로봇 관절 모듈에 듀얼 엔코더를 사용하는 이유는 무엇입니까?

듀얼 엔코더 로봇 관절은 고성능 로봇공학에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 하지만 두 번째 엔코더를 추가하는 것은 단순히 센서를 하나 더 설치하는 문제가 아닙니다.

실제 목적은 서로 다른 두 가지 질문에 답하는 것입니다:

모터는 얼마나 움직였는가?

그리고

로봇 관절은 실제로 얼마나 움직였는가?

프레임리스 토크 모터, 정밀 감속기, 엔코더 및 출력 플랜지로 구성된 로봇 관절 모듈에서 모터 측 엔코더는 모터 위치와 속도를 정확하게 측정할 수 있습니다. 그러나 실제 관절 출력은 여전히 전달 오차, 비틀림 변형, 마찰, 열 드리프트, 조립 공차 및 외부 하중 변화의 영향을 받을 수 있습니다.

이것이 듀얼 엔코더 로봇 관절이 더 완전한 피드백 아키텍처를 제공할 수 있는 이유입니다. 하나의 엔코더는 모터 측을 모니터링하고, 다른 하나는 관절 출력 측을 측정합니다. 함께 사용하면 컨트롤러가 모터 동특성과 실제 관절 위치를 모두 관찰할 수 있습니다.

듀얼 엔코더 로봇 관절이란?

일반적인 로봇 관절 듀얼 엔코더 아키텍처는 다음과 같이 단순화할 수 있습니다:

모터 → 모터 측 엔코더 → 정밀 감속기 → 출력 측 엔코더 → 관절 출력

모터 측 엔코더는 모터 로터 또는 입력축 가까이에 설치됩니다. 주로 모터 정류, 자속 지향 제어(FOC), 속도 제어 및 모터 상태 추정을 위한 고속 피드백을 제공합니다.

관절 측 엔코더라고도 하는 출력 측 엔코더는 감속기 후단에 설치되며 로봇 관절의 실제 각도 위치를 측정합니다.

이 아키텍처는 일반적으로 다음과 같이 설명됩니다:

• 듀얼 엔코더

• 듀얼 피드백

• 이중 루프 제어

• 모터 측 및 관절 측 피드백

두 엔코더가 반드시 동일한 기술을 사용할 필요는 없습니다. 적용 분야에 따라 로봇 관절은 증분형 엔코더, 단회전 절대값 엔코더 또는 다회전 절대값 엔코더를 사용할 수 있습니다.

모터 측 엔코더만으로는 왜 충분하지 않은가?

기존의 단일 엔코더 로봇 관절에서 엔코더는 일반적으로 모터 측에 설치됩니다.

컨트롤러는 모터 위치를 알고 감속비에 따라 이론적인 출력 위치를 계산합니다:

θout ≈ θmotor / N

여기서 N은 감속비입니다.

이 방식은 전달 시스템이 충분히 강성이 높고 예측 가능하다고 간주될 때 효과적으로 작동합니다.

그러나 실제 로봇 관절은 이상적인 강체 전달 시스템이 아닙니다.

감속기는 전달 오차를 유발할 수 있으며, 유연한 부품은 하중 하에서 변형될 수 있습니다. 베어링, 커플링 및 출력 플랜지도 작은 기계적 편차를 유발할 수 있습니다. 온도 변화는 기계 구조와 엔코더 측정값 모두에 추가적인 영향을 줄 수 있습니다.

그 결과:

계산된 관절 위치 ≠ 실제 관절 위치

이 차이는 고성능 로봇 관절에 출력 측 엔코더를 사용하는 주요 이유 중 하나입니다.

보조 엔코더는 특히 유연성, 백래시, 마찰 및 기타 기계적 교란의 영향을 받는 로봇 관절에서 전달 오차를 식별하고 보상하기 위한 추가 피드백을 제공할 수 있습니다.

듀얼 엔코더의 핵심 이점: 감속기 후단에서 발생하는 현상 측정

듀얼 엔코더 액추에이터의 가장 중요한 개념은 간단합니다:

모터 측 엔코더는 전달 장치의 입력 측을 측정합니다.

출력 측 엔코더는 실제 관절 출력을 측정합니다.

그러면 컨트롤러는 두 피드백 신호를 비교하여 모터 운동과 관절 운동 간의 차이를 식별할 수 있습니다.

