이동형 로봇에는 바퀴를 이용한 주행 로봇에서부터 다리를 사용하는 보행 로봇까지 다양한 종류가 포함된다. 그중에서도 바퀴 구동 방식의 이동형 로봇은 기술 성숙도가 높으면서도 로봇의 높은 퍼포먼스와 효율적인 생산 단가를 실현할 수 있다. 이에 (주)모터114 기술연구소 전용철 상무이사는 바퀴 구동 방식의 이동형 로봇이 지니는 특·장점에 대해 소개한다.
메카넘 휠 인 모터와 서스펜션이 장착된 AGV 플랫폼(사진. 모터114)
1. 바퀴가 달린 로봇 구조의 이점
2019년 9월, 유튜브에 2개의 충격적인 동영상이 업로드됐다. 이 영상에서는 두 발로 걷는 휴머노이드 로봇이 몸을 뒤집고, 360° 회전하고, 교대로 달리고, 심지어 체조까지 할 수 있었다. 그야말로 미래지향적이었다. 그러나 구글은 2016년에 이 최고의 로봇 회사를 매각했다. 로봇 산업이 발전하기 시작했는데, 구글은 왜 이 회사를 매각하기로 결정했을까? 구글이 근시안적인건가? 아니다. 이 로봇의 성능은 매우 강력해 보이지만, 이 로봇이 사용한 구동 시스템과 Frame(골격)은 매우 비싸고 수리하기가 어렵다. 그래서 이러한 로봇은 시장에서 받아들여지지 않는다. 높은 비용, 미성숙한 기술, 불안정성과 같은 요소들은 두 발로 걷는 로봇과 네 발로 걷는 로봇의 광범위한 사용을 방해한다. 따라서 보다 비용 효율적이고 신뢰할 수 있는 바퀴 달린 로봇이 로봇 업계의 첫 번째 선택이 될 것이다.
1) 오랜 연구개발 역사와 높은 신뢰도
이동형 로봇의 연구는 1960년대 말에 시작됐고, 세계 최초의 이동형 로봇은 바퀴가 달린 구조를 사용했다. 거의 60년 동안 수천 배의 성능, 품질 개선과 애플리케이션의 발전이 바퀴 구조를 더욱 신뢰할 수 있게 만들었고, 이에 따라 바퀴 달린 구조는 로봇 업계의 첫 번째 선택이 됐다.
2) 속도, 유연성, 정밀도, 효율성 ‘우수’
이륜 이동형 로봇의 구조는 전형적인 로봇 구조이다. 좌우 바퀴의 모터가 동일하고 회전기능도 속도의 차로 구현해 유연성이 뛰어나다. 바퀴의 타이어 구조 때문에 크롤러(무한궤도) 로봇이나 두 발로 걷는 로봇에 비해 스피드 컨트롤의 유연성이 더 높다.
로봇의 일차적인 목표는 높은 인건비를 절감하는 것으로, 이러한 물리적 노동은 가장 먼저 대체될 것이다. 이 경우 고정밀 위치 제어는 휠 로봇의 장점 중 하나이며, 휠 로봇 구조의 빠른 속도와 유연성 또한 생산 효율을 향상시킨다.
3) 저렴한 비용. 용이한 유지관리 및 우수한 적응력
저렴한 비용은 무한궤도 및 두 발로 걷는 구조물에 비해 바퀴가 달린 플랫폼의 가장 큰 장점이다. 단순한 구조로 유지 보수 작업의 어려움을 줄일 수 있으며, 바퀴 구조 로봇은 다양한 도로 형태에 적합하다.
2. 바퀴 달린 로봇의 주요 응용 분야
21세기 이후 인터넷, 빅 데이터, 인공지능으로 대표되는 신기술과 제조업이 빠르게 통합되면서 지능형 제조의 발전이 촉진됐다. 다양한 새로운 로봇 기술과 제품의 출현, 특히 바퀴 달린 로봇의 출현은 새로운 기술 혁명과 산업 변화의 중요한 원동력이 됐고, 이것은 선진 제조업의 발전에 중요한 돌파구를 제공할 뿐만 아니라 사람들의 삶을 향상시키는 데 도움을 준다. 다음은 바퀴 달린 로봇에 대한 주요 응용 분야이다.
