상지 로봇 관절 모듈은 어떻게 선택할까요?

산업용 로봇 팔부터 휴머노이드 로봇에 이르기까지, 상지의 운동 능력은 로봇이 복잡한 작업을 수행하기 위한 핵심 기반이 되고 있습니다. 어깨를 들어 올리는 동작, 팔꿈치의 굽힘과 폄, 손목 회전 또는 말단 장치의 파지 동작 등 모든 움직임은 여러 관절의 정밀한 협응에 의존합니다. 로봇이 사람의 팔과 유사한 유연한 움직임을 구현하려면 적합한 관절 구동 모듈을 선택하는 것이 매우 중요합니다.

관절 모듈은 상지 로봇의 핵심 동력 장치이며, 그 성능은 로봇의 부하 용량, 동작 속도, 응답 정확도 및 전체 구조 설계에 직접적인 영향을 미칩니다. 각 관절의 구동 요구 사항을 충족하려면 모터가 적절한 출력 토크와 속도를 제공해야 할 뿐만 아니라 감속비, 크기, 무게, 제어 방식 및 연속 작동 능력도 함께 고려해야 합니다.

그렇다면 상지 로봇의 관절 모듈은 어떻게 선정해야 할까요? 어깨, 팔꿈치, 손목 관절에는 각각 어떤 파라미터를 고려해야 할까요? 통합형 구동 솔루션과 준직접 구동 솔루션은 어떻게 선택해야 할까요? 관절 구조와 주요 성능 파라미터부터 CubeMars AK, AKA 및 AKE 시리즈 동력 모듈까지, 이 글에서는 다양한 로봇 관절에 적합한 구동 솔루션을 살펴봅니다.

상지 로봇의 관절 구조 및 구동 요구 사항

상지 로봇은 주로 사람의 팔 움직임 구조를 모방하며, 일반적으로 어깨, 팔꿈치, 손목 관절 등으로 구성됩니다. 관절마다 수행하는 동작 작업이 다르기 때문에 구동 능력과 구조 설계 요구 사항에도 상당한 차이가 있습니다.

어깨 관절: 큰 부하와 넓은 가동 범위 대응

어깨 관절은 일반적으로 팔 들어 올리기, 앞뒤 흔들기, 회전 등의 동작을 담당합니다. 상지 로봇에서 비교적 넓은 가동 범위와 복잡한 부하 조건을 갖는 관절 중 하나입니다.

로봇 팔을 들어 올리거나 앞으로 뻗을 때 어깨 관절은 상완 구조를 구동해야 할 뿐만 아니라 전완, 손목, 말단 장치 및 말단 부하에서 발생하는 토크도 견뎌야 합니다.

따라서 어깨 관절 구동 모듈을 선택할 때는 출력 토크, 연속 작동 능력, 구조 강도 및 방열 성능에 특히 주의를 기울여야 합니다. 또한 어깨 모터 자체도 로봇 팔의 부하 일부가 되므로 구동 장치의 무게 역시 고려해야 합니다.

팔꿈치 관절: 출력 토크와 동작 응답의 균형

팔꿈치 관절은 주로 팔의 굽힘과 폄을 담당하며, 일반적으로 전완과 말단 장치를 구동하여 파지, 운반 및 위치 지정 등의 작업을 수행합니다.

어깨 관절과 비교하면 팔꿈치 관절의 가동 범위는 상대적으로 제한적이지만, 로봇 팔의 자세에 따라 부하가 달라집니다. 예를 들어 팔을 완전히 뻗었을 때 말단 부하와 팔꿈치 관절 사이의 모멘트 암이 길어질 수 있으며, 이에 따라 필요한 관절 출력 토크도 증가합니다.

따라서 팔꿈치 관절을 선정할 때는 전완 길이, 말단 부하, 동작 속도 및 동적 응답을 종합적으로 고려해야 합니다. 하나의 자세에서 발생하는 정적 부하만으로 결정해서는 안 됩니다.

손목 관절: 경량 설계와 제어 정확도 중시

손목 관절은 주로 말단 장치의 자세를 조정하는 데 사용됩니다. 일반적인 동작에는 피치, 편향 및 회전이 포함됩니다.

손목 관절은 일반적으로 로봇 팔의 끝부분에 위치하므로 구동 장치의 무게가 전완과 팔꿈치 관절의 부하에도 추가적인 영향을 미칩니다. 따라서 필요한 토크와 속도를 충족하는 것 외에도 손목 관절을 선정할 때는 모터 크기, 무게, 응답 속도 및 제어 정확도를 고려해야 합니다.

