마이크로 조인트 액추에이터 토크를 협업 로봇 부하에 맞추기

협동로봇은 좁은 공간과 무게 제한 내에서 작동하면서 정확하고 반복 가능한 동작을 수행해야 합니다. 로봇이 소형 부품을 처리하든, 실험실 작업을 지원하든, 섬세한 조립을 수행하든 관계없이 로봇의 관절 액추에이터는 위치 정확도나 응답 속도를 저하시키지 않으면서 부하를 이동할 수 있을 만큼 충분한 토크를 제공해야 합니다. 그러나 토크만을 기준으로 액추에이터를 선택하면 안정성, 전력 소비 및 기계적 통합에 문제가 발생할 수 있습니다.

소형 로봇 관절을 개발하는 엔지니어의 경우 토크 선택은 실제 부하 조건과 의도된 동작 프로필에서 시작되어야 합니다. 탑재량, 조인트 형상, 가속 및 감속비 간의 관계에 따라 드라이브 시스템이 전달해야 하는 토크의 양이 결정됩니다. 적절하게 일치하는 Φ25mm 마이크로 조인트 액츄에이터는 설치 공간이 제한된 협동 로봇과 생체 모방 로봇 구조에서 이러한 요구 사항의 균형을 맞추는 데 도움이 될 수 있습니다.

협동로봇에서 토크 매칭이 중요한 이유

협동로봇에서는 모든 관절이 전체 메커니즘의 움직임에 기여합니다. 확장된 팔을 지지하는 어깨 관절은 가벼운 그리퍼를 회전시키는 손목 관절과 다른 요구 사항에 직면합니다. 두 조인트 모두 소형 액추에이터를 사용하는 경우에도 토크 요구 사항이 크게 다를 수 있습니다.

세 가지 작동 조건에 특별한 주의가 필요합니다.

첫째, 액추에이터는 정적 하중을 지지해야 합니다. 로봇 팔이 움직이지 않고 물체를 잡을 때 중력으로 인해 관절에 지속적인 토크 요구가 발생할 수 있습니다. 이 요구는 페이로드가 더 무겁거나 관절 축에서 더 멀리 위치할 때 증가합니다.

둘째, 액추에이터는 가속과 감속을 처리해야 합니다. 시작, 정지 및 방향 전환에는 정지 위치를 유지하는 데 필요한 양 이상의 추가 토크가 필요합니다. 동작이 자주 변경되면 피크 토크 성능이 특히 중요해집니다.

셋째, 액추에이터는 허용 가능한 모션 품질을 유지해야 합니다. 부하를 움직일 수 있지만 이를 정확하게 제어하는 ​​데 어려움을 겪는 액추에이터는 진동, 위치 오류 또는 일관되지 않은 취급을 유발할 수 있습니다. 따라서 엔지니어는 인코더 피드백, 통신 성능 및 전체 조인트의 기계적 특성과 함께 토크를 평가해야 합니다.

이러한 요인들은 단순히 치수가 로봇에 적합하다는 이유로 마이크로 액추에이터를 선택하는 것만으로는 충분하지 않은 이유를 설명합니다. 드라이브는 애플리케이션의 실제 기계적 요구 사항을 충족해야 합니다.

접합 하중에 필요한 토크 계산

실질적인 출발점은 페이로드와 조인트가 지지하는 기타 구성요소에 의해 생성된 토크를 추정하는 것입니다. 회전축으로부터 멀리 떨어진 곳에 작용하는 하중의 경우 중력 토크는 다음과 같이 대략적으로 계산할 수 있습니다.

토크 = 질량 × 중력 가속도 × 수직 거리

예를 들어, 질량 중심이 관절 축에서 0.1m 떨어진 0.5kg 하중을 지지하는 관절을 생각해 보십시오. 암이 수평일 때 해당 하중의 대략적인 중력 토크는 다음과 같습니다.

0.5 × 9.81 × 0.1 = 0.4905N·m

이는 약 491mN·m에 해당합니다. 계산에는 로봇 링크, 그리퍼, 케이블 또는 기타 구성 요소의 무게가 아닌 지정된 하중만 고려됩니다. 조인트 주위에 토크를 생성하는 경우에도 이러한 기여를 고려해야 합니다.

동적 작동에는 추가 요구 사항이 발생합니다. 단순화된 회전 모델은 다음과 같습니다.

필요 토크 = 관성 토크 + 중력 토크 + 마찰 토크

관성 성분은 움직이는 어셈블리의 회전 관성과 각가속도에 따라 달라집니다. 중력 구성요소는 관절 방향에 따라 변경되는 반면 마찰 및 전달 손실은 출력에서 ​​사용 가능한 토크에 영향을 미칩니다.

