HONPINE HPJM 통합 로봇 조인트 모듈은 좁은 공간에서 어떻게 높은 토크를 구현할까요?

로봇이 점점 더 작고 정교해짐에 따라 로봇 제조업체는 각 관절이 차지하는 설치 공간을 늘리지 않으면서 더 높은 출력 토크를 구현해야 하는 공통적인 엔지니어링 과제에 직면하고 있습니다.

HONPINEHPJM 통합 로봇 관절 모듈은 소형 기계 통합, 최적화된 케이블 배선, 공간 효율적인 설치 구조를 결합해 이러한 과제를 해결합니다. 엔지니어는 모듈의 외형 치수만 줄이는 데 집중하는 대신 내부 구성품, 전기 연결부, 장착 인터페이스, 다중 관절 배치를 포함한 전체 관절 어셈블리를 최적화할 수 있습니다.

이 글에서는 HONPINE 통합 로봇 관절 모듈을 사용해 제한된 공간에서 높은 토크를 구현하는 세 가지 주요 방법을 설명합니다.

1. 모듈 자체 최적화: 내장 기능을 활용해 공간 요구 사항 줄이기

모듈의 하드웨어, 기계 구조, 전기 아키텍처는 공간 최적화의 기반이 됩니다. 이러한 특성은 최소 설치 공간을 결정하므로 초기 선정 단계에서 고려해야 합니다.

토크 밀도가 높은 통합 관절 모듈 선택

HPJM 모듈은 FOC 서보 드라이브 보드, 프레임리스 토크 모터, 고정밀 엔코더, 하모닉 감속기, 크로스 롤러 베어링을 하나의 하우징에 통합합니다.

서보 모터, 외장 드라이브, 별도 감속기로 구성되는 기존의 분산형 구성과 비교하면, 이 통합 설계는 외장 드라이브 케이스, 추가 장착 브래킷, 연결 커플링이 필요하지 않습니다. 또한 별도 구성품 사이의 설치 간격과 정렬 요구 사항을 줄여 관절 어셈블리가 차지하는 전체 공간을 최소화하는 데 도움이 됩니다.

선정 팁: 먼저 선택한 모듈이 요구되는 연속 정격 토크와 피크 토크를 충족하는지 확인합니다. 그런 다음 적용 조건이 허용하는 경우 더 작은 외경의 모델을 고려합니다. 과도한 토크 여유를 확보하기 위해 불필요하게 큰 모듈을 선택하지 않도록 합니다. 제품 사양표를 참조하고 출력 토크가 비슷한 모델을 비교하십시오. 입력 속도, 효율, 열 성능 및 기타 운전 조건도 적절하다면, 감속비가 더 높은 모델을 사용해 동일한 출력 토크 요구 사항을 충족하면서 더 작은 직경의 모듈을 선택할 수 있습니다.

중공축 설계를 활용한 내부 케이블 배선

모듈에는 전원 케이블과 통신 케이블이 관절을 직접 통과할 수 있도록 중앙에 큰 중공 홀이 있습니다.

관절 외부를 따라 케이블을 배선하는 대신 중공부를 통과하도록 배선할 수 있습니다. 이를 통해 외부 케이블 루프와 커넥터가 어셈블리의 반경 방향 치수를 늘리는 것을 방지할 수 있습니다.

여러 관절이 직렬로 연결된 로봇 팔과 휴머노이드 로봇의 팔다리에서는 연속된 관절의 내부 통로를 통해 케이블을 배선할 수 있습니다. 이를 통해 외부 케이블 채널과 보호 커버의 필요성을 줄여 전체 구조를 더욱 소형화할 수 있습니다.

엔코더 구성과 공간 요구 사항의 균형

엔코더 구성은 모듈의 기능과 주변 구성품에 필요한 공간 모두에 영향을 미칩니다.

듀얼 엔코더 버전(2E): 모듈에는 출력측 피드백 엔코더가 포함되어 있으며 외부 3.6 V 멀티턴 백업 배터리가 필요하지 않습니다. 따라서 별도 배터리 수납 공간과 장착 브래킷에 필요한 공간을 없앨 수 있습니다. 다만 전원 차단 후에는 멀티턴 위치 정보가 유지되지 않으므로 전원 복구 시 원점 복귀 절차가 필요할 수 있습니다.

싱글 엔코더 버전: 선택한 구성에 멀티턴 백업 배터리가 필요한 경우, 로봇 설계에 배터리와 장착 구조를 위한 공간을 확보해야 합니다. 이 옵션은 전원 차단 후에도 멀티턴 위치를 유지해야 하고 설치 공간이 충분한 애플리케이션에 적합할 수 있습니다.