정밀 파지, 조립 또는 인간-로봇 상호작용을 수행해야 하는 로봇의 경우 손목 관절은 작업 요구 사항에 부합하는 동작 제어 능력도 갖추어야 합니다.

전체 구조의 관점에서 볼 때 상지 로봇의 각 관절은 독립적으로 작동하지 않습니다. 어깨 관절의 움직임은 팔꿈치와 손목의 위치를 바꾸며, 팔꿈치 관절의 움직임 역시 말단 부하가 다른 관절에 가하는 토크에 영향을 미칩니다. 따라서 관절 모듈 선정은 로봇 팔 전체의 구조와 동작 패턴을 함께 고려하여 평가해야 합니다.

상지 로봇 관절 모듈 선정 시 고려해야 할 주요 파라미터

관절 모듈의 기술 사양은 로봇이 수행할 수 있는 동작 유형을 결정합니다. 상지 로봇의 경우 출력 토크, 속도, 감속비, 크기와 무게, 제어 방식, 방열 능력 및 기계적 성능은 모두 선정 과정에서 고려해야 할 중요한 요소입니다.

1. 출력 토크

토크는 관절의 구동 능력을 측정하는 중요한 파라미터입니다. 관절이 팔 구조와 말단 부하를 구동하여 지정된 동작을 수행할 수 있는지를 결정합니다.

실제 적용에서는 정격 토크와 피크 토크를 구분해야 합니다. 정격 토크는 일반적으로 지정된 작동 조건에서 모터가 연속 출력을 제공할 수 있는 능력을 평가하는 데 사용되며, 피크 토크는 주로 짧은 시간 동안의 가속, 기동 또는 순간적인 부하 변화를 처리하는 데 사용됩니다.

예를 들어 상지 로봇이 팔을 들어 올린 자세를 장시간 유지해야 하는 경우 관절 모듈의 연속 출력 능력에 특히 주의를 기울여야 합니다. 요구 사항의 충족 여부를 피크 토크만으로 판단해서는 안 됩니다.

토크를 추정할 때는 먼저 부하 질량과 모멘트 암 길이를 기준으로 정적 토크를 계산할 수 있습니다.

T=m\\times g\\times L

여기서:

• (T)는 정적 토크를 나타냅니다.
• (m)은 부하 질량을 나타냅니다.
• (g)는 중력 가속도를 나타내며, 일반적으로 9.81 m/s²로 계산합니다.

• (L)은 부하의 무게중심에서 관절 회전축까지의 거리를 나타냅니다.

예를 들어 로봇 팔 끝에 2 kg의 부하가 있고, 부하의 무게중심과 관절 회전축 사이의 거리가 0.25 m라고 가정해 보겠습니다. 이때 정적 토크는 다음과 같습니다.

T=2\\times9.81\\times0.25=4.905\\ N\\cdot m

이는 관절이 최소 약 4.905 N·m의 정적 부하 토크를 극복해야 한다는 의미입니다. 실제 선정에서는 로봇 팔 자체의 무게, 동작 가속도, 마찰 손실 및 동적 충격 등의 요소도 고려하고 합리적인 설계 여유를 확보해야 합니다.

또한 동적 동작 중에는 관절이 관성으로 인해 발생하는 토크도 극복해야 합니다. 회전 운동의 경우 다음 관계식을 사용하여 초기 추정치를 계산할 수 있습니다.

T_{\\text{dynamic}}=J\\times\\alpha

여기서 (J)는 관성 모멘트를 나타내고, (\\alpha)는 각가속도를 나타냅니다.

따라서 관절의 실제 구동 요구 사항은 일반적으로 정적 부하 토크, 동적 관성 토크 및 기타 저항력을 종합적으로 고려하여 계산해야 합니다.

2. 출력 속도

출력 속도는 상지 로봇 관절의 동작 속도를 결정합니다. 관절마다 동작 빈도와 가동 범위가 다르므로 속도 요구 사항에도 차이가 있습니다.

예를 들어 어깨 관절은 비교적 넓은 범위에서 들어 올리기와 회전 동작을 수행해야 하고, 팔꿈치 관절은 작업 요구 사항에 따라 굽힘과 폄 동작을 수행해야 하며, 손목 관절은 빈번하고 미세한 자세 조정을 수행해야 할 수 있습니다.

