하모닉드라이브 장비를 통해 공장자동화의 생산성을 높일 수 있다. 가볍고 작은 장치 안에 다양한 설계 특성을 도입한 하모닉드라이브는 모션컨트롤과 공장자동화 분야에 두루 쓰이는 신흥 강자로 자리매김했다.
글｜Alan Clements·Robert Mullins, HARMONIC DRIVE
  25년 전, 정점에 서있던 미국 제조업이 내리막을 걷기 시작했다. 이 여파로 점차 많은 업체들이 자사 제품을 북미 지역에서 생산하기로 결정했다. 그와 동시에 산업 분야에 새로운 유행어가 등장하기 시작했다. 제조업체의 생산시설이 저임금 국가에서 북미 지역으로 귀환하는 현상을 나타내는, 리쇼어링이 그것이다.

미국 제조업의 르네상스를 실현한 배경에는 기업의 적극적인 참여 등 다양한 요인이 있다. 하지만 핵심적인 요소를 하나만 꼽자면, 근로자의 생산성 측면을 들 수 있다. 

1977년부터 2010년에 이르기까지, 미국 제조업계에서의 고용은 꾸준히 감소한 반면 공장의 생산량은 오히려 두 배 이상 뛰었다. 미국의 노동자 및 노동 한경이 훨씬 생산적으로 변한 셈이다.

생산성의 증가는 비단 노동자들이 스마트해졌기 때문만은 아니다. 공장자동화 관련 제품에 대한 투자가 늘어난 점도 한몫하는 것. 이러한 투자로 인해 미국 지역에서는 아시아 지역 노동자 대비 3배의 생산성을 갖출 수 있게 되었다. 이를 바탕으로 오늘날의 미국 공장자동화는 제조업체들이 세계 시장에서 효과적으로 경쟁할 수 있는 무기를 갖추었다.
 

공장자동화와 관련한 경쟁에서 우위를 점하기 위해서는 현대의 로봇 및 자동화 시스템이 이전보다 더 빠르고 정확해야 한다. 로봇 팔이나 장치의 구조를 비롯해 자동화 시스템의 높은 정밀도와 부드럽고 원활한 작동이 필요한 것. 이를 좌우하는 것이 기어 메커니즘이다.
 

로봇은 보통 여섯 개의 축으로 만들어져 있으며, 각 축마다 개별적으로 감속기를 가지고 있다. 이러한 로봇의 가속도·위치 정밀도·동적 성능 등을 결정짓는 요소가 기어장치다. 기어장치는 최적의 생산성을 위해 성능을 떨어트릴 위험을 사전에 피함으로써 설계요소를 최소화한다. 
 

하모닉드라이브 기어장치 및 액추에이터는 로봇의 잠재력을 최대한 발휘하게끔 만듦으로써 제조업체의 생산량을 증폭시킨다.

 

‘고성능’이라는 말은 각 분야마다, 그리고 사람마다 받아들이는 의미가 다르다. 

공장자동화에서 고성능이란 로봇 등 공장자동화 장비의 뛰어난 동적 성능을 의미한다. 동적 성능으로는 빠른 주기시간(Cycle Time. 가속도·감속도·속도·빠른 정정시간Settling Time 등이 이에 해당한다), 부드러운 궤적(Smooth Trajectory), 로봇의 크기에 비례한 적하능력 등이 있다. 
 

위치결정 정확도와 반복도 역시 자동화의 높은 성능을 달성하기 위해 필수적인 요소다.

정확도는 로봇이 사전에 명령받은 위치에 얼마나 근접하게 도달하는지를 나타내는 값이다. 로봇의 실제 위치와 명령한 위치를 비교했을 때의 차이 혹은 오류를 정확도로 정의한다.

반면 반복도는 장치가 명령한 지점까지 얼마나 신속하고 정밀하게 복귀하는지를 나타내는 척도다. 반복도는 정확도와는 다른 개념이다. 로봇을 사용하고자 할 때 더욱 중요한 기준으로 작용한다.

