SF 영화에서 로봇은 춤, 수술, 심지어 파쿠르와 같은 고난이도 동작을 수행할 수 있습니다. 이 기능 뒤에는 중요한 구성 요소인 조인트가 있습니다 . 산업용 조작기이든 인간형 로봇이든 현대 로봇의 경우 각 관절에는 강력한 '근육'(모터)뿐만 아니라 각도와 위치를 인식하는 예리한 '신경'도 필요합니다. 이러한 '신경'의 핵심은 오늘 논의의 주인공인 자기 인코더 디스크 입니다..
인코더란 무엇입니까? 로봇의 '고유감각'
눈을 감고 코를 정확하게 만질 수 있다고 상상해 보세요. 이는 근육과 관절이 위치 정보를 뇌에 다시 전달하기 때문에 가능합니다. 로봇 공학 영역에서 인코더는 비슷한 역할을 합니다. 기계적 동작(예: 회전 각도 및 속도)을 전기 신호로 변환하여 중요한 위치, 속도 및 방향 데이터를 로봇 제어 시스템에 제공함으로써 전체 시스템 성능을 최적화하는 센서입니다.
현재 인코더 기술에는 광학, 자기, 용량성이라는 세 가지 주요 유형이 있습니다. 오랫동안 광학 인코더는 높은 정밀도로 인해 시장에서 인기 있는 선택이었습니다. 이는 정밀 CD 플레이어처럼 작동하여 코딩된 디스크의 투명 선과 불투명 선을 읽어 위치를 결정합니다.
그러나 광학 인코더는 로봇 응용 분야에서 몇 가지 고유한 문제에 직면해 있습니다.
오염에 대한 민감성 : 먼지와 기름은 광학 경로를 방해하여 신호 손실을 초래할 수 있습니다.
진동에 대한 민감성 : 광학 인코더에 사용되는 유리 디스크는 고속 로봇 동작이나 충격 중에 파손되기 쉽습니다.
크기 및 전력 소비 : 고해상도 광학 인코더는 일반적으로 더 큰 폼 팩터와 더 높은 전력 소비를 갖습니다.
이러한 배경에서 자기 인코더는 고유한 장점을 활용하여 로봇 관절 분야에서 빛을 발하기 시작했습니다.
자기 인코더 디스크: 자기장을 이용한 '매핑' 모션
자기 인코더의 구조는 광학 인코더의 구조와 유사하지만 자기장을 활용합니다. 광선 대신 핵심 구성 요소는 자기 인코더 디스크 입니다 . 이 작은 디스크는 교대로 배열된 자극(수많은 작은 북극과 남극과 유사)을 특징으로 합니다.
디스크가 모터 샤프트와 함께 회전함에 따라 이러한 교번 자기장은 근처의 자기 저항 센서 또는 홀 센서 에 의해 감지됩니다 . 센서는 자기장의 변화를 전기 신호로 변환한 다음 회로를 통해 처리하여 샤프트의 정확한 위치를 계산합니다.
광학 인코더를 '격자를 읽는 것'에 비유한다면 자기 인코더는 '자기장 지도를 해석하는 것'과 같습니다.
로봇 관절이 자기 인코더를 선호하는 이유는 무엇입니까?
최근 몇 년 동안 구체화된 지능과 휴머노이드 로봇이 급증하면서 다음과 같은 이유로 관절 모듈 설계에서 자기 인코더가 선호되는 선택이 되었습니다.
가혹한 환경에도 흔들리지 않는 고유한 견고성 로봇 관절은 윤활 그리스로 채워지는 경우가 많으며 먼지가 많은 환경에서도 작동할 수 있습니다. 이러한 조건에서는 광학 인코더의 '시야'가 흐려질 수 있습니다. 반면, 비접촉식 자기장 센서인 자기 인코더는 먼지, 기름, 습기에 대한 '내성'이 있어 높은 신뢰성과 진동 및 충격에 대한 탁월한 저항성을 제공합니다.
컴팩트한 사이즈와 플랫한 구조
현대 로봇 관절은 모터, 감속기 및 드라이브의 높은 통합이 필요한 '통합 전력 모듈'을 위해 노력하고 있습니다. 자기 인코더를 사용하면 부피가 큰 광원과 광학 렌즈 시스템이 필요하지 않습니다. 칩과 디스크는 매우 얇게 만들어질 수 있어 '소형화, 경량, 평면' 조인트 설계가 용이합니다.
정밀한 힘 제어를 위한 고해상도의 혁신
한때 자기 인코더는 광학 인코더보다 정밀도가 뒤떨어진다는 말이 있었습니다. 그러나 이것은 변화하고 있습니다. 2024년 중국 하이테크 박람회(CHTF)에서 국내 제조업체들은 19비트 또는 심지어 20비트 해상도를 달성하는 고정밀 자기 인코더 디스크를 선보였습니다 . 예를 들어, 내부 링에 126개 극, 외부 링에 128개 극과 같은 복잡한 자극 쌍을 매우 작은 디스크에 배열함으로써 센서는 매우 미세한 움직임을 감지할 수 있습니다. 이를 통해 로봇은 정밀 부품 조립 등 섬세한 작업을 수행할 수 있습니다.
비용 이점 및 현지화 이점
오랫동안 고해상도(예: 19비트, 20비트) 자기 인코더 시장은 외국 회사가 지배했기 때문에 리드 타임이 길고 비용이 많이 들었습니다. 이는 기술 병목 현상의 전형적인 예입니다. 오늘날 Yuzhi Power Technology와 같은 국내 기업은 획기적인 발전을 이루었습니다. 기술력은 세계 최고 수준에 이르렀고, 원가는 수입품의 1/2~3분의 2 수준으로 낮아져 국산 로봇의 제조원가를 획기적으로 낮췄다.
기술의 최전선: '단일 회전'에서 '다회전'으로, '감지'에서 '지능형'으로
로봇 애플리케이션 시나리오가 확장됨에 따라 자기 인코더 기술은 계속해서 발전하고 있습니다.
절대 위치 메모리 : 이제 고급 자기 인코더가 '다회전' 기능을 지원합니다. 정전 후 로봇 관절이 외력에 의해 이동하더라도 배터리로 구동되는 인코더는 회전 수를 기록하고 재시작 시 절대 위치를 즉시 알 수 있으므로 원점 복귀가 필요하지 않습니다.
간섭 방지 알고리즘 : 모터 작동으로 인해 발생하는 강한 전자기 간섭에 대응하기 위해 최신 자기 인코더 칩(예: AMR 기술을 사용하는 칩)에는 동적 각도 오류 보상 알고리즘이 통합되어 시끄러운 환경에서도 안정적인 신호 출력을 보장합니다.
디스크 제조의 혁신 : 정밀 자화는 전통적으로 자기 디스크의 주요 과제였습니다. 이제 '일회성 자화'와 같은 독자적인 기술을 통해 국산 자기 디스크의 정확도가 대폭 향상되어 고정밀 로봇 관절의 견고한 기반이 마련되었습니다.
모터가 로봇의 심장이라면 고정밀 디스크가 내장된 자기 인코더는 로봇의 '고유 감각 신경'이다. 이는 로봇이 자신의 자세를 인지할 수 있을 뿐만 아니라 복잡한 환경에서도 안정적이고 정밀하게 작동할 수 있는 능력을 부여한다.