공간 제약이 있는 애플리케이션에서는 듀얼 엔코더 버전이 주변 구성품 수를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 다만 최종 선택 시 위치 유지 요구 사항과 로봇의 제어 전략도 고려해야 합니다.

애플리케이션에 필요한 경우에만 브레이크 선택

모듈은 브레이크 장착형과 브레이크 미장착형으로 제공됩니다.

로봇의 기계 구조에 독립적인 잠금 장치가 있거나 전원이 차단되었을 때 관절이 큰 중력 하중을 지지할 필요가 없다면 브레이크 미장착형을 고려할 수 있습니다. 이 구성은 모듈의 축 방향 길이를 줄이고 설치 구조를 단순화할 수 있습니다.

전원이 차단된 상태에서도 관절이 위치를 유지해야 한다면 일반적으로 브레이크 장착형이 더 적합합니다. 선택 전에 필요한 유지 토크와 안전 조건을 평가해야 합니다.

2. 케이블 배선 최적화: 커넥터와 배선 레이아웃 개선으로 외부 돌출부 줄이기

케이블 배선이 적절하지 않으면 커넥터와 케이블 굴곡부 주변에 불필요한 돌출부가 생겨 반경 방향과 축 방향 설치 공간을 모두 차지할 수 있습니다. 이는 소형 로봇 설계에서 간과하기 쉬운 문제입니다.

커넥터 치수와 배선 요구 사항에 대한 자세한 내용은 제품 매뉴얼 4장 전기 인터페이스와 7장 케이블 배선을 참조하십시오.

어댑터 보드를 없애도록 후면 장착형 보드 커넥터 우선 사용

모든HPJM 모델은 보드 장착형 커넥터를 통해 통신, 전원, 배터리 인터페이스를 모터 후면 커버에 직접 통합합니다. 이 설계에서는 별도의 외부 어댑터 PCB가 필요하지 않아 어댑터 보드 두께와 장착 브래킷에 필요한 공간을 없앨 수 있습니다.

커넥터 선택:

크기 범위가 80–110 mm인 모듈과 그보다 작은 모듈에는 피치 1 mm의 소형 커넥터인 XKB X1002 시리즈를 사용할 수 있습니다.

대형 모듈에는 소형 MOLEX 커넥터를 사용합니다. XT60 커넥터나 더 큰 산업용 원형 커넥터와 비교하면 이 소형 커넥터는 모터 후면 커버 뒤쪽의 축 방향 돌출을 줄이는 데 도움이 됩니다.

실제 커넥터 유형은 모듈 모델, 전류 요구 사항, 제품 매뉴얼의 인터페이스 사양에 따라 선택해야 합니다.

케이블 방향과 커넥터 여유 공간 관리

제품 매뉴얼의 케이블 사양표에는 각 인터페이스에 필요한 여유 높이가 나와 있습니다. 로봇 하우징 내부 공간을 설계할 때 하우징 치수를 불필요하게 늘리지 말고 지정된 여유 공간을 준수하십시오.

EtherCAT 및 CAN 통신 케이블의 커넥터는 후면 커버에 수직으로 뽑습니다. 연결 후에는 하우징 내부를 따라 케이블을 배선하고 충분한 굴곡 공간을 확보하십시오. 케이블이 굽거나 반경 방향 바깥쪽으로 돌출되지 않도록 하십시오. 이로 인해 전체 관절 직경이 커질 수 있습니다.

전원 커넥터 선택:

소형 30–40 mm 모듈에는 XT30 커넥터 대신 피치 1.25 mm의 2핀 커넥터를 사용해 전원 인터페이스의 돌출을 줄일 수 있습니다. 설치 공간이 매우 제한적인 경우 특히 유용합니다.

고출력 모듈에는 전기 사양에서 요구하는 경우 XT30UPB-M 전원 소켓을 선택할 수 있습니다.

다중 모듈 네트워크 토폴로지를 최적화해 불필요한 케이블 줄이기

다관절 로봇 팔과 휴머노이드 로봇의 팔다리에서는 네트워크 토폴로지가 케이블 수와 설치 공간에 직접적인 영향을 미칩니다.

EtherCAT 통신: IN 포트와 OUT 포트를 순차적으로 연결하는 데이지 체인 구성을 사용합니다. 메인 컨트롤러에서 첫 번째 관절 모듈까지 네트워크 케이블 하나만 연결하고, 인접 모듈은 짧은 케이블로 연결하면 됩니다. 따라서 각 관절에서 컨트롤러까지 별도의 네트워크 케이블을 배선할 필요가 없습니다.

