로봇 관절 모듈은 왜 이중 인코더를 사용할까요?

고성능 로봇 공학에서 이중 엔코더 로봇 관절의 중요성이 점점 커지고 있습니다. 하지만 두 번째 엔코더를 추가하는 것은 단순히 센서를 하나 더 설치하는 것만으로는 충분하지 않습니다.

진정한 목적은 서로 다른 두 가지 질문에 답하는 것입니다.

모터가 얼마나 움직였습니까?

그리고

로봇 관절은 실제로 얼마나 움직였습니까?

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

이러한 이유로 듀얼 엔코더 로봇 관절은 더욱 완벽한 피드백 구조를 제공할 수 있습니다. 하나의 엔코더는 모터 측을 모니터링하고, 다른 하나는 관절 출력 측을 측정합니다. 이 두 엔코더를 통해 제어기는 모터의 동역학과 실제 관절 위치를 모두 관찰할 수 있습니다.

듀얼 엔코더 로봇 관절이란 무엇인가요?

일반적인 로봇 관절 이중 엔코더 구조는 다음과 같이 간략화할 수 있습니다.

모터 → 모터 측 엔코더 → 정밀 감속기 → 출력 측 엔코더 → 연결 출력

모터 측 엔코더는 모터 회전자 또는 입력축 근처에 설치됩니다. 주로 모터 정류, 자계 지향 제어(FOC), 속도 제어 및 모터 상태 추정을 위한 고속 피드백을 제공합니다.

출력측 엔코더(관절측 엔코더라고도 함)는 감속기 뒤에 설치되어 로봇 관절의 실제 각도 위치를 측정합니다.

이러한 아키텍처는 일반적으로 다음과 같이 설명됩니다.

• 듀얼 엔코더

• 이중 피드백

• 이중 루프 제어

• 모터 측 및 관절 측 피드백

두 엔코더가 반드시 동일한 기술을 사용할 필요는 없습니다. 적용 분야에 따라 로봇 관절에는 증분형 엔코더, 단회전 절대 엔코더 또는 다회전 절대 엔코더가 사용될 수 있습니다.

모터 측 엔코더만으로는 충분하지 않은 이유는 무엇일까요?

일반적인 단일 엔코더 로봇 관절에서 엔코더는 대개 모터 쪽에 설치됩니다.

컨트롤러는 모터의 위치를 알고 있으며 감속비에 따라 이론적인 출력 위치를 계산합니다.

θout ≈ θmotor / N

여기서 N은 감소율입니다.

이 접근 방식은 전송 시스템이 충분히 견고하고 예측 가능하다고 간주될 때 효과적입니다.

하지만 실제 로봇 관절은 이상적인 강성 전달 시스템이 아닙니다.

감속기는 전달 오차를 유발할 수 있으며, 유연한 부품은 하중을 받을 때 변형될 수 있습니다. 베어링, 커플링 및 출력 플랜지 또한 작은 기계적 편차를 발생시킬 수 있습니다. 온도 변화는 기계 구조와 엔코더 측정값 모두에 영향을 미칠 수 있습니다.

결과적으로:

계산된 관절 위치 ≠ 실제 관절 위치

이러한 차이점은 고성능 로봇 관절에 출력측 엔코더가 사용되는 주요 이유 중 하나입니다.

보조 엔코더는 특히 유연성, 백래시, 마찰 및 기타 기계적 교란의 영향을 받는 로봇 관절에서 전달 오류를 식별하고 보정하기 위한 추가적인 피드백을 제공할 수 있습니다.

듀얼 엔코더의 핵심 장점: 리듀서 이후의 상황 측정

듀얼 엔코더 액추에이터의 가장 중요한 개념은 간단합니다.

모터 측 엔코더는 변속기의 입력 측을 측정합니다.

출력측 인코더는 실제 관절 출력을 측정합니다.

그러면 제어기는 두 피드백 신호를 비교하여 모터 동작과 관절 동작 간의 차이점을 식별할 수 있습니다.

