로봇 관절에서의 엔코더 분해능: 비트, 백래시, 반복 정밀도

관절은 위치를 측정할 수 있는 만큼만 위치를 유지합니다. 엔코더 분해능은 샤프트 각도를 셀 수 있는 양으로 바꾸는 수치이며, 컨트롤러가 그 각도로 수행하는 모든 처리의 상류에 놓여 있습니다. 이 글은 기어드 액추에이터 제품군을 통해 하나의 질문을 따라갑니다. 센서는 실제로 무엇을 측정하는가, 그 측정은 몇 개의 카운트를 담고 있는가, 그리고 카운트를 더 늘려도 아무것도 바뀌지 않는 지점은 어디인가 하는 질문입니다.

관절에서 엔코더가 보고하는 것

기어드 액추에이터에는 중요한 샤프트가 두 개 있습니다. 하나는 모터 샤프트로, 빠르게 회전하고 부하가 가볍습니다. 다른 하나는 출력 샤프트로, 감속단 뒤에서 느리게 회전하며 부하를 받습니다. 전자에 놓인 센서는 모터 각도를 보고하고, 후자에 놓인 센서는 출력 각도를 보고합니다. 둘은 같은 측정이 아니며, 그 사이에 있는 모든 것이 바로 전달 기구입니다.

두 개의 샤프트, 두 가지 측정

이 구분은 관절이 부하 상태에서 자세를 유지해야 할 때가 되기 전까지는 학술적인 이야기처럼 들립니다. 모터 각도는 측정도 제어도 쉽습니다. 자기장이 있는 곳도, 구동 회로가 이미 자리한 곳도 모터 샤프트 쪽이기 때문입니다. 기계가 실제로 신경 쓰는 것은 출력 각도입니다. 그 사이에는 기어 치면, 베어링 유격, 그리고 부하 경로상 모든 부품의 탄성 비틀림이 놓여 있습니다.

CubeMars는 AKH70 중공 샤프트 액추에이터에서 이 구성을 분명하게 밝히고 있습니다. 이 모듈은 듀얼 21비트 자기 엔코더를 탑재해 모터 측과 출력 측에 하나씩 배치하고 있으며, 제조사는 그 결과를 모터 단과 출력 단에서의 독립적인 위치 피드백으로 설명하면서 전달 오차를 제어 루프에서 분리한다고 밝힙니다. 이는 제조사의 표현이며, 두 번째 센서가 무엇을 제거하는지가 아니라 무엇을 측정하는지에 대한 주장으로 읽는 것이 적절합니다. 출력 측 피드백 덕분에 컨트롤러는 모터 각도와 출력 각도의 차이를 관측할 수 있지만, 백래시와 탄성 비틀림, 마찰은 전달 기구의 특성으로 남아 있습니다.

어느 숫자를 신뢰할지를 폐루프가 결정하는 이유

모터 각도만 읽는 컨트롤러는 실제로 움직이려는 대상에서 전달 기구 하나만큼 떨어진 숫자를 제어하고 있습니다. 엔코더 분해능은 그 숫자가 얼마나 잘게 나뉘는지를 정하지만, 센서의 배치는 그 숫자가 부하 측에서 의미를 가지는지를 정합니다. 둘은 함께 읽혀야 하므로, 배치 없이 인용된 엔코더 분해능은 무의미에 가깝습니다.

출력단의 엔코더 분해능: 14비트·16비트·21비트

비트로 표시되는 분해능은 회전당 카운트 수입니다. 14비트 센서는 회전당 16384 카운트를 분해하고, 16비트 센서는 65536, 21비트 센서는 2097152를 분해합니다. 이 세 숫자가 이 액추에이터 등급 전반에 나타나며, 처음과 마지막의 차이는 128배입니다.

혼용되는 세 용어는 서로 같지 않습니다. 분해능은 센서가 회전당 이론적으로 구별할 수 있는 위치 증분입니다. 정확도는 보고된 각도가 실제 각도에서 얼마나 벗어나 있는지입니다. 반복 정밀도는 같은 명령과 같은 조건에서 관절이 되돌아오는 위치의 흩어짐입니다. 더 세밀한 분해능은 첫 번째를 개선하지만 나머지 둘을 보장하지 않으며, 엔코더 분해능만 인용해서는 나머지 둘에 대해 아무것도 알려주지 못합니다.

