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지능형 로봇을 위한 혁신적인 ‘모션 드라이브 시스템’ -맥슨모터 지능형 로봇을 위한 혁신적인 ‘모션 드라이브 시스템’ -맥슨모터 관리자 기자입력 2008-03-26 18:28:57


 

우주로봇, 휴머노이드, 산업용 로봇, 수술용 로봇, 감시로봇 등을 포함하는 지능형 로봇은 각기 다양한 기능과 일정한 모션자유도를 가지고 있다. 또, 휠 구동이나 로봇 팔, 수술용 매니퓰레이터 등은 높은 수준의 정밀도와 원활한 모션 컨트롤을 필요로 한다. 물론, 이를 위한 핵심부품은 ‘모터’이다.



오늘날 세계의 지능형로봇 시장은 무한한 잠재력 속에서 보편적이면서도 유연한 제품과 솔루션을 요구하는데, 이러한 요구를 충족시키기 위해선 최신 기술이 적용된 모션 드라이브 제품 및 시스템이 폭넓고 다양하게 필요하다.


본 내용에서는 맥슨모터의 코어리스 DC 모터 기술과 하이테크 솔루션이 다양한 시장의 각기 다른 수요에 성공적으로 적용된 사례를 바탕으로 기술되었다. <편집자 주>

자료 : 맥슨모터 코리아 www.maxonmotor.co.kr
글 : Eugen Elmiger, maxon motor ag





Ⅰ. 개요

최신의 지능형 로보틱스 분야는 지난 수십 년간 센서의 초소형화 및 컴퓨터 하드웨어 기술에 있어 괄목할 성과들을 올리는 데에 많은 기여를 했다.


드라이브 테크놀로지와 요소 부품들은 반드시 크기와 가격 면에서 복잡한 요구조건들을 충족해야만 한다. 영구자석 소형 DC 모터는 용적대비 최고의 성능을 보여주며, 로보틱스 분야에서 폭 넓게 사용되고 있다.


전자기 모터 토크는 기본적으로 두 가지 자기유동요소에 의해 산출된다. 한 가지는 전류에 의해 여자되는 것이고 다른 하나는 전류 혹은 영구자석에 의한 것이다.

후자에 의해 모터 용적당 더 높은 출력이 생성되는데, 선호되는 모터는 직경 100mm(또는 약 1Kw 출력)의 브러시 DC 모터 혹은 브러시리스 DC 모터, 스테핑 모터와 같은 동기 모터이다. 또한 영구자석에 대한 물리적 수요는 가격적인 측면에 더욱 영향을 받고, 모터가 소형화 될수록 고품질 영구자석 비용 문제는 상대적으로 부차적인 요소가 된다.


그러나 저 마력 모터에 가능한 구조가 반드시 로봇의 드라이브 시스템의 요구조건에 잘 적용되는 것은 아니다.


본 내용은 예시된 로봇 드라이브의 특정 수요와 어떻게 모터를 적용하였는지를 조사한 것이다.
결국, 솔루션은 두 가지 ‘베스트 디자인’으로 귀착된다. 네오디뮴 영구자석 코어리스 DC 모터 혹은 철심이 없는 브러시리스 DC 모터가 그것이다.


Ⅱ. 로보틱스 시스템 예시

지능형로봇은 제조 산업, 우주탐사, 보안기술, 의료과학, 농업과 같은 다양한 전문시장에서 이용되고 있다. 전문적 로봇과 중고 로봇의 수는 점점 늘어나고 있고, 개인 영역에서의 적용이 점점 빠르게 진행되고 있다. 곧 로봇은 우리 일상과 함께할 것이다.


다음은 배터리 구동 시스템에 한정한 적용 사례이다.


가. Mars Rovers

NASA의 화성탐사선 ‘Sprit’과 ‘Opportunity’의 발사 목적은 화성에서의 물의 존재와 생명체가 존재 가능성을 확인하기 위해서이다.


탐사선은 화성의 착륙과정과 특수 환경조건 때문에 매우 까다로운 조건이 요구되고, 39개의 전기모터와 같은 개별 구성요소들은 착륙 시스템, 구동 드라이브, 5자유도를 가진 로봇 팔, 조정장치, 바위연마기, 카메라 이동 등에 사용된다.