반복도가 ±0.02㎜가량 되며 700㎜ 범위 내에서 각도 반복도를 변환하는 로봇은 기반 축 기준으로 ±5.9아크초 안에 변환을 실현한다. 

백래시는 대부분의 기어 기술에 내재되어있다. 백래시를 이해하는 것은 각 축의 출력부에 높은 해상도(분해능)의 절대형 인코더를 사용하지 않고도 높은 반복도 수준을 달성할 수 있도록 만드는 열쇠다.
 

기어 혹은 서보 액추에이터를 통해 고성능의 자동화를 실현하기 위한 성능 요건으로는 무엇이 있을까? 여기에 필요한 요구사항은 ▲고 정밀 ▲우수한 반복도 ▲제로 백래시 ▲높은 비틀림 경도 ▲높은 토크와 가벼운 무게의 조합(이를 토크 밀도Torque Density라고 한다) 요약할 수 있다. 

표를 보면 로봇 성능에 영향을 미치는 이러한 기어 특성을 어느 정도 이해할 수 있다. 이 문서는 주로 로봇에 초점을 맞추었지만, 표와 동일한 원칙은 정밀한 자동화의 모든 유형에 도입할 수 있다.

 

평기어(스퍼기어라고도 한다)와 유성기어는 단방향의 위치결정에는 매우 정확하다. 하지만 반복성이라는 측면에서는 부족함을 드러낸다. 이는 시스템 제어 관련 문제를 일으킬 수 있음을 의미한다. 주요 원인은 백래시다. 백래시는 기어 이의 균일한 간격을 유지하고 이의 마모를 최소화하며 장치가 원활하게 구동 및 작동할 수 있도록 돕는다. 백래시는 로봇의 성능에 부정적인 영향을 미치는데, 특히 첫 번째와 두 번째 축에서 최고조를 이룬다.
 

평기어와 유성기어는 무게가 무겁다. 이로 인해 로봇의 적하능력이 줄어들고, 로봇 팔의 관성이 높아져 가속률이 줄어들며, 에너지 효율이 감소한다.
 

기어 백래시의 부정적 효과는 로봇의 마지막 축을 향할수록 점점 작아진다. 이로 인해 무게가 무거운 기어시스템, 즉 헤비기어 시스템을 사용하는 것과 같은 효과가 점차 커진다. 헤비기어를 로봇 팔에 장착하면 물체를 옮기는 것보다 오히려 팔 자체를 움직이는 데에 토크의 대부분을 사용하게 된다. 또한 팔의 관성이 커짐에 따라 최대 가속도에 제한이 생긴다.

 

하모닉기어라고 알려진 기어 기술은 평기어 및 유성기어가 가지고 있던 문제를 해결한다. 불과 수 아크초 이내에 뛰어난 위치 정밀도 및 반복도를 제공한다. HARMONIC DRIVE 모션컨트롤 제품은 하모닉기어 기술을 제품 내에 통합해 더 가볍고 작은 기어 및 서보 액추에이터를 생산함과 동시에 로봇이 최선의 성능을 발휘할 수 있는 설계를 실현했다.
 

오늘날 다양한 로봇제조업체들이 하모닉드라이브 기어 및 액추에이터를 사용하고 있다. 하모닉기어만이 가지고 있는 고유의 성능을 활용하기 위해서다. 

하모닉기어의 장점은 다음과 같다.

 

1. 고 정밀도. 하모닉드라이브 기어의 표준 정밀도는 1아크분 미만이다. 고객의 요청에 따라 30아크초 미만의 제품을 제공하기도 한다.

2. 뛰어난 반복성. 보통 ±5아크초가량의 반복성을 자랑한다.

3. 제로 백래시. 하모닉드라이브 제품은 진정한 백래시를 제공한다. 기어의 로스트 모션(공전. 저토크 영역에서의 이력현상을 의미함)은 입력부가 회전식으로 잠겨있는 환경에서 출력부에 정격 토크의 ±4%를 적용함으로써 측정한다. 하모닉드라이브의 로스트 모션은 1아크분 미만이며, 동시에 기어의 수명을 안전하게 유지한다.

