조인트 모터는 로봇 팔의 미래를 어떻게 재정의하고 있는가?

체화 지능의 부상은 로봇 팔의 설계를 완전히 새로운 패러다임으로 이끌고 있습니다. 이제 로봇 팔은 더 이상 사전 프로그래밍된 궤적을 실행하는 도구에 머무르지 않고, 물리적 세계에서 지능형 에이전트의 "고유수용성 신체"의 확장이 되어 능동적 탐색, 정교한 조작, 안전한 상호작용을 수행할 수 있게 되고 있습니다. 이러한 목표의 근본적인 변화는 로봇 팔의 기반 하드웨어 아키텍처, 제어 로직, 소프트웨어 생태계에 전례 없이 엄격한 요구를 제기합니다. 그렇다면 미래의 로봇 팔은 어떤 종류의 관절 모터를 사용해야 할까요?

로봇 팔과 모터의 작동 원리

작동 원리 측면에서 로봇 팔은 모터, 드라이버, 고정밀 센서의 협조 동작에 의존합니다. 모터는 동력원으로서 움직임을 위한 구동력을 제공합니다. 드라이버는 모터의 속도와 토크를 정밀하게 조절하여 팔의 움직임이 원하는 정확도에 도달하도록 보장하는 역할을 합니다. 센서는 관절 위치와 가해진 힘 등의 정보를 지속적으로 모니터링하며, 편차가 감지되면 피드백이 제어 시스템으로 신속하게 전달되어 조정이 이루어집니다.
예를 들어, 로봇 팔이 깨지기 쉬운 물체를 잡아야 할 때 센서는 가해진 힘을 감지하고 즉시 이 정보를 제어 시스템에 전달하여, 팔이 부드럽게 힘을 가하고 물체가 손상되지 않도록 합니다.

로봇 팔 관절 모터 선택의 핵심 요소

관절 모터(이 글에서는 주로 회전형을 다룹니다)는 일반적으로 모터, 드라이버 PCB, 감속기, 엔코더, 브레이크를 통합합니다.

브레이크

브레이크 모듈의 기능은 전원 손실 또는 고장 시 자세를 유지하여, 위험이나 손상을 초래할 수 있는 낙하 또는 붕괴를 방지하는 것입니다(특히 수직 관절의 경우). 간단히 말해, 전원이 차단되면 로봇 팔이 중력에 의해 아래로 떨어질지를 결정합니다. 산업용 로봇 팔의 경우 브레이크는 필수적입니다—공장의 대형 로봇 팔이 정전 중 아래로 추락하는 상황을 원하는 사람은 없습니다. 그러나 체화 지능 시대의 경량 로봇 팔은 질량이 비교적 작기 때문에 관절 모터에 브레이크를 포함하지 않는 경우가 많습니다.

감속기

일반적으로 자주 사용되는 감속기에는 하모닉, RV, 유성 기어 감속기의 세 가지 유형이 있습니다. 경량 로봇 팔에는 하모닉 감속기 또는 유성 감속기가 가장 흔히 사용됩니다. 하모닉 감속기는 단일 단계에서 높은 감속비를 달성할 수 있지만 비용이 더 높습니다. 유성 감속기(특히 표준형)는 일반적으로 하모닉 감속기보다 백래시가 훨씬 큽니다.

백래시는 느슨한 문 경첩의 흔들림이나, 페달을 밟아도 바퀴가 즉시 움직이지 않는 자전거 체인의 유격에 비유할 수 있습니다. 정밀 기계에서는 이러한 작은 느슨함도 위치 결정 정확도에 직접적인 영향을 미칩니다.

엔코더

엔코더는 주로 관절 회전 각도를 정밀하게 감지하는 데 사용됩니다. 핵심 파라미터는 14-bit 해상도와 같은 엔코더 해상도입니다. 이는 1회전 전체가 2¹⁴ = 16,384 펄스로 표현됨을 의미하며, 이에 해당하는 위치 결정 해상도는 360 / 16,384 = 0.02197 degrees입니다.

