로봇 공학용 브러시리스 모터: 토크 밀도, 코깅 및 맞춤형 통합

R&D 엔지니어는 드론 테스트 벤치에서 아름답게 작동하는 브러시리스 모터가 로봇 팔에서 몇 분 만에 정지했다고 말했습니다. 원인은 힘이 부족해서가 아니었습니다. 이는 드론 제작자가 사용하는 연속 토크 사양과 로봇 관절이 요구하는 저속, 높은 유지 토크 프로파일 사이의 불일치였습니다. 로봇용 브러시리스 모터는 중력에 맞서 위치를 유지하고 20RPM으로 부드럽게 움직이며 열 손상 없이 빈번한 시작-정지 사이클을 견뎌야 합니다. 그것은 완전히 다른 사양 환경입니다.

조달 엔지니어는 종종 동일한 실수를 저지릅니다. 즉, 카탈로그에서 가장 높은 무부하 RPM을 기준으로 모터를 선택한 다음 실제 조인트 속도에서 연속 토크가 부족하다는 사실을 발견합니다. 그 결과 몇 달이 걸리는 재설계가 이루어졌습니다.

로봇공학용 브러시리스 모터를 정의하는 것은 무엇입니까?

로봇용 브러시리스 모터는 최대 무부하 RPM보다는 높은 토크 밀도, 낮은 코깅 토크 및 폐쇄 루프 위치 피드백을 위해 설계된 3상 동기식 기계입니다.

추진 드론 모터와 조인트 액츄에이터를 비교해 보면 차이가 분명해집니다. 높은 RPM에서 추력 대 중량을 위해 드론 모터가 선택되었습니다. 저속에서 지속적인 토크를 위해 로봇 관절 모터가 선택되며, 종종 하모닉 기어박스가 토크를 증폭시키면서 출력 속도를 20-60RPM으로 감소시킵니다. 중요한 매개변수는 토크 밀도(모터 질량 1kg당 Nm), 코깅 토크(불균일한 회전을 유발하는 자기 멈춤쇠) 및 권선 유연성입니다.

권선과 인코더도 애플리케이션 수준에서 결정됩니다. 24VDC 손목 축에 작동하는 모터는 무거운 허리 축에 310VDC 권선이 필요할 수 있으며 인코더 유형은 컨트롤러 입력과 일치해야 합니다. 이는 카탈로그 선택이 아닙니다. 그것은 공학적 선택입니다.

저속에서 연속 토크가 무부하 RPM보다 높은 이유

낮은 RPM에서의 지속적인 토크는 로봇이 페이로드를 수용할 수 있는지 여부를 결정합니다. 데이터 시트의 최대 속도는 그렇지 않습니다.

팔이 정지되어 있는 경우에도 중력은 항상 모터에 작용합니다. 2kg 공구를 운반하는 손목 축은 해당 공구를 안정적으로 유지하기 위해 50-100RPM에서 대략 0.5-1.5Nm의 연속 토크가 필요합니다. 팔꿈치 축에는 3-8Nm이 필요합니다. 전체 페이로드를 처리하는 어깨 축에는 15-40Nm이 필요할 수 있습니다. 6000RPM의 무부하 속도는 조인트가 해당 속도 근처에서 작동하지 않기 때문에 여기서는 관련이 없습니다.

모터 플랫폼과 로봇 공동 아키텍처의 매칭

조인트 아키텍처는 모터 프레임과 기어박스를 결정해야 하며, 그 반대가 아닙니다.

고하중 숄더 조인트는 백래시가 없고 에너지 밀도가 높은 하모닉 기어 모터의 이점을 누릴 수 있습니다. Jiangsu Retek Motion Co., Ltd.(Retek Motion)는 무거운 어깨와 허리 축에 맞는 200Nm 하모닉 기어 모터를 제공합니다. 협동 암 및 모바일 조작기의 중간 탑재량은 60Nm 기어 모터와 잘 작동합니다. 어깨에 장착되는 소형 의료 로봇의 경우 기어헤드가 포함된 42mm 아웃러너 브러시리스 모터가 작은 공간에서 전력 밀도를 제공합니다.

