물류 로봇에 필수적인 ‘감속기’ 정밀 제어부터 고하중 대응까지 실현한다!
물류창고 및 유통센터(DC) 운영자들은 비즈니스와 기술적 과제를 해결하고 새로운 비즈니스 기회를 창출하기 위해 로봇 자동화를 적극 도입하고 있다. 이는 로봇 솔루션 공급업체에 많은 기회를 제공하지만, 이는 개발 중인 시스템이 엄격한 기능적·운영적 요구사항을 충족할 때만 가능한 일이다. 이때 핵심 역할을 하는 것이 바로 모션 제어 기술 이며, 특히 감속기 시스템은 고도화된 로봇 기능을 실현하는 데 필수적인 요소로 꼽힌다.
‘로봇 창고 자동화’, 지금이 가장 뜨겁다
현재 창고 자동화를 위한 로봇 솔루션 시장은 그 어느 때보다 활기를 띠고 있다. 오랜 업력을 지닌 대형 로봇 기업부터 스타트업에 이르기까지, 다양한 기업들이 물류창고 및 유통센터(DC) 운영을 지원하는 맞춤형 제품과 서비스를 선보이고 있다.
국제로봇연맹(IFR)에 따르면, 최신 통계가 집계된 2023년 기준 으로 판매된 서비스 로봇 중 절반 이상이 물류창고와 유통센터의 작업을 지원하기 위해 설계된 것으로 나타났다. 서비스 로봇은 제조 환경 외부에서 사용되는 상업용 시스템을 의미한다. 이들 시스 템의 판매량은 2023년 한 해 동안 전년 대비 35% 증가해 약 11만 3000대에 달했으며, 이 중 8만 대 이상이 이동형 로봇이었다. 로봇 제조업체와 함께 감속기 솔루션과 같은 핵심 기술을 보유한 기업에 대한 민간 투자도 최근 몇 년 새 눈에 띄게 증가하고 있다.
특히 10년 전과 비교하면 그 규모는 훨씬 크다. 2024년 9월까지 18개월 동안 로봇 솔루션 공급업체에 유입된 자금은 약 276억 달러에 이르며(그림1 참조), 월평균 투자액은 약 13억 달러에 달한 다. 이 수치는 현재 상승 추세에 있다. 이 276억 달러의 투자는 총 1017건의 개별 펀딩 라운드를 통해 이루어졌으며, 이 중 약 20% 는 창고 및 DC 운영자를 주요 고객으로 삼는 기업에 집중됐다.
<그림1> 2023년 1월~2024년 9월 전 세계 로봇 분야 투자 현황
창고 및 DC 운영을 위한 로보틱스 솔루션
기업의 물류 및 공급망 부서는 창고 운영의 효율성을 높이기 위해 다양한 로봇 및 자동화 기술을 적극 도입하고 있다. 이 중 가장큰 효과를 보이고 있는 세 가지 주요 로봇 자동화 기술은 △다관절 로봇 및 협동로봇 △자동 유도 운반차(AGV) 및 자율이동로봇 (AMR) △자동 저장 및 검색 시스템(AS/RS)이다.
다관절 로봇(Articulated Robots): 다관절 로봇은 사람의 팔처럼 여러 개의 관절을 활용해 유연한 동작을 구현할 수 있는 것이 특징이다. 이들은 특히 힘과 정밀성, 유연성이 동시에 요구되는 작업에 적합하며, 창고에서는 주로 팔레타이징 및 디팔 레타이징 작업에 활용된다.
협동로봇(Cobots): 협동로봇은 사람과 가까운 거리에서 안전하게 작업할 수 있도록 설계된 다관절 로봇 시스템으로, 별도의 안전 울타리나 케이지 없이도 운영이 가능하다. 도입 초기부터 큰 성공을 거둔 협동로봇은 현재 창고 및 유통센터에서 사람과 협업하며 선반이나 컨테이너, 팔레트에서 물품을 자동으로 집어 올리고, 이를 지정된 위치로 옮기는 작업을 수행한다. 비전 시스템, 센서, 그리퍼(gripper) 등을 활용해 자율적으로 동작하며, 포장 작업에도 널리 활용된다. 물품을 상자에 넣고, 밀봉 및 라벨을 부착해 출하 준비까지 수행하는 것이 대표적인 예다.