선정 과정에서는 관절의 최대 각속도, 가동 범위 및 동작 주기를 기준으로 필요한 출력 속도를 결정해야 합니다. 또한 다양한 부하 조건에서 모터의 실제 속도 성능에도 주의를 기울여야 합니다.

모터의 무부하 속도가 실제 작동 속도를 의미하는 것은 아니라는 점에 유의해야 합니다. 모터가 부하 상태에서 작동하면 출력 토크, 전원 공급 조건 및 제어 전략 등의 요소에 따라 속도가 달라집니다. 따라서 제품의 속도-토크 특성을 기준으로 평가해야 합니다.

3. 감속비

감속비는 관절 모듈의 출력 토크와 속도에 영향을 미치며, 로봇 관절 구동 설계에서 중요한 파라미터입니다.

모터와 감속 장치가 결합된 구동 시스템에서 감속 장치는 출력 속도를 낮추는 동시에 출력 토크를 높일 수 있습니다. 일반적으로 감속비가 높을수록 출력단의 이론적인 토크 증폭 효과가 커지지만, 그에 따라 출력 속도는 감소합니다.

상지 로봇의 경우 어깨와 팔꿈치 관절은 일반적으로 부하 용량과 동작 속도 사이의 균형을 맞춰야 합니다. 따라서 실제 동작 요구 사항에 따라 적절한 감속비를 선택해야 합니다. 손목 관절의 경우 동작 정확도, 응답 속도 및 사용 가능한 구조 공간을 고려하여 결정해야 합니다.

감속비가 높다고 반드시 더 좋은 것은 아닙니다. 지나치게 높은 감속비는 관절의 동작 속도와 동적 응답에 영향을 미칠 수 있으며, 전달 구조의 복잡성을 높일 수도 있습니다. 따라서 출력 토크, 속도 및 제어 성능 사이에서 균형을 맞춰야 합니다.

4. 모터 크기 및 무게

상지 로봇은 일반적으로 제한된 구조 공간 안에 여러 관절 구동 장치를 통합해야 합니다. 따라서 모터의 크기와 무게는 로봇 팔의 전체 설계에 직접적인 영향을 미칩니다.

이는 구동 장치의 무게가 이전 관절에 추가 부하로 작용하는 손목 관절에서 특히 중요합니다. 예를 들어 손목 모터는 말단 장치를 구동해야 할 뿐만 아니라 전완과 팔꿈치 관절에 가해지는 부하도 증가시킵니다.

손목 구동 장치가 너무 무거우면 팔꿈치와 어깨 관절의 토크 요구 사항이 더욱 증가하여 로봇 팔 전체의 동작 효율에 영향을 미칠 수 있습니다.

따라서 토크와 속도 요구 사항을 충족하는 동시에 관절 모듈의 크기와 무게를 가능한 한 줄여야 합니다. 또한 로봇 팔의 장착 구조, 축 방향 공간 및 연결 방식에 따라 종합적으로 평가해야 합니다.

5. 제어 방식 및 피드백 기능

상지 로봇은 일반적으로 여러 관절의 협응 동작을 구현해야 합니다. 따라서 구동 장치의 제어 방식과 피드백 기능도 마찬가지로 중요합니다.

실제 적용에서 일반적인 제어 요구 사항에는 위치 제어, 속도 제어 및 토크 제어가 포함됩니다. 위치 제어는 주로 관절 각도를 지정된 위치에 맞추는 데 사용되며, 속도 제어는 관절의 동작 속도를 조정하는 데 사용됩니다. 토크 제어는 부하 조정과 유연한 동작을 구현하는 데 도움이 됩니다.

또한 엔코더와 같은 피드백 장치는 제어 시스템이 모터 또는 관절의 작동 상태를 파악하도록 도와 폐루프 제어에 필요한 데이터를 제공합니다.

다관절 시스템에서는 구동 장치의 통신 인터페이스, 제어 프로토콜, 파라미터 설정 및 다중 모터 협조 제어 능력에도 주의를 기울여야 합니다. 관절 모듈을 선택할 때는 해당 제어 인터페이스가 로봇의 메인 제어 시스템과 호환되는지 확인해야 합니다.

6. 방열 및 연속 작동 성능

장시간 작동하는 동안 상지 로봇의 관절 모터는 지속적으로 부하를 받으며 열을 발생시킬 수 있습니다. 방열이 충분하지 않으면 모터 온도가 점차 상승하여 연속 출력 능력과 시스템의 작동 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.

