코봇의 설계 간소화를 위한 모듈형 로봇 조인트 ‘ARJ Series’

협동 로봇(코봇)을 제작할 계획이라면 정밀도와 안전성을 최우선 으로 고려해야 한다. 로봇 관절은 이러한 장치가 정확한 픽 앤 플레이스, 자재 취급 및 포장 작업을 수행하는 데 필요한 높은 토크 모션을 제공하기 때문이다. 우수한 토크 성능과 더불어 빠른 정지, 빠르고 쉬운 설치도 중요하다. 이 기사에서는 자동화 프로세 스에서 코봇의 생산성과 안전성을 높여줄 로봇 조인트를 구현할때 고려해야 할 몇 가지 사항을 소개한다.

이상적인 회전 모터
 

로봇 관절을 직접 엔지니어링하든 모듈식 장치를 선택하든 로봇 관절의 회전 모터는 사람의 팔과 같은 작업을 수행할 수 있는 적절한 특성을 보여야 한다.

• 서보 모터: 일반적으로 가볍고 고속에 도달할 수 있는 서보 모터는 높은 토크와 효율 등 로봇 조인트에 적합한 많은 특성을 자랑 한다. 하지만 서보 모터는 속도를 줄이기 위해 부피가 큰 기어링 부품이 필요하며, 이는 백래시를 유발하고 위치 정확도에 영향을 줄 수 있다.

• 다이렉트 드라이브 프레임리스 모터: 이 회전 모터 스타일은 공간과 무게가 매우 중요하고 모든 온스가 중요한 로봇 팔 조인트 애플리케이션에 적합한 선택이다. 코봇 팔은 인간과 매우 가깝기 때문에 산업용 로봇보다 느린 속도로 작동하면서도 매우 정확하게 작동해야 한다. 따라서 로봇 관절에서 높은 토크가 중요한 특징이다. 직접 구동 모터는 모터 상수가 높아서 토크 모터라고도 하는데, 이는 작은 크기에 비해 높은 토크를 적은 열 발생으로 전달하는 능력이다. 즉, 코깅을 최소화하면서 정확하고 반복 가능한 위치 지정, 높은 가속 및 감속 속도(무거운 부하에서도)를 제공한다. 프레임리스 다이렉트 드라이브 모터는 기계 또는 시스템에 직접 통합할 수 있도록 설계되었다.

<그림1> Akribis Systems의 프레임리스 다이렉트 드라이브 모터 ADR 시리즈는 컴팩트한 디자인과 중앙 홀을 갖추고 있어 로봇 조인트에 쉽게 통합할 수 있다.

다이렉트 드라이브 모터에는 많은 수의 극이 통합되어 있으므로 기어헤드, 벨트 또는 백래시를 유발할 수 있는 기타 기계적 속도 감소 부품이 필요하지 않다. 실제로 Akribis Systems의 다이렉트 드라이브 프레임리스 모터는 모터 코일 권선과 자석으로만 구성된다. 그 결과 부하 관성이 적고 부하 제어가 향상된다. 이러한 이점 덕분에 다이렉트 드라이브 프레임리스 모터는 설계자가 이전보다 더 다양하고 성능이 뛰어난 로봇을 만들 수 있도록 지원 하여 로봇 산업의 혁신을 주도하고 있다.

특히 ADR 시리즈 프레임리스 모터인 ADR-T와 ADR-F는 로봇팔 관절에 적합하다. 두 장치 모두 중심 보어가 크고 토크 밀도가 높은 컴팩트한 디자인이 특징이다. 또한 저속 및 고속 권선 옵션을 제공하여 다양한 속도 요구 사항을 가진 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있다. 코깅 토크는 모터 회전 중 토크 리플을 줄이고 부드러운 느낌을 제공하도록 최적화되어 있다. 고객은 속도, 토크 및 정확도 요구 사항을 충족하도록 ADR 시리즈 프레임리스 모터를 맞춤화할 수 있다.

로봇 관절의 주요 구성 요소
 

로봇 조인트는 선택한 모터 외에도 다른 중요한 구성 요소로 이루어져 있다. 로봇 조인트를 엔지니어링할 때 필요한 구성 요소는 다음과 같다.

