무인운송 로봇에 적용된 모션 시스템 ①

Allied Motion

“더 똑똑하고 좋고 저렴하고 빠른”- 이 말은 오늘날 세계 경제를 표현한다. 조직이 운영을 간소화하고 적은 노력으로 더 많은 것을 할 수 있게 됐고, 고급 물류 차량과 모바일 로봇에 집중해 많은 일을 처리한다.

소매 유통 업체의 스마트 창고에서 제조 분야의 자재 취급, 건강관리 분야의 텔레프레전스(telepresence) 로봇에 이르기까지, 로봇 차량은 급성장하는 기술 분야를 형성한다. 실제로 분석가들은 2022년까지 자동 가이드 차량(AGVs, automated guided vehicles)의 세계 시장이 26억 6000만 달러에 달할 것으로 전망한다.

OEM은 수요를 충족하기 위해 전기 트랙션과 조향 기술 그리고 수행되는 제품을 필요로 할 것이다. 어셈블리(assembly)는 견고하고 경제적이며 설치와 작동 및 유지보수가 쉬워야 한다. 전기 견인과 조향 해결책이 모든 면에서 효과를 발휘한다.

서비스 로봇 배치가 증가하고 있지만 산업과 물류 애플리케이션은 자동화된 자동차 시장을 지배한다. 널리 사용되는 차량 유형에는 창고, 공장 바닥 트럭, 호이스트(hoist), 푸셔(pushers), 터거(tuggers)와 다양한 유형의 모바일 로봇이 포함된다. 그들은 단위 하중을 한 지점에서 다른 지점으로 옮기고, 선반에 물품을 놓고, 팔레트를 채우고, 트럭을 적재하거나 내리고, 일할 때 작업자를 돕는다. 극한의 열과 추위를 포함해 다양한 환경 조건에서 작동한다. 오염, 먼지, 습기 등이 해당한다.

견인과 조향 해결책은 전기와 유압 두 가지로 나눌 수 있다. 그러나 전기 유압 적용 분야에서 펌프를 구동하는 전기 모터를 사용할 때를 제외하면, 유압기반의 해결책을 다루지 않는다. 전기식 조향장치와 견인 장치는 유압장치보다 깨끗하므로 비교적 효율적이다.

전기 구동 차량은 유압 버전과 상당한 경쟁력을 가질 수 있다. 대표적인 전기 구동 AGV는 최대 20,000파운드의 하중을 처리할 수 있다. 보통 배터리로 작동되며 필요할 때 자동으로 충전 스테이션으로 돌아가도록 프로그래밍할 수 있다. 깨끗하고 조용하며 유압 해결책보다 정밀하다. 이런 특성의 조합은 전기식 액추에이터가 다양한 산업과 서비스 차량 애플리케이션에서 주목받는 요소가 된다.

 

애플리케이션에 대한 이해

물류 차량이나 모바일 로봇에 가장 적합한 견인력과 조향 해결책을 선택하기 위해서, 요구사항에 대한 자세한 검토부터 시작한다. 대부분의 자동화 시스템과 마찬가지로 사양에는 하중, 토크, 속도, 가속도, 듀티 사이클(duty cycle)이 포함된다. 그러나 위에서 설명한 특수 차량 적용 유형에는 몇 가지 특별한 차이가 있다.
 

• 하중 :

산업 차량의 하중은 단위 하중의 무게와 차량 자체의 무게를 포함한다. 차량은 보통 활성 바퀴(구동 휠)와 수동 바퀴(캐스터, casters)의 일부 조합으로 지원된다. 구동 휠이 토크를 적용한다. 캐스터는 단순히 무게를 분산시키는 것을 돕는다. 어떤 경우에는 캐스터에 조향 액추에이터가 장착된다. 올바른 견인 해결책을 선택하려면 차량과 하중을 구동 바퀴와 캐스터 사이에 어떻게 공유하는지 이해해야 한다. 이 분포는 차량의 적재 여부에 따라 달라질 수 있다.
 

• 휠과 주행 표면 :

OEM은 구동 휠과 캐스터의 수와 위치를 결정하는 것 외에도 휠 타이어의 특성, 주행 표면, 그리고 이들 사이의 인터페이스를 분석해야 한다. 주행 표면이 거칠수록 롤링 마찰이 커진다. 그러므로 가속과 일정 속도 요구사항 을 충족하는 데 필요한 최대 및 연속 토크 수준이 커진다. 이 숫자는 너비와 재질 면에서 타이어 특성에 영향 받을 수 있다. 매끄러운 표면을 달리는 좁고 매끄러운 타이어를 가진 휠은, 예를 들어 느슨한 자갈이 달린 넓은 타이어가 있는 휠보다 적은 토크를 생성해야 한다.
 

