건설 중기 혹은 파운딩 장비 등의 대형 기계는 공압 모터를 활용해 작업을 수행해 왔다. 유지력(Holding Strength)과 에너지 밀도 그리고 견고성이 뛰어나기 때문이다. 각종 정밀기기에 쓰이는 소형 실린더 역시 그렇다. 하지만 최근에는 전기 모터를 선택하는 설계자들이 늘고 있다.  Keller HCW의 디자이너들이 로봇 그리퍼에 쓰이는 유압 액추에이터를 LinMot사의 12개의 전기 모터로 교체한 경험을 공유한다.

전기 모터가 새로이 각광받고 있다. 작용하는 힘이 다양하게 변화하는 민감한 응용사례에서 러브콜을 받고 있다. 일정한 힘을 유지하고 미세하게 조정하는 작업에는 전기 모터가 공압 모터보다 용이하기 때문이다. 

  그리퍼를 사람의 손처럼
2015년 뮌헨에서 열린 Automatica 전시회에서는 Keller HCW의 그리퍼가 화제였다. 공압 실린더를 직접구동 리니어 모터로 변경함으로써 Keller HCW의 로봇 그리퍼는 벽돌부터 샴페인 잔 그리고 휴지상자에 이르기까지 다양한 물건을 안전하게 집을 수 있었다. 

Keller HCW가 개발한 업그레이드된 그리퍼는 건설 작업 중 벽돌을 비롯한 다양한 물건들을 들어 올리고 적재하기에 적합하다.

Keller HCW 측은 새로운 그리퍼에 기능·유지보수·반복성·정확도·에너지 효율성 등 많은 측면에서 개선이 있었다고 설명했다.

공압 실린더의 한계
기존의 공압 실린더는 스트로크가 10㎜에 불과했다. 따라서 다양한 크기와 모양 그리고 단면을 가진 벽돌을 집는 데에 한계가 있었다. 이로 인해 작업을 마칠 때마다 작업자들이 손수 그리퍼의 그립 끝부분을 교체해야 했다. 이는 작업시간 증가는 물론 작업자와 장비의 에너지를 낭비로 이어진다.

또한 공압 실린더를 활용하면 다양한 종류의 그리퍼를 구비해야 하며, 이는 비용 증가를 야기한다. 기술자들은 회전 서보 드라이브를 활용해 스트로크 길이를 조절하고 움켜쥐는 능력을 높이고자 했다. 하지만 이 솔루션을 선택하더라도 조정 반복(Adjustment Repeatability)이라는 문제는 해결되지 않는다.

공압 실린더는 대기 습도나 주변 온도 등 환경적 요소에 크게 영향을 받는다. 이들 요소에 적응하는 과정에서 실린더가 어떻게 작동할지 예측하는 것은 매우 어려운 일이다.

  전기 모터를 활용하자
실린더를 모터로 교체하면 주변의 환경에 의한 영향을 덜 받게 된다. 허용 가능한 반복도 이내에서의 피드백 응답 및 증분 조절을 구현함은 물론이다. 

Keller HCW에 근무하는 자동화 및 전기 공학 전문가는 “리니어 모터는 공압 드라이브보다 정밀하고 역동적으로 작동한다”며, “보다 짧은 시간 내에 보다 긴 스트로크를 커버하는 것도 장점”이라고 설명했다.

개발팀은 공압 모터에서 전기 모터로 동력장치를 전환한 뒤 그리퍼의 힘 및 유지력에 미치는 영향을 알아보고자 했다. 모터로 인해 힘을 다양하게 조절할 수 있게 되었다고 하더라도 최대 힘을 제대로 발휘하지 못해서는 안되기 때문. 

이를 달성하기 위해 연구팀은 LinMot의 열두 개의 PS01-37Sx120-HP-N를 채용했다. 최대 120㎜에 달하는 증분형 스트로크 길이 및 122N의 최대 힘을 자랑한다. 작은 폼 팩터는 덤이다.

  실제 적용
모터는 LinMot사의 C1100 시리즈에 탑재된 12개의 Proifinet 서보 컨트롤러를 활용하여 작동한다. 사용자 인터페이스를 활용하여 자동 픽 앤 플레이스 작업에 벽돌 정렬 작업을 추가할 수 있다. 수동제어를 최소화할 수 있는 비결이다. 

이 제품은 또한 인터페이스를 활용해 그리퍼의 쥐는 힘과 스트로크 길이를 직접 조절 및 제어할 수 있다. 보다 작고 가벼운 설계를 위해 모터가 그리퍼 조(Jaw) 위에 위치한다.

Keller HCW 개발팀은 차기 개발품에 LinMot의 다축 모듈 혹은 통합 구동장치(Drive Electronics)를 활용한 분산형 모터를 적용하고자 한다. 제품이 차지하는 공간 및 전체 무게를 줄이기 위해서다.