1) 음식 배달 로봇(Delivery Service Robot)
사진. ZLTECH / 제공. 모터114
최근 몇 년 동안, 음식 배달 로봇 산업은 국내외에서 빠르게 발전했고, 역사적인 순간에 많은 종류의 음식 배달 로봇이 등장했다. 예를 들어, 유명한 중국 훠궈 레스토랑의 음식 배달 로봇인 하이딜라오는 아우터 로터 휠인 서보모터를 구동 바퀴로 사용한다. 공간이 한정돼 있고 사람들의 흐름이 넓은 레스토랑에서 심플하고 콤팩트한 구조의 아우터 로터 휠인 서보모터는 최고의 선택이었다. 똑똑하고 지능적인 이 음식 배달 로봇은 식당 웨이터들의 인건비 인상 문제를 해결하고, 끝이 없는 음식 배달 로봇은 각각의 음식과 식기류를 요구사항에 따라 정확하게 해당 테이블로 배달해 줄 것이다. 이는 손님의 경험과 Acceptance를 향상시키고 고객의 반품률을 낮추고 있다.
음식 배달 로봇의 간단한 작업 흐름은 다음과 같다. ①손님이 데스크톱 호출기로 웨이터를 부른다. ②로봇은 자동으로 게스트 테이블로 온다. ③손님은 로봇 앞에 있는 PAD로 음식을 주문하고 비용을 지불한다. ④로봇은 제자리로 돌아가 로봇의 수동 준비를 기다린다. ⑤로봇은 지정된 테이블에 자동으로 식사를 배달하고 손님이 요리를 주문하도록 유도한다. ⑥로봇은 제자리로 돌아가 대기한다.
음식 배달 로봇은 국내외 많은 고급 레스토랑에 널리 적용돼 왔으며, 식당 웨이터의 업무를 효과적으로 대체하거나 부분적으로 대체할 수 있어 인간 생활에 큰 편리함을 제공하고 있다.
2) 지능형 검사 로봇(Intelligent Inspection Robot)
사진. ZLTECH / 제공. 모터114
사회가 발전함에 따라 발전소의 자동화 수준은 계속 높아졌고, 무인화의 필요성은 더욱 보편화됐다. 전력 시스템의 핵심으로서, 변전소의 안전성은 사람들의 생산과 삶에 중요한 영향을 미친다. 기존의 검사 방식은 현대 변전소의 개발 목표사양에 부응하지 못했고, 지능형 검사 로봇으로 대체됐다. 전통적인 인력에 의존한 검사와 비교할 때, 그것의 주요 장점은 유연한 작동과 외부 날씨의 영향 및 물리적 제한이 없다는 것이다. 지능형 검사 로봇은 석유, 가스 운송 및 운송 선로 검사와 같은 다른 산업에서도 널리 사용된다.
3) 방역 로봇(Disinfection Robot)
2019년 말, COVID-19가 도래함에 따라 아우터 로터 휠 인 서보모터를 장착한 로봇은 높은 안정성, 완전 자동화 및 정밀도로 소독 및 멸균 작업을 했다. 이 휠 인 서보모터는 구조상 감속기가 없기 때문에 로봇이 작동 중일 때 소음이 없다. 따라서 병원, 도서관 또는 기타 조용한 공공장소에서도 사용할 수 있다. 이는 사람들의 이동 접촉을 줄이고 공중 보건 전염병 예방과 통제를 강화함으로써 전염병 예방 작업에 큰 기여를 하고 있다. 동시에, 그것은 사람들에게 현재와 미래의 전염병 예방 작업을 위한 소독 로봇의 중요성을 깨닫게 한다.