예를 들어, 모터가 명령된 위치까지 회전했더라도 비틀림 변형, 전달 오차 또는 하중 의존적 기계 거동으로 인해 출력 플랜지는 여전히 약간 변위되어 있을 수 있습니다.

단일 엔코더 시스템은 다음과 같이 가정할 수 있습니다:

모터가 명령 위치에 도달했으므로 관절도 명령 위치에 도달했다.

듀얼 엔코더 시스템은 다음을 식별할 수 있습니다:

모터는 명령 위치에 도달했지만 관절 출력에는 여전히 위치 오차가 있다.

이는 로봇 관절 모듈에서 이중 루프 피드백의 근본적인 장점 중 하나입니다.

1. 로봇 관절 위치 제어 향상

듀얼 엔코더 아키텍처의 주요 장점 중 하나는 위치 루프가 실제 관절 출력의 피드백을 사용할 수 있다는 점입니다.

기존 모터 측 피드백 시스템에서 위치 컨트롤러는 주로 모터 위치를 관찰합니다.

듀얼 피드백을 사용하면 제어 아키텍처가 두 기능을 분리할 수 있습니다:

모터 엔코더 → 모터 제어

출력 엔코더 → 관절 위치 피드백

이를 통해 컨트롤러는 모터뿐 아니라 감속기 후단의 실제 출력 위치도 제어할 수 있습니다.

이 아키텍처는 특히 다음에 유용합니다:

• 고정밀 로봇 관절

• 협동 로봇

• 휴머노이드 로봇 액추에이터

• 정밀 모션 시스템

• CNC 회전축

• 고성능 서보 메커니즘

정확한 궤적 추종이 필요한 응용 분야에서 출력 측 위치 피드백은 최종 관절 위치에 대한 전달 관련 오차의 영향을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

2. 감속기 전달 오차 측정 및 보상

일반적인 오해는 듀얼 엔코더가 단순히 “백래시를 제거”할 수 있다는 것입니다.

이는 기술적으로 정확하지 않습니다.

듀얼 엔코더 로봇 관절은 백래시를 기계적으로 제거하지 않습니다. 대신 두 번째 엔코더를 통해 제어 시스템은 모터 측과 출력 측 운동의 차이를 측정하고 제어 알고리즘으로 전달 오차의 일부를 보상할 수 있습니다.

감속기 및 기계 설계에 따라 관련 오차 원인에는 다음이 포함될 수 있습니다:

• 전달 오차

• 비틀림 변형

• 히스테리시스

• 마찰

• 탄성 변형

• 조립 오차

• 열 드리프트

모터 측 및 관절 측 위치 피드백을 비교하여 컨트롤러는 오차 모델을 구축하고 관절 위치, 방향, 속도, 하중 및 기타 작동 조건에 따라 보상을 적용할 수 있습니다.

따라서 더 정확한 설명은 다음과 같습니다:

듀얼 엔코더는 전달 오차 측정과 보상을 가능하게 합니다.

다음이 아니라:

듀얼 엔코더는 백래시를 제거합니다.

이 구분은 하모닉 드라이브 로봇 관절 또는 기타 정밀 감속기 기반 액추에이터의 실제 성능을 평가할 때 중요합니다.

3. 실제 관절 위치 피드백 향상

높은 엔코더 분해능이 자동으로 높은 로봇 위치 정확도를 의미하지는 않습니다.

세 가지 기술 개념을 명확히 구분해야 합니다:

분해능

분해능은 엔코더가 구별할 수 있는 가장 작은 위치 증분을 나타냅니다.

예를 들어, 23비트 단회전 엔코더는 다음을 제공합니다:

2²³ = 회전당 8,388,608 카운트

이론적 각도 증분은 약 다음과 같습니다:

카운트당 0.154 arcsec

그러나 이는 엔코더 분해능이며 로봇 관절의 전체 위치 정확도는 아닙니다.

정확도

정확도는 측정된 위치가 실제 물리적 위치와 얼마나 근접하게 일치하는지를 나타냅니다.

반복정밀도

반복정밀도는 동일한 동작을 반복할 때 시스템이 동일한 위치로 얼마나 일관되게 복귀하는지를 나타냅니다.

따라서:

높은 엔코더 분해능 ≠ 높은 시스템 정확도

로봇 관절의 최종 성능은 엔코더 정확도, 감속기 전달 오차, 베어링 런아웃, 기계 강성, 열 영향, 보정 및 제어 알고리즘을 포함한 전체 시스템에 따라 달라집니다.