4. 높은 비틀림 경도. 이로 인해 최대 30% 이상의 기어 이가 언제나 맞물려있다.

5. 높은 토크 밀도. 기어 기술이 단순하한 덕에 기어 및 액추에이터의 무게는 가볍지만 토크는 여전히 높다. 토크 밀도가 높은 기어와 출력 밀도가 특히 높은 액추에이터를 만드는 비결이다.

하모닉드라이브가 가진 제로 백래시 특성은 성능 면에서 다양한 이점을 제공한다. 로봇이 일반적인 운동궤적(Motion Profile)을 따라 움직이면 기어의 하중이 반전되기를 반복하면서 다양한 가속 및 감속을 겪게 된다. 기어에 작용하는 백래시는 그 종류가 무엇이든 관계없이 가속 혹은 감속하는 동안 덜컥거리는 움직임(Jerky Motion)에 의해 기어시스템에 충격부하(Shock Load)를 만들 위험이 있다. 충격부하는 서보시스템을 방해하고, 오버슛을 만들며, 로봇이 계획된 궤도에서 이탈하는 원인으로 작용한다.
 

부하의 반전은 시간이 지남에 따라 평기어 혹은 유성기어의 백래시와 결합함으로써 기어 이 마모의 원인이 되며, 나아가 위치 정밀도 및 반복도를 저하시킨다. 가속률을 줄이고 로봇의 작동주기(Cycle Time)를 늘림으로써 이러한 현상을 최소화할 수 있다.
 

하모닉드라이브 기어 고유의 제로 백래시 특성은 앞서 기술한 모든 문제를 해결한다. 기어를 사용한 로봇은 가속 및 감속 작업을 매우 빠르게 수행하면서도 기존 기어시스템에서 겪던 충격부하가 없다. 또한 백래시가 없는 하모닉드라이브 기어 혹은 액추에이터를 사용하면 서보 기구의 게인을 높게 설정해 동적인 성능 및 위치 정밀도를 높이고 추종오차(Following Error)를 줄일 수 있다.
 

하모닉드라이브 기어의 고 정밀도는 원활한 움직임을 통해 출력부의 속도 변동을 최소화한다. 기어의 고 정밀도는 로봇의 높은 위치결정 정확도와 뛰어난 반복도를 동시에 제공한다.
 

하모닉드라이브 기어 혹은 액추에이터를 사용하는 자동화 장비 중 대부분이 모터 측에 장착된 단일 인코더를 필요로 한다. 속도제어와 위치제어를 모두 실현하려는 것. 정밀 기어가 가지고 있는 높은 정확도와 반복도를 통해 로봇 관절 출력부에서 제2의 절대형 인코더에 대한 필요성을 줄일 수 있다. 하나의 인코더만으로도 속도 루프와 위치 루프를 닫을 수 있어 기계 설계를 단순화하고 배선 및 제어 측면을 간단하게 만든다.
 

하모닉 기어는 여타 기어와 달리 일단(Single Stage)에서 높은 감속비를 제공한다. 이를 통해 기어와 모터의 크기와 무기를 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 하모닉드라이브 기어는 모터에 반사되어 돌아오는 출력부하관성의 양을 줄임으로써 모터가 더 빠른 속도로 응답할 수 있도록 돕는다.
 

하모닉드라이브 제품은 토크 밀도가 높다. 이는 기어를 로봇 팔에 사용할 경우 상당한 이점으로 다가온다. 기어 무게가 가벼워 로봇 팔의 질량과 관성이 모두 낮아지며 더 빠른 위치결정 및 더 큰 부하를 실현케 한다. 일종의 캐스캐이드 효과인 셈이다. 여섯 번째 축에서 첫 번째 축으로 이동하는 과정에서 기어의 질량을 지지하거나 가속하는 데에 필요한 토크를 줄인다.
 

