휴머노이드 로봇에서 전기식 로봇 관절 액추에이터가 유압 시스템을 대체하는 이유는 무엇인가？

휴머노이드 로봇은 새로운 발전 단계에 진입하고 있습니다. 로봇 플랫폼이 실험실 시연 단계에서 산업 현장 적용 단계로 이동함에 따라 관절 구동 시스템에 대한 요구사항도 빠르게 변화하고 있습니다.

수십 년 동안 유압 시스템은 높은 출력 밀도와 큰 동적 하중을 처리할 수 있는 능력으로 높은 평가를 받아 왔습니다. 그러나 휴머노이드 로봇의 발전은 소형화, 높은 효율, 정밀한 동작 제어, 낮은 유지보수 요구, 전자장치 통합, 배터리 구동 시스템과의 호환성 등 새로운 우선순위를 제시하고 있습니다.

이러한 배경으로 인해 전동 로봇 관절 액추에이터에 대한 관심이 점점 높아지고 있습니다.

이러한 전환은 주요 휴머노이드 로봇 플랫폼에서 이미 확인할 수 있습니다. Boston Dynamics는 유압식 Atlas를 퇴역시키고 실제 적용을 위해 설계된 완전 전동식 버전을 선보였습니다. 이 회사는 전동식 Atlas가 더 높은 강도와 더욱 넓은 동작 범위를 제공하면서 상용화를 추진하는 것을 목표로 한다고 밝혔습니다.

휴머노이드 로봇 제조업체에게 이제 중요한 질문은 전동식 또는 유압식 구동 방식이 충분한 힘을 생성할 수 있는지 여부가 아닙니다. 더욱 중요한 것은 어떤 기술이 출력, 정밀도, 효율, 통합성, 신뢰성 및 확장성을 가장 잘 조합할 수 있는가입니다.

휴머노이드 로봇 관절 액추에이터란 무엇인가?

로봇 관절 액추에이터는 로봇 관절에서 제어된 움직임을 생성하는 기계식 및 전기기계식 시스템입니다.

전동식 휴머노이드 로봇에서 일반적인 관절 액추에이터는 다음과 같은 여러 부품을 통합할 수 있습니다.

모터 + 정밀 감속기 + 엔코더 + 드라이버 + 베어링 + 브레이크 또는 토크 센서

관절 구조에 따라 다양한 전달 기술을 사용할 수 있습니다.

회전 관절의 경우 일반적인 솔루션으로 하모닉 감속기, 유성 기어박스 및 프레임리스 토크 모터가 있습니다.

선형 관절의 경우 제조업체는 유성 롤러 스크루, 볼 스크루, 랙 앤 피니언 메커니즘 또는 기타 회전-선형 변환 전달 시스템을 사용할 수 있습니다.

이러한 구분은 휴머노이드 로봇이 모든 관절에 하나의 동일한 액추에이터 구조를 사용하는 것이 아니기 때문에 중요합니다.

어깨, 팔꿈치, 손목, 고관절, 무릎 및 발목에는 회전식 액추에이터가 사용될 수 있으며, 일부 다리 또는 팔 메커니즘에는 모터의 회전을 선형 운동으로 변환하는 선형 액추에이터가 사용될 수 있습니다.

휴머노이드 로봇은 왜 전동식 구동 방식으로 전환하고 있는가?

전동식 구동 방식으로의 전환은 유압 시스템이 갑자기 로봇공학에 부적합해졌기 때문이 아닙니다.

유압 시스템은 여전히 우수한 출력 밀도, 높은 힘 출력 및 특정 외부 하중에 대한 강한 저항성을 제공합니다. 또한 EHA 시스템은 유압 동력과 현지 전기 제어 및 높은 통합성을 결합할 수 있기 때문에 전기 유압식 액추에이터에 대한 연구도 계속되고 있습니다.

그러나 휴머노이드 로봇은 전동식 시스템에 유리한 몇 가지 요구사항을 제시합니다.

더 높은 에너지 효율

휴머노이드 로봇은 일반적으로 내장 배터리로 구동됩니다.

따라서 많은 고정식 유압 기계보다 에너지 효율이 훨씬 더 중요합니다.

기존 유압 구조는 펌프를 구동하고 유체 압력을 유지하기 위해 에너지를 필요로 합니다. 또한 밸브, 저장 탱크, 호스 및 유압 회로와 같은 추가 부품도 필요합니다.

전동 관절 액추에이터는 모터와 전달 시스템을 통해 전기 에너지를 제어된 기계적 동작으로 직접 변환할 수 있습니다.

