휴머노이드 로봇 팔꿈치 하중을 위한 Φ30mm 마이크로 조인트 액추에이터 크기 조정

휴머노이드 로봇의 팔꿈치 관절은 물체를 들어올리는 것 이상의 일을 해야 합니다. 팔뚝의 무게를 지탱하고, 팔이 뻗을 때 제어력을 유지하고, 움직이는 동안 부드럽게 가속하고, 페이로드 변화에 일관되게 반응해야 합니다. 이러한 요구 사항으로 인해 액추에이터 크기 조정은 로봇 팔 설계의 중요한 부분이 되며, 특히 사용 가능한 설치 공간과 총 팔 무게가 제한되는 경우 더욱 그렇습니다.

최대 토크 등급만을 기준으로 액추에이터를 선택하면 드라이브 크기가 작아지거나 불필요한 무게가 발생하거나 모션 성능이 저하될 수 있습니다. 엔지니어는 적절한 드라이브 구성을 선택하기 전에 팔의 형상, 질량 분포, 의도한 이동 속도 및 각 작업 기간을 고려해야 합니다.

Φ30mm 마이크로 조인트 액츄에이터 는 뉴턴미터 수준의 출력 성능과 높은 구조적 강성을 갖춘 중-고부하 애플리케이션용으로 설계되었습니다. 휴머노이드 로봇 개발자의 경우 이 액추에이터를 평가하는 것은 가장 까다로운 작동 조건에서 팔꿈치가 실제로 얼마나 많은 토크를 전달해야 하는지에 대한 실용적인 질문으로 시작됩니다.

휴머노이드 로봇 팔꿈치에 작용하는 하중 식별

팔꿈치 관절은 일반적으로 팔뚝 구조, 손목 조립체, 엔드 이펙터 및 취급되는 모든 물체를 포함한 여러 구성 요소를 지원합니다. 각 구성 요소는 전체 하중에 영향을 주지만 팔꿈치에 미치는 영향은 질량과 관절 축으로부터의 거리에 따라 달라집니다.

초기 계산에는 세 가지 하중 범주가 포함되어야 합니다.

첫 번째는 구조적 하중입니다. 팔뚝, 손목, 전동 공구, 배선 및 기타 구성 요소는 모두 팔꿈치가 움직여야 하는 질량에 영향을 미칩니다. 로봇이 외부 물체를 운반하지 않는 경우에도 자체 팔의 무게로 인해 상당한 토크 요구 사항이 발생할 수 있습니다.

두 번째는 페이로드입니다. 작은 부품을 집어 올리도록 설계된 휴머노이드 로봇은 상대적으로 가벼운 그리퍼로 작동할 수 있는 반면, 큰 물체를 다루는 로봇은 다양한 하중 프로필을 수용해야 합니다. 엔지니어는 평균 물체 무게에만 의존하기보다는 의도된 최대 탑재량을 정의해야 합니다.

세 번째는 동적 하중입니다. 팔이 가속, 감속 또는 방향을 변경할 때 팔꿈치는 중력 토크 및 기계적 마찰 외에도 회전 관성을 극복해야 합니다. 따라서 빠른 움직임에는 느리고 제어된 위치 지정보다 훨씬 더 많은 토크가 필요할 수 있습니다.

이러한 하중은 함께 평가되어야 합니다. 무부하 시연 중에 적절하게 작동하는 관절은 팔뚝이 확장되고 지정된 최대 하중을 지탱할 때 충분한 성능을 제공하지 못할 수 있습니다.

팔꿈치 관절의 중력 토크 계산

유용한 첫 번째 단계는 중력에 의해 생성된 토크를 추정하는 것입니다. 질량 중심이 관절 축에서 오프셋된 구성 요소의 경우 중력 토크는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

토크 = 질량 × 중력 가속도 × 수직 거리

여기서 질량은 킬로그램 단위로 측정되고, 중력 가속도는 약 9.81m/s²이며, 수직 거리는 미터 단위로 측정됩니다. 결과 토크는 뉴턴미터(N·m)로 표시됩니다.

결합된 팔뚝 어셈블리와 페이로드의 질량이 1.2kg이고, 결합된 질량 중심이 팔꿈치 축에서 0.15m에 위치하는 간단한 예를 생각해 보세요. 팔이 수평일 때 대략적인 중력 토크는 다음과 같습니다.

