협동 로봇에 특히 적합한 스트레인 웨이브 기어

협동 로봇 시장이 성장하고 있으며 밝은 미래를 약속한다. 가격 압력도 크지만 변속기의 적용 범위가 넓기 때문에 이 시장에 새로운 공급업체들이 뛰어들고 있다.

핵심 내용

  • 협동 로봇의 시장이 기존 산업용 로봇보다 빠르게 성장하고 있다. 변속기 제조업체 등 공급업체들도 이에 대한 혜택을 받고 있다.
  • 스트레인 웨이브 기어는 작고 가벼워 작은 협동 로봇에 특히 유용하다.
  • Harmonic Drive와 Nabtesco 같이 잘 알려진 제조업체 외에도 Schaeffler와 igus 같은 새로운 플레이어가 있다.

‘미래는 협동 로봇에 달려 있다.’ 최소한 ABI Research 또는 Interact Analysis와 같은 분석가를 신뢰한다면 이는 과언이 아니다. 계속되는 자동화와 유연한 애플리케이션 옵션에 대한 수요로 인해 향후 5~10년간 협동 로봇 시장이 크게 성장할 것이다. IFR(International Federation of Robotics)에 의하면, 전체 로봇 시장 가운데 협동 로봇이 차지하는 비율이 현재는 5%에 불과하지만 2030년까지 29%로 증가할 것이라고 한다.

로봇 제조업체뿐만 아니라 관련 산업의 매출 증가가 기대된다. 따라서 부품 공급업체도 크게 혜택을 볼 것이다. 또한 비산업용 응용 분야도 빠르게 성장할 것으로 예상된다. 이러한 전망이 계속되면서 새로운 플레이어도 계속 등장하고 있다. 최근 2~3년 동안 새로운 공급업체와 신제품이 시장에 등장하였다. 이에 협동 로봇용 기어 박스 분야를 살펴보고자 한다.

로봇 시장이 계속 성장하면서, 협동 로봇은 훨씬 큰 속도를 내고 있다.

협동 로봇에 가장 적합한 스트레인 웨이브 기어

‘코봇’이라고 불리는 협동 로봇은 경량 로봇 가운데 하나이며, 협동 로봇은 주로 인간과 함께 일하는 로봇이다. 따라서 로봇의 이동 속도와 가속도는 인간과 로봇의 협업에 허용되는 속도를 준수해야 한다. 이때 자체 중량이 작을수록 질량 관성 모멘트가 작아져 역동성이 증가하기 때문에 무게가 무엇보다 중요한 역할을 한다.

기어는 낮은 중량과 높은 토크를 제공해야 하기 때문에 무게가 결정적인 역할을 한다. 따라서 스트레인 웨이브 기어는 컴팩트한 치수와 가벼운 무게에 대한 요건을 잘 충족하며, 경량 로봇과 협동 로봇에 주로 사용된다. 또한 백래시 제로, 강성, 고정밀, 긴 서비스 수명의 이상적인 조합을 제공한다. 스트레인 웨이브 기어는 다음 3가지 구성 요소로 구성된다.

• 파동 발생기(Wave Generator): 변형 가능한 롤러 베어링이 장착된 타원형 디스크로, 기어 박스는 파동 발생기를 통해 모터 샤프트에 연결된다.

• 플렉스 링(플렉스 스플라인): 외부 톱니가 있는 원통형의 변형 가능한 슬리브로, 파동 발생기의 타원 운동을 전달한다

• 외부 링(원형 스플라인): 내부 기어가 있는 단단한 링으로, 이 기어에는 플렉스 스플라인의 외부 기어보다 더 많은 기어를 가지고 있다.

스트레인 웨이브 기어는 전체 서비스 수명 동안 백래시가 없고 전체 토크 범위에서 비틀림 강성이 높으며 감속비와 반복 정확도가 높은 장점이 있다. 이러한 특성 때문에 로봇 제조업체는 이러한 유형의 기어 박스를 오랫동안 축 드라이브로 사용해 왔다.

스트레인 웨이브 기어 시장의 리더인 Harmonic Drive는 협동 로봇에게 잘 알려져 있었고 그에 대한 관심도 증가하였다. 세계적으로 활동하는 로봇 제조업체에게 납품하는 기어 박스에서 병목 현상이 발생하였고, 2017년부터 2019년까지 독일과 미국 공장의 생산 능력을 두 배로 늘렸다.