• 선회 반경 :

차량에 필요한 선회 반경은 차량 설계, 견인, 조향 액추에이터 특성에 직접적인 영향을 미친다. 또한, 허용된 전체 차량 높이는 최소한 휠에 대해 제공되는 틈새를 부분적으로 정의한다. 이는 휠 지름을 제한할 수 있으며, 휠구동 모터 속도와 필요한 토크에 영향을 준다.

• 피크 토크 :

피크 토크는 애플리케이션에 필요한 가속 토크를 사용해 계산된다. 다시 말해 경사, 표면 질감, 타이어 재료와 같은 요소에 의해 영향을 받을 수 있지만, 적재된 차량의 관성에 영향 받을 가능성이 높다.

• 제동 및 유지 토크 :

전원 켜기/끄기 상태에서 정적/동적 성능 요구 사항을 알아야 한다. 특수 제동 요구사항 역시 고려해야 한다. 차량에 비상 정지 기능이 필요한가? 예를 들어, 정전 시와 같이 홀딩 브레이크를 적용해야 하는가?

• 평균 동력 :

경사와 구름마찰 같은 요소를 고려해 액추에이터 크기를 최악의 시나리오로 조정해야 한다. 평균 동력은 속도, 가속도 프로필, 듀티 사이클(차량 출발과 정지 빈도)에 의해 결정된다.

• 전원 :

차량이 배터리로 작동하는가 아니면 ‘ICE(내연 기관)’에 의해 구동되는 발전기에서 공급되는가? 시스템의 전압 레일은 어떻게 되는가? 현재 제한이 있는가? 한 충전당 정해진 작동 시간은 얼마나 되는가?

• 환경 :

환경 조건은 구성 요소를 선택할 항상 고려돼야 한다. 차량 내부에서 사용되는가? 아니면 외부나 양자 모두에서? 작동 온도 범위는 어떤가? 먼지, 습기 또는 부식성 화학물질과 같은 오염 물질에 노출되는가? 소금 스프레이는 어떤가?

• 충격과 진동 :

충격과 진동은 다양한 요인에 영향 받을 수 있다. 작동 속도가 높을수록 충돌로 인한 충격이 커진다. 고르지 않은 표면은 특히 고속으로 통과할 때 진동을 유발할 수 있다. 뜻밖에 높을 수 있는 요인을 평가해 보는 것이 중요하다. 일부 창고 애플리케이션은 장비에 최대 80g 충격 하중을 가할 수 있다.
 

전기 견인 해결책

견인 액추에이터는 차량 구동 휠에 원동력을 제공한다. 견인 해결책은 구동 휠의 상대 속도를 제어해 일부 조향 기능을 제공할 수 있지만, 주된 기능은 차량을 움직이는 것이다.

견인 해결책을 선택하거나 설계할 때 고려할 핵심 고려 사항은 토크, 속도, 효율 그리고 크기이다.

애플리케이션에 가장 적합한 해결책을 선택하는 것이 중요하다. 이 공정은 휠 모터로 시작한다. 옵션으로는 브러시 DC 모터, 브러시리스 DC 모터, 스테퍼 모터, AC 동기식 또는 비동기식(유도) 모터가 있다. 엔지니어링 대부분의 측면에서와 마찬가지로, 이상적인 유일한 해결책은 없다. 최적의 선택은 위에 나열된 요소를 포함해 애플리케이션의 요구사항에 따라 달라지며, 여러 가지 절충 사항이 있다(표 1 참조).

즉, 가장 일반적인 모터 선택은 브러시, 브러시리스 DC 모터, AC 동기 모터이며, 이 중 브러시리스 모터가 가장 인기가 높다. 스테퍼 모터는 매우 특수하고 저전력의 틈새 애플리케이션에 효과적이다. AC 유도 모터는 일부 휠 드라이브에서도 사용된다.

AGV와 기타 자율 차량과 이동 로봇은 하나 이상의 독립 구동 바퀴로 가장 많이 구동된다. 이러한 접근 방식은 다양한 조향 구성과 호환되는 동시에 토크와 가속도 측면에서 설계 유연성을 제공한다. 차량에 동력을 공급하는 다른 접근법도 있다. 가장 주목할 만한 점은, 동력 전달 장치한테서 동력을 공급받는 트랜스 액슬(transaxle)로 연결된 무동력 차륜은 논의 범위를 벗어난다는 것이다.