실제로 엔지니어는 단일 정적 계산에 의존하기보다는 가장 까다로운 작동 위치와 이동 프로필을 평가해야 합니다. 결과적인 토크 요구 사항은 액츄에이터의 연속 및 초기 토크 사양과 비교할 수 있습니다.

연속 토크와 초기 토크 이해

연속 토크와 초기 토크는 액추에이터 성능의 다양한 측면을 설명합니다. 이를 상호 교환 가능한 것으로 취급하면 적합하지 않은 선택이 발생할 수 있습니다.

연속 토크는 지정된 작동 조건에서 액추에이터가 유지할 수 있는 토크를 나타냅니다. 이는 조인트가 장기간 동안 하중을 유지하거나 이동해야 하는 경우 특히 관련이 있습니다. 허용 가능한 연속 출력은 열 조건, 작동 속도, 듀티 사이클 및 제조업체의 정격 방법과 같은 요소에 따라 달라집니다.

초기 토크는 해당 제품 사양에 따라 시작 또는 까다로운 부하 극복과 관련된 단기 토크 기능을 나타냅니다. 이는 간단한 작동 요구 사항을 평가하는 데 도움이 될 수 있지만 지속적으로 사용 가능한 토크 수준으로 취급되어서는 안 됩니다.

VAXOR의 Φ25mm 마이크로 조인트 액츄에이터는 최대 1150mN·m의 지정된 연속 토크와 최대 1800mN·m의 초기 토크를 제공합니다. 이 수치는 엔지니어에게 컴팩트 조인트 애플리케이션을 평가할 때 유용한 참조 포인트를 제공합니다. 그 자체로는 모든 페이로드나 듀티 사이클에 대한 적합성을 확립하지 못합니다. 작동 조건과 상세한 성능 곡선도 고려해야 합니다.

건전한 선택 프로세스는 적용 가능한 연속 작동 한계 내에서 지속적인 토크 요구를 유지하고 단기 요구가 허용된 피크 또는 초기 작동 조건 내에 유지되는지 확인합니다.

필요한 동작에 대한 기어비 선택

기어비는 모터 속도와 출력 토크 사이의 관계에 영향을 미칩니다. 감속비가 높을수록 일반적으로 출력에서 ​​사용 가능한 토크가 증가하는 동시에 출력 속도는 감소하며, 이는 변속기 효율과 모터 및 감속기의 특성에 따라 달라집니다.

협동로봇의 경우 이는 실질적인 절충안을 만듭니다. 상대적으로 무거운 하중 하에서 제어된 위치 지정을 위해 설계된 조인트는 가벼운 엔드 이펙터를 사용하여 빠른 움직임을 위해 설계된 조인트와는 다른 감소 비율의 이점을 누릴 수 있습니다.

VAXOR Φ25mm 액추에이터는 기어비 30과 50으로 제공됩니다. 이러한 옵션은 출력 속도와 토크 요구 사항의 다양한 조합을 평가하기 위한 출발점을 제공합니다.

두 비율을 비교할 때 엔지니어는 전체 동작 프로필을 고려해야 합니다. 중요한 질문은 다음과 같습니다.

• 정상 작동 중에 필요한 출력 속도는 얼마입니까?

• 가속 및 감속 시 얼마만큼의 토크가 필요합니까?

• 관절의 방향을 자주 바꿔야 합니까?

• 변속기는 얼마나 많은 기계적 관성을 추가합니까?

• 액추에이터가 예상 부하에서 필요한 위치 정확도를 유지할 수 있습니까?

더 높은 비율이 자동으로 더 나은 옵션으로 간주되어서는 안 됩니다. 최종 선택은 토크, 속도, 응답성 및 제어 요구 사항 간의 균형에 따라 달라집니다. 엔지니어는 설계를 마무리하기 전에 각 구성에 사용 가능한 출력 성능을 확인해야 합니다.

피드백 및 의사소통 요구 사항 평가

토크 용량은 관절이 충분한 기계적 힘을 생성할 수 있는지 여부를 결정하지만 피드백과 통신은 로봇이 해당 움직임을 얼마나 효과적으로 조정할 수 있는지를 결정합니다.

절대 인코더는 지정된 측정 범위 내의 절대 위치를 참조하는 위치 정보를 제공합니다. 인코더 설계 및 시스템 아키텍처에 따라 이는 위치 초기화를 단순화하고 일관된 관절 위치 피드백을 지원할 수 있습니다. 엔지니어는 의도한 애플리케이션에 대한 해상도, 정확성, 인터페이스 요구 사항 및 시작 동작을 계속 확인해야 합니다.