공개된 항목이 말하는 것

AKH70-48과 AKH70-16은 내부 루프의 엔코더 분해능이 21비트, 외부 루프도 동일하게 21비트로 공개하고 있습니다. AK70-9 V3.0도 같은 쌍을 공개합니다. AK70-10 KV100은 내부 링의 엔코더 분해능을 14비트로 공개하고 있으며, 외부 링 종류와 외부 링 분해능 항목은 비어 있습니다. 이는 제조사 사양 항목을 있는 그대로 인용한 것입니다. 표현이 모든 페이지에서 동일하지는 않습니다. AK70-10 페이지는 loop와 ring을 혼용하고 있으며, 여기서는 각 항목이 공개된 대로 표현을 따릅니다.

배치가 카운트의 가치를 바꾼다

같은 크기의 엔코더 분해능이 출력단에서 같은 각도 스텝을 주지는 않습니다. 환산을 결정하는 것은 배치이기 때문입니다. 10:1 감속단의 모터 샤프트에 있는 14비트 센서는 모터 1회전당 16384 카운트를 만들고, 출력 1회전에는 모터 10회전이 필요하므로 출력 측에서는 회전당 163840 카운트가 됩니다. 이는 출력단에서 카운트당 약 0.0022°에 해당합니다. 출력 샤프트에 직접 장착된 21비트 센서는 출력 1회전당 2097152 카운트를 직접 만들어내며, 이는 카운트당 약 0.000172°입니다. 두 수치 모두 공개된 비트 수와 감속비에서 나온 산술이며, 공개된 값이 아닙니다. 이는 이상적인 전달 기구에서의 등가 출력 각도 증분이며, 측정된 출력 정확도가 아닙니다. 두 샤프트 사이의 백래시와 탄성 처짐은 여전히 출력을 이상적인 환산에서 벗어나게 합니다.

두 가지가 뒤따릅니다. 첫째, 감속은 출력단에서 모터 측 센서의 세밀함을 배가하므로, 높은 감속비 뒤의 낮은 비트 수도 서류상으로는 인상적으로 보일 수 있습니다. 둘째, 더 중요한 것은 모터 측 숫자가 전달 기구의 반복 정밀도보다 세밀하다는 점입니다. 세밀함은 제약이 아닙니다.

공개된 엔코더 및 백래시 항목을 각 제조사 제품 페이지에 적힌 대로 인용한 것입니다. 백래시 단위는 페이지마다 일관되지 않습니다. AKH70 두 모델과 AK70-9는 arcmin, AK70-10은 도를 사용합니다. 수치는 각 페이지가 사용하는 단위 그대로 재현했습니다. 미기재로 표시된 항목은 인용한 제품 기록이 그 값을 공개하지 않았음을 뜻하며, 항목이 없다는 것이 해당 기능이 없다는 증거는 아닙니다.

싱글 엔코더와 듀얼 엔코더

이 범위에서 가장 유용한 비교는 제품군 사이가 아니라 크기가 거의 같은 두 모듈 사이에서 이루어집니다. AK70-9 V3.0은 직경 89 mm, 길이 49 mm, 9:1 감속단을 사용하며 21비트 엔코더 2개를 공개합니다. AK70-10 KV100은 직경 89 mm, 길이 50.25 mm, 10:1 감속단을 사용하며 14비트 엔코더 1개를 공개합니다. 외형은 거의 같고 감속비는 인접하며, 피드백은 전혀 다릅니다. 센서 수는 순위가 아닙니다. 센서가 하나라는 것만으로 모듈의 성능이 떨어지지는 않습니다. 결과는 전달 기구, 센서 정확도, 제어 알고리즘, 그리고 적용 분야에도 좌우되기 때문입니다. 여기서 달라지는 것은 시스템이 직접 관측할 수 있는 대상입니다.

두 번째 센서가 가져오는 것

모터 샤프트에 센서가 하나뿐이면 출력 위치는 추론됩니다. 컨트롤러는 모터 각도를 가져와 감속비로 나누고, 전달 기구가 강체라고 가정합니다. 출력 샤프트에 두 번째 센서가 있으면 출력 위치는 측정됩니다. 이 차이는 엔코더 분해능의 작은 개선이 아닙니다. 전달 기구에 대한 모델과 그 실측 사이의 차이입니다.

