듀얼 엔코더 적용 로봇 관절 모터: 하모닉 감속기 백래시를 줄이고 위치 정확도를 향상시키는 방법

소개

로봇 관절 모터는 단순히 모터와 기어박스를 결합한 것이 아닙니다. 고성능 로봇 관절에서는 모터 토크, 감속 변속기, 엔코더 피드백, 기계적 강성, 제어 알고리즘, 출력 정확도 등이 모두 함께 작용하여 최종 동작 성능을 결정합니다.

이는 로봇 관절 모터 내부에 고조파 감속기가 사용될 때 특히 중요해집니다.

하모닉 감속기는 높은 감속비, 컴팩트한 크기, 높은 토크 밀도 및 매우 낮은 백래시를 제공하기 때문에 로봇 관절에 널리 사용됩니다. 그러나 시장에서 흔히 오해되는 기술적 설명이 하나 있는데, 바로 하모닉 감속기가 문자 그대로 백래시가 전혀 없는 것은 아니라는 점입니다.

많은 제조업체들이 마케팅 목적으로 하모닉 감속기 에 "백래시 제로"라는 표현을 사용합니다. 하지만 엔지니어링 관점에서 보면, 특정 작동 조건에서 백래시가 극히 낮거나 거의 0에 가깝다고 표현하는 것이 더 정확합니다.

기계적 유격이 극히 작더라도 로봇 관절의 실제 출력 위치는 전달 오류, 탄성 변형, 비틀림 순응성, 하중 변화, 베어링 변형, 조립 공차 및 기타 요인의 영향을 받을 수 있습니다.

바로 이 지점에서 로봇 관절 모터의 피드백 구조가 매우 중요해집니다.

모터 측에 장착된 단일 엔코더는 모터의 회전 상태를 제어기에 알려줍니다. 이중 엔코더 구조는 출력 측에 추가 측정 지점을 제공하여 제어기가 감속 메커니즘 이후에 실제로 어떤 일이 발생하는지 파악할 수 있도록 합니다.

고정밀 및 고속 로봇의 경우, 이러한 차이는 위치 지정, 궤적 추적, 힘 제어 및 동작 안정성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

고조파 감속기의 백래시는 극히 낮지만, 완전히 0은 아닙니다.

로봇 공학에서 고조파 감속기가 널리 사용되는 이유는 소형 패키지 내에서 매우 낮은 백래시 전달 구조를 구현할 수 있기 때문입니다.

기존 기어 감속기와 달리 하모닉 변속기는 유연한 스플라인, 원형 스플라인 및 파동 발생기를 사용하여 제어된 탄성 변형을 통해 높은 감속비를 달성합니다.

이러한 구조는 제조업체가 맞물리는 부품 사이의 기계적 간극을 최소화할 수 있도록 해줍니다.

결과적으로, 하모닉 감속기는 기존의 많은 감속 메커니즘에 비해 극히 작은 백래시 수준을 달성할 수 있습니다.

하지만 극히 낮은 백래시를 자동으로 절대적인 백래시 0으로 표현해서는 안 됩니다.

실제 기계 시스템에서는 여러 요인이 출력 위치 편차에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 요인에는 제조 공차, 조립 조건, 예압, 마모, 온도, 하중 방향, 탄성 변형 및 작동 조건 변화 등이 포함될 수 있습니다.

따라서 로봇 관절 모터를 평가하는 엔지니어는 세 가지 서로 다른 개념을 구분해야 합니다.

백래시는 기계적 유격 또는 동작 반전과 관련된 유격을 의미합니다.

전송 오차는 이론적인 전송 동작과 실제 전송 동작 간의 차이를 나타냅니다.

탄성 변형은 토크와 외부 하중을 받을 때 변속기 및 기계 구조가 변형되는 현상입니다.

이러한 효과들은 서로 관련이 있지만, 완전히 동일하지는 않습니다.

이러한 차이점은 로봇이 변화하는 하중을 운반하면서 높은 위치 정확도를 유지해야 할 때 특히 중요합니다.

백래시가 낮다고 해서 출력 정확도가 자동으로 높아지는 것은 아닌 이유는 무엇일까요?

