왜 더 많은 기업이 통합형 로봇 관절 모듈을 선택할까요?

기존의 외부 구동 방식 관절 시스템에서는 개발자가 모터, 기어박스, 커플링, 서보 드라이브, 엔코더 등 여러 구성 요소를 선택하고 통합해야 합니다. 또한 기계적 정렬, 케이블 배선, 서보 파라미터 조정, 시스템 수준의 시운전도 직접 처리해야 합니다.

An통합 하모닉 로봇 관절 모듈은 프레임리스 토크 모터, 하모닉 감속기, 크로스 롤러 출력 베어링, FOC 서보 드라이브 보드, 절대 엔코더(단일 또는 이중), 옵션 브레이크 등 주요 구성 요소를 하나의 하우징에 결합합니다.

이 통합 구조는 기계 설계를 단순화하고 설치 복잡성을 줄이며 시스템 통합을 개선하고 로봇 개발 주기를 단축할 수 있습니다.

이 글에서는 토크 밀도와 크기, 조립 신뢰성, 모션 제어 및 안전, 엔지니어링 개발 효율성, 실제 적용 분야, 잠재적 한계의 여섯 가지 관점에서 통합 로봇 관절 모듈과 기존 분산 구동 솔루션을 비교합니다.

1. 더 높은 토크 밀도와 컴팩트한 설계: 휴머노이드 로봇과 외골격 로봇을 위한 핵심 이점

중간 기계 부품 감소

기존의 분산형 관절 시스템에는 커플링, 모터 장착 브래킷, 감속기 어댑터 플레이트, 외부 서보 드라이브 하우징, 드라이브 장착 브래킷 등 여러 추가 부품이 필요할 수 있습니다.

이러한 부품은 추가적인 축 방향 및 반경 방향 공간을 차지하고 로봇의 전체 중량을 늘립니다.

예를 들어 HONPINEHPJM-RI80-110-PRO-2 통합 로봇 관절 모듈은 외경 110 mm의 하우징으로 정격 토크 133 Nm를 제공합니다.

비슷한 토크 요구 사항에 맞춰 설계된 분산형 솔루션과 비교하면, 통합 모듈은 별도의 장착 및 동력 전달 부품을 다수 제거할 수 있습니다. 모터, 감속기, 드라이브 및 구조 설계에 따라 설치 공간과 부품 수를 상당히 줄일 수 있습니다.

더 컴팩트한 로봇 설계를 위한 중공축 통합

통합 관절 모듈은 중공축 구조를 갖춘 경우가 많아 전원 케이블과 EtherCAT 및 CAN 같은 통신 케이블을 관절 중앙의 개구부로 통과시킬 수 있습니다.

따라서 모든 케이블을 관절 바깥쪽으로 배선할 필요가 없으며 내부 배치를 더 깔끔하게 구성할 수 있습니다.

적용 사례: ti5robot T140A 휴머노이드 로봇

ti5robot T140A 휴머노이드 로봇은 몸체 전체에 약 30개의 통합 관절 모듈을 사용합니다. 팔과 다리의 케이블을 중공 관절 구조 안으로 배선하여 외관을 컴팩트하게 유지할 수 있습니다.

분산 구동 구조에서는 로봇 팔다리 곳곳에 별도의 서보 드라이브와 추가 배선을 배치해야 합니다. 이로 인해 하우징 크기가 커지고 케이블 관리가 복잡해지며 움직이는 구조물의 중량이 늘어날 수 있습니다.

가동 질량 감소와 동적 성능 향상

로봇 시스템에서는 움직이는 부품의 중량이 관성과 동적 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

분산형 관절 설계에서는 추가 모터 브래킷, 어댑터 플레이트 및 기타 장착 구조물이 움직이는 링크의 질량을 늘릴 수 있습니다. 이러한 부품이 관절의 회전축에서 떨어져 배치되면 전체 관성 모멘트도 증가할 수 있습니다.

통합 관절 모듈은 구동 부품을 관절 하우징 안에 집약하여 로봇 링크에 필요한 추가 구조물의 수를 줄일 수 있습니다.

전체 기계 설계에 따라 가동 질량을 줄이고 가속도, 응답 속도 및 에너지 효율을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.

적용 사례: 하지 재활 외골격 로봇

하지 재활 외골격 로봇에서는 장치의 중량이 착용자의 신체적 부담에 직접적인 영향을 미칩니다.