로봇 제조업체들은 소형 모델에 Harmonic Drive 스트레인 웨이브 기어를 주로 사용한다. 이는 독일과 미국 그리고 일본에서 수십 년간의 샤프트 기어 제조 및 생산 경험, 높은 제품 품질, 수준 높은 컨설팅 덕분이라고 한다. 예를 들어, Harmonic Drive의 경량 CPL-2A 기어 어셈블리 키트는 협동 로봇에 적합하다. 이 시리즈는 50, 80, 100, 120 및 160의 기어비로 5가지 크기로 제공되며, 반복 가능한 피크 토크는 18~372Nm이고, 출력 밀도는 340~735Nm/kg이다. 필요한 경우 고객 맞춤형 설계도 가능하다. 추가 구동 시스템을 위한 공급 라인, 샤프트 및 케이블은 대형 중공 샤프트를 통해 라우팅할 수 있다.

CSG-2A 시리즈는 소형 로봇에 적합하며 동적인 애플리케이션을 위해 개발하였다. 표준 샤프트 기어에 비해 토크가 30% 정도 높다. 이는 애플리케이션에서 높은 가속이 가능하고 사이클 시간을 줄일 수 있음을 의미한다. 무게가 결정적인 경우 동일한 하중에서 더 작은 감속기 크기를 선택할 수 있으며, 이 시리즈는 광범위한 토크 범위를 다루고 있으며 10가지 크기로 제공된다.

스트레인 웨이브 기어는 링 기어, 플렉스 포트, 파동 발생기 등 3가지 요소로 구성된다.

고객 요건에 맞춘 스트레인 웨이브 기어를 개발하다

Nabtesco도 로봇 기어 분야의 글로벌 시장 리더 가운데 하나이다. 이 회사는 고전적인 산업용 로봇에 사용되는 사이클로이드 기어를 공급한다. 이 사이클로이드 기어는 매우 작고, 전력 밀도가 높지만 작은 협동 로봇에는 충분하지 않았다. “극소형 모델의 경우 불가피하게 물리적 한계에 직면합니다.”(다니엘 오블라덴, Nabtesco Precision Europe GmbH의 제너럴 인더스트리 세일즈 책임자) 하지만 2017년에 Nabtesco는 Ovalo를 인수하였다. Ovalo는 2006년부터 대규모 애플리케이션(자동차 산업)용 스트레인 웨이브 드라이브를 생산해 온 제조업체이다. 이 타원형 스트레인 웨이브 기어는 낮은 토크 범위에 적합하지만 Nabtesco 사이클로이드 기어는 높은 토크에 적합하다.

Nabtesco에 따르면 협동 로봇 제조업체는 가격이나 품질에 대해 타협할 필요가 없다고 한다. 다니엘 오블라덴에 의하면 Nabtesco의 스트레인 웨이브 기어는 자동차 생산 표준, 즉 대량 생산, 고품질 요건, 높은 공정 신뢰성과 완전한 추적 가능성을 갖춘 자동화 제조 공정에 따라 제조된다고 한다. 또한 경쟁 제품과 다른 한 가지 중요한 점이 있다. “모든 스트레인 웨이브 기어는 고객 요건에 따라 개발됩니다. 적용 사례를 기어에 맞추는 것이 아니라, 기어를 고객 요건에 정확하게 맞춥니다.”(다니엘 오블라덴)

Ovalo는 고객에게 완전한 시스템을 제공할 수 있도록 백래시가 없는 웨이브 기어와 브러시리스 전기 모터 그리고 모든 관련 부착 부품 및 센서로 구성된 토탈 드라이브 컨셉트를 구비하고 있다.

