부하, 정밀도, 힘 제어 및 동작 요구사항을 바탕으로 적합한 로봇 관절 모듈을 선택하는 방법

통합 로봇 관절 모듈은 협동 로봇, 휴머노이드 로봇, 산업용 로봇 암 및 기타 지능형 로봇 시스템의 핵심 운동 유닛입니다. 일반적으로 모터, 감속기, 인코더, 서보 드라이브, 토크 센서 및 전자식 브레이크와 같은 주요 구성 요소를 컴팩트한 운동 유닛으로 통합합니다.

적절한 로봇 관절 모듈을 선택하는 것은 출력 토크, 회전 속도 및 위치 결정 정확도뿐만 아니라 로봇의 동적 응답, 힘 제어 성능, 구조 설계, 작동 안정성 및 전반적인 제조 비용에도 직접적인 영향을 미칩니다.

개별 모터나 감속기를 선택하는 것과 달리, 로봇 관절 모듈 선정에는 동적 성능, 전송 구조, 위치 피드백, 토크 측정, 기계적 설치, 전기 인터페이스, 열 관리 및 장기적인 신뢰성에 대한 종합적인 평가가 필요합니다. 이는 서로 다른 관절이 크게 다른 부하 조건, 운동 빈도, 제어 요구 사항 및 안전 고려 사항을 갖는 협동 로봇 및 휴머노이드 로봇에게 특히 중요합니다.

HONPINE의 경량 고정밀 TCHL 시리즈 로봇 관절 모듈에 대한 실제 적용 경험을 바탕으로, 이 가이드는 로봇 엔지니어가 관절 설계 및 통합에 대한 체계적인 접근 방식을 수립할 수 있도록 로봇 관절 모듈 선정의 6가지 필수 측면을 다룹니다.

1. 동적 성능: 토크, 속도 및 관성 요구 사항 결정 방법

동적 성능은 로봇 관절 모듈 선정의 기초입니다. 이는 관절이 페이로드, 회전 속도, 가속 및 동적 응답에 대한 실제 요구 사항을 충족할 수 있는지 여부를 결정합니다.

평가해야 할 가장 중요한 매개변수에는 연속 정격 토크, 피크 토크, 출력 속도 및 관성 매칭이 포함됩니다.

1.1 연속 정격 토크와 피크 토크는 어떻게 구분해야 합니까?

토크는 로봇 관절 모듈을 선정할 때 가장 중요한 매개변수 중 하나입니다. 그러나 엔지니어는 모듈의 최대 토크 정격만으로 판단하기보다는 연속 정격 토크와 피크 토크를 구분해야 합니다.

연속 정격 토크는 지정된 작동 조건 및 열 한계 내에서 관절 모듈이 지속적으로 전달할 수 있는 토크를 의미합니다. 이는 연속 물류 취급, 자세 유지, 연마 및 기타 장시간 작동과 같은 애플리케이션과 특히 관련이 있습니다.

필요한 관절 토크를 계산할 때 엔지니어는 다음을 고려해야 합니다.

• 관절 자체의 무게 및 관련 중력 토크.

  
  

• 엔드 이펙터 및 외부 페이로드에 의해 생성된 중력 토크.

  
  

• 관절 이동 중 가속 및 감속 토크.

  
  

• 기계적 마찰 및 기타 전송 저항.

  
  

• 다중 관절 간의 동적 커플링 효과.

초기 선정 단계에서는 부하 변화, 운동 빈도, 설치 방향 및 작동 조건에 따라 적절한 안전 마진을 확보해야 합니다. 예를 들어, 25%~35%의 마진을 초기 설계 참조로 사용할 수 있지만 이를 보편적인 요구 사항으로 간주해서는 안 됩니다. 최종 크기는 실제 관절 부하 프로파일과 열평형 조건에 대해 검증해야 합니다.

피크 토크는 주로 로봇의 빠른 가속, 자세 전환, 일시적 부하 변화 및 짧은 충격 이벤트와 같은 단시간 동적 작동에 사용됩니다.

피크 토크가 관절 모듈이 장기간 이 출력을 유지할 수 있다는 것을 의미하지 않는다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 엔지니어는 허용 피크 토크 지속 시간, 반복 빈도 및 관련 열 한계를 확인해야 합니다.

모터, 감속기 및 기계적 하우징의 토크 용량도 별도로 확인해야 합니다. 허용 토크가 가장 낮은 구성 요소가 완성된 관절 어셈블리의 실제 토크 한계를 설정합니다.

이러한 구별은 휴머노이드 로봇 다리, 4족 보행 로봇 고관절 및 중장비 로봇 암의 고동적 관절에 특히 중요합니다.

1.2 출력 속도 및 기어비는 어떻게 매칭해야 합니까?

로봇 관절 모듈의 출력 속도는 주로 모터 속도와 감속비에 의해 결정됩니다.

출력 속도 ≈ 모터 속도 ÷ 감속비

감속비를 증가시키면 일반적으로 출력 토크가 증가하지만 출력 속도는 감소합니다. 또한 역구동성, 동적 응답 및 전송 시스템의 등가 관성에 영향을 미칠 수 있습니다.

