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유압 컴포넌트

KNR Systems의 유압 컴포넌트 (연재#4 유압 동력원)

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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.

<모바일 유압 동력원 : mHPU>

KNR Systems에서는 유압동력을 공급하는 HPU 중에 로봇용을 목적으로 이동형 유압동력원 mHPU와 LHPU를 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.

<유압 동력원 : LHPU>

KNR Systems의 유압 컴포넌트 (연재#3 유압 컨트롤러)

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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)와 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 액추에이터 컨트롤러 : HAC>

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)로 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)

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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.

hydraulic servo valve - KSV

<서보밸브 : KSV-NF07>

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.