따라서 선정 과정에서는 피크 토크뿐만 아니라 정격 조건에서의 연속 작동 능력과 실제 장착 구조 내에서 모터의 방열 조건도 평가해야 합니다.

장시간 자세를 유지하거나 빈번하게 기동하거나 연속 동작을 수행해야 하는 상지 로봇의 경우 듀티 사이클, 부하 변화 및 설치 환경을 함께 고려하여 모터의 열적 성능을 평가해야 합니다.

7. 기계적 성능 및 전달 정확도

전기적 파라미터 외에도 관절 모듈의 기계적 성능은 로봇의 동작 성능에 영향을 미칩니다.

정밀한 위치 지정이 필요한 상지 로봇의 경우 전달 백래시, 비틀림 강성 및 구조 강도를 모두 고려해야 합니다. 전달 백래시는 관절이 역방향으로 움직일 때 위치 정확도에 영향을 줄 수 있으며, 비틀림 강성은 부하가 작용할 때 관절의 변형 정도에 영향을 미칩니다.

로봇이 정밀 작업, 반복 위치 지정 또는 인간-로봇 협업 작업을 수행해야 한다면 실제 정확도 요구 사항에 따라 구동 장치의 기계적 성능을 평가해야 합니다.

다양한 관절에 구동 모듈을 어떻게 적용할 것인가?

다양한 파라미터를 이해한 다음 단계는 특정 관절 위치에 적합한 구동 모듈을 적용하는 것입니다. 상지 로봇의 관절마다 부하, 가동 범위 및 설치 조건이 다르므로 이에 맞는 적용 전략을 채택해야 합니다.

로봇이 다자유도 어깨 동작을 구현해야 한다면 여러 구동 장치의 공간 배치와 협조 제어도 고려해야 합니다. 구동 모듈은 각 관절의 동력 요구 사항을 충족해야 할 뿐만 아니라 어깨의 전체 기계 구조에도 적합해야 합니다.

선정 과정에서는 실제 부하를 기준으로 필요한 관절 토크를 계산하고 다양한 속도에서 모듈의 출력 능력을 평가해야 합니다. 파지, 운반 및 조작 작업을 빈번하게 수행하는 로봇의 경우 구동 시스템의 동적 응답과 전달 안정성에도 주의를 기울여야 합니다.

손목 관절은 일반적으로 상지의 끝부분에 설치되며, 그 무게는 말단 부하 용량과 운동 관성에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 손목 구동 모듈은 출력 능력이 요구 사항을 충족하도록 보장하면서 크기와 무게를 가능한 한 줄여야 합니다.

어깨, 팔꿈치 및 손목 관절의 구동 요구 사항은 고정되어 있지 않다는 점에 유의해야 합니다. 동일한 관절 위치라도 로봇 구조, 부하 및 동작 작업에 따라 상당한 차이가 발생할 수 있습니다. 실제 선정은 여전히 관절 동역학 계산과 완성된 로봇의 테스트 결과를 바탕으로 이루어져야 합니다.

통합형 관절 모듈과 분리형 구동 솔루션 중 무엇을 선택해야 할까?

상지 로봇 관절 구동 솔루션은 일반적으로 통합형 구동 솔루션과 분리형 구동 솔루션의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 두 방식은 구조 설계, 시스템 통합 및 유지보수 방법 측면에서 각각 고유한 특징을 가지고 있습니다.

분리형 구동 솔루션은 일반적으로 모터, 기어박스, 드라이버 및 엔코더와 같은 개별 부품으로 구성됩니다. 개발자는 실제 요구 사항에 따라 서로 다른 부품을 선택하고 독립적으로 구성할 수 있습니다. 이 솔루션은 설계 유연성이 높으며 특수한 구조적 요구 사항이 있거나 구동 시스템을 심층적으로 맞춤 제작해야 하는 로봇 프로젝트에 적합합니다.

그러나 분리형 솔루션은 더 많은 기계적 연결, 전기적 연결 및 제어 인터페이스를 처리해야 한다는 의미이기도 합니다. 여러 부품을 매칭하고 디버깅하는 과정에서 시스템 통합 작업량이 증가하고 더 많은 설치 공간을 차지할 수 있습니다.

통합형 관절 모듈은 모터, 감속 장치, 드라이버 및 피드백 요소와 같은 부품을 비교적 컴팩트한 구조로 결합합니다. 이를 통해 외부 연결과 시스템 배선을 줄이는 동시에 기계 구조 설계 및 설치의 복잡성을 낮출 수 있습니다.

