로봇 공학의 혁신을 달성하는 초소형 모터

공장 자동화 및 인공 지능은 로봇 공학의 혁신을 주도하며 새로운 산업으로 확장되고 있다. 여기에 비전시스템 및 센서 기술이 새롭게 개발하면서 의료, 물류, 보안 등 자동화 분야에 로봇 응용 사례가 늘고 있다. 수술 툴의 예측 가능한 제어, 안전하고 효율적인 창고 운영 등에 필요한 초소형 모터는 로봇 시장의 문제를 해결하며 새로운 기회를 창출하고 있다.

로봇 공학의 새로운 트렌드

1. 이동성과 설치 공간

시스템이 협업 로봇 방식으로 전환하려면 이동 가능하고 효율적이며 소형이어야 한다. 사람의 손으로 처리하는 작업에서는 손의 크기와 기능을 모방할 수 있는 소형 모터 솔루션이 필요하다.
로봇 액추에이터는 특히 여러 관절 솔루션 즉 손목, 팔, 팔꿈치, 몸통에서 크기와 무게를 줄이기 위해 소형의 전력 밀도 모터가 필요하다. 이 소형 솔루션은 사용성과 자율성 그리고 안전성을 향상시킨다. 관성이 낮아 반응 시간이 더 빠르기 때문이다. 휴머노이드 로봇의 의수, 외골격 및 로봇 그리퍼에는 일반적으로 작고 높은 전력 밀도 장치가 필요하다.

전력 밀도는 모터의 단위 부피당 생성되는 전력의 양(에너지 전달의 시간 비율)이다. 작은 패키지에서 더욱 많은 전력을 발생시키는 이 모터는 공간이 제한되거나 고정된 공간에서 전력 밀도를 증가시킨다. 높은 전력 밀도는 메커니즘의 소형화와 설계 기능을 향상시키며, 사용 공간을 줄인다.

기존 DC 모터에 비해 크기를 줄이는 브러시리스 DC 모터를 사용하여 주어진 설계에서 최대한의 전력을 얻으려면 핵심적으로 효율성이 필요하다. 효율적인 유성 감속기와 결합된 무슬롯 모터 설계는 작은 패키지에 매우 강력한 장치를 제공한다. 브러시리스 솔루션은 짧고 평평한 소형 구성이든, 길고 얇은 디자인이든 사용자 요구 사항을 충족하도록 설계할 수 있다.

민첩성과 기민성을 위해서는 역동적인 반응과 원활한 작동이 필요하다. 무슬롯 BLDC 모터는 디텐트 토크를 제거하고 낮은 관성 모터로 정밀한 동작을 제공한다. 일정한 가속/감속이 필요한 높은 동적 분야(예: 델타 로봇 및 장착 시스템)에서는 높은 가속 특성이 중요하다. 무선 DC 모터 및 디스크 자석 스테퍼 모터는 관성이 매우 낮아 이러한 분야에 적합한 솔루션이다.

고효율, 비철 브러시 DC 모터는 작동 수명을 연장하기 위한 모바일 배터리 구동 분야에 가장 적합한 선택이다. 많은 로봇 분야는 배터리로 실행되므로 긴 실행 시간을 제공하려면 매우 효율적인 모터(최대 90%)가 필요하다. 특정 응용 분야에서는 저속에서 높은 토크도 필요하다. 이러한 환경에서는 모터를 고효율 감속기(최대 90%)와 일치시켜 구현할 수 있다. 비효율적인 감속기 설계는 전체 시스템 효율성에 부정적인 영향을 미치고 배터리 작동 시간을 줄이면서 비용을 증가시킨다.

2. 견고성과 수명 연장

로봇 시스템은 엄청난 충격과 진동을 포함한 어려운 환경 조건을 견뎌야 할 수도 있다. 이때 모터 구조는 신뢰성과 내구성에 중요한 역할을 한다. 금속 하우징과 플랜지가 있는 모터는 산업용 파이프라인 및 하수도 검사, 전력망 순찰, 창고의 자율 주행 차량을 비롯한 열악한 환경에 적합하다. 이러한 극한 온도/압력 및 기타 위험한 조건에서 잘 설계된 모터는 표준 모터를 능가하는 추가 수명을 제공한다.