• 기어 감속기: 로봇 조인트는 정확성, 반복성, 최소한의 백래시에 대한 요구 사항이 매우 높다. 기어 감속기는 이러한 요구 사항을 충족하도록 토크를 최적화하는 동시에 모터가 원하는 속도로 작동하도록 보장한다. 그 중 스트레인 웨이브 또는 하모닉 기어 감속기는 매우 낮은 백래시 성능과 높은 반복성을 제공한다. 이러한 감속기는 모듈형 로봇 조인트에 통합되는 경우가 많기 때문에 설계자가 감속기 자체의 크기를 조정하거나 설계하는 추가 단계를 줄일 수 있다. 낮은 백래시가 로봇 조인트의 유일한 요구 사항이라면 모터가 부하에 직접 연결되어 진정한 제로 백래시와 반복성을 달성하기 때문에 다이렉트 드라이브 모터만으로도 충분할 수 있다.

• 홀딩 브레이크: 정상 작동 중에 유지 토크를 제공하거나 비상 정지 또는 갑작스 러운 전원 손실 시 로봇 팔을 동적으로 정지시키는 데 사용되는 로봇 조인트는 일반적으로 전자 기계식 핀 브레이크 또는 스프링이 연결된 마찰 브레이크를 사용한다. 전기 기계식 핀 타입 브레이크는 솔레노이드 밸브가 로터의 움직이는 구조를 차단하고 전원이 차단되면 움직임을 멈춘다. 그러나 이 브레이크 유형은 이동 해상도가 낮기 때문에 약간의 백래시 또는 자유로운 움직임이 발생할 수 있다. 스프링이 작동하는 마찰 디스크형 브레이크는 두 개의 플레이트로 설계되어 작동 시 로터를 눌러 완전히 잠근다. 이는 매우 빠른 응답을 유발하고 로봇이 위치를 안전하게 유지할 수 있도록 하며, 특히 수술용 로봇처럼 자유로운 움직임이 환자의 안전을 위협할 수 있는 고급 애플리케이션에 바람직하다.

• 피드백 장치: 인코더는 로봇 조인트 구성 요소가 위치 제어, 컴플라이언스 및 힘감지에 사용하는 중요한 피드백 데이터를 제공한다. 로봇 조인트 내의 모터 샤프트를 측정할 때 고해상도 인코더가 가장 많은 정보를 제공할 수 있다. 일반적 으로 19비트 인코더는 협동 로봇 애플리케이션에 충분한 해상도를 제공한다. 인크리멘탈 인코더는 모터 샤프트가 회전함에 따라 위치 간 변화를 측정하는데 사용되는 펄스를 생성한다. 이 인코더는 단순성과 저렴한 비용 덕분에 인기가 많다. 앱솔루트 인코더는 모터 샤프트가 회전할 때 모든 위치에 ‘절대’ 값을 할당한다. 전원이 꺼져도 샤프트 위치를 유지하며 자석과 코일 사이의 자기 각도를 ‘정류’하고 찾을 필요가 없다.

• 제어 전자 장치: 컨트롤러는 산업용 장치와 네트 워크에서 일반적으로 사용되는 통신 프로토콜을 지원해야 한다.

<그림2> Akribis ARJ 시리즈 로봇 관절이 장착된 로봇 팔

개별 대 모듈형 솔루션

로봇 관절에 특별한 기능이 필요한 경우 개별 구성 요소로 로봇 관절을 설계할 수 있다. 예를 들어 일부 제조업체는 힘 센서를 조인트에 통합할 수있다. 이는 축 내에서 특정 힘을 준수해야 하는 의료용 코봇에 특히 중요하다. 엔지니어는 Akribis Systems의 ADR 시리즈 모터와 같은 기성품 다이 렉트 드라이브 프레임리스 모터를 선택하여 자체 설계를 만들 수 있다. 개별 구성 요소로 이루어진 로봇 관절을 프로토 타입 및 제작하는 것이 합리적인 경우가 많지만, 이러한 방식은 프로젝트에 시간과 비용을 추가할 수도 있다. 또한 설계는 공간 제약, 열 관리, 코깅 토크, 위치 정확도 및 안전 규정을 고려해야 한다.