극도로 낮은 백래시를 가진 하모닉 감속기가 자동으로 동일한 정확도의 로봇 관절을 만들어낼 것이라고 생각하기 쉽습니다.

실제로 기계식 동력 전달 장치는 전체 동력 전달 체계의 한 부분일 뿐입니다.

모터, 하모닉 저감 장치 및 모터 측 엔코더로 구성된 로봇 관절 모터를 생각해 보십시오.

엔코더는 모터 샤프트의 회전 위치를 측정합니다. 따라서 컨트롤러는 모터가 명령된 위치에 도달했는지 여부를 판단할 수 있습니다.

하지만 모터 축은 로봇 관절의 최종 출력부가 아닙니다.

모터와 로봇 링크 사이에는 하모닉 트랜스미션, 베어링, 하우징, 출력 플랜지 및 기계 구조물이 있습니다. 변화하는 하중 조건에서 각 구성 요소는 최종 출력 위치에 영향을 미칠 수 있습니다.

예를 들어, 로봇이 급가속하거나, 갑자기 멈추거나, 방향을 바꾸거나, 외부 힘을 가할 때 관절을 통해 전달되는 토크는 크게 변합니다.

모터 측 엔코더는 모터가 명령된 위치에 도달했음을 나타낼 수 있지만, 출력 플랜지는 변속기 및 기계 구조로 인해 작지만 측정 가능한 차이를 경험할 수 있습니다.

이것이 바로 모터 위치 피드백과 출력 위치 피드백이 반드시 같은 것은 아닌 이유입니다.

까다로운 로봇 애플리케이션의 경우, 엔지니어는 모터 엔코더 해상도에만 집중하는 것이 아니라 전체 피드백 체인을 고려해야 할 필요성이 점점 더 커지고 있습니다.

단일 인코더로 무엇을 알 수 있고 무엇을 알 수 없는가?

일반적인 로봇 관절 모터는 모터 쪽에 엔코더 하나를 사용할 수 있습니다.

이 구성에는 여러 가지 장점이 있습니다. 비교적 간단하고, 소형이며, 비용 효율적이고, 많은 용도에 충분합니다.

모터 측 엔코더는 컨트롤러에 모터의 위치와 속도에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 이를 통해 정류, 속도 제어, 위치 제어 및 기타 서보 기능을 지원할 수 있습니다.

하지만 이는 출력축의 실제 각도 위치를 직접 측정하는 것은 아닙니다.

감소율이 증가할수록 이러한 구분은 더욱 중요해집니다.

제어기는 모터 위치와 감속비를 이용하여 이론적인 출력 위치를 계산할 수 있지만, 계산된 위치는 변속기가 예상대로 정확하게 작동한다는 가정에 기반합니다.

실제 작동 조건에서 변속기는 탄성 변형이나 기타 위치 편차를 겪을 수 있습니다.

정밀도가 그다지 높지 않은 로봇의 경우, 이는 큰 제약이 되지 않을 수 있습니다.

하지만 고정밀 로봇 팔, 휴머노이드 로봇, 의료 로봇, 힘 제어 매니퓰레이터 및 기타 고도의 반응성이 요구되는 시스템의 경우, 계산된 출력 위치와 실제 출력 위치 간의 차이가 훨씬 더 중요해집니다.

듀얼 엔코더는 피드백 아키텍처를 어떻게 변화시키는가?

이중 엔코더 로봇 관절 모터는 모터 측과 출력 측에 각각 엔코더를 하나씩 배치합니다.

두 개의 인코더는 동작 체인의 서로 다른 부분을 관찰합니다.

모터 측 엔코더는 주로 모터의 위치와 속도에 대한 정보를 제공합니다.

출력측 엔코더는 관절 출력의 위치를 직접 측정합니다.

그러면 제어기는 두 피드백 신호를 비교하여 변속기가 어떻게 작동하는지 파악할 수 있습니다.

이는 두 번째 인코더가 기계적 백래시를 마법처럼 제거한다는 의미는 아닙니다.

대신, 단일 인코더로는 제공할 수 없는 것, 즉 실제 출력 위치에 대한 직접적인 정보를 제공합니다.

