열악한 환경에서 중공업 장비를 정밀하고 안정적으로 제어하는 방법

건설, 산업, 로봇, 해양, 항공 중장비 부문의 설계자는 더 많은 기능을 추가하는 동시에 가볍고 콤팩트한 제어 시스템을 사용하여 섬세한 작동과 움직임을 더욱 정밀하게 제어할 수 있는 방법을 모색하고 있습니다. 또한 이러한 목표는 물리적 그리고 전기적으로 까다롭고 혹독한 환경에서도 달성될 수 있어야 합니다.

이러한 요구 사항을 충족하기 위해 설계자는 사용자 인터페이스가 정확한 제어에 필요한 수준의 정밀도, 방향 유연성 및 촉각 피드백을 제공하는 동시에 극한의 온도와 사용 주기에 걸쳐 견고성과 신뢰성을 유지할 수 있도록 해야 합니다.

터치스크린도 나름의 장점이 있지만, 필요한 촉각 피드백과 견고성이 떨어집니다. 또한 기존의 X/Y 조이스틱은 부피가 너무 크고 최대 방향 제어에 필요한 신호 옵션과 축 수가 부족한 편입니다. 대신 설계자는 견고한 폼 팩터에서 보다 정교한 제어를 제공할 수 있는 저높이 조이스틱 또는 썸스틱을 사용할 수 있습니다. 이러한 장치는 사용자의 엄지 또는 손가락으로 작동하며, 크기가 작아 비좁은 공간에서도 여러 입력에 쉽게 액세스할 수 있습니다.

이 기사에서는 현대 산업 및 기타 중장비에 고정밀 제어가 필요한 이유와 저높이 썸스틱이 관련 문제를 해결하는 방법에 대해 간략하게 설명합니다. 그런 다음 센서 선택, 견고화, 물리적 및 전기적 설계 옵션 등 주요 설계 및 구현 기준을 검토합니다. APEM Inc.의 실제 저높이 썸스틱이 예시로 사용됩니다.

더 정교한 장비일수록 더 정밀한 제어 필요

작업장에서의 요구 사항이 복잡해지고 첨단 기술 채택이 증가하는 두 가지 주요 트렌드로 인해 더 나은 작업자 제어에 대한 필요성이 가속화되었습니다. 이러한 추세로 인해 더 정밀한 제어뿐만 아니라 더 많은 이동 축을 가진 복잡한 제어에 대한 필요성이 커지고 있습니다.

이 점을 설명하기 위해 컨테이너 선의 선적과 하적을 위한 해상 갠트리 크레인을 생각해 보겠습니다. 선박의 대형화로 인해 크레인은 항만에서 허용되는 시간을 최대한 맞추기 위해 신속한 작동이 요구됩니다(수익에 직접적인 영향을 미침). 동시에 더 엄격한 규제로 인해 안전과 환경 영향에 대한 개선도 필요합니다.

전체 항만 환경도 변화하고 있습니다. 항만의 선박, 기차, 트럭 및 기타 장비에는 모두 고정밀 조정의 필요성을 증가시키는 기술이 추가되었습니다. 예를 들어, 항만에서 화물을 운송하는 데 무인 운반차(AGV)가 사용되고 있으며, 이러한 AGV는 화물을 정밀하게 배치해야 합니다.

이러한 모든 요소를 처리하기 위해 크레인은 유압식 작동에서 전기식 작동으로 전환하고 있습니다. 이렇게 하면 속도와 정밀도가 향상될 뿐만 아니라 수평, 수직, 회전 이동을 보다 복잡하게 조합할 수 있어 다용도로 활용할 수 있습니다.

장비 기능에 맞는 작업자 제어 기능 필요

점점 더 정교해지는 장비를 제어하려면 작업자는 그에 맞는 성능의 제어 기능이 필요하며, 그러한 기능은 정확하고 안정적이며 사용이 용이해야 합니다.

터치스크린이 그러한 옵션 중 하나입니다. 터치스크린은 사용하기 쉽고 여러 개의 동시 입력을 쉽게 수용할 수 있습니다. 하지만 동시에 민감하기도 하고 실수로 터치할 위험도 높습니다. 먼지, 습기, 극심한 온도로 인해 오작동이 발생할 수 있으며, 화면은 물리적 손상과 전자기 간섭에 취약합니다. 무엇보다도 촉각 피드백이 제공되지 않아 무거운 장비를 헤드업으로 조작하는 데 적합하지 않습니다.