이 때문에 듀얼 엔코더 피드백은 엔코더 비트 수만으로 평가하지 말고 전체 모션 제어 아키텍처의 일부로 평가해야 합니다.

4. 모터 운동과 실제 관절 운동 분리

이는 로봇 관절 듀얼 엔코더 아키텍처의 또 다른 중요한 장점입니다.

100:1 감속비를 사용하는 로봇 관절을 생각해 보십시오.

모터는 비교적 큰 각도로 회전할 수 있지만 출력 관절은 그 각도의 작은 일부만 회전합니다.

동시에 외부 하중이 변하면 감속기와 기계 구조가 약간 변형될 수 있습니다.

따라서 컨트롤러는 모터 엔코더로부터 이론적 관절 위치를 계산할 수 있지만, 이것이 반드시 실제 출력 위치를 나타내는 것은 아닙니다.

출력 엔코더는 관절 측에서 직접 피드백을 제공합니다.

따라서 제어 시스템은 서로 다른 두 상태를 관찰할 수 있습니다:

모터 동특성

그리고

관절 동특성

이러한 구분은 고속 로봇 운동, 동적 하중 변화 및 고정밀 궤적 제어에서 점점 더 중요해집니다.

듀얼 엔코더는 전원 차단 후 위치 손실을 방지할 수 있는가?

답은 다음과 같습니다:

도움이 될 수 있지만, 듀얼 엔코더만으로는 자동으로 원점 복귀를 없애지 않습니다.

로봇 관절이 전원 손실 후 위치를 유지할 수 있는지는 주로 엔코더 유형과 다회전 위치 유지 메커니즘에 따라 달라집니다.

증분형 엔코더

증분형 엔코더는 일반적으로 전원 손실 후 절대 위치 정보를 유지하지 못하며 기준점 또는 원점 복귀 절차가 필요할 수 있습니다.

단회전 절대값 엔코더

단회전 절대값 엔코더는 한 회전 내의 각도 위치를 식별할 수 있지만, 그 자체로 무제한 다회전 위치 정보를 제공하지는 않습니다.

다회전 절대값 엔코더

다회전 절대값 엔코더는 단회전 위치와 여러 회전에 걸쳐 누적된 회전 위치를 모두 제공할 수 있습니다.

다회전 위치 유지는 배터리 백업 시스템, 기계식 카운팅 메커니즘 및 배터리리스 위치 유지 기술을 포함한 다양한 기술로 구현할 수 있습니다.

예를 들어 Oriental Motor의 ABZO 엔코더는 전원이 제거된 후에도 위치 정보를 유지할 수 있는 배터리리스 기계식 절대 위치 시스템을 사용합니다.

따라서 공학적 관계는 다음과 같이 설명하는 것이 더 적절합니다:

듀얼 엔코더 + 적절한 다회전 절대 피드백 → 기존 원점 복귀를 잠재적으로 축소 또는 제거

다음이 아니라:

듀얼 엔코더 → 원점 복귀를 자동으로 제거

듀얼 엔코더는 로봇 기능 안전을 향상할 수 있는가?

예, 하지만 중요한 구분이 필요합니다:

두 개의 엔코더가 있다고 해서 자동으로 기능 안전 이중화가 되는 것은 아닙니다.

적절한 진단, 고장 감지 및 안전 아키텍처 없이 두 엔코더를 단순히 기존 컨트롤러에 연결한다면, 시스템이 자동으로 PL d, PL e, SIL 2 또는 SIL 3을 주장할 수는 없습니다.

안전 관련 응용 분야에서 듀얼 피드백의 가치는 컨트롤러가 서로 다른 두 위치 측정값을 비교할 수 있다는 점입니다.

예를 들어:

모터 엔코더 위치 ≠ 관절 엔코더 위치

는 다음을 나타낼 수 있습니다:

• 엔코더 고장

• 기계적 전달 고장

• 감속기 손상

• 축 또는 커플링 문제

• 예기치 않은 기계적 변위

• 통신 또는 신호 오류

그런 다음 제어 시스템은 비정상 상태를 감지하고 적절한 고장 대응을 실행할 수 있습니다.

IEC 61800-5-3은 안전 관련 엔코더를 다루며, IEC 61800-5-2는 전력 구동 시스템의 안전 관련 기능을 다룹니다.