이러한 추가적인 피드백은 제어 시스템이 변속기 특성 및 부하에 따른 변형으로 인해 발생하는 위치 차이를 식별하고 보정하는 데 도움이 될 수 있습니다.

로봇 관절 모터의 경우, 이는 더욱 완벽한 폐루프 제어 아키텍처를 구축하는 데 도움이 됩니다.

듀얼 엔코더는 모터의 움직임과 실제 관절의 움직임을 분리하는 데 도움을 줍니다.

듀얼 엔코더의 핵심적인 장점은 단순히 "더 높은 해상도"에만 있는 것이 아닙니다.

이는 보다 완전한 피드백입니다.

모터 측 엔코더만으로는 컨트롤러가 주로 다음 사항을 알 수 있습니다.

모터가 얼마나 회전했는지.

출력측 엔코더를 사용하면 컨트롤러는 다음을 확인할 수도 있습니다.

로봇 관절 출력값이 실제로 얼마나 회전했는지.

이러한 구분은 로봇이 동적 하중을 받을 때 중요해집니다.

가속, 감속, 방향 전환 또는 외부 접촉 시 변속 시스템은 이상적인 강체 기계 모델과 다르게 작동할 수 있습니다.

모터 측 측정값과 출력 측 측정값의 차이는 이러한 동작에 대한 유용한 정보를 제공합니다.

고성능 로봇 관절 모터의 경우, 이러한 추가 정보는 더욱 정확한 위치 제어와 더 나은 보상 전략을 지원할 수 있습니다.

또한 관절 하중이 변할 때 시스템이 궤적 정확도를 유지하는 능력을 향상시킬 수 있습니다.

고속 로봇에게 이것이 더욱 중요한 이유는 무엇일까요?

로봇의 움직임이 더욱 빠르고 역동적으로 변함에 따라 출력 측 피드백에 대한 요구 사항이 점점 더 중요해집니다.

움직임이 느리고 비교적 단순한 동작을 수행하는 로봇은 작은 변속기 편차를 허용할 수 있습니다.

연속적인 궤적 추적을 수행하는 고속 로봇은 허용 오차가 훨씬 적습니다.

방향을 자주 바꾸거나 주변 환경과 상호작용하는 로봇에게도 마찬가지입니다.

휴머노이드 로봇은 특히 좋은 예시를 제공합니다.

인간과 유사한 로봇은 걷고, 균형을 잡고, 손을 뻗고, 물체를 조작하고, 주변 환경과 상호작용하는 동안 관절에 가해지는 하중을 지속적으로 변화시킵니다.

무릎, 발목, 고관절, 어깨, 팔꿈치, 손목은 지속적인 하중을 받으며 작동하지 않습니다.

관절 모터는 지속적으로 변화하는 토크 및 위치 요구 사항에 대응해야 합니다.

이러한 시스템에서 모터 측 피드백에만 의존하는 것은 실제 출력 상태에 대한 충분한 정보를 제공하지 못할 수 있습니다.

듀얼 엔코더 아키텍처는 컨트롤러에 실제 기계적 출력에 더 가까운 또 다른 측정 지점을 제공합니다.

정밀도와 부하가 동시에 변할 때 이중 엔코더는 특히 유용합니다.

로봇이 변화하는 하중 속에서도 정밀도를 유지해야 할 때 위치 정확도 확보는 더욱 어려워집니다.

로봇 팔이 아무것도 들지 않은 상태에서 무거운 부품을 잡는 상태로 움직이는 것을 상상해 보세요.

명령된 관절 위치는 변하지 않을 수 있지만, 변속기에 가해지는 토크는 크게 변할 수 있습니다.

기계 시스템은 이 토크에 반응합니다.

하모닉 감속기의 백래시가 극히 낮더라도 변속기 및 구조 부품이 무한히 견고한 것은 아닙니다.

따라서 작은 탄성 변형도 실제 출력 위치에 영향을 미칠 수 있습니다.

모터 측 엔코더만으로는 이러한 출력 측 편차를 직접 관찰할 수 없습니다.

듀얼 인코더 시스템은 가능합니다.