예를 들어, 모터는 명령된 위치로 회전할 수 있지만, 비틀림 변형, 전달 오류 또는 부하에 따른 기계적 거동으로 인해 출력 플랜지가 여전히 약간 어긋나 있을 수 있습니다.

단일 인코더 시스템은 다음과 같은 가정을 할 수 있습니다.

모터가 명령된 위치에 도달했으므로 관절도 명령된 위치에 도달했습니다.

이중 인코더 시스템은 다음을 식별할 수 있습니다.

모터는 명령된 위치에 도달했지만, 관절 출력에는 여전히 위치 오차가 있습니다.

이는 로봇 관절 모듈에서 이중 루프 피드백이 갖는 근본적인 장점 중 하나입니다.

1. 로봇 관절 위치 제어 개선

이중 엔코더 구조의 주요 장점 중 하나는 위치 루프가 실제 관절 출력으로부터 피드백을 사용할 수 있다는 것입니다.

기존의 모터 측 피드백 시스템에서 위치 제어기는 주로 모터의 위치를 관찰합니다.

이중 피드백을 사용하면 제어 아키텍처가 두 가지 기능을 분리할 수 있습니다.

모터 엔코더 → 모터 제어

출력 인코더 → 관절 위치 피드백

이를 통해 컨트롤러는 모터뿐만 아니라 감속기 이후의 실제 출력 위치까지 제어할 수 있습니다.

이 아키텍처는 특히 다음과 같은 경우에 유용합니다.

• 고정밀 로봇 관절

• 협동 로봇

• 휴머노이드 로봇 액추에이터

• 정밀 모션 시스템

• CNC 회전축

• 고성능 서보 메커니즘

정확한 궤적 추적이 필요한 응용 분야의 경우, 출력 측 위치 피드백은 변속기 관련 오류가 최종 관절 위치에 미치는 영향을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

2. 감속기 전달 오차 측정 및 보정

흔히 오해하는 것 중 하나는 듀얼 엔코더가 단순히 "백래시를 제거할 수 있다"는 것입니다.

이는 엄밀히 말하면 정확하지 않습니다.

이중 엔코더 로봇 관절은 기계적으로 백래시를 제거하는 것이 아닙니다. 대신, 두 번째 엔코더를 통해 제어 시스템은 모터 측과 출력 측 동작의 차이를 측정하고 제어 알고리즘을 통해 전달 오차의 일부를 보정할 수 있습니다.

감속기 및 기계 설계에 따라 관련 오류 원인은 다음과 같습니다.

• 전송 오류

• 비틀림 변형

• 히스테리시스

• 마찰

• 탄성 변형

• 조립 오류

• 열 드리프트

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

그러므로 더 정확한 설명은 다음과 같습니다.

이중 엔코더는 전송 오류 측정 및 보정을 가능하게 합니다.

오히려:

이중 인코더는 백래시를 제거합니다.

이러한 차이점은 하모닉 드라이브 로봇 관절이나 기타 정밀 감속기 기반 액추에이터의 실제 성능을 평가할 때 중요합니다.

3. 실제 관절 위치 피드백 개선

인코더 해상도가 높다고 해서 로봇의 위치 정확도가 자동으로 높아지는 것은 아닙니다.

다음 세 가지 기술적 개념을 명확하게 구분해야 합니다.

해결

해상도는 인코더가 구별할 수 있는 최소 위치 증분을 나타냅니다.

예를 들어, 23비트 단회전 엔코더는 다음과 같은 기능을 제공합니다.

2²³ = 8,388,608회 회전당 카운트

이론적인 각도 증가는 대략 다음과 같습니다.

카운트당 0.154 아크초

하지만 이는 인코더 해상도일 뿐, 로봇 관절의 전체적인 위치 정확도는 아닙니다.

정확성

정확도는 측정된 위치가 실제 물리적 위치와 얼마나 일치하는지를 나타냅니다.

반복성

반복성은 동일한 동작을 반복했을 때 시스템이 얼마나 일관되게 동일한 위치로 복귀하는지를 나타냅니다.