전동식 견인 장치 해결책은 이산형(discrete)과 통합형(integrated) 두 가지 등급으로 나눌 수 있다. 이산 트랙션 조립품은 일반적으로 휠 자체에서 멀리 떨어져 있는 개별 구성 요소 집합으로 구성된다(휠이 없는 디자인).

모션 구성 요소는 통합된 디자인에서 통합 패키지의 일부(온-휠 디자인) 또는, 휠에 직접 연결된 인-휠 디자인 여부와 상관없이 휠 어셈블리 자체에 통합된다. 각 클래스에 대해 자세히 살펴본다.
 

오프-휠 견인 해결책

오프-휠(off-wheel) 견인 해결책에서 하나 또는 그 이상의 전기 모터가 구동 휠에 동력을 전달한다. 모터를 휠 어셈블리로부터 멀리 떨어트려 놓는 것은 기계적 설계에 유용한 자유도를 제공할 수 있다.

이 해결책은 모터에서 휠로 동력을 전달하기 위해 구동 트레인을 사용한다.

가장 일반적인 구동 트레인에는 벨트, 풀리, 체인, 스프로킷(sprocket) 또는 기어 박스와 커플링이 포함된다. 세 가지 모두를 사용해 기계적 이점을 부여해서 모터의 크기와 비용을 줄일 수 있다. 모터와 마찬가지로 다양한 유형의 구동 트레인에는 절충이 필요하다(표 2 참조).

구동 트레인의 비용에 따라 아키텍처가 소유 비용을 낮출 수 있다. 단점은 구동 트레인을 추가함으로써 복잡성, 유지보수, 고장 지점, 공간 요구가 증가한다는 것이다. 최상의 결과를 얻으려면 해당 프로젝트의 내용에서 옵션을 신중하게 분석해야 한다.

차륜이 없는 디자인은 여러 가지 이점을 제공한다. 모터를 휠 또는 직접 인접한 곳에 설치하는 제약이 없으면 OEM은 성능, 크기, 구성을 수정할 수 있는 더 큰 능력을 갖게 된다. 구동 체인을 선택하는 것은 또 다른 디자인 자유도를 더한다. 분산 아키텍처를 사용하면 엔코더, 고정 브레이크, 드라이브와 같은 액세서리를 쉽게 추가할 수 있다.

오프 휠 디자인은 모터, 기계 부품 및 전자 장치가 차량의 보호된 부분에 있도록 한다. 이 위치는 충격과 오염에 대한 노출을 줄여 수명을 늘리고 예기치 않은 가동 중지 시간을 줄여준다.

오프 휠 설계는 구동 트레인과 커플링 손실 때문에 통합 설계보다 비효율적인 게 단점이다. 기계요소가 여러 개 있으면 신뢰성이 떨어진다. 후자는 구성 요소 선택(예 : 웜 기어가 아닌 유성 기어 박스)으로 해결할 수 있지만 비용과 크기 및 가청 잡음에 영향을 미칠 수 있다.

벨트, 풀리, 체인, 스프로킷 구동 트레인은 오염에 많이 노출되는 경향이 있다. 이 취약점은 마모가 불가피한 경우에도 불구하고 조기 파손을 방지하기 위해 정기적인 청소와 윤활이 필요하다.

아마도 이산 접근법의 가장 큰 단점은 OEM에 필요한 추가 엔지니어링과 어셈블리의 양이다. OEM은 단일 장치를 구입해 설치하는 대신 각 구성 요소를 조사하고 지정해서 조립해야 한다.

보통 개별 설계는 차량 제조사가 대량 생산으로 인해 도입된 규모의 경제에 접근할 수 없다. 때문에 통합 패키지보다 많은 비용이 드는 경향이 있다. 통합 견인 해결책은 대부분의 상황에서 더 나은 대안을 제공한다.

 

통합 견인 해결책

통합 견인 액추에이터나 파워 휠에서 필요한 모든 요소는 단일 어셈블리에 포함된다. 이 방법은 오프 휠 설계와 비교했을 때 OEM의 엔지니어링 비용을 없애준다. OEM은 원하는 성능과 기능을 갖춘 견인 해결책을 선택하고 제품에 대해 단일 구매 구성 요소로 설치한다.

통합 견인 해결책은 인-휠(in-wheel) 디자인과 온-휠(on-wheel) 디자인으로 더 세분화할 수 있다.
 

