협동 로봇 관절용 DD 모터와 하모닉 감속기 비교: 어느 쪽이 더 우수한가?

소개

협동 로봇은 사람과 로봇이 동일한 작업 공간을 공유하는 환경에서 작동하도록 설계되었습니다. 따라서 기존 산업용 로봇과 비교했을 때 로봇 관절 설계에 대한 요구 사항이 다릅니다.

협동 로봇 관절은 충분한 토크와 위치 정확도를 제공하는 동시에 소형 크기, 경량성, 부드러운 움직임, 반응성 좋은 제어 및 적절한 힘 상호 작용을 유지해야 합니다.

따라서 로봇 관절 구동 방식 선택이 특히 중요합니다.

협동 로봇 관절에 적용할 수 있는 두 가지 기술로는 DD 모터(직접 구동 모터) 와 하모닉 감속기가 있습니다. DD 모터는 기계식 감속 단계 없이 관절을 직접 구동하는 반면, 하모닉 감속기는 고속 서보 모터와 고비율 정밀 변속기를 결합한 방식입니다.

어느 기술이 보편적으로 더 우수하다고 할 수는 없습니다. 보다 현실적인 질문은 특정 협동 로봇에 필요한 토크 밀도, 역구동성, 동적 응답, 관절 크기, 강성, 열 성능 및 제어 요구 사항 사이에서 어떤 솔루션이 적절한 균형을 제공하는가입니다.

이 글에서는 협동 로봇 관절에 사용되는 DD 모터와 하모닉 감속기를 비교하고, 각 기술이 어떤 경우에 더 적합한지 설명합니다.

협동 로봇 관절에는 무엇이 필요할까요?

DD 모터와 하모닉 감속기를 비교하기 전에 협동 로봇 관절의 요구 사항을 이해하는 것이 중요합니다.

단순한 회전 메커니즘과는 달리, 로봇 관절은 움직이는 링크와 페이로드를 운반하면서 반복적으로 가속, 감속, 방향 전환을 하고 정확한 위치를 유지해야 합니다.

따라서 해당 연결부는 여러 요구 사항을 동시에 처리해야 합니다.

액추에이터는 로봇 팔을 지나치게 무겁게 만들지 않으면서 충분한 토크를 생성해야 하므로 토크 밀도가 중요합니다.

낮은 백래시는 위치 정확도와 예측 가능한 움직임을 유지하는 데 중요합니다.

로봇이 외부 힘에 자연스럽게 반응해야 할 때 역구동성이 중요해집니다.

동적 응답은 로봇이 가속, 감속하고 움직임 변화에 반응하는 속도에 영향을 미칩니다.

강성은 로봇이 하중을 받을 때 명령된 위치를 유지하는 능력에 영향을 미칩니다.

협동 로봇은 종종 좁은 관절 하우징 내에서 장시간 작동하기 때문에 열 성능 또한 중요합니다.

이러한 요구 사항은 로봇 아키텍처에 따라 다양한 변속기 선택으로 이어질 수 있습니다.

협동 로봇 관절에서 하모닉 감속기는 어떻게 작동합니까?

일반적으로 하모닉 감속기는 서보 모터와 결합하여 고성능 로봇 관절 구동 장치를 구성합니다.

모터는 비교적 고속으로 작동하는 반면, 하모닉 트랜스미션은 높은 감속비를 제공하고 모터 출력을 로봇 관절에 필요한 저속, 고토크 운동으로 변환합니다.

콤팩트한 변속 구조 덕분에 비교적 작은 모터로도 연결부에서 훨씬 높은 출력 토크를 생성할 수 있습니다.

이것이 바로 로봇 관절에 하모닉 감속기가 널리 사용되는 주요 이유 중 하나입니다.

하모닉 감속기는 또한 매우 낮은 백래시를 제공할 수 있는데, 이는 정밀한 위치 지정과 다축 동작의 조정이 필요한 응용 분야에 유용합니다.

협동 로봇의 경우, 높은 감속비, 소형 크기, 낮은 백래시 및 높은 토크 밀도의 이러한 조합은 어깨, 팔꿈치 및 기타 하중 지지 관절에 특히 유용할 수 있습니다.

하지만 하모닉 감속기는 여전히 기계식 변속기입니다.

