로봇 관절 액추에이터의 개념 이해 방법

로봇 관절 액추에이터는 로봇 관절 모듈 또는 관절 구동장치라고도 하며, 로봇의 하드웨어 비용과 운동 성능에 직접적인 영향을 미치는 핵심 부품입니다.

액추에이터는 서로 다른 링크가 연결되는 로봇의 관절부에 설치되어 팔과 다리 등의 로봇 메커니즘을 구동하고 제어된 움직임을 생성합니다. 일반적인 회전 관절에서 액추에이터는 모터가 생성한 회전 운동을 연결된 링크의 제어된 운동으로 변환합니다.

로봇 관절 액추에이터는 구동 요소인 모터, 전달 요소인 감속기, 감지 요소인 엔코더, 그리고 제어 시스템인 제어 보드 및 제어 소프트웨어를 포함한 여러 기능 구성 요소로 이루어질 수 있습니다.

현대 로봇 시스템에서는 이러한 구성 요소가 점차 소형 액추에이터 모듈에 통합되고 있으며, 이에 따라 로봇 관절 액추에이터는 전체 로봇 아키텍처의 중요한 부분이 되었습니다.

로봇 관절 액추에이터의 유형

로봇 관절 액추에이터는 운동 유형, 동력원, 전달 아키텍처 및 용도에 따라 여러 방식으로 분류할 수 있습니다.

로봇 관절 액추에이터의 유형을 이해하면 엔지니어가 로봇에 필요한 토크, 속도, 정밀도, 강성, 컴플라이언스, 크기 및 작동 환경에 따라 액추에이터를 선택하는 데 도움이 됩니다.

운동 유형별 로봇 관절 액추에이터 유형

회전형 액추에이터

회전형 액추에이터는 회전 출력 운동을 생성하며, 일반적으로 감속기 또는 전달 메커니즘과 결합된 모터를 기반으로 합니다.

회전형 액추에이터는 어깨, 허리, 고관절, 팔꿈치, 손목 및 기타 회전 관절을 포함하여 각운동이 필요한 로봇 관절에 널리 사용됩니다.

용도에 따라 전달 장치에는 하모닉 드라이브 감속기, RV 감속기, 유성 기어박스 또는 기타 정밀 전달 아키텍처를 사용할 수 있습니다.

리니어 액추에이터

리니어 액추에이터는 회전 운동이 아닌 직선 출력 운동을 생성합니다.

일반적인 전동 리니어 액추에이터는 모터와 볼스크루, 롤러스크루 또는 기타 직선 전달 메커니즘을 결합할 수 있습니다.

리니어 액추에이터는 밀기, 당기기, 들어 올리기 또는 기타 직선 운동이 필요한 로봇 메커니즘에 적합합니다. 또한 링크 기구를 통해 직선 운동이 관절 운동으로 변환되는 로봇 다리 및 기타 메커니즘에도 사용할 수 있습니다.

동력원별 로봇 관절 액추에이터 유형

로봇 액추에이터는 기계 운동을 생성하는 데 사용되는 에너지원에 따라 분류할 수도 있습니다. 주요 유형에는 전동식, 유압식 및 공압식 액추에이터가 있습니다.

전동 액추에이터

전동 액추에이터는 전기 모터를 주 동력원으로 사용합니다. 용도에 따라 모터는 서보 모터, 스테퍼 모터, 프레임리스 토크 모터 또는 코어리스 모터일 수 있습니다.

전동 액추에이터는 정확한 운동 제어, 빠른 응답 및 전자 제어 시스템과의 비교적 간편한 통합을 제공합니다. 현재 로봇, 특히 협동 로봇, 산업용 로봇, 모바일 로봇 및 휴머노이드 로봇에 널리 사용됩니다.

소형 로봇 관절의 경우 전동 액추에이터는 모터, 감속기, 엔코더, 브레이크 및 구동 전자장치를 하나의 모듈로 통합할 수 있습니다.

유압 액추에이터

유압 액추에이터는 가압된 유압유를 통해 기계적 힘을 생성합니다.

주요 장점은 높은 힘 및 출력 밀도로, 중장비 로봇 시스템과 매우 높은 출력력이 필요한 용도에 적합합니다.

