협동로봇용 T형 또는 직선형 하모닉 관절 모듈, 어떤 것을 선택해야 할까요?

안녕하세요. HONPINE의 기술 이사 Theodore Li입니다. 오늘은 협동로봇 팔에 적용할 수 있는 두 가지 하모닉 조인트 모듈 솔루션, 즉 TCHL 직선형 조인트 모듈과 HTS T형 조인트 모듈을 소개하겠습니다.

통합형 하모닉 조인트 모듈은 협동로봇(cobot)의 핵심 구동 장치입니다. 하모닉 드라이브 감속기, 토크 모터, 절대값 엔코더, 구동 전자 장치 및 선택 사양인 홀딩 브레이크를 하나의 소형 어셈블리에 통합하여 기계적 통합을 간소화하고 폐루프 서보 제어를 제공합니다.

그러나 적합한 하모닉 조인트 모듈을 선택할 때는 토크 정격이나 위치 결정 정확도만 비교해서는 안 됩니다. 모듈의 구조 구성은 설치 공간, 로봇 팔의 형상, 내부 케이블 배선, 기계적 강성, 그리고 움직이는 링크 간 간섭 위험에 직접적인 영향을 줍니다.

이 가이드에서는 TCHL 직선형 및 HTS T형 하모닉 조인트 모듈의 구조적 특징, 장점, 한계 및 일반적인 적용 분야를 설명하여 엔지니어가 협동로봇 설계에 적합한 솔루션을 선택하도록 돕겠습니다.

1. 협동로봇 조인트 모듈의 일반적인 선정 원칙

협동로봇 팔용 조인트 모듈을 선정할 때는 토크와 감속비, 엔코더 성능, 통신 프로토콜, 환경 조건, 기계적 구성을 포함한 다섯 가지 요소를 종합적으로 평가해야 합니다.

1.1 작동 조건에 맞는 토크와 감속비 선택

첫 단계는 각 조인트에 필요한 연속 토크와 피크 토크를 파악하는 것입니다. 선택한 모듈은 가속, 감속, 외력 및 단시간 동적 하중을 포함한 실제 부하 프로파일을 감당할 수 있어야 합니다.

이 가이드에서 다루는 조인트 모듈 시리즈는 외경 70, 80, 90, 110, 142, 170 mm의 여러 프레임 크기로 구성됩니다. 모델에 따라 51:1, 81:1, 101:1, 121:1의 감속비를 선택할 수 있습니다.

일반적으로 감속비가 높으면 토크 증폭이 커지지만, 모터 속도가 동일할 때 출력 속도는 낮아집니다. 감속비가 낮으면 출력 속도는 높아지지만 토크 증폭은 작아집니다.

최종 선택은 액추에이터의 토크-속도 특성, 로봇의 동작 프로파일 및 필요한 듀티 사이클을 기준으로 해야 합니다.

중요: 특히 장시간 동안 조인트 모듈이 허용 토크 한계를 초과하여 작동하지 않도록 하십시오. 과부하는 감속기와 다른 부품의 마모를 가속하거나 손상을 유발하여 조인트 제어와 신뢰성을 저해할 수 있습니다.

중력에 대항하여 하중을 지지해야 하는 수직 장착 조인트에는 브레이크 장착 구성을 고려하십시오. 적절한 홀딩 브레이크는 전원이 차단되었을 때 의도하지 않은 축 회전을 방지하는 데 도움이 됩니다. 중력 하중이 제한적인 수평 조인트에는 해당 애플리케이션의 안전 요건에 따라 브레이크가 없는 구성이 적합할 수 있습니다.

1.2 엔코더 구성과 위치 결정 정확도 평가

원래 사양에 기재된 조인트 모듈은 17비트 단회전 및 16비트 다회전 자기식 절대값 엔코더 구성을 사용합니다. 배터리 백업은 전원이 차단되어도 다회전 위치 정보를 보존하므로, 엔코더 백업 시스템을 적절히 관리하면 전원을 켤 때마다 기준점 복귀 절차를 수행하지 않고도 위치 데이터를 유지할 수 있습니다.