HONPINEHPJM-RI60-80-PRO-2 통합 관절 모듈은 정격 토크 53 Nm를 제공합니다. 통합 설계로 추가 모터 장착 부품과 동력 전달 부품의 필요성을 줄여 더 컴팩트하고 가벼운 외골격 개발을 지원할 수 있습니다.

분산 구동 솔루션에서는 외부 서보 드라이브와 장착 구조물 때문에 팔다리 하우징이 커질 수 있으며, 이에 따라 사용자가 보행 및 재활 운동 중 지탱해야 하는 중량이 증가할 수 있습니다.

2. 조립 정밀도와 신뢰성 향상: 통합 과정에서 발생하는 오류 감소

공장 통합 및 교정으로 조립 위험 감소

분산형 관절 시스템의 주요 과제 중 하나는 기계 조립 시 높은 정밀도를 확보하는 것입니다.

개발자는 모터와 하모닉 감속기의 정렬이 정확한지 확인하고, 엔코더를 올바르게 설치하며, 요구되는 기계적 공차를 충족해야 합니다. 정렬이나 조립이 잘못되면 진동, 이상 소음, 감속기의 조기 마모, 부정확한 엔코더 판독이 발생할 수 있습니다.

통합 하모닉 관절 모듈은 주요 조립 및 교정 절차를 출하 전에 제조 시설에서 완료할 수 있습니다.

제조업체의 품질 관리 절차에 따라 이러한 작업에는 다음이 포함될 수 있습니다.

• 모터와 하모닉 감속기의 동축 정렬

• 감속기 조립 및 예압 관련 조정

• 엔코더 설치 및 교정

• 진동 및 소음 검사

• 출하 전 기능 시험

이를 통해 정밀 조립 작업의 상당 부분을 고객의 생산 라인에서 모듈 제조업체로 이전할 수 있습니다.

예를 들어, 자체 조립한 관절 시스템의 장착 플랜지 평면도 또는 위치 결정 형상이 요구 공차를 충족하지 못할 때 일부 고객은 이상 소음이나 진동을 경험합니다.

설계에서 지정한 H7/h7 끼워맞춤과 같은 표준화된 출력 위치 결정 형상을 갖춘 통합 관절 모듈은 기계적 설치를 간소화할 수 있습니다. 고객은 내부 감속기 부품을 조립하고 정렬하는 대신 주로 이에 맞는 부하 플랜지를 제작하면 됩니다.

통합 크로스 롤러 베어링으로 추가 지지 구조물의 필요성 감소

많은통합 하모닉 관절 모듈은 출력단에 크로스 롤러 베어링을 적용합니다.

이 베어링은 반경 방향 하중과 축 방향 하중을 함께 지지하도록 설계되어 있으며, 지정된 하중 한도 내에서 외부 부하를 관절 모듈 내부의 베어링 구조가 직접 지지할 수 있습니다.

분산형 설계에서는 반경 방향 힘과 전복 모멘트를 지지하기 위해 외부 지지 베어링을 추가해야 할 수 있습니다.

그러나 외부 베어링 배치가 적절히 설계되지 않으면 과구속, 설치 오류, 진동 및 이상 소음이 발생할 수 있습니다.

반대로 출력 지지가 충분하지 않으면 과도한 외부 하중이 이를 견디도록 설계되지 않은 부품에 전달되어 커플링 수명과 감속기 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

모듈의 허용 반경 하중, 축 하중 및 모멘트 용량이 해당 용도에 적합하다면 통합 출력 베어링 구조로 기계 설계를 간소화할 수 있습니다.

전기 연결 및 케이블 관리 간소화

통합 관절 모듈은 전원, 통신 및 피드백 인터페이스를 더 컴팩트한 후면 커버 또는 커넥터 어셈블리에 통합할 수 있습니다.

구성에 따라 CAN, EtherCAT 및 전원 연결 인터페이스를 제공할 수 있습니다. 일부 EtherCAT 버전은 여러 관절을 데이지 체인 방식으로 통신하기 위한 IN-OUT 연결도 지원합니다.

분산 구조에서는 각 모터에 별도의 전원 케이블, 모터 엔코더 케이블, 출력 엔코더 케이블, 외부 서보 드라이브 연결이 필요할 수 있습니다.

관절 수가 늘어날수록 케이블 하네스가 복잡해지고 커넥터와 잠재적인 전기적 고장 지점의 수도 증가합니다.

수십 개의 관절이 있는 휴머노이드 로봇에서는 케이블 배선, 커넥터 설치 및 유지보수가 상당한 엔지니어링 과제가 될 수 있습니다.