CubeMars는 AK70-9 V3.0에서 이를 운용 관점의 표현으로 밝히고 있습니다. 듀얼 엔코더 설계는 위치 결정 정확도와 시스템 신뢰성을 높이는 입력측 및 출력측 엔코더로 설명되고, 폐루프 설계는 전원 상실 후에도 위치 정보를 유지하는 것으로 설명됩니다. AKH70 두 모델도 전원 상실 후 출력 위치가 유지된다는 동일한 주장을 담고 있습니다.

범위가 어떻게 나뉘는가

제조사 비교표 전체에서 10개 모듈은 듀얼 엔코더, 11개는 싱글, 5개는 항목 자체가 없습니다. 항목이 없는 모듈은 AKE 준직구동 시리즈에 속하며, 같은 표에서 드라이버 보드도 없습니다. 듀얼 엔코더는 이 범위에서 크기와 함께 매끄럽게 늘어나는 기능이 아닙니다. 모듈의 세대와 그 뒤에 있는 설계 의도를 따릅니다.

절대값 엔코더와 증분식 엔코더

실무에서 문제가 되는 차이는 전원 사이클을 가로지르는 동작입니다. 증분식 엔코더는 컨트롤러가 마지막으로 카운트한 위치를 기준으로 한 상대 각도를 보고합니다. 절대값 엔코더는 도달 시점의 실제 각도를 보고합니다. 관절이 깨어나서 자신의 위치를 알아야 하는 경우, 이 차이가 기계가 시작 시 원점 복귀 동작을 수행할지를 결정합니다.

CubeMars는 AKH70 두 모델과 AK70-9 V3.0에서 전원 상실 후에도 출력 위치가 유지된다고 밝히며, AK70-9의 표현은 듀얼 기어 맞물림 폐루프 설계를 언급합니다. 이 모듈들의 공개 항목은 엔코더 종류를 자기식으로, 분해능을 비트로 제시하지만, 센서가 절대값인지 증분식인지는 밝히지 않습니다. 또한 위치가 유지된다는 것 자체가 어느 쪽의 증거도 아닙니다. 세 가지는 별개입니다. 위치 유지에 대한 제조사 주장, 센서의 측정 원리, 그리고 전원 사이클과 장애 복구를 거치는 드라이브 전체의 동작입니다.

두 경우를 가르는 것은 엔코더 분해능이 아닙니다. 모터 측의 증분식 엔코더는 전원 사이클 후에도 출력 각도를 알 수 없게 둡니다. 전달 기구의 상태가 그 센서에는 알려지지 않기 때문입니다. 문제는 각도가 얼마나 세밀하게 측정되는지가 아니라, 전원을 껐다 켜도 그것이 살아남는지입니다. 기계가 전원 투입 직후 출력 각도를 필요로 하는 경우, 요구 사항은 드라이브가 지원하는 출력측 절대 위치 피드백 구성이며, 이는 해당 모듈의 제조사 문서로 확인해야 합니다. 그렇다 해도 시스템에 교정, 기준점 점검 또는 감독형 시작 절차가 필요할 수 있습니다.

모터가 보고하는 것과 링크가 실제로 하는 것 사이

백래시는 전달 기구 안의 각도 방향 유격이며, 엔코더 분해능을 제자리에 놓는 숫자입니다. AKH70 두 모델은 12 arcmin, AK70-9 V3.0은 18 arcmin, AK70-10 KV100은 0.2°를 공개합니다. AKE50-8 KV110은 9 arcmin을 공개합니다. 각 수치는 해당 페이지가 사용하는 단위로 인용했습니다. 페이지마다 단위가 일치하지 않기 때문입니다.

유격 폭은 스텝보다 훨씬 넓다

이를 앞서 도출한 카운트와 대조해 봅니다. 백래시가 12 arcmin인 관절에는 0.2°의 각도 유격이 있습니다. 10:1 감속단 뒤의 14비트 모터 측 센서는 출력단에서 약 0.0022°를 분해하고, 21비트 출력 측 센서는 약 0.000172°를 분해합니다. 이 유격은 첫 번째 수치보다 약 두 자릿수, 두 번째 수치보다 약 세 자릿수 더 거칩니다. 그 관절에서 반복 정밀도를 제한하는 것이 무엇이든, 그것은 카운트가 아닙니다.

