로봇 관절 모듈의 STO와 홀딩 브레이크: 로봇 안전 제어에서 어떤 차이가 있을까요?

산업 자동화에서 로봇 안전의 중요성이 점점 커짐에 따라, 휴머노이드 로봇, 협동 로봇 및 기타 로봇 시스템을 다루는 엔지니어는로봇 조인트 모듈의 각 안전 관련 구성 요소가 어떤 역할을 하는지 이해해야 합니다. Safe Torque Off(STO)가 적용된 조인트 모듈, 홀딩 브레이크 또는 두 가지 모두 중 무엇을 선택해야 할까요?

안녕하세요. HONPINE의 기술 이사 Theodore Li입니다. 이 글에서는 STO와 홀딩 브레이크의 차이점, 작동 방식, 각 기능이 필요한 경우를 설명하겠습니다. HONPINE의HAG 하모닉 일체형 조인트 액추에이터를 예로 들어, 두 기능이 서로 다른 목적을 어떻게 수행하며 적절하게 설계된 로봇 안전 시스템의 일부로 어떻게 함께 작동할 수 있는지 살펴보겠습니다.

STO(Safe Torque Off)란 무엇인가요?

STO(Safe Torque Off)는 안전 관련 하드웨어 구조를 통해 드라이브의 전력 출력을 차단하여 모터가 구동 토크를 생성하지 못하도록 하는 안전 기능입니다.

HONPINE HAG 시리즈에서 STO는 하드웨어 기반 드라이브 안전 기능으로 구현됩니다. STO 입력이 올바르게 활성화되면 드라이브는 모터가 토크를 생성하지 못하도록 합니다. 일반적인 소프트웨어 정지 명령과 달리, 적절히 구현된 STO 기능은 일반적인 모션 제어 명령 및 통신 지시와 독립적으로 작동하도록 설계됩니다.

이를 통해 특정 제어 소프트웨어 오류나 통신 장애로 인해 의도치 않은 모터 토크가 발생할 위험을 줄일 수 있습니다.

STO는 어떻게 작동하나요?

STO 기능이 작동하면 드라이브는 전력단이 모터 토크를 생성하지 못하도록 합니다. 모터는 더 이상 드라이브를 통해 구동 토크를 능동적으로 생성할 수 없습니다.

하지만 STO는 조인트 샤프트를 기계적으로 잠그거나 로봇이 즉시 정지하도록 보장하지 않습니다. 관성, 중력, 외력 또는 다른 기계적 에너지원으로 인해 조인트가 계속 움직일 수 있습니다.

예를 들어 STO가 활성화될 때 로봇 암이 움직이고 있었다면 관성으로 인해 서서히 정지할 수 있습니다. 수직 방향의 조인트가 하중을 매달고 있는 경우, 모터가 더 이상 지지 토크를 생성하지 못하면 중력으로 인해 조인트가 아래로 움직일 수 있습니다.

STO의 주요 이점은 무엇인가요?

STO는 일반적인 소프트웨어 모션 명령에 의존하지 않고 모터가 토크를 생성하지 못하도록 하는 안전 관련 수단을 제공합니다.

일반적인 적용 사례로는 안전 가드 도어 인터록, 비상 정지 시스템 및 유지보수 접근에 대한 안전 관련 대응이 있습니다. 단, 전체 안전 시스템이 해당 용도에 맞게 설계되고 검증되어야 합니다.

STO는 특정 드라이브 제어 오류로 인한 의도치 않은 모터 토크의 위험을 줄이는 데 특히 유용합니다.

STO의 한계는 무엇인가요?

STO는 드라이브가 모터 토크를 생성하지 못하도록 하지만 기계적인 유지력을 제공하지는 않습니다.

매달린 하중, 수직축 또는 중력의 영향을 받는 기타 메커니즘을 지지하는 로봇 조인트는 STO만으로 움직임을 막지 못할 수 있습니다. 적절한 정격의 홀딩 브레이크나 다른 기계적 하중 유지 장치와 같은 추가 조치가 필요할 수 있습니다.

