로봇과 Faulhaber 구동 기술이 만나다

로봇이 수많은 응용 사례를 담당하고 있지만, 적절한 구동 장치가 없다면 모두 불가능했을 것이다. 로봇에 사용되는 구동 장치는 다양한 요건을 충족해야 하고, 통신이 가능하여 자동화 네트워크에 통합될 수 있어야 한다.

공학박사 안드레아스 제겐(Andreas Seegen): Faulhaber 마케팅 매니저 / 공학박사 노라 크로콜(Nora Crocoll): 스투텐제 편집실 에디터,

핵심 내용

  • 로봇이 제조 산업과 물류 그리고 의료 분야에서 까다로운 작업을 맡고 있어, 사용 분야가 꾸준히 증가하고 있다.
  • 로봇이 어떤 작업을 맡느냐와 관계없이, 콤팩트하고 가벼우며 성능 밀도가 높은 구동 장치가 필요하다.
  • Faulhaber는 로봇에 어떤 구동 장치를 사용하고, 구동 장치에 왜 통신 능력이 있어야 하는지, 이에 대한 다양한 응용 사례를 제시한다.

로봇 사용을 권장하는 근거는 다양하다. 숙련된 인력이 점점 부족해지면서, 로봇에 대한 의존도는 더욱 높아질 것이다. 로봇은 여러 프로세스를 동시에 처리하고, 보다 생산적이며 안정적인 결과를 달성하도록 인간을 지원하고 있다. 미래에는 로봇이 단조롭고 반복적인 작업에서 인간을 돕고, 다양한 응용 사례에서 우수한 정확성과 신뢰성을 제공할 수 있을 것이다. 이는 일반적으로 제조 산업과 물류 그리고 의료 기술에도 적용될 것이며, 이제는 여러 분야에서 로봇 없이는 아무 일도 할 수 없을 것이다.

하지만 이러한 로봇에도 제품을 옮기기 위해 다양한 요건을 충족하는 구동 장치가 있어야 한다. 하지만 대부분의 응용 사례에서 구동 장치를 장착할 공간이 넉넉하지 않아, 구동 유닛은 콤팩트하고 가벼워야 한다. 예를 들어 로봇 암을 펼쳐야 하는 경우, 구동 유닛은 로봇의 무게 중심과 수직 방향으로 최대 간격을 두고 위쪽에 위치하게 되는데, ‘레버 암’이 길다면 무게중심이 무너져 넘어질 수 있다. 이런 경우 평형추가 필요하지만 이 또한 로봇의 무게를 가중시키는 요인이 된다. 평형추는 구동 유닛이 가벼우면 필요하지 않게 된다.

             소형 구동 장치는 대부분 높은 토크와 우수한 반복성, 높은 역학 및 최대 성능 밀도가 필요하다. 인간 동료와 같은 공간에서 일할 경우에는 집중력이 방해되지 않도록 소음도 최소화되어야 한다. 또한 로봇 구동 장치 네트워크와 다른 구성 요소가 안정적으로 정보를 교환할 수 있도록 통신 친화적이어야 한다. 여기에 특수한 응용 사례에서 자기장에 대한 내성이나 진공 강도 그리고 구동 이동식 로봇의 에너지 소비량 저감을 위한 배터리 등을 요구하고 있다. 대부부의 경우 빠른 속도에서 과부하를 안정적으로 취급하는 것도 중요하다. 응용 사례에 따라 긴 이동 거리와 회전을 구현해야 하는 경우에는 자체 잠금 구동 장치가 적합하거나 유격이 매우 적은 구동 장치가 필요하다. 다른 사례에서 구동 장치의 살균 가능성도 필수적이다. 한마디로 구동 장치에 대한 요건들은 매우 다양하다.

로봇용 드라이브: 엔코더가 통합된 3216…BXT IEF3-4096 시리즈 브러쉬리스 DC 플랫 모터 (1), 2057…BA 시리즈 브러쉬리스 DC 서보 모터 (2), 1024…SR 시리즈 DC 소형 모터 (3)

최대한 정밀하게 수술하기

Faulhaber는 이러한 요건들을 만족하는 구동 장치를 준비하고 있으며, 다양한 로보틱스 솔루션에서 연구를 진행하고 있다. 구동 장치 영역은 하수 처리 로봇에서 핸들링과 물류 로봇 그리고 수술 어플리케이션까지 매우 다양하다. 현재 로봇이 지원하지 못하는 외과적 수술은 거의 없다고 할 수 있다. 척추 절개에서 신경외과, 심장 또는 안과 수술까지 폭이 넓으며, 최근에는 이를 모발 이식에도 활용되고 있다.

로봇을 수술실에 사용해야 할 이유는 분명하다. 로봇은 최고의 정밀성과 신속성 그리고 최적의 인간 공학을 지속적으로 제공할 수 있다. 전문가들은 앞으로 로봇이 수술실에서 혁신을 일으킬 것이라고 보고 있다. 이제 외과 의사들은 수술 콘솔 박스에서 수술대의 로봇 팔을 조이스틱으로 조종하게 될 것이다. 24시간 이상 지속되는 장시간의 수술 과정에서 로봇은 떨림 없이 수술 부위를 정밀하게 처치할 수 있다. 또한 컴퓨터의 지원을 받아 의사가 필요한 지점을 정확하게 수술하고 있는지 검사할 수도 있다. 불분명한 경우 시스템이 수술을 중지시키고 잠재적인 처치 오류를 막을 수도 있다. 이런 경우에 고도로 역동적이고 정밀한 구동 시스템이 꼭 필요하다. Faulhaber의 구동 시스템은 무철심 권선 기술과 평평한 속도-토크 곡선을 바탕으로 정확한 포지셔닝과 속도 제어 등 필요한 특성을 제공하고 있다.