니들 베어링으로 인해 보다 콤팩트한 기어가 가능하다

Schaeffler도 최근에 협동 로봇 기어 박스 시장에 진입하였다. 이 회사는 로봇용 베어링 제조업체로 잘 알려져 있으며 이런 점이 유리하게 작용하였다. 2020년에 새로운 앵귤러 니들 베어링 XZU를 출시하였으며, 이는 XRB 시리즈의 크로스 롤러 베어링보다 강성이 25% 이상 높다(로봇 관절의 최신 기술). 그 이유는 두 개의 궤도 내 니들의 X-배열(45° 경사)과 롤러 대신 니들로 인해 하중 지지 전동 요소의 수가 많기 때문이다. 이 구름 베어링은 경량 로봇의 다관절 암 베어링으로 ​​사용되지만 RTWH 시리즈의 새로운 스트레인 웨이브 기어에 대한 메인 베어링으로도 사용된다. Schaeffler 산업 기계 사업 책임자인 미하엘 하이트는 2020년 초 제품 프레젠테이션에서, 이 베어링으로 인해 시스템 강성과 마찰 거동이 개선되고 동시에 컴팩트한 구조가 가능하다고 설명했다.

Schaeffler는 높은 강성과 정밀도를 강점으로, 협동 로봇용 정밀 기어박스를 출시하였다.

Schaeffler는 협동 로봇 조인트를 위해 Durawave 스트레인 웨이브 기어를 특별히 개발했으며, 자동차 부문의 스트레인 웨이브 기어에 대한 개발 경험을 활용할 수 있었다. Schaeffler의 로봇 공학 사업부 책임자인 니콜라이 헤멜러에 의하면, 이 기어 박스에 특수 재료와 최적화된 제조 공정을 적용하였다고 한다. 예를 들어, 플렉스 스플라인의 심장부는 냉간 성형으로 생산되며 새로운 표면 처리를 거치게 된다.

Durawave 기어 박스는 현재 14, 17, 25, 32 등 4가지 크기로 제공되며, 기어비는 100~160이고, 공칭 토크는 25~900Nm이다. “메인 베어링으로 ​​앵귤러 콘택트 니들 베어링 XZU을 통합하여, 로봇의 위치 정확도를 높이고 끝 위치에서 진동을 줄이기 위해 최대 강성과 최적화된 마찰 동작을 보장합니다.”(니콜라이 헤멜러)

Durawave 스트레인 웨이브 기어는 로보틱스를 위해 특별히 개발된 UPRS 모터 시리즈와 결합할 수 있다. PCB 회로 기판 기술의 축 방향 자속기에 고정자를 적용한 설계로, 설치 공간을 줄여 무게가 가벼우며 뛰어난 성능이 가능하다. 이 모터는 비슷한 직경의 기계와 비교할 때 무게를 최대 1/4로 줄이고 30% 더 짧다. 니콜라이 헤멜러에 따르면 현재 변속기에 통합되는 토크 센서를 개발하고 있으며, 이를 통해 설치 공간을 고려하지 않고 협동 로봇 조인트를 센서화할 수 있다고 한다.

저가 시장을 위한 플라스틱 기어

igus는 로봇 공학에서 약간 다른 접근 방식을 취하고 있다. 이는 바로 저렴한 비용이다. 일반적으로 스트레인 웨이브 기어라고 하면 고가의 정밀 기어를 떠올릴 수 있다. 최근 몇 년 동안 igus는 “저비용 자동화”라는 주제를 강조하며 ​​비용을 절감한 로봇 솔루션을 개발해왔다. 이를 위한 구성 요소는 완전히 플라스틱으로 만들어진 스트레인 웨이브 기어를 포함하며, Robolink 링크 구성 키트에서 확인할 수 있다. igus는 고성능 플라스틱을 사용하기 때문에 웨이브 기어는 금속 제품처럼 윤활을 추가할 필요가 없다. 이는 마찰과 마모가 건식 마찰 폴리머에 의해 최적화되기 때문이다. 동시에 플라스틱을 사용하면 매우 컴팩트한 디자인과 저렴한 제조가 가능하다. 하지만 사용자는 정밀도와 강성 측면에서 한계를 이해하고 감수해야 한다. igus는 웨이브 기어를 적극적으로 연구하고 발전시켜 왔다. 특히 최신 모델은 설계 최적화와 재료 선택을 통해 유연함과 백래시 그리고 서비스 수명을 더욱 향상시켰다.

igus 스트레인 웨이브 기어는 무급유 고성능 플라스틱으로 제작하여 가볍고 유지 보수가 편하며 내구성이 뛰어나다.

