단일 엔코더 로봇 관절 모듈과 듀얼 엔코더 로봇 관절 모듈의 차이점은 무엇인가요?

싱글 또는 듀얼 엔코더 로봇 관절 모듈 중 어떤 것을 선택해야 할까요? 답은 위치 결정 요구사항, 전달 특성, 힘 제어 전략 및 예산에 따라 달라집니다.

듀얼 엔코더 시스템은 모터 위치와 실제 관절 출력 위치를 모두 측정합니다. 이러한 추가 피드백은 제어 성능을 향상시킬 수 있지만, 그 이점을 얻으려면 적합한 하드웨어, 제어 알고리즘 및 보정이 필요합니다.

이 가이드에서는 듀얼 엔코더 로봇 관절 모듈의 작동 방식, 싱글 엔코더로 충분할 수 있는 경우, 그리고 듀얼 피드백이 정밀도, 힘 추정 및 기능 안전에 기여할 수 있는 방법을 설명합니다.

듀얼 엔코더 로봇 관절 모듈이란 무엇인가요?

일반적으로듀얼 엔코더 로봇 관절 모듈에는 전달 장치의 양쪽에 배치된 두 개의 각도 위치 센서가 포함됩니다.

모터 측 엔코더

모터 측 엔코더는 감속기의 고속 측에 있는 모터 축에서 로터 각도를 측정합니다.

이 피드백은 일반적으로 모터 정류와 속도 제어에 사용됩니다.

출력 측 엔코더

출력 측 엔코더는 감속기 출력 축 또는 관절 출력 플랜지의 저속 측에서 실제 출력 각도를 측정합니다.

모터 회전을 바탕으로 계산하는 데만 의존하지 않고 관절 위치를 직접 피드백합니다.

두 엔코더는 함께 모터 측과 부하 측의 위치 정보를 제공합니다. 호환되는 컨트롤러를 사용하면 듀얼 루프 제어 아키텍처를 구성할 수 있습니다. 엔코더 두 개를 설치하는 것만으로 듀얼 루프 제어가 자동으로 구현되는 것은 아닙니다.

듀얼 엔코더 로봇 관절 모듈의 주요 이점은 무엇인가요?

주요 이점은 전달 장치의 동작을 더 상세하게 파악할 수 있다는 것입니다. 실제 출력 위치를 측정하면 컨트롤러는 모터 측 엔코더로 직접 감지할 수 없는 오차의 영향을 줄일 수 있습니다.

전달 장치와 관련된 위치 결정 오차의 일반적인 원인은 다음과 같습니다.

백래시 및 유격: 방향을 바꿀 때 모터가 움직여도 예상한 출력 움직임이 즉시 발생하지 않을 수 있습니다.

탄성 변형: 감속기, 벨트, 커플링 및 기타 전달 부품은 부하를 받으면 비틀릴 수 있습니다.

전달 오차: 공칭 기어비가 고정되어 있어도 제조 및 조립 편차로 인해 이상적인 각도 전달에서 벗어날 수 있습니다.

온도 및 마모: 작동 조건과 부품 상태의 변화가 전달 특성에 영향을 줄 수 있습니다.

모터 측 엔코더 하나만 사용하는 경우 출력 각도는 모터 위치와 감속비를 바탕으로 추정합니다. 감속비를 출력 1회전에 대한 모터 회전수로 정의하면 다음과 같습니다.

추정 출력 각도 = 모터 각도 ÷ 감속비

이 계산에는 회전 방향과 기준 오프셋도 반영해야 합니다. 부하 측의 변형이나 유격을 직접 측정하지는 않습니다.

더 정밀한 출력 위치 제어

일반적인 듀얼 루프 구성에서는 출력 엔코더가 외부 위치 루프에 피드백을 제공하고, 모터 엔코더는 정류와 내부 속도 루프를 지원합니다. 모터 전류 피드백은 엔코더 자체가 아니라 전류 감지로 얻습니다.

이 구성에서는 컨트롤러가 측정된 출력 위치에 반응하여 전달 장치와 관련된 일부 오차를 보정할 수 있습니다.

그러나 듀얼 피드백이 모든 위치 결정 오차를 없애는 것은 아닙니다. 성능은 엔코더 정확도, 장착 품질, 보정, 기계적 거동 및 컨트롤러 튜닝에 따라 달라집니다.

또한 로봇 링크나 엔드 이펙터의 굽힘처럼 출력 엔코더 이후에 발생하는 구조적 변형은 직접 측정할 수 없습니다.