유압 구동은 중량 산업용 로봇, 건설 로봇 및 일부 초기 휴머노이드 로봇 개발 프로젝트에 사용되어 왔습니다.

그러나 유압 시스템은 일반적으로 추가 펌프, 밸브, 배관 및 유체 관리가 필요합니다. 시스템 복잡성, 유지보수 요구 사항, 누유 고려 사항 및 제어 요구 사항도 전체 설계 복잡성을 높일 수 있습니다.

공압 액추에이터

공압 액추에이터는 압축공기를 사용하여 기계 운동을 생성합니다.

빠른 응답과 비교적 단순한 기계 구조를 제공할 수 있으며, 공기의 압축성은 일정 수준의 자연스러운 컴플라이언스도 제공할 수 있습니다.

공압 액추에이터는 단순한 파지, 클램핑, 픽앤플레이스 메커니즘 및 경량 자동화에 일반적으로 사용됩니다.

그러나 전동 서보 액추에이터와 비교하면 공압 시스템은 정확한 연속 위치 제어가 필요한 용도에서 정밀하게 제어하기가 더 어려울 수 있습니다.

전달 및 기계 아키텍처별 로봇 관절 액추에이터 유형

로봇 관절 액추에이터를 분류하는 또 다른 중요한 방법은 전달 아키텍처에 따른 분류입니다.

전통적 강성 액추에이터 (TSA)

전통적 강성 액추에이터는 일반적으로 고감속비 감속기와 결합된 모터로 구성됩니다.

높은 감속비는 비교적 정밀한 운동 제어를 유지하면서 출력 토크를 높입니다. 이 아키텍처는 성숙한 기술과 확립된 전달 솔루션으로 인해 산업용 및 로봇 관절에 널리 사용됩니다.

하모닉 드라이브와 RV 감속기는 이 유형의 로봇 관절 액추에이터에 일반적으로 사용됩니다.

그러나 고감속 액추에이터는 저감속비 또는 직접 구동 아키텍처와 비교할 때 역구동성, 힘 투명성 및 충격 거동 측면에서 한계가 있을 수 있습니다.

직렬 탄성 액추에이터 (SEA) 및 병렬 탄성 액추에이터 (PEA)

직렬 탄성 액추에이터 (SEA)는 스프링과 같은 탄성 요소를 전달 경로에 도입합니다. 병렬 탄성 액추에이터 (PEA)는 액추에이터와 병렬로 탄성 요소를 사용합니다.

탄성 요소는 기계적 충격을 흡수하고 제어된 컴플라이언스를 제공할 수 있으며, 이는 인간-로봇 상호작용과 동적 움직임에 유용할 수 있습니다.

따라서 이러한 액추에이터 아키텍처는 협동 로봇, 보행 로봇, 재활 로봇 및 컴플라이언스와 상호작용 안전성이 중요한 기타 용도에 고려됩니다.

추가적인 탄성 요소는 더 복잡한 기계적 및 제어 요구 사항도 발생시킵니다.

준직접 구동 액추에이터 (QDD)

준직접 구동 (QDD) 액추에이터는 일반적으로 높은 토크 밀도의 모터와 저감속비 전달 장치를 결합합니다.

고감속 기어드 액추에이터와 비교하여 QDD 시스템은 더 높은 힘 투명성, 더 우수한 역구동성 및 빠른 동적 응답을 제공할 수 있습니다.

이 아키텍처는 빠른 토크 및 운동 변화가 필요한 보행 로봇, 4족 보행 로봇 및 기타 로봇 시스템에 특히 적합합니다.

그 대가로 낮은 감속비는 모터 자체가 훨씬 높은 토크를 제공해야 함을 의미하며, 이로 인해 모터 크기, 전류 요구 사항 및 열 부하가 증가할 수 있습니다.

직접 구동 액추에이터 (DD)

직접 구동 (DD) 액추에이터는 기계식 감속기 없이 모터를 관절 출력부에 직접 연결합니다.

모터와 출력부 사이에 감속 기어가 없기 때문에 시스템은 기어박스 백래시를 제거하고 매우 높은 힘 투명성과 역구동성을 제공할 수 있습니다.