모터는 아래의 조건에 최고 수준의 신뢰도를 보증해야 한다.

-온도범위(시험) : -120~85℃
-오토클레이브 열균처리 : 115℃
-대기압력 : 13hPa
-CO2 대기
-진동, 충격

탐사선이 작동하는데 필요한 에너지는 태양전지로 모아 재생배터리에 저장하는데, 한정된 태양복사열로 인해 모든 요소 부품들의 에너지 소비는 적어야 한다. 따라서 고효율의 모터가 사용되었다.


전체 시스템의 무게와 용적 제약으로 드라이브 시스템의 중요한 조건은 가볍고 콤팩트한 구조이다. 이번 프로젝트에서는 다양한 기능을 보증하는 기동 토크와 전체의 복잡성을 줄이기 위해 모터의 편리하고 단순한 제어가 요구되었다.


나. 휴머노이드 로봇

휴머노이드 로봇의 미래는 다양하다. 적용 분야는 가사 도우미, 노인 홈 케어, 재난지역 혹은 원자력발전소와 같은 힘든 작업 환경, 엔터테인먼트 등 다양한 전망이 가능하다. 이미 오늘날 휴머노이드 로봇은 축구를 하고 계단을 걷고 심지어 춤을 출 수도 있다.


휴머노이드 로봇은 20자유도 이상을 요구하는 매우 복잡한 시스템이다. 그 결과 기계의 구동을 위해 수많은 요소들은 가볍고 콤팩트한 구조 또는 체적대비 고토크, 복잡한 제어 네트워크에서 상대적으로 간단한 제어를 필요로 한다.

공간의 소모를 피하기 위해 각 액추에이터의 낮은 전자기적 노이즈에 대해 두텁고 고가의 실드가 필요하다.


동작수명은 여전히 휴머노이드 로봇의 약점이다. 로봇이 배터리를 휴대해야 하기 때문에 크기와 무게가 한정되고 따라서 고효율, 저 에너지를 소비하는 액추에이터가 필요하다.


휴머로이드 로봇은, 특히 팔다리에 빠르고 역동적이고 정밀한 구동을 요한다. 이를 위해 관성이 낮고 가속이 빠르고, 고분해능과 고정밀도, 반복성의 피드백 장치를 갖춘 모터가 필요하다. 그러나 역동성에도 불구하고 드라이브 시스템은 저속에서도 부드러운 구동을 하고 진동을 일으켜서는 안 된다.



다. 가정용 로봇

Karcher의 Robo Cleaner와 같은 가정용 로봇은 앞 장에서 설명한 전문 영역 로봇처럼 드라이브 시스템과 유사한 기술적 요건을 필요로 함은 물론, 고신뢰성, 저에너지 소비, 콤팩트 디자인, 저중량, 낮은 노이즈 등에 추가적으로 조용하고 긴 수명이 요구된다.


그러나 무엇보다도 시장 적정가가 사업성공의 핵심요소이다.
가정용 로봇에서 모터 드라이브 선정은 전체 시스템을 고려한 여러 요소에 영향을 받는다.

스피드, 토크, 가속과 같은 기계적 요소뿐만 아니라 다른 특성도 고려되어야 하며, 특히 로보틱스 분야는 매우 정밀한 위치제어를 요한다. 이때 정밀은 정확한 위치제어뿐만 아니라 저속에서 부드러운 구동, 필요 시 빠른 가속을 의미한다.


또한 모터와 드라이브는 센서와 센서신호와 같은 다른 로봇구성요소와 호환되어야 하므로 드라이브는 전자기적 간섭이 낮아야 하고 진동은 없어야 한다. 제한된 공간에 고성능의 작고 가벼운 모터를 장착하고, 구동 배터리 예에서처럼 모터는 효율이 매우 높고 전력손실은 낮아야 한다.


Ⅲ. 소형모터의 특성


가. 브러시 DC 모터

영구자석 브러시 DC 모터는 저 마력 범위의 구동에서 가장 광범위하게 사용된다. 모터는 연속적인 전압 공급 시 선형의 스피드-토크 곡선이 특징이다.