백래시 및 탄성 변형 보정

두 엔코더의 판독값을 동일한 기준 좌표계로 변환한 후, 컨트롤러는 모터에서 산출한 출력 위치와 측정된 출력 위치를 비교할 수 있습니다.

이 차이를 통해 유격, 탄성 변형 및 기타 전달 효과를 파악할 수 있습니다. 제어 전략에 따라 이 정보는 피드백 보정이나 모델 기반 보정에 활용될 수 있습니다.

실질적인 이점은 위치 결정 오차를 줄이는 것입니다. 기계적 백래시는 여전히 존재하므로, 방향 전환 성능은 실제 부하와 속도 조건에서 검증해야 합니다.

적합한 관절 설계에서의 토크 추정

특성이 알려지고 보정된 탄성 요소가 관절에 포함되어 있다면, 해당 요소 양쪽의 각도 변형을 이용해 전달 토크를 추정할 수 있습니다.

따라서 듀얼 엔코더 피드백은 일부 순응성 관절과 직렬 탄성 액추에이터에서 토크 추정을 지원할 수 있습니다.

추정값은 강성 모델, 엔코더 정확도, 마찰, 히스테리시스, 온도 및 동적 거동에 따라 달라집니다. 일반 기어박스에 양쪽 엔코더를 설치한다고 해서 자동으로 정밀한 토크 센서가 되는 것은 아닙니다.

정밀한 토크 측정이 필요한 경우에는 전용 관절 토크 센서가 여전히 적합할 수 있습니다.

추가 진단 정보

모터 측과 출력 측 측정값의 예상치 못한 차이는 전달 장치의 미끄러짐, 과도한 변형 또는 특정 센서 및 기계적 고장과 같은 비정상 동작을 나타낼 수 있습니다.

이러한 비교는 고장 모니터링에 도움이 될 수 있습니다. 모든 충돌이나 고장을 감지한다고 보장하지는 않으며, 안전 관련 용도로 사용하려면 검증된 진단 및 대응 전략이 필요합니다.

듀얼 엔코더 관절 모듈이 항상 싱글 엔코더 모듈보다 더 나은가요?

그렇지는 않습니다. 듀얼 엔코더는 추가 피드백을 제공하지만, 비용과 통합 요건도 늘어납니다.

적절한 선택은 출력 위치를 직접 측정하는 것이 해당 애플리케이션에 의미 있는 이점을 제공하는지에 따라 달라집니다.

전체 시스템이 위치 결정, 동작 및 안전 요구사항을 충족한다면 싱글 엔코더 로봇 관절 모듈로 충분할 수 있습니다.

싱글 엔코더로 충분할 수 있는 경우

1. 전달 오차가 애플리케이션의 허용 범위 이내인 경우

적절히 선정된 정밀 감속기는 모터 측 피드백만으로도 충분한 성능을 제공할 수 있습니다.

다만 백래시가 작다는 것과 강성이 높다는 것은 서로 다른 특성입니다. 감속기는 백래시가 매우 작더라도 부하를 받으면 상당한 비틀림 변형이 발생할 수 있습니다.

모든 하모닉 또는 RV 감속기가 동일하게 작동한다고 가정하지 말고, 실제 감속기 사양과 부하 조건을 평가해야 합니다.

2. 출력 피드백 없이도 요구 위치 결정 성능을 달성할 수 있는 경우

일부 핸들링, 용접, 분사 및 반복 자동화 작업은 모터 측 피드백만으로 효과적으로 수행할 수 있습니다.

결과는 완성된 로봇에서 검증해야 합니다. 엔코더 카운트만으로 ±0.1 mm와 같은 특정 엔드 이펙터 정확도를 보장할 수는 없습니다. 정확도와 반복 정밀도도 별도로 평가해야 합니다.

3. 다른 측정 수단을 사용해 힘을 제어하는 경우

일부 시스템은 엔드 이펙터의 6축 힘/토크 센서로 상호작용 힘을 측정하고, 관절은 주로 위치 제어로 작동합니다.

이러한 애플리케이션에서는 듀얼 엔코더를 이용한 관절 토크 직접 추정이 필요하지 않을 수 있습니다.

4. 비용과 간편한 통합이 우선인 경우

두 번째 엔코더는 부품 비용, 기계적 통합 작업, 신호 처리 요건 및 시운전 작업을 증가시킬 수 있습니다.

실제 비용 차이는 엔코더 기술, 모듈 설계 및 생산량에 따라 달라집니다. 일률적인 비율이 아니라 공급업체 견적을 바탕으로 평가해야 합니다.