로봇 팔에는 절대형 엔코더가 필수적입니다: 전원 손실 후에도 시스템은 현재 관절 각도를 여전히 알고 있습니다. 그렇지 않으면 팔은 전원을 켤 때마다 매번 영점 위치로 돌아가야 합니다.

대부분의 관절 모터는 모터 측에 단일 엔코더를 사용하며, 이를 통해 모터 로터의 위치와 속도를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 그러나 이러한 구성은 모터와 부하 사이의 전달 체인에서 발생하는 오차(예: 감속기, 커플링, 벨트 또는 리드 스크루의 백래시, 탄성 변형, 비틀림 진동, 열팽창 또는 마모)를 감지할 수 없습니다.

감지 정확도를 높이기 위해 일부 관절 모터는 듀얼 엔코더 방식을 채택합니다: 하나는 모터 로터 측에, 다른 하나는 감속기 이후의 출력축에 배치됩니다. 두 엔코더의 데이터를 융합함으로써 시스템은 전달 체인에 백래시, 컴플라이언스 또는 마모가 존재하더라도 절대 위치 결정 정확도와 반복 정밀도를 향상시킬 수 있습니다.

중공축 모터

중공축 모터는 축을 따라 중앙 관통홀을 가지며, 주된 목적은 케이블 배선을 용이하게 하는 것입니다. 전선은 모터의 중심을 직접 통과할 수 있어 외부 케이블 노출을 피할 수 있습니다. 그러나 중공축 모터는 일반적으로 더 비쌉니다.

관절 모터는 로봇 팔을 어떻게 제어하는가?

로봇 팔에서 가장 직접적인 액추에이터로서, 모든 제어는 궁극적으로 관절 제어로 귀결됩니다.

가장 일반적인 방식은 3중 루프 모터 제어 구조입니다:

위치 루프: 입력 = 목표 위치; 피드백 = 실제 위치; 출력 = 목표 속도(위치 오차 기준).

속도 루프: 입력 = 목표 속도; 피드백 = 실제 속도; 출력 = 목표 전류(속도 오차 기준).

전류 루프: 입력 = 목표 전류; 피드백 = 실제 전류; 출력 = 조정된 드라이버 전압(전류 오차 기준), 토크를 직접 제어합니다(전류는 토크와 대략 선형 관계입니다). 

MIT 제어 모드

MIT 모드는 토크, 위치, 속도의 혼합 제어를 가능하게 합니다. 그 제어 블록 다이어그램은 다음에 나와 있습니다.

통신 프로토콜

로봇은 일반적으로 여러 개의 관절을 가지고 있으며 고주파 제어가 필요하기 때문에, 통신 프로토콜은 보통 CAN bus 또는 EtherCAT을 사용합니다. CAN의 최대 baud rate는 1 Mbps입니다. 1 kHz 이상의 폐루프 제어를 달성하려면 최대 속도가 100 Mbps에 이르는 EtherCAT이 필요합니다.

일반적으로 1 Mbps의 CAN bus를 사용하는 6축 관절 모터 시스템의 경우, 달성 가능한 최대 제어 주파수는 약 300–500 Hz이며 이는 협동 로봇에 충분합니다. 그러나 1 kHz에서 힘 제어를 완전히 활용하려면 여러 개의 CAN 채널이 필요하며, 각 CAN 채널은 3개의 모터를 구동합니다(사족 로봇 설계에서 흔히 볼 수 있음).

로봇 관절 모터를 선택하는 일은 토크, 속도, 정밀도, 크기, 비용, 신뢰성의 균형을 맞추는 종합적인 과정입니다. 브러시드 모터에서 브러시리스 모터로, 스테퍼 모터에서 서보 모터로, 그리고 분리형 설계에서 고집적 관절 모듈로 이어지는 지속적인 기술 진화는 계속해서 로봇 성능 향상을 이끌고 있습니다.