출력 측 각도 분해능은 엔코더 구성과 감속비의 영향을 받습니다. 감속비가 높으면 모터 측 엔코더 분해능이 동일할 때 이론상 출력 각도의 증분을 더 세밀하게 구현할 수 있습니다. 하지만 실제 위치 결정 정확도는 감속기의 전달 오차, 기계적 변형, 백래시 특성, 장착 정밀도 및 제어 성능에도 좌우됩니다.

모듈을 선정할 때 엔지니어는 다음 기계적 정밀도 파라미터도 확인해야 합니다.

• 출력 플랜지 면 흔들림

• 출력축 반경 방향 흔들림

• 동축도

• 평행도

이러한 공차는 조립된 로봇 팔의 정렬과 반복 정밀도에 영향을 미칩니다. 설계 및 검증 과정에서 각 모델의 HONPINE 실측 기계 정밀도 데이터를 확인해야 합니다.

1.3 적절한 통신 프로토콜 선택

협동로봇 팔에 여러 조인트 모듈을 통합할 때 통신 프로토콜도 중요한 고려 사항입니다.

여기에 설명된 제품 구성에서는 모델 접미사로 통신 옵션을 확인할 수 있습니다. C는 CANopen, E는 EtherCAT을 나타냅니다. 주문 전에 선택한 TCHL 또는 HTS 모델의 정확한 접미사와 사용 가능한 프로토콜을 확인하십시오.

EtherCAT (E)

EtherCAT은 여러 축에 걸쳐 고속의 결정론적 통신과 동기화 제어를 지원합니다. 특히 협조 동작과 실시간 제어가 중요한 6축 이상의 협동로봇에 적합합니다.

Beckhoff 기반 시스템을 포함하여 EtherCAT과 호환되는 마스터 컨트롤러와 통합할 수 있습니다.

CANopen (C)

CANopen은 비교적 단순한 네트워크 아키텍처와 비용 효율적인 통합을 우선시하는 시스템에 실용적인 솔루션을 제공할 수 있습니다. 축 수가 적거나 동기화 요건이 덜 까다로운 로봇에 적합할 수 있습니다.

장치 프로파일과 컨트롤러 지원 여부에 따라 호환되는 CANopen 마스터 컨트롤러와 PLC를 사용할 수 있습니다.

적절한 프로토콜은 전체 제어 아키텍처, 통신 주기 요건, 동기화 성능 및 컨트롤러 호환성을 고려하여 결정해야 합니다.

1.4 환경 조건과 기계적 제약 고려

조인트 모듈을 선택하기 전에 작동 환경이 제품 사양에 부합하는지 확인하십시오.

이 시리즈에 명시된 환경 조건은 다음과 같습니다.

• 작동 온도: 0–40°C

• 보관 온도: −20–60°C

• 상대 습도: 20–80% RH, 결로 없음

• 보호 등급: IP54

• 권장 작동 고도: 1,000 m 미만

이 값은 정확한 모델 및 구성의 데이터시트와 대조하여 확인해야 합니다.

제어 캐비닛은 내부 온도가 허용 작동 범위를 초과하지 않도록 충분한 방열 성능도 갖춰야 합니다.

기계적 관점에서 엔지니어는 중공 내경, 플랜지 장착 홀 패턴, 암 링크 길이 및 로봇의 전체 동작 범위에서 발생할 수 있는 간섭을 확인해야 합니다.

이때 TCHL 직선형 및 HTS T형 모듈의 구조적 차이가 특히 중요합니다.

1.5 TCHL과 HTS의 구조적 차이 이해

TCHL 직선형 조인트 모듈과 HTS T형 조인트 모듈은 주로 출력 플랜지의 형상과 설치 방식이 다릅니다.

TCHL 직선형은 모듈 본체와 동심으로 배치된 출력 플랜지를 갖춘 직선형 원통 구성을 사용합니다.