이러한 단순화된 에너지 경로는 특히 여러 관절이 동시에 작동해야 하는 배터리 구동 휴머노이드 로봇에 유리할 수 있습니다.

더욱 컴팩트한 시스템 통합

유압 로봇에는 유압 실린더 자체 외에도 다양한 부품이 필요합니다.

완전한 시스템에는 펌프, 밸브, 유체 저장 탱크, 배관, 씰 및 기타 유압 부품이 포함될 수 있습니다.

이러한 부품은 추가적인 설치 공간과 유지보수 요구사항을 발생시킵니다.

전동 로봇 관절 액추에이터는 모터, 감속기, 엔코더, 드라이버 및 기타 부품을 관절에 더욱 가깝게 통합할 수 있습니다.

이러한 분산형 구조는 액추에이터를 로봇의 실제 관절 형상에 맞춰 설계할 수 있기 때문에 휴머노이드 로봇에 특히 매력적입니다.

하나의 중앙 집중식 동력 시스템을 구축하고 로봇 전체에 유압을 분배하는 대신, 제조업체는 컴팩트한 전동 액추에이터를 각 관절에 직접 설치할 수 있습니다.

휴머노이드 로봇용 전동식 액추에이터와 유압식 액추에이터 비교

중요한 점은 전동식 구동이 단순히 유압 동력을 전기 모터로 대체하는 것이 아니라는 것입니다.

휴머노이드 로봇에서는 전달 시스템도 그만큼 중요합니다.

고성능 전동 관절에는 충분한 속도와 토크를 생성할 수 있는 모터와 함께, 모터 출력을 실제로 사용할 수 있는 관절 운동으로 변환하는 정밀 전달 시스템이 필요합니다.

전동 로봇 관절 액추에이터에서 정밀 감속기의 역할

전기 모터 자체만으로는 일반적으로 휴머노이드 로봇 관절을 직접 구동하기에 충분하지 않습니다.

전기 모터는 일반적으로 비교적 높은 회전 속도에서 가장 효율적이지만, 로봇 관절은 더 낮은 출력 속도와 훨씬 높은 토크를 필요로 하는 경우가 많습니다.

정밀 감속기는 이러한 차이를 해소합니다.

예를 들면 다음과 같습니다.

고속 모터 → 정밀 감속기 → 저속 고토크 관절 출력

따라서 감속기의 선택은 로봇 관절의 크기, 토크 밀도, 백래시, 효율 및 동적 응답에 직접적인 영향을 미칩니다.

이 때문에 하모닉 감속기와 유성 기어박스는 전동식 휴머노이드 로봇 관절 액추에이터의 중요한 부품입니다.

회전식 휴머노이드 로봇 관절용 하모닉 감속기

하모닉 감속기는 컴팩트한 정밀 회전 관절에 특히 적합합니다.

높은 감속비를 통해 여러 개의 기존 기어 단을 사용하지 않고도 비교적 작은 모터로 높은 출력 토크를 생성할 수 있습니다.

하모닉 전달 방식의 낮은 백래시 특성은 정확한 위치 결정과 빈번한 방향 전환이 필요한 관절에도 유용합니다.

일반적인 적용 분야는 다음과 같습니다.

휴머노이드 로봇의 손목, 팔꿈치, 어깨, 목 관절 및 기타 컴팩트한 회전 관절.

고도로 통합된 설계에서는 하모닉 감속기를 프레임리스 토크 모터, 엔코더, 베어링 및 드라이버와 결합하여 컴팩트한 전동 로봇 관절을 구성할 수 있습니다.

소형 관절의 경우 HONPINE의 초소형 하모닉 감속기는 설치 직경과 중량이 특히 제한된 애플리케이션에도 대응할 수 있습니다.

고속 및 고하중 로봇 관절용 유성 기어박스

유성 기어박스는 다른 성능 조합을 제공합니다.

높은 전달 효율, 높은 하중 용량 및 비교적 높은 입력 속도를 처리할 수 있는 능력 덕분에 다양한 산업용 모션 애플리케이션에 적합합니다.

휴머노이드 로봇에서는 관절에 다음과 같은 조합이 필요한 경우 유성 전달 방식을 고려할 수 있습니다.

높은 토크, 높은 효율, 높은 회전 속도 및 우수한 하중 용량.

따라서 유성 기어박스는 특정 다리, 팔 및 기타 고하중 전동 관절 설계에 특히 적합합니다.