또한 STO는 특정 정지 시간이나 정지 거리를 자동으로 보장하지 않습니다. 이는 기계 시스템과 전체 안전 설계에 따라 달라집니다.

로봇 조인트 모듈의 홀딩 브레이크란 무엇인가요?

홀딩 브레이크는 작동 시 모터 샤프트 또는 조인트를 특정 위치에 유지하도록 설계된 기계 장치입니다. 많은일체형 로봇 조인트 액추에이터에는 전자기식 스프링 작동 메커니즘이 적용됩니다.

일반적인 설계에서는 전원이 공급되면 브레이크가 해제되고, 전원이 차단되면 스프링 메커니즘이 브레이크를 작동시킵니다. 정확한 작동 원리는 브레이크 설계에 따라 달라집니다.

HONPINE HAG 시리즈의 홀딩 브레이크는 브레이크 사양을 준수하고 올바르게 설치한 경우, 모터가 비활성화되거나 시스템 전원이 손실되었을 때 조인트 위치를 유지하도록 구성할 수 있습니다.

홀딩 브레이크는 어떻게 작동하나요?

일반적인 전자기식 홀딩 브레이크는 다음과 같이 작동합니다.

드라이브 활성화: 브레이크에 전원이 공급되어 해제되므로 모터와 조인트가 회전할 수 있습니다.

드라이브 비활성화: 설정된 제어 시퀀스에 따라 브레이크 작동 명령이 전달됩니다.

전원 손실: 스프링 작동·전원 해제 방식의 브레이크는 일반적으로 해제 전원이 차단되면 작동하여 조인트 위치를 유지하는 데 도움을 줍니다.

HONPINE HAG 시리즈에서는 구성에 따라 EtherCAT 또는 CANopen SDO 명령을 통해 브레이크의 개폐를 제어할 수 있습니다.

브레이크의 기계적 작동은 즉각적이지 않습니다. 이 글에서 제공한 HAG 작동 매개변수에 따르면 실제 브레이크 작동 시간은 약 150 ms입니다. 드라이브를 비활성화한 후 다시 활성화하기까지의 지정된 최소 간격은 300 ms이며, 활성화 후 모션 명령을 내리기 전에는 최소 500 ms를 기다려야 합니다.

이 값은 제품별 작동 요구 사항이며 모든 로봇 조인트 모듈에 공통으로 적용되는 시간은 아닙니다. 시스템을 시운전하기 전에 항상 최신 HAG 매뉴얼과 설정된 드라이브 매개변수를 확인하십시오.

홀딩 브레이크의 주요 이점은 무엇인가요?

홀딩 브레이크의 주요 이점은 모터가 하중을 능동적으로 구동하지 않을 때 조인트 움직임에 기계적 저항을 제공할 수 있다는 것입니다.

일반적인 적용 사례는 다음과 같습니다.

모터가 비활성화된 상태에서 수직 로봇 조인트를 중력에 맞서 유지합니다.

대기 또는 전원 차단 상태에서 조인트 위치를 유지합니다.

모터 토크를 사용할 수 없을 때 매달린 하중이 내려오는 것을 방지하는 데 도움을 줍니다.

시스템 안전 설계가 허용하는 경우 유지보수 또는 기타 작동 상태에서 위치를 유지합니다.

홀딩 브레이크의 한계는 무엇인가요?

홀딩 브레이크는 STO를 대체하지 않습니다.

브레이크가 작동된 상태에서 드라이브가 계속 모터 토크를 생성하면 그 힘이 브레이크의 정격 유지력을 초과할 수 있습니다. 이로 인해 브레이크 마모, 과열, 기계적 손상 또는 유지 기능 상실이 발생할 수 있습니다.

일반적인 홀딩 브레이크는 반복적으로 빠르게 움직이는 조인트를 정지시키기 위한 것이 아니라 정적인 상태로 유지하도록 설계됩니다. 동적 비상 제동에 사용하려면 해당 용도로 특별히 정격이 지정된 브레이크와 검증된 시스템 설계가 필요합니다.