동력 전달 특성, 효율, 비틀림 특성 및 역구동 능력은 특정 감속기 설계, 감속비, 부하 및 작동 조건에 따라 달라집니다.

따라서 엔지니어는 모든 하모닉 저감 장치가 동일한 성능을 제공한다고 가정하기보다는 전체 접합부를 평가해야 합니다.

협동 로봇 관절에서 DD 모터는 어떻게 작동하나요?

DD 모터는 다른 접근 방식을 취합니다.

모터와 로봇 관절 사이에 감속 장치를 배치하는 대신, 모터가 출력을 직접 구동합니다.

기존의 기계식 감속기가 없기 때문에 시스템의 변속기 부품 수를 줄일 수 있습니다.

이는 여러 가지 이점을 제공할 수 있습니다.

기계식 감속 단계가 없으므로 변속기와 관련된 기어 백래시가 제거되고 모터 토크와 관절 움직임 사이에 직접적인 관계를 설정할 수 있습니다.

DD 모터는 뛰어난 동적 응답성을 제공할 수도 있습니다.

관절이 빠른 가속, 감속 또는 잦은 방향 전환이 필요한 경우, 모터와 부하 사이에 기계적 전달 요소가 적기 때문에 직접 구동 방식이 유리할 수 있습니다.

또 다른 중요한 특징은 역구동 가능성입니다.

직접 구동 조인트는 일반적으로 고기어 조인트보다 역구동이 더 쉽기 때문에 힘의 상호 작용과 유연한 움직임이 중요한 응용 분야에 DD 모터가 적합합니다.

제한 요소는 토크입니다.

모터 토크를 증폭시키는 감속 메커니즘이 없기 때문에 DD 모터 자체에서 필요한 관절 토크를 생성해야 합니다.

높은 토크를 필요로 하는 협동 로봇 관절의 경우, 더 큰 유효 직경과 더 큰 열 용량을 가진 더 큰 모터가 필요할 수 있습니다.

협동 로봇 관절 토크 제어를 위한 하모닉 감속기 vs. DD 모터

토크 밀도는 두 접근 방식의 가장 중요한 차이점 중 하나입니다.

하모닉 감속기를 사용하면 모터가 최종 조인트 토크를 직접 생성할 필요가 없습니다. 감속 메커니즘은 회전 속도를 줄이는 동시에 출력 토크를 증가시킵니다.

이를 통해 소형 고토크 조인트를 더 쉽게 만들 수 있습니다.

DD 모터는 필요한 출력 토크를 직접 생성해야 합니다.

토크가 낮은 관절의 경우, 이는 큰 제약이 되지 않을 수 있습니다.

하지만 필요한 관절 토크가 증가함에 따라 모터 크기, 전류 및 열 요구 사항이 크게 증가할 수 있습니다.

이러한 이유로, 제한된 기계적 범위 내에서 높은 토크가 필요한 협동 로봇 관절에는 하모닉 전달 방식이 매력적인 선택이 될 수 있습니다.

DD 모터는 필요한 토크가 적당하고 설계에서 직접 구동, 높은 동적 응답성 및 역구동 가능성에 더 중점을 둘 때 더욱 매력적입니다.

DD 모터와 하모닉 감속기 중 어느 것이 역구동성이 더 우수합니까?

역구동 가능성은 협업 로봇 공학에서 특히 중요합니다.

로봇은 외부 힘을 감지하고, 접촉에 반응하며, 사람들 주변에서 안전하게 작동해야 할 수도 있습니다.

기어비가 높은 변속기는 부하가 변속기를 통해 모터를 구동해야 하므로 외부 움직임에 저항할 수 있습니다.

DD 모터는 이러한 감속 메커니즘을 가지고 있지 않습니다.

부하가 모터에 직접 연결되어 있어 관절이 외부 힘에 자연스럽게 반응할 수 있습니다.

이는 힘 감지 로봇 응용 분야에서 DD 모터를 사용하는 것이 유리한 가장 강력한 이유 중 하나입니다.

하지만 그렇다고 해서 하모닉 로봇 관절이 힘 제어를 지원할 수 없다는 의미는 아닙니다.