그러므로 최적의 솔루션은 휴머노이드 로봇 전체에 하나의 감속기 기술을 일괄적으로 선택하는 것이 아니라 개별 관절의 요구사항에 따라 결정됩니다.

통합형 전동 관절 액추에이터가 휴머노이드 로봇에 중요한 이유

휴머노이드 로봇은 독립적으로 제어되는 다수의 관절을 포함합니다.

각 관절에 별도의 외부 모터, 기어박스, 드라이버, 센서 및 배선이 필요하다면 전체 로봇은 더 커지고 조립도 어려워집니다.

통합형 로봇 관절 액추에이터는 여러 기능을 하나의 기계 모듈에 결합하여 이러한 문제에 대응합니다.

일반적인 통합형 전동 관절은 다음을 결합할 수 있습니다.

모터 + 감속기 + 엔코더 + 드라이버 + 베어링

액추에이터 구조에 따라 브레이크, 토크 감지, STO, CAN/CANopen 또는 EtherCAT 통신과 같은 추가 기능도 통합할 수 있습니다.

이를 통해 외부 배선을 줄이고 기계적 통합을 단순화할 수 있습니다.

휴머노이드 로봇 제조업체의 경우 통합을 통해 조립 효율을 높이고 다양한 로봇 관절에 액추에이터를 표준화하기도 쉬워집니다.

전동식 구동은 회전 관절에만 국한되지 않습니다

하모닉 및 유성 기어박스는 회전식 로봇 관절에 중요하지만, 휴머노이드 로봇에는 선형 운동도 필요합니다.

전달 메커니즘을 통해 모터의 회전을 선형 운동으로 변환하면 선형 관절을 구현할 수 있습니다.

중요한 기술 중 하나는 유성 롤러 스크루로, 비교적 컴팩트한 구조에서 높은 하중 용량과 높은 정밀도를 제공합니다.

이 메커니즘은 선형 힘과 컴팩트한 패키징이 필요한 휴머노이드 로봇 다리 및 기타 애플리케이션에 특히 적합합니다.

따라서 미래의 휴머노이드 로봇 액추에이터 구조는 하나의 전달 기술에만 의존하지 않을 가능성이 높습니다.

대신 제조업체는 각 관절의 기계적 요구사항에 따라 다음 기술을 조합할 수 있습니다.

회전식 전동 액추에이터 + 하모닉 감속기 + 유성 기어박스 + 선형 전동 액추에이터 + 유성 롤러 스크루

각 관절의 기계적 요구사항에 따라.

우수한 전동 로봇 관절 액추에이터의 조건

휴머노이드 로봇의 경우 액추에이터 선택은 정격 토크만을 기준으로 해서는 안 됩니다.

엔지니어는 일반적으로 다음 항목을 평가해야 합니다.

토크 밀도, 피크 토크, 연속 토크, 출력 속도, 백래시, 효율, 열 성능, 관절 관성, 엔코더 분해능, 기계적 강성, 통신 인터페이스 및 액추에이터의 전체 크기와 중량.

예를 들어 휴머노이드 로봇의 손목은 소형화와 낮은 백래시를 우선시할 수 있는 반면, 무릎 또는 고관절은 훨씬 더 높은 피크 토크와 열 용량을 필요로 할 수 있습니다.

손가락을 정밀하게 움직이는 손은 더욱 높은 수준의 소형화와 정밀도를 요구합니다.

이는 이상적인 로봇 관절 액추에이터가 범용 설계가 아니라 애플리케이션별 설계임을 의미합니다.

전동 로봇 관절 액추에이터가 가장 적합한 분야

전동식 구동의 장점은 상용화를 목표로 설계된 휴머노이드 로봇에서 특히 분명하게 나타납니다.

휴머노이드 로봇 팔

전동 회전식 액추에이터는 컴팩트한 기계 구조를 유지하면서 어깨, 팔꿈치 및 손목 관절에 정밀한 위치 및 토크 제어를 제공할 수 있습니다.

휴머노이드 로봇 다리

고관절, 무릎 및 발목 관절에는 높은 토크, 빠른 동적 응답 및 효율적인 에너지 사용이 필요합니다. 적합한 정밀 전달 장치와 결합된 전동 액추에이터는 중앙 집중식 유압 시스템을 대체하는 컴팩트한 솔루션을 제공할 수 있습니다.

휴머노이드 로봇 손

손에는 훨씬 더 작은 액추에이터와 매우 정밀한 동작이 필요합니다. 초소형 하모닉 감속기와 컴팩트한 전기 모터는 설치 공간이 극도로 제한된 손가락 관절에 통합할 수 있습니다.