여러 관절 구동 장치를 통합해야 하는 상지 로봇의 경우 통합형 솔루션은 시스템 구조를 단순화하고 전체 통합 효율을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 실제 적합성은 여전히 출력 성능, 장착 인터페이스, 제어 프로토콜 및 방열 조건을 기준으로 판단해야 합니다.

따라서 프로젝트에 광범위한 맞춤화 요구 사항이 있고 개발팀이 모터, 기어박스 및 드라이버를 독립적으로 구성하려는 경우 분리형 솔루션을 고려할 수 있습니다. 프로젝트가 구조의 컴팩트함, 설치 효율 및 구동 시스템 통합을 더 중요하게 여긴다면 통합형 관절 모듈을 우선적으로 평가할 수 있습니다.

CubeMars 상지 로봇 관절 구동 솔루션: AK 시리즈 및 AKE 시리즈

상지 로봇의 유형에 따라 관절 구동 설계에서 중점을 두는 부분이 다릅니다. 휴머노이드 로봇은 여러 관절을 통해 사람의 팔과 유사한 움직임을 구현해야 하므로 동력 출력, 동적 응답 및 다관절 협조를 중시합니다. 반면 외골격 로봇은 사람의 움직임과 함께 작동해야 하므로 착용형 구조, 인간-로봇 협응 및 전반적인 보조 구동 경험을 더욱 중요하게 고려합니다.

이 두 가지 유형의 적용 요구 사항을 충족하기 위해 CubeMars는 AK 시리즈와 AKE 시리즈 제품을 제공하며, 각각 휴머노이드 로봇 및 외골격 로봇 관절 구동 솔루션의 주요 제품 선정 방향으로 활용할 수 있습니다.

휴머노이드 로봇: CubeMars AK 시리즈

휴머노이드 로봇의 상지는 일반적으로 어깨, 팔꿈치 및 손목을 포함한 여러 개의 가동 관절로 구성됩니다. 이러한 관절은 팔 들어 올리기, 팔꿈치 굽힘, 회전, 파지 및 물체 조작과 같은 동작을 수행해야 합니다. 각 관절은 서로 협응해야 하므로 구동 시스템은 충분한 동력을 제공해야 할 뿐만 아니라 구조적 통합과 동작 제어도 고려해야 합니다.

CubeMars AK 시리즈 제품은 통합형 로봇 액추에이터이며 휴머노이드 로봇 관절 구동을 위한 주요 선정 방향으로 활용할 수 있습니다. 이 시리즈는 모터, 감속 장치 및 구동 제어 등의 기능을 관절 모듈에 통합하여 구동 시스템의 기계적 및 전기적 통합을 단순화하는 데 도움을 줍니다.

구체적인 적용에서는 어깨, 팔꿈치 및 손목 관절의 부하 요구 사항에 따라 다양한 AK 시리즈 모델을 선택할 수 있습니다. 어깨 관절의 경우 모듈의 연속 토크와 피크 토크를 신중하게 평가해야 합니다. 팔꿈치 관절의 경우 전완 부하와 동작 속도를 기준으로 적합성을 판단해야 합니다. 손목 관절의 경우 제품 크기, 무게 및 말단 동작 요구 사항에 더 많은 주의를 기울여야 합니다.

각 관절의 동력 성능 외에도 통신 인터페이스, 제어 프로토콜, 엔코더 피드백 및 다관절 협조 제어를 포함하여 여러 AK 시리즈 구동 장치와 로봇 제어 시스템 간의 협조도 고려해야 합니다.

따라서 휴머노이드 로봇에 AK 시리즈를 적용할 때는 모든 관절에 동일한 모델을 단순히 사용하는 것이 아니라, 구체적인 로봇 구조, 관절 자유도, 부하 조건 및 제어 시스템을 기준으로 모델을 선정해야 합니다.

외골격 로봇: CubeMars AKE 시리즈

외골격 로봇과 휴머노이드 로봇의 가장 큰 차이점은 구동 시스템이 사람의 신체 움직임과 함께 움직여야 한다는 것입니다. 상지 외골격은 일반적으로 어깨, 팔꿈치 또는 손목의 들어 올리기, 굽힘 및 폄과 같은 동작을 보조하는 데 사용되며, 착용자가 움직이는 데 필요한 부담을 일부 줄이거나 특정 보조 작업을 수행하도록 돕습니다.

