조인트 제어

로봇이 움직인다는 것은 결국 각 조인트 각도를 움직이는 것입니다. 이번 포스팅에서는 조인트의 동작을 어떻게 제어하는지 살펴보도록 하겠습니다.

모터 제어

모터는 전기적 에너지를 운동 에너지로 변환시키는데, 이 결과 빠른 회전속도를 얻을 수 있습니다. 모터의 회전운동은 로봇 동작의 핵심이라 할 수 있으며, 실제로 각 조인트는 한개 혹은 그 이상의 모터가 장착되어 있을 것입니다. 특히, 전통적인 산업용 로봇은 모터가 밖으로 드러나 있습니다.^[각주:1]

모터가 장착된 6축 로봇암 (출처: KR20, KUKA Robotics)

우리는 산업용 로봇에 정확한 동작을 기대합니다. 모터를 정확하게 제어하기 위해 인코더^[각주:2]라는 센서를 사용하여 모터의 현재 각도를 파악합니다. 참고로 인코더의 성능은 분해능(resolution)을 통해 결정되는데, 이는 얼마나 정밀하게 모터 각도를 측정하는지에 대한 사양입니다.^[각주:3]

소프트웨어의 경우, 일반적으로 모터를 제어하기 위해서는 PID 제어 알고리즘^[각주:4]을 적용합니다.

감속기

인코더 센서와 제어 소프트웨어를 이용하여 모터를 제어하는데, 이것만으로 조인트를 동작시키기에는 부족합니다. 모터는 상당히 빠른 회전속도를 가지는 반면, 힘은 약합니다. 로봇암, 툴, 작업물 등을 들어올리기에는 보다 큰 힘이 필요하게 마련이고, 이를 위해 감속기(reduction gear)를 사용합니다.

Gearbox (출처: HFUS-2SH, Harmonic Drive AG)

감속기 원리는 모터의 빠른 회전을 큰 토크로 변환하는 것입니다. 이해를 돕기 위해 감속비가 10:1인 감속기를 적용한 조인트를 예로 들어보겠습니다. 모터가 10번 회전할 때, 감속기를 거친 조인트는 1번만 회전하게 됩니다. 회전량이 1/10으로 줄어들었지만 토크는 10배 커지게 됩니다.^[각주:5] 

실생활에서 우리는 자전거를 통해 감속기 원리를 경험할 수 있습니다. 기어를 낮추면 패달을 쉽게 밟을 수 있고, 오르막 길을 보다 쉽게 오를 수 있습니다. 반면, 평지에서 기어를 낮추면 패달을 밟는 속도가 느려도 자전거 속도가 올라갈 것입니다.

이러한 원리를 통해 조인트는 로봇 링크, 툴, 작업물 등을 들기 위한 힘을 확보할 수 있습니다.

로봇의 핵심 부품

위에서 설명한 바와 같이, 조인트에는 모터, 인코더, 감속기가 있습니다. 이들은 로봇 동작의 핵심요소라고 할 수 있는데, 로봇에서 가장 비싼 부품이기도 합니다.

일부 로봇 제조사^[각주:6]의 경우 모터를 직접 제조하기도 하지만, 대다수 로봇 제조사는 외부 업체로부터 모터와 감속기를 공급받습니다. 

특히 감속기의 경우, 진동이나 소음, 수명, 반복정밀도 등 로봇의 기계적 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문에 저가의 제품으로 대체하기 어렵습니다.

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잘못된 내용이나 질문 있는 분들은 편하게 댓글 달아 주세요. 감사합니다.

1. 최근 등장하는 소형 로봇은 모터가 겉에서 보이지 않도록 설계하는 경우가 많습니다. [본문으로]
2. 인코더는 센싱 방식에 따라 optical encoder와 magnetic encoder로 나뉩니다. 또한, 카운트 방식에 따라 absolute encoder와 incremental encoder로 나눌 수 있는데, absolute 타입의 경우, 전원이 없어도 현재 위치를 파악할 수 있는 장점이 있습니다. [본문으로]
3. 0.1도 단위로 구분하는 인코더와, 0.01도 단위로 구분하는 인코더가 있으면, 후자가 더 정밀하다고 할 수 있겠죠? [본문으로]
4. 가장 고전적인 제어이론이라고 보시면 됩니다. [본문으로]
5. 물론, 열역학법칙에 의해 에너지는 손실되고, 토크가 10배 증가하진 못할 것입니다. [본문으로]
6. Yaskawa, Panasonic 등은 모터의 제조사이기도 합니다. [본문으로]