수술 분야의 로봇은 멸균 과정 동안 반복적인 고온과 압력 사이클을 견디도록 요구된다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 모터 설계에는 전기 기계 및 전자 부품의 캡슐화가 포함된다. 설계 업그레이드로 모터 수명을 여러 번 연장할 수 있으므로 수술용 로봇은 유지보수 전에 더 많은 수술을 완료할 수 있다.

3. 안전 및 분석

인간과 함께 작업하는 협업 로봇은 장애물을 만났을 때 예측 가능하게 작동해야 한다. 인코더, 서미스터, 전류 센서 등의 피드백 장치는 작업자, 환자, 로봇을 보호하는 역할을 한다. 고해상도 인코더는 중요한 위치에 반복적으로 도달하는 데 필요한 정밀도를 구현해 높은 생산량을 제공한다. 서미스터 및 기타 온도 장치는 온도 제한이 초과되려고 할 때 작업자에게 경고하여 문제의 원인을 파악하고 수정이 완료될 때까지 작업을 일시적으로 중단할 수 있도록 한다.

생산 라인의 로봇 고장은 생산성 손실을 의미하므로 제공된 분석을 통해 시간과 비용을 절약할 수 있다. 정밀 전류 센서는 사람과의 부주의한 상호 작용을 감지하여 손상이나 위험이 발생하기 전에 로봇을 신속하게 중지시킨다.

또한 많은 로봇 시스템은 다양한 데이터를 수집하고 자체 진단을 진행하여 예측 유지 보수를 용이하게 한다. 모터에 통합된 열 또는 센서는 예상되는 힘의 편차를 신속하게 식별하여 생산성을 향상시킬 수 있는 실시간 데이터를 제공한다. 나사 설치를 완료하는 데 필요한 힘이 예상보다 커지면 시스템에 보류 중인 문제가 경고돼 신속하게 업데이트하여 생산을 계속할 수 있다. 시간이 지남에 따라 전류 소비가 증가하면 예방적 유지보수를 할 수 있다. 외과용 로봇은 작동 중에 예기치 않은 정지를 방지하기 위해 모터 교환을 위한 정보를 제공한다.

4. 자율성과 다축 제어

로봇 공학의 미래는 자율성과 기계 학습을 연속 통합하는 것이다. 창고 관리 분야는 자체 탐색 및 정확한 정보를 토대로 안전하게 작동되는 자율 주행 차량으로 빠른 주문-배송을 구현한다. LiDAR(광 이미징, 감지 및 거리 측정)은 매우 높은 재생률로 스캔하고 최소한의 대기 시간으로 고해상도 피드백에 의존하면서 3D 이미지를 캡처하는 데 사용된다.

고기능 보간 프로세서와 함께 미세 피치 광학 감지 시스템을 사용하면 기계식 0.25도의 오차 범위에서 거의 실시간으로 증분 위치 정보(16~20비트)를 제공한다. 최신의 최적화된 모터 설계와 함께 새로운 센서 기술을 사용하면 자율 주행 차량이 작동할 수 있는 위치와 방식을 혁신할 수 있다.

전통적으로 사람의 개입이 필요했던 작업이 자동화되면서 로봇 솔루션의 수많은 동작 축을 조정해야 하며, 경우에 따라 비전 시스템의 가이드가 필요하다. 외과용 로봇과 같은 다축 애플리케이션은 배선 복잡성을 최소화하기 위해 인코더의 데이지 체인 연결을 허용하는 직렬 인터페이스 통신 프로토콜(예: BiSS 또는 SSI)을 활용하고 있다.

대형메커니즘은 직렬 인터페이스의 기능을 포함하는 센서 기술의 발전과 함께 초소형 모터 기술을 통합함으로써 간소화된다. 직렬 인터페이스 통신이 있는 인코더는 분해능이 14비트이고 기계적 정확도가 1도 범위인 자기 감지 기술을 기준으로 하는 절대 위치 정보를 제공한다.

