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휴머노이드 로봇 회전 조인트 모듈: 다양한 구동 방식이 성능을 어떻게 형성하는가
생성 날짜 06.23
요약
휴머노이드 로봇 회전 조인트 모듈은 모터, 감속기, 엔코더, 베어링 지지대, 하우징, 브레이크 및 구동 전자 장치를 결합하여 제어된 조인트 회전을 생성합니다. 주요 구동 방식에는 강성 액추에이터, 준직구동 액추에이터 및 직렬 탄성 액추에이터가 있습니다. 하모닉 감속기는 컴팩트한 정밀도를 제공하고, 유성 감속기는 효율적이고 백드라이브 가능한 QDD 설계를 지원하며, RV 감속기는 중하중 애플리케이션에 높은 강성을 제공합니다. 최적의 선택은 토크, 크기, 정확도, 충격 하중, 듀티 사이클, 열 설계 및 생산 비용에 따라 달라집니다.
휴머노이드 로봇은 산업용 로봇 팔처럼 움직이지 않습니다.
산업용 로봇은 일반적으로 구조화된 환경 내에서 작동합니다. 작업이 반복되고, 경로가 알려져 있으며, 부하가 예측 가능합니다. 휴머노이드 로봇은 계단, 고르지 않은 지면, 인간과의 상호 작용, 갑작스러운 충격, 균형 회복, 그리고 항상 예상대로 작동하지 않는 물체 등을 다루어야 합니다.
그렇기 때문에 조인트 모듈이 매우 중요합니다.
휴머노이드 로봇 내부에서 모션 하드웨어는 크게 세 가지 그룹으로 나눌 수 있습니다: 회전 조인트, 선형 액추에이터, 그리고 정교한 손입니다. 회전 조인트는 어깨, 엉덩이, 손목, 허리, 머리 및 다양한 팔다리 움직임을 담당합니다. 선형 액추에이터는 밀고 당기는 동작과 확장을 처리합니다. 정교한 손은 물건을 잡고 미세하게 조작하는 역할을 합니다.
이 글은 회전 조인트 모듈에 초점을 맞춥니다. 왜냐하면 로봇 성능이 결정되는 가장 중요한 부분 중 하나이기 때문입니다.
좋은 로터리 조인트는 로봇 자체의 무게와 페이로드를 지탱할 만큼 충분한 토크를 출력해야 합니다. 본체가 교란될 때 빠르게 반응해야 합니다. 또한 휴머노이드 로봇은 사람이나 물리적 물체 근처에서 안전하게 작동할 것으로 예상되므로 정확한 힘 제어가 필요합니다.
어려운 점은 이러한 요구 사항들이 종종 서로 충돌한다는 것입니다. 더 많은 토크는 더 많은 무게를 의미할 수 있습니다. 더 높은 강성은 유연성을 감소시킬 수 있습니다. 더 높은 정밀도는 비용을 증가시킬 수 있습니다. 더 나은 충격 저항은 완전히 다른 구동 경로를 필요로 할 수 있습니다.
많은 설계에서 논쟁의 핵심은 하나의 질문으로 귀결됩니다. 모터와 조인트 출력 사이에 얼마나 많은 감속기가 있어야 할까요?
시작점: 고성능 영구 자석 동기 모터
대부분의 고성능 전기 휴머노이드 로봇은 영구 자석 동기 모터를 관절 모듈의 핵심 동력원으로 사용합니다.
로터는 희토류 자성 재료를 기반으로 하는 고성능 영구 자석을 사용합니다. 고정자는 제어된 삼상 전류를 통해 회전 자기장을 생성합니다. 필드 지향 제어를 통해 모터 전류를 자속 성분과 토크 성분으로 분리하여 정밀한 토크 제어가 가능합니다.
이는 빠른 응답과 정확한 힘 제어의 물리적 기반입니다.
로봇 관절의 경우 세 가지 모터 특성이 특히 중요합니다.
- 높은 출력 밀도, 즉 관절이 컴팩트한 부피에서 의미 있는 출력을 생성할 수 있습니다.
- 빠른 동적 응답, 즉 보행, 균형 잡기 또는 충격 복구 중에 토크가 빠르게 변경될 수 있습니다.