통합 모듈은 배선 복잡성을 줄이고 다축 시스템 통합을 간소화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

적용 사례: 오지 손가락을 갖춘 로봇 핸드

HONPINE HPJM-RI30-40-PRO-2 컴팩트 통합 관절 모듈은 오지 손가락 로봇 핸드의 손가락 구동과 같은 용도를 위해 설계되었습니다.

로봇 손가락 내부 공간은 매우 제한적입니다. 별도의 모터, 커플링 및 하모닉 감속기를 조합하는 기존 방식은 손가락 구조 안에 수용하기 어려울 수 있습니다.

주요 구동 부품을 컴팩트한 하우징에 통합함으로써 통합 관절 모듈은 소형 다관절 로봇 핸드 설계를 위한 실용적인 방안을 제공합니다.

3. 모션 제어 및 안전 기능 향상: 통합 드라이브와 엔코더 피드백

더욱 완전한 폐루프 제어를 위한 이중 엔코더 피드백

일부 통합 하모닉 관절 모듈은 모터 측 엔코더와 출력 측 엔코더를 하나씩 사용하는 이중 엔코더 구성을 지원합니다.

예를 들어 HONPINE HPJM-2E-EC 이중 엔코더 버전은 다음과 같은 구성을 사용합니다.

모터 측 엔코더: 모터 위치와 속도를 측정합니다.

출력 측 엔코더: 출력 플랜지의 실제 각도 위치를 측정합니다.

두 피드백 신호를 사용하면 제어 시스템이 모터 측과 출력 측의 움직임을 모두 모니터링할 수 있습니다.

이는 하모닉 드라이브 시스템에서 특히 유용합니다. 하중에 따른 탄성 변형으로 모터 측 위치와 실제 출력 위치 사이에 차이가 발생할 수 있기 때문입니다.

출력 플랜지를 직접 측정하는 이중 엔코더 구성은 출력 위치 피드백을 개선하고 동력 전달에 따른 위치 편차를 보정하는 데 도움이 될 수 있습니다.

분산 시스템에서 유사한 기능을 구현하려면 별도의 모터 및 출력 엔코더, 추가 배선, 호환 드라이브 하드웨어, 해당 피드백 및 제어 로직 개발이 필요합니다.

통합 이중 엔코더 모듈은 더 표준화된 하드웨어 및 피드백 구조를 제공하여 이 과정을 간소화할 수 있습니다.

고장 보호 기능을 갖춘 통합 위치·속도·전류 제어

통합 서보 드라이브는 다음 세 가지 기본 제어 루프를 지원할 수 있습니다.

• 위치 루프: 관절의 목표 각도 위치를 제어합니다.

• 속도 루프: 회전 속도를 조절합니다.

• 전류 루프: 모터 전류를 제어하고 토크 조절에 기여합니다.

드라이브 구성에 따라 통합 보호 기능에는 다음이 포함될 수 있습니다.

• 추종 오차 감지

• 과전압 및 저전압 보호

• 과전류 보호

• 온도 모니터링 및 보호

• 이중 엔코더 일관성 검사

EtherCAT 버전은 해당 CiA 402 오브젝트 딕셔너리, 예를 들어 0x603F 오류 코드 오브젝트를 통해 고장 정보를 제공할 수 있습니다. CAN 기반 버전은 지원되는 통신 오브젝트를 통해 고장 상태를 제공할 수 있습니다.

이러한 통합 기능은 고객이 수행해야 하는 기본 드라이브 및 고장 관리 개발 작업을 줄여줍니다.

분산 시스템에서는 개발자가 외부 서보 드라이브를 구성하고 제어 루프를 조정하며 필요한 고장 처리 로직을 구현해야 합니다.

예를 들어 로봇 관절이 기계적으로 막히는 경우 적절히 구성된 추종 오차 보호 기능이 비정상적인 움직임을 감지하고 보호 조치를 작동하는 데 도움이 될 수 있습니다. 적절한 모니터링 및 보호가 없으면 모터가 계속 출력하여 하모닉 감속기나 기타 기계 부품을 손상시킬 수 있습니다.

회생 제동 및 에너지 관리

로봇이 감속할 때 드라이브 구조에 따라 모터가 발전기로 작동하여 DC 버스에 에너지를 되돌려 보낼 수 있습니다.

통합 서보 드라이브는 전체 전원 시스템의 일부로 회생 에너지 처리를 지원할 수 있습니다.

그러나 여러 관절이 동시에 감속하면 DC 버스 전압이 상승할 수 있습니다. 따라서 시스템에는 적절한 에너지 흡수, 회생 또는 소산 용량이 필요합니다.