CAN 통신: 데이지 체인 또는 핸드인핸드 버스 연결을 사용할 수도 있습니다. 각 관절에서 메인 컨트롤러까지 개별 케이블을 배선할 필요가 없습니다.

전원 공급: 신뢰성과 전압 안정성이 우선인 경우 일반적으로 각 관절에 전원을 직접 연결하는 것이 좋습니다. 전기 아키텍처에 따라 트리 토폴로지도 고려할 수 있습니다. 데이지 체인 전원 공급은 신중하게 사용하십시오. 케이블 수를 줄일 수 있지만 전압 강하와 전류 분배를 세심하게 평가해야 합니다. 배선 및 전원 요구 사항이 허용하는 경우 저출력 모듈에 더 적합합니다.

고출력 관절은 개별 전원 연결에 더 많은 케이블이 필요할 수 있지만 전압 강하와 전력 분배를 더 효과적으로 제어할 수 있습니다.

외부 케이블 채널을 없애도록 중공축으로 케이블 배선

전원, CAN, EtherCAT 케이블을 관절의 중공 홀에 통과시켜 기계 구조 내부에 배치할 수 있습니다.

이를 통해 외부 케이블 채널과 보호 커버의 필요성을 줄일 수 있습니다. 따라서 노출된 케이블을 위한 추가 반경 방향 공간을 확보하지 않고도 외부 하우징을 모듈의 모터 직경에 더 가깝게 설계할 수 있습니다.

배선 시 주의 사항:

케이블을 팽팽하게 당겨서는 안 됩니다. 관절의 전체 회전 범위를 고려해 충분한 여유 길이를 확보해야 합니다. 기계적 이동 한계에 도달하더라도 케이블이 커넥터에 과도한 장력을 가해서는 안 됩니다.

이물질, 튀어나온 케이블 타이 및 기타 구성품이 중공 홀의 내벽을 누르거나 막지 않도록 해야 합니다.

3. 장착 구조 최적화: 기계적 설치 간격 최소화

관절 모듈 자체가 소형이더라도 비효율적인 장착 구조로 인해 로봇의 전체 치수가 커질 수 있습니다. 위치 결정 구조, 체결 부품 배치, 인접 관절 간 인터페이스를 최적화하면 불필요한 조립 공간을 없앨 수 있습니다.

위치 결정용 파일럿을 사용해 중간 어댑터 플랜지 제거

기계 설계가 허용하는 경우, 부하측 구조 부품에 관절 모듈의 출력 플랜지와 맞는 위치 결정용 파일럿을 직접 가공합니다. 이렇게 하면 부하측 부품을 모듈에 직접 연결할 수 있어 중간 어댑터 플랜지가 필요하지 않습니다.

모듈의 출력 플랜지에는 이미 위치 결정 구조가 포함되어 있습니다. 부하측 부품에 이에 맞는 구조를 설계하면 어셈블리의 축 방향 두께를 줄이고 기계적 연결을 단순화할 수 있습니다.

위치 결정 끼워맞춤은 실제 파일럿 치수, 공차, 조립 요구 사항에 따라 지정해야 합니다. 적절한 경우 H7/h7 끼워맞춤을 고려할 수 있지만 모든 관절 설치에 적용되는 보편적 요구 사항으로 간주해서는 안 됩니다.

맞물리는 표면의 진원도, 평탄도, 표면 상태도 관리해야 합니다. 애플리케이션에서 필요한 경우 평탄도 공차 0.01 mm를 설계 목표로 사용할 수 있습니다. 코팅 두께가 끼워맞춤과 위치 결정 정확도에 영향을 줄 수 있으므로 정밀 맞물림 표면에는 도장을 피하십시오.

대각선 순서로 볼트를 조이고 오목한 체결 구멍 사용

부하측 장착 플랜지에 오목하거나 접시형인 볼트 구멍을 설계해 볼트 머리가 구조 표면 위로 돌출되지 않도록 합니다. 이렇게 하면 불필요한 축 방향 여유 공간을 줄일 수 있습니다.

조립할 때는 볼트를 대각선 순서로 조이고 지정된 체결 토크를 준수하십시오. 조립 사양에서 요구하는 경우 중강도 나사 고정제를 사용할 수 있습니다.