VAXOR 마이크로 조인트 액츄에이터는 절대 자기 인코더를 사용하고 CAN FD 통신을 지원합니다. 이러한 기능은 위치 피드백 및 호환 가능한 컨트롤러 네트워크와의 통합이 필요한 로봇 시스템과 관련이 있습니다.

CAN FD는 기존 CAN보다 유연한 데이터 속도와 더 큰 페이로드를 지원하므로 다양한 모션 및 상태 정보를 교환하는 제어 아키텍처에 유용합니다. 그러나 액추에이터와 컨트롤러는 호환 가능한 통신 설정, 메시지 구조, 타이밍 및 네트워크 요구 사항에 맞게 구성되어야 합니다.

통합 중에 엔지니어는 위치 피드백, 명령 응답, 오류 처리 및 부하 변화에 따른 동작을 테스트해야 합니다. 이러한 검사는 특정 인코더나 통신 인터페이스가 자체적으로 성능을 보장한다고 가정하는 대신 전체 조인트 시스템이 애플리케이션의 제어 요구 사항을 충족하는지 여부를 확인하는 데 도움이 됩니다.

크기 및 무게 제약 고려

컴팩트한 액츄에이터 선택도 기계적 패키징 문제입니다. 움직이는 로봇 링크의 모든 추가 그램은 업스트림 조인트에 필요한 토크를 증가시킬 수 있습니다. 예를 들어 손목 부분이 더 무거워지면 하중 자체가 변하지 않더라도 팔꿈치와 어깨에 전달되는 하중이 높아질 수 있습니다.

Φ25mm 마이크로 조인트 액츄에이터(모델 X25S-UZ/BZ30/50-MH-3)는 지정된 무게가 93~103g이고 12~18V에서 작동합니다. 컴팩트한 형식은 협동 로봇, 생체 모방 조인트 및 설치 공간과 이동 질량이 제한된 기타 모션 시스템에 적합합니다.

나열된 중량 범위를 평가 중인 정확한 구성과 비교하여 확인해야 합니다. 엔지니어는 또한 장착 구조, 배선, 커넥터, 해당하는 경우 냉각 조항 및 설치에 필요한 추가 기계 구성요소를 고려해야 합니다.

배터리 구동 로봇과 모바일 장비의 경우 전압 호환성과 전력 수요에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 사용 가능한 공급은 실제 부하 조건에서 지정된 작동 범위 내에 유지되어야 합니다. 전기 설계에서는 가속, 시동 및 기타 고부하 이벤트 동안의 전류 수요도 고려해야 합니다.

액추에이터 질량을 줄이면 전체 로봇에 도움이 될 수 있지만 토크 용량, 열 성능 및 관절의 구조적 요구 사항과 별도로 무게를 평가해서는 안 됩니다.

실제 작동 시나리오에 액추에이터를 일치시키세요

다양한 로봇 응용 분야는 부하, 속도 및 정밀도 요구 사항의 다양한 조합을 만듭니다.

협동 조립 로봇에서 관절은 정의된 경로를 따라 작은 부품을 반복적으로 배치할 수 있습니다. 엔지니어는 도구의 질량, 처리할 구성요소, 관절 축으로부터의 거리, 반복되는 움직임의 빈도를 고려해야 합니다.

소형 로봇 그리퍼에서 액추에이터는 제한된 설치 범위 내에서 제어된 움직임을 전달해야 할 수도 있습니다. 선택 프로세스에서는 필요한 출력 토크, 사용 가능한 이동 또는 회전, 응답 특성 및 그리핑 메커니즘의 기계적 설계를 고려해야 합니다.

생체모방 로봇은 또 다른 요구 사항을 제시합니다. 관절은 메커니즘을 가볍게 유지하면서 여러 움직임을 조정해야 할 수도 있습니다. 설계에 따라 엔지니어는 토크 출력과 속도, 반복 동작, 전체 연결 동작의 균형을 맞춰야 할 수도 있습니다.

의료 기기 및 정밀 기기의 경우 평가에서는 제어성, 반복성, 소음 및 통합 제약 사항에 더 중점을 둘 수 있습니다. 적합성은 해당 안전, 청결, 신뢰성 또는 규제 표준을 포함한 특정 장치 요구 사항에 따라 달라집니다. 소형 액추에이터 사양만으로는 전체 시스템이 특정 의료 응용 분야에 적합하다는 것을 입증할 수 없습니다.