이러한 특성 덕분에 이중 피드백은 정밀 조립, 로봇 연마, 의료 기기 조작, 첨단 연구 로봇 및 고성능 협업 로봇과 같은 응용 분야에서 특히 유용합니다.

인코더 해상도가 로봇 관절 정확도와 다른 이유는 무엇일까요?

로봇 관절 모터 선택에 있어 또 다른 흔한 오해는 인코더 비트 수가 높을수록 로봇 관절의 정확도가 자동으로 높아진다는 것입니다.

그렇지 않습니다.

인코더 해상도는 인코더가 회전 위치를 얼마나 세밀하게 나눌 수 있는지를 나타냅니다.

실제 시스템 정확도는 훨씬 더 많은 요소들의 조합에 따라 달라집니다.

여기에는 인코더 정확도, 설치 허용 오차, 편심, 온도 변화, 기계적 전달 오차, 구조적 강성, 교정, 제어 알고리즘 및 부하 조건이 포함됩니다.

예를 들어, 모터 측 엔코더 해상도를 높인다고 해서 출력 측 변형이 반드시 사라지는 것은 아닙니다.

이것이 바로 17비트 엔코더를 고해상도 엔코더로 단순히 교체하는 것만으로는 로봇 관절의 실제 정확도가 기대만큼 향상되지 않을 수 있는 이유입니다.

까다로운 애플리케이션의 경우, 엔지니어는 인코더 해상도에만 집중하기보다는 전체 피드백 아키텍처를 평가해야 합니다.

절대 엔코더와 듀얼 엔코더는 서로 다른 문제를 해결합니다.

앱솔루트 엔코더와 듀얼 엔코더는 때때로 서로 경쟁하는 기술인 것처럼 논의되곤 합니다.

사실 그들은 서로 다른 문제를 해결합니다.

절대 엔코더는 샤프트의 절대 각도 위치를 측정합니다.

이중 인코더 구조는 기계식 변속기 내의 서로 다른 두 지점의 위치를 결정합니다.

따라서 로봇 관절 모터는 절대 엔코더와 이중 피드백을 동시에 사용할 수 있습니다.

예를 들어, 모터 측 절대 엔코더는 전원 공급 후 정확한 모터 위치 정보를 제공할 수 있는 반면, 출력 측 엔코더는 로봇 관절 출력에서 직접적인 피드백을 제공합니다.

이러한 조합은 기계식 원점 복귀의 필요성을 줄이는 동시에 위치 피드백 시스템의 완성도를 향상시킬 수 있습니다.

잦은 기계적 귀환이 불편하거나 바람직하지 않은 휴머노이드 로봇 및 협업 로봇의 경우, 이러한 아키텍처가 특히 유용할 수 있습니다.

로봇 관절 모터에 듀얼 엔코더를 사용해야 하는 경우는 언제일까요?

모든 로봇 관절에 이중 엔코더가 필요한 것은 아닙니다.

결정은 로봇의 실제 성능 요구 사항을 기준으로 내려져야 합니다.

애플리케이션의 속도가 비교적 낮고 부하가 낮으며 위치 오차가 어느 정도 허용되는 경우, 모터 측 엔코더 하나만으로 성능, 복잡성 및 비용 측면에서 적절한 균형을 제공할 수 있습니다.

하지만 로봇이 동적 하중 조건에서 높은 위치 정확도를 요구할 경우, 듀얼 엔코더는 점점 더 매력적인 선택지가 됩니다.

이러한 기능은 관절이 정밀한 궤적 추적, 잦은 방향 전환, 가변 하중, 힘의 상호 작용 또는 고급 폐루프 제어를 지원해야 할 때 특히 중요합니다.

그러므로 중요한 질문은 이것이 아닙니다.

"모든 로봇에 듀얼 엔코더가 필요한가요?"

더 나은 질문은 다음과 같습니다.

"이 로봇은 실제 관절 출력으로부터 직접적인 피드백을 받아야 합니까?"

답이 '예'라면, 듀얼 엔코더 로봇 관절 모터는 진지하게 고려해 볼 만한 가치가 있습니다.

통합형 로봇 관절 모터의 역할

인코더 아키텍처는 최신 로봇 관절의 한 부분일 뿐입니다.

