Harmonic Drive “통합 액추에이터를 사용하여더 나은 로봇 공학을 구축할 수 있습니다”

모션은 모든 로봇 시스템의 핵심 기능이며, 액추에이터는 정확하고 반복 가능한 토크, 힘 등을 지원하는데 핵심적인 역할을 한다. 소형화 및 인간화 추세에 힘입어 로봇 시스템이 발전함에 따라 액추에이터에 대한 요구 사항도 변화하고 있다.

Harmonic Drive는 정밀 서보 액추에이터, 기어헤드, 기어 부품을 개발 및 제조하는 기업으로, C. Walton Musser가 발명한 3부 정밀 감속기 설계인 스트레인 웨이브 기어(strain wave gear)를 상용화한 기업으로 유명하다. Harmonic Drive의 대표적인 제품중 하나는 Harmonic Drive 기어, 브러시리스 서보 모터, 인코더, 서보 드라이브를 장치에 통합한 통합 액추에이터이다.

Harmonic Drive에서 메카트로닉스 엔지니어로 있는 Reese Abouelnasr는 액추에이터의 최신 개발과 장치로 더 나은 로봇 공학을 구축하는 방법과 과제에 대한 질문에 다음과 같은 해답을 제시한다. 이 기사에서는 통합 액추에이터를 사용하여 더 나은 로봇 공학을 구축하는 방법에 대한 중요한 질문과 답변을 통해 통합 액추에이터의 이점과 과제 등에 대해 살펴보기로 한다.

통합 액추에이터를 사용하면 어떤 이점이 있나?
 

최근의 로봇 공학 산업은 소형화 및 컴팩트 디자인이라는 추세를 빼놓고는 설명할 수 없다. 시스템 기능을 희생하지 않고 이러한 요구를 충족하기 위해 로봇 공학자와 엔지니어는 높은 토크 밀도 또는 단위 부피당 높은 액추에이터 토크를 가진 액추에이터가 필요하다. 기존의 액추에이터는 사용 중인 각 액추에이터에 대해 부피가 큰외부 서보 드라이브를 사용해야 하므로 케이블 관리 및 공간 문제가 추가로 발생했다. 통합 액추에이터를 사용하면 서보 드라이브가 내장되어 액추에이터 크기를 유지하면서 이를 가능하게 한다. 따라서, 예전에는 6개의 액추에이터와 6개의 서보 드라이브가 필요했던 6DOF 로봇 팔은 이제 6개의 통합 액추에이터만 있으면 된다. 따라서, 배선과 설치 시간이 줄어 비용이 절감되는 솔루션을 제공한다. 케이블의 감소는 고장 지점의 감소도 의미한다. 액추에이터의 가장 빈번한 잠재적 고장 지점은 부적절한 배선으로 인한 외부 케이블의 손상이라는 것을 발견했기 때문에, 이는 상당히 중요한 부분으로 작용한다.

어떤 유형의 통합 액추에이터를 제공하나?
 

질량, 부피, 폼 팩터가 광범위한 많은 액추에이터에 이제 통합 드라이브 옵션이 있다. Harmonic Drive는 통합 드라이브가 탑재된 SHA-20, 25, 32 액추에이터와 로우 프로파일 LPA-20 액추에이터, 그리고 초소형 FHA 미니, RSA-8, RSF-5 유닛을 제공한다. 이 버전들은 부피 증가나 폼 팩터의 변화가 거의 없다는 점을 강조하고 싶다.

액추에이터가 해결할 수 있는 엔지니어링 과제가 있나?
 

로봇 설계에서 가장 큰 도전 과제는 대개 질량과 부피 최적화이다. 특히 외부 캐비닛을 사용할 수 없는 이동식 로봇의 경우 더욱 그렇다. 외부 서보 드라이브의 필요성을 제거함으로써, 엔지니어들은 더 작고 토크 밀도가 높은 디자인을 추구하거나 동일한 부피 내에서 추가 기능을 통합할 수 있는 자유를 얻었다. 예를 들어, 휴머노이드 로봇 개발의 가장 큰 병목 현상 중 하나는 로봇 공학 자들이 인간의 근육을 모방하기 위해 사용하는 현재의 작동 기술이다. 이 액추에이터는 작고 생체공학적으로 영감을 받은 관절 안에 들어갈 수 있을 만큼 충분히 작아야 하며, 동시에 유체역학적인 인간의 움직임을 모방할 수 있는 높은 토크를 제공해야 한다. 더 높은 토크 밀도를 가진 액추에이터 디자인을 계속해서 제공하는 Harmonic Drive는 로봇공학자들에게 한때 자연에서만 가능했던 새로운 로봇 개념을 추구할 수 있는 더 큰 자유를 주고 있다.

액추에이터 기능이나 통신에 변화가 있나?
 

통합 장치에 추가할 기능 중 Harmonic Drive가 기대하고 있는 또 다른 기능은 EtherCAT을 통한 통신이다. EtherCAT 필드버스는 CANopen에 비해 통신 속도가 100배 빨라지고, 장치 간 최대 거리가 10배 더 멀어진다. EtherCAT은 또한 유연한 토폴로지(라인, 스타, 트리, 링)를 허용하며, 이는 드라이브가 통합된 액추에이터의 확장성이 뛰어난 기능과 잘 어울린다. Harmonic Drive는 SHA-20, 25, 32 액추에이터와 로우 프로파일 LPA-20 액추에이터를 위한 EtherCAT을 출시했다.

이러한 변화가 엔지니어링 프로젝트에 가져다 주는 이점은?
 

통합 액추에이터 라인을 통해 엔지니어들은 고도로 모듈화되고 컴팩트한 설계를 추구할 수 있다. 다양한 크기의 액추에이터를 시스템에 원활하게 혼합하고 교체할 수 있으며, 통합 액추에이터는 각각을 중앙 컨트롤 러에 연결할 필요 없이 함께 연결할 수 있기 때문에 확장성과 확장이 훨씬 쉬워졌다.

액추에이터의 선택과 설계에 영향을 미치는 조건은?
 

액추에이터의 작동 온도를 고려할 때 가장 큰 관심사 중하나는 스트레인 웨이브 기어(strain wave gear)에 사용되는 하모닉 그리스(Harmonic Grease)이다. 그러나 Harmonic Drive는 다양한 극한 온도용 그리스를 제조 하고 있다. 침투 보호를 고려할 때, 밀봉 및 커넥터 선택이 특히 중요하다. Harmonic Drive의 SHA, RSA, RSF-5 통합 액추에이터는 IP54 등급을 가지고 있으며, IP65 보호 등급의 FHA 서보 시리즈 액추에이터도 제공한다.

엔지니어의 맞춤형 요청을 어떻게 지원하는가?
 

Harmonic Drive는 열악한 환경에 적합한 제품을 설계 하는 데 있어 폭넓은 경험을 갖고 있으며, 특정 요구 사항이 있는 고객들을 위해 엔지니어링 부서와 협력하여 맞춤형 솔루션을 개발할 수 있다. 로우프로파일 LPA-20과 초소형 RSA-8 액추에이터는 모두 고객의 특별한 요청으로 개발된 제품이며, 대부 분의 경우 엔지니어링 설계 서비스가 무료로 제공된다.
Harmonic Drive는 다양한 응용 분야에 대해 고객에게 고도로 맞춤화된 솔루션을 제공하고 있다.

자료제공: Harmonic Drive(www.harmonicdrive.net)