또한 가벼운 플라스틱 기어는 서비스 로봇의 전체 무게를 줄여 더 많은 하중을 감당하기 때문에 서비스 로보틱스를 중점적인 적용 분야로 고려할 수 있다. “경량 플라스틱 스트레인 웨이브 기어가 8kg 미만의 로봇 시장에서 기회를 보고 있습니다. 저비용 자동화의 로봇에서는 탑재 하중과 저렴한 가격 외에도 자체 중량이 중요하기 때문입니다.”(알렉산더 뮐렌스, igus 저비용 자동화 책임자) 응용 분야로는 요식업(커피 제공) 또는 유지 관리를 위한 협동 로봇뿐만 아니라 물류 분야 등에 적용할 수 있다. igus는 새로운 버전의 플라스틱 스트레인 웨이브 기어를 2020년 4월에 출시하였다. 또한 2021년 봄에 모터 컨트롤러, 힘 제어 전자 장치, 절댓값 엔코더 그리고 모터가 통합된 80 및 105 크기의 스트레인 웨이브 기어 적용 모듈식 기어 박스를 선보였다.

거의 유일한 협동 로봇용 사이클로이드 기어

사이클로이드 기어 역시 높은 토크를 전달할 수 있어, 높은 수준의 효율을 달성할 수 있다. 하지만 이미 언급한 바와 같이 협동 로봇에 적용하기에는 난관이 있었다. 그런데 지난 2018년 Automatica 박람회에서 Sumitomo Cyclo Drive가 사이클로이드와 웨이브 기어의 조합을 선보였다. E-Cyclo 기어 박스(‘E’는 ‘elastic’의 약자)는 높은 강성과 전달 정확도를 동시에 갖춘 백래시 없는 동력 전달이 가능하지만, 그럼에도 불구하고 작고 가볍다. 가장 작은 E-Cyclo ECY103은 외경 74mm에 길이가 52.5mm이다. 중공축 직경은 19mm, 무게는 0.9kg이다. 예를 들어, 공급 라인이나 스트레인 웨이브 기어는 큰 중공 샤프트를 통해 공급할 수 있다. 기어 박스는 25~63Nm의 공칭 작동 토크를 지원하지만 최대 137Nm의 가속 토크로 부하를 가할 수 있다.

협동 로봇의 성장 추세와 함께 스트레인 웨이브 기어의 사용도 증가하고 있다. 더 가볍고 더 작아지고 더 강력해지고 디지털화하는 추세에는 변함이 없다. 협동 로봇은 궁극적으로 작업자와도 소통해야 한다. 이러한 방향에서 Graz University of Technology의 연구원은 회전하는 기어가 필요없는 협동 로봇용 지능형 기어 박스를 개발했다. 이 개념은 ‘Smart Gear’라고 부르며, 협동 로봇용 기어의 개발은 아직 계속 진행 중임을 여실히 보여주고 있다.

MM 연구

더 강력한 협동로봇을 위해

필립 아이젤레는 그라츠 공과대학에서 박사 학위 논문의 일환으로, 이전 변속기보다 2배 높은 기어비를 달성하는 지능형 센서가 탑재된 소형 변속기를 개발하였다. ‘스마트 기어’라는 이 드라이브 시스템은 특허를 받았다. 스마트 기어는 기어 휠 회전을 사용하지 않아 이전의 동축 기어보다 2배 높은 효율을 달성한다. “이 시스템은 기존 변속기에 비해 기어비를 두 배로 늘릴 수 있어 전달되는 토크가 증가합니다.”(필립 아이젤레). 결과적으로 기존 기어 박스에 비해 같은 동력을 유지하면서 크기와 무게를 절반으로 줄일 수 있다.

또한 ‘스마트 기어’는 기어 휠 회전을 제거하여 하우징 내 사용 공간을 확보했다는 장점이 있다. 필립 아이젤레는 다음과 같이 설명한다. “이렇게 생긴 공간에 새로운 지능형 센서를 장착할 수 있습니다. 이제 클라우드 서비스 또는 로컬 회사 네트워크에 연결할 수 있으며, 성능 데이터와 기어 박스 상태를 모니터링하고 생산 프로세스를 효율적으로 관리할 수 있습니다.”