하모닉 액추에이터의 정격 토크, 간헐 토크, 피크 토크란 무엇인가요?

로봇 관절용 하모닉 액추에이터를 선택할 때 엔지니어는 최대 출력 토크에 주목하는 경우가 많습니다. 그러나 토크 값 하나만으로는 액추에이터의 작동 능력을 충분히 설명할 수 없습니다. 로봇 관절은 부하를 지속적으로 지지하거나, 주기적인 동작 중 더 높은 토크를 발생시키거나, 순간적인 외부 충격을 견뎌야 할 수 있습니다. 이러한 작동 조건마다 필요한 토크 정격이 다릅니다.

정격 토크, 간헐 토크, 피크 토크는 하모닉 액추에이터 성능의 서로 다른 세 가지 측면을 나타냅니다. 연속 부하 용량, 동적 동작 성능, 기계적 한계를 평가하려면 이 차이를 이해하는 것이 중요합니다. 휴머노이드 로봇, 사족 보행 로봇, 로봇 암의 경우 피크 토크만을 기준으로 액추에이터를 선택하면 과열, 부품 마모 가속, 수명 단축으로 이어질 수 있습니다.

1. 정격 토크: 연속 작동의 기준

정격 토크는 제조업체가 지정한 작동 조건에서 하모닉 액추에이터가 연속적으로 출력할 수 있는 토크입니다. 이러한 조건에는 허용 작동 속도 범위, 주변 온도, 냉각 조건 및 기타 관련 사양이 포함될 수 있습니다.

정격 토크는 액추에이터의 연속 작동 능력을 나타내며 열 설계와 밀접한 관련이 있습니다.

작동 중에는 프레임리스 토크 모터, 하모닉 감속기, 베어링, 엔코더 및 기타 내부 부품에서 열이 발생합니다. 액추에이터는 부품 온도를 허용 한도 내로 유지할 수 있도록 이 열을 효과적으로 방출해야 합니다.

정격 조건 내에서 작동하도록 설계된 액추에이터는 장시간 안정적인 성능을 유지합니다. 이는 모터, 감속기, 베어링 및 기타 부품에 과도한 열응력이 가해지는 것을 방지하여 장기적인 신뢰성과 일관된 동력 전달 성능을 뒷받침합니다.

장기적인 신뢰성에 정격 토크가 중요한 이유는 무엇인가요?

하모닉 액추에이터가 정격 토크를 초과하는 상태로 계속 작동하면 발열량이 방열 능력을 넘어설 수 있습니다. 온도가 상승하면 모터 권선 절연재, 감속기 윤활, 베어링 및 전자 부품에 추가적인 열응력이 가해질 수 있습니다.

과도한 부하 상태에서 장시간 작동하면 부품 노화가 빨라지고 기계적 마모가 증가하며 시간이 지남에 따라 위치 결정 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 지속적으로 유지해야 하는 부하를 평가할 때는 정격 토크를 우선적인 기준으로 삼아야 합니다.

정격 토크는 특정 속도 하나에서만 적용되나요?

반드시 그렇지는 않습니다. 정격 토크를 정격 속도 하나에서만 사용할 수 있는 출력 값으로 해석해서는 안 됩니다.

HONPINE HPJM 시리즈와 같은 하모닉 액추에이터의 연속 토크 성능은 지정된 작동 속도 범위 전반에 걸쳐 평가해야 합니다. 다만 실제로 허용되는 연속 토크는 회전 속도, 주변 온도, 냉각 조건, 모터 전류 한계 및 감속기의 부하 용량에 따라 달라질 수 있습니다.

따라서 엔지니어는 모든 속도에서 동일한 연속 토크를 사용할 수 있다고 가정하기보다 제조업체의 토크-속도 특성과 작동 사양을 참조해야 합니다.

정격 토크의 일반적인 적용 분야

정격 토크는 부하가 비교적 안정적이고 장시간 작동하는 애플리케이션에서 특히 중요합니다.

예를 들어 휴머노이드 로봇은 서 있는 자세를 유지하기 위해 관절에 충분한 연속 토크가 필요합니다. 컨베이어 시스템과 자동화 기계는 비교적 일정한 부하에서 안정적인 출력을 유지해야 할 수 있습니다. 의료 재활 장비 역시 지정된 부하 조건 내에서 연속 작동이 필요할 수 있습니다.

이러한 애플리케이션에서는 지정된 조건에서 연속 작동 부하를 일반적으로 액추에이터의 정격 토크 이내로 유지해야 합니다.

2. 간헐 토크: 주기적인 고부하 동작에 대응

간헐 토크는 지정된 듀티 사이클 조건에서 하모닉 액추에이터가 제한된 시간 동안 낼 수 있는 더 높은 출력 토크를 말합니다.

정격 토크와 달리 간헐 토크는 최대 부하 상태로 연속 작동하기 위한 값이 아닙니다. 관절에 주기적으로 더 높은 부하가 걸리고 그 뒤에 저부하 구간이나 휴지 시간이 이어지는 애플리케이션을 위한 것입니다.

관절 토크가 동작 주기 내내 변하는 동적 로봇 시스템에서 특히 중요한 성능입니다.