4) AGV/AMR(Autonomous Mobile Robot)
사진. ZLTECH / 제공. 모터114
전체 물류 시스템에 있어 최종 배송의 마지막 연결고리로서, 과부하, 전천후 작업, 지능이라는 장점에 의존하는 자동 배송 로봇은 물류 산업의 ‘마지막 마일(Last Mile)’에 새로운 해결책을 가져올 것이다. 휠 인 서보모터는 수명이 길고 출력 토크가 높으며 변속이 안정적이면서 반응속도 또한 빠르다. 그래서 자동 배송 로봇은 각종 장애물을 쉽게 넘을 수 있고 보행자와 차량, 적신호를 제때 피하며 모든 유통 시의 과제를 완벽하게 수행해 물류산업에 기여를 하고 있다.
한편 AGV는 Automatic Guided Vehicle의 약자이다. 중앙 집중식 기능, 간단한 지상 시스템, 용이한 제어 구조 및 시스템 구성의 장점으로 전자 산업의 기계 가공, 자동차 제조, 항만 화물, 전자 제품 조립, 제지, 발전소, 클린룸 작업장 등 많은 산업에서 널리 사용된다. 속도는 3~10㎞/h에 이를 수 있고 적재 용량은 수 킬로그램에서 수십 톤까지 될 수 있다. AGV 기술은 전자제품과 제어기술의 발달로 발전해 왔으며 응용 분야는 계속 확장되고 있다. 이는 사무실, 식당, 병원, 슈퍼마켓 그리고 다른 장소들에 성공적으로 적용돼 왔다. 그리고 AGV는 인간의 생활수준과 경제 발전에 중요한 기여를 해왔다.
3. 발전하는 바퀴 타입 로봇의 구동 기술
세계 경제의 급속한 발전과 생활수준의 향상으로 노동 비용은 점점 더 높아지고 있고, 로봇에 대한 사람들의 수요와 요구는 증가하고 있다.
기존 바퀴 타입 로봇의 구동 시스템은 일반적으로 ‘BLDC모터+홀 센서(Hall Sensor)+감속기+휠’의 구조를 사용한다. 이러한 구조는 비교적 복잡하고 효율은 낮으며 매우 좁은 토크 속도 범위 내에서만 구동력을 얻을 수 있다. 따라서 이 구조의 적용은 공간 활용 측면에서 제한적이다.
휠 인 허브 서보모터는 구조물을 유연하게 설계할 수 있는 장점이 있다. 이는 기존 로봇 드라이브 시스템에서는 하지 못했던 기능인데, 속도, 부하, 위치 정확도, 가속도 및 감속과 같은 로봇 애플리케이션의 요구에 따라 아우터 로터 휠 인 서보모터는 극수, 권선 방법, 고정자 크기, 로터 크기, 영구자석화, 공극 두께, 인코더 및 기타 매개 변수를 조정함으로써 최적으로 설계할 수 있다.
이러한 구조의 서보모터는 높은 토크, 우수한 안정성, 고효율, 콤팩트 구조 및 구동 시 감속기 노이즈 없음과 같은 많은 장점을 가지고 있으며, 이처럼 여러 가지 면에서 기존의 ‘서보모터+감속기’ 모드를 대체하고 로봇 구동 시스템의 핵심 구성 요소 중 하나가 되고 있다. 이에 따라 휠 인 서보모터의 장점은 특히 식당, 병원, 물류 및 슈퍼마켓과 같은 서비스 산업에 우수하게 적용되고 있다.
4. 휠 인 모터의 진화 ‘메카넘 휠 인 모터’
최근 좁은 공간에서 활약하는 이동형 로봇에 효율적으로 적용되는 사례가 많아지고 있는 메카넘 휠 인 모터에 대해 소개하고자 한다.
1) 메카넘 휠 수요의 증가
일반적인 공장 환경에서 주행 대차를 운용할 경우 작업 공간이 협소해지는 문제점이 있어 최근에는 제한된 공간에서 최대의 작업 효율성을 확보할 수 있는 AGV 차량이 요구된다. 즉, 유도선(Guidance line)에 제한을 받지 않고 최소한의 회전 반경으로 전방향 이동이 가능한 메카넘 휠(Mecanum Wheel) 구동형 AGV에 대한 수요가 높아지고 있다.