기존 로봇 설계는 종종 서보 모터, 별도의 하모닉 감속기, 외부 엔코더, 외부 드라이버, 브레이크 및 여러 개의 케이블을 결합합니다.

이러한 접근 방식은 유연성을 제공하지만, 전체 접합부의 크기, 무게, 배선 복잡성 및 통합 작업량을 증가시킬 수도 있습니다.

통합형 로봇 관절 모터는 이러한 구성 요소들을 하나의 소형 모듈로 결합한 것입니다.

설계 방식에 따라 모듈은 모터, 저음 감소기, 엔코더 시스템, 드라이버, 브레이크, 토크 센서 및 통신 인터페이스를 통합할 수 있습니다.

이로써 엔지니어링 작업은 모든 관절 구성 요소를 개별적으로 설계하는 것에서 로봇에 적합한 통합 관절 구조를 선택하는 것으로 바뀝니다.

특수 로봇 팔, 휴머노이드 로봇, 협동 로봇, 의료 장비 및 정밀 자동화 시스템을 개발하는 로봇 제조업체에게 이는 기계 및 전기 통합을 크게 단순화할 수 있습니다.

HONPINE은 듀얼 엔코더 로봇 관절 모터 설계에 어떤 접근 방식을 취할까요?

HONPINE은 모터 성능, 변속기, 피드백, 기계적 통합 및 제어가 하나의 시스템으로 작동해야 하는 애플리케이션을 위한 통합 로봇 관절 모듈을 개발합니다.

HONPINE은 하모닉 감속기를 독립적인 변속 부품으로 취급하는 대신, 다양한 로봇 아키텍처의 요구 사항에 따라 모터, 엔코더, 드라이브 및 기타 기능 요소와 통합합니다.

TCHL 시리즈는 무게, 설치 공간, 출력 피드백 및 토크 감지가 특히 중요한 고소형 로봇 관절에 중점을 두고 있습니다. 통합 토크 센서와 유연한 연결 구조를 통해 소형의 힘 감지형 관절이 필요한 애플리케이션에 적합합니다.

HAG 시리즈는 고해상도 절대 엔코더, 옵션 사양인 듀얼 엔코더 피드백, 토크 감지, 제동 및 산업용 통신 옵션을 통해 더욱 폭넓은 토크 및 구성 옵션을 제공합니다. 따라서 협동 로봇 및 휴머노이드 관절부터 산업용 로봇 팔 및 정밀 자동화에 이르기까지 다양한 응용 분야에 적합합니다.

HPJM-PRO 시리즈는 높은 토크 밀도, 통합 구동 전자 장치, 정밀한 피드백 및 컴팩트한 기계적 통합이 요구되는 고성능 로봇 및 자동화 애플리케이션을 위해 설계되었습니다.

중요한 점은 이러한 플랫폼들이 모든 로봇을 동일한 관절 구조에 맞추도록 강요하기 위한 것이 아니라는 것입니다.

로봇 시스템마다 토크, 속도, 무게, 정확도, 센싱, 제동, 통신 및 설치에 대한 요구 사항이 다릅니다.

따라서 적절한 관절 모터 구조는 로봇의 실제 기계적 및 제어 요구 사항에 따라 선택해야 합니다.

낮은 백래시에서 완전한 출력 피드백까지

로봇 관절 기술의 발전은 단순히 감속기의 백래시가 낮은지 여부라는 질문을 넘어섰습니다.

차세대 로봇 시스템을 위해서는 엔지니어들이 전체 동작 과정을 고려해야 합니다.

하모닉 감속기는 매우 낮은 백래시와 높은 감속비를 제공할 수 있습니다.

고해상도 인코더는 정밀한 각도 측정을 제공할 수 있습니다.

강력한 모터는 높은 토크와 역동적인 가속력을 생성할 수 있습니다.

하지만 이러한 구성 요소들은 기계식 전달 장치, 피드백 시스템, 제어 아키텍처 및 구조 설계가 적절하게 조화를 이룰 때 비로소 잠재력을 최대한 발휘합니다.