하모닉 조인트는 고해상도 엔코더 피드백, 모터 전류 정보 또는 통합 토크 센서를 사용하여 힘 및 토크 제어를 지원할 수 있습니다.

따라서 실제 성능은 전체 통합 아키텍처에 달려 있습니다.

매우 민감한 힘 상호작용이 요구되는 응용 분야의 경우, 엔지니어는 변속기 유형뿐만 아니라 엔코더 구성, 토크 감지, 제어 알고리즘 및 기계적 마찰도 평가해야 합니다.

협동 로봇 관절에 더 적합한 소형 설계는 무엇일까요?

소형화는 하모닉 저감기가 이점을 가질 수 있는 또 다른 영역입니다.

고조파 감속기는 비교적 작은 크기에 높은 감속비를 제공할 수 있습니다.

이를 통해 모터와 변속기를 소형의 일체형 하우징에 통합할 수 있습니다.

6축 협동 로봇의 경우, 모든 관절이 로봇의 전체 크기와 무게에 영향을 미치기 때문에 이는 중요한 요소입니다.

상류 관절의 질량을 줄이면 로봇 팔 아래쪽 관절에서 필요한 토크도 줄일 수 있습니다.

DD 모터는 감속기를 제거할 수 있지만, 그렇다고 해서 전체 연결부 크기가 반드시 작아지는 것은 아닙니다.

모터는 필요한 토크를 직접 생성해야 하므로 고토크 DD 모터는 비교적 큰 직경이 필요할 수 있습니다.

따라서 감속기를 제거한다고 해서 로봇 관절의 크기가 자동으로 작아지는 것은 아닙니다.

정확한 비교는 모터, 베어링, 하우징, 엔코더 및 냉각 구조를 포함한 액추에이터 전체 구성 요소를 기준으로 이루어져야 합니다.

로봇 관절 정밀도 향상을 위한 하모닉 감속기 vs. DD 모터

두 기술 모두 고정밀 로봇 관절을 지원할 수 있지만, 그 구현 방식은 다릅니다.

하모닉 감속기는 매우 낮은 백래시와 높은 감속비를 제공할 수 있다는 점에서 매력적입니다.

이러한 특성 덕분에 정밀한 각도 위치 지정이 중요한 응용 분야에 적합합니다.

DD 모터는 기계적 감속 백래시를 완전히 제거합니다.

하지만 기어박스 유격이 없다고 해서 시스템 정확도가 더 높아진다는 보장은 없습니다.

로봇 관절의 최종 정확도는 다음 요인들의 영향을 받습니다.

• 인코더 해상도

• 베어링 정확도

• 모터 제어

• 구조적 변형

• 열팽창

• 기계적 강성

협동 로봇의 경우 이러한 요소들을 종합적으로 평가해야 합니다.

엔코더 피드백은 탁월하지만 구조적 강성이 부족한 DD 모터는 잘 설계된 하모닉 조인트보다 성능이 떨어질 수 있습니다.

마찬가지로, 백래시가 낮은 고조파 감속기는 불량한 엔코더 피드백이나 과도한 구조적 변형을 보상할 수 없습니다.

고속 협동 로봇 동작에는 어떤 방식이 더 좋을까요?

DD 모터는 고속 연속 회전 운동과 빠른 동적 응답이 중요한 경우에 자연스러운 이점을 제공합니다.

모터가 부하를 직접 구동하기 때문에 동력을 전달하는 감속 단계가 필요하지 않습니다.

이는 빈번한 가속 및 감속이 필요한 응용 분야에서 유용할 수 있습니다.

하모닉 감속기는 빠른 로봇 움직임을 지원할 수 있지만, 최대 출력 속도는 변속기와 선택된 감속비에 의해 제한됩니다.

따라서 높은 출력 속도는 필요하지만 상대적으로 낮은 토크가 요구되는 협동 로봇 관절의 경우 DD 모터가 매력적인 선택지가 될 수 있습니다.

상대적으로 낮은 출력 속도에서 높은 토크가 필요한 연결부의 경우, 하모닉 트랜스미션이 더 실용적인 해결책을 제공할 수 있습니다.

협동 로봇의 힘 제어를 위한 하모닉 감속기와 DD 모터 비교

협동 로봇 공학에서 힘 제어는 점점 더 중요해지고 있습니다.