조이스틱은 이러한 문제를 상당 부분 해결합니다. 조이스틱을 암레스트 콘솔이나 벨리 박스에 장착하면 편안하고 인체공학적으로 입력할 수 있습니다. 설계를 적절히 하면 열악한 환경 조건에서도 견딜 수 있으며 작업자에게 물리적 피드백을 제공하여 작업 공간에 시각적 집중을 유지할 수도 있습니다.

하지만 기존 조이스틱은 비좁은 환경에서 공간을 많이 차지할 수 있으며, 돌출되어 있어 의도하지 않은 조작에 취약할 수 있습니다. 공간이 충분하더라도 조이스틱은 조작자가 상대적으로 큰 동작을 해야 하기 때문에 정밀도에 한계가 있습니다.

썸스틱을 사용하면 조이스틱의 크기가 관리하기 쉬운 크기로 줄어들기 때문에 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. 엄지 또는 손가락으로 작동하는 저높이 장치이므로 실수로 조작할 위험이 최소화됩니다. 정확하고 부드러운 입력이 가능하며, 작업자는 한 번에 양 손 엄지로 쉽게 조작할 수 있어 여러 개의 입력 문제를 해결할 수 있습니다

저높이 조이스틱은 특히 벨리 박스나 핸드헬드 장치와 같은 휴대용 컨트롤러에 적합하나 공간이 제한된 모든 애플리케이션에서도 소형이라는 장점을 누릴 수 있습니다.

올바른 센서 선택

물론 모든 썸스틱이 똑같이 만들어지는 것은 아닙니다. 우선, 전위차계(저항식), 유도식, 광전식, 홀 효과(자기식) 등 다양한 위치 센서를 사용할 수 있으며, 이러한 각 옵션에는 고유한 장단점이 있습니다.

• 전위차 센서는 간단하고 저렴하지만 수명이 제한적이며
• 유도성 센서는 더 안정적이지만 온도 변화와 전자파 간섭(EMI)에 민감합니다.
• 광전 센서는 정밀하지만 먼지, 습기, 물리적 손상에 취약하고
• 홀 효과 센서는 정확하고 내구성이 뛰어나지만 강한 자기장의 영향을 받을 수 있습니다.

이러한 모든 장단점을 고려할 때, 홀 효과 센서는 열악한 환경에서 고정밀 감지를 위한 탁월한 선택인 경우가 많습니다. 홀 효과 센서는 표준 3.3V 또는 5V 직류(DC)에서 작동하고 견고한 기계 장치와 함께 구현되어 1,000만 사이클의 예상 수명을 견딜 수 있는 장치입니다.

홀 효과 센서는 두 전극 사이에 얇은 전도성 물질 스트립을 배치합니다(그림 1). 스트립에 전류(I)가 흐르고 여기에 수직으로 자기장(B)이 가해지면 스트립에 전압 차이(U_H)가 발생합니다. 이 전압 차이를 홀 전압이라고 하며, 홀 전압은 자기장의 세기와 방향에 비례합니다.

그림 1: 전도성 스트립에 전류(I)가 흐르고 자속 밀도(B)가 스트립에 수직으로 배치될 때 홀 전압(U_H)이 생성됩니다. (이미지 출처: Wikipedia)

산업용 조이스틱 애플리케이션에서 다른 유형의 센서와 비교할 때 홀 효과 센서의 장점은 다음과 같습니다.

• 비접촉식이며 시간이 지나도 마모되지 않습니다.
• 먼지, 오물, 습기 및 진동에 영향을 받지 않습니다.
• 높은 정확도와 분해능으로 선형 및 각도 변위를 측정할 수 있습니다.
• 광범위한 온도와 전압에서 작동할 수 있습니다.
• 디지털 전자 장치 및 마이크로 컨트롤러와 쉽게 통합할 수 있습니다.

홀 효과 센서는 위치와 각도를 모두 감지할 수 있어 특히 유용합니다. 따라서 X/Y 컨트롤뿐만 아니라 Z축 중앙 탭이 있는 조이스틱과 같은 다축 컨트롤에 적합합니다.

하지만 센서는 고려해야 할 여러 가지 설계 파라미터 중 하나에 불과합니다. 홀 효과 썸스틱을 성공적으로 구현하려면 여러 가지 물리적 및 전기적 파라미터를 신중하게 고려해야 합니다.