▲ 협동로봇, AGV, AMR 등 주요 자동화 로봇의 핵심 구성요소인 감속 기. GAM의 GPL 유성 감속기는 수명 내내 0.1 arcmin의 백래시를 유지하며, 진동 없는 부드러운 경로 제어를 통해 정밀한 로봇 모션 제어를 가능하게 한다.
자동 유도 운반차(AGV): AGV는 창고 및 유통센터는 물론, 제조 환경에서도 널리 활용되는 대표적인 이동형 로봇이다. 자기 테이프, RFID 태그, 광학 스트립, 레이저 등 다양한 유도 방식 을 사용해 사전에 설정된 경로를 따라 자동으로 움직이며, 지정된 위치로 물품을 운반한다.
자율이동로봇(AMR): AMR은 작업 공간 내에서 스스로 이동 경로를 인식하고 자율적으로 주행 한다. 이를 위해 AMR은 LiDAR(2D 또는 3D), 카메라 시스템(역시 2D 또는 3D), 그리고 다양한 근접 센서를 포함한 복합 센싱 기술을 활용한다. 대부분의 AMR은 여러 유형의 센서를 조합해 더욱 정밀하고 안전한 내비게이션을 구현한다.
▲ GAM의 GML 휠 허브 감속기는 AMR의 고하중 운반 성능을 강화하기 위해 설계된 모델로, 유성 기어를 적용한 컴팩트한 인라인 구조와 회전 하우징 위 직접 탑재된 휠 베어링 덕분에 우수한 하중 지지력과 안정성을 제공한다.
자동 저장 및 검색 시스템(AS/RS): 자동 저장 및 검색 시스템(AS/RS)은 고도로 통합된 자동화 시스템으로, 저장 랙, 컨베이어, 로봇 암, 스태커 크레인, 셔틀 또는 이동형 로봇 등을 조합해 작동한다. 이 시스템은 물품을 미리 지정된 위치에 저장하고, 필요 시 빠르게 꺼내오는 기능을 수행하며, 사람의 개입은 최소화된다. AS/RS는 특히 대량의 물품을 빠르고 정확하게 처리해야 하는 소매 유통 분야 등에서 널리 사용되고 있다. 자동화 수준이 높아 공간 활용도는 물론, 작업 효율성과 정확성까지 극대화할 수 있는 것이 특징이다.
떠오르는 차세대 로봇 솔루션: 최근에는 다양한 로봇 기반 신기술들이 등장하고 있으며, 그 중에서도 파워드 외골격, 모바일 매니퓰레이터, 휴머노이드는 창고 자동화에 있어 특히 주목받는 차세대 솔루션으로 꼽힌다.
모션 제어(Motion Control)
로봇 시스템이 물리적 환경을 인식하고, 이동하며, 상호작용할 수 있도록 하는 핵심 기능이 바로 모션 제어(motion control)이다. 최근 몇 년간 모션 제어 기술과 공학적 설계 기법이 빠르게 발전하면서, 창고 및유통 현장에 로봇 기술의 도입이 폭발적으로 증가하고 있다.
감속기의 역할
로봇 모션 제어의 중심에는 감속기(gearbox)가 있다. 감속기는 모터로부터 전달된 동력을 기어셋을 통해 변속, 토크 조절, 방향 전환 등의 형태로 전달하며, 이는 로봇 암이나 구동 바퀴의 정밀한 움직임을 가능하게 한다. 창고 및 DC용 로봇 솔루션 개발자들은 자체 기술 또는 감속기/모션 제어 전문 업체와 협력하여 감속기 시스템을 최적 설계함으로써 제품 성능을 크게 향상시키고, 용도 범위까지 확장할 수 있다.