기존 로봇 관절과 비교할 때 외골격 관절 설계는 구동 능력뿐만 아니라 인간-로봇 동작 협응, 관절축 정렬, 착용 편의성 및 시스템 전체 무게도 고려해야 합니다. 구동 모듈은 보조력을 제공하는 동시에 신체의 자연스러운 움직임에 대한 제한을 최소화해야 합니다.

CubeMars AKE 시리즈 제품은 준직접 구동(QDD) 모터이며 외골격 로봇 관절 구동을 위한 주요 선정 방향으로 활용할 수 있습니다. 비교적 낮은 감속비의 전달 구조를 통해 준직접 구동 설계는 출력 능력, 동적 응답 및 역구동성을 균형 있게 구현하므로 인간-로봇 상호작용과 유연한 동작을 고려해야 하는 애플리케이션에 적합합니다.

상지 외골격 프로젝트에서는 어깨와 팔꿈치 등의 관절에 필요한 보조 요구 사항에 따라 다양한 AKE 시리즈 모델의 출력 토크, 속도, 크기 및 무게를 평가할 수 있습니다.

실제 설계에서는 어깨 보조 관절의 구동 능력을 착용자의 팔 무게, 보조 부하 및 가동 범위를 기준으로 결정해야 합니다. 팔꿈치 보조 관절은 전완 무게, 말단 부하 및 목표 동작 속도에 따라 적합한 모델을 선정해야 합니다.

또한 외골격 로봇은 인간-로봇 상호작용의 안전성을 충분히 고려해야 합니다. 구동 시스템은 센서, 제어 알고리즘 및 기계적 제한 구조와 함께 작동하여 사람의 움직임과 실제 요구 사항에 따라 보조 출력을 조정할 수 있어야 하며, 구동 응답의 부적합으로 인해 착용 경험에 영향을 미치지 않도록 해야 합니다.

따라서 외골격 로봇에 AKE 시리즈를 선정할 때는 착용형 구조, 보조 토크, 역구동성 및 연속 작동 능력에 중점을 두어야 하며, 구체적인 적용 시나리오를 바탕으로 검증해야 합니다.

AK 시리즈와 AKE 시리즈 비교: 적용 시나리오에 따라 어떻게 선택할까?

AK 시리즈와 AKE 시리즈는 모두 로봇 관절 구동에 사용할 수 있지만 제품 구조와 구동 설계 개념에는 차이가 있습니다. AK 시리즈는 통합형 액추에이터 설계를 채택하고, AKE 시리즈는 준직접 구동(QDD) 설계를 채택합니다. 상지 로봇 프로젝트에서는 로봇 유형, 관절 작업 및 시스템 통합 요구 사항을 기준으로 제품을 선정해야 합니다.

제품 구조 측면에서 CubeMars AK 시리즈는 높은 수준의 통합 설계를 채택하여 관절 구동 시스템을 단순화하고 주변 부품의 통합 복잡성을 줄이려는 휴머노이드 로봇 프로젝트에 적합합니다. 여러 관절의 협조 작동이 필요한 로봇의 경우 각 관절의 부하와 동작 요구 사항에 따라 적합한 AK 시리즈 모델을 선택할 수 있습니다.

AKE 시리즈는 준직접 구동 설계를 채택합니다. 저감속비 전달 구조는 구동 시스템의 역구동성과 동적 응답을 향상하는 데 도움이 됩니다. 외골격 로봇에서 이러한 특성은 설계자가 구동 출력과 인체 움직임 간의 협응을 평가하는 데 도움이 됩니다.

따라서 휴머노이드 로봇 프로젝트에서는 CubeMars AK 시리즈를 우선적으로 평가할 수 있으며, 상지 외골격 프로젝트에서는 CubeMars AKE 시리즈를 우선적으로 평가할 수 있습니다. 이는 이 글에서 다루는 두 가지 적용 유형에 대한 제품 추천 방향이라는 점에 유의해야 합니다. 두 시리즈가 각각 해당 시나리오에서만 사용될 수 있다는 의미는 아닙니다. 최종 결정은 여전히 구체적인 모델의 성능 사양, 기계 구조, 제어 요구 사항 및 실제 작동 조건을 바탕으로 이루어져야 합니다.

상지 로봇 관절 모듈 선정 프로세스

선정 효율을 높이기 위해 적용 요구 사항에서 시작하여 제품 검증으로 마무리하는 다음 순서에 따라 진행할 수 있습니다.