불필요한 와셔나 스페이서는 적층 부품 수와 전체 설치 두께를 늘리므로 추가하지 마십시오. 다만 설계 또는 체결 부품 제조업체의 사양에서 요구하는 와셔 및 기타 체결 요소를 생략해서는 안 됩니다.

HPJM 관절에는 크로스 롤러 베어링이 통합되어정격 용량 범위 내에서 반경 방향 및 축 방향 하중을 지지합니다. 통합 베어링이 애플리케이션의 외부 하중과 전도 모멘트를 충분히 견딜 수 있다면 일반적으로 추가 외부 지지 베어링은 필요하지 않습니다.

명확한 구조적 요구 사항 없이 베어링을 추가하면 축 방향 및 반경 방향 치수가 증가할 수 있습니다. 또한 장착 구조에 과도한 구속이 발생해 진동, 이상 소음, 조기 마모 또는 수명 단축으로 이어질 수 있습니다.

추가 지지대의 필요 여부를 결정하기 전에 항상 모듈의 기술 사양에 따라 외부 하중 용량과 장착 구성을 확인해야 합니다.

하우징을 장착 표면에 가깝게 배치

관절 모듈의 후면 커버는 커넥터, 케이블 설치, 유지보수에 필요한 최소 여유 공간을 유지하면서 로봇 하우징의 장착 표면에 가능한 한 가깝게 배치해야 합니다.

모터 외경을 기준으로 외부 하우징을 설계해 소형 설치 공간을 구현할 수 있습니다. 모터 하우징과 주변 구조 부품 사이에 지나치게 큰 내부 공간이나 불필요하게 넓은 간격을 두지 마십시오.

이 방법은 사용되지 않는 공간을 줄이고 로봇 전체 구조를 소형화하는 데 도움이 됩니다.

불필요한 여유 공간을 만드는 설치 오류 방지

몇 가지 흔한 장착 실수로 인해 부품 사이의 여유 공간을 늘려야 하는 상황이 생기고, 그 결과 설치 공간이 낭비될 수 있습니다.

여기에는 위치 결정용 파일럿 없이 평면 접촉에만 의존하는 것, 위치 결정 구조의 깊이가 충분하지 않은 것, 맞물림 표면에 가공 버나 돌출부를 남기는 것 등이 포함됩니다.

위치 결정 구조가 적절하지 않으면 간섭을 피하기 위해 설치 간격을 늘려야 할 수 있습니다. 이는 전체 치수를 키울 뿐 아니라 조립 일관성도 저하시킬 수 있습니다.

설치 전에 부하측 플랜지의 버와 가공 잔여물을 제거하십시오. 부품이 제대로 맞물리도록 모든 접합면을 깨끗하게 청소하십시오.

여러 관절을 소형 직렬 구성으로 배치

휴머노이드 로봇의 팔과 다리 같은 다관절 구조에서는 소형 직렬 배치를 통해 팔다리 전체 길이를 줄일 수 있습니다.

기계 인터페이스가 허용하는 경우 한 관절의 출력 플랜지를 다음 관절의 후면 커버 또는 장착 인터페이스에 직접 연결합니다. 케이블 굴곡과 조립에 필요한 최소 여유 공간은 유지하면서 불필요한 중간 스페이서와 어댑터 구조는 제거합니다.

연결된 모듈의 중공 홀을 정렬하면 내부 배선 경로를 따라 케이블을 연속된 관절에 통과시킬 수 있습니다. 이를 통해 외부 케이블 배선을 줄이고 전체 팔다리 구조를 더욱 소형화할 수 있습니다.

결론

제한된 공간에서 높은 토크를 구현하는 것은 단순히 더 작은 로봇 관절 모듈을 선택하는 문제가 아닙니다. 모듈의 내부 아키텍처, 엔코더 및 브레이크 구성, 커넥터 선택, 케이블 배선, 장착 인터페이스, 다중 관절 배치를 종합적으로 최적화해야 합니다.

HONPINEHPJM 통합 로봇 관절 모듈은 주요 모션 제어 구성품을 소형 하우징 안에 결합합니다. 통합 구조와 중공축 설계를 충분히 활용하고 주변의 기계 및 전기 레이아웃을 최적화하면 로봇 제조업체는 토크 및 모션 제어 요구 사항을 충족하면서 불필요한 설치 공간을 줄일 수 있습니다.

휴머노이드 로봇, 로봇 팔 및 기타 다관절 시스템의 효과적인 공간 최적화는 모듈 선정 단계에서 시작해 기계 및 전기 설계 전반에 걸쳐 이어집니다.