다양한 분과에서 로봇이 지원하는 수술이 많아지면서, 로봇 팔 포지셔닝 등을 위한 구동 시스템 수요도 증가하고 있다. 최단 시간에 최대 속도를 제공하는 고도의 역동적인 시스템이 필요하다. Faulhaber는 모듈 구조 키트 시스템 덕분에 표준 프로그램에서 구동 장치, 기어 유닛 그리고 모션 컨트롤러로 구성되는 개별 맞춤 솔루션을 신속하게 조성할 수 있다. 소형 모터의 직경은 6 ~ 22mm이고, 특수한 요건에 맞추어 개조할 수 있다. 가장 일반적인 개조 내용은 진공 적합성, 온도 범위 확대, 파형 수정, 다른 전압 유형, 고객 별 연결부 또는 플러그 등이다.

Magazino GmbH가 전세계 최초로 스스로 생각하고 행동하는 창고를 만들고 있다. 각 물체에 정확하게 접근할 수 있는 피킹 로봇 Toru 덕분에 이러한 비전이 성큼 다가오고 있다.

로지스틱스 4.0을 위한 피킹 로봇

온라인 상거래가 증가하면서 물류와 자재 흐름도 변화하고 있다. 높은 임금으로 인해 또는 숙련 인력 부족으로 인해, 인력 집약적인 작업에서 자동화가 추진되고 있다. 글로벌 팬데믹으로 인해 온라인 주문이 몰리는 있는 현재 상황에서 주말에 직원 구하기는 하늘에서 별 따기이다. 이러한 경우 스스로 생각하고 스스로 제어하는 창고가 대안이 될 수 있다. 이를 위한 요소는 스스로 주행하고 독립적으로 행동하는 AGV 물류 로봇이 필요하다. 이 로봇 역시 적합한 구동 기술을 필요로 한다.

스타트업 Magazino는 인식 제어 모바일 로봇을 개발하여 제작하고 있다. 피킹 로봇 Toru는 바로 이 업체가 개발한 로봇으로, 이 로봇은 개별 물체에 정확하게 접근할 수 있다. 이 로봇은 이동 베이스 그리핑 시스템과 함께 확장과 회전 가능한 컬럼 그리고 탈착식 선반으로 구성된다. 적응형 그리퍼 암은 다양한 직육면체 물체를 잡을 수 있다. 로봇은 카메라, 센서 장치, 머신 비전 그리고 인공 지능을 이용하여 환경을 기록하고 분석하여 이를 기반으로 다양한 결정을 내린다. 여기에도 비전 솔루션과 로봇 지능 외에 신뢰할 만한 구동 기술이 필요하다. Toru는 진공을 이용하여 선반에서 패키지를 집어 올린다. 흡착하기 전에 선반 바닥과 Toru 사이의 틈으로 포크가 들어가 패키지를 평평한 면에서 꺼낼 수 있도록 선반 쪽으로 접근한다. 이 작업은 BX4 시리즈 브러쉬리스 DC 모터와 모션 컨트롤러 그리고 유성 기어로 구성되는 Faulhaber의 구동 시스템이다. 흡착 그리퍼의 운동을 담당하는 것도 동일한 유형의 구동 장치이다. 선반에서 그리퍼 암이 제품을 꺼낼 경우, 처음 기동 토크가 매우 높기 때문에 단기적으로 높은 토크를 제공할 수 있는 성능 밀도가 높은 구동 장치가 필요하다. 현재 사용하는 과부하 가능 구동 장치는 62W의 출력으로 연속 작동 시 최대 72mNm의 공칭 토크를 제공하지만, 최대 99mNm의 일시적인 피크 토크를 제공할 수 있다. 상품을 꺼낼 때 유지되는 과부하 시간이 매우 짧고, 과부하와 과부하 사이의 간격이 상대적으로 길기 때문에 구동 장치가 과열될 위험은 거의 없다. 또한 사용하는 브러쉬리스 DC 서보모터는 직경 32mm, 길이 85.4mm로 매우 컴팩트하여 바닥 위로 많이 돌출하지 않는 제품을 잡을 수 있도록 그리퍼를 매우 평평하게 설계할 수 있다.

진공을 이용하여 선반에서 상품을 꺼낸다. 흡착 전에 선반 바닥과 물류 로봇 사이의 틈으로 포크가 들어간다. 포크을 펼치고 그리퍼 암을 움직이는 것 역시 Faulhaber의 브러쉬리스 DC 서보 모터가 담당한다.

구성 요소들 간 통신하는 구동 장치

BX4 또는 BP4 그리고 신형 BXT 시리즈와 같은 우수한 성능의 모터 군은 기어, 광학 엔코더, 마그네틱 엔코더 또는 절대치형 엔코더 그리고 스피드 컨트롤러나 모션 컨트롤러와 같은 다른 구성 요소와 통신하여 까다로운 로보틱스 적용 사례에도 유연하게 적응할 수 있다. 전체 시스템이 지능적으로 형성되려면, 구동 장치들이 자신의 ‘지식’을 상호 교환하고 안정적으로 통신할 수 있어야 하며, 자동화 네트워크에 안전하게 통합될 수 있어야 한다. Faulhaber 구동 장치는 이를 위해 Canopen을 통한 통신을 지원한다.