조립, 연마, 삽입, 검사 및 인간-로봇 상호작용과 같은 응용 분야에서는 로봇이 단순히 미리 정의된 위치 궤적을 따르는 것이 아니라 접촉력에 반응해야 합니다.

DD 모터는 모터가 출력에 직접 연결되기 때문에 이러한 응용 분야에 매우 적합합니다.

모터 토크와 관절 토크 사이의 기계적 관계는 비교적 직접적입니다.

하지만 하모닉 조인트는 힘 제어 용도에 맞게 설계될 수도 있습니다.

예를 들어, 통합형 로봇 관절은 출력 측 엔코더 또는 토크 센서를 사용하여 관절 움직임이나 토크에 대한 보다 직접적인 정보를 얻을 수 있습니다.

이를 통해 제어 시스템이 모터 측 동작과 실제 출력 동작을 구분하는 능력이 크게 향상될 수 있습니다.

따라서 고성능 협동 로봇 관절의 경우, 질문은 단순히 다음과 같아서는 안 됩니다.

DD 모터 또는 하모닉 감속기?

더 나은 질문은 다음과 같습니다.

전체 관절이 출력 토크를 얼마나 정확하게 측정하고 제어할 수 있습니까?

하모닉 조인트 모듈은 감속기 외에도 더 많은 기능을 통합할 수 있습니다.

최신 로봇 관절 모듈은 단순히 진동 감속기 역할만 하는 것이 아닙니다.

완전한 관절 모듈은 다음을 통합할 수 있습니다:

• 서보 모터

• 고조파 감속기

• 인코더

• 운전사

• 브레이크

• 토크 센서

• 주택

• 문장

이러한 수준의 통합은 로봇 관절을 제작하는 데 필요한 엔지니어링 작업을 줄일 수 있습니다.

협동 로봇 제조업체에게 있어 통합형 하모닉 조인트 모듈은 보다 표준화된 기계적 및 전기적 인터페이스를 제공할 수 있습니다.

이는 탑재 용량이 서로 다른 여러 로봇 모델을 개발할 때 유용할 수 있습니다.

주요 이점은 단순히 고조파 감속기 자체에 있는 것이 아니라, 변속기, 모터, 센싱 및 제어 구성 요소를 소형 액추에이터에 통합할 수 있다는 점입니다.

협동 로봇에 하모닉 감속기를 선택해야 하는 경우는 언제일까요?

협동 로봇 관절에 높은 토크, 컴팩트한 크기 및 낮은 백래시가 모두 요구되는 경우, 하모닉 감속기를 고려해 볼 만합니다.

이 방식은 액추에이터가 상당한 하중을 지탱해야 하면서도 비교적 가벼워야 하는 관절에 특히 적합할 수 있습니다.

일반적인 적용 사례는 다음과 같습니다.

• 협동 로봇 팔

• 6축 협동 로봇

• 휴머노이드 로봇 관절

• 이동형 조작기

• 정밀 로봇 팔

이러한 응용 분야에서 하모닉 트랜스미션은 토크 밀도, 정밀도 및 패키지 크기 사이에서 실질적인 균형을 제공할 수 있습니다.

하지만 감속기는 단순히 사용 가능한 가장 높은 감속비를 선택하는 것이 아니라 실제 토크, 속도, 부하 관성, 작동 주기 및 열 조건에 따라 선택해야 합니다.

협동 로봇에 DD 모터를 선택해야 하는 경우는 언제일까요?

직접 구동 방식과 높은 동적 응답성이 주요 설계 요구 사항일 경우 DD 모터가 더 적합할 수 있습니다.

일반적인 고려 사항은 다음과 같습니다.

• 높은 역구동성

• 빠른 가속 및 감속

• 연속 회전

• 직접 토크 제어

• 낮은 기계식 변속기 복잡성

DD 모터는 특정 손목 관절, 힘 감지 메커니즘 및 특수 협동 로봇 구조에 특히 매력적일 수 있습니다.

관절에 매우 높은 토크가 필요하고 그 크기가 매우 작은 경우에는 이러한 방식이 매력적이지 않을 수 있습니다.

