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[전문가 기고] 물류 서비스 로봇의 안전장치 '전자 브레이크(EM Brake)' AGV, AMR, 서비스로봇 등 모바일 로봇의 핵심 이슈 '안전' 정대상 기자입력 2020-11-27 10:05:47

(주)모터114는 일반적인 휠 인 모터와 달리 서보모터를 기반으로 고정밀 제어가 가능한 ZL TECH의 휠 인 모터를 국내 시장에 독점적으로 공급하고 있다. 본지에서는 국내 산업용 AGV 1세대 연구자로서 이 시장에서 활약해온 (주)모터114 기술연구소 전용철 상무의 도움을 받아 물류·서비스 로봇의 핵심 화두 중 하나인 안전기능에 대해 전한다.

 

사진. 로봇기술


1. 브레이크의 역할 

AGV에서 브레이크는 주행 중 정지와 같은 안전 기능을 주요 목적으로 하지만, 이 외에도 감속 정지 후 위치 고정과 화물(Load)의 이송(Transfer) 중 발생하는 진동으로부터 고정된 위치를 유지하기 위한 용도로도 사용된다. 또한 실외 주행을 목적으로 하는 서비스 로봇의 경우 경사에서 밀림을 방지하기 위해서 브레이크가 필요하다. 


전자 브레이크(Electromagnetic Brake)는 코일에 전원을 인가할 때 발생하는 전자력으로 모터의 샤프트를 구속해 모터를 제동 및 유지시키는 장치이며, 다양한 산업군에 알맞은 용도로 세분화된다. 일반적으로 움직이는 기구물을 정지 시 고정하는 용도로 사용되며, 대부분의 전자 브레이크는 모터와 함께 부착되는데, 점진적인 기술의 발달로 소형화된 크기와 안정적인 성능을 실현했다.

 

2. 물류·서비스 로봇의 브레이크 선정

이동 중인 기구를 감속 및 정지시키기 위해 계산이 필요한 저항 토크는 통상 브레이크 토크로 알려져 있는데, 이는 모터의 정격 토크를 고려하고 모터의 특성커브를 반영해 결정된다.

 

전자 브레이크가 장착된 서비스 로봇용 휠 인 모터(사진. 모터114)

 

전자 브레이크 선정 시 브레이크 토크는 그 근거가 되는 데이터이며, 요구되는 성능에 따라서 브레이크 사이즈는 달라질 수 있다. 브레이크 토크를 발생시키는 접촉부는 마찰열로 인한 온도 상승에 주요한 영향을 주는 요소이므로 충분한 강도와 내구성이 요구된다.
접촉부는 크게 금속 재질과 비금속 재질로 나눌 수 있다. 범용으로 사용되는 금속 재질은 강철/주철/청동/분말야금이 있으며, 비금속 재질은 가죽/고무/나무 및 석면이 있다.


휠 인 모터는 대부분 서빙/배달/방역 등 서비스 로봇과 공장 내 물류 AGV에 적용되는데 만약 여러 변수로 인해 기구의 전원이 갑자기 꺼지거나, 외부 환경에 의한 힘이 작용할 수 있는 곳에서 기구물이 정지한다면 사람 혹은 고정된 물체와 충돌할 수 있는 위험이 있다. 따라서 자동차를 주차한 이후 사이드 브레이크를 채우는 것처럼 안전상의 이유로 전자 브레이크가 필요할 수 있다. 


작동원리를 살펴보면, 전자 브레이크는 모터 샤프트를 홀딩해 비상시 기구의 움직임을 제한하는 용도로 사용되며, 전원의 인가 방법에 따라 브레이크의 작동 방법이 두 가지로 나뉘게 된다. 