직접 구동 액추에이터는 정밀 운동 시스템 및 매우 빠른 응답의 토크 제어가 필요한 용도에 적합할 수 있습니다.

그러나 저속에서 높은 출력 토크를 달성하려면 높은 토크 밀도의 모터가 필요하며, 이는 기어드 액추에이터와 비교하여 더 큰 모터 치수, 더 높은 질량 및 더 높은 비용을 초래할 수 있습니다.

로봇 엔드이펙터와 액추에이터의 관계

로봇 엔드이펙터는 때때로 로봇 액추에이터와 함께 언급되지만, 서로 다른 기능을 수행합니다.

로봇 관절 액추에이터는 로봇의 관절과 링크를 구동하는 반면, 엔드이펙터는 작업물 또는 환경과 직접 상호작용합니다.

그리퍼

로봇 그리퍼에는 평행 또는 회전 파지 메커니즘과 같은 기계식 그리퍼뿐만 아니라 진공 그리퍼 및 자석 그리퍼가 포함됩니다.

이들은 작업물의 픽업, 취급, 위치 결정 및 클램핑에 사용됩니다.

전용 로봇 도구

전용 엔드이펙터에는 용접 건, 연삭 및 연마 도구, 스프레이 건, 절단 도구, 디스펜싱 시스템 및 기타 용도별 장비가 포함됩니다.

이러한 도구는 로봇 작업단에서 실제 작업을 수행하며, 로봇 관절 액추에이터는 엔드이펙터의 위치 및 방향 설정에 필요한 운동을 제공합니다.

로봇 관절 액추에이터 선택 방법？

로봇 관절 액추에이터의 선택은 로봇의 기계 구조, 작업 요구 사항, 부하 프로파일, 요구 운동 성능 및 작동 환경을 기반으로 해야 합니다.

서로 다른 유형의 로봇 관절 액추에이터 아키텍처는 매우 다른 특성을 가질 수 있으므로, 액추에이터는 완전한 로봇 시스템과 함께 선택해야 합니다.

자유도

자유도 (DOF)는 로봇에서 독립적으로 제어할 수 있는 운동 방향의 수를 의미합니다.

휴머노이드 로봇은 일반적으로 복잡한 인간과 유사한 움직임을 재현하기 위해 여러 자유도가 필요합니다. DOF 수가 증가하면 로봇이 가능한 운동 범위와 유연성이 증가할 수 있지만, 필요한 액추에이터, 제어 채널, 센서, 케이블 및 기계 인터페이스의 수도 증가합니다.

따라서 필요한 자유도 수는 로봇의 의도된 작업과 기계 아키텍처에 따라 결정해야 합니다.

정격 가반하중

유효 가반하중이라고도 하는 정격 가반하중은 지정된 작동 조건에서 로봇이 지속적으로 취급할 수 있는 최대 하중을 나타냅니다.

가반하중 요구 사항은 로봇 관절의 토크 요구 사항에 직접적인 영향을 미칩니다.

필요한 출력 토크가 높을 때 모터 출력을 높이는 것이 항상 유일한 해결책은 아닙니다. 적절한 속도 범위 내에서 적합한 감속비는 더 작은 모터를 사용할 수 있게 하면서 출력 토크를 높일 수 있습니다.

액추에이터를 선택할 때는 가속, 감속, 피크 토크 및 외력을 포함한 전체 부하 프로파일을 고려해야 합니다.

작업 공간

작업 공간 또는 작업 범위는 로봇이 도달할 수 있는 3차원 영역을 나타냅니다.

작업 공간의 크기와 형상은 로봇의 전체 기계 아키텍처, 링크 치수, 관절 배치 및 자유도에 따라 달라집니다.

로봇 관절 액추에이터는 사용 가능한 관절 회전, 출력 토크, 액추에이터 치수 및 기계적 패키징에 직접 영향을 미치며, 이는 다시 전체 로봇 작업 공간에 영향을 줍니다.

운동 정확도

운동 정확도는 로봇이 명령된 위치 또는 궤적을 얼마나 정확하게 달성할 수 있는지를 나타냅니다.

