로봇 조인트 모듈을 선택하고 사용하는 방법은?

안녕하세요. 저는 HONPINE의 기술 이사 Theodore Li입니다. 이 글에서는 HONPINE HPJM 하모닉 조인트 모듈 시리즈를 예로 들어 로봇 조인트 모듈의 선정 및 시운전 방법을 설명하고, 기계적 설치, 전기 배선, 통신 구성 및 제어 설정을 다루겠습니다.

로봇 조인트 모듈은 구동 전자 장치, 감속기, 엔코더 및 브레이크를 하나의 소형 원통형 어셈블리에 통합한 제품입니다. 그러나 모듈을 받았다고 해서 로봇을 바로 움직일 수 있는 것은 아닙니다. 잘못된 제품을 선정하면 배선과 통신 아키텍처를 다시 설계해야 할 수 있으며, 연결이 부적절하면 시운전 중 통신 오류와 반복적인 알람이 발생할 수 있습니다.

구현을 지연시키는 주요 원인 중 하나는 제품 선정부터 성공적인 작동까지 이어지는 명확한 절차가 없다는 점입니다. 전체 작업 흐름을 이해하면 엔지니어는 불필요한 수정을 피하고 시스템을 더 효율적으로 가동할 수 있습니다.

1. 로봇 조인트 모듈 선정 방법: HPJM 시리즈를 예로 들어

HONPINE HPJM 시리즈는 외경 30~170 mm 제품군으로 구성되며, 전 범위에서 싱글 엔코더 및 듀얼 엔코더 구성을 선택할 수 있습니다. 이를 통해 손재주형 로봇 손의 소형 조인트부터 대형 휴머노이드의 고관절까지 다양한 크기의 조인트에 적합한 옵션을 제공합니다.

초기에 결정해야 할 사항 중 하나는 통신 인터페이스입니다. 싱글 엔코더 HPJM 모듈은 CAN 통신을 사용하며, 듀얼 엔코더 버전은 CAN과 EtherCAT을 지원합니다. 손에 적용하는 경우에는 선택한 액추에이터와 시스템 아키텍처에 따라 RS-485를 사용하는 경우가 많습니다.

HONPINE은 기계 설계를 완료하기 전에 통신 버스와 전원 공급 아키텍처를 먼저 정의할 것을 권장합니다. 이러한 결정은 컨트롤러, 배선 구성 및 통합 전략에 영향을 줍니다. 프로토타입 조립 후까지 결정을 미루면 불필요한 수정이 발생할 수 있습니다.

2. 통합형 조인트 모듈은 왜 설치와 사용이 더 간편할까요?

최신 경량 조인트 모듈의 주요 장점 중 하나는 통합 작업의 상당 부분이 공장에서 완료되어 고객의 구현이 간편해진다는 점입니다. HPJM 하모닉 조인트 모듈은 서보 드라이브, 엔코더 시스템, 프레임리스 토크 모터, 브레이크 및 하모닉 감속기를 하나의 어셈블리에 통합합니다.

이러한 통합 설계는 설치와 작동을 간소화하고 정기적인 유지보수 요구 사항을 줄여 줍니다. 또한 큰 관통 구멍을 통해 케이블과 공압 튜브를 배선할 수 있어 엔지니어가 로봇 내부 연결을 정리하는 데 도움이 됩니다.

기계적 설치에는 여전히 세심한 주의가 필요합니다. 모듈은 통합을 간소화하지만, 장착 정밀도는 주변 구조물에 의해 확보되어야 합니다. 장착면과 정렬 상태를 기계 구성품을 통해 정확하게 설정해야 합니다. 통합 설계가 정확하고 견고한 설치의 필요성을 없애 주는 것은 아닙니다.

3. 전기 배선: 전원 및 통신

전기 배선에는 전원과 통신이라는 두 가지 주요 연결이 있습니다. 잘못 연결하면 모듈이 작동하지 않거나 시운전 중 오류가 발생할 수 있으므로 두 연결 모두 세심한 주의가 필요합니다.

HPJM 모듈은 양극 및 음극 단자가 지정된 직사각형 전원 커넥터를 사용합니다. 전원을 연결하기 전에 해당 모델의 커넥터 도면을 확인해 극성을 확인하십시오. CAN 인터페이스는 CAN High용 H, CAN Low용 L, 접지용 G의 세 가지 연결을 사용합니다.

EtherCAT 인터페이스에는 IN 및 OUT 포트가 각각 제공되며, 통신 신호는 Tx+, Tx−, Rx+ 및 Rx−입니다. T568B 케이블 색상 코드를 적용하면 각각 흰색/주황색, 주황색, 흰색/녹색 및 녹색에 해당합니다. 케이블을 제작하거나 점검할 때는 항상 모듈에 지정된 커넥터 핀 배열을 따르십시오.

듀얼 엔코더 모듈에서는 EtherCAT과 CAN 인터페이스를 함께 사용할 수 있습니다. 그러나 두 인터페이스의 제어 명령을 동시에 활성화할 수는 없습니다. EtherCAT이 CAN보다 우선하므로 컨트롤러 구성 시 사용할 명령 소스를 고려해야 합니다.

