엔드 이펙터의 기능을 수행하는 서보 액추에이터의 종류와 특장점 ①

리니어 서보 액추에이터
 

모터(Motors)와 엔드 이펙터(end effectors)는 다양한 모양과 크기로 제공된다. 그러나 A지점에서 B지점으로 물체를 운반하고 위치 제어에 초점을 맞추는 액추에이터와 비교할 때, 엔드 이펙터는 일반적으로 운반 중인 물체가 부서지거나 떨어지지 않도록 하는힘 감지 기능이 포함돼 있다. 감지 기능은 별도의 물리적 하드웨어 장치가 필요하지 않을 수 있다. 대신 높은 정밀도로 액추에이터 코일을 통한 전류 흐름을 측정하여 감지된 토크를 추론할 수 있다.

엔드 이펙터에 대한 모든 논의는 리니어 서보 액추에이터에 대한 논의로 시작된다. 몇 가지 종류가 있지만 가장 일반적인 구성은 실제로 모터의 회전을 직선 운동으로 변환하기 위해 리드 스크류와 결합된 회전식 모터를 사용한다. 이것은 <그림1>에 나와 있다.

<그림1> 회전 모터 및 리드 스크류를 사용하는 리니어 액추에이터

사용되는 회전 모터는 대부분 DC 브러시 또는 브러시리스 DC 유형이다. 그러나 스텝 모터도 사용할 수 있다. 스텝 모터에는 인코더가 없으며 이는 본질적으로 위치를 제어할 수 있는 장치이기 때문이다. 이와 같은 리니어 액추에이터에 대한 회전 모터는 다양한 크기, 스트로크 및 힘 출력으로 제공된다. 모터를 회전시킨 다음 기계적으로 회전 토크를 리니어 힘으로 변환하여 힘이 생성되는 방식으로 인해 이러한 액추에이터는 무게 단위당 높은 힘 출력을 가진다.

실제로 일부 응용 분야에서는 유압 피스톤의 대안으로도 사용된다. 그러나 가속도와 속도는 적당하지만 같은 이유로 모터의 회전이 기어 메커니즘에 의해 기계적으로 감소한다.

낮은 토크에서 중간 정도의 토크 출력 수준에서 이 유형의 액추 에이터에 대한 가장 일반적인 응용 분야는 포지셔닝이다. 서보 모터를 사용하는 경우 로터리 모터의 인코더는 서보 제어 시스템에 피드백을 제공하여 위치 제어를 위해 복잡한 사다리꼴 또는 S-곡선 프로파일을 실행할 수 있다. 제공되는 위치 정확도는 인코더 분해능과 기어링 시스템의 함수 관계에 있다.

일반적으로 이러한 유형의 액추에이터는 매우 높은 위치 정확 도를 필요로 하지 않는 ‘약간 정밀한’ 응용 분야에 사용된다. 그러나 이러한 유형의 액추에이터가 사용되는 전체 응용 분야는 방대 하다. 여기에는 전자 제조 기계, 반도체 장비, 생명 공학 및 실험실 자동화, 섬유, 산업 자동화 등이 포함된다.

흥미로운 유형의 하나는 힘 피드백 리니어 액추에이터이다. 액추에이터는 동일한 모터 및 기어 메커니즘으로 시작하지만 외부힘 센서, 일반적으로 스트레인 게이지 기반 로드 셀 및 정밀한 힘제어를 허용하는 해당 제어 루프를 추가한다.

다이렉트 드라이브 모터
 

리니어 서보 액추에이터의 두 번째 범주는 다이렉트 드라이브 리니어 브러시리스 DC 모터이다. 일반 회전식 브러시리스 DC 모터와 마찬가지로 이들은 일반적으로 위치 제어를 위해 인코더를 사용하는 정류 모터이다.

브러시리스 DC 모터는 전자적으로 정류되므로 DC 브러시 모터와 비교할 때 정류 브러시의 마모가 없다. 여기서 다이렉트 드라이브(직접 구동)란 모터 코일과 자석에 의해 리니어 모션이 직접 생성됨을 의미한다. 기어나 리드스크류가 필요하지 않다.

<그림2> 다이렉트 드라이브 리니어 브러시리스 DC 모터

위의 <그림2>는 이것이 어떻게 달성되는지 보여준다. 브러시 리스 DC 모터의 리니어 버전은 본질적으로 포장되지 않은 회전식 모터이다. 둘 다 고정자(코일을 수용하는 부품)와 회전자(영구 자석이 포함된 부품)를 가지고 있다. 고정자와 회전자의 두 가지 다른 구성이 가능하다. 하나는 고정자(코일이 있는 부분)가 고정되고 회전자(자석이 있는 부분)가 움직이는 것이고, 반대 구성은 고정자가 움직이고 회전자가 정지 하는 것이다. 이러한 구성은 <그림3>과 같다.

