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.

KNR Systems의 유압 컴포넌트 (연재#2 서보밸브)

2. 서보밸브

서보밸브는 유압로봇 구성에 있어 액추에이터와 쌍으로 구성되어 유압의 흐름을 제어함으로써 액추에이터를 구동하는 역할을 하는 핵심 구성요소라 할 수 있습니다.
건설용 굴삭기 등은 비교적 손쉬운 작업을 수행하는 것을 목적으로 하므로 온/오프 제어로도 조작이 가능한 간단한 밸브만으로 구성됩니다.
그러나 유압 로봇은 보다 정밀한 제어를 필요로 하므로 미세유량을 빠르고 정확하게 제어할 수 있는 고성능의 서보밸브가 필요합니다. 성능 뿐만 아니라 로봇에 부착하기 위해 그 크기도 작아야 하며, 액추에이터 갯수만큼 다수의 밸브를 필요로 하므로 가격 역시 중요합니다. 로봇에 사용되느 서보밸브의 크기는 엄지손가락 만하지만 그 가격은 매우 고가이며 높은 제조 기술을 요구하므로 공급 가능한 업체 역시 소수만 존재합니다.

유압서보밸브 기술은 제품으로 구현이 매우 난해야 분야여서, 특히 우수한 성능의 소형 서보밸브는 미사일, 로켓과 같은 방위 산업에 국한되어 전 세계에서 5개 이하의 기업만이 대부분의 서보밸브를 생산하고 있습니다. KNR의 서보밸브는 최상위 성능의 글로벌기업인 Moog사 성능의 90%이상, 영국의 STAR사 서보밸브와 비교해서는 동급 혹은 이상의 성능을 확보하고 있습니다. 또한 최신의 특수 제조공법으로 낮은 제조원가를 실현하여 경쟁 업체에 비해 가격경쟁력도 가지고 있습니다.

KNR Systems의 유압 컴포넌트 (연재#1 Actuator)

로봇용 유압 요소부품은 기능과 역할에 따라 1.유압 액추에이터(Actuator), 2.서보밸브(Servo valve), 3.각종센서(Sensors), 4.컨트롤러(Controller), 5.유압동력원(HPU) 등 총 5가지 기본 구성요소(모듈)로 구분될 수 있으며, 이들 구성 요소들을 조합하여 유압 로봇팔이나 이동형 플랫폼을 개발 할 수 있습니다.

KNR Systems의 유압 로봇팔을 대상으로 각 구성모듈을 설명해보면 다음과 같습니다.

1. 유압 액추에이터 - 리니어 액추에이터, 로터리 액추에이터

유압 로봇을 구성하기 위해서 변위와 힘을 발생하는 것이 액추에이터 입니다. 모터기반 로봇과 비교하여 구동원인 모터대신
사용되는 것이라 할 수 있으며, 모터 구동로봇은 모터에 감속기를 부착하여 사용하여야 하지만 유압로봇은 유압 액추에이터 하나로 구성됩니다.
로봇용 유압 액추에이터는 모터에 비하여 같은 부피당  9~10배 정도의 큰 힘을 발생할 수 있으며, 고온, 수중, 방사능 등 극한 환경에서도 유용하게 사용할 수 있는 장점을 가지고 있습니다.
유압 액추에이터는 동작 형태에 따라서 리니어 액추에이터와 로터리 액추에이터로 분류할 수 있으며 사용 용도에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있습니다

리니어 액추에이터는 마치 굴삭기의 피스톤 구조와 유사한 형태를 띄고 있어 직선운동을 할 수 있고 크기대비 비교적 큰 힘을 낼 수 있지만 로봇용으로 사용하기 위해서는 직선 운동을 회전운동으로 다시 만들어 주어야 하는 단점이 있습니다.
 
KNR Systems의 리니어 액추에이터는 ‘폴리머 코팅 기술’을 적용한 저마찰 액추에이터를 특징으로 하고있어 우수한 제어특성을 만들어낼 수 있습니다. 액추에이터에 적용된 KNR Systems의 ‘폴리머 코팅기술’은 ‘실링’ 타입과는 비교할 수 없는 유연성내구성을 보장하는 작동 성능을 보유하고 있으며, 세계적인 경쟁 업체들의 bonding 타입 등에 비해서도 월등히 우수한 액추이이터의 효율성을 보여줍니다.

로터리 액추에이터는 직선운동의 변환없이 로봇 관절에 바로 부착하여 매우 컴팩트한 구성으로 구현할 수 있으나, 일반적으로 고가이고 내부 구조 특성상 원하지 않는 마찰력이 더 발생된다는 점이 성능상의 단점입니다.

KNR Systems의 로터리 액추에이터는 로봇관절 구성을 위해 적합한 베어링을 일체화하고 있으며, 센서와 제어기도 스마트 액추에이터 형태로 내장할 수 있도록 개발되어 있습니다. 특히 로봇을 구성할 수 있을만큼 충분히 경량(동일 기어모터 대비 약 10%, 기존 유압 로터리 액추에이터 대비 50%), 소형이며 제어성능에 큰 영향을 미치는 내부 마찰력도 극도로 낮추었습니다.

최근 Boston Dynamics에서 KNR Systems의 로터리 액추에이터를 사용하여 성능 평가를 진행하고 있으며, 신제품의 더 낮춰진 마찰력의 실험결과의 공유를 요청하는 등 그 기술력을 간접적으로 입증하고 있습니다. (독보적인 베인형 로봇 관절용 로터리 액추에이터는 세계 선도 유압로봇기업인 미국 Boston Dynamics와 유럽 IIT 연구소등에서 본사의 액추에이터로 양산성 적용평가 및 다년간 본사의 액추에이터를 사용한 로봇을 만들고 있습니다.)

2020년에는 KNR Systems 내에서 생산할 수 있는 제조법을 개발완료 하였고, 가공 장비를 구축하여 제품원가를 작년대비 최소 50% 절감할 수 있을 것으로 추정하고 있습니다.