이러한 경우, 토크를 직접 생성하기 위해 필요한 추가 모터 크기가 중요한 설계 제약 조건이 될 수 있습니다.

DD 모터와 하모닉 감속기: 로봇 관절 종류에 따라 어떤 것이 더 좋을까요?

최적의 기술은 동일한 로봇이라도 축마다 다를 수 있습니다.

어깨 관절이나 몸통 관절은 로봇 구조와 탑재물의 상당 부분을 지탱하기 때문에 일반적으로 높은 토크가 필요합니다.

따라서 이러한 위치에는 조화 결합 모듈이 매력적인 선택지가 될 수 있습니다.

팔꿈치 관절은 상당한 토크와 소형화를 필요로 하므로, 하모닉 트랜스미션은 많은 설계에서 실용적인 선택지가 됩니다.

손목 관절은 종종 서로 다른 요구 사항을 가지고 있습니다.

무게 감소, 고속 주행 및 동적 응답성이 더욱 중요해질 수 있으므로 로봇 구조에 따라 DD 모터를 검토해 볼 가치가 있을 수 있습니다.

이는 로봇 제조업체가 모든 관절에 정확히 동일한 액추에이터 구조를 사용할 필요가 없다는 것을 의미합니다.

관절의 위치에 따라 토크, 속도, 관성 및 힘 제어 요구 사항이 다를 수 있습니다.

협동 로봇에 DD 모터와 하모닉 감속기 중 어떤 것을 선택해야 할까요?

실제 설계 우선순위를 평가함으로써 선택 과정을 간소화할 수 있습니다.

만약 연결부에 높은 토크 밀도, 컴팩트한 크기, 높은 감속비, 그리고 매우 낮은 백래시가 요구된다면, 하모닉 감속기가 좋은 선택이 될 수 있습니다.

만약 해당 프로젝트에서 직접 구동, 역구동 가능성, 높은 동적 응답성 및 낮은 기계적 변속기 복잡성을 우선시한다면, DD 모터가 더 매력적일 수 있습니다.

애플리케이션에 매우 민감한 힘 제어가 필요한 경우, 두 기술을 센싱 아키텍처와 함께 평가해야 합니다.

토크 센서, 이중 엔코더 구성 및 적절한 서보 제어는 로봇 관절의 최종 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

결론: 협동 로봇에 DD 모터와 하모닉 감속기 중 어느 것이 더 적합할까?

DD 모터와 하모닉 감속기 중 어느 것이 더 우수한지는 명확하게 단정할 수 없습니다.

협동 로봇 관절에 높은 토크 밀도, 소형 크기, 낮은 백래시 및 높은 감속비가 요구되는 경우 일반적으로 하모닉 감속기가 더 적합합니다.

직접 구동, 역구동성, 높은 동적 응답성 및 연속 회전 운동이 주요 요구 사항일 때 DD 모터가 더욱 매력적인 선택지가 됩니다.

많은 소형 협동 로봇 팔의 경우, 하모닉 조인트 모듈은 토크, 정밀도 및 통합 측면에서 실용적인 조합을 제공합니다. 직접적인 힘 상호작용과 동적 응답이 중요한 특수 조인트의 경우, DD 모터가 중요한 이점을 제공할 수 있습니다.

가장 중요한 점은 모터나 감속기뿐만 아니라 로봇 관절 전체를 평가하는 것입니다.

모터 토크, 감속비, 엔코더 피드백, 하중 지지력, 구조적 강성, 열 성능, 힘 감지 및 제어 아키텍처는 모두 최종 성능에 영향을 미칩니다.

따라서 협동 로봇을 개발하는 로봇 제조업체의 경우, 로봇의 기계적 및 제어 요구 사항에 따라 고토크 축에는 하모닉 조인트 모듈을, 고속 또는 힘 감지형 조인트에는 직접 구동 아키텍처를 적용하는 것이 적합한 솔루션일 수 있습니다.

HONPINE은 다양한 로봇 동작 요구 사항에 맞는 하모닉 감속기, 하모닉 회전 액추에이터, 로봇 관절 모듈 및 DD 모터 솔루션을 제공하여 엔지니어가 실제 적용 분야에 따라 적절한 변속기 아키텍처를 선택할 수 있도록 지원합니다.