1.2 × 9.81 × 0.15 = 1.77N·m

이 결과는 가정된 결합 질량과 질량 중심 위치에 대한 중력 토크를 나타냅니다. 가속도, 마찰, 전달 손실 또는 추가 설계 마진은 포함되지 않습니다.

이 예는 또한 페이로드 질량만으로는 액추에이터 크기를 결정하기에 충분하지 않은 이유를 보여줍니다. 팔꿈치에서 더 멀리 배치된 가벼운 물체는 관절에 더 가깝게 고정된 무거운 물체와 유사한 토크를 생성할 수 있습니다.

공동 방향도 중요합니다. 팔뚝이 회전하면 관절 축과 중력 사이의 수직 거리가 변경됩니다. 최대 중력 토크는 질량 분포 및 이동 범위에 따라 팔이 대략 수평일 때 발생할 수 있습니다.

초기 크기 추정을 위해 엔지니어는 관련 조인트 각도에 걸쳐 토크를 계산하고 가장 높은 수요를 생성하는 위치를 식별해야 합니다.

가속도 및 회전 관성 포함

중력 토크는 팔꿈치 작동 요구 사항의 일부일 뿐입니다. 휴머노이드 로봇은 이동 중에 팔뚝과 페이로드도 가속해야 합니다.

회전 운동의 경우 관성 토크는 다음과 같이 근사화될 수 있습니다.

관성 토크 = 관성 모멘트 × 각가속도

관성 모멘트는 질량이 회전 축 주위에 어떻게 분포되는지를 설명하고, 각 가속도는 관절의 회전 속도가 얼마나 빨리 변하는지를 나타냅니다.

필요한 총 출력 토크는 다음과 같이 추정할 수 있습니다.

필요 토크 = 중력 토크 + 관성 토크 + 마찰 토크

이 단순화된 관계는 예비 크기 조정에 유용하지만 완전한 모델은 조인트 간의 결합, 전달 효율성, 컴플라이언스 및 기타 동적 효과를 고려해야 할 수도 있습니다.

예를 들어, 두 위치 사이를 천천히 움직이는 팔꿈치는 중력 하중의 영향을 받을 수 있습니다. 물체를 반복적으로 들어올리고, 멈추고, 방향을 바꾸고, 낮추는 조인트는 더 큰 일시적인 토크 요구를 경험할 수 있습니다.

따라서 엔지니어는 액추에이터를 선택하기 전에 대표적인 동작 프로필을 정의해야 합니다. 관련 매개변수에는 각도 범위, 최고 속도, 가속도, 감속, 주기 빈도 및 정지 유지 기간이 포함됩니다.

또한 현실적인 모션 프로파일은 단기 토크 피크를 정상 작동 전반에 걸쳐 필요한 토크와 구별하는 데 도움이 됩니다.

연속 토크와 단기 토크 비교

부하 계산이 완료되면 다음 단계는 결과를 액추에이터의 성능 사양과 비교하는 것입니다. 특히 주목할 만한 두 가지 값은 연속 토크와 초기 토크입니다.

지속적인 토크는 액추에이터가 지속적인 기계적 요구에 따라 작동해야 하는 경우와 관련이 있습니다. 허용되는 값은 작동 속도, 열 환경, 듀티 사이클 등 제조업체가 지정한 조건에 따라 다릅니다. 반복적으로 부하를 유지하거나 장시간 동안 움직이는 조인트는 적용 가능한 연속 작동 한계를 기준으로 평가해야 합니다.

초기 토크는 제품 사양에 따라 시작 또는 까다로운 부하 극복과 관련된 단기 성능을 나타냅니다. 이는 액추에이터가 무한정 전달할 수 있는 수준으로 취급되어서는 안 됩니다.

Φ30mm 마이크로 조인트 액츄에이터는 최대 1500mN·m의 연속 토크와 최대 2200mN·m의 초기 토크를 갖습니다. 이 수치는 액추에이터를 계산된 팔꿈치 하중과 비교하는 데 유용한 시작점을 제공합니다.

참고로 1500mN·m은 1.5N·m이고, 2200mN·m은 2.2N·m입니다. 위의 단순화된 1.77N·m 예에서 중력 토크만으로도 명시된 최대 연속 토크를 초과합니다. 따라서 이 예에서는 액추에이터가 적합하다는 가정보다는 더 자세한 평가가 필요합니다.

계산된 하중을 초과하는 최대 초기 토크는 조인트가 해당 하중을 견딜 수 있다는 것을 입증하지 못하기 때문에 이 비교가 중요합니다. 엔지니어는 실제 토크 요구가 적절한 연속 정격 내에 유지되는지, 그리고 지정된 작동 조건에서 일시적인 피크가 허용되는지 여부를 확인해야 합니다.

