EtherCAT이 로봇 관절 모듈의 주류 통신 버스로 자리 잡고 있는 이유는 무엇일까요?

휴머노이드 로봇, 협동 로봇, 고정밀 자동화 장비의 급속한 발전으로통합형 지능형 로봇 관절 모듈은 다축 협조 제어, 고주파 실시간 제어, 유연한 힘 상호작용, 고정밀 궤적 추종을 향해 발전하고 있습니다.

RS485 및 CANopen과 같은 기존 통신 버스는 동기화 정확도, 통신 대역폭, 실시간 성능, 다축 확장성 측면에서 차세대 지능형 관절의 제어 요구 사항을 더 이상 충분히 충족하지 못합니다.

공식TCHL 시리즈 관절 모듈설명서에 기술된 통신 아키텍처, 제어 모드, PDO 매핑, Distributed Clocks 및 문제 해결 체계를 바탕으로 EtherCAT은 고급 로봇 관절 모듈의 주류 통신 솔루션으로 자리 잡았습니다. 이처럼 널리 채택된 것은 단순히 업계 흐름을 따르는 결과가 아닙니다. 현대 로봇의 고급 제어 요구 사항과 EtherCAT 기술 아키텍처의 높은 호환성을 반영합니다.

이 글에서는 TCHL 시리즈 설명서에 기술된 기술적 특성을 바탕으로 지능형 로봇 관절 모듈에 EtherCAT이 널리 사용되는 주요 이유를 살펴봅니다.

1. 고주파 서보 제어를 위한 마이크로초 수준의 실시간 통신

로봇 관절의 위치, 속도, 전류 및 토크 피드백 루프는 통신 주기와 실시간 성능에 매우 높은 수준의 요구 사항을 부과합니다.

TCHL 관절 모듈설명서는 다음과 같은 여러 고정밀 실시간 제어 모드를 명시적으로 지원합니다.

• 주기 동기 위치 모드(CSP)

• 주기 동기 속도 모드(CSV)

• 주기 동기 토크 모드(CST)

이러한 제어 모드는 매우 짧은 통신 지연과 안정적인 동기화 주기를 필요로 합니다.

기존 직렬 통신과 RS485는 일반적으로 폴링 방식을 사용하므로 지연 시간이 길고 지터가 커질 수 있습니다. CANopen은 동기 통신을 지원하지만, 통신 주기는 일반적으로 밀리초 수준이며 연결 축이 늘어날수록 크게 길어질 수 있습니다.

반면 EtherCAT은 하드웨어 기반 처리 메커니즘을 사용합니다. 슬레이브 장치는 프로세서가 각 메시지를 소프트웨어로 해석할 필요 없이 하드웨어 Fieldbus Memory Management Unit(FMMU)을 통해 데이터를 직접 처리합니다. 이 아키텍처를 통해 마이크로초 수준의 통신 주기와 동기화 지터를 구현할 수 있습니다.

TCHL 모듈 설명서에 명시된 매개변수에 따르면 EtherCAT은 1 ms, 2 ms, 3 ms의 안정적인 동기화 주기를 지원합니다. 이러한 주기는 고주파 서보 폐루프 제어, 토크 샘플링, 동적 궤적 갱신에 적합하며 고정밀 모션 제어의 기반을 제공합니다.

2. Distributed Clocks를 통한 고정밀 다축 동기화

다자유도 로봇 팔과 휴머노이드 로봇에는 서로 연결된 여러 관절이 있습니다. 정확한 동적 계산, 관성 보상, 충돌 감지 및 힘 제어 알고리즘을 구현하려면 각 관절의 위치 피드백, 속도 피드백, 토크 센서 데이터를 통일된 시간 기준에 맞춰야 합니다.

TCHL 관절 모듈설명서는 EtherCAT Distributed Clocks(DC)의 구성을 구체적으로 소개합니다. 이는 EtherCAT이 기존 통신 버스와 차별화되는 주요 장점 중 하나입니다.

EtherCAT Distributed Clocks의 다중 관절 동기화 방식

EtherCAT DC 메커니즘은 네트워크상의 모든관절 모듈에 통일된 하드웨어 클록을 제공합니다. 따라서 서로 다른 축의 엔코더 샘플링, 토크 샘플링 및 제어 명령 갱신을 높은 정밀도로 동기화하여 하드웨어 수준에서 축 간 타이밍 편차를 최소화할 수 있습니다.