또한, 모터 속도는 전원 공급 장치와 독립적으로 고려될 수 없습니다. 24V 또는 48V DC 전원 관절 모듈의 경우, 회전 속도가 상승함에 따라 모터의 역기전력이 증가합니다. 사용 가능한 DC 버스 전압이 부족하면 고속 작동 영역에서 사용 가능한 전류 및 출력 토크가 감소할 수 있습니다.

따라서 엔지니어는 무부하 최고 속도 이상을 평가해야 합니다. 중요한 매개변수는 다음과 같습니다.

• 정격 속도에서의 연속 출력 토크.

  
  

• 최대 작동 속도에서 사용 가능한 토크.

  
  

• 다양한 공급 전압에서의 성능 변화.

  
  

• 동적 응답 및 역구동성에 대한 감속비의 영향.

빠른 스윙, 빈번한 가속 및 반복 정지가 필요한 휴머노이드 로봇 관절의 경우, 출력 속도와 토크를 매칭하는 것이 특히 중요합니다.

1.3 관성 매칭이 관절 제어 안정성에 영향을 미치는 이유는 무엇입니까?

관성 매칭은 로봇 관절 모듈 선정에서 중요하지만 때때로 간과되는 요소입니다.

외부 부하 관성과 구동 시스템 관성 간의 부적절한 관계는 제어 난이도를 증가시키고 저속 진동, 운동 과잉, 기계적 진동 또는 동적 추적 성능 저하를 초래할 수 있습니다.

정밀한 운동 추적 및 순응 제어가 필요한 협동 로봇, 휴머노이드 로봇 및 로봇 암의 경우, 엔지니어는 동적 분석을 통해 모터 회전자 관성, 감속기 비율, 부하 관성 및 실제 운동 궤적을 평가해야 합니다.

감속기가 모터 측을 기준으로 부하의 등가 관성을 변경한다는 점을 기억하는 것도 중요합니다. 따라서 단순히 부하 관성과 모터 회전자 관성을 비교하여 시스템 호환성을 결정해서는 안 됩니다. 전송비, 제어 대역폭 및 실제 작동 조건도 고려해야 합니다.

2. 전송 구조 및 위치 결정 정확도: 하모닉 vs. 유성 로봇 관절 모듈

감속기는 로봇 관절 모듈 내의 핵심 전송 구성 요소입니다. 그 설계는 출력 토크, 전송 정확도, 비틀림 강성, 충격 저항 및 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.

하모닉 감속기와 유성 감속기는 로봇 관절 모듈에서 일반적으로 사용되는 두 가지 전송 솔루션입니다. 어느 것도 보편적으로 우월하지 않으며, 적절한 선택은 로봇의 운동 요구 사항 및 작동 조건에 따라 다릅니다.

2.1 하모닉 드라이브 관절 모듈의 특성 및 적용

하모닉 감속기는 컴팩트한 구조, 높은 감속비 및 낮은 전송 백래시를 특징으로 합니다. 이러한 특성으로 인해 설치 공간이 제한되고 위치 결정 정확도 요구 사항이 까다로운 로봇 관절에 적합합니다.

하모닉 전송은 협동 로봇, 휴머노이드 로봇 및 정밀 로봇 암에 널리 사용됩니다.

주요 특성은 다음과 같습니다.

• 공간 제약이 있는 관절 설계를 위한 컴팩트한 구조.

  
  

• 향상된 위치 결정 정확도를 위한 낮은 전송 백래시.

  
  

• 높은 토크 출력을 위한 광범위한 감속비.

  
  

• 정밀 위치 결정 및 특정 힘 제어 애플리케이션에 대한 적합성.

그러나 하모닉 감속기는 플렉스플라인의 탄성 변형에 의존합니다. 따라서 비틀림 강성, 충격 부하 용량 및 피로 수명은 특정 모델 및 작동 조건에 따라 평가해야 합니다.

빈번한 충격, 심한 왕복 부하 또는 상당한 동적 부하 변화가 수반되는 애플리케이션의 경우 장기적인 신뢰성을 신중하게 검증해야 합니다.

2.2 유성 기어 관절 모듈의 특성 및 적용

유성 감속기는 선기어, 유성 기어 및 내부 링 기어로 구성된 시스템을 통해 동력을 전송합니다. 일반적으로 강력한 부하 용량, 우수한 구조적 강성 및 높은 전송 효율을 제공합니다.

유성 전송은 중장비 산업용 로봇, 4족 보행 로봇 및 상당한 외부 충격을 받는 관절에서 유리할 수 있습니다.

주요 특성은 다음과 같습니다.

여러 기어 맞물림 점이 전송 부하를 분산하는 데 도움이 됩니다.

우수한 부하 용량 및 충격 저항.

상대적으로 고부하 및 동적 작동 조건에 대한 적합성.

적절한 설계 및 윤활 시 우수한 내구성.

그러나 기존 유성 감속기는 일반적으로 어느 정도의 전송 백래시를 갖습니다. 그 크기는 기어 제조 정확도, 조립 방법, 프리로드 구조 및 제조 공정에 따라 다릅니다.