따라서 브레이크를 의도치 않은 모터 토크에 대한 유일한 보호 수단으로 간주해서는 안 됩니다.

STO와 홀딩 브레이크: 주요 차이점

STO와 홀딩 브레이크는 로봇 조인트 모듈에서 서로 다른 기능을 수행합니다. 다음 비교표에 주요 차이점이 요약되어 있습니다.

핵심적인 차이는 간단합니다. STO는 모터가 토크를 생성하지 못하도록 하고, 홀딩 브레이크는 조인트 움직임에 기계적 저항을 제공합니다. 어느 기능도 자동으로 다른 기능을 대체하지 않습니다.

로봇 조인트 모듈에 STO만 적용하거나 홀딩 브레이크만 적용하면 어떻게 되나요?

각 기능의 한계를 이해하는 것은 안전한 로봇 조인트를 설계할 때 필수적이며, 특히 메커니즘이 수직 하중을 지지하는 경우 더욱 중요합니다.

시나리오 1 — 홀딩 브레이크 없이 STO 사용

STO가 활성화된 후 수직 로봇 조인트가 내려갈 수 있는 이유는 무엇인가요?

STO가 모터의 토크 생성 능력을 비활성화하면 수직 조인트는 중력에 대항하는 데 필요한 모터 토크를 잃을 수 있습니다.

조인트에 다른 효과적인 하중 유지 메커니즘이 없으면 암이나 페이로드가 내려갈 수 있습니다. 이로 인해 장비가 손상되거나 로봇의 위치가 흐트러지거나 주변 작업자가 다칠 수 있습니다.

따라서 중력의 영향을 받는 메커니즘을 안전하게 유지해야 하는 로봇 조인트는, 다른 적절한 기계적 조치나 시스템 수준의 조치가 필요한 보호 기능을 제공하지 않는 한 STO에만 의존해서는 안 됩니다.

적합한 적용 사례: STO는 유지보수 접근, 안전 가드 작동 또는 기타 안전 관련 상황에서 의도치 않은 모터 토크를 방지하는 안전 솔루션의 일부가 될 수 있습니다. 전체 안전 시스템은 잔류 움직임, 중력 및 외력도 고려해야 합니다.

한계: STO는 샤프트를 기계적으로 잠그거나 매달린 하중을 유지하지 않습니다.

시나리오 2 — STO 없이 홀딩 브레이크 사용

의도치 않은 모터 토크를 방지하는 데 홀딩 브레이크만으로는 부족한 이유는 무엇인가요?

홀딩 브레이크는 작동된 상태에서 가해지는 하중이 정격 용량 이내인 경우 조인트 위치를 유지할 수 있습니다. 그러나 드라이브의 고장으로 모터가 토크를 생성하려는 것을 방지하지는 않습니다.

드라이브 고장으로 브레이크가 작동된 상태에서 모터가 토크를 생성하면 과도한 토크가 브레이크나 다른 기계 부품을 손상시킬 수 있습니다. 브레이크의 유지 용량을 초과하면 조인트가 예기치 않게 움직일 수 있습니다.

따라서 홀딩 브레이크만으로는 적절히 구현된 STO 기능과 동일한 수준으로 의도치 않은 모터 토크를 방지할 수 없습니다.

적합한 적용 사례: 홀딩 브레이크는 수직 조인트의 위치 유지, 매달린 하중의 유지, 모터가 비활성화된 상태에서 메커니즘을 고정하는 데 유용합니다.

한계: 일반적인 홀딩 브레이크는 이를 위해 특별히 설계되고 정격이 지정되지 않은 한, 의도치 않은 모터 토크를 방지하는 주요 수단이나 동적 비상 정지 장치로 간주해서는 안 됩니다.

STO와 홀딩 브레이크는 어떻게 함께 작동해야 하나요?

중력 하중을 지지하는 로봇 조인트에는 STO와 적절한 정격의 홀딩 브레이크를 함께 적용하면 상호 보완적인 보호 기능을 제공할 수 있습니다. 그러나 두 구성 요소를 단순히 설치한다고 해서 로봇 전체가 자동으로 안전해지는 것은 아닙니다. 실제 기계 시스템과 필요한 안전 기능을 고려해 제어 시퀀스를 설계해야 합니다.