협동로봇의 고하중 작업
협동 로봇 시스템 제조업체들은 최근 전통적인 산업용 로봇에서 흔히 볼 수 있는 방진·방수 등급(IP 등급), 작업 반경 확대 등의 기능을 지원하는 신제품들을 지속적으로 출시하고 있다. 하지만 여전히 적재 중량 면에서는 일반 다관절 로봇에 미치지 못하는 경우가 많다. 자동차, 가구, 장비 제조 산업뿐만 아니라, 물류 분야에 서도 고중량 작업이 가능한 협동로봇에 대한 수요는 빠르게 증가 하고 있다. 팔레타이징, 디팔레타이징, 음료 포장 등 다양한 작업 환경에서 고중량 핸들링 능력이 요구되고 있기 때문이다. 여기에서 정밀하게 설계된 감속기 기술이 핵심적인 역할을 할 수있다. 감속기를 적절하게 적용하면 협동로봇의 중량 처리 능력을 대폭 향상시킬 수 있으며, 이 외에도 다음과 같은 다양한 장점이 따른다.
• 토크 증폭(Torque Multiplication): 감속기의 가장 기본적인 기능 중 하나는 토크, 즉 물체를 들어 올리거나 움직이기 위한 회전력을 증폭하는 것이다. 특히 감속비가 높고 토크 용량이 큰 감속기를 적용하면, 협동로봇은 모터의 크기나 소비 전력을 증가 시키지 않고도 더 무거운 물체를 들어올릴 수 있다. 또한 로봇 팔의 움직임 속도를 낮게 유지하면서도 높은 하중을 안정적으로 처리할 수 있다.
• 강성 및 정밀 제어: 고정밀 기어를 적용한 감속기는 무거운 하중을 다루는 상황에서도 협동로봇이 부드럽고 정확한 소규모 동 작을 수행할 수 있도록 지원한다. 고정밀 감속기는 토크 분포를 정밀하게 제어할 수 있어, 물체 취급 중 발생할 수 있는 미끄러 짐(slippage)이나 과부하(overloading) 위험을 줄이는 데 효과 적이다. 이러한 정밀 제어는 특히 사람과 가까이서 협업해야 하는 협동로봇에게 필수적이며, 갑작스럽고 불규칙한 움직임을 방지해 안전성과 신뢰성을 높여준다.
AMR의 고중량 처리 능력 강화
창고 환경에서 무거운 물체를 유연하게 이동시켜야 할 필요성이 커짐에 따라, 고하중 자율이동로봇(AMR)에 대한 수요와 기술적 기회가 동시에 확대되고 있다. 이러한 상황에서, GAM Enterprise의 Wheel Drive 감속기와 같은 강력한 구동용 감속기를 적용하면 AMR의 적재 능력을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 이는 단순히 감속기를 교체하는 수준이 아니라, 하중을 감속기에 전달하는 방식과 모터에서 휠 및 액추에이터로 동력을 전달하는 방식을 최적화함으로써 실현된다. 이러한 최적화는 다음과 같은 형태로 나타날 수 있다.
• 토크 증폭(Torque Amplification): 특히 감속비가 높은 유성 감속기(planetary gearbox)는 AMR 모터의 출력 토크를 효과적 으로 증폭시킬 수 있다. 이를 통해 보다 큰 모터나 고전력 모터 없이도 무거운 하중을 운반할 수 있다. 기어비 조정을 통해 소형 모터만으로도 필요한 토크를 확보할 수 있으며, 이는 에너지 효율성과 적재 능력 모두를 향상시키는 중요한 요소가 된다.
▲ GAM의 GPL 유성 감속기는 고감속비를 통해 AMR의 모터 토크를 효율적으로 증폭 시키며, 부품형(왼쪽) 또는 모터 어댑터가 포함된 완전 밀폐형(오른쪽)으로 제공된다.
• 안정성 및 속도 제어: AMR이 무거운 하중을 운반할 때, 주행 중 안정성과 적절한 속도 유지는 무엇보다 중요하다. 고성능 감속기 시스템은 AMR 휠에 동력을 효율적으로 분산시켜, 과적 상태 에서도 주행 안정성을 높여준다. 예를 들어 기어비를 조절하면 AMR은 무거운 물체를 옮길 때 더 천천히, 더 안정적으로 움직일 수 있으며, 이는 전복 위험이나 균형 상실 가능성을 크게 줄여준다.
• 적재 능력 최적화: 휠 허브 감속기에 내장된 베어링은 휠에서 발생하는 하중을 지지하도록 설계되어 있다. 감속기 설계를 소형 화하고 구성 요소를 최적화하면, 베어링이 AMR 본체가 아닌 운반 대상 하중을 더 많이 지지하도록 할 수 있다. 이로써 AMR의 순수 적재 용량을 실질적으로 향상시킬 수 있으며, 전체 로봇 시스템의 에너지 효율성 및 내구성도 함께 개선된다.