높은 위치 결정 정확도 및 순응 힘 제어가 필요한 애플리케이션의 경우, 엔지니어는 완성된 관절 모듈의 실제 백래시 및 전반적인 전송 성능을 확인해야 합니다.

2.3 다양한 로봇 애플리케이션에 적합한 전송 구조를 선택하는 방법

전송 유형만으로 선정을 결정해서는 안 됩니다. 엔지니어는 관절 부하, 운동 빈도, 충격 강도 및 제어 요구 사항도 고려해야 합니다.

예를 들어:

협동 로봇: 전송 백래시, 역구동성 및 힘 제어 성능에 중점을 둡니다.

휴머노이드 로봇: 토크 밀도, 무게, 동적 응답 및 충격 저항을 고려합니다.

4족 보행 로봇: 동적 부하, 충격 용량 및 피로 수명을 우선시합니다.

중장비 산업용 로봇 암: 연속 토크, 강성 및 장기 작동 신뢰성을 평가합니다.

낮은 백래시, 높은 비틀림 강성 및 강력한 부하 용량의 조합이 필요한 애플리케이션의 경우, 프리로드 및 백래시 제거 설계가 포함된 고정밀 유성 전송 솔루션도 고려해 볼 만합니다.

엔지니어는 선정을 기존 전송 구조로 제한할 필요가 없습니다.

2.4 로봇 관절 모듈에서 어떤 정확도 매개변수를 평가해야 합니까?

로봇 관절의 실제 위치 결정 정확도는 감속기의 공칭 정확도와 동일하지 않습니다.

관절 모듈의 전반적인 정확도는 모터 인코더, 출력 인코더, 감속기 백래시, 비틀림 변형, 베어링 지지, 플랜지 가공 및 조립 공차의 영향을 또한 받습니다.

선정 시 엔지니어는 다음 사항에 특히 주의를 기울여야 합니다.

• 출력측 전송 백래시.

  
  

• 출력측 반복 정확도.

  
  

• 비틀림 강성 및 부하 유발 변형.

  
  

• 출력 플랜지 면 런아웃.

  
  

• 장착면의 평면도 및 치수 정확도.

이러한 매개변수 중에서 실제 출력 피드백 정확도와 부하 상태에서의 각변위가 특히 중요합니다.

정밀 조립, 의료 로봇 및 정밀 제조 장비의 경우, 엔지니어는 개별 구성 요소 사양에만 의존하기보다는 실제 테스트 데이터와 명확히 정의된 테스트 조건을 요청해야 합니다.

3. 인코더 및 토크 센서: 로봇 관절에서 고정밀 힘 제어를 달성하는 방법

감속기가 관절의 전송 성능을 결정한다면, 인코더 및 토크 센서는 제어 시스템에 사용 가능한 피드백 정보를 결정합니다.

기존 포인트 투 포인트 운동의 경우 위치 피드백만으로도 충분할 수 있습니다. 그러나 협동 로봇, 휴머노이드 로봇 및 환경과 상호작용하는 시스템은 종종 모터측 위치 및 전류 측정만으로는 제공할 수 없는 보다 진보된 피드백을 필요로 합니다.

3.1 싱글 인코더와 듀얼 인코더 관절 모듈의 차이점은 무엇입니까?

로봇 관절 모듈은 일반적으로 싱글 인코더 반폐루프 아키텍처 또는 듀얼 인코더 전폐루프 아키텍처를 사용합니다.

싱글 인코더 아키텍처

싱글 인코더 설계에서 인코더는 일반적으로 모터측에 설치되어 회전자 위치를 감지하고 관절의 이론적 출력 위치를 계산합니다.

이 아키텍처는 상대적으로 간단하고 비용 효율적이며, 기존 포인트 투 포인트 위치 결정 및 출력측 피드백 요구 사항이 덜 까다로운 애플리케이션에 적합합니다.

그러나 인코더는 감속기 앞에 설치되므로 실제 출력 위치를 직접 측정할 수 없습니다. 그 결과, 감속기 백래시, 비틀림 변형 및 특정 전송 오류를 직접 보상할 수 없습니다.

듀얼 인코더 아키텍처

듀얼 인코더 설계는 두 개의 인코더를 사용합니다. 하나는 모터측에, 다른 하나는 출력측에 있습니다.

모터측 인코더는 모터 정류 및 속도 제어를 지원하고, 출력측 인코더는 실제 관절 출력 각도를 측정합니다.

입력측과 출력측 위치를 비교함으로써 제어 시스템은 전송 시스템의 실제 운동에 대한 더 정확한 이해를 얻을 수 있습니다.

듀얼 인코더 아키텍처는 다음에 특히 적합합니다.

• 고정밀 위치 제어.

  
  

• 안정적인 저속 작동.

  
  

• 고동적 운동 추적.

전송 변형 보상이 필요한 로봇 관절.

까다로운 위치 피드백 요구 사항을 갖춘 유연한 제어 시스템.

고정밀 로봇 관절의 경우, 출력측 절대 위치 피드백이 있는 아키텍처를 일반적으로 우선적으로 고려하는 것이 좋습니다.

3.2 고급 로봇 관절에 출력측 토크 센서가 필요한 이유는 무엇입니까?