제어 패널에 썸스틱 배치

썸스틱을 제어 패널과 같이 보호된 고정된 위치에 장착할 수 있는 경우도 있습니다. 하지만 작업자가 작업에 가까이 있어야 하는 경우가 많기 때문에 콘솔, 차량 팔걸이, 펜던트, 벨리 박스 등 쉽게 악용될 수 있는 위치로 옵션이 제한되는 경우가 많습니다.

썸스틱을 핸드헬드 인클로저에서 사용하는 경우 낙하로 인한 손상을 방지하기 위해 주의를 기울여야 합니다. 인클로저의 가장 가벼운 끝에 장착하여 바닥에 먼저 닿지 않도록 하거나 가드로 보호하는 등의 기본적인 예방 조치를 취해야 장기적인 안정성을 확보할 수 있습니다.

차량의 경우 위험 상황이 또 다릅니다. 피칭 선박이나 차량에 탑재된 컨트롤은 잘못 조작할 경우 손잡이 역할을 할 수 있으므로 엄지를 가능한 최소 높이로 유지하여 잠재적으로 위험한 조작 사고를 방지하는 것이 중요합니다.

이러한 상황에서는 썸스틱이 패널 표면 위로 약 50밀리미터(2인치(mm)) 이상 뻗어서는 안 됩니다. 또한 엄지와 패널의 다른 컨트롤 사이에는 충분한 간격이 있어야 하며, 작업자가 부피가 큰 장갑을 착용할 경우 추가 공간이 확보되어야 합니다.

저높이 조이스틱의 견고성 강화

산업용 조이스틱은 낙하 또는 직사광선에 노출되는 경우가 많으므로 이러한 장치는 최소 IP66 등급을 받아야 합니다. 이는 조이스틱이 움직일 때 확장 및 축소할 수 있는 유연한 부츠와 같은 복잡한 각반을 통해 달성할 수 있습니다(그림 2).

조이스틱은 잘라낸 패널에 넣거나 후면에 장착할 수 있습니다. 두 경우 모두 조이스틱의 이 부분은 각반으로 보호되지 않으므로 패널 밑면에 물 분사, 과도한 습도 또는 먼지가 닿지 않아야 합니다.

그림 2: 저높이 썸스틱의 드롭인 장착(왼쪽)은 베젤과 접시머리형 나사를 사용하며, 후면 장착(오른쪽)은 기계 나사와 함께 제공되는 너트를 사용하지만 베젤은 사용하지 않습니다. 복잡한 각반은 IP66 보호 기능을 제공합니다. (이미지 출처: 작성자, APEM 자료에서 발췌)

내구성을 극대화하려면 설계자는 스테인리스 스틸 샤프트와 비슷한 강도의 금속 짐블, 기본 메커니즘 및 리미터가 있는 장치를 찾아야 합니다. 앞서 언급한 바와 같이 핸드헬드 장치의 경우 떨어뜨리기 쉬우므로 조이스틱이 1미터(m) 자유 낙하를 견딜 수 있는지 테스트해야 합니다. 또한 설계자는 해당 IEC 표준에 따라 진동, 전자기 호환성(EMC) 및 정전기 방전(ESD) 보호에 대한 적절한 등급을 확인해야 합니다.

극한의 온도에 대한 내성도 거친 환경에서는 매우 중요합니다. 예를 들어, APEM의 XS 계열 저높이 조이스틱은 -30°C ~ +85°C의 작동 온도와 -40°C ~ +110°C의 보관 온도에 대한 등급을 받았습니다.

마지막으로, 안전이 중요한 애플리케이션에서 썸스틱을 사용해야 하는 경우(자주 발생하는 경우) SIL(안전 무결성 수준) 등급이 SIL2 이상인지 확인합니다.

인간 사용성 요소 설계 고려 사항

조이스틱에 적합한 소재와 인체공학적 디자인을 선택하면 사용성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 설계자는 컨트롤러가 젖거나 더러워질 수 있고 조작자가 무거운 장갑을 끼고 있을 수 있다는 점을 염두에 두어야 합니다. 따라서 조이스틱 캡의 표면은 내구성이 뛰어나면서도 쉽게 잡을 수 있어야 하므로 나일론과 같은 소재를 사용해야 합니다.

그림 3에서 보이는 바와 같이 다양한 시나리오에 맞는 다양한 조이스틱 캡을 사용할 수 있습니다. 예를 들어 APEM의 XS140SCA12A62000 핑거팁 조이스틱에는 캐슬 캡이 장착되어 있습니다(왼쪽). 이 캡을 사용하면 작업자가 주 X축과 Y축을 더 쉽게 느낄 수 있어 직선 궤도를 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 반대로 XS140SDM12A62000은 임의의 동작에 적합한 핑거팁 캡을 사용합니다.