- 높은 제어 정확도, 일반적으로 고해상도 엔코더로 지원됩니다.
문제는 고성능 모터가 본질적으로 고속 및 상대적으로 낮은 토크를 선호한다는 것입니다. 휴머노이드 관절은 그 반대, 즉 낮은 속도와 훨씬 높은 토크를 필요로 합니다. 감속기는 이 간극을 메우기 위해 존재합니다.
다양한 감속기 선택은 각기 다른 관절의 특성을 만들어냅니다.
경로 1: 강성 액추에이터
강성 액추에이터는 산업 자동화의 전통적인 경로입니다. 고속 모터와 고감속비 감속기를 함께 사용하여 속도를 낮추고 토크를 증폭시킵니다.
일반적인 감속비는 50:1에서 120:1 사이일 수 있습니다. 그 결과 높은 토크 밀도와 우수한 위치 결정 정확도를 얻을 수 있지만, 관절이 더 단단해지고 백드라이브가 어려워집니다.
일반적인 견고한 회전 액추에이터는 다음과 같은 구성 요소를 포함할 수 있습니다.
- 프레임리스 토크 모터 또는 서보 모터
- 하모닉 감속기 또는 사이클로이드 감속기
- 모터 측 및 출력 측 엔코더
- 브레이크
- 일부 설계에서는 외부 토크 센서
여기서 핵심 구성 요소는 종종 하모닉 감속기입니다.
하모닉 감속기는 컴팩트한 패키지로 큰 감속비를 제공할 수 있습니다. 또한 백래시가 매우 적어 정확한 위치 결정에 유용합니다. 이것이 휴머노이드 로봇의 어깨, 팔꿈치, 손목, 허리 관절 및 기타 컴팩트한 회전 관절에서 널리 논의되는 이유입니다.
트레이드오프는 충격 민감도입니다. 높은 기어비의 단단한 변속기는 관절을 정밀하게 느끼게 할 수 있지만, 외부 충격이 쉽게 흡수되지 않습니다. 로봇이 무언가에 부딪히면 부하가 기어 구조로 역류할 수 있습니다. 특히 전신에 많은 관절이 사용될 경우 비용도 중요한 요소입니다.
단단한 액추에이터는 컴팩트함, 높은 토크 밀도, 성숙한 제어가 설계 우선순위일 때 매력적입니다. 로봇이 강한 물리적 유연성과 빈번한 충격 내성을 필요로 할 때는 덜 매력적입니다.
경로 2: 준 직접 구동 액추에이터
종종 QDD로 줄여서 부르는 준 직접 구동은 보행 로봇과 휴머노이드 로봇에서 가장 중요한 경로 중 하나가 되었습니다.
QDD는 높은 감속비 대신 10:1 미만의 훨씬 낮은 비율을 사용합니다. 일부 설계에서는 모터가 저속 기어 감속기를 통해 출력에 거의 직접 연결됩니다.
아이디어는 간단합니다. 기계적 필터링을 줄이고 모터가 외부 세계를 더 직접적으로 "느끼게" 하는 것입니다.
QDD 액추에이터는 일반적으로 다음을 포함합니다:
- 고토크 밀도 프레임리스 모터
- 저감속비 유성 감속기 또는 저감속비 하모닉 감속기
- 고해상도 엔코더
- 통합 드라이브
- 일부 설계에서는 연속 출력을 위한 고급 냉각 기능
핵심 구성 요소는 종종 유성 감속기입니다.
하모닉 감속기와 달리 유성 감속기는 견고한 기어 맞물림을 사용합니다. 여러 개의 유성 기어가 중앙의 태양 기어 주위를 회전하며 내부 링 기어와 맞물립니다. 단일 단은 일반적으로 하모닉 감속기보다 낮은 감속비를 제공하지만, 더 높은 효율, 더 나은 백드라이버빌리티 및 더 강한 충격 내성을 제공할 수 있습니다.
이것이 QDD가 동적 움직임이 필요한 관절(엉덩이, 무릎, 발목 및 기타 하중 지지 위치)에서 인기 있는 이유입니다.
이점은 명확합니다. 조인트는 빠르게 반응하고, 충격을 더 자연스럽게 흡수하며, 비싼 외부 토크 센서에 항상 의존하지 않고 모터 전류를 통해 힘을 제어할 수 있습니다.