이것이 엔코더 분해능만 인용하면 오해를 낳는 이유입니다. 더 세밀한 센서는 모터 샤프트를 더 정밀하게 측정하지만, 출력은 여전히 백래시 대역 안 어디에나 놓일 수 있습니다. 두 번째 센서도 그 대역을 줄이지 않습니다. 출력 측 엔코더가 하는 일은 그 대역을 관측 가능하게 만들어, 컨트롤러가 명령된 출력 위치와 실제 출력 위치의 차이를 볼 수 있게 하는 것입니다. 그 차이를 관측하는 것은 그것을 보상하는 것과 같지 않습니다. 루프가 이를 보정할 수 있는지는 제어 설계, 대역폭, 샘플링 속도, 부하에 달려 있습니다.

감속비 선택은 그 자체로 하나의 결정이며 여기서는 다시 다루지 않습니다. 낮은 감속비의 절충점은 준직구동 액추에이터: 8:1 감속비가 주는 이점에 정리되어 있습니다. 엔코더 분해능은 그 선택과 상호작용하지만 그것을 대체하지는 않습니다.

추가 엔코더 분해능이 더는 도움이 되지 않는 지점

분해능과 반복 정밀도는 서로 다른 양이며, 그 둘의 격차가 바로 추가 엔코더 분해능이 효과를 잃는 지점입니다. 분해능은 센서가 보고할 수 있는 가장 작은 변화입니다. 반복 정밀도는 같은 명령과 같은 부하에서 관절이 실제로 되돌아오는 위치의 흩어짐입니다. 전자는 센서가 정하고, 후자는 백래시, 유연성, 마찰, 열 상태, 그리고 부하의 결합 방식이 정합니다.

어느 지점을 넘으면 센서는 사슬에서 가장 거친 요소가 아니게 됩니다. 하나의 카운트가 각도 유격보다 훨씬 세밀해지면, 공칭 분해능만 높이는 것으로는 시스템 수준의 반복 정밀도를 크게 개선하기 어렵습니다. 결과는 여전히 센서 정확도, 제어 아키텍처, 기계적 유연성, 마찰, 시험 조건에 좌우됩니다. 그래서 유용한 질문은 모듈이 엔코더 분해능을 얼마나 갖추고 있는지가 아니라, 사슬에서 지금 어느 요소가 거친 요소인지입니다.

그 비교의 틀은 산술이 제공합니다. 12 arcmin에서 두 수치가 같은 백래시 정의에 기반한다고 가정하면 대역 폭은 0.2°입니다. 출력 측 21비트 엔코더 분해능은 그 대역 안에서 카운트당 약 0.000172°에 해당합니다. 이는 양자화 증분과 공개된 백래시 수치 사이의 비교이며, 관절이 명령 위치에 얼마나 가깝게 되돌아오는지에 대한 측정이 아닙니다.

전자 회로에 더 가까운 곳에 두 번째 한계가 있습니다. 엔코더 분해능은 센서에 대한 진술이지, 그 센서에 들어가는 노이즈 바닥에 대한 진술이 아닙니다. 피드백 경로의 전기적 노이즈보다 세밀한 카운트는 움직임이 아니라 노이즈를 보고하며, 그 노이즈를 쫓는 컨트롤러는 헌팅을 일으킵니다. 사양서와 측정된 동작이 어긋날 때는 측정된 동작이 의미를 갖습니다.

토크 크기와 열 부하가 모듈 자체를 결정하며, 그 선정 단계는 별개입니다. 고토크 로봇 액추에이터 선택 방법을 참조하십시오. 피드백은 그 결정과 나란히 규정되어야 하며, 그것을 대체해서는 안 됩니다. 또한 엔코더 분해능은 단독으로 최적화되어서도 안 됩니다.

