2006년 9월 정보통신부의 발표자료에 따르면 우리나라 소비자들은 와이브로 및 DMB 등 여러 IT 품목 중 지능형로봇을 가장 사용해보고 싶은 것으로 조사되었다고 한다(지능형로봇 17.5%, 와이브로 14.5%, DMB/DTV 10.6%).
이처럼 현재 네트워크 기반의 지능형로봇은 기존 산업용 로봇에서 지능형 서비스로봇으로 통칭되는 비산업용 로봇에 대한 산업화 및 대중화를 모색하는 단계를 지나 시장초기 단계에 와 있다고 볼 수 있다. 본 내용에서는 그 중심에 있는 지능형로봇의 모터기술과 시장에 대해 살펴보도록 하겠다.ㅣ편집자 주ㅣ
1. 로봇구동 부품
로봇에는 어떤 형태로든 구동시키는 부품들이 들어가도록 되어있는데, 이는 로봇을 단순한 컴퓨터와 분리시키는 아주 중요한 요소이다.
로봇을 구동시키는 기능을 액추에이터(Actuator)라고 하며 이는 크게 전자기적인 기능을 지닌 모터를 이용하는 방법과 공기압력을 이용한 공압으로 나뉜다.
<그림 1>을 보면 한국과학기술원의 기계과 오준호 교수 연구실의 이족보행로봇인 휴보(HUBO)의 관절구조를 볼 수 있으며, 각 관절을 구동시키기 위해서 모터를 사용한다.
또한 최근 각광을 받고 있는 공압 액추에이터를 사용하여 이족보행로봇을 만들기도 한다.
보통 액추에이터 부품들에 있어서 흔히 힘과 유연성은 중요한 성질이며 지능형로봇에 적합한 액추에이터는 특히 이러한 두 가지 성질을 다 만족해야 한다.
유압(Hydraulic)과 형상기억합금(Shape Memory Alloy)만이 모터보다 좋은 성질을 띠는데, 유압의 경우에는 전기적으로 제어가 힘들다는 단점과 크기에 대한 힘을 고려한다면 지능형로봇에 적용하는데 한계가 있다.
또한 형상기억합금은 아직 지능형로봇에 적용하기에는 기술적으로도 경제적 측면에서도 많은 어려움이 있다.
그러므로 로봇을 구동시키는데 적합한 부품으로는 모터와 인간친화적인 인공근육형 공압 액추에이터가 적합하며, 이후 이 두 가지 부품에 대한 기술 등을 서술한 <표 1>은 모터와 공압과 공압근육의 특성을 비교하고 있다.
2. 모터
모터는 앞서 살펴보았듯이 가장 보편적으로 사용되는 액추에이터이다. 지능형로봇은 배터리로 동작하는 응용분야가 대부분이므로, 이를 고려한다면 외경 35mm 미만, 소모전력 100W 미만인 모터가 지능형로봇에 사용될 수 있는 부품이다.
본 내용에서는 대표적으로 사용되는 PMDC 모터 등 4가지 종류의 모터에 대한 원리와 장단점, 그리고 기술 및 특허동향 등에 대해 살펴보았다.
가. PMDC 모터(Permanent-Magnet DC Motor)
지금 현재 가장 많이 사용되고 있는 모터는 영구자석을 이용한 PMDC 모터이다. <그림 2>는 PMDC 모터의 간단한 구조를 보여주고 있으며, Armature와 Commutator 그리고 Field Pole 등으로 가장 기본적인 구성요소를 이룬다.
PMDC 모터의 구동원리는 <그림 3>에서 보이듯 인가된 자기장에 의해서 Conductor가 움직이므로 전압이 EMF(Electro Motive Force)에 반하여 유도되는데 이를 역 EMF라고 한다. 이는 Amature에서 자체적으로 유도된 자기장과 결합하여 한 방향으로 전류를 흘리게 된다. 이러한 일련의 과정을 통해서 PMDC 모터가 동작하게된다.
<그림 4>에서 왼쪽 그림은 PMDC를 나타내고 있으며, 가운데 그림은 원형 쇠구조물 안에 영구자석이 붙어있는 스테이터(Stator)를 보여주고 있으며 오른 쪽 그림은 Commutator가 브러시를 통해서 Amature에 연결되어 있는 모습을 보여주고 있다.
이러한 PMDC의 효율성은 <그림 5>에서 보이듯 Armature에 인가되는 전류에 의해 결정되게 되며 그 관계는 제곱에 반비례한다. 일반적으로 PMDC의 제어에는 널리 알려진 PWM(Pulse Width Modulation) 방식이 사용되며, 이는 전력소모 측면에 있어서 효율적이다.