<그림3a> 고정자가 있는 리니어 브러시리스 DC 모터

<그림3b> 회전자가 있는 리니어 브러시리스 DC 모터

‘트랙’ 모양 구성과 반대로 막대 모양의 로터를 사용하는 모터는 기구 구성이 서로 다르다. 로드에는 자석이 포함되어 있으며 이전과 마찬가지로 고정자가 고정된 상태로 로드가 이동하거나 고정자가 가로질러 이동하는 상태에서 로드가 고정될 수 있다. 이러한 액추에이터는 <그림4>에 나와 있다.

<그림4> 막대형 로터가 있는 리니어 브러시리스 DC 모터

어떤 배열이 사용되든 리니어 브러시리스 DC 모터는 매우 높은 신뢰성과 빠른 응답 시간을 요구하는 응용 분야의 주력 제품이 다. 로타리와 리니어 액추에이터에 비해 직접 구동 모터는 가속도가 매우 높다. 토크 출력은 낮거나 보통이지만 희토류 자석을 사용하면 실제로 놀라울 정도로 높아질 수 있다.

다이렉트 드라이브 모터는 더 비싸지만 실험실 자동화, 반도체 장비 및 전자 제조 장비와 같은 산업에서 여전히 자주 사용된다. 또한 다이렉트 드라이브 액추에이터의 중요한 특성은 힘 센서 없이도 힘을 정확하게 제어할 수 있다는 것이다. 외부 항력이 최소 화되도록 고품질 베어링을 사용하면, 액추에이터에 제공되는 외부 토크 양은 서보 시스템에 의해 직접 감지된다.

이에 비해 앞에서 설명한 로타리-리니어 변환 액추에이터의 경우 반사된 힘이 서보에 의해 정확하게 감지되지 않는다. 이는 이러한 장치의 내부 기어링과 수반되는 마찰 때문이다. 마찰은 모터에 전달되고 서보 컨트롤러가 감지하기 전에 외부 힘을 소모하므로 서보 컨트롤러를 통해 힘을 정확하게 감지하는 능력이 저하된다.

<그림5> 이동식 자석 리니어 DC 모터 액추에이터

리니어 DC 모터
 

다이렉트 드라이브 리니어 액추에이터의 또 다른 중요한 범주는 리니어 DC 모터로, 이동하는 마그네틱 로드 배열과 보이스 코일 배열의 두 가지 하위 특성이 있다. 그 중 첫 번째가 <그림5>에 나와 있다. 

마그네틱 로드 스타일 DC 리니어 액추에이터는 작거나 적당한 스트로크 거리로 적당한 토크와 속도를 제공할 수 있다. 주요 이점은 단순성이므로 신뢰성과 저렴한 비용이다. 코일에 전원이 공급되면 자기장이 로드에 장착된 자석과 상호 작용하여 힘을 생성 한다. 이와 같은 액추에이터는 하중을 지지하는 베어링이 이미 포함된 패키지 단위로 구입하거나 기계 설계자가 로드에 대한 베어링 지지대를 제공해야 하는 개방형 프레임으로 구입할수 있다.

이러한 유형의 액추에이터가 솔레노이드라고 생각할 수 있지만 솔레노이드는 전기자라고 하는 움직이는 부품에 자석이 없기 때문에 다르다. 솔레노이드의 힘 생성은 일종의 철금속으로 만들 어진 전기자가 통전된 코일 안팎으로 움직일 때 발생하는 코일 인덕턴스의 변화에서 비롯된다. 솔레노이드는 공장 바닥 응용 분야 에서 일반적이다.

예를 들어 핀은 전기 제어 하에서 확장되거나 축소되어야 한다. 그러나 상대적으로 거칠고 제어되지 않는 모션 출력으로 인해 갠트리 또는 로봇 팔에 의해 운반되는 엔드 이펙터로 사용하기에는 일반적이지 않다.

보이스 코일 액추에이터는 고정자와 로드(rod) 자석의 역할을 반대로 한다. 이러한 유형의 액추에이터는 일반적으로 스트로크 가 짧고 토크 출력이 적당하며 응답 시간이 매우 빠르다. 속도는 움직이는 부분이 매우 가벼울 수 있고 에폭시와 같은 접착제로 함께 고정되는 모터 코일 자체보다 조금 더 많을 수 있다는 사실에 기인한다.

<그림6> 보이스 코일 DC 모터 액추에이터

<그림6>은 돌출된 로드가 있는 보이스 코일 모터를 보여주지만 많은 보이스 코일은 기계식 로드가 아닌 공기 또는 빛을 ‘작동 (actuate)’한다. 스테레오 HIFI 스피커는 음파가 생성되는 얇은 평면 막을 밀어내는 보이스 코일의 전형적인 예이다.

