무인 운송 로봇에 적용된 모션 시스템 ②

Allied Motion

전동식 조향 해결책

물류 차량과 모바일 로봇은 특정 위치로 신속하고 정확하게 조정해야 한다. 그 작업은 전기 파워 스티어링(EPS) 시스템이 수행하는 추세다. 견인 해결책과 마찬가지로, 전기 자동차는 전기 조향을 위해 선택된 아키텍처와 구성 요소에 대한 특수 요구사항을 부과한다.
 

• 모션 유형:

가장 간단한 모션 요구사항은 직선이다. 때로는 차량이 레일에 장착돼 있고 조향을 필요로 하지 않으며 구동 휠의 원동력만 전달된다. 더 정교한 구동을 위해서, 차량은 고정 견인 휠을 다른 속도로 주행시켜 조향된다.(그림4 참조). 이 차동 속도 접근 방식으로 약간의 기동성을 얻는다. 그러나 매우 조이거나 빠른 조향 조작하면 타이어 재료가 마모돼 바퀴를 섀시에 부착하는 조인트에 압력이 가해질 수 있다.

이동 라인(crabbing)에 수직인 동작을 지원하려면 180° 회전할 수 있는, 적어도 2개의 능동적으로 조향된 휠이 필요하다. 메카넘(Mecanum)이나 옴니 휠(Omni wheel)과 같은 다른 해결책도 크래빙(crabbing)을 지원할 수 있지만 여기서는 고려하지 않는다.

차량이 제자리에서 회전해야 하는가? 즉, 축을 중심으로 회전해야 하는가? 이 경우 최소 360° 회전할 수 있는 능동 조향 휠 2~4개 또는 동일한 방향으로 동시에 회전할 수 있는 차량의 중심선에 있는 휠이 2개 이상 필요하다.

• 선회 반경:

선회 반경도 마찬가지로 설계 아키텍처에 영향을 준다. 드라이브/조향 휠 하나와 캐스터 두 개에 타고 있는 3륜 평형추 트럭은 상당히 큰 선회 반경을 가질 것이다. 360° 회전할 수 있는 조향 휠이 4개 있는 차량은 위에서 언급한 다른 휠을 사용하지 않고도 최소 회전 반경과 다른 이동에 대한 유연성을 제공한다.

회전 반경은 차량에 사용될 수 있는 휠이나 모터 크기에 제한을 부과할 수 있다. 특히 소형 차량에서 OEM은 작동 중 휠과 섀시의 접촉을 피하기 위해 조향 휠이 충분한 여유 공간을 확보에 주의해야 한다.
 

• 토크:

견인 해결책과 마찬가지로 하중, 주행 표면, 타이어 재질은 모두 휠을 조향하는 데 필요한 토크의 양에 영향을 준다. 차량의 속도 또한 토크 요구에 큰 영향을 미친다.

정지 상태에서 완전히 로드된 지게차의 조향 휠을 돌리면 트럭이 움직이는 경우보다 훨씬 큰 토크가 필요하다. 조향 모터와 기어 박스는 이 극단적인 시나리오를 해결하기에 충분한 토크를 전달할 수 있는 크기여야 한다.
 

• 센서 유형:

지게차와 AGV 그리고 이와 유사한 장비는 매우 단단한 구역에서 운영된다. 제어 조종 알고리즘과 조작자는 휠 각도에 대한 정확한 지식을 가질 필요가 있으므로 휠 위치 감지와 피드백이 필요하다.

상대적인 휠 위치 피드백은 경제적이지만, 알려진 조향 휠 위치를 설정하기 위해 시동 시 원점 복귀 시퀀스가 필요하다(그림 5 참조). 절대 위치 감지는 더 나은 대안이지만, 전통적으로 근접 센서나 다변 절대 위치 감지 센서의 사용이 포함됐다. 이러한 방법으로 비용이 추가되지만 더 경제적인 해결책을 사용할 수 있다.

이 방식은 견인 액추에이터의 기어링에서 홀 효과 센싱을 사용해 원점 복귀 루틴 없이 절대 휠 위치를 확립한다.

• 안전:

특히 사람과 가까운 곳에서 움직이는 차량은 안전한 작동이 가장 중요하다. 결과적으로 이 업계는 포괄적인 안전 표준을 발전시켰다. 표준을 충족하려면 중복 시스템과 특수 하드웨어를 함께 사용해야 한다. 스티어 바이 와이어(steer-by-wire) 시스템에는 기계적 조향 링키지가 없다. 시스템은 문제를 감지하고 신속히 차량을 완전히 멈춘 다음 브레이크를 적용해야 한다.
 