AS/RS의 속도 제어
자동 저장 및 검색 시스템(AS/RS)은 창고 작업에서 물품의 이동, 저장, 검색 속도와 효율성 측면에서 큰 강점을 갖고 있다. 이러한 성능을 더욱 향상시키는 데 있어 감속기 기술은 핵심적인 역할을 한다. 특히 AS/RS의 크레인, 컨베이어, 로봇 암 등 기계 부품의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있도록 최적화함으로써, 시스템 전체의 생산성과 반응 속도를 높일 수 있다. 감속기는 AS/RS 내 다양한 구동부의 속도를 작업 상황에 따라 정밀하게 조절할 수 있게 해준다. 예를 들어, 물품을 보관 위치에서 꺼내는 작업에는 속도를 낮춰 정확성을 확보하고, 저장 통로 간을 이동할 때는 속도를 높여 작업 시간을 단축하는 식의 운용이 가능하다. 이러한 변속 제어 기능은 창고 자동화 시스템의 효율성과 유연성을 높이는 핵심 기술로 자리 잡고 있다.
피킹 및 분류 시스템의 정밀 제어
피킹(picking) 및 분류(sorting) 시스템은 현대 창고 및 유통센터 (DC) 자동화의 핵심이다. 제품을 분류하고, 선반에서 물품을 꺼내고, 이를 목적지까지 옮기는 일련의 작업은 빠르고 정확하며 오류 없이 수행되어야 한다. 이러한 시스템은 일반적으로 로봇 암과 그리퍼(gripper), 비전 시스템, 그리고 머신러닝 기술의 조합으로 구성된다. 이때 감속기 기술은 로봇 암과 그리퍼 시스템의 제어력, 속도, 토크, 안정성을 높임으로써 전체 시스템의 정밀도 향상에 중요한 기여를 한다. 정확한 위치 파악과 부드러운 동작이 요구되는 피킹 및 분류 작업 에서 감속기는 로봇이 물체를 안전하게 파지하고, 정확한 위치로 이송하는 정밀 제어 기반을 제공한다.
▲ 정밀한 피킹 및 분류 작업을 위한 GAM의 GSL 스트레인 웨이브 감속기. 제로 백래시 설계와 고밀도 토크 특성 덕분에 로봇의 그리퍼 제어나 소형 관절 구동부에 적합하다.
모션 제어 기술의 중요성
로봇 시스템에서 구동 기술(actuation)과 모션 제어(motion control) 기술의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 실제 로, 물리적 공간에서 움직일 수 있는 능력은 로봇 플랫폼을 여타 자동화 시스템과 구분 짓는 가장 본질적인 특징이기 때문이다. 그러나 단순히 ‘움직일 수 있음’만으로는 충분하지 않다. 로봇의 움직임은 정밀하게 제어되어야 하며, 이는 작업의 효율성과 정확성, 그리고 안전성에 직결된다. 감속기 기술은 로봇 구동 부품에서의 동력 전달과 움직임을 정밀하게 제어할 수 있도록 해준다. 특히 로봇 응용 분야에서는 감속기가 필수적인 구성요소로, 모터의 회전 력을 원하는 속도와 토크로 변환함으로써 물체를 들어 올리거나 조작하고, 경로를 따라 정확하게 이동하는 작업을 가능하게 한다.
선택 시 고려해야 할 핵심 요소
로봇 시스템용 감속기를 선택할 때 엔지니어는 토크, 속도, 크기, 중량, 비용 등 다양한 요소를 면밀히 검토해야 한다. 적절한 감속기의 선택은 로봇의 기본적인 작동 특성을 결정짓는 핵심 요인이기 때문 이다. 하지만 감속기는 단지 기능적 성능만을 좌우하는 것이 아니 다. 내구성, 유지보수성, 운영 비용 등 전체 시스템의 장기적인 성능 에도 영향을 미치기 때문에, 종합적인 판단이 요구된다.
자료제공: GAM(www.gamweb.com)