단점은 발열과 크기입니다. 낮은 감속비로 높은 토크를 생성하려면 모터 자체가 더 강력해야 합니다. 이는 모터 직경, 조인트 부피 및 냉각 요구 사항을 증가시킬 수 있습니다. 지속적인 고부하 작동 중에는 열 관리가 실제 엔지니어링 문제가 됩니다.
QDD는 단순히 리지드 드라이브보다 "더 나은" 것이 아닙니다. 동적이고, 백 드라이브가 가능하며, 충격에 강한 모션과 같은 다른 종류의 로봇 동작에 더 적합합니다.
경로 3: 직렬 탄성 액추에이터
직렬 탄성 액추에이터는 리지드 드라이브와 QDD 사이에 위치합니다.
기본 아이디어는 구동 시스템과 출력 사이에 스프링이나 탄성 구조와 같은 탄성 요소를 배치하는 것입니다. 탄성 요소는 충격을 흡수하며 출력력을 추정하기 위해 측정될 수 있습니다.
직렬 탄성 액추에이터는 일반적으로 다음을 포함합니다:
- 모터 및 감속기
- 탄성 요소
- 탄성 변형을 측정하는 센서
- 모터 측 및 출력 측 엔코더
장점은 안전성과 충격 흡수입니다. 관절이 외부 충격을 받으면 탄성 요소가 감속기를 보호하고 물리적 상호 작용을 더 부드럽게 만들 수 있습니다.
단점은 제어 대역폭입니다. 스프링은 에너지를 저장할 수 있지만 지연과 모델링 복잡성을 추가합니다. 정밀한 힘 제어가 더 어려워지고 기계 구조가 더 복잡해집니다.
휴머노이드 로봇의 경우 SEA가 대량 생산을 위한 가장 간단한 경로는 아닙니다. 하지만 충격 흡수와 안전한 물리적 상호 작용이 고대역폭 응답보다 더 중요한 응용 분야에서는 여전히 가치가 있습니다.
감속기: 하모닉, 플래너터리, RV
감속기는 단순히 토크 증폭기가 아닙니다. 관절의 전체적인 기계적 특성을 변화시킵니다.
이 논의에서 특히 중요한 세 가지 감속기 유형이 있습니다.
하모닉 감속기
하모닉 감속기는 컴팩트하고 정밀하며 높은 감속비를 제공할 수 있습니다. 백래시가 적고 컴팩트한 패키징이 중요한 조인트에 적합합니다.
주요 장점은 높은 비율, 높은 정밀도, 작은 크기입니다. 주요 고려 사항은 비용, 충격 민감도, 특정 부하 조건에서의 강성/수명 제한입니다.
휴머노이드 로봇에서 하모닉 감속기는 종종 상체 회전 조인트 또는 높은 위치 정확도가 필요한 컴팩트한 조인트와 관련이 있습니다.
유성 감속기
유성 감속기는 효율적이고 견고하며 낮은 감속비로 사용될 때 비교적 백드라이브가 가능합니다.
주요 장점은 충격 저항, 우수한 효율성, 성숙한 제조 기술, QDD 설계에 대한 적합성입니다. 단점은 단일 스테이지에서 매우 높은 비율을 제공하지 않으므로 모터가 토크 부담의 더 많은 부분을 감당해야 한다는 것입니다.
휴머노이드 로봇에서 유성 감속기는 충격 내성과 힘 투명성이 중요한 하체 관절이나 동적 관절에 대해 자주 논의됩니다.
RV 감속기
RV 감속기는 높은 강성, 높은 토크 용량, 긴 수명, 강력한 충격 저항성으로 인해 산업용 로봇에 널리 사용됩니다.
이들은 더 복잡한 2단 구조를 사용하며, 일반적으로 유성 감속과 사이클로이드 핀 휠 변속기를 결합합니다. 이로 인해 뛰어난 강성과 부하 용량을 제공하지만, 무게와 크기가 더 커집니다.
휴머노이드 로봇의 경우, RV 감속기는 일반적으로 경량의 전신 관절에 대한 첫 번째 선택이 아닙니다. 산업용 로봇 베이스, 중하중 팔 또는 특정 고강성 애플리케이션에 더 적합합니다.