이러한 시나리오에서 가장 신뢰할 수 있는 접근 방식은 측정 가능한 작동 요구 사항을 먼저 정의한 다음 액추에이터 구성을 해당 요구 사항과 비교하는 것입니다.

통합 드라이브 설계 고려

마이크로 조인트 액추에이터는 상호 작용이 최종 결과에 영향을 미치는 여러 구성 요소를 결합합니다. 모터 전자기 설계는 토크 생성과 효율성에 영향을 미칩니다. 감소 메커니즘은 모터 출력과 관절 움직임 사이의 관계를 변경합니다. 인코더 피드백 및 제어 전자 장치는 위치 지정 및 조정된 작동을 지원합니다.

VAXOR는 로봇 공학, 의료 기기, 정밀 기기 및 지능형 장비를 위한 마이크로 조인트 액추에이터 및 초소형 코어리스 모터를 개발합니다. 2024년에 설립되어 중국 쑤저우에 본사를 둔 이 회사는 모터 설계, 정밀 제조, 구조 엔지니어링 및 로봇 제어 분야의 전문 지식을 통합합니다.

마이크로 드라이브 개발 접근 방식에는 축 자속 모터 기술, PCB/FPCB 권선, 최적화된 전자기 설계 및 소형 감소 메커니즘이 통합되어 있습니다. 목표는 컴팩트한 크기, 높은 토크 밀도, 빠른 응답 및 일관된 생산과 같은 실용적인 엔지니어링 요구 사항을 해결하는 것입니다.

통합 액추에이터를 평가하는 엔지니어에게는 이러한 시스템 수준 관점이 중요합니다. 모터, 감속기 및 인코더를 개별적으로 평가하는 대신 조인트의 부하 프로필, 설치 제약 조건, 컨트롤러 아키텍처 및 생산 요구 사항을 기준으로 전체 어셈블리를 검토해야 합니다. 그러면 대표적인 작동 조건에서 프로토타입 검증 및 테스트를 통해 설계가 대규모 배포로 진행되기 전에 문제를 식별할 수 있습니다.

최종 선택 전 실제 체크리스트

마이크로 액추에이터를 협동 로봇에 통합하기 전에 다음 사항을 검토하십시오.

1. 하중 계산: 페이로드, 링크, 그리퍼 및 조인트 토크에 기여하는 기타 구성요소를 포함합니다.

2. 모션 프로필 정의: 필요한 속도, 가속, 감속, 이동 빈도 및 유지 조건을 식별합니다.

3. 연속 수요와 단기 수요를 분리합니다. 지속 토크를 연속 정격과 비교하고 해당 한계에 대해 일시적 수요를 확인합니다.

4. 감속비 선택: 출력 토크, 속도 및 동적 응답 간의 균형을 평가합니다.

5. 전기 및 제어 호환성 확인: 작동 전압, 인코더 요구 사항, 통신 인터페이스 및 컨트롤러 구성을 확인합니다.

6. 기계적 통합 확인: 치수, 장착, 총 이동 질량 및 케이블 라우팅을 검토합니다.

7. 전체 어셈블리 테스트: 실제 부하, 듀티 사이클, 온도 및 이동 순서에서 성능을 검증합니다.

이 프로세스는 사양 비교에서 측정 가능한 작동 조건을 기반으로 한 엔지니어링 결정으로 액추에이터 선택을 전환합니다.

결론

협동로봇 부하에 액추에이터 토크를 맞추려면 토크 등급이 충분히 높은 장치를 찾는 것 이상이 필요합니다. 엔지니어는 중력, 관성, 가속도, 변속비, 피드백, 전기 공급 및 더 넓은 메커니즘에 대한 액추에이터 질량의 영향을 고려해야 합니다.

Φ25mm 마이크로 조인트 액츄에이터는  최대 1150mN·m의 연속 토크, 최대 1800mN·m의 초기 토크, 30 및 50의 기어비, 절대 자기 인코더 및 CAN FD 통신을 갖춘 컴팩트한 드라이브 옵션을 제공합니다. 이러한 사양은 필요한 작동 조건과 세부 성능 데이터의 확인에 따라 소형 로봇 관절에서의 역할을 평가하기 위한 기초를 제공합니다.

부하 프로필을 먼저 정의하고 실제 조건에서 통합 드라이브를 검증함으로써 엔지니어는 토크 용량, 모션 성능 및 기계 통합에 대해 더 많은 정보를 바탕으로 결정을 내릴 수 있습니다. VAXOR는 통합 마이크로 드라이브 기술에 중점을 두고 작고 반응성이 뛰어난 로봇 시스템을 개발하는 엔지니어링 팀을 지원합니다.