Φ20mm × 20mm 마이크로 조인트 액추에이터: 작은 크기가 450mNm 토크를 제공하는 방법

로봇이 더 작아지고 더 통합됨에 따라 각 모션 구성 요소에 사용할 수 있는 공간은 계속해서 줄어들고 있습니다. 이는 실용적인 엔지니어링 문제를 야기합니다. 액추에이터가 매우 제한된 기계적 범위에 맞아야 할 때 로봇이 어떻게 충분한 관절 토크를 생성할 수 있습니까?

소형 로봇 관절의 경우 모터 크기를 줄이는 것은 솔루션의 일부일 뿐입니다. 또한 액추에이터에는 효율적인 전자기 구조, 적절한 감소 메커니즘, 위치 피드백, 의도된 듀티 사이클에 대한 충분한 열적 및 기계적 성능이 필요합니다.

Φ20mm 마이크로 조인트 액츄에이터는  소형 Φ20mm × 20mm 폼 팩터와 축 자속 모터 아키텍처를 통해 이러한 문제를 해결합니다. 플래그십 X20은 약 37.2~41.6g의 무게를 유지하면서 최대 450mNm의 연속 토크와 최대 800mNm의 초기 토크를 제공할 수 있습니다.

20mm가 조인트 모듈의 중요한 크기인 이유

Φ20mm × 20mm 크기는 완전한 조인트 액츄에이터에 일반적으로 필요한 구성 요소를 위한 공간을 거의 남기지 않습니다.

실용적인 조인트 모듈은 모터, 감속 메커니즘, 인코더, PCB 또는 권선 구조, 베어링, 하우징, 전기 연결 및 기타 기계 요소를 수용해야 할 수도 있습니다. 한 구성 요소의 크기를 늘리면 전체 조인트 아키텍처에 영향을 미칠 수 있습니다.

이는 다축 로봇에서 특히 중요합니다. 여러 개의 액추에이터가 서로 가깝게 설치된 경우 각 관절이 차지하는 공간은 손가락, 팔 또는 기타 관절 구조의 크기에 직접적인 영향을 미칩니다.

따라서 X20은 단순히 소형 독립형 모터가 아닌 통합 조인트 모듈로 설계되었습니다. 컴팩트한 아키텍처는 Φ20mm × 20mm 설치 공간 내에 구동 시스템과 감속 메커니즘을 결합합니다.

목표는 훨씬 더 큰 조인트 하우징을 요구하지 않고도 유용한 출력 토크를 제공하는 것입니다.

축방향 자속 모터 아키텍처가 토크 밀도를 지원하는 방법

X20의 핵심 기술 중 하나는 축방향 자속 모터 아키텍처입니다.

기존 모터 설계에서는 자속과 능동 구성 요소가 방사형 기하학적 구조에 따라 배열됩니다. 축방향 자속 모터는 다양한 전자기 구성을 사용하므로 특정 응용 분야에 더 컴팩트한 폼 팩터를 제공할 수 있습니다.

소형 조인트 액추에이터의 장점은 단순히 모터의 물리적 형태에만 있는 것이 아닙니다. 모터 아키텍처는 변속기 및 기계 하우징과 함께 작동하여 사용 가능한 용량을 효율적으로 활용해야 합니다.

X20은 초소형 설치 공간을 유지하면서 기존 설계보다 30% 이상 더 높은 토크 밀도를 제공하도록 설계되었습니다.

토크 밀도는 액추에이터의 크기 제한이 엄격한 경우 특히 중요합니다. 엔지니어는 모터가 얼마나 많은 토크를 생성할 수 있는지 묻는 대신 특정 부피나 무게 내에서 얼마나 많은 토크가 생성될 수 있는지 고려해야 합니다.

소형 로봇의 경우 이는 절대 모터 출력만 사용하는 것보다 더 유용한 설계 매개변수가 될 수 있습니다.

450mNm 연속 토크가 소형 패키지에 적합한 방법

X20은 최대 450mNm의 연속 토크를 제공합니다.

Φ20mm급 조인트 모듈의 경우 이 출력은 감속비, 작동 전압, 듀티 사이클, 기계적 부하와 함께 고려해야 합니다.

지속적인 토크는 단순히 짧은 힘을 생성하는 것이 아니라 관절이 부하를 유지하거나 반복적인 움직임을 수행해야 할 때 특히 중요합니다.

예를 들어, 로봇 관절은 메커니즘을 반복적으로 배치하거나, ​​물체를 잡거나, 저항에 맞서 움직여야 할 수 있습니다. 이러한 경우 연속 토크 사양은 단기 피크 값보다 더 유용한 참조를 제공합니다.

X20은 또한 최대 800mNm의 초기 토크를 제공합니다. 이렇게 높은 초기 출력은 애플리케이션 및 제어 전략에 따라 작업 시작 시 추가 토크가 필요한 이동 조건과 관련될 수 있습니다.

엔지니어는 최대 토크 값을 일반적인 작동 조건으로 취급하기보다는 실제 부하 프로필을 평가해야 합니다.