그러므로:

높은 인코더 해상도 ≠ 높은 시스템 정확도

로봇 관절의 최종 성능은 엔코더 정확도, 감속기 전달 오차, 베어링 런아웃, 기계적 강성, 열 효과, 교정 및 제어 알고리즘을 포함한 전체 시스템에 따라 달라집니다.

따라서 듀얼 엔코더 피드백은 엔코더 비트 수만으로 평가하기보다는 전체 모션 제어 아키텍처의 일부로 평가해야 합니다.

4. 운동 동작과 실제 관절 동작을 분리합니다.

이는 로봇 관절 이중 엔코더 구조의 또 다른 중요한 장점입니다.

100:1의 감속비를 사용하는 로봇 관절을 생각해 보세요.

모터는 비교적 큰 각도로 회전할 수 있지만, 출력 관절은 그 각도의 아주 작은 부분만 회전할 수 있습니다.

동시에 외부 하중의 변화에 따라 감속기 및 기계 구조가 약간 변형될 수 있습니다.

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

출력 엔코더는 관절 측면에서 직접적인 피드백을 제공합니다.

따라서 제어 시스템은 서로 다른 두 가지 상태를 관찰할 수 있습니다.

운동 역학

그리고

관절 역학

이러한 구분은 고속 로봇 동작, 동적 부하 변화 및 고정밀 궤적 제어에서 점점 더 중요해집니다.

듀얼 엔코더는 전원 차단 후 위치 손실을 방지할 수 있습니까?

정답은 다음과 같습니다.

도움이 될 수는 있지만, 듀얼 엔코더만으로는 호밍 현상을 자동으로 없앨 수는 없습니다.

로봇 관절이 전원 손실 후에도 위치를 유지할 수 있는지 여부는 주로 엔코더 유형과 다회전 위치 유지 메커니즘에 달려 있습니다.

증분 인코더

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

단일 회전 절대 엔코더

단회전 절대 엔코더는 한 바퀴 회전 내의 각도 위치를 식별할 수 있지만, 그 자체로는 무제한의 다회전 위치 정보를 제공하지는 않습니다.

다회전 절대 엔코더

다회전 절대 엔코더는 단일 회전 위치와 여러 회전에 걸친 누적 회전 위치를 모두 제공할 수 있습니다.

다회전 위치 유지 기능은 배터리 백업 시스템, 기계식 계수 메커니즘 및 배터리 없이 작동하는 위치 유지 기술을 포함한 다양한 기술을 사용하여 구현할 수 있습니다.

예를 들어, 오리엔탈 모터의 ABZO 엔코더는 배터리가 필요 없는 기계식 절대 위치 시스템을 사용하여 전원이 차단된 후에도 위치 정보를 유지할 수 있습니다.

따라서 공학적 관계는 다음과 같이 설명하는 것이 더 적절합니다.

듀얼 엔코더 + 적절한 다회전 절대 피드백 → 기존 호밍 동작의 잠재적 감소 또는 제거

오히려:

듀얼 엔코더 → 호밍 기능 자동 제거

듀얼 엔코더가 로봇의 기능 안전성을 향상시킬 수 있을까요?

네, 하지만 중요한 차이점을 구분해야 합니다.

인코더가 두 개라고 해서 자동으로 기능 안전 이중화가 보장되는 것은 아닙니다.

적절한 진단, 오류 감지 및 안전 아키텍처 없이 두 개의 엔코더를 기존 컨트롤러에 단순히 연결하는 경우, 해당 시스템은 자동으로 PL d, PL e, SIL 2 또는 SIL 3 등급을 획득할 수 없습니다.

안전 관련 응용 분야에서 이중 피드백의 가치는 제어기가 서로 다른 두 위치 측정값을 비교할 수 있다는 데 있습니다.

예를 들어:

모터 엔코더 위치 ≠ 조인트 엔코더 위치

다음과 같은 의미를 나타낼 수 있습니다:

• 인코더 오류

• 기계식 변속기 고장

• 감소기 손상

• 축 또는 연결부 문제

• 예상치 못한 기계적 변위

• 통신 또는 신호 오류

그러면 제어 시스템은 비정상적인 상태를 감지하고 적절한 오류 대응 조치를 실행할 수 있습니다.