5. 부하와 작동 조건을 예측할 수 있는 경우

부하 프로파일이 안정적이고 작동 주기 전체에서 전달 오차가 허용 범위에 있다면 두 번째 엔코더의 성능상 이점은 제한적일 수 있습니다.

작동 속도만으로 결론을 내릴 수는 없습니다. 동적 거동과 제어 안정성도 고려해야 합니다.

예시: 이동형 매니퓰레이터의 힘 제어 청소 작업

청소 접촉력을 조절하기 위해 엔드 이펙터의 6축 힘/토크 센서를 사용하는 이동형 매니퓰레이터를 생각해 보겠습니다.

로봇 관절은 위치 제어로 작동하고, 어드미턴스 컨트롤러가 측정된 접촉력을 바탕으로 명령된 동작을 조정할 수 있습니다.

이 아키텍처에서는 시험을 통해 트래킹, 접촉력 조절 및 안정성이 허용 수준임을 확인한다면 적합한 감속기와 결합한 싱글 엔코더 관절 모듈로 충분할 수 있습니다.

향후 요구사항에 핸드 가이드 티칭이나 관절 공간 임피던스 제어가 포함된다면 추가 피드백이 유용할 수 있습니다. 가능한 선택지에는 출력 엔코더, 전용 관절 토크 센서 또는 검증된 다른 감지 및 추정 방식이 있습니다.

선택은 계획된 제어 아키텍처와 성능 요구사항에 따라야 합니다.

싱글 및 듀얼 엔코더 로봇 관절 모듈 비교

듀얼 엔코더는 로봇 기능 안전에 어떻게 기여할 수 있나요?

듀얼 피드백은 안전 아키텍처에 기여할 수 있지만, 엔코더 두 개만으로 Category 3, PL d, PL e 또는 SIL 3 기능이 자동으로 제공되는 것은 아닙니다.

동작 제어를 위한 위치 피드백과 기능 안전을 위한 이중화는 서로 관련은 있지만 별개의 설계 문제입니다.

1. 채널 아키텍처와 공통 원인 고장

서로 다른 위치에 설치된 두 센서가 반드시 독립적인 안전 채널인 것은 아닙니다. 전원 공급 장치, 전자 회로, 통신 경로 또는 환경적 취약성을 공유할 수 있습니다.

관련 ISO 13849-1 평가에서 공통 원인 고장 대책은 점수제로 평가합니다. 흔히 인용되는 기준은 100점 만점에 최소 65점이며, “CCF ≤65%”가 아닙니다.

장착 위치나 통신 프로토콜이 서로 다르다는 사실만으로는 적합성이 입증되지 않습니다.

2. 요구되는 안전 기능과의 통합

안전 관련 피드백은 전체 감지, 로직 및 드라이브 아키텍처에 통합해야 합니다.

애플리케이션에 따라 필요한 기능에는 안전 정지, 속도 제한, 위치 제한 또는 브레이크 제어가 포함될 수 있습니다.

고장 임계값과 대응 시간은 시스템 요구사항에서 도출해야 합니다. ±0.5°와 같은 고정 엔코더 불일치 한계를 보편적인 설정으로 간주해서는 안 됩니다.

힘 및 동력 제한을 사용하는 협동 작업에서는 영향을 받는 신체 부위, 접촉 유형, 힘 및 압력 등의 요소에 따라 허용 가능한 접촉 조건이 달라집니다. 150 N이라는 단일 한계값은 사람과 로봇 간의 안전한 접촉을 판단하는 보편적인 기준이 아닙니다.

3. 신뢰성과 진단 범위

안전 평가는 아키텍처, 부품 신뢰성, 진단 범위 및 공통 원인 고장을 고려합니다.

시간당 위험 고장 확률(PFHD)은 두 엔코더의 고장률 값을 단순히 병렬로 배치한다고 계산할 수 없습니다.

참고로 PL d 및 PL e에 해당하는 PFHD 범위는 다음과 같습니다.

PL d: 10⁻⁷ ≤ PFHD < 10⁻⁶ /시간.

PL e: 10⁻⁸ ≤ PFHD < 10⁻⁷ /시간.

수치 범위를 충족하는 것만으로 성능 수준이 확립되는 것은 아닙니다. 적용되는 다른 요구사항도 충족해야 합니다.

4. 고장 감지와 적절한 안전 대응

올바르게 설계된 시스템은 피드백 불일치를 이용해 특정 고장을 감지하고 적절한 대응을 시작할 수 있습니다.

