KNR SYSTEMS의 유압 로봇팔 (HYDRA-UW3)

유압 로봇팔 (HYDRA-UW3)

수중 매니퓰레이터는 앞서 설명한 유압 요소부품을 사용하여 만들어졌으며, 수중 환경에서 원격 조정이 가능한 수중(심해) 작업용 유압 로봇암으로, 방수를 요구하는 작업이나 방재/재난 대응작업, 해양 플랜트 건설 등과 같은 위험지역의 작업을 위해서 개발된 시스템입니다. 2017년 말 개발이 완료되어 2018년 국가우수연구개발 100선에 선정되어 기술 우수성을 입증하기도 한 제품 입니다.

KNR SYSTEMS는 무인 수중 잠수정 용 7자유도5자유도 수중 매니퓰레이터를 각각 개발하였습니다. 세계 시장의 리더 업체인 TechnipFMC Schilling Robotics사의 ‘Tatan4’와 동급의 성능(가반하중 풀 리치에서 120kg, 최대 300kg)을 가지고 있는 HYDRA-UW3 7자유도 수중 매니퓰레이터는 현재 500msw급 해양 실증실험을 완료하여 트렉 레코드를 확보하고 있습니다. 추가로 2,500msw급 요소부품 실험을 완료하였고, 가압 챔버실험과 실 해역 실험을 앞두고 있는 등 차근차근 경력을 쌓아가고 있습니다.

원격 조정 기능을 가진 고성능 제어/센서 시스템과 직접적인 인터페이스 소프트웨어를 통해 정밀성이 요구되는 작업을 안정적이고 편리하게 운용할 수 있는 강점이 있어 해양 건설, 원자력 발전, 화력 발전 등의 수중 또는 원전해체 산업과 같은 유해 지역의 원격 작업 시스템으로 활용할 수 있는 최적의 시스템으로 기술의 부가가치 창출을 기대할 수 있습니다.

KNR Systems의 유압 컴포넌트 (연재#4 유압 동력원)

4. 유압 동력원 (HPU)

액추에이터, 밸브, 센서, 제어기 등으로 구성된 완성된 유압로봇을 구동하기 위해서는 유압을 발생하여 공급해주는 동력원이 필요하며 이를 HPU (Hydraulic Power Unit)라 합니다. 유압 동력원은 일반 산업에 사용할 경우 고정형 HPU를 공장에 설치하고 여러 로봇을 하나의 HPU에서 공급되는 유압라인을 연결하여 사용하는 것이 효율적입니다. 그러나 이동형 로봇을 구성해야 하는 경우에는 이동형 유압 동력원을 필요로 하며 로봇 용도에 맞도록 크기와 효율성을 높인 동력원은 로봇의 활용성에 큰 영향을 미치게 됩니다. 일반적으로 이동형 로봇의 동력원은 그 용도에 맞게 맞춤 제작하여 사용하는 것이 일반적이며, 안정적인 성능을 확보하는 것은 전체 로봇의 성능에도 영향을 미치게 됩니다.

KNR Systems에서는 유압동력을 공급하는 HPU 중에 로봇용을 목적으로 이동형 유압동력원 mHPULHPU를 개발하여 공급하고 있습니다.
이동형 유압 파워유니트는 유압 액추에이터에 동력을 전달할 수 있도록 유압을 공급하는 장치로, 로봇, 국방 분야에 활용될 수 있도록 소형으로 제작되었습니다. 소형이면서 충분한 유량과 유압을 발생할 수 있어, 모바일 로봇, 워킹 로봇, 이송 플랫폼 등 이동형 시스템에 탑재할 수 있고, 가압식 모델도 옵션으로 제공하여 전복되어도 동작하는 뛰어난 기능을 지니고 있습니다.

KNR Systems의 유압 컴포넌트 (연재#3 유압 컨트롤러)

3. 유압 컨트롤러

컨트롤러는 유압 액추에이터에서 발생된 움직임을 센서로 읽어들여서 필요한 운동을 제어하는 핵심 구성요소입니다. 로봇용 제어기는 일반적인 산업용 유압제어기와 달리 소형으로 구성되면서도 다양한 제어기능을 가지고 있어야 하므로, 일반적으로 각 축당 제어를 수행하는 분산제어 형태를 띄고 있습니다. 각 축의 제어를 담당하는 하위제어기 (Axis controller)완성된 로봇 형태의 운동을 생성하고 제어하는 상위의 로봇제어기 (Robot controller)를 연결하여 구성됩니다.

유압 하위 제어기는 모터제어기와 달리 높은 전압과 전류를 사용하지 않고 매우 작은 전류만으로 유압의 흐름을 제어하므로 액추에이터에 바로 내장하거나 부착할 수 있으며 모터형 로봇 제어기와 유사한 성능과 기능을 필요로 합니다. 완성된 다자유도 형태의 로봇이 아니더라도 1~2축 또는 독립적인 액추에이터 구성으로 사용되는 경우도 많기 때문에 하위제어기와 유압 액추에이터, 밸브만으로 시스템을 구성하는 수요도 매우 많습니다.

유압 하위 제어기는 모터제어기와 달리 높은 전압과 전류를 사용하지 않고 매우 작은 전류만으로 유압의 흐름을 제어하므로 액추에이터에 바로 내장하거나 부착할 수 있으며 모터형 로봇 제어기와 유사한 성능과 기능을 필요로 합니다. 완성된 다자유도 형태의 로봇이 아니더라도 1~2축 또는 독립적인 액추에이터 구성으로 사용되는 경우도 많기 때문에 하위제어기와 유압 액추에이터, 밸브만으로 시스템을 구성하는 수요도 매우 많습니다.

유압로봇의 각 축의 제어를 담당하는 하위 제어기(Axis controller)는 액추에이터에 가까이 배치될 만큼 소형으로 구현되어야 하며, 다양한 제어 알고리즘을 내장하고, 주요 통신으로 외부와 연결될 수 있어야 합니다. KNR Systems의 HAC 시리즈 표준형 제어기는 현재 버전 2.2까지 개발되었고 고성능의 Cortex M4 칩으로 구성되어 최대 5kHz 주기로 내부 제어가 가능하며, CAN/SPI/SSI/Analog를 비롯한 제어용 통신을 지원하고 있습니다. 내부 제어기로 위치, 힘, 컴플라이언스 컨트롤 기능을 기본으로 선택이 가능하며, 5종 이상의 피드백 센서를 사용할 수 있도록 옵션보드를 제공하고 있습니다. 최근 개발 완료 단계에 있는 HAC Pro 1.0은 액추에이터에 일체형을 목적으로 개발되고 있으며, 더 빠른 연산인 가능한 MCU와 CANFD, EtherCAT, Pronfinet 등 다양한 최신 실시간 고속 통신을 지원하도록 개발하고 있습니다.

KNR Systems는 상위의 로봇제어기 (Robot controller)LCU를 개발하여 판매하고 있으며, 이더넷 통신을 하는 TMS320 DSP를 사용한 고성능 8축 다축 제어기입니다. 이 고성능 제어기는 로봇팔 등에 부착할 만큼 작으면서도 로봇 기구학을 매번 1kHz이상 연산해 낼 수 있는 성능을 확보하고 있습니다.