예를 들어 제품 데이터시트에는 듀티 사이클 10% 또는 25%와 같이 지정된 S3 간헐 운전 조건의 간헐 토크 값이 기재될 수 있습니다.

듀티 사이클은 지정된 작동 주기 중 액추에이터가 규정 부하 조건에서 작동하는 시간의 비율을 나타냅니다. 실제 허용 작동 시간과 휴지 시간은 제조업체의 사양을 따라야 합니다.

간헐 토크 정격은 반드시 듀티 사이클, 주기 시간 및 작동 조건과 함께 해석해야 합니다.

간헐 토크를 연속 작동에 사용할 수 없는 이유는 무엇인가요?

일반적으로 출력 토크가 높을수록 모터 전류가 커지고 발열량도 증가합니다.

간헐 운전에서는 저부하 구간이나 휴지 시간에 액추에이터가 열을 방출할 수 있습니다. 이에 따라 평균 열부하를 지정된 작동 한도 이내로 유지할 수 있습니다.

그러나 액추에이터를 간헐 토크 수준으로 계속 작동시키면 열이 방출되는 속도보다 빠르게 축적될 수 있습니다. 이로 인해 온도가 과도하게 상승하고 모터 절연재, 감속기 부품 및 베어링의 노화가 가속될 수 있습니다.

지정된 듀티 사이클을 초과하는 반복 작동은 기계적 응력을 높이고 장기적인 위치 안정성에도 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 간헐 토크를 정격 토크의 대안으로 간주해서는 안 됩니다. 사용 시 지정된 듀티 사이클과 열적 한계를 준수해야 합니다.

휴머노이드 로봇에서 간헐 토크가 중요한 이유는 무엇인가요?

휴머노이드 로봇 관절에는 보행, 달리기, 쪼그려 앉기, 일어서기 등의 동적 동작 중 크게 변하는 부하가 가해집니다.

보행 주기 중 다리 관절을 예로 들어 보겠습니다. 동작 단계마다 필요한 토크가 다릅니다.

지지기: 다리 관절이 체중을 지지하고 균형을 유지합니다.

추진기: 관절이 몸을 앞으로 추진하기 위해 더 높은 토크를 발생시킵니다.

유각기: 다리가 앞으로 움직이며 부하 및 토크 프로파일이 달라집니다.

착지 및 충격 흡수: 관절이 변하는 외력과 동적 부하에 대응합니다.

추진기 및 기타 고부하 단계에서는 연속 작동 수준을 초과하는 토크가 필요할 수 있습니다. 액추에이터가 이러한 반복 동작을 감당할 수 있는지는 간헐 토크 성능, 듀티 사이클, 열 성능 및 실제 동작 프로파일에 따라 달라집니다.

사족 보행 로봇의 등반, 가속, 점프 동작과 공작물을 반복적으로 들어 올리고 위치를 바꾸는 로봇 암에서도 유사한 요구가 발생합니다.

이러한 애플리케이션에서 간헐 토크는 동적 관절 성능을 평가하는 중요한 파라미터입니다.

3. 피크 토크: 단시간 작동 한계

피크 토크는 지정된 조건에서 하모닉 액추에이터가 단시간 동안 발생시키거나 견디도록 설계된 최대 토크입니다.

이는 모터, 하모닉 감속기, 출력 구조, 베어링 및 기타 기계·전기 부품의 종합적인 성능에 따라 결정되는 과도 작동 한계를 나타냅니다.

피크 토크 성능에는 다음과 같은 여러 요소가 영향을 줍니다.

• 하모닉 감속기의 플렉스스플라인 강도 및 허용 변형량

  
  

• 출력 플랜지와 샤프트의 기계적 강도

  
  

• 모터 전류 한계 및 전자기 특성

  
  

• 베어링 부하 용량

  
  

• 액추에이터 조립체의 구조적 응력 한계

정격 토크와 달리 피크 토크는 연속 열적 작동 정격이 아닙니다. 일반적으로 짧은 과도 현상에 적용되며, 허용 지속 시간과 빈도는 제조업체의 사양을 따라야 합니다.

피크 토크를 초과하면 어떻게 되나요?

인가 토크가 액추에이터의 지정된 피크 토크 한계를 초과하면 과도한 기계적 또는 전자기적 응력으로 내부 부품이 손상될 수 있습니다.

과부하의 크기와 지속 시간에 따라 하모닉 감속기의 플렉스스플라인 영구 변형 또는 손상, 출력 플랜지에 가해지는 과도한 응력, 베어링 손상, 모터 성능 저하 등이 발생할 수 있습니다.

심한 과부하 조건에서는 백래시가 증가하고 위치 결정 정확도가 영구적으로 저하될 수도 있습니다.

액추에이터가 즉시 고장 나지 않더라도 과부하가 반복되면 기계적 손상이 누적되어 수명이 줄어들 수 있습니다.

따라서 피크 토크는 일반적인 설계 목표가 아니라 단시간 작동 한계로 취급해야 합니다.

엔지니어는 언제 피크 토크를 고려해야 하나요?