마지막으로 장치는 작동 과정에서 이의 마모가 거의 없다. 따라서 하모닉드라이브 기어는 제로 백래시를 제공하고, 유지보수가 필요 없는 긴 수명시간을 보장하며, 비용이 많이 드는 정지시간 및 고장시간을 줄인다.
 

플렉스플라인은 일종의 컵이라고 할 수 있다. 이 컵의 끝단에는 외측 톱니가 달려있다. 플렉스플라인은 비틀림에 강하며 조파 장치에 적합하다. 타원형 기어의 형태를 띠고 있다. 플렉스플라인은 보통 기어의 출력부에 사용한다.
 

조파 장치는 타원형 허브에 장착된 얇은 볼 베어링을 말한다. 일반적으로 입력축 혹은 모터축 위에 장착된다. 허브가 회전함에 따라 베어링의 회전하지 않는 외륜 바깥부분에 한 쌍의 이동 파형(Moving Waves)이 생성된다.
 

원형 스플라인은 단단한 고리 형태를 취하고 있다. 내부에 기어 이를 장착하고 있다. 조파 장치의 장축을 따라 플렉스플라인의 이와 결합한다. 원형 스플라인은 플렉스플라인보다 이가 두 개 많으며, 보통 기어 하우징 내에 장착 및 고정된다(즉, 회전하지 않는다).
 

하모닉 기어는 독특한 이 결합(Tooth Engagement)을 통해 백래시 없는 맞물림을 실현한다. 높은 위치 정밀도와 높은 토크 그리고 작은 폼 팩터 등 여러 이점을 제공한다. 기존의 기어에서 사용하던 인벌류트 치형과는 달리, 하모닉드라이브 기어에 최적화된 치형(S 치형)은 총 기어 이의 30%가량이 결합되어있다. 이러한 기술혁신으로 인해 높은 토크, 높은 비틀림 경도, 긴 수명, 부드러운 회전 등을 실현한다. S 치형은 기어 이의 뿌리부분을 넓혀 보다 큰 반경을 제공함으로써 사실상 응력집중현상을 없앤다. 
 

박스기사는 플렉스플라인의 기어 이가 원형 스플라인의 기어 이와 맞물림에 따른 진행을 나타낸다.

 

하모닉드라이브는 공장자동화 시스템에 특히 적합한 제품이다. 공장자동화 시스템에 도움을 주는 기능 및 설계상 특징은 다음과 같다.

 

1. 스루홀(Through-hole) 설계. HARMONIC DRIVE가 생산하는 기어헤드 및 액추에이터는 대다수가 큰 속빈축(Hollow Shaft)을 자랑한다. 케이블이나 파이프 혹은 동축 샤프트 등 다양한 형태에 대응해 기어 혹은 액추에이터와 연결할 수 있다. 설계를 크게 단순화하고 신뢰성을 높이는 요인이다.
 

2. 플렌지 출력(Flanged Output). 많은 하모닉 드라이브 기어 및 액추에이터 제품은 부하의 정면 붙임(Direct Mounting)에 대한 플렌지 출력을 제공한다. 큰 BCD(Bolt Circle Diameter)를 통해 출력축 연결이 미끄러지지 않는 안전한 장착을 보장한다.

 

3. 크로스 롤러 출력 베어링(Outpet Bearing). 이 베어링을 사용하면 광범위한 제품을 폭넓게 통합할 수 있으며 좁은 공간에서 높은 축 방향 하중, 반경 방향 하중, 순간 하중 등을 제공한다.
 

4. 기어비의 크기나 무게 변경이 필요 없다. 하모닉 기어는 기어비에 상관없이 모든 제품이 동일한 크기와 무게 그리고 폼 팩터를 가지고 있다. 이를 통해 전체 메커니즘을 재설계하지 않고도 유연하고 탄력 있는 설계 및 수정 작업을 실현한다. 일반적으로는 30:1부터 160:1에 이르는 기어비를 사용할 수 있다.

HARMONIC DRIVE의 경량 제품은 로봇 및 자동화 장비의 성능을 높이기 위해 개발되었다. 토크 밀도가 향상되어 다관절 로봇이나 이동식 로봇 등 다양한 장비에 이점을 제공한다.
 