권장 안전 제어 원칙

일반적인 안전 설계에서는 다음 단계를 고려해야 합니다.

안전 이벤트를 감지합니다. 비상 정지 회로나 가드 인터록과 같은 안전 관련 입력이 필요한 대응을 시작합니다.

필요한 경우 조인트의 움직임을 제어합니다. 위험성 평가에서 제어 감속이 필요한 것으로 판단되면, 그로 인해 발생할 움직임을 고려하지 않은 채 모터 토크를 즉시 차단하는 대신 적절하고 검증된 정지 기능을 사용해야 합니다.

적절한 시점에 홀딩 브레이크를 작동시킵니다. 브레이크는 제조업체의 요구 사항과 검증된 안전 시퀀스에 따라 작동해야 합니다. 브레이크 작동 지연 중 중력 하중이 걸린 조인트가 내려가지 않도록 설계해야 합니다.

안전 설계에 따라 필요한 경우 STO를 적용합니다. 필요한 정지 및 하중 유지 조건이 충족된 후 STO를 적용하여 추가적인 모터 토크 생성을 방지할 수 있습니다. 토크를 즉시 제거해야 하는 비상 상황에서는 그에 따라 발생하는 관성 이동이나 중력에 의한 움직임을 안전 설계에서 고려해야 합니다.

전체 시스템을 검증합니다. 실제 로봇과 작동 환경을 기준으로 브레이크 타이밍, 하중 용량, 정지 거리, 고장 대응 및 재시작 조건을 검증해야 합니다.

중요: 모든 로봇에 공통으로 적용할 수 있는 단일 시퀀스는 없습니다. 특히 중력 하중이 걸린 축에서 STO를 작동한 다음 조인트가 멈출 때까지 기다렸다가 브레이크를 작동하면, 그 사이에 조인트가 내려가기 시작할 수 있어 위험할 수 있습니다. 올바른 시퀀스는 위험성 평가, 사용 가능한 안전 기능, 브레이크 특성 및 적용 표준에 따라 달라집니다.

STO와 홀딩 브레이크를 함께 사용하면 좋은 로봇 적용 분야는 무엇인가요?

의도치 않은 모터 토크를 방지하는 동시에 기계적으로 하중이 걸린 조인트를 유지해야 하는 경우에는 STO와 홀딩 브레이크를 함께 사용하는 방안을 고려할 가치가 있습니다.

휴머노이드 로봇

휴머노이드 로봇에는 다양한 방향으로 체중을 지지하거나 하중을 운반하는 여러 조인트가 있습니다. 홀딩 브레이크는 모터 토크를 사용할 수 없을 때 조인트를 유지하는 데 도움을 줄 수 있으며, STO는 안전 기능이 활성화되었을 때 의도치 않은 모터 토크를 방지할 수 있습니다.

필요한 구성은 조인트의 역할, 로봇의 자세 및 모터 토크 손실에 따른 결과에 따라 달라집니다.

협동 로봇

협동 로봇은 사람 가까이에서 작동할 수 있으며, 동작, 대기 및 유지보수 상태 사이를 자주 전환합니다. STO와 홀딩 브레이크는 서로 다른 위험에 대응할 수 있지만, 로봇 전체에는 적절한 방호 조치, 안전 제어 및 위험 저감 조치도 적용해야 합니다.

두 기능 중 어느 하나만으로 로봇이 협동 작업에 안전하다고 보장할 수는 없습니다.

산업용 로봇 암

산업용 로봇 암에는 수직축과 상당한 페이로드를 지지하는 조인트가 포함되는 경우가 많습니다. 이러한 메커니즘을 설계할 때는 중력, 정지 동작, 브레이크 유지 용량 및 드라이브 고장의 결과를 고려해야 합니다.

STO와 기계적 하중 유지 기능을 적절히 설계해 결합하면 이러한 서로 다른 위험에 대응하는 데 도움이 될 수 있습니다.