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

따라서 기술적으로 정확한 표현은 다음과 같습니다.

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

이중 엔코더는 기능 안전 표준과 어떤 관련이 있습니까?

로봇 관절의 기능적 안전성은 단 하나의 엔코더에 의해 결정되는 것이 아닙니다.

이는 완전한 안전 관련 제어 시스템을 기반으로 합니다.

관련 표준에는 다음이 포함될 수 있습니다.

IEC 61508

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

IEC 61800-5-2

안전 토크 차단(STO) 및 기타 구동 관련 안전 기능을 포함하여 동력 구동 시스템의 안전 관련 기능을 정의합니다.

IEC 61800-5-3

기능 안전 애플리케이션에 사용되는 안전 관련 인코더에 대한 요구 사항을 제공합니다.

EN ISO 13849-1

제어 시스템의 안전 관련 부분을 다루고 성능 수준(PL)을 정의합니다.

ISO 10218-1:2025

산업용 로봇 시스템의 안전 요구사항을 명시합니다.

ISO 10218-2:2025

산업용 로봇 애플리케이션 및 로봇 셀에 대한 안전 요구 사항을 다룹니다.

핵심은 이중 엔코더가 안전 관련 피드백 아키텍처의 일부가 될 수 있지만, 엔코더 개수만으로 최종 안전 수준이 결정되는 것은 아니라는 점입니다.

시스템 아키텍처, 진단 범위, 오류 대응, 공통 원인 오류 방지 및 검증을 모두 고려해야 합니다.

듀얼 엔코더와 싱글 엔코더 로봇 관절 비교

단일 엔코더와 이중 엔코더 중 어떤 것을 선택할지는 용도에 따라 다릅니다.

기능: 싱글 엔코더, 듀얼 엔코더

모터 위치 피드백 예 예

직접 출력 위치 피드백 일반적으로 아니오 예

전송 오류 모니터링 기능 개선됨

이중 루프 제어 제한됨 예

감속기 오류 보정 제한적 개선

다회전 절대 위치 센서는 엔코더에 따라 다릅니다.

오류 교차 검증 제한적 개선

시스템 복잡성 낮음 높음

비용 낮음 높음

고성능 접합부에 적합하며, 적용 분야에 따라 장점이 다릅니다.

비용에 민감한 로봇 관절이나 전송 정확도가 이미 충분한 시스템의 경우, 단일 엔코더로도 충분할 수 있습니다.

듀얼 엔코더 아키텍처는 높은 위치 결정 성능, 전송 오류 보정, 고급 모션 제어 또는 추가 위치 진단이 필요한 애플리케이션에서 더욱 매력적인 선택지가 됩니다.

로봇 관절에 듀얼 엔코더가 모두 사용되지 않는 이유는 무엇일까요?

듀얼 엔코더가 추가적인 피드백을 제공한다면 왜 모든 곳에 사용하지 않는 걸까요?

답은 시스템 복잡성입니다.

출력 인코더를 추가하면 다음과 같은 이점이 있습니다.

• BOM 비용

• 기계적 통합의 복잡성

• 배선 요구 사항

• EMC 설계 요구사항

• 교정 요구 사항

• 컨트롤러 복잡성

• 진단 요구사항

• 조립 요구 사항

출력측 엔코더는 기계적 설치 오류에 민감할 수도 있습니다.

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

그러므로 목표는 가능한 한 많은 센서를 설치하는 것이 아닙니다.

목표는 요구되는 로봇 관절 성능에 적합한 피드백 아키텍처를 사용하는 것입니다.

일반적인 이중 인코더 로봇 관절 구조

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

모터 측 피드백

모터 측 엔코더는 주로 다음을 지원합니다.

정류

필드 지향 제어(FOC)

전류 및 속도 제어

모터 위치 피드백

동적 모터 제어를 위해서는 피드백이 충분히 빠르고 안정적이어야 합니다.

관절측 피드백

관절측 인코더는 주로 다음과 같은 기능을 제공합니다.

