모터와 엔코더, 기어 어셈블리와 로봇 관절 설계의 올바른 통합

Celera

목적

정밀 제로 백래쉬 기어링과 프레임리스 브러시리스 다이렉트 드라이브 모터 키트, 2개의 고해상도 엔코더 키트를 사용하여 모터와 엔코더, 기어 어셈블리를 로봇 관절 설계에 올바르게 통합하는 방법을 예를 들어 설명한다.

배경

로봇과 로봇 보조 제품이 산업과 상업, 의료 시장을 발달시키면서 정밀하고 신뢰성을 갖춘 소형의 간결한 어셈블리를 활용하는 새로운 설계 경향이 부상하고 있다.
이를 위해 하나의 공통 하우징에 직접 구동 프레임리스 토크 모터 키트(direct drive frameless torque motor kit), 고해상도 엔코더 키트, 정밀 제로 백래시 기어 세트가 포함된 통합 로봇 관절을 개발했다. 이러한 부품 통합 방법은 중량과 축 높이가 매우 낮아지는 결과를 초래했다(즉, 패키지된 모터, 기어 박스 그리고 함께 조립된 앤코더와 비교되는 로우 프로파일).

통합 로봇 관절

그림1은 통합 로봇 관절을 보여준다. 이 디자인은 축 높이가 낮은 부품으로 조립을 매우 간결하게 한다. 모터의 후면에는 중간 해상도 엔코더와 높은 분해능과 정확도로 출력하는 엔코더가 들어있다.

 단면도는 이 통합 로봇 관절의 주요 구성 요소를 보여준다. 여기에는 다음과 같은 기능이 포함된다.

•백래시가 전혀 없는 정밀 로우 프로파일 기어링
•프레임리스 브러시리스 모터 키트
•모터 측에 중간 분해능 엔코더 키트
•출력 측에 고해상도 엔코더 키트
•전면과 중앙, 후면 하우징 구성 요소
•인접한 어셈블리와의 인터페이스를 위한 플랜지가 달린 출력 샤프트
•입력 샤프트와 기어링, 출력 샤프트용 정밀 베어링
•간단한 관절 배선을 위한 축 방향 관통 구멍

정밀 기어

로봇 관절은 위치에 따라 반사 하중과 관성이 다양하다. 기어 감속을 사용하면, 출력 토크가 증가하고, 위치에 따른 관성의 변화가 커져 서보 튜닝에 미치는 영향이 완화되어 더 작고 효율적인 모터를 사용할 수 있다.

기어 감소로 발생하는 한 가지 문제는 백래쉬이다. 더 높은 기어비가 약간의 토크와 관성 문제를 해결하지만, 결과적인 백래쉬는 포지셔닝 오류와 잠재적인 튜닝 문제를 야기한다. 백래시가 0인 기어링에는 일반적으로 사용하는 두 가지 유형, 즉 고조파 드라이브(harmonic drive)와 사이클로이드 드라이브(cycloidal drive)가 있다.

이 두 가지 해결법은 하위 구성 요소가 항상 접촉 상태로 유지되는 고유한 기계 디자인을 사용한다. 최근의 디자인과 패키징 개선으로 공급 기반으로부터 제공되는 이전 제품에 비해 매우 낮은 프로파일의 기어링 세트가 생산됐다.
다음은 로우 프로파일 하모닉 드라이브 부품 세트의 예이다. 사이클로이드 기어 공급 업체는 유사한 제품을 제공한다.

프레임리스 브러시리스 모터 키트(Frameless Brushless Motor Kit)

위의 어셈블리는 토크 모터 키트라고도 하는 프레임리스 브러시리스 모터 키트를 사용한다. 이 키트는 전자기 고정자와 3상 서보모터 컨트롤러에 의해 전통적인 동기식 모터로 작동하는 영구 자석 회전자로 구성된다.

빠르게 부상하는 설계 동향은 고비율 기어 세트를 구동하기 위해 통합 로봇 관절 내부의 직접 구동 시스템용 모터 키트를 사용하는 것이다. 다이렉트 드라이브 모터 키트는 기계적 패키징을 최적화하기 위해 토크 출력과 커다란 관통 구멍을 개선하는 극 수가 더 크다. 이 키트는 링 모양이고 로우 프로파일 제약 조건을 준수하면서 높은 토크 요구 사항을 모두 충족시킨다.

로봇 관절 출력은 일반적으로 느리다. 예를 들어 20rpm은 빠른 로봇 관절 움직임이다. 150 : 1의 전형적인 기어 비율에 이어 입력속도(모터 회전 속도)는 3,000rpm이다. 전기 모터의 경우, 적절한 임피던스가 사용 가능한 전압과 일치하도록 선택되는 한 입력 속도는 높지 않다. 아래 그림은 AgilityTM 슬롯리스, 로우 프로파일, 대형 스루 홀, 프레임리스 모터 키트의 예이다.