모듈형 로봇 조인트는 코봇이나 산업용 로봇이 작업을 수행할수 있도록 자연스러운 팔 동작을 구현하기 위한 쉬운 방법으로 부상했다. 모듈형 로봇 관절은 모든 필수 구성 요소를 하나의 어셈 블리에 통합하여 프로토타입 디자인에 비해 공간을 덜 차지한다. 또한 이러한 높은 수준의 통합은 경량 유닛으로 이어져 페이로드가 더 가벼운 코봇에 특히 유리하다. 모듈형 로봇 조인트는 일반 적으로 프레임리스 모터와 대형 관통 홀을 통합하여 배선, 조립및 설치를 간소화한다. 높은 전력 밀도, 뛰어난 동적 성능 및 신뢰성 등의 추가적인 이점도 있다.

<그림3> Akribis ARJ 시리즈 로봇 조인트는 높은 토크 밀도의 직접 구동 프레임리스 모터 기술과 모듈식 구조를 활용하여 코봇 프로토타입 제작을 간소화한다.

<그림4> Akribis ARJ 시리즈 로봇 조인트는 모든 필수 구성 요소를 하나의 공간 절약형 어셈블리에 통합하여 구현하기 쉽다.

프로토타이핑의 어려움을 없애주는 모듈형 로봇 관절
 

Akribis System의 ARJ 시리즈는 모듈형 로봇 조인트의 한 예로, 개별 부품으로 로봇 조인트를 프로토타입 제작할 때 발생하는 많은 문제를 해결해준다. 이 제품에는 코깅력을 최소화하기 위해 권선이 최적화된 고토크 다이렉트 드라이브 프레임리스 모터, 백래시 없이 로봇의 위치를 안전하게 고정하는 스프링 결합 마찰 디스크 고정 브레이크, 조인트 뒤에 통합된 EtherCAT 모터 드라이브가 함께 제공된다. 또한 모듈에는 부하 측에 하나, 모터 측에 하나씩 두 개의 19비트 인코더가 포함되어 있으며, 그 사이에는 고강성 정밀 스트레인 웨이브 기어 감속기가 있다. 이러한 배열을 통 해 컨트롤러는 페이로드에 작용하는 토크를 계산하여 코봇이 사람 가까이에서 작동할 수 있도록 힘 감지 및 컴플라이언스 제어 기능을 제공할 수 있다.

이 포괄적이면서도 컴팩트하고 가벼운 어셈블리를 통해 코봇은 모델에 따라 3~10kg의 페이로드를 지원하고 부드러운 동작으로 6개의 팔 자유도를 달성할 수 있다. 고객은 기존의 원통형 하우징 또는 90도 T 마운트 하우징을 선택할 수 있다.

모션 제어 전문가와의 파트너십
 

때때로 설계자는 기성품 모듈형 로봇 관절을 선택할지 아니면 직접 장치를 제작할지 그 중간 지점에 서 있을 수 있다. 이럴 때 모션 제어 전문가의 도움을 받는 것이 좋다. Akribis는 모든 단계에서 고객과 협력한다. 프레임리스 다이렉트 드라이브 모터를 기본 으로 하여 고객의 요구 사항을 파악하고 코봇 또는 로봇 애플리케 이션에서 고객의 기대치를 충족하도록 ARJ 시리즈 로봇 조인트를 수정할 수 있다.

무엇보다 협동 로봇을 위한 로봇 관절의 경우 토크 특성이 뛰어난 모터와 모든 필수 부품이 하나의 장치에 포함되어 있으면 상당한 이점을 얻을 수 있다는 점을 기억해야 한다. Akribis 다이렉트 드라이브 모터가 통합된 완벽한 로봇 조인트를 사용하면 자체 어셈블리를 설계하는데 드는 시간과 복잡성을 제거하면서 최적의 성능, 안전성 및 신뢰성을 보장받을 수 있다.

자료제공: Akribis Systems(www.akribis-sys.com)