상세보기

[전문가 기고] 전-방향 구동 플랫폼 구현을 위한 메카넘 휠 인 모터 메카넘 휠의 단점 극복한 메카넘 휠 인 모터 정대상 기자입력 2020-12-24 15:04:41

이동 플랫폼의 전-방향 구동을 가능하게 하는 메카넘 휠은 서비스 로봇, AGV 등 자율주행 로봇 플랫폼을 소형·경량화하고, 협소한 공간에서도 운용할 수 있도록 한다. 기존의 메카넘 휠은 저속/고토크를 실현하기 위해 외부에 유성감속기와 BLDC 모터를 별도로 부착해야 했는데, (주)모터114는 이 같은 기존 메카넘 휠의 단점을 해소할 수 있는 서보모터 기반의 메카넘 휠 인 모터를 제안한다. 

 

ZLTECH社 메카넘 휠 인 서보모터(180㎜/200W/300RPM)(사진. 모터114)

 

1. 메카넘 휠 인 모터, 전-방향 구동 플랫폼 구현 

일반적으로 공장 내 대차의 주행 및 작업공간이 협소하기 때문에 최근에는 제한된 공간에서 최대의 작업 효율성을 확보할 수 있는 AGV 차량이 요구된다. 즉, 유도선(Guidance line)에 제한받지 않고 최소한의 회전 반경으로 전-방향 이동이 가능한 메카넘(Mecanum Wheel) 구동형 AGV에 대한 수요가 높아지고 있다.
메카넘 휠 구동형 AGV는 차량의 회전반경을 최소화함으로써 불필요한 주행(후진 등) 없이 물류 운반 시간을 단축하고, 주행 라인을 최소화해 최적의 공정 효율성을 구현할 수 있다. 
또한 전-방향 구동이 가능한 메카넘 휠은 기존의 휠 조향(Steering) 시스템보다 구성이 단순하며 좁은 공간에서도 자유롭고 유연한 이동이 가능해, 직각 및 사선주행 등 이동에 관한 높은 자유도를 가지므로 다양한 산업 분야에 적용되고 있다, 

 

메카넘 휠의 주요 특징 및 장점
· 조향장치 없이 좌·우 이동 및 회전이 가능해 구조/비용 효율이 높다.
· 주행 반경이 작아 공간 활용과 기동성이 높다. 
· 효율적으로 공정 간 운반/이·적재가 가능해 공정 시간을 단축시킬 수 있다. 
· AGV 플랫폼 내 부품 수를 최소화함으로써 부피 및 중량, 비용을 절감할 수 있다.

 

기존의 메카넘 휠은 저속/고토크를 실현하기 위해 외부에 유성감속기와 BLDC 모터를 장착해야 하므로, 기구 설계 시 공간에 대한 제약을 많이 받는다. 이에 따라 메카넘 휠의 특징과 장점을 유지하면서도 설계 제약을 해소할 수 있는 솔루션이 필요한 상황으로, 본문에서는 메카넘 휠과 모터, 엔코더 및 전자 감속기가 일체형으로 설계된 저속/고토크용 신제품 메카넘 휠 인 서보모터(Mecanum Wheel In Servo Motor)를 제안한다. 
            

2. 메카넘 휠의 역사 및 구조와 작동원리

전-방향 구동 휠은 사용 목적에 따라 여러 가지 형태로 개발되고 있는데, 최초의 옴니 휠(Omni-Wheel)은 1919년 미국의 J. Grabowiecki에 의해 처음으로 만들어졌다. 이는 휠 둘레를 따라 자유롭게 회전시킬 수 있는 작은 롤러들을 배열한 형태인데, 휠 축과 롤러의 축이 수직이 되도록 배열한 것이 특징이다. 


옴니 휠은 좌·우 휠의 모터 회전 방향을 다르게 하면 조향장치 없이도 좌/우 직선 이동이 가능하다. 하지만 옴니 휠은 차량 진행 방향 및 수직 방향의 두 축에 대해서만 이동 가능하다는 단점이 있다.


기존의 옴니 휠의 단점을 보완한 메카넘 휠은 현재까지 가장 활발하게 연구되고 있으며, 메카넘 휠을 장착해 전-방향으로 이동할 수 있는 차량을 ‘메카넘 구동형 전-방향 시스템’이라 일컫는다.


메카넘 휠은 1973년 스웨덴의 Mecanum AB社에서 처음 개발했으며, 미국으로 특허권이 양도된 후 미 해군 항공기의 정비장 내 좁고 복잡한 공간에서 사용할 목적으로 정비용 대차에 적용됐다. 주요 특징으로, 타이어리스 휠(Tireless Wheel)을 기반으로 림(Rim)의 외부에 약 45° 각도의 작은 롤러 휠들을 장착한 구조로서, 각각의 메카넘 휠들은 스티어링 장치가 없는 파워트레인 역할을 하고 있다. 


롤러의 개수나 재질에 따라 효율, 가격, 성능 등에 차이가 있으며 휠의 위치와 구조에 따라 실내용과 실외용으로 구분된다.
롤러의 축은 휠의 축과 대체로 45˚의 일정한 각도를 이루고, 한두 개의 롤러만 지면과 접촉하며, 모터의 회전에 따라 휠의 각속도가 변한다. 