• 신뢰성:

자동화 시스템의 성능을 중심으로 설계된 작업은, 생산 설비가 잘 작동할 때도 차량 정지 시간이 생산성에 영향을 미칠 수 있다. 반드시 시스템을 실행할 수 있는 동시에 경제적인 해결책으로 실행돼야 한다. 신뢰성은 특히서비스 중심 모델로 가는 최근 산업 전환의 맥락에서 중요하다. OEM은 차량 자체보다 이동하는 제품의 서비스와 가동 시간을 점점 많이 판매한다. 이 경우 안정성은 단순히 판매 포인트가 아니라 비즈니스의 필수 요소이다.

 

통합 전력 조향 장치(EPS) 어셈블리

EPS 조립체의 대표 유형 중 하나는 회전식 장착 바퀴에 기계식으로 결합된 전기 모터이다(그림 6 참조). EPS 유닛에는 휠 어셈블리에 고정된 조향 기어를 회전시키는 피니언 기어가 통합돼 있다. EPS는 제어 시스템(또는수동 제어의 경우 운전자)이 명령한 대로 조향 휠을 돌릴 수 있다.

시스템 컨트롤러는 EPS 액추에이터의 통합 센서에서 입력을 수집하고 EPS의 드라이브 전자 장치로 보내는 경로 명령을 계산한다. 통신은 필드 버스/무선 이더넷 네트워크를 통해 이뤄진다.
가장 많이 사용되는 프로토콜은 CANopen이다. 이 방법은 언급한 것처럼 운전자의 조향 휠(또는 비수동 조향 차량의 경우에는 차량의 컨트롤러)과 조향 휠 사이에 기계적 조향 링키지가 없기 때문에 스티어 바이 와이어라고 한다.

전동 조향 해결책에는 대개 기계적 이점을 위한 기어 박스가 포함돼 있어 작고 저렴한 모터를 사용해 조향 어셈블리가 충분한 토크를 발생시킬 수 있다. 조향 액추에이터는 가능하면 바퀴 가까이 있어야 하며 바퀴 어셈블리와 통합한 것이 가장 바람직하다. 이것은 조향 유닛을 휠에 결합하는 개입 메커니즘을 최소화한다.

차량에 따라 견인력과 조향 모터의 수직 방향이 바람직할 수 있다(그림 7 참조).

이 구성은 수평 공간이 중요할 때 사용할 수 있는 수직 공간을 이용할 수 있다. 또한 차량의 회전 반경이 더 작을 수 있다.

디자인 접근

조향 해결책은 견인 해결책에서 그렇듯 개별 해결책과 통합 해결책으로 나눌 수 있다. 최적의 선택은 응용 프로그램의 요구에 따라 결정된다.

개별 해결책은 선택된 구성 요소 조합을 바탕으로 한다. 이러한 디자인은 쉽게 맞춤 제작을 할 수 있게 해준다. 단점은 OEM이 시스템을 통합하는 데 많은 시간을 소비한다는 것이다. 조향 시스템을 통합할 때 더 많은 시간을 투자하면 OEM 설계팀이 주 목표인 자체의 설계에 주력하는 시간이 줄어든다.

동일한 휠이 동력과 조향 기능 모두를 제공해야 할 때 개별 해결책이 더욱 어려워진다.

애플리케이션을 제공하기 위해서 서로 다른 모터 두 개를 포함할 수 있는 전체 휠 어셈블리가 회전할 때, 가능한 가장 작은 원형을 묘사해야 한다. 이때 완벽히 통합된 EPS 장치는 OEM에게 가장 간결한 해결책을 제공한다 (그림 8 참조).

통합 전기 조향 시스템은 통합 견인 액추에이터와 유사한 이점을 제공한다. 단일 통합 어셈블리로 유닛의 설계와 설치를 대폭 단순화한다. 부품은 함께 최적으로 작동하도록 설계됐다. 예를 들어, 기어 박스는 처리해야 하는 토크와 동력을 맞추고 백래시를 최소화하고 마모를 줄이며 수명을 극대화하도록 설계됐다. 부품을 대량으로 구매하므로 OEM이 더 적은 수량으로 조달한 경우보다 조립 비용이 저렴하다.

또한 통합 해결책은 배선을 최소화한다. 외부 배선과 상호 연결은 비용이 많이 들고 어셈블리 공정에 시간과 복잡성을 추가하고 신뢰성을 떨어뜨린다. 전자 장치는 통합 설계에서 액추에이터 안에 통합돼 있다. 이렇게 하면 조립이 빨라진다. 통합 전자 장치는 신뢰성을 높인다.