모든 곳에서 승리하는 단일 경로 없음
휴머노이드 로봇 분석에서 가장 큰 실수 중 하나는 하나의 "최고의" 액추에이터 경로를 명명하려고 시도하는 것입니다.
보편적인 답은 없습니다.
어깨 관절, 무릎 관절, 손목 관절, 허리 관절, 손가락 관절은 모두 같은 것을 요구하지 않습니다. 일부 위치에는 콤팩트한 정밀도가 필요합니다. 일부에는 충격 내성이 필요합니다. 일부에는 높은 연속 토크가 필요합니다. 일부에는 낮은 관성이 필요합니다. 일부에는 대량 생산에 충분히 저렴해야 합니다.
이것이 많은 로봇 회사들이 몸 전체에 걸쳐 하나의 구동 구조를 사용하지 않는 이유입니다.
일반적인 전략은 다음과 같습니다:
- 이종 통합: 신체 부위별로 다른 액추에이터 구조
- 통합 모듈식 설계: 다양한 토크 레벨에 걸쳐 확장되는 단일 액추에이터 제품군
- 하이브리드 드라이브: 주요 위치에는 맞춤형 고성능 조인트를, 다른 곳에는 표준화된 모듈을 사용
이종 통합은 각 조인트에 더 최적화된 힘-속도-크기 균형을 제공하지만 엔지니어링 및 공급망 복잡성이 증가합니다.
통합 모듈은 설계, 제조, 테스트 및 비용 관리를 단순화하지만 특정 접합부에서 타협이 필요할 수 있습니다.
하이브리드 드라이브는 종종 실용적인 중간 경로입니다. 가장 까다로운 접합부는 특별한 처리를 받고, 다른 위치는 표준화된 모듈을 사용하여 복잡성을 줄입니다.
이것이 또한 업계에서 소형 정밀 접합부를 위한 하모닉 감속기와 고동적 하중 지지 접합부를 위한 유성 감속기와 같은 조합을 자주 논의하는 이유입니다.
공급망에 미치는 영향
로터리 조인트 모듈은 단순한 모터 제품이 아닙니다. 정밀 가공, 감속기, 모터, 엔코더, 브레이크, 베어링, 하우징, 열 설계, 조립 공정 및 제어 전자 장치의 교차점에 위치합니다.
구매자와 제조업체 모두 피크 토크만으로 조인트 모듈을 평가하는 것은 위험합니다.
심층적인 검토에는 다음이 포함되어야 합니다:
- 피크 토크뿐만 아니라 연속 토크
- 감속비 및 백드라이버빌리티
- 백래시 및 강성
- 내충격성
- 발열 및 냉각 방식
- 엔코더 해상도 및 배치
- 베어링 지지 및 하우징 강성
- 무게 및 외경
- 조립 일관성
- 공급업체 테스트 및 장기 신뢰성 데이터
사양 시트에서 가장 인상적인 숫자가 항상 생산에서 가장 유용한 숫자는 아닙니다.
예를 들어, 높은 피크 토크 관절은 연속 보행 중에 과열되면 여전히 고장날 수 있습니다. 정밀한 하모닉 관절은 반복적인 충격 하중에 적합하지 않을 수 있습니다. 높은 백드라이브 가능한 QDD 관절은 부하를 지속적으로 유지하기 위해 신중한 모터 크기 조정 및 냉각이 필요할 수 있습니다.
더 발전된 기술이 무엇인지가 아니라, 이 조인트, 이 로봇, 이 작업 주기, 그리고 이 생산 계획에 어떤 경로가 적합한지가 올바른 질문입니다.
카지다의 회전 조인트 모듈 소싱 접근 방식
카지다 글로벌에서는 공작 기계 및 정밀 제조에 사용하는 것과 동일한 사고방식으로 로봇 조인트 부품을 바라봅니다. 즉, 부품은 실제 작업 조건과 일치해야 합니다.