두 번째 센서가 비용을 정당화할 때

두 번째 센서가 즉시 제 몫을 하는 경우가 있습니다. 깨어날 때 자신의 출력 각도를 알고 있어야 하는 관절. 전달 기구의 마모가 예상되고, 그렇지 않으면 컨트롤러가 원래 감속비를 계속 신뢰하게 되는 관절. 모듈과 링크 사이에 유연한 요소가 포함된 부하 경로를 가진 관절. 모든 경우에서 이득은 같습니다. 컨트롤러는 전달 기구가 무엇을 하는지 추측하지 않게 되며, 모터 측의 추가 엔코더 분해능은 아무리 쌓아도 이를 대신하지 못합니다.

피드백을 작업에 맞추기

세 가지 부하 사례는 세 방향으로 당기며, 같은 엔코더 분해능 수치가 세 가지에 똑같이 기여하지는 않습니다. 그 사이에서 달라지는 것은 카운트라기보다 어떤 오차가 지배적인가입니다.

기어드 관절 모듈

유성 감속단 뒤의 보행 로봇이나 매니퓰레이터 관절에서는 출력 측의 로봇 관절 엔코더가 중요합니다. 전달 기구가 오차의 지배적인 원천이기 때문입니다. AKH70-48은 48:1을 채택하고 두 루프 모두 21비트를 공개합니다. AKH70-16은 16:1에 같은 쌍입니다. 이런 관절에서 모터 측의 엔코더 분해능은 출력이 실제로 어디에 있는지 아는 것에 비해 부차적입니다. 이 그룹의 모듈은 로봇 액추에이터 아래 나열되어 있고, 이 등급의 적용 맥락은 관절 모듈에 있습니다.

바퀴 구동

바퀴 구동은 관절보다 출력 각도에 관대합니다. 부하가 유지 자세가 아니라 연속 회전이기 때문입니다. 그곳에서 지배적인 것은 허브가 받는 부하이며, 이는 별도의 선정 단계입니다. 허브의 반경 방향 하중은 바퀴형 로봇용 BLDC 모터: 구동 레이아웃, 듀티, 기어링에서 다룹니다. 이 등급의 버스 전압 제약은 48 V 로봇 액추에이터: 모델, 성능 이점, 시스템 제약에 정리되어 있습니다.

직접 구동과 프레임리스 설계

기어박스를 제거하면 논의가 달라집니다. 프레임리스 모터는 감속 없이 회전자를 부하에 직접 결합하므로, 분리해야 할 전달 오차가 없고 카운트를 곱해 줄 감속비도 없습니다. RI80 V2.0 프레임리스 인러너는 엔코더 항목을 전혀 공개하지 않으며, 홀 센서 통합이 옵션으로 제공되고 홀 센서 정렬에 맞춰 회전자 높이가 2 mm 증가했습니다. CubeMars는 프레임리스 구성에서 지지 플랜지, 구동 인터페이스, 엔코더 마운트를 기계 설계자에게 맡긴다고 설명합니다. 센서는 모듈 사양이 아니라 기계 설계상의 결정이 되며, 엔코더 분해능은 설계자가 장착한 엔코더의 속성이 됩니다.

준직구동 그룹의 모듈(AKE50-8 포함)은 준직구동 액추에이터 아래에, 프레임리스 제품군은 프레임리스 토크 모터 아래에 나열되어 있습니다. 프레임리스 모델의 더 폭넓은 비교는 프레임리스 토크 모터: 진입 등급부터 고성능 등급까지 12개 모델 비교에서 볼 수 있습니다.

자주 묻는 질문

피드백 규정은 모듈 규정 뒤에 옵니다. 토크, 감속비, 질량, 버스 전압이 먼저이고, 그다음에 남은 것을 측정하는 센서가 옵니다. 엔코더 분해능은 단독으로 최적화되어서는 안 되며, 목표 위치 결정 성능, 피드백 위치, 전달 기구 특성, 제어 아키텍처와 함께 다뤄져야 합니다. 저속에서의 정밀한 제어나 전원 투입 시 알려진 출력 각도가 필요한 응용에서는 피드백 아키텍처가 마지막 세부 사항이 아니라 그 자체로 하나의 요구 사항입니다. 모듈은 이러한 기계적 수치로 제품 선정에서 걸러낼 수 있고 제품 비교에서 나란히 비교할 수 있습니다. 일체형 관절 모듈에 대한 더 폭넓은 논의는 로봇용 액추에이터: 로봇 관절에 맞는 일체형 액추에이터 선택 방법에서 볼 수 있습니다.