토크 피드백은 고정밀 힘 제어의 중요한 기반입니다.

관절 토크 정보를 얻는 데에는 모터 전류에서 토크를 추정하는 방법과 독립적인 토크 센서를 사용하여 토크를 직접 측정하는 방법이라는 두 가지 일반적인 접근 방식이 있습니다.

모터 전류 기반 추정은 일반적으로 모터 토크 상수와 측정된 전류를 사용하여 전자기 토크를 계산합니다. 이 접근 방식은 추가 토크 센서가 필요하지 않으며 상대적으로 비용 효율적입니다.

그러나 모터의 전자기 토크가 반드시 관절의 실제 출력 토크와 같은 것은 아닙니다.

감속기 마찰, 전송 손실, 관성 토크 및 온도 변화와 같은 요인이 최종 출력 토크에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 전류 기반 추정은 매우 정확한 힘 피드백이 필요한 애플리케이션에서 한계가 있습니다.

이에 비해, 감속기 출력과 관절 플랜지 사이에 설치된 토크 센서는 전송 시스템을 통해 전달되는 토크를 직접 측정할 수 있습니다. 이는 로봇과 외부 환경 간의 실제 상호작용을 더 잘 나타내는 측정을 제공합니다.

예를 들어, HONPINE의 TCHL 시리즈 로봇 관절 모듈은 출력측 토크 감지 아키텍처를 채택합니다. 이 구성은 관절 부하 변화를 실시간으로 감지해야 하는 로봇 시스템을 위해 설계되었습니다.

대표적인 적용 사례는 다음과 같습니다.

• 협동 로봇 및 인간-로봇 상호작용.

  
  

• 정밀 조립 및 삽입 작동.

  
  

• 표면 연마 및 힘 제어.

  
  

• 휴머노이드 로봇의 적응형 자세 제어.

  
  

• 외골격 로봇 및 순응형 보조 장치.

출력측 토크 감지가 전송 시스템의 모든 영향을 제거하는 것은 아니라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 센서 정확도, 기계적 설치, 교정 및 제어 알고리즘도 최종 측정 결과에 영향을 미칩니다.

3.3 토크 센서를 선정할 때 어떤 기술 사양이 중요합니까?

토크 센서를 선정할 때 엔지니어는 정격 측정 범위 이상을 평가해야 합니다. 동적 응답 및 장기적인 안정성만큼이나 중요합니다.

주요 매개변수에는 다음이 포함됩니다.

측정 범위: 센서는 과도하게 큰 측정 범위를 사용하거나 과부하 한계에 지나치게 가깝게 작동하지 않으면서 정상 작동 토크와 예상 동적 부하를 충족해야 합니다.

측정 정확도: 단일 정확도 사양에 의존하기보다는 비선형성, 반복성, 히스테리시스 및 전반적인 측정 오차를 평가합니다.

영점 안정성 및 온도 드리프트: 장기 작동 중 온도 변화는 영점 편차를 유발하여 연속 힘 제어 및 저토크 측정에 영향을 미칠 수 있습니다.

샘플링 주파수 및 대역폭: 고동적 상호작용 및 충돌 감지에는 피드백 지연을 방지하기 위해 충분한 센서 샘플링 기능 및 시스템 제어 대역폭이 필요합니다.

노이즈 레벨: 과도한 측정 노이즈는 힘 제어 명령의 변동을 유발하고 운동 안정성을 저하시킬 수 있습니다.

물류 취급, 고정 위치 운동 및 정밀한 힘 상호작용 요구 사항이 없는 기타 애플리케이션의 경우 독립적인 토크 센서가 없는 관절 모듈로도 충분할 수 있습니다. 이는 하드웨어 비용과 시스템 복잡성을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

4. 기계적 구조 및 설치 호환성: 관절 모듈을 로봇 설계에 매칭하는 방법

로봇 관절 모듈은 단순한 동력 전송 장치가 아니라 로봇 기계적 구조의 필수적인 부분입니다.

치수, 설치 인터페이스, 중공축 설계 및 무게 분포는 모두 로봇의 전반적인 설계에 영향을 미칩니다.

4.1 중공축 설계 및 모듈 무게는 어떻게 평가해야 합니까?

휴머노이드 로봇, 다중 관절 로봇 암 및 복잡한 로봇 시스템의 경우 중공축 관절 모듈은 상당한 배선 이점을 제공합니다.

전원 케이블, 통신 케이블, 센서 와이어 및 기타 연결은 중공 중심을 통해 라우팅할 수 있어 외부 케이블 엉킴 및 잠재적인 운동 간섭을 줄여줍니다.

연속 회전이 필요한 애플리케이션의 경우 시스템 설계에 따라 슬립 링을 고려할 수도 있습니다. 엔지니어는 중공 직경, 케이블 라우팅 및 회전 범위가 호환되는지 확인해야 합니다.

모듈 무게는 또 다른 중요한 고려 사항입니다.

다중 관절 로봇에서 엔드 이펙터에 가까운 관절의 질량은 상류 관절이 경험하는 부하와 관성을 증가시킵니다. 따라서 충분한 토크와 강성을 유지하면서 원위 관절의 무게를 줄이면 상류 관절의 구동 요구 사항을 줄이고 전반적인 동적 응답 및 에너지 효율을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.