소형감소기구의 역할

모터 자체는 토크 생성 시스템의 한 부분일 뿐입니다.

X20은 소형 감속 메커니즘을 사용하여 모터 출력을 필요한 관절 움직임으로 변환합니다. 사용 가능한 기어비는 15:1, 30:1, 50:1입니다.

비율이 다르면 출력 속도와 토크의 조합도 달라집니다. 더 높은 출력 속도가 필요할 때는 더 낮은 비율이 적합할 수 있으며, 더 높은 비율은 더 큰 기계적 이점과 더 제어된 출력 이동을 제공할 수 있습니다.

이로 인해 기어비 선택이 액추에이터 통합의 중요한 부분이 됩니다.

로봇 손, 소형 로봇 팔 또는 기타 관절 메커니즘은 각 관절마다 요구 사항이 다를 수 있습니다. 설계자는 특정 관절에 더 빠른 움직임, 더 높은 출력 토크 또는 둘 사이의 균형이 필요한지 고려해야 합니다.

세 가지 사용 가능한 기어비 옵션을 통해 시스템 설계자는 다양한 기계적 요구 사항에 맞게 Φ20mm 마이크로 조인트 액추에이터를 구성할 때 더 많은 유연성을 얻을 수 있습니다.

다양한 시스템을 위한 12V, 24V, 48V 옵션

X20은 12V, 24V 및 48V 구성을 지원합니다.

전압 선택은 액추에이터 단독이 아닌 전체 로봇의 전기적 아키텍처를 기반으로 해야 합니다.

다중 관절 시스템의 경우 설계자는 사용 가능한 전원 공급 장치, 모터 드라이버, 배선, 컨트롤러 호환성 및 동시에 작동하는 액추에이터 수를 고려해야 합니다.

이미 24V 전력 아키텍처를 중심으로 설계된 시스템은 별도의 전압 레벨을 도입하는 대신 호환 가능한 액추에이터 구성을 사용하는 것이 도움이 될 수 있습니다. 다른 애플리케이션에서는 시스템 설계에 따라 12V 또는 48V가 더 적합할 수 있습니다.

전압 호환성을 조기에 확인하면 로봇 개발 후반 단계에서 전력 및 제어 아키텍처가 불필요하게 변경되는 것을 방지할 수 있습니다.

다중 조인트를 사용할 때 무게가 중요합니다

X20의 무게는 약 37.2~41.6g입니다.

언뜻 보면 몇 그램의 차이가 작아 보일 수도 있습니다. 그러나 로봇에 여러 개의 작동 관절이 포함되어 있으면 효과가 더욱 두드러집니다.

예를 들어, 로봇 손은 여러 손가락에 걸쳐 여러 관절 모듈을 사용할 수 있습니다. 다축 메커니즘은 동일한 기계 구조를 따라 여러 개의 액추에이터를 배치할 수도 있습니다.

전체 액추에이터 질량은 이동 하중의 일부가 됩니다.

낮은 조인트 무게는 업스트림 메커니즘의 부하를 줄이는 데 도움이 되며 설계자는 보다 컴팩트한 지지 구조를 구축할 수 있습니다. 이것이 경량 로봇 시스템용 액추에이터를 선택할 때 토크 대 중량 및 토크 밀도 고려 사항이 중요한 이유 중 하나입니다.

관절 위치 피드백을 위한 절대 자기 인코더

X20에는 절대 자기 인코더가 통합되어 있습니다.

인코더는 제어 시스템에 위치 피드백을 제공하여 컨트롤러가 조인트의 각도 위치를 모니터링할 수 있도록 합니다. 소형 로봇 메커니즘에서는 여러 관절이 움직임을 조정해야 할 수 있으므로 신뢰할 수 있는 위치 정보가 필수적입니다.

절대값 엔코더는 알려진 기준점에서 증분 이동을 추적하는 데만 의존하지 않고 직접적인 위치 정보를 제공할 수 있습니다.

로봇 손, 소형 조작기 및 기타 다축 시스템과 같은 응용 분야의 경우 이러한 유형의 피드백은 보다 제어된 관절 작동을 지원할 수 있습니다.

또한 인코더는 동일한 소형 기계 엔벨로프 내에 맞아야 합니다. 따라서 감지 기능을 소형 액추에이터에 통합하려면 처음부터 전기적, 기계적 설계를 모두 고려해야 합니다.

컴팩트 조인트 시스템의 SPI 통신

액추에이터는 디지털 제어 및 데이터 교환을 위해 SPI 통신을 사용합니다.

다관절 로봇의 경우 통신 인터페이스는 컨트롤러 및 전체 전자 아키텍처와 호환되어야 합니다. 설계자는 개별 액추에이터를 연결하는 방법, 데이터를 교환하는 방법, 제어 시스템이 여러 관절을 조정하는 방법을 고려해야 합니다.

SPI는 소형 임베디드 제어 시스템에 통합될 수 있으므로 액추에이터가 로컬 컨트롤러 또는 기타 전자 아키텍처와 직접 통신해야 하는 애플리케이션에 적합합니다.