HTS T형은 출력 플랜지가 편심 배치되어 있어 연결되는 기계 구조를 원통형 모듈 본체에 대해 다른 위치에 배치할 수 있습니다.

이러한 차이는 로봇 팔의 전체 치수, 장착 방식 및 패키징에 영향을 줍니다.

대응 모델을 비교할 때는 내부 부품이나 전기적 특성이 모두 동일하다고 가정하지 말고 각 구성의 사양을 확인하십시오.

2. TCHL 직선형 하모닉 조인트 모듈의 장점

TCHL 직선형 조인트 모듈은 동심 출력 플랜지가 있는 원통형 본체가 특징입니다. 출력 플랜지가 모듈의 중심축을 기준으로 배치되어 직선형의 소형 폼팩터를 형성합니다.

모델에 따라 제품 도면에는 TCHL-14-70 및 TCHL-17-80과 같은 구성이 포함될 수 있습니다. 정확한 모델명은 최신 HONPINE 제품 카탈로그에서 확인하십시오.

2.1 공간 제약이 있는 설계를 위한 소형 반경 방향 치수

모듈 본체와 출력 플랜지가 동일한 축을 공유하므로 직선형 구성에는 플랜지의 추가적인 측면 오프셋이 없습니다.

이를 통해 모듈을 원통형 암 링크 내부 또는 중첩된 기계 어셈블리에 설치해야 하는 로봇 조인트에서 반경 방향 공간 요구량을 줄일 수 있습니다.

중공 중심부는 보어 직경과 설치 요건에 따라 내부 케이블, 공압 튜브 및 기타 서비스 라인의 배선 경로로 활용할 수 있습니다.

반경 방향 여유 공간이 제한된 협동로봇 설계에서는 TCHL 직선형 구성이 패키징을 간소화하고 외형을 소형으로 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

2.2 하중 전달을 위한 동심 플랜지 설계

동심 출력 플랜지는 중앙 보어 주위에 원형 장착 인터페이스를 제공합니다. 지정된 홀 패턴에 따라 플랜지 둘레에 장착 볼트를 배치하여 감속기 출력 구조로 하중을 전달할 수 있습니다.

모듈의 크기를 적절히 선정하고 올바르게 장착하면 이 구조는 굽힘 모멘트와 전도 하중이 작용하는 조인트에 유리할 수 있습니다.

실제 하중 용량과 강성은 감속기, 출력 베어링 구성, 플랜지 형상, 볼트 사양, 장착 인터페이스 및 외부 하중 조건에 따라 달라집니다.

큰 굽힘 모멘트가 작용하는 베이스 및 숄더 조인트의 경우, 모듈의 허용 반경 방향 하중, 축 방향 하중 및 모멘트 하중을 로봇에서 발생하는 실제 하중과 비교해야 합니다.

각 모델에 맞는 볼트 크기와 체결 토크는 제품 매뉴얼에서 확인해야 합니다.

2.3 간소화된 기계 설계와 제조

직선형 원통 프로파일은 로봇 팔 하우징과 링크 구조의 설계를 간소화할 수 있습니다.

많은 애플리케이션에서 암 링크를 양쪽 끝의 장착 인터페이스를 갖춘 원통형 또는 동심 구조로 설계할 수 있습니다. 이를 통해 맞춤형 오프셋 브래킷이나 복잡한 외형이 필요한 경우를 줄일 수 있습니다.

전체 기계 설계에 따라 하우징이 단순해지면 가공, 조립 및 유지보수도 수월해질 수 있습니다.

여러 협동로봇 모델을 개발하는 제조업체는 표준화된 직선형 조인트 인터페이스를 통해 기계 부품을 재사용하기 쉬워질 수 있습니다.

2.4 기존 로봇 팔 아키텍처와의 폭넓은 호환성

직선형 조인트 모듈은 인접 링크를 동심 장착 인터페이스로 연결하는 로봇 구조에 적합합니다.