선정 시 엔지니어는 단순히 가장 높은 토크 정격을 선택하기보다는 모듈 무게, 정격 토크, 피크 토크 및 토크 밀도를 비교해야 합니다.

4.2 로봇 관절 모듈에 전자식 브레이크가 필요합니까?

전자식 브레이크는 주로 전원 공급 장치가 연결 해제되거나 구동 시스템이 작동을 중지할 때 관절을 위치에 고정하는 데 사용됩니다. 중력으로 인한 의도하지 않은 움직임을 방지하는 데 도움이 됩니다.

휴머노이드 로봇의 무릎 및 고관절, 수직 로봇 암 및 중력 부하를 지니는 기타 관절의 경우 브레이크 구성을 신중하게 고려해야 합니다.

일반적으로 사용되는 솔루션은 스프링 작동, 전기 해제 방식의 전자식 브레이크입니다. 전원이 제거되면 결합되고 통전되면 해제됩니다.

브레이크를 선정할 때 엔지니어는 다음을 확인해야 합니다.

• 정격 유지 토크.

  
  

• 브레이크 해제 전압 및 전력 소비.

  
  

• 결합 및 해제 응답 시간.

  
  

• 브레이크 수명.

  
  

• 관절의 설치 공간과의 호환성.

브레이크의 주요 기능은 정적 유지라는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 서보 드라이브가 제공하는 동적 브레이크 제어를 대체하지 않으며, 모든 긴급 동적 충격을 처리할 수 있다고 자동으로 가정해서도 안 됩니다.

부하가 가벼운 수평 관절의 경우, 애플리케이션 및 안전 요구 사항에 따라 브레이크의 필요성을 평가할 수 있습니다.

4.3 어떤 설치 치수를 확인해야 합니까?

로봇 관절 모듈의 기계적 설치 호환성은 전송 정확도 및 작동 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다.

선정 단계에서 엔지니어는 다음을 확인해야 합니다.

• 장착 플랜지 직경 및 홀 패턴.

  
  

• 로케이팅 파일럿 치수.

  
  

• 장착 스크류 사양 및 유효 결합 깊이.

  
  

• 전방, 후방 또는 측면 장착 구성.

  
  

• 맞물림면의 평면도, 평행도 및 진원도 요구 사항.

  
  

• 권장 스크류 체결 토크 및 조립 순서.

  
  

• 최대 허용 출력 회전 및 리미트 구성.

장착면 정확도, 로케이팅 파일럿 호환성, 균일한 스크류 체결 및 가능한 구조적 간섭에 특별한 주의를 기울여야 합니다.

부적절한 설치는 관절 저항, 위치 결정 편차 또는 심지어 기계적 손상을 초래할 수 있습니다.

엔지니어는 또한 과잉 이동, 충돌 및 케이블 손상을 방지하기 위해 기계적 리미트, 소프트웨어 리미트 및 케이블 회전 범위 간의 관계를 확인해야 합니다.

5. 전기 및 제어 시스템: 구동 아키텍처, 공급 전압 및 통신 프로토콜 선정 방법

로봇 관절 모듈의 전기 사양 및 통신 프로토콜은 로봇의 메인 제어 시스템과의 호환성을 결정합니다. 또한 다중 축 동기화, 실시간 성능 및 시운전 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다.

5.1 24V 및 48V 로봇 관절 모듈 중 선택하는 방법

로봇 관절 모듈의 가장 일반적인 공급 전압은 24V 및 48V DC입니다.

동일한 전기 전력 레벨에서 공급 전압을 높이면 필요한 전류가 줄어듭니다. 이는 케이블 및 커넥터의 저항 손실 및 전압 강하를 최소화하는 데 도움이 됩니다.

그 결과, 48V 전원 시스템은 다중 관절 로봇, 고출력 구동 및 배터리 구동 모바일 로봇 플랫폼에 이점을 제공할 수 있습니다.

그러나 48V 관절 모듈이 모든 애플리케이션에 더 좋은 것은 아닙니다.

실제 선정 시 다음을 고려해야 합니다.

• 로봇의 DC 버스 전압.

  
  

• 모듈의 허용 작동 전압 범위.

  
  

• 최대 및 연속 전류 요구 사항.

  
  

• 구동 전압 정격.

  
  

• 배터리 방전 능력.

  
  

• 케이블 길이 및 전압 강하.

휴머노이드 로봇 및 모바일 플랫폼의 경우 엔지니어는 대기 전력 소비, 피크 전류 요구 및 배터리 작동 시간도 평가해야 합니다.

5.2 일체형 및 외부 서보 드라이브의 차이점은 무엇입니까?

로봇 관절 모듈은 일반적으로 서보 드라이브가 어떻게 설치되는지에 따라 일체형 구동 및 외부 구동 구성의 두 가지 아키텍처로 나눌 수 있습니다.