의료·교육·연구용 로봇

의료용 로봇과 실험실 또는 연구 플랫폼에는 제어된 움직임, 예측 가능한 정지 동작 및 안정적인 위치 유지가 필요할 수 있습니다. 적절한 안전 아키텍처는 조인트가 매달린 하중을 지지하는지 또는 사람 가까이에서 작동하는지를 포함한 해당 애플리케이션의 구체적인 위험에 따라 달라집니다.

STO와 홀딩 브레이크는 서로 바꿔 쓸 수 있는 옵션으로 취급하지 말고 전체 시스템 설계의 일부로 선택해야 합니다.

HONPINE HAG 하모닉 일체형 조인트 액추에이터: STO 및 홀딩 브레이크 옵션

HONPINEHAG 하모닉 일체형 조인트 액추에이터는 다양한 모션 제어 및 안전 관련 설계 요구 사항을 지원하도록 STO와 홀딩 브레이크를 구성할 수 있습니다.

하모닉 구동부와 모터 드라이브 기능을 소형 조인트 모듈에 통합한 HAG 시리즈는 로봇 조인트 애플리케이션을 위한 실용적인 플랫폼을 제공합니다. STO와 홀딩 브레이크는 시스템 내에서 서로 다른 목적을 수행합니다. STO는 모터 토크 생성을 방지하고, 브레이크는 기계적 위치 유지를 지원합니다.

HAG 구성을 선택할 때 엔지니어는 다음 요소를 평가해야 합니다.

조인트 방향 및 하중: 조인트가 수직축, 매달린 페이로드 또는 중력 하중을 받는 다른 메커니즘을 지지하는지 확인합니다.

브레이크 유지 용량: 최악의 하중 및 기계 조건에서도 브레이크의 정격 유지 토크가 충분한지 확인합니다.

드라이브 및 통신 구성: 선택한 모델에서 제공되는 STO 구현 방식, 브레이크 제어 방법, 지원되는 EtherCAT 또는 CANopen 기능을 확인합니다.

정지 및 재시작 동작: 필요한 브레이크 작동 시간, 드라이브 활성화 시퀀스 및 허용되는 모션 명령을 확인합니다.

시스템 수준의 안전 요구 사항: 안전 컨트롤러, 전원 아키텍처, 기계 구조 및 예측 가능한 고장 조건을 포함해 로봇 전체를 평가합니다.

적절한 구성은 로봇의 실제 작동 조건과 안전 요구 사항에 따라 달라집니다. STO와 홀딩 브레이크는 상호 보완적인 기능이지 서로 대체할 수 있는 기능이 아닙니다.

결론: STO는 모터 토크를 방지하고 홀딩 브레이크는 기계적 위치를 유지합니다

로봇 조인트 모듈에서 STO와 홀딩 브레이크는 서로 다른 두 가지 문제를 해결합니다.

안전 기능이 활성화되면 STO는 드라이브가 모터 토크를 생성하지 못하도록 합니다. 홀딩 브레이크는 조인트 움직임에 기계적 저항을 제공하며 모터가 비활성화되었을 때 중력 하중을 받는 메커니즘을 유지하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

수직 조인트나 매달린 하중이 포함된 애플리케이션에서 둘 중 하나의 기능에만 의존하면 중요한 위험이 해결되지 않은 채 남을 수 있습니다. 두 기능을 올바르게 선택하고 순서를 정한 뒤 로봇의 전체 안전 설계의 일부로 검증하면 보다 완전한 솔루션을 제공할 수 있습니다.

HONPINE은 휴머노이드 로봇, 협동 로봇, 산업 자동화 및 기타 정밀 모션 제어 애플리케이션을 위한 하모닉 일체형 조인트 액추에이터를 제공합니다.

HONPINE에 문의하여HAG 하모닉 일체형 조인트 액추에이터에 대해 자세히 알아보고 로봇 조인트 애플리케이션에 적합한 STO 및 홀딩 브레이크 구성을 상담해 보십시오.