베이스, 숄더 및 엘보 조인트뿐 아니라 직선형 원통 구조가 유리한 회전 위치 결정 메커니즘과 기타 애플리케이션에도 적용을 고려할 수 있습니다.

TCHL 모듈을 제어 시스템에 통합할 때는 통신 프로토콜, 시운전 도구 및 소프트웨어 구성이 선택한 제품 버전과 일치해야 합니다. 모듈 구성의 구조적 차이만으로 다른 제어 전략이 필요하다고 가정해서는 안 됩니다.

2.5 TCHL 직선형 구성의 한계

직선형 구성의 주요 한계는 로봇 팔에서 인접 링크를 90도로 연결하면서 소형 구조를 구현해야 하는 경우에 나타납니다.

출력 플랜지가 모듈 본체와 동심으로 배치되므로 두 링크를 직각으로 연결할 때 전체 어셈블리에 추가적인 축 방향 공간이 필요할 수 있습니다.

이로 인해 조인트 어셈블리의 두께가 증가하고 인접 링크 구조 사이의 거리가 늘어날 수 있습니다. 소형 손목 메커니즘에서는 추가 공간으로 인해 가용 동작 범위가 줄고 자체 간섭 위험이 커질 수 있습니다.

기계 배치에 따라 어댑터 브래킷이 추가로 필요할 수 있습니다.

2.6 TCHL 직선형 조인트 모듈의 일반적인 적용 분야

다음과 같은 경우 TCHL 직선형 구성을 고려할 수 있습니다.

• 협동로봇 팔의 베이스 및 숄더 조인트

• 동심 장착 구조의 엘보 조인트

• 회전 위치 결정 테이블 및 메커니즘

• 반경 방향 외형을 소형으로 유지해야 하는 애플리케이션

• 원통형 암 링크를 기준으로 설계된 로봇 구조

동심 장착 인터페이스가 적절하고 큰 굽힘 모멘트가 작용하는 조인트

최종 선택은 모듈의 정격 하중, 치수 및 설치 요건에 따라 검증해야 합니다.

3. HTS T형 하모닉 조인트 모듈의 장점

HTS T형 조인트 모듈은 오프셋 출력 플랜지 구조가 특징입니다. 플랜지가 원통형 모듈 본체에 대해 측면으로 배치되어 인접한 로봇 링크를 직각으로 연결하는 구성에 적합할 수 있습니다.

여러 회전축을 제한된 설치 공간에 배치해야 하는 소형 협동로봇 손목에서 이 형상이 특히 유용할 수 있습니다.

3.1 축 방향 공간을 줄이는 직각 장착

오프셋 출력 플랜지를 사용하면 연결된 링크 구조를 동심 직선형 모듈과 다른 위치에 배치할 수 있습니다.

적절한 기계 배치에서는 인접한 암 링크를 90도로 연결하는 구조를 간소화하고 조립된 조인트 구조의 축 방향 두께를 줄일 수 있습니다.

이 장점은 일반적으로 축 4, 5, 6으로 불리는 협동로봇의 손목 축에 특히 중요합니다.

이러한 조인트는 엔드 이펙터 가까이에 여러 회전축을 배치해야 하므로 공간이 매우 제한적인 경우가 많습니다.

조인트 연결에 필요한 공간을 줄이면 HTS T형 구성이 손목을 더 소형으로 설계하고 로봇이 협소한 작업 공간에 도달할 때 간섭 위험을 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다.

실제 개선 효과는 링크 형상, 출력 플랜지 치수, 장착 방식 및 전체 동작 범위에 따라 달라집니다.

3.2 어댑터 부품을 줄여 다축 손목 설계 간소화

일반 직선형 모듈로 인접 링크를 직각 연결하려면 L자형 어댑터 브래킷이 추가로 필요할 수 있습니다.

설계에 따라 이 브래킷은 질량과 부품 수를 늘리고, 정밀하게 제조 및 조립해야 하는 장착 인터페이스를 추가할 수 있습니다.