메카넘 휠 구동형 AGV는 차량의 회전반경을 최소화함으로써 불필요한 주행(후진, 차체 회전 등) 없이 물류 운반 시간을 단축하고, 주행 라인을 최소화해 최적의 공정 효율성을 구현할 수 있다.
또한 전방향 구동이 가능한 메카넘 휠은 기존의 휠 조향(Steering) 시스템보다 구성이 단순하고, 좁은 공간에서도 자유롭고 유연한 이동이 가능하며, 직각 및 사선주행 등 이동에 관한 높은 자유도를 가지기 때문에 다양한 산업 분야에 적용되고 있다.
| 메카넘 휠의 주요 특징 및 장점 • 조향장치 없이 좌우이동 및 회전이 가능해 구조/비용이 효율적이다. • 주행 반경이 작아 공간 활용과 기동성이 높다. • 효율적으로 공정 간 운반/이적재 시간을 단축시킬 수 있다. • AGV 플랫폼 내 부품 수를 최소화할 수 있어 부피와 중량을 줄이고 제작 비용도 절감할 수 있다. • 물류창고, 좁은 공장 내 물류, 경비, 의료 분야 등에 적합하다. |
2) 메카넘 휠 인 모터(Mecanum Wheel In Motor)
휠 인 모터가 진화된 전방향 구동이 가능한 메카넘 휠 인 모터는 일반 메카넘 휠 대비 차별화된 특징을 지니고 있다.
기존의 메카넘 흴은 저속/고토크를 만들기 위해 외부에 유성감속기와 BLDC모터, 그리고 휠을 제작해 장착해야하므로, 기구 설계 시 공간에 대한 제약을 많이 받는다. 따라서 이에 대한 솔루션으로 메카넘 휠과 모터, 엔코더 및 전자 감속기가 일체형으로 설계된 저속/고토크용 신제품 메카넘 휠 인 서보모터가 주목을 받고 있다.
ZLTECH 메카넘 휠 인 서보모터와 서스펜션(180㎜/200W/엔코더) (사진. 모터114)
메카넘 휠 AGV의 방향 제어 원리를 살펴보면, 롤러의 축은 휠의 축과 일정한 각도(대체로 45˚)로 배열되며 한두 개의 롤러만 지면과 접촉하고, 모터의 회전에 따라 휠의 각속도가 변경된다.
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 속도벡터가 생성된다.
주행 중 구동 휠이 축에 수직인 속도벡터를 가지는 데 비해 메카넘 휠은 사선 방향의 속도벡터를 가진다. 이러한 메카넘 휠의 특성을 이용해 아래과 같은 모양으로 AGV 플랫폼에 메카넘 구동 휠을 설치함으로써, 휠에서 발생하는 속도벡터들의 총합은 서로 상쇄되며 진행 방향이 결정된다.
메카넘 휠 속도벡터 방향(사진. 모터114)
메카넘 휠을 물류 운반용 AGV 구동에 사용하기 위해서는 메카넘 휠의 설계상의 구조를 이해해야 한다. 일반적인 AGV 구동용 휠은 연속적인 면 또는 선의 형태로 지면에 접촉돼 구동하나, 메카넘 휠은 구동 시 지면과의 불연속 점 접촉이 이루어진다. 이로 인해 메카넘 휠의 회전동력은 지면과 접촉 시 슬립(Slip)이 발생해 구동력 손실이 발생하는 구조로서, 주행 시 불규칙한 바닥면 상태에 따라 구동 성능이 저하될 수 있다.
따라서 휠이 지면과 연속적으로 접촉해 슬립이 일어나지 않도록 메카넘 휠을 설계해야 하고, 롤러의 설치 각도와 형태 등에 의해 주행 능력이 결정되므로 설계뿐만 아니라 생산방식 자체가 복잡하기 때문에 AGV에 적용 시 기술력과 신뢰성이 검증된 제품을 사용해야 한다.
필자
(주)모터114 기술연구소 전용철 상무