다관절 로봇은 용접과 장비 제조 그리고 포장 등에 자주 쓰이는 장비다. HARMONIC DRIVE가 생산하는 기어는 로봇 팔의 관성을 줄임으로써 빠른 가속 및 정정시간을 달성케 한다. 또한 적하능력을 높이고 필요한 전력을 줄인다.
 

이동식 로봇이란, 물리적으로 한 장소에 고정되어있지 않고 일정 범위 내에서 이동할 수 있는 로봇을 말한다. 이 로봇은 대부분 배터리를 이용해 구동한다. 따라서 배터리를 적게 소모하는 작은 크기 및 무게가 가장 기본적인 설계 관련 고려사항이 되었다. 폭발물 처리 로봇에서와 같이 이동식 로봇의 관절 및 팔 부분에서 하모닉드라이브를 사용하면 팔 부분의 적재량을 높일 수 있다.
 

바퀴가 달려있는 휴대용 로봇의 경우 기어가 가벼우면 로봇의 전체 무게가 함께 줄어든다. 전력에 관련한 요구사항을 줄여 배터리 수명을 개선할 수 있는 열쇠다. 로봇의 이동성을 높이는 것은 물론이다.

 

하모닉드라이브 기어 및 액추에이터는 오늘날 다양한 범위에서 쓰이고 있다. 기어 기술이 가지고 있는 특징 덕이다. 일부 응용사례는 하모닉드라이브 장치가 가지고 있는 제로 백래시 및 높은 위치 정밀도 등을 필요로 한다. 또한 일부는 토크 대 무게 비율 측정이 필요하다. 몇몇 설비에서는 이러한 특성을 모두 사용하기도 한다.
 

산업용 로봇은 하모닉드라이브 기어 제품의 주요 응용분야다. 

산업용 로봇은 높은 토크 능력과 높은 비틀림 경도 그리고 우수한 반복성 등을 필요로 한다. 속빈축 설계 역시 선호하는 추세다. 선로(Cable Routing)을 쉽고 깔끔하며 신뢰성 있게 만들어주기 때문이다. 

고성능 기어장치에는 크로스 롤러 베어링이 쓰인다. 크기가 작기 때문이다. 크로스 롤러 베어링은 특히 특별한 경사 모멘트(Tilting Moment)를 가지고 있는 로봇 축에 사용하기 적합하다.
 

6축 로봇의 주축은 사이클의 가속·감속 단계에서 높은 최대 토크를 제공해야 한다. 또한 주축 기어는 높은 반복성 및 위치정확도를 실현할 수 있어야 한다. 정밀한 조립작업과 정확한 경로추적을 실현하기 위해서다. 아크 용접 및 접착 관련 응용사례가 이에 해당한다. 하모닉드라이브 기어 및 액추에이터는 이러한 까다로운 요구사항을 손쉽게 해결한다.

의료기기가 진보해옴에 따라 고 정밀 모션컨트롤에 대한 요구사항 역시 높아졌다. 이를 단적으로 확인할 수 있는 예가 있다. 뇌 수술에 쓰이는 정위 머니퓰레이터(Stereotactic Manipulator)의 회전축에 쓰이는 기어장치가 그것이다. 

머니퓰레이터는 의사가 사용하는 수술현미경의 움직임을 돕는 6축 로봇 팔이다. 수술이 진행됨에 따라 현미경은 수술 부위의 실제 시각자료 위에 컴퓨터의 자료를 중첩시키는 역할을 하며, 동시에 의사에게 원활한 수술 관련 자료를 제공하는 전방 표시장치(헤드업 디스플레이라고도 한다)의 역할을 수행한다. 하모닉드라이브 장치의 정밀도와 신뢰성은 수술을 성공적으로 이끌기 위해 없어서는 안 될 특징이다.
 