HTS T형 구성은 모듈의 구조에 오프셋을 통합하여 별도의 어댑터 부품이 필요한 경우를 줄일 수 있습니다.

이를 통해 소형 다축 손목 어셈블리의 기계 설계를 간소화할 수 있습니다.

불필요한 브래킷과 인터페이스를 줄이면 결과 구조가 필요한 강성 및 강도 기준을 충족하는 경우 엔드 이펙터 어셈블리의 질량을 줄이고 로봇의 가반하중 대 자체중량 비율을 높일 수도 있습니다.

3.3 내부 케이블 배선을 위한 중공 중심부

특정 모델의 보어 치수와 기계 구성에 따라 T형 구성은 모듈의 중공 중심부를 통한 내부 케이블 배선도 지원할 수 있습니다.

설치 설계에 따라 케이블과 서비스 라인을 모듈 본체 내부로 배선한 뒤 오프셋 출력 구조에 연결할 수 있습니다.

내부 배선은 케이블이 외부 물체에 걸리거나 마모되는 것을 방지하고 주변 장비와의 간섭을 줄이는 데 도움이 됩니다.

소형 케이블 관리가 필요한 협동로봇에서는 특히 손목 주변에서 유용할 수 있습니다. 외부 케이블 루프가 주변 물체와 간섭하거나 유효 동작 범위를 제한할 수 있기 때문입니다.

엔지니어는 전체 조인트 동작 범위에서 케이블 굽힘 반경, 커넥터 치수, 허용 케이블 비틀림 및 여유 공간을 확인해야 합니다.

3.4 HTS T형 구성의 한계

패키징 측면의 장점에도 불구하고 T형 설계가 모든 조인트에 최선인 것은 아닙니다.

더 넓은 측면 외형

오프셋 출력 플랜지는 중앙의 원통형 외형 밖으로 돌출됩니다. 이로 인해 로봇의 전체 폭이나 반경 방향 외형이 커질 수 있습니다.

로봇의 외형을 좁게 유지해야 할 수 있는 베이스 및 숄더 조인트에서는 이러한 추가 측면 돌출이 단점이 될 수 있습니다.

편심 하중 고려 사항

출력 플랜지가 모듈 본체에 대해 오프셋되어 있으므로 기계 설계에서 이에 따른 하중 경로와 외부 구조가 발생시키는 추가 굽힘 모멘트를 고려해야 합니다.

큰 하중이나 굽힘 모멘트가 작용하는 경우 엔지니어는 모듈의 허용 하중을 확인하고 하우징과 장착 인터페이스가 충분한 강도와 강성을 갖추도록 해야 합니다.

더 복잡한 하우징 형상

오프셋 형상에는 단순한 원통형 외함 대신 맞춤형 암 링크 하우징이 필요할 수 있습니다.

로봇 아키텍처와 제조 공정에 따라 가공 및 기계 설계의 복잡성이 커질 수 있습니다.

따라서 HTS T형 구성은 패키징상의 이점이 추가적인 설계 고려 사항을 감수할 만한 경우에 선택해야 합니다.

3.5 HTS T형 조인트 모듈의 일반적인 적용 분야

다음과 같은 경우 HTS T형 구성을 고려할 수 있습니다.

• 협동로봇 팔의 소형 손목 어셈블리

• 인접한 로봇 링크의 직각 연결

• 축 방향 공간이 제한된 다축 손목 메커니즘

• 협소한 작업 공간에 도달해야 하는 로봇 팔

• 어댑터 브래킷과 말단부 조인트 질량 감소가 중요한 설계

• 소형 조인트 구조를 통한 내부 케이블 배선이 유리한 애플리케이션

선택한 모델은 필요한 토크, 속도, 강성 및 허용 하중 사양도 충족해야 합니다.

4. TCHL 직선형과 HTS T형: 선택 방법

두 구성의 가장 중요한 차이는 단순히 토크 정격이 아니라 기계적 배치입니다.