일체형 구동 관절 모듈

일체형 구동 설계에서 서보 드라이브는 관절 모듈 내부에 설치됩니다. 이렇게 하면 외부 배선이 상대적으로 간단한 컴팩트한 어셈블리가 생성되며 시스템 통합 복잡성이 줄어듭니다.

주요 이점은 다음과 같습니다.

• 높은 통합도 및 설치 공간의 효율적인 사용.

  
  

• 적은 외부 연결.

  
  

• 더 쉬운 모듈식 설계 및 시스템 통합.

  
  

• 경량 및 공간 제약이 있는 로봇에 대한 적합성.

그러나 일체형 드라이브는 내부 열 관리, 밀봉 및 전자기 호환성에 더 높은 요구 사항을 부과합니다.

외부 구동 관절 모듈

외부 구동 설계에서 서보 드라이브는 모터 및 전송 어셈블리와 분리되어 설치됩니다.

이는 드라이브 설치 및 열 관리에 있어 더 큰 유연성을 제공합니다. 또한 엔지니어가 다양한 애플리케이션 요구 사항에 따라 구동 장치를 선택하거나 교체할 수 있게 해줍니다.

주요 이점은 다음과 같습니다.

• 드라이브에 대한 독립적인 열 관리.

  
  

• 더 쉬운 유지보수 및 교체.

  
  

• 특정 고출력 또는 특수 제어 애플리케이션에 대한 적합성.

  
  

• 전기 레이아웃 및 시스템 아키텍처에 대한 더 큰 유연성.

그러나 외부 구동 구성은 전원 케이블, 인코더 케이블 및 통신 배선에 대한 추가적인 계획이 필요하므로 통합 작업이 증가합니다.

따라서 일체형 구동 설계가 외부 구동 솔루션보다 반드시 우월한 것은 아닙니다.

일체형 드라이브는 컴팩트한 치수, 경량 구조 및 간소화된 배선이 필요한 로봇에 매력적입니다. 유연한 드라이브 구성, 독립적인 냉각 또는 특수 제어 인터페이스가 필요한 경우 외부 드라이브가 더 적합할 수 있습니다.

5.3 EtherCAT, CAN FD 및 RS485 중 선택하는 방법

통신 프로토콜은 관절 모듈이 로봇의 메인 컨트롤러와 명령 및 피드백 데이터를 교환하는 방식을 결정합니다.

일반적인 옵션에는 EtherCAT, CAN FD 및 RS485가 포함됩니다.

EtherCAT: 높은 실시간 성능 및 동기화 기능을 제공합니다. 다중 축 조정, 고속 운동 및 정밀 위치 결정에 적합하며 산업용 로봇 및 고성능 다중 관절 시스템의 일반적인 선택입니다.

CAN FD: 데이터 전송 능력이 향상된 기존 CAN의 향상된 버전입니다. 더 높은 통신 효율이 필요한 분산 관절 제어 및 모바일 또는 휴머노이드 로봇 시스템에 적합합니다.

RS485: 상대적으로 간단한 배선과 우수한 내노이즈성을 제공합니다. 산업용 제어 및 상태 통신에 일반적으로 사용됩니다. 실제 실시간 성능은 통신 프로토콜, 네트워크 토폴로지 및 컨트롤러 구현에 따라 다릅니다.

선정 시 엔지니어는 지원하는 통신 프로토콜뿐만 아니라 모듈이 대상 메인 컨트롤러와 호환되는지 여부도 확인해야 합니다.

완전한 통신 문서, 객체 사전, 제어 명령 및 상태 피드백 정의도 사용 가능해야 합니다.

5.4 로봇 관절 모듈은 어떤 제어 모드를 지원해야 합니까?

다양한 로봇 애플리케이션에는 서로 다른 제어 모드가 필요합니다.

일반적인 옵션은 다음과 같습니다.

위치 제어: 포인트 투 포인트 위치 결정, 궤적 추적 및 반복 운동용.

속도 제어: 정속 회전 및 연속 운동용.

토크 제어: 출력 토크 조절 및 힘 제어 애플리케이션용.

사이클릭 동기 위치 모드: 다중 관절에 걸친 동기화된 궤적 제어용.

사이클릭 동기 토크 모드: 실시간 토크 명령이 필요한 고동적 제어 시스템용.

협동 및 휴머노이드 로봇의 경우, 엔지니어는 관절 모듈이 위치, 속도 및 토크 제어를 포함한 다중 제어 모드를 지원하는지 여부에 특히 주의를 기울여야 합니다.

제어 모드 간의 원활한 전환도 중요합니다.

또한 엔지니어는 위치, 속도 및 전류 제어 루프 아키텍처와 추적 오차 모니터링, 과전류 보호 및 통신 결함 처리와 같은 기능을 확인해야 합니다.

6. 열 관리 및 장기 신뢰성: 안정적인 관절 모듈 작동 보장 방법

장기 작동 시 로봇 관절 모듈은 모터 발열, 감속기 마찰, 주변 온도 및 작동 부하의 변화 영향을 받습니다.

따라서 엔지니어는 초기 성능 사양뿐만 아니라 열평형, 수명 및 환경 적응성을 평가해야 합니다.

6.1 온도 상승 및 열평형이 중요한 이유는 무엇입니까?