• 실제 관절 위치

• 출력 위치 피드백

• 전송 오류 모니터링

• 기계적 상태 모니터링

감속기 뒤에 설치되기 때문에 모터 측 엔코더에서 직접 얻을 수 없는 정보를 제공합니다.

제어 장치

컨트롤러는 두 가지 피드백 소스를 모두 결합합니다.

• 모터 위치 → 모터 상태

• 출력 위치 → 관절 상태

• 위치 차이 → 전송 및 기계적 오류 정보

이는 로봇 관절에 대한 더욱 완전한 피드백 루프를 생성합니다.

듀얼 엔코더는 단순히 정확도 향상 이상의 의미를 지닙니다.

두 개의 인코더를 사용하는 가장 중요한 이유는 단순히 인코더 해상도를 높이기 위한 것만이 아닙니다.

이는 측정 대상을 더욱 완벽하게 만들기 위함입니다.

단일 인코더는 주로 다음을 측정합니다.

• 모터

• 이중 인코더 시스템은 다음을 측정합니다.

• 모터 + 조인트

이를 통해 제어 시스템은 모터의 움직임과 실제 관절의 움직임을 구분할 수 있습니다.

그러한 구분은 로봇 관절에 하모닉 드라이브나 RV 감속기와 같은 고비율 정밀 감속기가 포함된 경우 특히 중요합니다.

듀얼 엔코더 로봇 관절은 언제 사용해야 할까요?

로봇 관절에 다음 중 하나 이상의 기능이 필요한 경우 이중 엔코더 아키텍처를 고려해 볼 만합니다.

고정밀 관절 위치 지정

최종 출력 위치가 계산된 모터 위치보다 더 중요할 때.

전송 오류 보상

감속기 및 기계식 변속 오차를 측정하고 보정해야 할 때.

고급 모션 제어

제어 시스템이 모터와 관절 양쪽으로부터 정확한 피드백을 필요로 할 때.

절대 다회전 위치 지정

로봇이 전원 손실 후에도 관절 위치 정보를 유지해야 할 때.

위치 기반 진단

모터 측과 관절 측 위치를 지속적으로 비교하여 비정상적인 기계적 동작을 감지해야 할 때.

기능 안전 아키텍처

완전한 안전 관련 제어 시스템의 일부로 중복 또는 교차 검증된 위치 피드백이 필요한 경우.

차세대 로봇 액추에이터에 이중 엔코더 피드백이 중요한 이유는 무엇일까요?

협동 로봇, 휴머노이드 로봇 및 고성능 산업용 로봇이 더욱 높은 정밀도, 빠른 반응 속도 및 향상된 진단 기능을 요구함에 따라 로봇 관절 구조는 더욱 정교해지고 있습니다.

전통적인 구조:

모터 + 감속기 + 엔코더

점점 다음과 같은 방향으로 진화하고 있습니다:

모터 + 모터 엔코더 + 정밀 감속기 + 조인트 엔코더 + 컨트롤러

핵심적인 변화는 단순히 센서를 하나 더 추가한 것이 아닙니다.

이는 운동 동작을 통해 관절 위치를 추정하는 것에서 실제 관절 상태를 직접 측정하는 것으로의 전환을 의미합니다.

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

이중 엔코더 아키텍처를 통해 컨트롤러는 전송 체인의 양쪽에 접근할 수 있습니다.

이는 다음과 같은 사항에 대해 더욱 견고한 기반을 제공합니다:

• 고정밀 위치 제어

• 전송 오류 보상

• 공동국가 감시

• 이중 루프 모션 제어

• 고급 로봇 동작 제어

• 선택된 기능 안전 아키텍처

다시 말해, 듀얼 엔코더는 단순히 "센서 하나 더"를 의미하는 것이 아닙니다.

이는 로봇 관절 내부에 보다 완전한 입력-전송-출력 피드백 체인을 생성합니다.

차세대 로봇 액추에이터의 경우, 관절 위치를 추정하는 것에서 관절 동작을 직접 측정하는 것으로의 전환은 단순히 엔코더 해상도를 높이는 것보다 더 가치 있을 수 있습니다.