그림 3: XS140SCA12A62000(왼쪽)에 제공되는 캐슬 탑과 XS140SDM12A62000(오른쪽)에 제공되는 플랫 캡은 각각 선형 및 임의 모션에 적합합니다. (이미지 출처: 작성자, APEM 자료에서 발췌)

조이스틱에는 가이드 필이 있는 조이스틱도 장착할 수 있습니다. 이러한 조이스틱은 주축을 향해 더 쉽게 움직이며, 이 축에서 멀어지려면 더 많은 힘이 필요합니다. 마찬가지로 조이스틱에는 조이스틱의 전체 저항을 증가시키는 센터링 포스를 장착할 수 있습니다. 예를 들어, APEM XS 시리즈 저높이 조이스틱은 1N(뉴턴)의 가벼운 힘 또는 2.5N의 강한 힘으로 중앙에 스프링을 장착할 수 있습니다.

마지막으로 조이스틱은 중앙 위치와 관련된 다양한 기능으로 구성할 수 있습니다.

• 중앙 탭 기능을 추가하면 조이스틱을 버튼처럼 사용할 수 있어 제어판을 단순화하고 더 복잡한 작업을 수행할 수 있습니다.
• 또는 중앙 탭을 전압 테스트에 사용하여 전원 공급 장치가 제대로 작동하는지 확인할 수 있습니다.
• 활성/비활성 상태 표시기가 필요한 애플리케이션의 경우 중앙 감지 기능으로 조이스틱의 사용 여부를 확인할 수 있습니다(이 기능은 안전 또는 보안 목적으로 사용해서는 안 됨).

이러한 옵션은 상호 배타적이지 않습니다. 조이스틱에 어떤 기능을 구현하기에 가장 적합한지, 다른 컨트롤에 매핑할 수 있는 다른 기능은 무엇인지 파악하는 것이 중요합니다.

전기 설계 고려 사항

안정성을 극대화하려면 홀 효과 센서가 중복된 조이스틱을 선택하세요. 또한 전원 공급 장치를 신중하게 조절해야 합니다. 전원 공급 장치가 지정된 허용 오차를 벗어나 변경되면 센서에 영구적인 손상이 발생하여 이중화의 이점이 무의미해질 수 있습니다.

조이스틱의 전압 출력도 신중한 설계가 필요합니다. 첫 번째 단계로 출력 신호 유형(예: 아날로그 또는 펄스 폭 변조(PWM))을 선택하고 이러한 신호를 읽을 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)의 예상 입력과 일치하도록 전압을 조정해야 합니다. 그림 4는 이러한 가능한 출력 전압의 예를 보여줍니다. 출력 임피던스도 고려해야 합니다. 낮은 부하 저항(예: 10kΩ 미만)은 센서를 손상시킬 수 있는 고전류의 위험을 초래합니다.

그림 4: 다축 조이스틱의 경우 두 출력 전압(X/Y)의 크기를 MCU 입력과 일치하도록 조정해야 합니다. (이미지 출처: APEM)

앞서 언급한 바와 같이 홀 효과 센서는 자기 간섭에 취약합니다. 따라서 잘 설계된 조이스틱에는 내부 자기 차폐 기능이 통합되어 있습니다. 전원 공급 장치를 적절히 분리하고 적절한 EMC 차폐를 사용하도록 주의를 기울여야 합니다. 이러한 조치를 취했더라도 조이스틱을 강한 자기장 근처에 설치하거나 작동해서는 안 됩니다.

결론

산업용 장비가 점점 더 복잡해짐에 따라 설계자는 사용자 인터페이스가 정확한 제어에 필요한 수준의 정밀도, 방향 유연성, 촉각 피드백을 제공하는 동시에 극한 온도와 사용 주기 동안 견고하고 신뢰할 수 있는 강력한 제어 기능을 제공할 수 있도록 설계해야 합니다. 위에서 살펴본 바와 같이 저높이 조이스틱은 훌륭한 솔루션이 될 수 있습니다. 위치 센서, IP 등급, 전자파 차단, 사람의 사용 편의성을 적절히 고려하고 세심한 설계 구현을 통해 이러한 썸스틱은 다양한 애플리케이션에 많은 이점을 제공할 수 있습니다.