그러나 엔코더 수만으로 시스템의 고장 안전 여부가 결정되는 것은 아닙니다. 단일 물리 엔코더에도 안전 관련 애플리케이션을 위한 독립 측정 채널과 진단 기능이 포함될 수 있으며, 적합한 안전 컨트롤러와 통합해야 합니다.

따라서 모든 싱글 엔코더 시스템이 엔코더 고장 시 제어 불능 상태가 된다거나, 모든 듀얼 엔코더 시스템이 특정 안전 무결성 수준을 충족한다고 가정하는 것은 잘못입니다.

휴머노이드 로봇 관절에 듀얼 엔코더 피드백이 유용한 이유는 무엇인가요?

휴머노이드 로봇은 변화하는 부하, 균형 유지 요건 및 빈번한 환경 상호작용을 수반하는 여러 관절로 구성됩니다.

이러한 특성으로 인해 정밀한 관절 상태 피드백이 중요합니다. 다만 감지 아키텍처는 로봇 설계마다 다르므로 듀얼 엔코더가 보편적으로 사용된다고 가정해서는 안 됩니다.

전달 장치 거동을 더 정확히 파악

기어식 관절에서는 백래시, 전달 오차 또는 탄성 변형으로 인해 모터 동작과 출력 동작이 다를 수 있습니다.

모터 측 엔코더는 모터 위치만 측정합니다. 출력 엔코더는 실제 관절 각도에 대한 직접적인 정보를 추가로 제공합니다.

이를 통해 로봇 컨트롤러가 활용할 수 있는 관절 위치 정보가 향상될 수 있습니다.

부하에 따른 변형 측정

로봇이 체중을 이동하거나 발을 디디거나 외부 하중을 다룰 때 관절과 전달 부품이 변형될 수 있습니다.

직렬 탄성 액추에이터와 같은 의도적인 순응성 관절에서는 탄성 요소 양쪽에 상대적인 움직임이 추가로 발생할 수 있습니다.

전달 장치 양쪽을 측정하면 이러한 거동을 파악하는 데 도움이 됩니다. 적절한 모델과 결합하면 이 피드백을 제어 및 추정에 활용할 수 있습니다.

그러나 듀얼 엔코더만으로 동적 균형이 보장되지는 않습니다. 전체 성능은 로봇의 기계 설계, 관성 감지, 접촉 정보, 상태 추정 및 제어 알고리즘에도 좌우됩니다.

기동 시 절대 출력 위치

절대형 출력 엔코더는 전원을 켰을 때 측정 범위 내의 관절 위치를 보고할 수 있어 원점 복귀 동작의 필요성을 줄입니다.

이 기능은 엔코더의 절대 측정 기술에서 비롯되며, 엔코더 두 개를 사용하는 데서 비롯되는 것은 아닙니다.

싱글 엔코더도 절대형일 수 있고, 듀얼 엔코더 구성에 증분형 센서를 사용할 수도 있습니다.

필요한 경우 보정, 회전 횟수 추적 및 기동 시 점검을 계속 수행해야 합니다. 기동 시 관절 각도를 알고 있다고 해서 휴머노이드 로봇이 안전하게 서 있거나 움직이기 시작할 수 있다고 보장되는 것은 아닙니다.

싱글 및 듀얼 엔코더 관절 모듈은 어떻게 선택하나요?

먼저 완성된 로봇의 요구사항을 확인한 다음, 각 관절에 필요한 피드백을 결정하세요.

다음 질문을 고려하세요.

출력 위치 결정 정확도와 반복 정밀도는 어느 정도여야 하나요?

예상 부하에서 백래시, 유격 및 비틀림 변형은 어느 정도 발생하나요?

힘 제어에 모터 전류 추정, 탄성 요소 모델, 관절 토크 센서 또는 엔드 이펙터 힘/토크 센서 중 무엇을 사용하나요?

컨트롤러가 듀얼 루프 작동과 적절한 튜닝을 지원하나요?

기동 시 절대 출력 위치가 필요한가요?

시스템에 어떤 진단 및 안전 기능이 필요한가요?

성능상 이점이 추가 통합 비용을 정당화하나요?

완성된 시스템이 모터 측 피드백만으로 요구사항을 충족한다면 싱글 엔코더를 효과적으로 선택할 수 있습니다.

직접 출력 측정이 위치 결정, 전달 장치 모니터링 또는 순응성 관절 제어에서 명확한 이점을 제공한다면 듀얼 엔코더 로봇 관절 모듈을 고려할 가치가 있습니다.

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