요구 사항이 너무 높으면 가능한 설계 대응에는 페이로드 감소, 질량 중심을 관절에 더 가깝게 이동, 팔 형상 변경, 이동 프로필 조정 또는 다른 액추에이터 구성 평가가 포함됩니다.

기어비 및 출력 속도 평가

기어비는 모터 속도와 출력 토크 사이의 관계에 영향을 미칩니다. 감속비가 높을수록 일반적으로 주어진 모터 토크에 대해 더 큰 출력 토크를 제공하는 동시에 출력 속도는 감소합니다. 실제 성능은 변속기 효율, 모터 특성 및 작동 조건에 따라 달라집니다.

VAXOR 액추에이터 모델 X30S-UZ/BZ30/50-MH-3은 기어비 30과 50으로 제공됩니다. 이러한 구성은 출력 토크와 조인트 속도의 균형을 맞추기 위한 다양한 시작점을 제공합니다.

휴머노이드 팔꿈치의 경우 정확한 비율은 로봇이 어떻게 사용될지에 따라 달라집니다. 제어된 조작을 위해 설계된 팔은 적절한 토크와 안정적인 위치 지정을 우선시할 수 있는 반면, 더 빠른 동작이나 빈번한 움직임을 위한 팔은 속도와 동적 반응에 세심한 주의가 필요할 수 있습니다.

엔지니어는 더 높은 비율이 항상 바람직하다고 가정하기보다는 필요한 작동 지점에서 사용 가능한 출력 속도와 토크를 비교해야 합니다. 관성, 기계적 반응 및 전반적인 모션 동작에 대한 감속기의 영향도 고려해야 합니다.

여러 관절이 함께 움직이는 경우 팔꿈치는 전체 팔의 일부로 평가되어야 합니다. 팔꿈치 속도나 가속도의 변화는 특히 로봇이 조정된 궤적을 따라갈 때 어깨와 손목의 모션 요구 사항에 영향을 미칠 수 있습니다.

무게, 전압 및 제어 통합 고려

액추에이터의 토크 성능은 기계 설계의 한 부분일 뿐입니다. 무게는 업스트림 조인트가 전달하는 하중에 영향을 미치며 전기 및 통신 요구 사항은 시스템 통합에 영향을 미칩니다.

Φ30mm 액추에이터의 지정된 무게는 123~133g이고 작동 전압 범위는 12~18V입니다. 엔지니어는 장치를 평가할 때 관련 구성의 무게를 사용해야 하며 총 이동 질량 계산에 장착 하드웨어, 케이블, 커넥터 및 기타 구성 요소를 포함해야 합니다.

이는 여러 개의 작동 관절이 있는 휴머노이드 팔에 특히 중요합니다. 팔꿈치 근처에 추가 질량이 있으면 어깨에 필요한 토크가 증가하여 팔 전체에 계단식 효과가 생성됩니다.

동시에 전기적 호환성도 확인해야 합니다. 전원 공급 장치는 실제 작동 조건에서 지정된 전압 범위 내에 유지되어야 하며, 전류 용량은 가속 및 기타 고부하 이벤트 중에 액추에이터의 실제 수요를 지원해야 합니다. 전압 호환성만으로는 전력 시스템이 적절하다고 판단할 수 없습니다.

또한 액추에이터는 절대 자기 인코더를 사용하고 CAN FD 통신을 지원합니다. 인코더는 위치 피드백을 제공하는 반면, CAN FD는 호환 가능한 제어 시스템과의 통신을 지원합니다. 엔지니어는 통합 중에 인터페이스 구성, 메시지 타이밍, 피드백 요구 사항, 오류 처리 및 컨트롤러 호환성을 확인해야 합니다.

이러한 검사는 기계적 사양을 완전한 시스템 수준 성능 보장으로 취급하지 않고도 선택한 액추에이터가 의도한 로봇 아키텍처에 통합될 수 있는지 확인하는 데 도움이 됩니다.

대표 테스트를 통해 선택 사항 검증

분석 계산은 출발점을 제공하지만 작동하는 휴머노이드 로봇은 단순화된 모델로 완전히 포착할 수 없는 실제 변수를 도입합니다.

최종 설계를 결정하기 전에 엔지니어는 대표적인 조인트 어셈블리에서 액추에이터를 테스트해야 합니다. 테스트에는 의도된 팔 형상, 페이로드 범위, 이동 속도, 가속도 및 작동 주기가 반영되어야 합니다.

