7-DOF 로봇 팔용 하모닉 조인트 액추에이터를 선택하는 방법？

안녕하세요, 저는 HONPINE의 기술 이사 시어도어 리입니다. 이 글에서는 7자유도 로봇 암용하모닉 관절 액추에이터를 선택하는 방법을 설명하겠습니다.

7자유도 또는 7-DOF 로봇 암은 3차원 공간에서 엔드 이펙터의 위치와 자세를 제어하는 데 일반적으로 필요한 6자유도에 하나의 자유도가 추가된 구조입니다. 이 추가 자유도는 운동학적 여유도라고 합니다.

적절한 기계 설계와 제어 알고리즘을 적용하면 이러한 여유도는 더 높은 동작 유연성을 제공하고, 장애물 회피 및 특이점 회피를 지원하며, 사람의 팔과 유사한 컴플라이언트 동작을 가능하게 합니다.

이러한 기능으로 인해 7-DOF 로봇 암은 의료 로봇, 정밀 조립, 유연 가공 및 까다로운 환경에서의 작업을 위한 연구 개발에 유용합니다.

그렇다면 7-DOF 로봇 암용 관절 모듈은 어떻게 선택해야 할까요?

7-DOF 로봇 암용 하모닉 관절 액추에이터 선택 방법？

각 액추에이터를 관절의 하중 요구사항에 맞추기

동일한 액추에이터 시리즈 내에서 더 큰 프레임 크기는 일반적으로 더 큰 출력 토크를 제공하며 더 높은 관절 하중을 지원할 수 있습니다. 그러나 액추에이터는 모델 번호만을 기준으로 선택하는 것이 아니라 개별 관절의 요구사항에 따라 선택해야 합니다.

많은 로봇 암 구성에서 엔드 이펙터에서 더 먼 관절은 페이로드와 함께 암의 더 많은 하류 구성요소를 지지해야 합니다. 따라서 이러한 관절에는 더 큰 출력 토크가 필요한 경우가 많습니다.

어깨 관절이 대표적인 예입니다. 암의 상당 부분을 지지하고 엔드 이펙터 하중에서 상당히 떨어진 위치에서 작동하므로, 이 위치에는 더 큰 하모닉 관절 액추에이터가 선택되는 경우가 많습니다.

반면 손목 관절의 경우 손목 굽힘과 회전, 툴링 하중 및 말단 어셈블리의 전체 질량을 신중히 고려해야 합니다. 필요한 토크 및 동작 사양을 충족할 수 있다면, 더 작고 가벼운 관절 모듈이 적합한 경우가 많습니다.

선정 원칙은 암 전체에 동일한 모듈을 단순히 사용하는 것이 아니라 각 관절의 하중 요구사항을 계산하고 그에 맞는 액추에이터를 적용하는 것입니다.

예: HONPINE TCHL 하모닉 로봇 액추에이터

이 접근 방식을 설명하기 위해 HONPINE TCHL Series 하모닉 로봇 액추에이터를 사용하는 7-DOF 로봇 암 구성을 살펴보겠습니다.

이 예에서 어깨에는 TCHL 20 관절 모듈을 사용하고, 손목에는 TCHL 14 관절 모듈을 사용합니다.

TCHL 14는 중공 구조와 케이블 배선용 통로를 갖춘 콤팩트하고 경량의 설계를 특징으로 합니다. 이러한 특성으로 인해 말단 질량 감소가 중요한 설계 목표인 공간 제약형 손목 및 로봇 목 어셈블리에 적합한 후보가 됩니다.

이 구성은 선정 방식을 보여 주는 예시이며, 모든 7-DOF 로봇 암에 대한 보편적인 권장 사항은 아닙니다.

7-DOF 수술용 로봇 암에는 왜 더 고도화된 하모닉 관절 모듈이 필요한가요?

적절한 모션 계획 및 장애물 회피 기술과 결합된 7자유도 여유 설계는 수술용 로봇 암이 제한된 작업 공간 내에서 더 큰 자유도로 움직일 수 있게 합니다.

이러한 유연성은 시스템이 복잡한 수술 절차의 위치 설정 및 접근 요구사항을 충족하는 데 도움이 됩니다.

여기서 설명하는 로봇 암 기능에는 손으로 유도하는 동작, 모터 구동 작동, API 기반 원격 제어 및 자동 페이로드 식별 및 보정도 포함됩니다.