롤러와 휠의 회전축은 수직이 아니기 때문에 주행 시 슬립이 발생하는데, 지면과의 마찰에서 각 롤러는 자유로이 회전하므로 롤러 축에 수직인 방향으로는 힘 벡터가 발생하지 않고 지면에 맞닿은 롤러의 축 방향으로 속도 벡터가 생성된다.


메카넘 휠을 물류 운반용 AGV 구동용으로 사용하기 위해서는 메카넘 휠의 설계 상 구조를 이해해야 한다. 일반적인 AGV 구동용 휠은 연속적인 면 또는 선의 형태로 지면에 접촉해 구동하나, 메카넘 휠은 구동 시 지면과의 불연속 점 접촉이 이루어지는데, 이로 인해 메카넘 휠의 회전동력이 지면과 접촉할 때 슬립(Slip)이 발생해 구동력 손실이 발생하는 구조로서, 주행 시 불규칙한 바닥면 상태에 따라 구동 성능이 저하될 수 있다. 

 

 

Figure1. 4축 메카넘 휠 시스템 AGV의 시스템 구성도

각각 다른 좌·우 메카넘 휠 인 서보모터 2종류를 대각선으로 장착한다.(사진. 모터114)

 

따라서 휠이 지면과 연속적으로 접촉되어, 슬립이 일어나지 않도록 메카넘 휠을 설계해야 하고, 롤러의 설치 각도와 형태 등에 의해 주행 능력이 결정되므로 설계는 물론 생산방식 자체가 복잡하기 때문에 AGV에 적용 시 기술력과 신뢰성이 검증된 제품을 사용해야 한다. 

 

3. 메카넘 휠 AGV 방향 제어 원리 

주행 중 구동 휠이 축에 수직인 속도벡터를 가지는데 비해, 메카넘 휠은 사선 방향의 속도벡터를 가진다. 이러한 메카넘 휠의 특성을 이용해 Figure1과 같은 모양으로 AGV 플랫폼에 메카넘 구동 휠을 설치한다. 휠에서 발생하는 속도 벡터들의 총합은 서로 상쇄되며 AGV의 진행 방향이 결정된다.

 

메카넘 휠 구동 시스템의 정밀한 방향 제어를 위해서는 수직축 방향 이동 및 좌·우 회전 시 기존의 AGV 듀얼모터(Dual Motor) 제어시스템과 동일한 알고리즘으로 모터 구동을 제어하고, 수평축 방향 이동과 사선 방향의 주행과 같은 복합 주행의 경우에는 1개의 자유도(Degree of Freedom)를 추가해 전·후, 좌·우, 제자리 회전(Spin-Turn) 등이 가능하도록 구현할 수 있다.


AGV의 전-방향 구동제어는 Figure2와 같이 각 휠들의 회전-방향의 조합을 통해 가능한데, 이를 위해서는 휠들의 회전-방향을 각각 다르게 해야 하기 때문에, 메카넘 휠을 구동시키는 모터의 개수는 휠의 개수와 동일해야 한다.

 

Figure2. 메카넘 휠 조향 방향별 휠의 방향 제어 로직(사진. 모터114)

 

4. ZLTECH社의 일체형 메카넘 휠 인 모터

Figure3은 ZLTECH社의 7인치 200W 메카넘 휠 인 모터를 AGV 플랫폼에 장착한 모습이다. 
ZLTECH社는 메카넘 휠 인 모터의 구동부 요소(휠+모터+전자감속기+엔코더)를 일체형으로 설계함으로써 기존의 구동시스템 대비 사이즈와 부품 수를 줄이는 동시에 경량화, 단순화해 설치를 용이하게 했다. 이는 곧 AGV 플랫폼 개발 시간의 단축으로 연결된다. 

 

Figure3. ZLTECH社 메카넘 휠 인 모터가 장착된 AGV 플랫폼(사진. 모터114)

 

ZLTECH社는 서비스 로봇 산업에 핵심적인 역할을 하는 고품질 휠 인 모터를 생산하고, 관련 기술을 지원하고 있다. 지속적인 신제품 개발과 제품 성능 개선을 위해 R&D에 많은 투자를 집행 중인 ZLTECH社는 무인 주행로봇 산업의 주요 플레이어와 심도 있는 협력을 통해 서비스 로봇을 보다 친밀하게 만들고, 효율적으로 사용하며, 신뢰성을 높이는데 집중하고 있다. 이러한 노력은 언택트 트렌드와 고령화시대에 로봇에 대한 전반적인 활용 가치를 향상시키기 위해 전개된다. 

 

ZLTECH社 7인치 200W 메카넘 휠 인 모터(LM)의 외관 및 싱글 인터페이스(사진. 모터114)

 

[참고 문헌]
1) 위키피디아 사전
2) (주)모터114 기술자료
3) ZLTECH社 기술자료

 

필자소개

(주)모터114 기술연구소 전용철 상무

 

정대상 기자
관련 뉴스
의견나누기 회원로그인
  • 자동등록방지