또 다른 의료 관련 응용사례로는 핵의학 카메라가 있다. 주로 다목적·단일광자 단층촬영(SPECT)·평면영상 등에 사용한다. 서로 다른 15개의 영상 집합을 생성할 수 있다. 핵의학 카메라는 개방형 설계를 지향하고 있으며 환자 이송용 들것이나 병원 침대 그리고 휠체어 등에 있는 환자도 촬영할 수 있다. 하모닉드라이브의 기어장치를 활용하면 감마선 카메라를 안전하고 안정적이며 정확하게 활용할 수 있다.
 

많은 참전용사들이 부상으로 팔과 다리를 잃었다. 또한 암과의 투병에서 승리한 사람들은 치료과정에서 팔다리를 잃었다. 

현존하는 기술 중 인체의 기능적 측면과 미적인 측면을 충족하는 기술은 없다. 하지만 HARMONIC DRIVE는 현재 전력을 이용한 인공 신체의 형태와 성능 그리고 기능적인 측면에서 한걸음 나아가기 위해 여러 업체들과 긴밀하게 협력하고 있다.

외과용 보철기구 중 FAD의 승인을 받은 제품들이 속속들이 등장하고 있다. 이들 장치는 기존 수동 장치로는 달성할 수 없던 기능을 제공한다. 사람들은 보철기구를 통해 앉고 일어서며, 계단을 오르고, 보조바퀴 없이도 경사로를 오르내릴 수 있게 되었다. 또한 6축 로봇 인공 팔을 사용해 다시금 일상생활을 누릴 수 있게 되었다.
 

HARMONIC DRIVE가 만드는 장비는 무게가 가볍다. 이 장비를 활용해 만든 인공 팔 및 다리는 인체와 흡사한 무게를 자랑한다. 가벼운 무게는 편의성과 편안함 그리고 보철기구의 배터리 수명에 중요한 역할을 한다.
 

공작기계 제조업체 역시 하모닉드라이브 장비를 통해 높은 정확도와 작은 크기 그리고 속빈축 설계 등의 장점을 활용하고 있다. 하모닉드라이브 장비를 사용하는 주된 응용사례로는 수직 기계가공(머시닝) 센터 및 라우터의 4축·5축 밀링 헤드가 있다. 기계 설계자들은 속빈축을 활용해 스핀들 드라이브 모터의 전선을 배선하고는 한다.
 

워터젯 머신 제조업체 또한 하모닉드라이브 기어 및 액추에이터를 선형 축에 활용하며 워터젯(분수)의 흐름이 분산되면서 일어나는 테이퍼 컷의 각도 변화를 보정한다. 하모닉드라이브 액추에이터는 4번째 및 5번째 축에 쓰인다. 테이퍼가 없을 때 정확한 직선 절단뿐 아니라 정밀한 테이퍼를 활용한 복잡한 형상도 만들어낼 수 있다.
 

CNC 연삭기에도 정밀도, 반복성, 제로 백래시 등의 기능이 필요하다. 또한 동적 전달의 정확도가 우수해야 하고 움직임이 부드러워야 한다. 이러한 성능특성이 없으면 거울 표면과 같은 깨끗한 연삭작업 및 마무리가 불가능하다. 하모닉드라이브 액추에이터는 범용(다목적) 연삭기 외에도 렌즈 혹은 크리스털 등에 사용하는 특수 연삭기에 쓰인다.
 

하모닉 기어의 사전설치 기능은 제품 수명주기에 걸쳐 백래시가 증가하지 않음을 의미한다. 따라서 기존의 웜 기어 혹은 유성기어와 달리 백래시를 잡기 위해 기어를 다시 조정할 필요가 없다. 동시에 공작기계가 설계된 사양을 온전히 유지함으로써 사후관리를 요청할 필요를 줄이고 고객 만족을 높인다.
 

하모닉드라이브 액추에이터는 여러 축의 장치를 가지고 있는 대형 공작기계 등의 응용사례에 적절하다. 공구교환장치(Tool Changer)가 대표적이다. 작은 크기의 액추에이터와 고 강성 크로스 롤러 출력 베어링을 결합함으로써 이러한 응용사례에 이상적인 해결책을 제공한다.