• 인-휠 견인 해결책 :

인-휠 견인 해결책에서 브러시리스 전기 토크 모터가 휠에 직접 통합된다. 고정자 권선은 바퀴 장착 구조와 차량 프레임에 부착되며, 때로는 어떤 유형의 서스펜션을 통해 부착된다. 회전자 자석(여기서는 영구 자석 모터만 고려)은 휠 허브에 통합돼 있다.

인-휠 디자인을 위한 토크 모터는 휠 전체에 적합하다. 일반적으로 휠과 타이어의 축 방향 폭 치수 내에 맞춰 콤팩트하고 공간 활용이 적은 해결책을 만든다(그림 1 참조). 어떤 종류의 드라이브 트레인(drive train)이나 커플링(coupling)도 필요로 하지 않는다.

하우징 방식의 팬케이크형 모터를 사용하는 인-휠 해결책이 있지만, 이러한 해결책에는 휠에 기어링 기능이 통합돼 있다.

직접 구동 인-휠 토크 모터(direct-drive in-wheel torque motor) 설계의 동력과 토크 능력은 사용할 수 있는 크기 제한에 따라 다르다. 물류 차량용 휠은 특정 지름을 기준으로 표준화되는 경향이 있다. 인-휠 견인 액추에이터의 경우, 모터를 휠 안에 장착해야 한다. 모터 성능은 권선과 자석 설계로 설계될 수 있지만, 하루가 끝날 때 직경과 휠 너비는 토크의 상한선을 설정한다.

일반적으로 인-휠 견인 해결책은 공간 요구와 가청 소음(audible noise)이 예상보다 큰 관심사인, 응용 분야를 위해 준비돼 있다. 예를 들어, 군사 및 보안 애플리케이션에 적합할 수 있다.

 

• 온-휠 구동 액추에이터 :

온-휠 구동 액추에이터는 단일 요소로 제작돼 전달되는 조립품이다(그림 2 참조). 그것은 오프로드(off-wheel)와 인-휠(in-wheel) 방식의 이점을 결합한 하이브리드 디자인이다. OEM은 자동차 프레임과 인터페이스하기 위해 미리 조립된 단일 부품을 구입한다. 섀시에 조립품을 볼트로 조이고 배선 하니스(harness)를 연결하면 된다. 성능과 상호 운용성은 이미 견인 액추에이터 제조업체에 의해 검증됐다.

온-휠 견인 휠 디자인의 세부 사항은 적용 및 제조업체에 따라 다르다. 가장 기본인 바퀴 장착 일체형 견인 휠에는 브러시리스 모터가 사용될 때를 위해 타이어와 휠, 장착 구조, 모터, 기어 박스, 정류 피드백 장치가 통합돼 있다. 더욱 정교한 버전에는 온 보드 전자 드라이브, 위치 피드백 및 브레이크 보관과 같은 액세서리가 포함될 수 있다.

온-휠 견인 액추에이터는 표준 모터를 사용하기 때문에 접근 방법이 인-휠 디자인보다 간단하고 저렴하다. 기어 박스를 포함하면 모터의 토크 요구사항이 낮아져 크기와 무게 그리고 비용이 절감된다.

공간 청구를 최소화하는 것은 물류 차량과 로봇에 꼭 필요하며 비용 제어는 모든 OEM의 요소이다. 기어 박스를 통합하면 복잡성과 고장 지점이 증가한다. 그러나 조립품에 내장돼 있기 때문에 밀폐해 진입 보호 기능과 윤활 성능을 제공할 수 있다.

바퀴 달린 견인 드라이브의 가장 큰 장점은 산업 차량의 문제점을 해결하기 위해 제조업체가 선택한 구성 요소로 제작됐다는 것이다.

이 방식을 사용하면 표준 휠이 개별 오프 휠 디자인보다 높은 수준의 성능을 제공할 수 있다. 동시에 공간도 적게 차지하고 OEM을 위한 엔지니어링과 조립 비용도 적게 든다. 또한 온-휠 견인 액추에이터는 제조업체가 OEM에 맞게 사용자 정의할 수 있는 표준화된 설계 플랫폼을 제공한다(그림 3 참조).

전륜 구동 일체형 액추에이터는 많은 이점을 제공하지만 모든 용도에 이상적인 것은 아니다. 예산에 민감하거나 소량인 차량 프로젝트일 때 전륜과 일체형 견인 장치가 과도할 수 있다. 그러나 OEM 업체가 자신의 업무량이 적게 드는 올인원 해결책을 원할 경우, 온-휠 또는 통합 휠 드라이브는 매력적인 방법이다.

<8월호에 계속>

자료 제공 : Allied Motion(www.allidmotion.com)