로봇 컨트롤러의 종결자 ‘PA(Precise Automation) 컨트롤러’(上)
어떤 로봇, 어떤 모터에도 최고 사양의 콤팩트함을 선사하다
로봇컨트롤러 전문기업으로 세계적인 명성을 쌓아온 PA(Precise Automation)가 지난 40년간의 노하우를 함축한 컨트롤러 제품을 선보였다. PA Controller라 명명된 이 제품은 드라이버 및 머신비전을 내장한, 매우 콤팩트한 다축 컨트롤러 시리즈로 준비됐다. 외부 케이스 및 로봇고장의 가장 큰 원인이 되는 케이블을 원천적으로 제거하는 획기적인 방법으로 개발된 PA Controller의 성능 및 종류, 그리고 유럽과 미국에서 성공뿐만 아니라 국내에서의 적용 사례를 소개한다.
좋은 로봇 컨트롤러의 선택? “공급자의 오랜 경험과 노하우를 살펴라”
로봇을 비롯한 메커니즘 컨트롤러 등은 실제로 사용해보기 전에는 브로슈어에 있는 데이터 및 제원만으로 각기 다른 제품의 차이점 및 우수성, 사용과 응용의 편리성을 구별하기란 쉽지 않다. 이런 경험은 로봇산업 분야의 엔지니어들이 자주 접하는 일이다. 이는 모든 로봇 및 컨트롤러 메이커가 동일한 이론과 관점에서 제품을 설계·제조하고, 고객들은 공급자가 만든 창을 통해서만 사용하게 될 제품을 판단하게 되는 시스템에서 그 문제점을 찾을 수 있다. 현장에서의 로봇 및 컨트롤러 응용에는 같은 제품사양 내에서도 이들을 이용한 시스템 제작 및 엔지니어링의 시간과 노력, 그리고 최종 제품의 성능에는 많이 차이가 나기 마련인데, 그런 점이 잘 드러나지 않기 때문이다. 즉, 사용하는 로봇 및 컨트롤러의 공급자가 그 분야에서 얼마나 많은 경험과 연구를 지속해 왔으며, 현장에서의 요구사항 및 피드백을 받아들여 자사의 로봇 및 컨트롤러를 업그레이드함과 동시에 다른 분야의 새로운 기술 및 제품을 얼마나 빨리 수용하였느냐에 따라 결과가 달라진다는 것이다.
PA, 생을 바친 로봇 개발의 여정
PA(Precise Automation)社는 2004년 미국 실리콘밸리에 설립된 로봇 컨트롤러 개발 전문회사다. Stanford 대학에서 각각 기계공학 및 컴퓨터 소프트웨어를 전공한 Brian Carlisle과 Brice Shimano, 이 두 사람은 1974~1977년 사이에 세계최초의 Computer Control 로봇으로 알려진 ‘Stanford Arm’을 개발하였으며, 1977~1983년에는 Vicarm을 흡수한 Unimation社에서 최초의 PUMA Robot과 Computer Control에 의한 스폿용접(Spot Welder) 그리고 머신비전 로봇(Machine Vision Robot)을 소개하였다.이후 두 사람은 Unimation社가 Westing House에 인수됨에 따라 독립하여 1983년에 Adept Technology를 창업해 최초의 상업용 Direct Driver Robot, Machine Vision·Conveyor·Robot 일체형 SCARA, 6축 Robot을 상용화하였으며, 2000년에는 순수 단일 로봇회사로는 처음으로 1억불 매출을 달성하였다. 2004년에 Adept社를 떠난 이들은 계속하여 로봇엔지니어의 길을 걷으며 Driver 일체형, Low-cost, High-performance Compact 로봇 컨트롤러 개발사인 Precise Automation社를 세워 차세대 로봇 및 메커니즘 컨트롤러 개발에 전념하고 있으며, 올해부터는 컨트롤러 판매 및 OEM 공급 등 본격적인 사업 확장에 힘쓰고 있다.
PA Controller, 어떤 제품들이 있나
현재 PA社가 공급하고 있는 컨트롤러는 제어가능 축수로는 드라이버 내장형으로 4축, 6축의 표준 컨트롤러로 최대 32축까지 Daisy-chain해서 사용할 수 있으며, 모터용량으로는 24VDC Winding 모터 30W에서 200VDC Winding 모터 3KW 용량까지는 드라이버 내장형으로 제어 가능하다. 드라이버 전류 용량으로는 10A, 20A, 30A로 구분된다.
별도로 외장형 타사 드라이버를 사용할 때, 컨트롤러는 2축에서 6축까지 1대로 제어할 수 있으며, 모터 파워 용량은 무제한이다. 드라이버 전류용량에 따라 G1400, G24XX, G34XX 시리즈와 6축 전용컨트롤러 G26XX 시리즈가 있다.