회전 조인트 모듈의 경우, 액추에이터 이름 너머를 봐야 합니다. 하모닉 감속기, 유성 감속기, RV 감속기, 프레임리스 모터, 엔코더, 브레이크 또는 가공된 하우징은 필요한 토크, 크기 제한, 정확도 목표, 작업 주기 및 비용 한계와 함께 평가되어야 합니다.
Kazida는 제조업체와 딜러가 공작 기계, 정밀 부품, 가공 리소스, 금속 가공 재료 및 공급업체 조정을 위한 더 많은 옵션을 비교하도록 도울 수 있습니다. 더 중요한 것은 실제 적용 사례를 기반으로 실질적인 조언을 제공할 수 있으므로 카탈로그, 단일 견적 또는 최대 토크 수치만으로 의사 결정이 이루어지지 않도록 합니다.
프로젝트에 회전 액추에이터, 정밀 변속 부품, CNC 가공 하우징, 감속기, 샤프트 또는 관련 금속 가공 부품이 포함되는 경우 요구 사항을 검토하고 적합한 옵션을 논의하는 데 도움을 드릴 수 있습니다.
마무리 생각
휴머노이드 로봇의 로터리 조인트는 기계 설계와 제어 전략이 만나는 지점입니다.
강성 액추에이터는 컴팩트한 토크 밀도와 정밀도를 제공합니다. QDD 액추에이터는 충격 내성, 백드라이버빌리티 및 동적 힘 제어를 제공합니다. 직교 감속기, 유성 감속기 및 RV 감속기는 각각 크기, 강성, 효율성, 비용 및 신뢰성의 다른 균형을 제공합니다. (참고: 'Harmonic'은 '직교'로 번역하는 것이 일반적입니다.)
휴머노이드 로봇의 미래는 단일 부품으로 결정되지 않을 것입니다. 모터, 감속기, 센서, 열 설계, 가공 품질, 조립 공정 및 제어 알고리즘이 얼마나 잘 협력하는지에 따라 결정될 것입니다.
이러한 시스템을 소싱하거나 개발하는 사람들에게 교훈은 간단합니다. 액추에이터 방식을 구매하지 마십시오. 먼저 작업을 이해한 다음, 적합한 방식을 선택하십시오.
자주 묻는 질문
휴머노이드 로봇에서 회전 조인트 모듈이란 무엇인가요?
회전 조인트 모듈은 로봇 관절이 회전할 수 있도록 하는 통합 액추에이터입니다. 일반적으로 모터, 감속기, 엔코더, 베어링 지지대, 하우징, 브레이크 및 구동 전자 장치를 결합합니다. 어깨, 팔꿈치, 손목, 허리, 엉덩이, 무릎, 발목과 같은 위치에 사용됩니다.
강성 구동과 준직접 구동의 차이점은 무엇인가요?
리짓 드라이브는 더 높은 감속비를 사용하여 토크와 위치 결정 정밀도를 높이지만, 백드라이버빌리티가 낮고 충격에 더 민감합니다. 준직결 구동은 더 낮은 감속비를 사용하며, 일반적으로 더 강력한 모터와 유성 감속기를 사용하여 더 나은 힘 투명성, 충격 내성 및 동적 응답을 제공합니다.
휴머노이드 로봇 관절에는 하모닉, 유성, 또는 RV 감속기 중 어떤 것이 더 좋을까요?
단 하나의 최고의 감속기는 없습니다. 하모닉 감속기는 컴팩트하고 정밀하며, 유성 감속기는 효율적이고 백드라이브가 더 용이하며, RV 감속기는 높은 강성과 부하 용량을 제공합니다. 올바른 선택은 관절 위치, 토크 요구 사항, 충격 하중, 크기 제한, 정확도 목표 및 비용에 따라 달라집니다.
카지다 글로벌은 회전 관절 모듈 또는 정밀 부품 소싱에 어떻게 도움을 줄 수 있나요?
카지다 글로벌은 공작 기계, 정밀 동력 전달 부품, CNC 가공 부품, 감속기, 샤프트, 하우징 및 관련 금속 가공 리소스에 대한 실질적인 조언을 제공할 수 있습니다. 액추에이터 또는 로봇 공학 프로젝트를 위한 부품 옵션을 비교하거나 구매를 계획 중이라면, 더 자세한 논의를 위해 언제든지 저희에게 연락해 주십시오.
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