PMDC 모터의 장단점을 살펴보면 다음과 같이 요약될 수 있다.
① 장점
- 동일 치수의 인덕션 모터와 비교해서 출력이 크고 효율이 좋다.
- 같은 출력인 인덕션 모터와 비교해서 철, 구리의 양을 적게 할 수 있다.
- 속도제어, 정-역전이 용이하여 순시정지가 가능하다.
- 시동 토크가 크다.
- 교류모터와 비교해서 저전압 시방으로 되어, 절연이 간소화 된다.
- BLDC 모터와 비교하여 권선이용률이 높으므로 출력밀도가 높고 토크 맥동이 적다.
- 마이크로 모터는 전지로 구동되므로 핸디타이프 제품에도 사용된다.
② 단점
- 브러시 달린 구조이므로 수명에 한계가 있다.
- 브러시, 정류자에 전기 잡음이 발생해서 라디오, 텔레비전 등에 악영향을 주는 일이 있다.
- 슬로트 붙은 코어에서는 영구자석의 자기 흡인력에 의해 코킹토크가 발생하여 저속이고 매끄러운 회전을 얻기 어렵다(영구자석, 발판 개선으로 감소가 가능).
- 속도제어가 없을 경우, 부하 변동에 대한 회전수 변동이 크다.
PMDC의 기술개발 동향으로는 모터가 소형화, 고성능화, 고 토크화가 요구되고 있기 때문에 PMDC 성능에 막대한 영향을 미치는 브러시와 정류자의 마찰속도 증가로 인한 마모를 줄이기 위한 기술이 많이 개발되고 있다.
토크와 전류가 비례하여 선형제어계의 구성이 가능하고 비교적 간단한 회로로 안정된 제어계 설계가 가능한 PMDC 모터는 구조가 고정자측 구성과 회전자측 구성으로 나눌 수 있으며, 그 구동방식은 트랜지스터에 의한 펄스폭 변조방식이 주류를 이루고 있다.
특허청이 조사한 바에 따르면 일본의 경우 80년대 초반과 90년대 후반에 많은 출원을 보이고 있으며, 한국과 미국은 큰 변동없는 출원(등록) 동향을 보이고 있다.
나. BLDC 모터(Brushless DC Motor)
기존의 DC 서보모터는 구조적으로 정류자와 브러시의 마찰에 의해 발생되는 신뢰성의 저하, 수명단축, 유지보수의 필요성이 대두되어 개선이 요구되었다. 이에 따라 전자소자를 이용한 전자 스위칭 방식의 Brushless DC(BLDC) 모터로 대체되어 가고 있다.
이는 BLDC가 반도체 소자를 이용한 스위칭 방식의 전환으로 내구성이 좋고 고효율과 소형의 특징을 가지고 있기 때문에 BLDC 모터는 90년대 이후로 컴퓨터 산업을 포함한 각종 소형기기의 발달로 그 생산량이 급성장하고 있다.
<그림 6>은 BLDC 모터의 각 부분들을 보여주고 있으며, <그림 4>와 비교해보면 차이가 나는 것을 알 수 있다.
BLDC는 Outer-rotor BLDC와 Inner-rotor BLDC 등 크게 두 가지의 형태로 나뉜다.
Housing 안에 영구자석이 있으며, 여기에 코일이 감겨져 있는 Stator가 안에 들어가 있는 것을 볼 수 있는데, Inner-rotor는 영구자석이 Stator 안에 위치한 것이다.
BLDC 모터의 핵심적인 기술은 PMDC와 달리 전기적으로 전류를 교환시킴으로써 브러시를 없앤 것이다.
이를 위해서 트랜지스터가 사용되며 전류를 역전하기 위해서 로터의 위치를 감지하는 센서가 필요하다. <그림 8>에서는 이러한 전류 역전방법 중 가장 기본적인 3상의 방법을 나타내고 있다.
PMDC 모터의 장단점을 살펴보면 다음과 같이 요약될 수 있다.
① 장점
- 전기적, 기계적 잡음이 적다.
- 신뢰성이 높고 수명이 길다.
- 고속화가 용이하다.
- 기기의 고밀도화에 따른 요청에 용이하게 대응된다.
- 기기의 다기능화에 쉬게 대응된다.
② 단점
- 저관성화에는 제한이 있다.
- 일반적으로 페라이트 자석을 사용하는 경우에는 체적단 토크가 작다. 이 결점을 개선하기 위해 에너지곱이 높은 희토류 자석을 사용하는데 비용이 다소 높아진다.