모터 및 서보 드라이브는 작동 중 열을 발생하며, 감속기 내부의 마찰도 열 손실에 기여합니다.

관절이 고부하 또는 고빈도 운동 조건에서 충분한 방열 없이 장기간 작동하면 과도한 온도 상승이 발생할 수 있습니다. 이는 출력 토크 감소, 드라이브 데레이팅 또는 열 보호 종료로 이어질 수 있습니다.

선정 시 엔지니어는 다음을 확인해야 합니다.

• 모듈이 자연 냉각을 사용하는지 또는 보조 냉각을 사용하는지 여부.

  
  

• 모터 및 드라이브에 대한 온도 모니터링.

  
  

• 연속 부하 상태에서의 온도 상승 곡선.

  
  

• 열평형에 도달하는 데 필요한 시간.

  
  

• 온도 한계에 근접할 때의 데레이팅 거동.

  
  

• 상승된 주변 온도에서의 실제 출력 능력.

휴머노이드 로봇 무릎, 4족 보행 로봇 고관절 및 산업용 로봇 암의 고빈도 관절의 경우, 장시간 온도 데이터가 특히 중요합니다.

단기 성능 테스트만으로는 연속 작동 능력을 확립하기에 충분하지 않습니다.

6.2 감속기 수명 및 윤활 평가 방법

감속기는 로봇 관절 모듈의 장기 신뢰성에 영향을 미치는 가장 중요한 구성 요소 중 하나입니다.

엔지니어는 정격 수명, 윤활 방법, 유지보수 요구 사항 및 실제 작동 조건을 평가해야 합니다.

하모닉 감속기의 경우 플렉스플라인 피로 수명, 윤활 조건 및 충격 부하의 영향을 중요한 고려 사항으로 포함해야 합니다.

유성 감속기의 경우 기어 맞물림, 베어링 부하, 치면 마모 및 윤활 조건에 주의를 기울여야 합니다.

공급자가 L10 수명 데이터를 제공하는 경우, 엔지니어는 해당 부하, 회전 속도, 윤활 및 작동 온도 조건을 확인해야 합니다.

감속기의 정격 또는 이론적 수명이 반드시 완성된 관절 모듈의 실제 수명은 아니라는 점을 이해하는 것도 중요합니다. 모터 베어링, 인코더, 브레이크, 센서 및 서보 드라이브도 전반적인 시스템 신뢰성에 영향을 미칩니다.

6.3 IP 보호 등급은 어떻게 선정해야 합니까?

다양한 로봇 작동 환경에는 서로 다른 수준의 보호가 필요합니다.

예를 들어:

실내 실험실: 먼지 및 액체 노출에 따라 적절한 보호 등급을 선택합니다.

산업용 작업장: 먼지, 유류 오염 및 가끔씩 발생하는 액체 튐을 고려합니다.

야외 로봇: 빗물 노출, 습도 및 온도 변화를 평가합니다.

특수 청소 환경: 청소 방법 및 액체 노출 조건에 따라 보호 요구 사항을 확인합니다.

IP54는 일부 산업 환경에 대한 초기 참조로 사용될 수 있습니다. 그러나 그 적합성은 먼지와 물에 대한 실제 노출에 따라 다릅니다.

야외, 습하거나 세척이 필요한 애플리케이션의 경우 더 높은 보호 등급이 필요할 수 있습니다.

엔지니어는 또한 인클로저의 IP 등급에만 의존하기보다는 커넥터, 케이블 인터페이스 및 설치 위치가 적절한 보호를 제공하는지 확인해야 합니다.

7. 로봇 관절 모듈 선정 프로세스: 애플리케이션 요구 사항부터 최종 모델 검증까지

주요 기술 매개변수를 이해한 후, 엔지니어는 단일 사양을 기반으로 제품을 선택하는 대신 체계적인 선정 프로세스를 수립해야 합니다.

다음 단계는 실용적인 참고 자료를 제공합니다.

1단계: 로봇 애플리케이션 정의.

로봇 유형, 관절 위치, 운동 범위, 페이로드, 작동 빈도 및 작업 환경을 식별합니다.

2단계: 관절의 동적 요구 사항 계산.

로봇의 기계적 구조 및 운동 궤적을 기반으로 연속 토크, 피크 토크, 출력 속도, 가속 및 부하 관성을 계산합니다.

3단계: 전송 구조 및 정확도 요구 사항 결정.

부하, 강성, 백래시, 역구동성 및 동적 성능 요구 사항에 따라 적절한 하모닉 또는 유성 전송 솔루션을 선택합니다.

4단계: 피드백 및 힘 제어 구성 결정.

위치 결정 정확도 요구 사항에 따라 싱글 인코더 또는 듀얼 인코더 아키텍처를 선택하고, 출력측 토크 센서가 필요한지 여부를 결정합니다.

5단계: 기계적 호환성 확인 완료.

모듈 직경, 길이, 중공축 치수, 플랜지 인터페이스, 장착 구성, 무게 및 브레이크 요구 사항을 확인합니다.

6단계: 전기 및 통신 호환성 검증.