산업용 휴머노이드 로봇

공장 및 물류 환경에서 작동하는 로봇의 경우 전동식 구동은 통합, 유지보수, 청결성 및 디지털 제어 구조와의 호환성 측면에서 장점을 제공합니다.

이는 휴머노이드 로봇이 연구 플랫폼에서 산업용 애플리케이션으로 이동함에 따라 특히 중요합니다. 예를 들어 Boston Dynamics는 새로운 전동식 Atlas를 실제 산업용으로 포지셔닝했으며, Hyundai를 초기 적용 파트너로 두고 있습니다.

전동 로봇 관절 액추에이터가 핵심 기술이 되는 이유

휴머노이드 로봇의 발전은 제조업체가 관절 액추에이터에 기대하는 요건을 변화시키고 있습니다.

극도로 높은 힘 밀도와 동적 출력이 주요 요구사항인 경우 유압 시스템은 여전히 가치가 있습니다. 공압 시스템 역시 유연한 동작과 특수한 애플리케이션에 유용할 수 있습니다.

그러나 대규모 배치를 목표로 하는 배터리 구동 휴머노이드 로봇의 경우 전동식 구동은 효율, 제어성, 컴팩트한 통합, 청결성 및 확장성을 매력적으로 조합할 수 있습니다.

Atlas가 유압식 구동에서 완전 전동식 구동으로 전환한 것은 이러한 산업 방향을 보여주는 분명한 사례입니다.

동시에 전동식 구동이라고 해서 모든 휴머노이드 로봇 관절에 동일한 모터나 감속기를 사용해야 하는 것은 아닙니다.

미래의 구조는 서로 다른 관절에 맞게 최적화된 다양한 전동 전달 기술의 조합이 될 가능성이 높습니다.

휴머노이드 로봇용 HONPINE 전동 로봇 관절 액추에이터

HONPINE은 정밀 모터, 하모닉 전달, 유성 전달, 엔코더 및 통합 제어 기술을 기반으로 통합형 로봇 관절 액추에이터 솔루션을 개발합니다.

회전식 휴머노이드 관절의 경우 하모닉 기반 관절 모듈은 낮은 백래시, 높은 토크 밀도 및 정밀한 위치 결정이 중요한 분야에 컴팩트한 솔루션을 제공합니다.

서로 다른 토크, 속도 및 하중 특성이 필요한 애플리케이션에는 유성 기반 관절 솔루션이 대체 전달 구조를 제공합니다.

HONPINE은 통합 전자장치와 통신 인터페이스를 갖춘 액추에이터 솔루션도 개발하여 로봇 제조업체가 시스템 복잡성을 줄이고 관절 통합을 단순화할 수 있도록 지원합니다.

이러한 접근 방식을 통해 어깨와 팔꿈치 관절부터 손목, 고관절, 무릎, 발목 및 소형 로봇 손에 이르기까지 다양한 휴머노이드 로봇 애플리케이션에 맞춰 액추에이터 구조를 조정할 수 있습니다.

결론

유압식 구동에서 전동식 구동으로의 전환은 휴머노이드 로봇 공학에서 중요한 발전 중 하나입니다.

유압 시스템은 강력하고 높은 성능을 제공하지만, 휴머노이드 로봇이 배터리 구동, 컴팩트한 기계 설계, 정밀한 디지털 제어, 산업 현장 적용 및 대량 생산으로 나아갈수록 전동 로봇 관절 액추에이터의 장점은 더욱 중요해지고 있습니다.

이러한 전환의 핵심은 단순히 유압 실린더를 전기 모터로 교체하는 것이 아닙니다. 고성능 전동식 휴머노이드 관절에는 모터, 정밀 감속기, 엔코더, 드라이버, 베어링, 센싱 및 제어 기술을 신중하게 조합해야 합니다.

회전 관절에는 하모닉 감속기와 유성 기어박스가 서로 다른 성능 특성을 제공합니다. 선형 관절에는 유성 롤러 스크루와 같은 기술이 고출력 전동 구동을 구현하는 또 다른 방법을 제공합니다.

휴머노이드 로봇이 더욱 높은 성능과 상용성을 갖추게 됨에 따라 전동 로봇 관절 액추에이터는 휴머노이드 로봇 모션 시스템의 핵심 구성 요소가 될 것입니다.

HONPINE의 통합형 하모닉 및 유성 관절 솔루션은 차세대 휴머노이드 로봇을 위한 컴팩트하고 정밀하며 확장 가능한 모션 부품으로 이러한 전환을 지원하도록 설계되었습니다.