슬롯리스 모터는 코깅 토크를 없애고 로봇의 미세 모션을 예측해 원활하게 만든다. 낮은 자기 코어 손실과 큰 관통 구멍을 가지고 있다.
프레임리스 모터 키트의 올바른 선택과 크기 조정은 전체 로봇 관절 디자인에 매우 중요하다. Celera Motion은 설계 요구 사항을 충족시키는 데 도움이 되는 빠르고 정확한 구성 요소 선택을 위해 온라인 도구와 성능 예측 소프트웨어를 제공한다.

입력와 출력을 위한 엔코더

엔코더: 관절의 입력 단(모터)

대부분의 모터 컨트롤러는 중간 분해능 엔코더 피드백, 즉 회전 당 100,000에서 250,000카운트의 이점을 제공한다. 모터 컨트롤러가 토크만 제어할 때 낮은 값으로 충분하지만 속도와 위치 제어가 이 범위의 높은 분해능으로 크게 향상된다.

위의 통합 로봇 관절은 200,000카운트/회전 이상의 광학 엔코더 키트를 사용하며 정확도는 20-50arc-sec이다. 키트에는 글라스 그레이팅을 사용하는 로우 프로파일, 회절 기반, 보간된 엔코더가 있다. 광학 엔코더는 일반적으로 arc-min 단위로 측정되는 자기와 용량성 엔코더와 같은 다른 저성능 엔코더 기술과 비교하면 정확도가 훨씬 높다.

입력에는 고정밀도가 중요하지는 않아도 성능에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템이 속도 신호를 생성하기 위해 위치를 차별화하는 경우 위치 정보의 부정확성으로 속도 리플이 생성된다.
아래는 판독 헤드와 글라스 그레이팅로 구성된 중간 해상도의 로우 프로파일 광학 엔코더 키트로 구성된 Celera Motion OptiraTM 시리즈다. 이 키트는 PurePrecisionTM 기술을 사용한다.

20~50arc-sec 범위의 정확도로 1회전당 250,000~500,000카운트의 분해능을 제공한다. 이는 중간 엔코더를 제공하고 입력 샤프트의 모터 속도를 높여 자기 엔코더나 리졸버보다 약 2~5배 더 정확하다.

엔코더: 관절의 출력 면

모션 컨트롤러나 로봇 컨트롤러에는 궤도 제어와 여러 로봇 관절을 조정하는 알고리즘이 포함되어 있다. 이러한 알고리즘은 각 접합부에서의 고해상도 피드백, 즉 1회전 당 100만 회 이상의 분해능에 의존한다.

출력 엔코더는 통합 로봇 관절의 가장 중요한 구성 요소 중 하나이다. 로봇의 성능과 정확도는 각 관절의 절대 정확도에 크게 좌우된다. 경우에 따라 로봇 컨트롤러는 함께 작동하는 모든 접합부의 강성과 강하, 온도 같은 환경 조건의 변화를 보완하기 위해 출력 엔코더에 의존한다.

동일한 Optira 시리즈 엔코더는 동일한 격자로 고해상도, 고정밀 읽기 헤드로 구성된다. Celera Motion PurePrecisionTM 광학 기술을 사용한다. 로터리 형태의 이 엔코더는 회전당 수백만 회로 2arc-sec 미만의 정확도와 분해능을 제공한다.

기계적 하우징과 출력 샤프트 구성 요소

로봇 관절의 일반적인 폼 팩터는 전반적인 로봇 작동 요구 사항으로 결정된다. 위의 예에서 하우징은 3개의 섹션으로 구성된 2개의 샤프트가 있다. 하나는 모터용 엔코더이고 다른 하나는 출력 엔코더용이다.

하우징 설계는 다음 사항을 고려해야 하다.

1. 하우징의 상대적 정밀도는 베어링과 모터, 엔코더 요구 사항과 일치해야 한다.
2. 고해상도 엔코더는 매우 엄격한 축 방향과 방사형 런아웃 사양이 필요하다.
흔들림이 있으면 정확도가 떨어진다. ABEC 7 이상의 베어링을 사용하는 것이 일반적이다.
3. 재료 선택은 기계적 정확도와 온도 변동을 고려해야 한다.
4. 로봇 관절은 무게가 중요하므로 권장되는 부품 수를 최소화한다.

결론

가장 간결하고 낮은 프로파일의 로봇 관절은 로우 프로파일 기어링과 엔코더, 직접 구동 프레임리스 모터 키트의 조합으로 설계된다. 이 조합은 가장 적은 수의 구성 요소를 포함하며 가장 작은 크기로 최고 토크 출력을 낸다. 최종 외부 패키징은 애플리케이션에 따라 다르지만 위에 표시된 통합 어셈블리의 내부 구성 요소는 공통적이다.

각 로봇 관절에는 전압과 전류 입력, 토크와 속도 요구 사항, 어셈블리 내부와 외부의 온도 제한의 조건이 있다. 부품의 전기적, 열적, 기계적 통합은 물론 전체 어셈블리의 제조 가능성을 고려하는 것이 중요하다.

자료 제공: Celera(www.celeramotion.com)