먼저 산업용 파지, 자재 운반, 재활 훈련, 과학 연구 실험 또는 인간-로봇 협업 등 상지 로봇의 주요 용도를 결정합니다. 적용 시나리오마다 부하 용량, 동작 속도, 제어 정확도 및 안전 성능에 대한 요구 사항이 다릅니다.

로봇 팔 구조를 기준으로 어깨, 팔꿈치 및 손목 관절의 동작 방향, 가동 범위, 최대 각속도 및 동작 주기를 결정합니다. 동시에 각 관절이 장시간 자세를 유지해야 하는지, 빈번한 기동과 정지 또는 빠른 가속과 감속이 필요한지도 명확히 해야 합니다.

로봇 팔 자체의 무게, 말단 부하, 각 구성 요소의 무게중심 위치 및 동작 자세를 기준으로 각 관절에 필요한 정적 토크와 동적 토크를 계산합니다. 복잡한 동작 작업의 경우 동역학 모델을 함께 활용하여 추가 분석을 수행해야 합니다.

4단계: 모터 및 감속 장치 파라미터 결정

관절의 토크 및 속도 요구 사항을 바탕으로 적합한 모터와 감속비를 선택합니다. 정격 토크와 피크 토크 외에도 실제 작동 범위 내에서 모터의 출력 능력을 평가해야 합니다.

후보 구동 모듈을 기계 구조 설계에 반영하고 설치 공간, 연결 인터페이스, 축 방향 길이, 케이블 배선 및 유지보수 공간을 확인합니다. 동시에 드라이버와 로봇 제어 시스템 간의 통신 호환성도 확인해야 합니다.

예비 선정을 완료한 후에는 시제품 테스트를 수행하여 관절의 실제 동작 성능을 검증해야 합니다. 주요 테스트 항목에는 부하 용량, 동작 속도, 위치 정확도, 온도 상승, 연속 작동 능력 및 다관절 협조가 포함되어야 합니다. 그런 다음 테스트 결과에 따라 모터 모델 또는 전달 솔루션을 조정해야 합니다.

상지 로봇 관절 모듈 선정 시 흔히 발생하는 실수

피크 토크는 일반적으로 짧은 시간 동안의 출력 능력을 의미하며, 모터가 장기간 견딜 수 있는 부하를 직접적으로 나타내지는 않습니다. 자세를 지속적으로 유지하거나 연속 동작을 수행해야 하는 상지 로봇의 경우 정격 토크, 듀티 사이클 및 온도 상승 성능을 신중하게 평가해야 합니다.

상완, 전완, 연결 부품 및 말단 장치는 모두 관절에 부하를 발생시킵니다. 특히 팔을 뻗었을 때 구조 부품의 중력으로 인해 상당한 토크가 발생할 수 있습니다. 따라서 말단 부하의 질량만을 기준으로 선정해서는 안 됩니다.

높은 감속비는 출력 토크를 높이는 데 도움이 되지만 출력 속도를 낮추며 시스템의 동적 응답에도 영향을 미칠 수 있습니다. 실제 동작 속도와 부하 요구 사항에 따라 적절한 감속비를 선택해야 합니다.

한 관절에 설치된 구동 장치의 무게는 이전 관절에 추가 부하로 작용할 수 있습니다. 특히 손목 모터는 그 무게가 전완과 팔꿈치 관절의 구동 요구 사항에 영향을 미치므로 중요합니다. 따라서 로봇 팔 전체의 관점에서 선정 결과를 평가해야 합니다.

모터가 토크와 속도 요구 사항을 충족하더라도 통신 인터페이스, 제어 프로토콜 또는 피드백 방식이 호환되지 않으면 개발 및 디버깅의 어려움이 증가할 수 있습니다. 따라서 선정 초기 단계에서 구동 장치와 제어 시스템 간의 호환성을 확인해야 합니다.

AK, AKA 및 AKE 시리즈에는 다양한 모델과 사양이 포함되어 있습니다. 어깨, 팔꿈치 또는 손목 관절에 대한 적합성은 시리즈 이름만으로 판단할 수 없습니다. 올바른 방법은 구체적인 모델의 기술 사양, 기계 구조 및 실제 부하를 기준으로 제품을 선정하는 것입니다.

요약

상지 로봇의 관절 모듈을 선정하는 것은 단순히 모터의 토크, 속도 또는 크기를 비교하는 작업이 아닙니다. 기계 구조, 부하 용량, 동작 성능 및 시스템 통합을 종합적으로 고려해야 하는 과정입니다. 어깨, 팔꿈치 및 손목 관절은 서로 다른 동작 작업을 수행하며 구동 요구 사항에도 상당한 차이가 있습니다. 각 관절의 작동 특성을 충분히 이해해야 로봇 전체 설계에 부합하는 구동 솔루션을 선택할 수 있습니다.