- 정류기구를 회로화하기 위해 반도체를 필요로 하여 비용이 높아지나 최근의 반도체 기술의 진보에 의해 개선되어가고 있다.
BLDC 모터는 수명이 길고 효율이 높을 뿐만 아니라 변속제어가 용이하다는 특징이 있으며, 이러한 특징 때문에 많은 분야에서 그 수요는 날로 증가하고 있다.
그동안 모터구조는 Outer-rotor 타입에서 Inner-rotor 타입으로 변했으며, 베어링은 볼베어링 2개를 사용하였으나 90년대 이후 진행된 박형화 때문에 ‘메탈+볼로’ 변화하였으나 1997년 박형 볼베어링이 개발되고 고도의 정밀도가 요구되게 되면서 볼베어링 2개로 회귀하고 있다.
제조기술면에서는 분할코어 방식의 제조기법이 나타났으며 한 보고에 따르면 이 방법을 사용할 경우 권선시간을 종래의 원통형 코어보다 1/2~1/4로 단축할 수 있어 코일 점적률이 30~60% 증가한다고 한다.
다. 스테핑 모터
스테핑 모터는 디지털 기기와 조합이 간단하고 회전각도 및 속도 정-역회전, 기동정지 등의 동작이 정확 신속하다는 장점을 가지고 있으며, 고정밀도의 위치제어가 용이하고 저속으로 고토크를 얻을 수 있는 특징이 있어 산업전반에 많이 사용되고 있다.
스테핑 모터는 크게 세 가지로 구별되는데, 먼저 VR형으로 모터에 기어형상의 전자연철을 사용한다. 이는 구조가 복잡하여 비싼 단점이 있다.
또한 PM형으로 모터에 영구자석을 이용한 구조를 갖는 모터로 구조가 간단하고 제작이 용이하기 때문에 가장 다양하게 사용되고, 마지막은 HB형으로 고정도의 스테핑 모터로 개발되어 현재 생산기술의 발달로 가격이 감소함에 따라 그 수요가 늘어나고 있다.
스텝모터는 한 스텝씩 이동할 수 있는 모터로 이는 정지토크 커브로써 스텝모터가 정확한 위치제어가 가능함을 알 수 있다.
다만 정밀도와 효율성 측면에서 BLDC에 미치지 못하지만 간단한 구조와 기술의 발달로 BLDC 모터와 경쟁할 것이라 예상되며, 이를 위해서는 속도제어 측면에서 향상되어야 한다.
스텝모터는 한 스텝씩 이동하는 시스템이므로 기본적으로 개루프(Open-Loop) 제어가 가능하다. 하지만 센서를 통한 폐루프(Close-Loop)의 제어 역시 가능하다. 개루프 방식은 가격이 싼 장점이 폐루프 방식은 정밀도를 향상시키는 장점이 있다.
스테핑 모터는 특성상 위치제어용 모터로써 많은 실용화를 이루고 있는 모터이다.
우선, HB형 스테핑 모터제조의 기술동향을 살펴보면 기본적으로 HB형 스테핑 모터는 스테이터 코어 외경과 프레임의 코어인로부 내경의 치수관리에 의하여 에어갭의 정밀도를 유지해왔기 때문에 갭을 60um 이하로 줄이기 곤란하다.
90년대 들어 스테이터 내경과 베어링 하우징부를 맞물리게 하는 방법이 채택되어 50um 이하의 갭도 가능해졌으며, 고 스텝 정밀화가 가능해진다.
기타 스테이터 폴에 직접 권선하여 점적률을 향상시키기 위한 노력도 있었으나 회사별 노하우로 축적되
고 있어 공개되지 않는다.
한편 PM형 스테핑 모터를 살펴보면, PM형 스테핑 모터를 본격적으로 사용하게 된 것은 70년대 들어서부터이다.
그후 성능은 비약적으로 향상되었으며, 가격은 낮아졌다. 성능향상의 주요 원인으로는 영구자석재료의 에너지적 향상과 요크 동판 재료를 들 수 있다. 초기의 영구자석 재료는 등방성 페라이트였다. 전류자속 밀도가 0.2~0.23T였기 때문에 공극자속밀도는 0.15T로 모터부의 토크는 다소 떨어진다.
이후, 스테핑 모터용 이방성 영구자석의 등장으로 고토크와 고출력화가 이루어지면서 이 형식의 모터의 이용범위가 대폭 확대된다.
요크 동판재료는 자기 특성 외에 프레스 가공에 적합한 기계적 특성이 필요하기 때문에 전자연철판, 아연도금판 등의 저 탄소동판이 사용되고 있다.