이 선은 모터 속도가 무부하 시 가장 빠르고 부하가 증가함에 따라 선형적으로 감소함을 보여준다. 높은 시동 토크는 매우 역동적인 구동과 아주 짧은 시간 동안 모터의 과부하를 허용하며, 모터는 스피드-토크 선을 각각 위 혹은 아래로 간단히 변경하는 전압을 높이거나 낮춤으로써 매우 쉽게 제어된다.


DC 모터의 두 가지 기본 구조는 다음과 같다. 회전자 권선을 감싼 적층형 철심 코어와 maxon DC 모터와 같은 코어리스 권선 구조로, 코어리스 구조의 이점은 다음과 같다.

·마그네틱 디텐트 토크(코깅현상)가 없다.


코어리스 DC 모터는 코깅 현상이라 알려진 고정자 자석과 평행하게 배열된 철심 코어가 없다. 그래서 코깅의 영향으로 발생하는 비선형 문제없이 원하는 어떤 위치에서도 쉽게 제어된다. 게다가 코어리스 DC 모터는 특히 저속에서 더욱 부드럽게 구동하고 철심 코어가 있는 전통적인 DC 모터와 비교해 진동이 덜 하다.


·철손이 없다.


코어리스 구조 내에, 철심 코어에서 자기화 하는데 에너지가 불필요하고 와상전류가 발생하지 않는다. 자계는 허공에 고정된다. 이로 인해 90% 이상의 효율을 보여준다. 전형적인 무 부하 전류(모터 손실에 대한 수치)는 약 50mA 이하이고, 이는 일반적인 DC 모터(상당수 100mA) 무부하 전류 값보다 상당히 낮다.


·철심 코어에 포화 효과(Saturation effect)가 없다.


최대허용전류에서 생성된 토크조차 모터 전류에 엄격히 비례한다. 이는 빠른 가속을 가능토록 한다.


·낮은 관성모멘트


질량관성은 회전자가 철심 코어를 적층한 원통과 비교해서 빈 원통에서 본질적으로 더 낮다. 낮은 질량관성은 코어리스 DC 모터가 매우 기동적인 또 다른 원인이다.

·낮은 인덕턴스와 전자기 방출



브러시 모터는 권선에 유도되는 부하 이상으로 브러시와 정류자 사이에 지속적인 접촉으로 인해 브러시 스파크가 생겨난다. 브러시 스파크는 철심 코어 권선의 고 인덕턴스에서 나타나고 정류자와 모터의 수명을 짧게 하는 주요 원인이다.


더욱이 브러시 스파크의 아크와 불꽃은 주로 DC 모터의 전원공급 라인을 통하는 전자기적 노이즈의 근원이다. 코어리스 DC 모터는 브러시 스파크가 휠씬 적고 수명이 길고 전자기 노이즈가 낮다.


·모터의 소형화


코어리스 DC 모터는 자기회로의 더욱 효율적인 설계로 인해 전통적으로 유사한 출력을 내는 모터에 비해 크기가 작다. 철심 코어는 영구 자석으로 대체되었는데, 이는 전통적인 DC 모터에서 평평한 자석의 외관(shell) 혹은 링보다 더욱 소형화되었다.


그 결과로 기하소자의 영향이 더욱 작아지고 자석의 유동은 더욱 높아졌다. 이러한 이점은 어느 정도 동운반부분 사이에 공극이 더 커짐에 의해 희석된다. 그러나 주변 영구자석이 필요치 않기 때문에 더 많은 공간이 확보된다. 따라서 코어리스 DC 모터는 크기 대비 출력이 더욱 높아진다는 것이다.


나. 브러시리스 DC 모터

매우 역동적이고 수명이 긴 DC 모터에 대한 요구로 전자 DC 모터 혹은 EC 모터라고 불리는 브러시리스 DC 모터가 개발되었다. 브러시-정류 시스템은 전자 정류(EC) 시스템으로 대체되었다. 권선은 전자 정류 시스템에 연결하기 위해 고정자 위에 위치한다.

결과적으로 영구 자석은 샤프트와 함께 회전하는데, EC 모터는 사마륨(SmCo) 혹은 네오디퓸(NdFeB)과 같은 고출력의 영구 자석을 사용하여 역동적인 고속 회전을 위한 지름이 작고 균형잡힌 회전을 가능케 한다.