통합된 접근법의 장점은 하드웨어에서 소프트웨어로 확장되는 것이다. 통합 EPS 장치에는 애플리케이션의 요구에 맞게 조정할 수 있는 임베디드 소프트웨어가 포함돼 있다. 이를 통해 코드 개발뿐만 아니라 소프트웨어 유효성 검증 측면에서 설계 시간을 절약할 수 있다. 이 경우 소프트웨어로 비용과 시간이 많이 소요되는데, 단일 유닛의 통합 설계도 유닛으로 인증될 수 있으므로 OEM의 귀중한 시간과 자원을 절약할 수 있다.

그러나 통합 시스템이 보편적인 해결책은 아니다. 높은 수준의 사용자 정의가 필요한 애플리케이션에는 부적합할 수 있다. 또한 완전한 액추에이터의 스페어를 유지 보수하는 것은 별도의 액추에이터의 구성 요소 재고를 보유하는 것보다 비용이 많이 들 수 있다. 반면 다운 타임은 보통 OEM 고객에게 매우 비싸다. 따라서 액추에이터 스왑 아웃(actuator swap out)을 신속하게 다시 가동하면 개별 시스템에 비해 총 소유 비용(TCO)이 절감될 수 있다.

 

결론

전기 견인과 조향 해결책은 물류 차량과 모바일 로봇의 기술로 빨리 자리 잡고 있다. 비용 하락과 더불어 정밀성과 기능성의 지속적인 향상으로 사용이 급증하고 있다. 업계에서 유효성, 손쉬운 사용과 수리, 총 소유 비용(TCO)도 역시 중요하다.

전동 액추에이터를 통합하려는 OEM이 처음부터 자체 시스템을 구축해야 하는 시기가 있었다. 오늘날, 통합형 견인과 조향 해결책을 상용화하거나 애플리케이션에 맞춤화해 선택할 수 있다. 전기 견인과 조향 액추에이터 는 물류 차량을 개선할 뿐만 아니라 그것의 생산 물류를 향상한다.
 

휠에 대한 느낌

종래의 조향 시스템에서, 운전자는 휠에 기계적으로 연결함으로써 차량에 대한 느낌을 얻는다. 스티어 바이 와이어 시스템(Steerby-wire system)에는 이러한 연결이 없다. 결과적으로 전기식 스티어 바이 파워 스티어링시스템(electric steer-by-wire power steering systems)은 운전자의 조향 휠에 일정 수준의 저항을 통합해 운전자가 느끼는 승차감을 시뮬레이션해야 한다.

스티어 바이 와이어 시스템에서 마찰을 유발하는 가장 일반적인 기술은 기계식 브레이크, 전자기 브레이크, 자기 시스템이다. 기계식과 전자기식 브레이크는 마찰을 가해 운전자가 주행 시 어떻게 움직이는지를 보다 현실감 있게 전달한다. 그러나 마찰을 바탕으로 한 설계는 시동 시 운전자를 오도할 수 있는 ‘슬립 스틱(slip-stick)’ 감각을 제공하는 문제가 있을 수 있다(그림 A 참조).

기계식 브레이크는 효과적일 수 있지만 마찰 접촉으로 시간이 지나면 마모된다. 모니터링과 정기 유지보수 둘 다 필요하다. 성능은 온도에 다르다. 따라서 자재 취급 차량은 하루 종일 저온 저장실과 야외를 오가기 때문에 문제가 된다. 조향 느낌의 성능은 일관성이 있어야 한다.

전자기 브레이크는 효과적이지만 비싸고 부피가 크다. 또한 안전 표준을 충족할 수 있는 충분한 응답 시간이 없을 수도 있다.

자기 기술 기반 시스템(그림 B 참조)은 매우 사실적인 조향 휠 느낌(저항)을 제공하는데, 경제적 생산도 가능하다. 기계 자기 시스템은 마찰을 사용하지 않기 때문에 미끄럼 방지(slip-stick) 동작을 보이지 않는다.

운전자는 기계적인 연계를 통해 운전의 느낌을 효과적으로 모방하는 부드러운 동작을 경험한다. 자기 위치 감지 기능과 결합하면, 자기 저항 시스템은 무선으로 조향하는 시스템에 현실적인 성능을 제공한다. 또한 조향의 ‘느낌’은 프로그램 가능하거나, 최소 조정할 수 있다. 기술의 비접촉성은 마모와 유지보수의 필요성을 없애준다.

 

일반적인 Start-Off 시나리오

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