 

스위스 고객 수출용으로 브레이크 조립이 완료된 ZL TECH 휠 인 모터(사진. 모터114)


첫째는 무여자 타입(Power-OFF)의 무여자 작동형 브레이크로, 정전 시 장착된 스프링의 힘으로 브레이크력을 발생시킨다. 
두 번째는 여자 타입(Power-ON)의 브레이크이며 이는 전원을 인가해 브레이크력을 발생시킨다. 


서비스 로봇과 같은 기구에서는 긴급 제동에 대한 요구로 인해 무여자 작동형 브레이크를 사용하는 것이 보편적이다.
추가로 고려할 사항은 서비스 로봇이 장시간 정지 시, 무여자 브레이크에 전류가 계속 흘러 브레이크와 모터의 과열이 발생할 수 있다는 점이다. 이를 방지하기 위해서는 초기 작동 전압(전류)과 유지 전압(전류)를 구분해 전자 브레이크를 제어하는 알고리즘이 필요하다.

 

3. 업계 동향

작업 효율을 높이고 고령화 문제를 해결하기 위해 로봇 관련 시장이 성장함에 따라, 세계 각국에서는 신사업에 부합하지 않는 법적 규제를 정비하는 모습을 쉽게 찾아볼 수 있다. 풍부한 내수 시장과 정부 주도하에 로봇 산업을 육성하는 중국의 경우, 서비스 로봇 및 AGV는 CCC 인증, CR 인증, GB/T 12643-2013 규정을 통과해야 실질적인 판매가 가능하다. 참고로 중국 CR 인증에서는 서비스 로봇을 퍼스널(Personal) / 홈서비스(Home Service) / 퍼블릭서비스(Public Service) / 스페셜오퍼레이션(Special Operation)으로 분류한다.
유럽과 국내의 경우는 특정한 규정은 없고 일반 기계류의 안전 규정인 국제 표준 IEC 60204-1 규정을 따르고 있다.


또한 기계적 사양에 대한 규제 외에 2020년 10월 발표된 ‘로봇 산업 규제혁신 로드맵’에 따르면 도로교통법 등을 개선해 실내·외 배달 서비스 로봇이 활성화될 수 있도록 관련 제도의 정비가 예고되어 있다. 


이처럼 정부 규제가 다양하게 개선되는 만큼, 안전에 대한 이슈 또한 자유로울 수 없다. 따라서 서비스 로봇에 부착되는 전자 브레이크의 역할은 단순히 기계적 기능 수행 역할을 넘어 정부 규제에 대응하는 역할로 그 중요성이 더욱 강조될 것이다.

 

4. 고신뢰성 제품 선정이 중요하다

전자 브레이크와 관련해 향후 지속적으로 시장이 확대될 것으로 예상되는 응용 분야는 아래 표와 같다,

 


ZL TECH의 브레이크 장착형 휠 인 모터는 실외 배달로봇, 전동 휠체어, 스마트 전동 유모차 등 상대적으로 안전에 대한 요구사항이 엄격한 애플리케이션에 특히 적합하다. ZL TECH의 다양한 라인업과 Customized 사양의 제품은 콤팩트하면서도 높은 신뢰성을 보장하기 때문에 전 세계 주요 업체에 수출되고 있다. 


ZL TECH는 휠 인 모터를 전문적으로 연구하고 개발, 생산하는 기업으로서, 4~16인치까지의 휠 사이즈와 50~500㎏의 가반하중(Payload), 5~80Nm까지의 토크 등 다양한 사양의 표준 제품을 공급한다. 또한 고객사별로 모터의 샤프트 길이, 타이어 경도, 재질, 커넥터 사양 등 커스터마이징을 지원하고 있어 맞춤형 솔루션 구축이 가능하다. 최근에는 2축 제어기와 전 방향 구동용 메카넘휠을 새롭게 출시한 만큼 4차 산업의 핵심인 스마트팩토리의 발전에 발맞춰 그 역할이 더욱 기대된다.  

 

필자소개

(주)모터114 기술연구소 전용철 상무

정대상 기자
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