반복 정밀도는 감속기 및 전달 시스템의 정확도, 엔코더 분해능, 기계적 강성 및 제어 시스템의 영향을 받습니다.

절대 위치 정확도는 엔코더, 감속기, 기계적 전달 장치, 캘리브레이션 및 제어 알고리즘의 종합 성능에 따라 달라집니다.

따라서 정밀 조립, 검사, 취급 또는 기타 미세 운동 작업을 수행하는 로봇의 경우 액추에이터는 감속기 정확도만으로 평가하기보다 완전한 운동 제어 시스템의 일부로 평가해야 합니다.

로봇 관절 액추에이터 선택 시 고려해야 할 기타 매개변수

자유도, 가반하중, 작업 공간 및 운동 정확도 외에도 엔지니어는 다음을 포함한 기타 액추에이터 매개변수를 고려해야 합니다:

• 작동 속도

• 연속 토크 및 피크 토크

• 제어 방식

• 구동 아키텍처

• 전원 및 전압

• 설치 방식

• 액추에이터 치수

• 액추에이터 질량

• 엔코더 유형 및 분해능

• 브레이크 요구 사항

• 통신 인터페이스

• 보호 등급

• 작동 온도

• 듀티 사이클

• 예상 수명

이러한 매개변수는 로봇 액추에이터가 작동할 수 있는 환경과 로봇이 달성할 수 있는 성능 수준을 종합적으로 결정합니다.

특히 휴머노이드 로봇의 경우 액추에이터 선택에는 토크 밀도, 중량, 크기, 강성, 역구동성, 정밀도, 열 성능 및 동적 응답 간의 균형이 필요합니다.

서로 다른 로봇 관절 액추에이터는 어떻게 서로 다른 설계 요구 사항을 충족하는가？

모든 로봇 관절에 적합한 단일 액추에이터 아키텍처는 없습니다.

고감속비 하모닉 드라이브 액추에이터는 소형 치수, 높은 감속비 및 거의 제로에 가까운 백래시를 제공할 수 있어 다양한 정밀 로봇 관절에 적합합니다.

RV 기반 액추에이터는 더 크고 더 높은 하중을 받는 로봇 축에 높은 토크와 비틀림 강성을 제공할 수 있습니다.

유성 액추에이터는 다양한 서보 용도에 높은 효율과 유연한 전달비를 제공할 수 있습니다.

QDD 및 직접 구동 아키텍처는 이러한 특성이 우선시되는 경우 더 높은 역구동성과 동적 응답을 제공할 수 있습니다.

탄성 액추에이터 아키텍처는 힘 상호작용과 충격 흡수가 필요한 용도에 컴플라이언스를 도입할 수 있습니다.

따라서 액추에이터 선택은 단일 전달 아키텍처에 의존하기보다 로봇의 설계 목표와 용도 요구 사항을 따라야 합니다.

HONPINE 로봇 관절 액추에이터 솔루션

HONPINE은 로봇 및 자동화 용도를 위한 전동 회전형 로봇 관절 액추에이터와 통합 모션 솔루션에 집중하고 있습니다.

로봇 관절 액추에이터는 모터, 정밀 감속기, 엔코더, 브레이크 및 제어 구성 요소를 소형 기계 시스템으로 통합하여 개별 구성 요소를 로봇에 통합하는 복잡성을 줄일 수 있습니다.

HONPINE은 하모닉 드라이브 및 기타 정밀 전달 아키텍처를 포함한 다양한 전달 기술을 기반으로 전동 회전형 액추에이터 솔루션을 개발합니다.

소형 치수, 높은 위치 정밀도, 낮은 백래시 및 통합 모션 제어가 필요한 용도의 경우, 요구 토크, 속도, 정밀도, 강성, 설치 공간 및 작동 조건에 따라 적합한 로봇 관절 액추에이터를 선택할 수 있습니다.

로봇 관절 액추에이터의 유형, 액추에이터 사양 또는 용도별 선택 정보가 필요한 엔지니어는 기술 문서 및 제품 정보를 위해 HONPINE에 문의할 수 있습니다.