이러한 기능을 지원하려면 관절 센싱, 제어 응답 및 시스템 통합에 높은 수준의 요구사항이 적용됩니다.

토크 센싱 및 신속한 힘 제어

여기서 논의하는 힘 제어 수술용 암 구성에서는 통합형 고정밀 토크 센서가 관절 모듈 설계의 중요한 부분입니다.

이 센서는 힘 감응 제어 및 충돌 감지를 위한 피드백을 제공합니다. 이 애플리케이션에 대해 설명된 성능 수치에는 0.5 N의 힘 제어 정확도와 1,000 Hz 이상의 제어 업데이트 속도가 포함됩니다.

의도된 기능은 접촉력에 대한 밀리초 수준의 응답으로, 삽입 및 제어된 나사 체결과 같은 정밀 작업을 지원합니다.

이러한 수치는 정의된 구성 및 시험 방법과 연계되어야 합니다. 모든 관절 모듈 또는 모든 완성 로봇 암에 공통으로 적용되는 사양으로 간주해서는 안 됩니다.

고대역폭 토크 제어 및 컴플라이언트 동작

고대역폭 힘 제어는 다음과 같이 요약할 수 있습니다:

고대역폭 폐루프 토크 제어 + 컴플라이언트 제어 알고리즘

목표는 시스템의 토크 또는 힘 응답이 의도된 작업에 충분히 빠르고 정확하도록 하는 것입니다.

통합형 고분해능 토크 센서는 이러한 제어 방식에 필요한 피드백을 제공합니다. 전체 응답은 센싱, 구동 및 제어 알고리즘이 통합되는 방식에도 좌우됩니다.

여유도 기반 모션 계획 및 장애물 회피

여유도 기반 장애물 회피는 다음 세 가지 핵심 요소로 설명할 수 있습니다:

운동학적 여유도 + 영공간 투영 + 계층적 작업 우선순위 최적화

추가 자유도는 필요한 엔드 이펙터 작업을 유지하면서 암이 구성을 조정할 수 있는 더 많은 선택지를 제공합니다.

모션 계획은 다음과 같이 우선순위가 다른 여러 목표를 조정할 수 있습니다:

1. 안전한 작동을 지원하기 위해 관절 한계를 준수합니다.

2. 에너지 효율을 최적화 목표로 하여 불필요한 관절 동작과 관절 속도를 최소화합니다.

3. 적절한 암 구성을 유지하고 특이점에 대한 근접성을 관리합니다.

충분한 여유 동작이 가능할 경우, 컨트롤러는 장애물 회피와 같은 부차적 작업을 수용할 수 있는 더 큰 자유도를 갖습니다. 모든 목표를 충족할 수 있는지는 여전히 사용 가능한 작업 공간, 관절 한계 및 작업 제약 조건에 따라 달라집니다.

HONPINE HAG Series 하모닉 관절 모듈

까다로운 모션 제어 애플리케이션을 위해 HONPINE은 HAG Series 하모닉 관절 모듈을 제공합니다.

HAG Series는 정밀 모션 제어와 고급 힘 센싱 기능이 필요한 애플리케이션을 위해 설계되었습니다. Safe Torque Off (STO)는 선택한 모델 및 구성에 따라 옵션 기능으로 제공됩니다.

이 옵션은 완전한 로봇 시스템의 안전 설계 일부로 고려할 수 있습니다. 이 옵션만으로 특정 의료 애플리케이션에 대해 관절 모듈 또는 로봇 암이 승인되었음을 확인하는 것으로 해석해서는 안 됩니다.

HAG 하모닉 관절 모듈을 평가할 때는 특정 구성에 필요한 센싱 성능, 제어 인터페이스 및 사용 가능한 안전 기능을 확인하십시오.

7-DOF 로봇 암용 하모닉 액추에이터 자세히 알아보기

하모닉 관절 액추에이터를 선택하려면 먼저 각 관절이 수행해야 하는 작업을 이해해야 합니다. 어깨, 팔꿈치 및 손목 관절은 토크, 중량, 설치 공간, 센싱 및 제어 측면에서 서로 다른 요구사항을 가질 수 있습니다.

7-DOF 로봇 암용 하모닉 회전 액추에이터 및 관절 모듈에 대한 자세한 정보는 HONPINE에 문의하십시오.