초소형 모터 유형

로봇 시장은 전동 액추에이터의 소비자이다. 비철 브러시 DC(직류), 슬롯형 및 무슬롯 브러시리스 DC, 캔 스택, 하이브리드 및 디스크 자기모터를 포함한 스테퍼 모터 등이 있다. 요구 사항에 따라 다양한 유형의 모터, 감속기 및 인코더가 사용되고 선택된다. 각 모터 기술은 로봇 분야에 고유한 이점을 제공한다.

초소형 모터에 적합한 로봇 분야

기존의 핸드 툴스와 로봇 보조 장치를 모두 망라하는 최신 수술 장치는 매우 까다롭고 정확한 동작 요구 사항을 가지고 있다. 이러한 요구 사항은 광범위한 기술과 기존의 수술용 핸드 툴스 및 로봇 보조 수술 장치에 대한 경험을 갖춘 모터 공급업체와 협력하여 충족할 수 있다.

서비스 로봇

로봇 응용 분야는 매우 반복적인 운영 환경에서 무인 검사, 보안 및 순찰 등의 새로운 역할을 수행하고 있다. 이러한 시스템은 과거의 고정식 카메라와 경보 시스템을 제공하는 것 이상의 역할을 한다. 감시, 산업 배관 및 하수관 감시, 전력망 순찰, 창고 관리 등에 이용되고 있다.

감속기 및 인코더와 함께 무선 브러시 DC 및 브러시리스 DC 모터는 경량 패키지에 높은 토크와 배터리 작동 시간을 연장하는데 이상적인 모션 솔루션이다.

LiDAR

LiDAR 기술을 사용하면 기계가 현재 환경 조건에 3D로 액세스하고 상황을 파악할 수 있다. LiDAR를 사용하는 기계는 소형 서비스 로봇에서 대형 자율 주행 차량에 이르기까지 다양하다. 이상적인 LiDAR 시스템은 작고 가벼우며 정확할 뿐만 아니라 비용 효율적이다. 사용자는 소형 및 최소 중량을 위한 플랫 모터와 정밀 피드백이 가능한 고해상도 인코더를 선호한다.

전기 그리퍼

지난 10년 동안 전기 그리퍼가 핑거 위치, 그립 감지, 힘 및 속도를 더욱 잘 제어할 수 있기 때문에 산업용 그립은 공압 방식에서 전기 기술로 점점 전환되어 왔다. 감속기 및 인코더와 함께 무슬롯 브러시리스 DC 모터는 요구 사항을 충족하는 데 필요한 고출력 밀도, 낮은 관성, 고정밀 및 경량을 제공한다.

외과 수술 로봇 공학

수술 로봇 분야에는 컴팩트한 크기, 경량, 고출력 밀도 및 멸균과 관련된 요구 사항이 있다. 로봇 시스템의 모든 모터에 멸균 솔루션이 필요한 것은 아니지만, 고온고압 분야와 같이 모터의 견고성과 내구성에 대한 요구가 높은 경우도 있다. 이러한 응용 분야에서 전자(고정자 및 정류 전자)는 열경화성 에폭시로 완전히 캡슐화되어 증기 고온고압 환경에서 발생하는 높은 온도와 압력에 악영향을 미치지 않도록 한다.

발전하는 수술 로봇 분야에서는 변동성이 높으므로 모든 사례에 맞는 단일 솔루션을 만드는 것은 불가능하다. 시스템 내에서도 다양한 축 또는 구동 장치를 연결하는 모터 유형에 뚜렷한 차이가 있을 수 있다. 이러한 사양은 고도의 사용자 정의가 가능한 솔루션(전기적 및 기계적으로)이 필요하다. 현장에 맞게 디자인을 사용자 지정하면 정의된 패키지 크기 내에서 성능 목표를 충족할 수 있다. 가장 작고 가벼운 디자인으로 최적의 토크 및 속도 조합을 충족하는 솔루션을 개발할 수 있다.

Portescap은 여러 가지 선택 옵션을 제공한다. 수십 년 동안 가장 까다로운 모션 사례를 해결해 온 전문가들이 효율적인 로봇 솔루션을 제공한다.

자료 제공: Portescap(www.portescap.kr)