따라서 기술적으로 올바른 설명은 다음과 같습니다:

듀얼 엔코더는 기능 안전 아키텍처를 지원할 수 있지만, 최종 PL 또는 SIL 성능은 전체 안전 관련 시스템, 진단, 아키텍처 및 검증에 따라 달라집니다.

듀얼 엔코더는 기능 안전 표준과 어떤 관계가 있는가?

로봇 관절의 기능 안전은 단일 엔코더로 결정되지 않습니다.

이는 전체 안전 관련 제어 시스템을 기반으로 합니다.

관련 표준에는 다음이 포함될 수 있습니다:

IEC 61508

기능 안전 및 안전 무결성 수준(SIL)에 대한 일반 프레임워크를 제공합니다.

IEC 61800-5-2

Safe Torque Off(STO) 및 기타 드라이브 관련 안전 기능을 포함하여 전력 구동 시스템의 안전 관련 기능을 정의합니다.

IEC 61800-5-3

기능 안전 응용 분야에 사용되는 안전 관련 엔코더의 요구사항을 제공합니다.

EN ISO 13849-1

제어 시스템의 안전 관련 부품을 다루며 성능 수준(PL)을 정의합니다.

ISO 10218-1:2025

산업용 로봇 시스템의 안전 요구사항을 규정합니다.

ISO 10218-2:2025

산업용 로봇 응용 분야 및 로봇 셀의 안전 요구사항을 다룹니다.

핵심은 듀얼 엔코더가 안전 관련 피드백 아키텍처의 일부가 될 수 있지만, 엔코더 수만으로 최종 안전 수준이 결정되지는 않는다는 것입니다.

시스템 아키텍처, 진단 커버리지, 고장 대응, 공통 원인 고장 보호 및 검증을 모두 고려해야 합니다.

듀얼 엔코더와 단일 엔코더 로봇 관절 비교

단일 엔코더와 듀얼 엔코더 사이의 선택은 적용 분야에 따라 달라집니다.

특징 단일 엔코더 듀얼 엔코더

모터 위치 피드백 예 예

직접 출력 위치 피드백 일반적으로 아니오 예

전달 오차 모니터링 제한적 향상됨

이중 루프 제어 제한적 예

감속기 오차 보상 제한적 향상됨

다회전 절대 위치 엔코더에 따라 다름 엔코더에 따라 다름

고장 교차 점검 제한적 향상됨

시스템 복잡성 낮음 높음

비용 낮음 높음

고성능 관절 적합성 응용 분야에 따라 다름 강점

비용에 민감한 로봇 관절 또는 전달 정확도가 이미 충분한 시스템에는 단일 엔코더로도 충분할 수 있습니다.

높은 위치 성능, 전달 오차 보상, 고급 모션 제어 또는 추가 위치 진단이 필요한 경우 듀얼 엔코더 아키텍처가 더욱 매력적입니다.

모든 로봇 관절에 듀얼 엔코더를 사용하지 않는 이유는 무엇인가?

듀얼 엔코더가 추가 피드백을 제공한다면, 왜 모든 곳에 사용하지 않을까요?

답은 시스템 복잡성입니다.

출력 엔코더를 추가하면 다음이 증가합니다:

• BOM 비용

• 기계적 통합 복잡성

• 배선 요구사항

• EMC 설계 요구사항

• 보정 요구사항

• 컨트롤러 복잡성

• 진단 요구사항

• 조립 요구사항

출력 측 엔코더는 기계적 설치 오차에도 민감할 수 있습니다.

엔코더 편심, 축 런아웃, 플랜지 변형 및 커플링 오차는 모두 측정된 출력 위치에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 목표는 가능한 한 많은 센서를 설치하는 것이 아닙니다.

목표는 요구되는 로봇 관절 성능에 맞는 적절한 피드백 아키텍처를 사용하는 것입니다.

일반적인 듀얼 엔코더 로봇 관절 아키텍처

고성능 로봇 관절은 세 가지 주요 피드백 계층으로 이해할 수 있습니다.

모터 측 피드백

모터 측 엔코더는 주로 다음을 지원합니다:

정류

자속 지향 제어(FOC)

전류 및 속도 제어

모터 위치 피드백

피드백은 동적 모터 제어를 위해 충분히 빠르고 안정적이어야 합니다.

관절 측 피드백

관절 측 엔코더는 주로 다음을 제공합니다:

• 실제 관절 위치

• 출력 위치 피드백

• 전달 오차 모니터링

• 기계 상태 모니터링

감속기 후단에 설치되므로 모터 측 엔코더에서 직접 얻을 수 없는 정보를 제공합니다.