먼저 로봇의 실제 적용 시나리오를 바탕으로 관절 부하, 가동 범위, 최대 속도 및 듀티 사이클을 명확히 해야 합니다. 어깨와 팔꿈치 관절의 경우 로봇 팔 자체의 무게, 말단 부하 및 다양한 동작 자세에서 발생하는 토크에 특히 주의를 기울여야 합니다. 손목 관절의 경우 구동 능력 요구 사항을 충족하는 것 외에도 모터 크기, 무게 및 제어 정확도에 특히 주의를 기울여야 합니다. 동시에 특정 구동 장치가 지나치게 무거워 다른 관절의 부담을 증가시키지 않도록 서로 다른 관절 간의 부하 전달 관계도 고려해야 합니다.

다음으로 구체적인 작동 조건에 따라 관절 모듈의 핵심 성능을 평가해야 합니다. 정격 토크는 구동 장치의 연속 출력 능력을 결정하며, 피크 토크는 짧은 시간 동안의 최대 출력 요구 사항을 평가하는 데 사용됩니다. 출력 속도와 감속비는 관절의 동작 속도와 동력 성능에 영향을 미칩니다. 또한 제어 방식, 엔코더 피드백, 방열 능력, 전달 백래시 및 비틀림 강성과 같은 요소도 실제 작동 중 로봇의 안정성, 응답 속도 및 동작 정확도에 영향을 미칩니다. 따라서 단일 파라미터만으로 모터의 적합성을 판단할 수 없습니다. 전체 작동 조건을 함께 고려하여 종합적으로 비교해야 합니다.

구동 솔루션 측면에서 통합형 관절 모듈은 여러 구동 부품을 비교적 컴팩트한 구조로 결합하여 외부 연결과 시스템 통합 작업량을 줄이는 데 도움이 됩니다. 분리형 구동 솔루션은 더 높은 구성 유연성을 제공하며 구동 시스템을 독립적으로 설계하고 맞춤화해야 하는 프로젝트에 더욱 적합합니다. 개발자는 기계 구조, 설치 공간, 제어 요구 사항 및 개발 리소스에 따라 더 적합한 솔루션을 선택할 수 있습니다.

상지 로봇, 로봇 팔 및 다관절 로봇 시스템을 개발하는 팀에게 CubeMars AK, AKA 및 AKE 시리즈는 관절 구동 선정의 제품 참고 자료가 될 수 있습니다. 각 시리즈와 구체적인 모델은 구조 설계, 전달 솔루션 및 성능 사양에서 차이가 있습니다. AK 및 AKA 시리즈는 구체적인 모델의 출력 능력과 장착 사양을 기준으로 평가할 수 있으며, AKE 시리즈는 준직접 구동 솔루션의 동적 응답 및 토크 제어 요구 사항을 함께 고려하여 검토할 수 있습니다. 실제 적용에서는 제품 데이터시트에 기재된 정격 토크, 피크 토크, 속도, 감속비, 크기, 무게 및 제어 인터페이스 등의 파라미터를 참고하여 어깨, 팔꿈치 및 손목 관절의 서로 다른 요구 사항에 맞는 제품을 선정해야 합니다.

마지막으로 이론적 계산은 선정의 출발점일 뿐이며 실제 테스트도 마찬가지로 중요합니다. 예비 모델 매칭을 완료한 후에도 실제 부하 조건에서 관절의 동작 성능을 평가하기 위한 시제품 검증이 필요합니다. 주요 검증 항목에는 연속 출력 능력, 동적 응답, 온도 상승, 위치 정확도 및 다관절 협조 제어 성능이 포함됩니다. 이후 테스트 결과에 따라 구동 구성을 추가로 최적화해야 합니다.

전반적으로 적합한 상지 로봇 관절 모듈을 선정하려면 출력 성능, 구조적 크기, 시스템 전체 무게, 제어 능력 및 시스템 통합 사이의 균형을 맞춰야 합니다. 각 관절의 실제 요구 사항에 따라 적합한 구동 제품을 선택하면 로봇 팔의 동작 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 시스템 개발 및 통합의 어려움을 줄이는 데에도 도움이 되며, 향후 기능 확장과 로봇 성능 최적화를 위한 견고한 기반을 마련할 수 있습니다.