분산형 다축 시스템에서는 개발자가 개별 드라이브의 회생 에너지 처리 방식과 공용 전원 공급 장치의 DC 버스 전압 관리 방식도 고려해야 합니다.

통합 관절 모듈은 드라이브 수준의 통합을 간소화할 수 있지만, 회생 제동에는 여전히 적절한 시스템 수준의 전력 관리와 호환 하드웨어가 필요합니다.

4. 엔지니어링 개발 주기 단축 및 통합 복잡성 감소

모듈식 통합을 통한 로봇 개발 가속화

통합 로봇 관절 모듈은 표준화된 기계 인터페이스와 통신 프로토콜을 제공하여 개발 과정을 단축할 수 있습니다.

제품 구성에 따라 지원되는 통신 인터페이스에는 CANopen과 EtherCAT이 포함될 수 있습니다.

개발자는 모든 구동 부품을 처음부터 구성하는 대신 부하 구조 설계, 관절 배치, 케이블 배선 및 로봇 모션 제어에 더 집중할 수 있습니다.

일반적인 분산형 관절 개발 과정에는 다음 작업이 포함될 수 있습니다.

• 모터 선정

• 하모닉 감속기 선정

• 커플링 선정 및 검증

• 모터 장착 및 어댑터 플랜지 설계

• 기계 조립 및 정렬

• 엔코더 설치 및 교정

• 서보 드라이브 구성 및 파라미터 조정

• 다축 통신 및 시스템 시운전

각 단계에는 엔지니어링 리소스가 필요하며, 기계 조립과 시스템 디버깅에 상당한 시간이 걸릴 수 있습니다.

고객에게표준화된 통합 관절 모듈이 공급되면 이러한 작업의 상당 부분이 사전에 완료되어 있습니다.

적용 사례: 휴머노이드 로봇 연구개발

휴머노이드 로봇을 개발하는 대학 연구팀과 로봇 스타트업은 통합 관절 모듈을 사용해 시제품 개발을 가속화할 수 있습니다.

표준화된 통합 관절을 사용하는 프로젝트는 로봇의 복잡성과 개발 리소스에 따라 초기 기계 및 전기 통합을 2~3개월 이내에 완료할 수 있습니다.

이에 상응하는 완전 분산 구동 구조의 프로젝트는 부품 선정, 기계 설계, 조립, 교정 및 다축 시운전에 훨씬 더 많은 시간이 필요할 수 있습니다.

이 일정은 보장된 기간이 아니라 예시이며, 실제 개발 주기는 프로젝트 범위, 팀의 경험 및 시스템 복잡성에 따라 달라집니다.

BOM 부품 수 감소 및 공급망 간소화

An통합 관절 모듈은 여러 구동 부품을 하나의 제품 단위로 통합할 수 있습니다.

분산형 솔루션의 자재 명세서에는 다음 항목이 포함될 수 있습니다.

• 서보 모터

• 하모닉 감속기

• 커플링

• 출력 엔코더

• 외부 서보 드라이브

• 모터 장착 브래킷

• 어댑터 플랜지

• 드라이브 하우징

여러 케이블 어셈블리와 커넥터

이로 인해 구매, 검사, 보관 및 관리해야 하는 개별 품목의 수가 늘어납니다.

제조업체는 이러한 부품을 표준화된 관절 모듈에 통합하여 조달, 재고 관리 및 입고 품질 검사를 간소화할 수 있습니다.

표준화된 시험과 제품 일관성 향상

통합 관절 모듈은 출하 전에 표준화된 시험을 거칠 수 있습니다.

제조업체의 시험 프로그램과 제품 사양에 따라 검사 절차에는 다음이 포함될 수 있습니다.

• 토크-속도 성능 시험

• 소음 검사

• 진동 시험

• 엔코더 교정 및 검증

• 전기 안전 및 ESD 시험

• 고온 및 저온 시험

• 기능 작동 시험

분산 시스템에서는 각 조립 관절의 성능이 부품 공차, 조립 정밀도, 교정 절차 및 작업자 경험에 따라 달라질 수 있습니다.

공장 표준 조립 및 시험은 이러한 편차를 줄이고 모듈 간 일관성을 높이는 데 도움이 됩니다. 이는 다수의 관절을 갖춘 로봇이나 배치 생산 장비의 제조에서 특히 중요합니다.

5. 통합 로봇 관절 모듈은 어디에 사용되나요?