전자 정류 시스템(드라이브 보드)은 정확히 회전 영구자석의 위치에 따라 권선의 상으로 전류를 보낸다. 이로 인해 모든 구동조건에서 최대허용토크가 가능하고 브러시 DC 모터와 유사한 스피드-토크 반응이 만들어졌다. 최근 EC 모터의 수요 증가는 기능의 놀라운 향상과 드라이브 보드의 가격에 기인한다.


DC 모터처럼 철심 없는 권선 구조가 가능하여 코깅 현상이 없고 부드러운 모터 회전과 낮은 전력손실 등 코어리스 DC 모터와 유사한 이점을 그대로 갖는다.


다. 스테핑 모터

저전력으로 위치 제어를 위해서는 스테핑 모터가 자연스러운 선택으로 보인다. 위치가 제어되고 시스템이 잘 설계되었다면 피드백이 필요치 않고, 각 스텝당 전기적 펄스를 줌으로 제어는 상대적으로 간단하다.


그러나 스테핑 모터는 고 정밀도와 역동적인 동작이 필요할 때에는 한계를 가진다. 이 경우, 스텝이 있는 회전은 부드럽지가 않고 불필요한 진동의 원인이 될 수 있다.

추가적인 위치제어 피드백이 없어서 스텝을 잃거나 첫 스텝이 잘못된 방향으로 갈 수도 있다. 역동적인 회전이 필요한 용도에서 스테핑 모터는 가속 시 정확히 동작하기 위해서 크기가 커져야 하며, 배터리 수명이 매우 좋지 않고 불필요하더라도 풀 전류를 계속 흘려주어야 한다.






Ⅳ. 결론

로봇 구동에 대한 운영조건 및 필요요건과 앞에서 언급한 모터와의 조화를 요약해 보면, 다음 사항을 알 수 있다.



·작은 면적, 크기 대비 고출력


최근 영구자석 물질 제조의 소형화와 공정을 통해 DC 모터 크기를 더욱 줄인 동시에 모터 위치를 감지하는 센서 시스템은 전자구조를 이용하고 모터에 통합됨으로써 더욱 소형화 되었다. 따라서 크기 대비 출력의 관점에서 코어리스 DC 모터가 최선의 선택이다.


·저전력 소비


코어리스 DC 모터는 와상전류와 자기손실이 없기 때문에 최고의 출력을 낼 수 있다.

·전자기적 노이즈가 적다


EC 모터와 스테핑 모터 같은 브러시리스 구조는 이 점에서 장점을 가진다. 그러나 펄스 전류의 빠른 변환은 주위 시그널에 영향을 줄 수 있는 모터 전원공급라인에 대해 추가적인 전자기 노이즈의 원인이 되기에 코어리스 DC 모터는 최선의 해결책이다.

브러시의 낮은 전자기적 노이즈는, 예를 들어 캐패시터 장착으로 매우 쉽게 보호될 수 있다.


·저속에서 부드러운 구동


이점은 사인곡선 정류가 되는 EC 모터 혹은 코어리스 DC 모터에서 가장 잘 발휘된다.


·진동과 노이즈가 낮다



철심구조와 스테핑 모터에서 본 것처럼 코어리스 DC 모터와 EC 모터보다 진동이 심하다. EC 모터에서 블록 정류는 사인곡선 정류로 피해야 할 추가 진동의 원인이 된다.


·빠른 가속 능력



맥슨의 모든 DC 모터는 스테핑 모터에 비해 우수하고 특히 크기 면에서 더욱 그러하다. 코어리스 DC 모터의 작은 관성모멘트의 이점은 결국 모터 출력의 관점에서 부하와 회전자의 전체 관성모멘트를 고려할 때 매우 중요한 부분이다.


·간단하고 정확한 제어


코어리스 DC 모터에서 위치 정확성과 제어는 코깅 현상 혹은 스텝 각에 영향을 받지 않는다. 코어리스 DC 모터의 선택은 로봇 시스템에 드라이브를 통합할 때 비용과 노력을 절약하는 결과를 가져다준다.

관리자 기자
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