외부 임피던스(예: 자유 공간 vs. 인체 접촉) 변화에 관계없이 동일한 동적 응답을 유지한다. 저자는 DOB의 필터 설계와 파라미터 튜닝 과정을 상세히 제시하고, 속도원천 모터의 고임피던스 특성을 보완하기 위해 토크 명령을 속도 명령으로 변환하는 내부 역전달기를 포함시켰다.

실험에서는 3 Tesla MRI와 비MRI 환경에서 동일한 제어 파라미터를 사용했음에도 불구하고, 저임피던스(무접촉)와 고임피던스(강체 접촉) 상황 모두에서 0.05 s 이내에 5 % 정착을 달성하고, 최대 토크 3.2 N·m 대비 정착오차가 2.5 % 이하로 유지되었다. 이는 기존의 P/PI 제어에 비해 외부 임피던스에 대한 민감도가 현저히 낮아, MRI‑guided 뇌자극(TMS) 같은 정밀 의료 로봇에 바로 적용 가능함을 의미한다. 또한, 초음파 모터와 스프링, 기어, 인코더를 모두 비자성 재료로 구성함으로써 MRI 이미지 품질에 미치는 영향을 최소화하였다.

전체적으로 이 논문은 MRI 호환 로봇용 SEA의 설계·제어 전반에 걸친 새로운 패러다임을 제시한다. 전송력 감지 구조는 부피와 무게를 크게 줄이며, DOB 기반 토크 제어는 외부 환경 변화에 강인한 성능을 제공한다. 이러한 기술은 향후 다자유도 MRI‑compatible 로봇 시스템 구축의 기반이 될 것으로 기대된다.