통합 하모닉 관절 모듈의 장점은 다양한 로봇 분야에 적합합니다.

대표적인 적용 분야는 다음과 같습니다.

휴머노이드 로봇: 컴팩트한 패키징, 높은 토크 밀도, 중공축 케이블 배선 및 이중 엔코더 피드백은 다관절 로봇 구조 개발을 지원합니다.

재활 외골격 로봇: 구동 부품 통합으로 관절 조립 복잡성을 줄이고 더욱 컴팩트한 웨어러블 설계를 지원할 수 있습니다.

협동 로봇: 통합 모션 제어와 옵션 브레이크 구성으로 컴팩트한 로봇 팔의 관절 통합을 간소화할 수 있습니다.

산업용 로봇 팔: 표준화된 관절 모듈은 기계 및 전기 통합 작업량을 줄이는 데 도움이 됩니다.

다지형 로봇 핸드: 컴팩트한 통합 모듈은 공간이 제한된 손가락 관절에 구동 솔루션을 제공할 수 있습니다.

모바일 매니퓰레이터: 통합 관절 모듈은 이동 플랫폼에 장착되는 로봇 팔의 기계 및 전기 설계를 간소화할 수 있습니다.

적합한 모듈은 필요한 토크, 속도, 크기, 중량, 중공축 직경, 피드백 구성, 통신 프로토콜 및 운전 조건에 따라 달라집니다.

6. 통합 로봇 관절 모듈은 분산 구동 시스템보다 항상 더 나은가요?

통합 관절 모듈은 상당한 장점을 제공하지만 모든 로봇 설계에 반드시 최선의 선택인 것은 아닙니다.

특정 용도에서는 분산 구조가 여전히 더 적합할 수 있습니다.

예를 들면 다음과 같습니다.

유연한 부품 선택: 분산 설계에서는 개발자가 특정 요구 사항에 따라 모터, 감속기 및 드라이브를 각각 선택할 수 있습니다.

특수 열 관리: 드라이브 전자부를 모터와 분리하면 일부 고출력 또는 연속 운전 용도에서 열을 더 쉽게 관리할 수 있습니다.

유지보수 및 교체 전략: 설계에 따라 분산 시스템에서는 관절 어셈블리 전체를 교체하지 않고 개별 부품만 교체할 수 있습니다.

기존 시스템과의 호환성: 일부 기존 로봇 플랫폼은 이미 표준 외부 서보 드라이브를 사용하고 있어 전체 구조를 변경하더라도 얻는 이점이 충분하지 않을 수 있습니다.

특수 운전 요구 사항: 일부 용도에는 표준 통합 모듈에서 제공하지 않는 맞춤형 기계 구조, 전력 전자 장치 또는 제어 구성이 필요합니다.

따라서 토크 밀도, 설치 공간, 열 성능, 유지보수 요구 사항, 제어 구조 및 전체 시스템 비용을 포함한 로봇의 전반적인 설계 목표를 바탕으로 선택해야 합니다.

결론: 더 많은 기업이 통합 로봇 관절 모듈을 선택하는 이유는 무엇인가요?

통합 로봇 관절 모듈의 도입이 확대되는 것은 개별 부품 통합에서 표준화된 모듈식 고집적 모션 시스템으로 전환하는 로봇 산업의 더 큰 흐름을 보여줍니다.

프레임리스 토크 모터, 하모닉 감속기, 출력 베어링, 서보 드라이브, 엔코더 피드백 및 옵션 브레이크를 하나의 컴팩트한 장치에 결합함으로써 통합 관절 모듈은 제조업체가 다음을 실현하는 데 도움이 될 수 있습니다.

• 기계 부품 수와 설치 공간 감소

• 관절 통합 개선 및 케이블 배선 간소화

• 조립에 따른 정렬 및 교정 작업 감소

• 더욱 완전한 폐루프 모션 제어 지원

• 다축 통신 및 시스템 통합 간소화

• 로봇 개발 주기 단축 및 공급망 관리 간소화

휴머노이드 로봇, 외골격 로봇, 협동 로봇 및 기타 다관절 로봇 시스템에서 이러한 장점 덕분에 통합 관절 모듈은 기존 분산 구동 구조의 매력적인 대안이 될 수 있습니다.

선택의 핵심은 단순히 통합 모듈과 개별 부품 중 하나를 고르는 것이 아닙니다. 로봇의 성능 요구 사항, 개발 리소스 및 장기적인 생산 목표에 가장 적합한 관절 구조를 선택하는 것입니다.