컨트롤러

컨트롤러는 두 피드백 소스를 결합합니다:

• 모터 위치 → 모터 상태

• 출력 위치 → 관절 상태

• 위치 차이 → 전달 및 기계 오차 정보

이로써 로봇 관절을 위한 더욱 완전한 피드백 루프가 형성됩니다.

듀얼 엔코더는 더 높은 정확도 이상의 의미를 가집니다

두 개의 엔코더를 사용하는 가장 중요한 이유는 단순히 엔코더 분해능을 높이기 위한 것이 아닙니다.

측정 대상을 더욱 완전하게 만들기 위한 것입니다.

단일 엔코더는 주로 다음을 측정합니다:

• 모터

• 듀얼 엔코더 시스템은 다음을 측정합니다:

• 모터 + 관절

이를 통해 제어 시스템은 모터 움직임과 실제 관절 움직임을 구분할 수 있습니다.

이 구분은 로봇 관절에 하모닉 드라이브 또는 RV 감속기와 같은 고감속비 정밀 감속기가 포함될 때 특히 중요합니다.

듀얼 엔코더 로봇 관절은 언제 사용해야 하는가?

로봇 관절에 다음 중 하나 이상이 필요한 경우 듀얼 엔코더 아키텍처를 고려할 가치가 있습니다:

고정밀 관절 위치 결정

계산된 모터 위치보다 최종 출력 위치가 더 중요한 경우입니다.

전달 오차 보상

감속기 및 기계 전달 오차를 측정하고 보상해야 하는 경우입니다.

고급 모션 제어

제어 시스템에 모터 측과 관절 측 모두의 정확한 피드백이 필요한 경우입니다.

절대 다회전 위치 결정

전원 손실 후에도 로봇이 관절 위치 정보를 유지해야 하는 경우입니다.

위치 기반 진단

비정상적인 기계 거동을 감지하기 위해 모터 측과 관절 측 위치를 지속적으로 비교해야 하는 경우입니다.

기능 안전 아키텍처

완전한 안전 관련 제어 시스템의 일부로 이중화 또는 교차 점검 위치 피드백이 필요한 경우입니다.

차세대 로봇 액추에이터에서 듀얼 엔코더 피드백이 중요한 이유는?

협동 로봇, 휴머노이드 로봇 및 고성능 산업용 로봇이 더 높은 정밀도, 더 빠른 응답 및 더 우수한 진단 기능을 계속 요구함에 따라 로봇 관절 아키텍처는 더욱 정교해지고 있습니다.

기존 구조:

모터 + 감속기 + 엔코더

는 점차 다음과 같이 발전하고 있습니다:

모터 + 모터 엔코더 + 정밀 감속기 + 관절 엔코더 + 컨트롤러

핵심 변화는 단순히 센서를 하나 더 추가하는 것이 아닙니다.

이는 모터 운동으로 관절 위치를 추정하는 방식에서 실제 관절 상태를 직접 측정하는 방식으로의 전환입니다.

하모닉 감속기를 사용하는 로봇 관절의 경우 이 차이는 특히 중요할 수 있습니다. 정밀 감속기는 높은 감속비, 높은 토크 밀도 및 컴팩트한 기계 구조를 제공하지만, 최종 관절 성능은 여전히 전달 오차, 비틀림 강성, 열 영향, 기계 공차 및 외부 하중의 영향을 받습니다.

듀얼 엔코더 아키텍처는 컨트롤러가 전달 체인의 양쪽 측면에 접근할 수 있게 합니다.

이는 다음을 위한 더 강력한 기반을 제공합니다:

• 고정밀 위치 제어

• 전달 오차 보상

• 관절 상태 모니터링

• 이중 루프 모션 제어

• 고급 로봇 모션 제어

• 선택된 기능 안전 아키텍처

다시 말해, 듀얼 엔코더는 단순히 “센서 하나를 더한 것”이 아닙니다.

이는 로봇 관절 내부에 더 완전한 입력-전달-출력 피드백 체인을 만듭니다.

차세대 로봇 액추에이터에서 관절 위치를 추정하는 방식에서 관절 거동을 직접 측정하는 방식으로의 이러한 전환은 단순히 엔코더 분해능을 높이는 것보다 더 가치 있을 수 있습니다.