고강도 로봇 조인트용 200Nm 하모닉 기어 모터 이 모터는 백래시 없이 200Nm 토크를 제공하므로 정확하고 반복 가능한 위치 지정이 필요한 로봇의 무거운 어깨 및 허리 축에 적합합니다. 제품보기 →

협동 로봇 및 매니퓰레이터용 60Nm 기어 모터 60Nm 정격 토크를 갖춘 이 기어 모터는 중간 하중의 협동 암 및 모바일 조작기에 적합하며 다양한 로봇 작업에 안정적인 성능을 제공합니다. 제품보기 →

의료 로봇용 기어헤드가 포함된 42mm 아웃러너 브러시리스 모터 기어헤드가 장착된 이 소형 42mm 아웃러너 브러시리스 모터는 높은 토크와 정밀한 제어 기능을 제공하여 어깨 장착형 의료 로봇 응용 분야에 이상적입니다. 제품보기 →

하모닉 기어박스는 반복 가능한 위치 지정에 필요한 제로 백래시를 제공합니다. 유성 기어박스는 가격이 저렴하고 충격 하중을 더 잘 견딜 수 있으므로 연석이나 경사로에 부딪히는 이동식 로봇 바퀴에 적합합니다. 모터 프레임은 기어박스 선택을 따르며 그 반대는 아닙니다.

로봇 관절의 후보 모터를 평가할 때 이 체크리스트를 사용하십시오.

• 영속도에서의 최대 토크가 아닌 작동 속도에서의 연속 토크를 확인하십시오.
• 기어박스 비율을 적용한 코깅 토크를 측정합니다.
• IP 등급이 세척 또는 먼지 노출 조건과 일치하는지 확인하십시오.
• 인코더 피드백이 로봇 컨트롤러와 호환되는지 확인하십시오.
• 기어박스 하우징을 통과하는 열 경로를 평가합니다.

BLDC 프레임 크기에 따른 토크 밀도 비교

권선 충진율과 열 발산은 직경과 축 길이에 따라 변하기 때문에 프레임이 클수록 항상 비례적으로 더 많은 사용 가능한 토크가 생성되는 것은 아닙니다.

Retek Motion의 브러시리스 DC 라인 범위는 28mm에서 130mm입니다. 24VDC 시리즈의 대표적인 연속 토크 값은 대략 42mm 모터의 경우 0.4Nm, 57mm의 경우 0.8Nm, 76mm의 경우 1.6Nm, 80mm의 경우 2.2Nm, 100mm의 경우 3.5Nm, 130mm의 경우 6.5Nm입니다. 진행은 로터 직경과의 3차 관계에 더 가깝습니다. 이것이 바로 프레임 크기 선택이 주로 열 설계 문제인 이유입니다.

로봇 모터 공급업체에서 찾아야 할 사항

대부분의 로봇 조인트에는 맞춤형 모터 프로젝트가 필요하기 때문에 엔지니어링 유연성과 수직 제조 통합이 카탈로그 폭보다 더 중요합니다.

Retek Motion은 2018년부터 자체적으로 브러시리스 DC 모터를 설계하고 제작해 왔습니다. 또한 이 회사는 CNC 가공 기어박스 하우징, 다이캐스트 구성품, 케이블 하네스도 한 곳에서 생산합니다. 이러한 조합을 통해 로봇 제조업체는 여러 공급업체를 조정하지 않고도 권선, 인코더 및 커넥터 구성을 반복할 수 있습니다.

특정 사용 사례의 경우 Retek의 코깅이 낮은 브러시리스 모터 출력에서 위치 리플을 줄이는 동시에 고토크 브러시리스 DC 모터 페이로드가 동적일 때 필요한 마진을 제공합니다.

자주 묻는 질문

로봇용 브러시리스 모터와 일반 BLDC 모터의 차이점은 무엇입니까?

로봇 브러시리스 모터는 저속에서 지속적인 토크, 낮은 코깅 및 피드백 호환성을 위해 지정되는 반면, 일반 BLDC 모터는 일반적으로 최고 속도 및 높은 출력 전력으로 평가됩니다.

로봇 관절에 필요한 연속 토크를 어떻게 계산합니까?

페이로드 질량에 모멘트 암의 길이를 곱하고 반사된 관성과 기어박스 손실을 더한 다음 최소 3배의 안전계수를 적용합니다.

브러시리스 모터 로봇용 유성 기어박스보다 하모닉 기어박스가 더 낫습니까?

하모닉 기어박스는 백래시가 없고 정밀한 암 조인트에 대한 높은 감소를 제공합니다. 유성 기어박스는 이동식 구동 휠의 충격 부하를 더 잘 처리합니다.

로봇공학용 통합 컨트롤러가 포함된 맞춤형 브러시리스 모터를 구입할 수 있습니까?

예. 통합 컨트롤러 및 맞춤형 권선 옵션이 표준이며, 수직 통합 공급업체가 기어박스 하우징 및 케이블 하니스도 생산할 수 있습니다.