조인트 제어
로봇이 움직인다는 것은 결국 각 조인트 각도를 움직이는 것입니다. 조인트 동작이 어떻게 제어되는지 살펴보겠습니다.
모터제어
모터는 전기적 에너지를 운동 에너지로 변환시키는데, 이 결과 빠른 회전 속도를 얻을 수 있습니다. 모터의 회전 운동은 로봇 동작의 핵심이라 할 수 있으며, 실제로 각 조인트는 한 개 혹은 그 이상의 모터가 장착되어 있습니다. 특히, 전통적인 산업용 로봇은 모터가 밖으로 드러나 있습니다.
모터를 제어하기 위해서 엔코더라는 센서를 사용하여 모터의 현재 각도를 파악합니다. 엔코너의 성능은 분해능(Resolution)을 통해 결정되는데, 이는 얼마나 정밀하게 모터 각도를 측정하는지에 대한 사양입니다.
엔코더는 센싱 방식에 따라 optical encoder와 magnetic encoder로 나뉩니다. 또한, 카운트 방식에 따라 absolute encoder와 incremental encoder로 나눌 수 있는데, absolute 타입의 경우, 전원이 없어도 현재 위치를 파악할 수 있는 장점이 있습니다.
소프트웨어의 경우, 일반적으로 모터를 제어하기 위해서는 PID 제어 알고리즘을 적용합니다.
감속기
엔코더 센서와 제어 소프트웨어를 이용하여 모터를 제어하는데, 이것만으로 조인트를 동작시키기에는 부족합니다. 모터는 상당히 빠른 회전속도를 가지는 반면, 힘은 약합니다. 로봇팔, 툴, 작업물 등을 들어올리기에는 보다 큰 힘이 필요하므로,
이를 위해 감속기(Reduction gear)를 사용합니다.
감속기의 원리는 모터의 빠른 회전을 큰 토크로 변환하는 것입니다. 만약 감속비가 10 : 1인 감속기를 적용한 조인트의 경우, 모터가 10번 회전할 때, 감속기를 거친 조인트는 1번만 회전하게 됩니다. 회전량이 1/10로 줄어들었지만 토크는 10배 커지게 됩니다.
실생활에서 자전거를 통해 감속기 원리를 경험할 수 있습니다. 기어를 낮추면 페달을 쉽게 밟을 수 있고, 오르막 길을 보다 쉽게 오를 수 있습니다. 반면, 평지에서 기어를 낮추면 페달을 밟는 속도가 느려도 자전거 속도가 올라갑니다. 이러한 원리를 통해서 로봇 링크, 툴, 작업물 등을 들기 위한 힘을 확보할 수 있습니다.
로봇의 핵심 부품
로봇 동작의 핵심 부품은 조인트에서 모터, 감속기, 엔코더라고 할 수 있습니다.
감속기의 경우, 진동이나 소음, 수명, 반복정밀도 등 로봇의 기계적 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문에 저가의 제품으로 대체하기 어렵습니다.