왜 롤러 스크류가 로봇공학에서 최고의 성능을 내는가
아마 롤러 스크류에 대해 들어보지 못하셨을 수도 있지만, 이 작고 효율이 높은 나사 구동장치는 일상적인 기기와 제품 생산에 중요한 기술입니다. 실제로 여러분이 타는 자동차의 생산과 조립에는 스탬핑, 파이프 벤딩, 리베팅 등의 작업을 수행하는 롤러 스크류가 아마 20개 이상 사용됩니다.
하지만 롤러 스크류는 사출 성형이나 기계 가공과 같은 자동차 및 중공업 분야에만 쓰이는 것이 아닙니다. 오히려 롤러 스크류는 어떤 나사 기술보다도 작은 변위(움직임)를 만들어낼 수 있으며, 매우 조용하고 부드럽게 작동하므로 다양한 로봇공학 분야에 이상적입니다.
로봇이 필요로 하는 것: 높은 효율과 컴팩트한 크기
정밀 나사 기술에는 세 가지 주요 옵션이 있습니다: 리드 스크류, 볼 스크류, 롤러 스크류. 리드 스크류는 설계와 소재 면에서 다용도로 쓰이지만 효율과 하중 능력은 상대적으로 낮습니다. 볼 나사 쌍은 효율이 좋지만, 작은 나사 직경과 작은 피치가 필요한 경우에는 하중을 담당하는 볼 역시 매우 작아야 하므로 하중 능력이 떨어집니다.
반면 롤러 스크류는 컴팩트한 크기에서도 좋은 추력을 내며, 가능한 모든 방식 중 최고 수준의 우수한 효율을 제공합니다. 예를 들어, 같은 직경(모두 피치 1mm)의 다양한 나사 기술의 하중 능력과 효율을 비교하면, 롤러 스크류는 볼 나사보다 네 배 높은 하중 능력을 가지며, 효율은 리드 스크류보다 두 배 높습니다.
이러한 성능과 설계 특성의 조합 덕분에 롤러 스크류는 많은 로봇공학 및 관련 응용 분야에 이상적인 솔루션입니다. 예를 들어, 관절을 연결하기 위해 선형 작동을 사용하는 로봇(이두근이 전완의 움직임을 제어하는 방식과 유사)은 롤러 스크류 구동장치의 높은 하중 능력과 낮은 무게로부터 이점을 얻습니다.
로봇 그리퍼 응용 분야에서 롤러 스크류는 안정적인 집기에 필요한 매우 높은 수준의 유지력을 제공할 수 있으며, 최소한의 입력 토크로 이를 구현할 수 있습니다. 높은 힘과 낮은 입력 토크를 이렇게 결합하는 핵심은 리드가 매우 작은 나사를 사용하는 것입니다.
롤러 스크류는 엔드 이펙터의 로봇 도구에도 사용할 수 있습니다. 이러한 응용 분야에서는 작은 하우징 안에서 큰 힘을 만들어내는 롤러 스크류의 능력이 다른 솔루션에 비해 장점이 됩니다. 로봇 팔 끝에 있는 부품에서는 낮은 무게(질량)를 유지하는 것이 매우 중요하기 때문입니다.
로봇 팔 끝에 놓인 무거운 하중은 상당한 관성을 만들어 로봇 움직임의 정밀한 제어를 어렵게 하고, 경우에 따라 더 큰 모터와 다른 구동계 부품을 요구합니다. 이처럼 뛰어난 출력 대 무게 비율이 바로 점용접 로봇과 자동 리베팅 장비의 대다수가 구동을 위해 롤러 스크류를 사용하는 핵심 이유입니다.
로봇공학의 트렌드
현대의 컴퓨팅, 제조 방식, 배터리 기술은 자동화와 전동화 분야의 빠른 발전을 이끌었고, 불과 몇 년 전만 해도 불가능했던 수많은 새로운 로봇 및 이동형 응용 분야를 만들어냈습니다. 그 예로 능동형 의수(모터로 구동되는 의수)의 개발을 들 수 있으며, 이는 사지 절단 환자의 기능과 움직임을 크게 개선합니다.
각 관절마다 자체 모터와 감속기를 사용하는 대형 산업용 로봇과 달리, 많은 능동형 의수는 나사 구동 선형 액추에이터를 사용하여 더 작고 가볍고 튼튼한 설계를 가능하게 합니다. 능동형 의수에는 다양한 유형의 나사가 쓰일 수 있지만, 롤러 스크류는 다른 기술에 비해 중요한 장점을 가지는데, 바로 타의 追随를 불허하는 성능 대 크기 비율입니다.
예를 들어, 손바닥에 올라갈 만큼 작은 직경 3.5mm의 롤러 스크류는 최대 227kg의 하중을 밀어낼 수 있으며, 인간의 관절과 손가락을 더 잘 모사하기 위해 마이크론 및 서브마이크론 범위의 움직임을 수행할 수 있습니다.
전동 외골격은 빠르게 발전하고 있는 또 다른 로봇 기술입니다. 전망에 따르면 외골격 시장은 2021년부터 2026년까지 46% 이상 성장할 것이며, 이 성장의 큰 부분은 (수동형 외골격에 비해) 능동형 외골격이 차지할 것입니다.
사람에게 너무 무겁거나 위험한 모든 수작업을 로봇에게 프로그래밍할 수 있으면 좋겠지만, 주택 마당의 나무 가지치기처럼 많은 작업에서는 변수가 너무 많아 실용적이지 않습니다. 해결책은 사람이 제어하는 외골격이나 능동적으로 제어되는 로봇입니다.
이는 사람의 판단과 더 낮은 위험, 더 적은 부상, 증가된 하중 능력을 결합합니다. 의수와 마찬가지로 외골격도 무게, 크기, 복잡성과 관련된 설계상의 제약에 직면합니다. 여기서 매우 높은 힘 대 크기 및 무게 비율은 롤러 스크류를 이상적인 솔루션으로 만듭니다.
그리고 로봇 응용 분야가 작아지고 이동성이 높아질수록 에너지 소비, 크기, 무게 같은 특성이 더 큰 제약 요인이 됩니다. 드론, 자율 수중 로봇(AUV), 우주 탐사 차량 등 어떤 것이든 요구 사항은 같습니다. 최소한의 공간에서 높은 효율, 강도, 신뢰성을 갖추는 것입니다.