4. 통신 구성: CAN 및 EtherCAT

통신을 통해 개별 조인트를 서로 협조하는 로봇 시스템으로 연결합니다. CAN과 EtherCAT은 각각 별도의 구성 요구 사항이 있으며, 통신 방식은 컨트롤러 플랫폼, 조인트 수 및 필요한 업데이트 주기를 고려해 선택해야 합니다.

HPJM 시리즈의 명시된 CAN 통신 속도는 1 Mbps입니다. 모터 7개를 사용하는 애플리케이션에서 통신 업데이트 주기는 약 300 Hz입니다. 각 모듈에는 고유한 CAN ID를 지정해야 합니다. ID를 순차적으로 지정하면 여러 모듈이 포함된 시스템을 더 쉽게 관리하고 문제를 해결하며 확장할 수 있습니다.

HPJM 시리즈는 100 Mbps EtherCAT 통신을 지원하며, 지원되는 통신 업데이트 주기는 최대 4 kHz입니다. EtherCAT은 여러 슬레이브 장치에서도 짧은 통신 주기를 유지하도록 설계되었습니다. 다만 실제 달성 가능한 업데이트 주기는 사용 중인 마스터, 네트워크 구성 및 프로세스 데이터 요구 사항을 기준으로 확인해야 합니다.

EtherCAT 시스템은 마스터와 여러 슬레이브로 구성됩니다. 마스터로는 TwinCAT 또는 CODESYS와 같은 소프트웨어 플랫폼이나 Inovance 및 HCFA와 같은 제조업체의 호환 PLC를 사용할 수 있습니다. 초기 테스트에서는 TwinCAT 또는 CODESYS를 실행하는 컴퓨터를 사용하면 통신과 기본 작동을 편리하게 확인할 수 있습니다.

네트워크를 연결할 때는 마스터의 EtherCAT 연결을 첫 번째 슬레이브의 IN 포트에 연결한 다음, 해당 슬레이브의 OUT 포트를 다음 슬레이브의 IN 포트에 연결합니다. 나머지 모듈에도 이 순서대로 연결을 이어갑니다. 올바른 IN-OUT 연결 순서를 유지하면 예상한 네트워크 토폴로지와 슬레이브 식별을 유지하는 데 도움이 됩니다.

5. 제어 및 시운전: 조인트 구동하기

배선과 통신 구성을 완료했다면 다음 단계는 조인트가 컨트롤러의 명령에 올바르게 응답하도록 하는 것입니다. 사용 가능한 작동 모드에는 위치 제어, 속도 제어, 전류 또는 토크 제어, 하이브리드 힘-위치 제어가 있습니다. 이 모드는 위치 지정 및 궤적 추종부터 사람, 공구 및 주변 환경과의 컴플라이언트 상호작용에 이르기까지 다양한 애플리케이션을 지원합니다.

HPJM 조인트 모터는 IEC 61800-7 프레임워크와 CiA 402 드라이브 상태 머신을 따릅니다. 실제 시운전은 초기화, 비활성 상태, 준비 상태, 활성화 및 작동 순서로 진행됩니다. 전원 투입 직후 모션 명령을 보내는 대신 컨트롤러가 각 상태 전환에 적합한 명령을 전송해야 합니다. 정확한 전환 순서와 controlword 설정은 선택한 모듈의 문서를 따르십시오.

HPJM 모듈에는 문제 해결을 지원하는 알람 코드와 녹색 및 파란색 상태 표시등도 제공됩니다. 일반적인 문제에는 CAN 인터페이스 열기 실패, 다른 애플리케이션에서 이미 사용 중인 통신 장치, 드라이브 칩 오류, 과전압, 저전압 및 엔코더 오류가 있습니다. 관련 문제 해결 지침에는 이러한 상태를 확인하고 해결하는 방법이 설명되어 있습니다.

시운전 중에는 모션 명령을 내리기 전에 statusword와 활성화된 오류 정보를 확인하십시오. 이를 통해 실제 문제를 파악하고 불필요한 시행착오를 줄일 수 있습니다.

6. HONPINE은 고객이 제품 선정 오류를 피하도록 어떻게 지원할까요?

HONPINE은 다양한 애플리케이션 요구 사항에 맞는 여러 로봇 조인트 모듈 시리즈를 제공합니다. 당사의 하모닉 조인트 모듈에는 HPJM, TCHL 및 HAG 시리즈가 있으며, 유성 조인트 모듈에는 JRM 및 HPA 시리즈가 있습니다. 선정 초기 단계에서 고객의 예산과 작동 조건을 평가해 적합한 구성을 추천합니다.

로봇 조인트 모듈을 성공적으로 구현하려면 서로 연결된 다섯 단계를 거쳐야 합니다. 적절한 사양 선정, 모듈의 정확하고 견고한 설치, 전기 배선 완료, 통신 네트워크 구성, 드라이브 상태 머신에 따른 모듈 시운전입니다. 각 단계는 안정적인 작동에 기여하며, 초기 단계의 결정은 이후 작업에 영향을 줍니다.

HONPINE은 선정, 프로토타입 제작, 소량 생산 및 양산 납품에 이르는 전 과정에서 전담 일대일 기술 지원을 제공합니다. 조인트 부하 요구 사항, 컨트롤러 플랫폼 및 생산 일정을 알려 주시면 애플리케이션에 적합한 로봇 조인트 모듈을 선정할 수 있도록 지원해 드립니다.