마찬가지로 멤브레인이 거울이면 광파의 반사를 고주파로 제어할 수 있다. 이 두 DC 리니어 액추에이터 유형은 모두 센서와 결합되어 프로그래밍 가능한 위치 지정을 제공할 수 있다. 이 구성에서 이들은 명령된 위치 또는 토크를 유지하기 위해 코일 전류를 지속적으로 조정하는 서보 컨트롤러에 의해 구동된다. 리니어 DC 모터 또는 보이스 코일 모터의 포지셔닝을 위한 애플리케이션은 다양하며 정밀 광학, 과학 기기, 밸브 컨트롤러 등을 포함한다.

<그림7> 피에조 모터

피에조 모터

리니어 액추에이터, 특히 고정밀 애플리케이션에 사용되는 액추 에이터에 대해서 <그림7>에 표시된 피에조를 언급하고자 한다. 리니어 및 회전 구성으로 조립할 수 있는 피에조 모터는 특수 전자 장치와 함께 압전 재료의 탄성 변형을 사용하여 전진 및 후진 동작을 제어하는 전기 기계 장치이다.

모션 생성을 위해 전자 장치는 회전자 역할을 하는 텍스처 플래튼(textured platen)과 직접 접촉하는 압전 재료(모터 고정자 역할을 함)에 정재파를 설정한다. 위상 제어를 통하여 전진 또는 후진 모션이 발생된다. 피에조 모터는 힘 제어에 거의 사용되지 않지만 특히 작고 정밀한 스트로크가 필요한 포지셔닝 응용 분야에서 탁월하다.

<그림8> 로봇 그리퍼 메커니즘의 예

힘 제어
 

리니어 액추에이터에 이어서 운송에 사용되는 모터와 엔드 이펙터로 사용되는 모터의 주요 차이점 중 하나에 대해 이야기해 보자. 이 차이점은 힘 제어의 필요성이다. 엔드 이펙터는 종종 액추 에이터의 위치만큼 액추에이터에 의해 적용되는 힘에 대해 많은 (때로는 더 많은) 관심을 갖는다. 힘 제어가 중요한 응용 분야의 예로는 그리퍼, 나사 캡 어플리케이터, 웹 텐셔너, 압입 도구, 포장 장비 등이 있다.

로봇 그리퍼는 엔드 이펙터 응용 분야에서 힘을 감지하고 제어 하는 것이 얼마나 중요한지 이해하는 데 좋은 모델이다. 그리퍼에서 운반되는 물체는 크기나 방향이 다를 수 있으므로 기계적 맞물림 지점이 달라진다. 그러나 일단 접촉이 이루어지면 그리퍼는 물체에 일관된 힘을 가해야 한다. 물체를 안전하게 잡을 수 있을 만큼 크지만 손상시킬 정도로 크지는 않다.

이러한 종류의 힘 제어에는 몇 가지 기술이 있지만 힘 임계 값에 도달하면 궤적 중지(Stop Trajectory) 또는 궤적은 계속되지만 힘 출력 제한이라는 두 가지 접근 방식이 있다.

<그림9> 힘 임계 값에 도달할 때의 궤적

첫 번째 접근 방식에서 그리퍼는 모터의 토크 출력 대 전류(암 페어) 비율을 알고 적용된 토크로 변환할 수 있는 모터 토크 명령을 지속적으로 모니터링하는 서보 PID에 의해 제어된다. 처음에는 그리퍼가 물체와 접촉하지 않고 파지(gripping)할 물체에 접근하기 위해 궤적 이동을 시작한다. 이동이 진행됨에 따라 어느 지점에서 그리퍼가 접촉하기 시작하고 이것은 명령된 궤적을 따르는 데 필요한 모터 명령 토크가 증가함에 따라 서보 루프에서 감지된다.

원하는 파지력(grippimg force)에 도달하면 모션 프로 파일이 정지된다. 힘 램프는 쥐고 있는 물체의 컴플라이언스를 나타내는 지표이다. 보다 순응적인 물체는 더 평평한 힘 램프를 생성한다.

<그림10> 궤적을 계속하지만 힘 출력은 제한

두 번째 접근 방식에서 그리퍼는 유사하게 명령된 궤적 이동을 사용하여 물체에 접근하지만 서보 루프는 서보 루프의 힘 출력을 모니터링하지 않는다. 대신 PID가 궤적을 따르려고 시도하더라도 적용되는 힘이 원하는 힘 임계값보다 크지 않도록 전류 출력 제한이 서보 루프에 설치된다. 파지력이 원하는 임계값과 같은 지점에서 명령된 궤적은 계속 움직이지만 실제 위치는 정지하여 서보 오류가 급격히 증가한다.     

( ▶ 다음 2월호에 계속)

자료제공: PMD(www.pmdcorp.com)