공급 전압, 구동 아키텍처, 통신 프로토콜 및 제어 모드를 매칭하여 로봇의 메인 제어 시스템과의 호환성을 보장합니다.

7단계: 열 성능 및 장기 신뢰성 검증.

실제 부하 테스트, 온도 상승 테스트, 동적 운동 테스트 및 필요한 내구성 평가를 수행하여 선택한 모듈이 대상 작동 조건을 충족하는지 확인합니다.

협동 로봇, 휴머노이드 로봇 및 고동적 로봇 암의 경우, 관절 모듈 모델을 확정하기 전에 동적 시뮬레이션, 제어 매개변수 튜닝 및 프로토타입 검증을 권장합니다.

8. 로봇 관절 모듈 선정에 관한 자주 묻는 질문

Q1: 로봇 관절 모듈을 선정할 때 정격 토크가 항상 높을수록 좋은가요?

반드시 그렇지는 않습니다. 과도하게 큰 관절 모듈은 로봇의 무게, 관성, 에너지 소비 및 전반적인 제조 비용을 증가시킬 수 있습니다.

적절한 선정은 단순히 사용 가능한 가장 높은 출력 토크를 선택하는 것이 아니라 실제 부하 프로파일, 연속 토크, 피크 토크 및 필요한 안전 마진을 기반으로 해야 합니다.

Q2: 휴머노이드 로봇 관절에는 하모닉 감속기와 유성 감속기 중 무엇을 사용해야 합니까?

선택은 각 관절의 위치 및 작동 요구 사항에 따라 다릅니다.

컴팩트한 구조와 낮은 전송 백래시가 필요한 관절에는 하모닉 전송을 고려할 수 있습니다. 상당한 동적 충격을 받고 강력한 부하 용량이 필요한 관절에는 고성능 유성 전송이 적합할 수 있습니다.

최종 결정은 토크 밀도, 무게, 비틀림 강성 및 제어 성능도 고려해야 합니다.

Q3: 모든 로봇 관절 모듈에 토크 센서가 필요한가요?

아닙니다. 기존 포인트 투 포인트 위치 결정, 고정 궤적 물류 취급 및 정밀한 힘 상호작용이 없는 애플리케이션의 경우 모터 전류 기반 토크 추정으로 충분할 수 있습니다.

정밀 조립, 충돌 감지, 인간-로봇 협업 및 순응 힘 제어의 경우 출력측 토크 센서가 더 직접적인 부하 피드백을 제공할 수 있습니다.

Q4: 듀얼 인코더 관절 모듈이 항상 싱글 인코더 모듈보다 더 정확한가요?

듀얼 인코더 아키텍처는 출력측 위치를 직접 감지하고 전송 오류 보상을 위한 피드백을 제공할 수 있습니다.

그러나 실제 위치 결정 정확도는 인코더 분해능, 설치 정확도, 감속기 성능, 기계적 강성 및 제어 알고리즘에도 의존합니다.

인코더의 수만으로 로봇의 최종 위치 결정 정확도를 결정하지는 않습니다.

Q5: 일체형 구동 관절 모듈이 휴머노이드 로봇에 더 적합한가요?

일체형 구동 구성은 높은 통합도, 간소화된 배선 및 컴팩트한 구조를 제공하여 공간 제약이 있는 휴머노이드 로봇 설계에 매력적입니다.

그러나 엔지니어는 열 관리, 전자기 호환성 및 유지보수 요구 사항도 고려해야 합니다.

특정 고출력 관절의 경우 외부 구동 구성도 평가해 볼 만합니다.

결론: 효과적인 로봇 관절 모듈 선정에는 성능, 구조 및 제어의 균형이 필요합니다

로봇 관절 모듈 선정은 단순히 정격 토크, 감속비 및 외부 치수를 비교하는 문제가 아닙니다. 로봇의 전반적인 운동 요구 사항을 기반으로 동적 성능, 전송 정확도, 피드백 아키텍처, 힘 제어 능력, 기계적 설치, 전기 인터페이스 및 장기 신뢰성에 대한 종합적인 평가가 필요합니다.

협동 및 휴머노이드 로봇의 경우, 듀얼 인코더, 출력측 토크 센서 및 고도로 통합된 관절 모듈은 고정밀 위치 제어 및 순응 힘 제어를 위한 보다 완전한 하드웨어 기반을 제공할 수 있습니다.

중장비 및 고동적 로봇의 경우 토크 밀도, 비틀림 강성, 충격 저항 및 열평형에 더 많은 주의를 기울여야 합니다.

HONPINE의 TCHL 시리즈 로봇 관절 모듈 은 경량 로봇 시스템, 고정밀 운동 제어 및 힘 상호작용 애플리케이션을 위해 설계되었습니다. 통합 전송, 위치 피드백 및 토크 감지 구성을 갖춘 이 시리즈는 다양한 로봇 요구 사항에 대한 유연한 관절 솔루션을 제공합니다.

각 관절의 부하, 회전 속도, 정확도 및 제어 요구 사항을 평가함으로써 로봇 엔지니어링 팀은 로봇 설계, 시스템 통합 및 안정적인 운동 제어를 지원하기 위해 적합한 모듈 구성을 선택할 수 있습니다.