반면 CANopen과 RS485는 일반적으로 동일한 유형의 하드웨어 클록 동기화가 아닌 소프트웨어 기반 브로드캐스트 동기화 신호에 의존합니다. 이로 인해 동기화 지터와 타이밍 편차가 커질 수 있습니다.

다축 협조 운동 중 이러한 타이밍 오류는 궤적 불일치, 힘 제어 진동, 동적 추종 오차 증가의 원인이 될 수 있습니다.

여러 관절의 협조 움직임이 필요한 로봇 시스템에서는 동작 정확도와 제어 안정성을 유지하기 위해 정밀한 동기화가 필수적입니다.

3. 표준화된 CiA 402 프로토콜로 호환성 및 상호 운용성 향상

TCHL 모듈 설명서의 객체 사전, 상태 머신, 제어 모드 정의는 로봇 관절에 사용되는 공통 EtherCAT 통신 아키텍처인 CoE(CANopen over EtherCAT)를 반영하며, CiA 402 드라이브 및 모션 제어 장치 프로파일과 호환됩니다.

CiA 402는 산업용 서보 장치에 널리 적용되는 표준입니다. 표준화된 드라이브 상태 전환, 제어 워드, 상태 워드, 작동 모드 및 데이터 객체를 정의합니다.

표준화된 객체 사전으로 통합 간소화

이 아키텍처에서는 목표 위치, 목표 속도, 목표 토크, 실제 위치, 실제 토크, 오류 코드 등 핵심 제어 및 피드백 데이터가 표준화된 객체 사전 인덱스를 통해 정의됩니다.

예시는 다음과 같습니다.

• 0x6040: 제어 워드

• 0x607A: 목표 위치

• 0x6071: 목표 토크

• 0x303A: 토크 센서 피드백

표준화된 통신 프로토콜은 제조업체가 다른 관절 모듈의 호환성과 상호 교환성을 높입니다. 개발자는 여러 장치를 통합하거나, 제어 모드를 전환하거나, 장비를 시운전하거나, 프로그램을 마이그레이션할 때 독자적인 통신 프로토콜에 맞춰 조정해야 하는 부담을 줄일 수 있습니다.

관절 모듈 제조업체의 경우, 확립된 표준을 기반으로 제품을 개발하면 개발 복잡성과 시행착오 비용을 줄이는 데도 도움이 됩니다. 이러한 표준화 역시 EtherCAT 기반 관절 모듈의 보급에 기여하는 중요한 요소입니다.

4. 고대역폭 PDO 전송으로 다차원 센서 데이터 지원

차세대 통합형 관절 모듈은 더 이상 단순한 모션 실행 장치가 아닙니다. 이중 엔코더, 출력측 토크 센서, 온도 모니터링, 고장 감지, 진동 수집 기능을 통합할 수 있는 지능형 감지 시스템입니다.

기존 서보 시스템과 비교해 지능형 관절은 위치, 속도, 토크, 온도, 고장 코드, 오프셋 보상값 등 훨씬 더 많은 실시간 데이터를 전송해야 합니다.

유연한 RxPDO 및 TxPDO 매핑

TCHL 설명서의 PDO 매핑 항목에 따르면 EtherCAT은 여러 그룹의 사용자 지정 RxPDO 및 TxPDO 매핑을 지원합니다. 이를 통해 컨트롤러는 하나의 통신 주기 안에 관절 모듈로 명령을 전송하고 다차원 상태 피드백을 수신할 수 있습니다.

EtherCAT은 이더넷 기반 물리 계층을 사용하며, 고주파 동기화 주기 내에서 대량의 데이터를 전송하기에 충분한 대역폭을 제공합니다. 따라서 여러 센서 신호를 동시에 전송할 때 통신 혼잡이 발생하거나 샘플링 주파수를 낮춰야 하는 상황을 방지하는 데 도움이 됩니다.

기존 통신 버스는 대역폭이 더 제한적입니다. 여러 데이터 수집 작업을 처리할 때 샘플링 주파수를 낮춰야 할 수 있으며, 이로 인해 힘 제어 정확도와 동적 응답 속도가 저하될 수 있습니다.

따라서 토크 센서와 기타 통합 감지 기능을 갖춘 고급 지능형 관절 애플리케이션에는 적합성이 떨어집니다.

5. 데이지 체인 토폴로지로 다축 배선 및 확장 간소화

휴머노이드 로봇과 6축 로봇 팔에는 일반적으로 6~16개의 관절 모듈이 탑재됩니다. 내부 공간이 협소해 케이블 배선과 시스템 통합이 어렵습니다.