액추에이터를 선택하기 전에 엔지니어는 전압, 기계적 치수, 인코더 요구 사항과 함께 통신 호환성을 확인해야 합니다.

20mm 폼 팩터로 가능한 것

소형 조인트 모듈은 기존 모터와 감속기 조합이 너무 많은 공간을 차지하는 응용 분야에 유용할 수 있습니다.

잠재적인 응용 분야에는 능숙한 로봇 손, 소형 로봇 팔, 경량 관절 메커니즘, 의료 장비, 정밀 기기, 지능형 장비 및 기타 고도로 통합된 기계가 포함됩니다.

Φ20mm × 20mm 크기는 여러 조인트를 서로 가깝게 배치해야 하는 경우 특히 적합할 수 있습니다. 엔지니어는 별도의 모터와 기어박스 주위에 대형 외부 하우징을 설계하는 대신 보다 통합된 조인트 아키텍처로 작업할 수 있습니다.

이를 통해 기계적 패키징을 단순화하고 여러 모션 축에 공간을 더 쉽게 할당할 수 있습니다.

따라서 Φ20mm 마이크로 조인트 액츄에이터는 20mm 직경만으로 정의되지 않습니다. 그 가치는 컴팩트한 크기와 토크 출력, 감소, 피드백, 통신 및 통합 기계 설계를 결합한 데서 비롯됩니다.

컴팩트 모션 시스템에 대한 VAXOR의 접근 방식

VAXOR는 2024년에 설립되었으며 중국 쑤저우에 본사를 두고 있습니다. 로봇공학, 의료기기, 정밀기기, 지능형 장비용 마이크로 조인트 액츄에이터와 초소형 코어리스 모터를 개발하는 회사입니다.

기술 로드맵은 소형 크기, 고성능 및 확장 가능한 생산에 중점을 두고 있습니다. 이 회사는 축방향 자속 모터, PCB/FPCB 권선, 최적화된 전자기 설계 및 소형 감소 메커니즘을 결합하여 높은 전력 밀도와 빠른 응답을 갖춘 마이크로 드라이브 솔루션을 개발합니다.

VAXOR의 다분야 엔지니어링 팀은 모터 설계, 정밀 제조, 구조 설계, 로봇 제어 및 지능형 제조를 다루고 있습니다. 개발 프로세스는 프로토타입 검증 및 파일럿 생산부터 배치 납품까지 확장됩니다.

이러한 엔지니어링 접근 방식은 실험실 프로토타입을 넘어 소형 액추에이터를 반복 가능한 로봇 제품에 통합해야 하는 고객에게 중요합니다.

엔지니어가 소형 고토크 액추에이터를 평가하는 방법

소형 액츄에이터는 직경만을 기준으로 선택해서는 안 됩니다. 엔지니어는 조인트의 전체 작동 요구 사항을 평가해야 합니다.

중요한 요소는 다음과 같습니다:

• 사용 가능한 설치 공간

• 필요한 연속 및 초기 토크

• 원하는 기어비

• 공동 속도 요구 사항

• 작동 전압

• 인코더 유형

• 통신 인터페이스

• 액추에이터 중량

• 듀티 사이클

• 열적 조건

• 기계적 장착 요구 사항

예를 들어, 50:1 감속비를 선택하면 15:1 구성과 다른 출력 특성을 제공할 수 있습니다. 마찬가지로, 48V 액추에이터 구성을 선택하려면 12V 시스템과 다른 전력 및 드라이버 아키텍처가 필요할 수 있습니다.

따라서 최상의 구성은 단일 사양이 아닌 액추에이터를 사용하는 방법에 따라 달라집니다.

크기, 토크 및 통합의 균형 유지

소형 로봇 공학의 과제는 단순히 모든 구성 요소를 더 작게 만드는 것이 아닙니다. 유용한 관절 액추에이터는 제한된 기계 공간에 장착되면서 충분한 출력 성능을 유지해야 합니다.

X20은 축방향 자속 모터 아키텍처, 소형 감소 메커니즘, 통합 절대 자기 인코더 및 소형 기계 패키징을 통해 이 문제에 접근합니다.

Φ20mm × 20mm 설치 공간, 최대 450mNm 연속 토크, 최대 800mNm 초기 토크, 3가지 기어비 옵션, 3가지 전압 구성 및 37.2~41.6g의 무게를 갖춘 Φ20mm 마이크로 조인트 액츄에이터는 고도로 통합된 모션 시스템을 목표로 하는 크기와 출력 특성의 조합을 제공합니다.

소형 로봇 관절을 개발하는 엔지니어에게 중요한 질문은 단순히 모터가 20mm에 들어갈 수 있는지 여부가 아닙니다. 이는 전체 액추에이터가 동일한 제한된 공간 내에서 필요한 토크, 피드백, 변속기 및 제어 기능을 제공할 수 있는지 여부입니다. 통합형 Φ20mm 마이크로 조인트 액츄에이터가 소형 로봇 설계를 위한 실용적인 옵션이 될 수 있는 곳이 바로 여기입니다.