4.1 TCHL 직선형 모듈은 언제 선택해야 하나요?

로봇의 기계 아키텍처에 동심 원통형 모듈이 유리하다면 TCHL 직선형 구성을 우선 검토하십시오.

특히 베이스 및 숄더 조인트, 회전 위치 결정 애플리케이션, 반경 방향 여유 공간이 제한된 암 링크에 적용을 고려할 수 있습니다.

암 구조가 원통형 부품과 일반적인 동심 장착 인터페이스를 사용하는 경우 직선형 설계는 하우징 설계를 간소화할 수도 있습니다.

4.2 HTS T형 모듈은 언제 선택해야 하나요?

로봇 팔에 소형 직각 연결이 필요하거나 다축 손목 어셈블리의 축 방향 두께를 최소화해야 한다면 HTS T형 구성을 우선 검토하십시오.

오프셋 출력 플랜지는 기계적 패키징을 간소화하고 별도의 어댑터 브래킷이 필요한 경우를 줄일 수 있습니다.

그러나 엔지니어는 로봇의 동작 범위 전반에서 증가하는 측면 외형, 하중 경로, 하우징 설계 및 가용 여유 공간도 평가해야 합니다.

4.3 하나의 협동로봇에 두 구성을 함께 사용할 수 있나요?

예. 기계 아키텍처상 필요하다면 협동로봇의 위치별로 서로 다른 조인트 모듈 구성을 사용할 수 있습니다.

예를 들어 동심 장착이 유리한 베이스와 숄더에는 TCHL 직선형 모듈을 사용하고, 직각 배치로 패키징 공간을 줄일 수 있는 소형 손목 어셈블리에는 HTS T형 모듈을 사용할 수 있습니다.

선택한 모듈이 필요한 토크, 속도, 통신 및 설치 사양을 충족한다면 이와 같은 혼합 구성으로 기계 설계의 유연성을 높일 수 있습니다.

5. 협동로봇 조인트 모듈 선정에 대한 최종 권장 사항

TCHL 직선형 하모닉 조인트 모듈과 HTS T형 하모닉 조인트 모듈 중 하나를 선택할 때는 로봇 팔의 기계 구조부터 살펴봐야 합니다.

동심 원통형 설계, 소형 반경 방향 외형 및 간단한 장착 구성이 우선이라면 일반적으로 TCHL 직선형 구성을 고려할 수 있습니다.

직각 링크 연결, 소형 손목 패키징 및 축 방향 공간 축소가 중요하다면 HTS T형 구성을 특히 고려할 수 있습니다.

어느 한 구성도 모든 경우에 우월한 것은 아닙니다. 적절한 선택은 조인트 위치, 가용 설치 공간, 외부 하중, 필요한 동작 범위 및 전체 로봇 아키텍처에 따라 달라집니다.

설계를 확정하기 전에 해당 제품 문서를 바탕으로 정확한 모델 치수, 토크-속도 성능, 엔코더 사양, 통신 프로토콜, 허용 하중 및 브레이크 옵션을 확인해야 합니다.

6. 협동로봇 조인트 모듈 솔루션은 HONPINE에 문의하십시오

HONPINE은 협동로봇 설계자에게 소형 액추에이터 이상의 솔루션이 필요하다는 점을 잘 알고 있습니다. 기계 아키텍처에 맞고, 필요한 동작 성능을 지원하며, 시스템 통합을 간소화하는 조인트 모듈 구성이 필요합니다.

TCHL 직선형 및 HTS T형 하모닉 조인트 모듈은 협동로봇 조인트 설계를 위한 서로 다른 두 가지 구조적 접근 방식을 제공합니다.

6축 협동로봇 팔, 소형 로봇 손목 또는 맞춤형 자동화 시스템을 개발하는 경우 설계 초기에 적절한 구성을 선택하면 기계적 복잡성을 줄이고 공간 활용도를 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.

귀사의 협동로봇 조인트 모듈 요구 사항을 논의하고 애플리케이션에 적합한 구성을 찾으려면 HONPINE에 문의하십시오.