여러 측정을 통해 선택 항목을 검증할 수 있습니다.

• 출력 토크: 조인트가 해당 작동 한계를 초과하지 않고 필요한 부하 조건을 충족할 수 있는지 확인하십시오.

• 온도 동작: 대표적인 주기 동안 온도를 모니터링하여 잠재적인 열 제한을 식별합니다.

• 위치 제어: 부하가 걸린 이동 중에 위치 지정 반복성과 반응을 평가합니다.

• 동적 응답: 가속, 감속, 반전 및 정지 동작을 확인합니다.

• 통신 안정성: 의도한 제어 조건에서 명령 및 피드백 교환이 안정적으로 유지되는지 확인합니다.

• 기계적 안정성: 장착 강성, 진동, 부하 시 원치 않는 움직임을 검사합니다.

테스트에는 부하가 없는 짧은 움직임뿐만 아니라 가장 까다로운 의도된 작동 조건도 포함되어야 합니다. 팔꿈치가 장기간 부하를 유지해야 하는 경우 지속적인 작동이 검증 계획에 포함되어야 합니다.

그런 다음 결과는 설계가 더 광범위한 통합으로 진행되기 전에 페이로드 제한, 모션 프로필, 기어비, 기계 레이아웃 또는 액추에이터 구성에 대한 조정을 안내할 수 있습니다.

통합 마이크로 드라이브 솔루션으로 작업하기

휴머노이드 팔꿈치용 액추에이터 선택에는 모터 성능, 감소 메커니즘, 위치 피드백, 구조 설계 및 제조 고려 사항이 포함됩니다. 이러한 요소를 함께 평가하면 개발 프로세스 초기에 통합 문제를 더 쉽게 식별할 수 있습니다.

2024년에 설립되어 중국 쑤저우에 본사를 둔 VAXOR는 로봇 공학, 정밀 기기, 의료 기기 및 지능형 장비를 위한 마이크로 조인트 액추에이터와 초소형 코어리스 모터를 개발합니다. 이 기술 접근 ​​방식은 축 자속 모터 설계, PCB/FPCB 권선, 최적화된 전자기 설계 및 소형 감소 메커니즘을 결합합니다.

이 회사의 다분야 팀은 모터 설계, 정밀 제조, 로봇 제어, 구조 엔지니어링 전반에 걸쳐 작업하며 프로토타입 검증, 파일럿 생산 및 배치 납품에 걸친 경험을 보유하고 있습니다. 이러한 엔지니어링 초점은 토크 목표뿐만 아니라 기계 패키징, 제어 통합 및 생산 요구 사항에 대해서도 마이크로 드라이브 솔루션을 평가해야 하는 개발 팀과 관련이 있습니다.

휴머노이드 로봇 개발자의 실제 목표는 관절의 계산된 하중, 액추에이터의 검증된 작동 기능 및 로봇의 의도된 모션 프로파일 간의 명확한 관계를 설정하는 것입니다.

결론

휴머노이드 로봇 팔꿈치용 액추에이터의 크기를 결정하려면 중력 토크, 회전 관성, 가속도, 지속적인 작동 요구 사항 및 액추에이터 질량이 팔의 나머지 부분에 미치는 영향을 체계적으로 평가해야 합니다. 기어비, 인코더 피드백, 전기적 호환성 및 통신 요구 사항도 전체 설계에 맞아야 합니다.

Φ30mm 마이크로 조인트 액츄에이터 (모델 X30S-UZ/BZ30/50-MH-3)는 최대 1500mN·m의 연속 토크, 최대 2200mN·m의 초기 토크, 30 및 50의 기어비, 절대 자기 인코더 및 CAN FD 통신을 제공합니다. 이러한 사양은 중-고부하 로봇 관절의 액추에이터를 평가하기 위한 기초를 제공하지만 최종 적합성은 필요한 출력 성능과 작동 조건에 따라 달라집니다.

드라이브를 선택하기 전에 부하를 계산하고 대표적인 조건에서 전체 조인트를 검증함으로써 엔지니어는 액추에이터 크기 및 휴머노이드 팔 통합에 대해 보다 신뢰할 수 있는 결정을 내릴 수 있습니다. VAXOR는 소형이고 제어되며 기계적으로 통합된 로봇 시스템을 개발하는 개발 팀을 위한 마이크로 드라이브 솔루션을 제공합니다.