이러한 이유로 듀얼 엔코더 로봇 관절 모터는 실제 출력 위치가 모터 위치만큼 중요한 응용 분야에서 중요한 솔루션으로 자리 잡고 있습니다.

목표는 듀얼 엔코더가 고조파 저감기 백래시를 "제거"한다고 주장하는 것이 아닙니다.

목표는 실제 관절 출력을 더욱 정확하게 측정하고, 제어기에 변속기 관련 오류 및 부하에 따른 변형을 보정하는 데 필요한 정보를 제공하는 것입니다.

그것은 훨씬 더 의미 있는 공학적 이점입니다.

적합한 로봇 관절 모터 아키텍처 선택하기

로봇 관절 모터를 선택할 때 엔지니어는 정격 토크와 감속비 외에도 여러 요소를 평가해야 합니다.

피드백 구조는 기계식 변속기와 동시에 고려해야 합니다.

소형화 및 경량화가 요구되는 응용 분야의 경우, 통합형 조인트 모터는 별도의 모터, 감속기, 구동기 및 배선 부품이 차지하는 공간을 줄일 수 있습니다.

높은 위치 정확도가 요구되는 애플리케이션의 경우, 단순히 모터 엔코더 해상도를 높이는 것보다 출력 측 피드백이 더 중요할 수 있습니다.

물리적 접촉, 힘 제어 조립, 연마 또는 인간-로봇 상호 작용과 관련된 응용 분야의 경우 통합 토크 감지는 또 다른 중요한 피드백 계층을 제공할 수 있습니다.

수직 연결부의 경우, 통합 브레이크를 사용하면 정전 시 안전성을 향상시킬 수 있습니다.

분산형 로봇 아키텍처의 경우, 통합된 EtherCAT, CANopen 또는 기타 통신 인터페이스를 통해 시스템 수준의 통합을 간소화할 수 있습니다.

따라서 최고의 로봇 관절 모터는 특정 부문에서 가장 높은 사양을 가진 모터가 아닐 수도 있습니다.

이는 기계적 전달, 피드백 구조, 감지 기능, 구동 시스템 및 물리적 크기가 로봇의 실제 요구 사항과 일치하는 것입니다.

결론

하모닉 감속기는 컴팩트한 크기, 높은 감속비, 높은 토크 밀도 및 극히 낮은 백래시를 결합했기 때문에 고성능 로봇 관절에 가장 중요한 동력 전달 기술 중 하나로 남아 있습니다.

하지만 극히 낮은 반동을 말 그대로 반동이 전혀 없는 것과 혼동해서는 안 됩니다.

더욱 중요한 것은, 기계적 유격이 적다고 해서 동적 하중 하에서 완벽한 출력 위치 조정이 보장되는 것은 아니라는 점입니다.

로봇이 점점 더 빠르고 가벼워지고 유연해지며 상호작용성이 높아짐에 따라 모터 위치와 실제 관절 출력 간의 관계가 점점 더 중요해지고 있습니다.

단일 엔코더가 모터 측을 측정합니다.

이중 인코더 아키텍처는 출력 측에서 직접적인 피드백을 추가합니다.

이 추가 정보는 제어 시스템이 변속기 작동 방식을 더 잘 이해하고 기계적 특성 및 변화하는 부하로 인해 발생하는 위치 편차를 보정할 수 있도록 해줍니다.

이러한 이유로, 듀얼 엔코더가 장착된 로봇 관절 모터는 고정밀 및 고동적 로봇 응용 분야에서 특히 유용합니다.

HONPINE은 TCHL, HAG, HPJM-PRO를 포함한 다양한 통합 로봇 관절 모터 플랫폼을 제공하여 로봇 제조업체가 애플리케이션 요구 사항에 따라 모터 성능, 하모닉 전달, 엔코더 피드백, 토크 감지, 드라이브 통합, 제동 및 통신 기능을 다양한 조합으로 선택할 수 있도록 합니다.

로봇 관절 설계의 미래는 단순히 사양서에 "백래시 제로"를 달성하는 것만이 아닙니다.

이는 실제 작동 조건에서 요구되는 출력 성능을 제공하는 측정 가능하고 제어 가능하며 통합된 모션 시스템을 구축하는 것에 관한 것입니다.