EtherCAT은 데이지 체인 토폴로지를 지원하므로 각 관절 모듈의 네트워크 인터페이스를 통해 여러 모듈을 순차적으로 연결할 수 있습니다. 이를 통해 네트워크 배선이 간소화되고 각 관절에서 컨트롤러까지 별도의 통신선을 연결할 필요가 줄어듭니다.

로봇 통합을 위한 유연한 IN/OUT 연결

EtherCAT IN/OUT 인터페이스 구성과 데이지 체인 연결 방식은 여러 단계의 모듈 설치와 중공 구조를 통한 케이블 배선을 지원합니다.

이는 배선 공간이 제한적인 로봇 관절의 컴팩트한 기계 구조에 특히 적합합니다.

CANopen 네트워크의 노드 제한과 확장 제약, RS485 네트워크의 낮은 폴링 효율과 비교해 EtherCAT은 뛰어난 다축 확장성을 제공합니다. 축을 추가해도 통신 주기가 반드시 크게 늘어나는 것은 아니므로 여러 로봇 관절의 협조 제어에 적합합니다.

6. 종합적인 고장 진단으로 시스템 신뢰성 및 유지보수성 향상

TCHL 모듈 설명서에 기술된 EtherCAT 문제 해결 지침과 알람 시스템은 버스의 종합적인 상태 관리 및 고장 진단 기능을 보여줍니다.

EtherCAT은 다음 네 가지 주요 통신 상태를 정의합니다.

Init: 초기화

Pre-Operational: 사전 작동

Safe-Operational: 안전 작동

Operational: 완전 작동

이러한 상태를 통해 개발자는 장치 초기화, PDO 매핑, 동기화, 네트워크 연결 끊김 또는 프레임 손실과 관련된 통신 문제를 식별할 수 있습니다.

또한 시스템은 추종 오차, 동기화 편차, PDO 수신 이상 등의 고장 정보를 실시간으로 보고할 수 있습니다.

따라서 개발자는 통신 문제를 더 효율적으로 파악하고 해결하여 시운전 시간을 단축하고 애프터서비스 유지보수의 복잡성을 줄일 수 있습니다. 종합적인 진단 기능을 갖춘 EtherCAT은 장기간 안정적인 작동이 필요한 산업 자동화 시스템과 로봇 장비에 적합합니다.

7. 성숙한 EtherCAT 생태계로 개발 및 통합 비용 절감

EtherCAT은 폭넓은 산업 분야를 아우르는 성숙한 생태계를 구축했습니다. Beckhoff TwinCAT, SOEM, IgH, 실시간 Linux 기반 플랫폼 등 다양한 주류 마스터 컨트롤러 솔루션을 이용할 수 있습니다.

이 솔루션은 PLC, 산업용 PC, 임베디드 컨트롤러 등 다양한 하드웨어 플랫폼을 지원합니다.

또한 시운전, 패킷 캡처, 매개변수 설정을 위한 전문 도구도 제공됩니다. 개발자는 동기화 주기, DC 오프셋, PDO 데이터, 버스 상태를 모니터링할 수 있어 시스템 개발과 문제 해결이 한결 수월합니다.

장비 제조업체에 EtherCAT은 높은 표준화 수준, 뛰어난 이식성, 잘 구축된 인력 기반을 제공합니다. 독자적인 통신 버스와 비교해 개발, 시운전, 교육, 교체 비용을 절감하는 데 도움이 되므로 대량 생산과 상용화에 더 적합합니다.

결론: EtherCAT이 로봇 관절 통신의 주류 선택이 되는 이유

EtherCAT이 널리 채택되는 근본적인 이유는 기존 저속 통신 버스로는지능형 로봇 관절의 고급 제어 요구 사항을 충분히 충족할 수 없기 때문입니다.

마이크로초 수준의 하드웨어 기반 실시간 통신, 고정밀 Distributed Clock 동기화, 표준화된 CiA 402 서보 프로토콜, 고대역폭 PDO 데이터 전송, 간소화된 다축 네트워킹, 종합적인 고장 진단 기능을 갖춘 EtherCAT은 토크 감지, 다축 협조 제어, 유연한 힘 제어, 고정밀 궤적 추종을 지원하는 차세대 통합형 관절 모듈에 적합합니다.

휴머노이드 로봇, 협동 로봇, 고급 자동화 장비가 지속적으로 발전함에 따라 EtherCAT은 로봇 관절 모듈의 주요 주류 통신 솔루션으로 자리 잡았습니다.