ㆍG1400A/B 시리즈
본 제품은 드라이버 내장 기본 4축의 가장 소형 표준품으로 10A, 15A Peak Current로 12~48VDC Bus Voltage에 AC Servo Motor 합계 500W까지 제어 가능하며, 수개월 뒤에는 반도체 웨이퍼 핸들링에 필요한 Flipper, Linear Track, 또는 Mapping 등을 추가적인 한 축으로도 가능하게 한 5축 컨트롤러 기능이 출시 예정이다. 87×130×38mm에 200g의 무게를 자랑하는 이 컨트롤러는 스마트폰 크기로 4축 AC Servo Drive까지 포함한 채 Network Communication, Web Interface, 다양한 Kinematics, Vision Guidance 기능까지 갖추고 있어 눈길을 끈다. 또한 400Mhz/700MIPS, Low-power CPU 프로세서에 32M DRAM Memory, 32M Flash Drive에 2개의 Ethernet Port, 2개의 RS-232C 그리고 1개의 RS-485 Multi-drop Serial Comm.을 갖고 있으며, 최대 32축과 Master-Slaver로 단일 12축의 로봇 및 메커니즘 제어를 수행할 수 있다. 주요 사용처로는 다양한 형태의 반도체 웨이퍼의 핸들링 로봇 및 장치의 컨트롤러, Bio/Medical 분야의 소형 메커니즘 제어 등이 있으며, 대부분 로봇 바디 안에 장착된 Controller-inside Robot과 Table-top 소형 델타로봇, 디스펜싱용 Cartesian Robot, 또한 대형 로봇의 핸드부분에 독립적으로 설치되어 메인 드라이버로부터 나가는 케이블의 필요를 없애준다.
ㆍG24XX, G34XX 시리즈
Peak 20A인 G2400 4축 컨트롤러는 PA社의 대표적인 제품이고, Peak 30A는 현재 보유한 제품군에서는 가장 큰 용량의 컨트롤러 시리즈로 적용 로봇 형태 및 용량에 따라 여러 다른 제원의 컨트롤러를 구성할 수 있다. 실제 이들 제품은 드라이브 4축 내장형에 외부 타사 드라이브 4축, 6축의 ±10VDC 16bit DAC(Digital-Analog Converter)를 외부 드라이브에 연결할 수 있어 실제 내장형 4축에 외장형 6축을 한 컨트롤러에서 사용할 수 있게 된다. 즉, 컨트롤러 1세트로 10축 제어가 가능해지는 것이다. Master-Slaver 형태로 다수의 컨트롤러를 연결하여 사용할 때는 G1400 시리즈와 같이 최대 32축, 단일 로봇으로는 12축까지 제어 가능토록 꾸밀 수 있다. 또한 4축 Integrated Motor Amp Drives, 24~320VDC Motor Bus Voltage, LAN 및 RS-232 User Interface, 20 Digital IO(12 Input, 8 Output), 64point로 Max 256까지 Remote IO 확장 옵션, 그리고 위치 센서인터페이스로는 4개의 Differential Digital Encoder Interface, 4개의 사용 가능한 Single-ended 및 Absolute Encoder 지원, 고정밀도 보간을 가진 Analog Incremental Encoder를 지원한다.
사용 가능한 built-in Kinematics로는 16개의 Robot Module이 있으며, 추가 옵션으로는 Conveyor Tracking, Vision Guidance를 단일 S/W Platform, 동일 컨트롤러에서 구현한다. 주요 용도로는 Gantry 로봇 메커니즘, Dual-Arm 및 다축 Wafer Transfer Robot, FPD Glass의 Handling 및 Inspection Robot System, SCARA Robot, 대형 Bio/Medical Robot, 델타 로봇 등이다. 6축 전용 컨트롤러인 G26XX 시리즈는 G2410 컨트롤러를 베이스로 하여 추가 2축 드라이버를 확장한 6축 앰프 내장형으로, 현재는 10A, 20A Peak까지만 적용 가능하다.