피크 토크는 갑작스러운 외란, 단시간 충격 부하, 비상 감속 또는 예상치 못한 접촉과 같은 짧은 과도 조건을 평가할 때 고려해야 합니다.

휴머노이드 로봇의 경우 작동 중 예상치 못한 접촉이나 충격으로 발생하는 과도 부하를 고려해야 할 수 있습니다.

그러나 보행, 달리기, 점프, 쪼그려 앉기와 같은 계획된 동작은 정상 작동 능력으로 피크 토크에 의존해서는 안 됩니다. 실제 부하 프로파일과 함께 적절한 정격 토크 및 간헐 토크 사양을 사용해 이러한 동작을 평가해야 합니다.

4. 정격 토크, 간헐 토크, 피크 토크 비교: 차이점 이해

세 파라미터 모두 하모닉 액추에이터의 토크 성능을 설명하지만, 각각 서로 다른 작동 조건에 해당합니다.

기본적인 차이는 간단합니다.

정격 토크는 액추에이터의 연속 출력 능력을 규정합니다.

간헐 토크는 지정된 듀티 사이클 조건에서 사용할 수 있는 더 높은 토크를 규정합니다.

피크 토크는 지정된 과도 조건에서의 단시간 토크 한계를 규정합니다.

피크 토크 정격이 높은 하모닉 액추에이터라고 해서 정격 토크도 반드시 높은 것은 아닙니다. 마찬가지로 간헐 토크 값이 높다고 해서 해당 출력을 계속 유지할 수 있는 것은 아닙니다.

서로 다른 액추에이터를 비교할 때 엔지니어는 세 가지 정격을 모두 살펴보고 각 값이 어떤 조건에서 지정되었는지 이해해야 합니다.

5. 토크 요구사항에 따라 하모닉 액추에이터를 어떻게 선택해야 하나요?

하모닉 액추에이터 선택은 최대 토크 값만 비교해서는 안 됩니다. 엔지니어는 작동 주기 전체에 걸친 로봇 관절의 실제 부하 프로파일을 평가해야 합니다.

실무적인 평가에서는 세 가지 주요 사항을 고려합니다.

연속 부하 평가

먼저 장시간 작동 중 필요한 토크를 계산합니다.

예를 들어 휴머노이드 로봇은 장시간 서 있는 자세를 유지해야 할 수 있습니다. 다리 관절은 몸을 계속 지지하고 안정성을 유지해야 합니다.

계산된 연속 부하를 액추에이터의 정격 토크와 비교하여 관절이 지정된 열적 및 기계적 한계 내에서 작동할 수 있는지 확인해야 합니다.

주기적인 고부하 동작 평가

다음으로 더 높은 토크가 필요한 동작 단계를 파악합니다.

휴머노이드 로봇의 경우 추진, 쪼그려 앉기, 일어서기 등이 해당할 수 있습니다. 로봇 암의 경우 공작물 들어 올리기와 이동이 해당할 수 있습니다.

엔지니어는 필요한 토크, 작동 시간, 주기 빈도 및 듀티 사이클을 평가한 다음 이러한 조건을 액추에이터의 간헐 토크 사양과 비교해야 합니다.

과도 부하 확인

마지막으로 충격, 갑작스러운 외력 또는 비상 감속으로 발생하는 짧은 과부하를 평가합니다.

최대 과도 토크는 적절한 엔지니어링 안전 여유를 두고 액추에이터의 지정된 피크 토크 한계 이내로 유지해야 합니다.

높은 토크로 계속 또는 반복 작동해야 하는 관절의 크기를 결정할 때 피크 토크를 기준으로 삼아서는 안 됩니다.

전체 작동 프로파일 고려

토크는 하모닉 액추에이터 선택 시 고려해야 할 요소 중 하나일 뿐입니다. 엔지니어는 작동 속도, 가속도, 동작 프로파일, 주변 온도, 냉각 조건, 반경 방향 및 축 방향 하중, 전도 모멘트, 비틀림 강성, 위치 결정 정확도 및 감속기 수명도 고려해야 합니다.

동적 로봇 애플리케이션에서는 열 성능과 기계적 부하 용량을 함께 평가해야 합니다.

적합한 하모닉 액추에이터는 관절의 최대 토크 요구사항을 충족할 뿐 아니라 전체 작동 주기 동안 안정적인 성능을 유지해야 합니다.

결론

정격 토크, 간헐 토크, 피크 토크는 하모닉 액추에이터의 작동 능력을 서로 다른 세 가지 측면에서 설명합니다. 정격 토크는 연속 부하 용량을 결정하고, 간헐 토크는 주기적인 고부하 동작에 대응하며, 피크 토크는 단시간 과도 작동 한계를 규정합니다.

휴머노이드 로봇 및 기타 동적 로봇 시스템에서 이러한 차이를 이해하면 엔지니어가 액추에이터를 부적절하게 선정하거나 과도한 작동 부하를 가하는 일을 방지할 수 있습니다. 최대 토크만을 기준으로 하모닉 액추에이터를 선택하는 대신 전체 동작 프로파일, 듀티 사이클, 열 조건 및 관절의 기계적 요구사항을 평가해야 합니다.