컨트롤러 구성, 어떻게 되어 있나
PA Guidance Controller 중 가장 복잡한 구조인 24XX 및 34XX 시리즈 제품의 경우, 본체는 크게 PWR 보드, CPU 보드 및 I/O 보드의 3개 구성품으로 이루어져 있다. 그리고 TP 등의 연결을 위한 Front Panel 부분, I/O 보드 구동을 위한 24VDC 전원, 모터용량 및 대수에 따른 300W 또는 2KW 외부 Power Supplier가 필요하다. MIDS라고 불리는 PWR 보드는 드라이버이며, 다축 지능형 서보(Multi-Axis Intelligence Digital Servo)로 여러 개의 방열판이 이 보드와 가로, 세로로 붙어 있는 형태를 로봇의 타입 및 컨트롤러 내·외벽에 부착하는 방식에 따라 3종류를 선택할 수 있다. 그리고 CPU와 I/O Module이 있는 I/O Interface 보드를 MCIM, 다축 통신 인터페이스 모듈(Multi-axis Communications Interface Module)이 드라이버 보드 위에 자리 잡게 된다. 이 I/O Interface 보드에서 Digital/Analog I/O, Remote I/O 및 추가 컨트롤러의 Daisy-chain, 비전 및 벨트 트래킹을 위한 Camera, Belt Encoder를 관장하게 된다. 우측 그림은 PA 컨트롤러에서 가장 큰 외형인 G34XX 컨트롤러로 4축 로봇 컨트롤러를 별도의 한 개의 Case에 넣어 구성하여 로봇의 바디에 장착한 Amp-In Base 구조의 컨트롤러 국내 실제 사례를 보여준다.
PA 컨트롤러, 어떤 CPU를 사용할까
컨트롤러 CPU로는 과거에 전용 ASIC 및 Chip들을 많이 사용하였으나, Cost-down, 고신뢰성 및 안정성 확보, 그리고 수급의 용이성을 위하여 로봇 컨트롤러 전용이 아닌, 일반 상업용 CPU Chip을 채택하여 앞의 3가지 조건을 충족시켰다. 상용 Chip에서 고객이 원하는 로봇의 기능 및 알고리즘을 실현토록 한 것이 PA의 숨은 실력이라고 할 수 있겠다. 사용 CPU는 프리스케일사의 Embedded PowerPC Microprocessor 제품 ‘MPC-2500’ Chip으로 760MIPS, 400Mhz High Speed 표준폼이며 159Microseconds의 첫 번째 명령실행 기능과 10/100 BaseT EtherNet, USB Master, Serial Peripheral Instruction(SPI) Controller, JTAG(IEEE 1149.1) Port, Common On-chip Process(COP) Debug Port 등의 기능을 가진 상용 CPU 칩을 채택하고 있다. 실제 PA 컨트롤러는 초당 100만 라인 이상의 프로그램을 수행하고 있다.
제어 알고리즘 및 S/W는 어떻게 되어 있을까
PA 컨트롤러는 기본적으로 High-speed 및 Smoother Motion을 갖는 로봇을 지원하는 제어 알고리즘 및 S/W에 중점을 두고 있다. 8KHz의 Close Servo Loop에 1KHz의 Trajectory Manager를 갖고 Path Planning과 Fine Settling Control로 짧고, 고정도 및 델타 모션에서도 아주 부드럽고 빠른 로봇을 구현할 수 있게 한다. PA에서 개발한 Dynamic Feed Forward와 DFF는 PA社의 제어 아키텍처 및 알고리즘을 사용하고자 하는 로봇 메이커에 Controller를 OEM으로 공급하며, 고객사의 새로운 로봇 및 메커니즘에까지 적용 가능하고 부드러운 로봇 모션을 보장할 수 있게 한다.
다양한 서보모터에 사용 가능
대부분의 AC Servo Motor에는 용이하게 적용할 수 있으나, 특히 드라이브 전류를 10A, 20A, 30A 로 관리하고 있으므로 각 Motor의 특성 및 12VDC, 24VDC, 120VDC 및 240VDC 등 어떻게 Winding된 모터에 따라 최대 토크 및 최대 속도를 낼 수 있도록 로봇 디자인 상태에서 최적의 컨트롤러를 선택 또는 사양을 구성할 수 있게 해준다. 모터 용량으로 3KW까지는 내장형 드라이버를 사용할 수 있고, 더 큰 용량의 모터는 PA社의 Control 및 IO 부분만 사용하고 드라이버 앰프는 대형모터에서 제공하는 것을 그대로 쓰면 된다. 모터 메이커별로 보면 국내에서 많이 사용하는 Yaskawa, Panasonic, Tamagawa AC 서보모터를 비롯하여 Bosch, Endat, Nikon A, Maxon 모터 등 Encoder 스펙에 맞추어서 컨트롤 인터페이스를 PA社에서 직접 개발한다. 양팔 조립용 14축, 16축으로 구성된 하나의 로봇 제어뿐만 아니라 대부분의 Cartesian, SCARA, WTR, Delta 및 Gantry Robot 하드웨어 내부에 설치되어 노이즈 및 외란의 요인을 제거하고, 로봇 및 시스템의 Footprint를 최소형화하고 LCD Robot의 경우에도 최소화된 콤팩트 외부 Control Box를 기대할 수 있다.
