[전문가 기고] AGV 및 서비스 로봇 구동 휠(Wheel) 재질 선정 - (주)모터114 고무(Rubber)와 폴리우레탄(Polyurethane) 타이어 간 특성 비교 정대상 기자입력 2020-09-18 13:18:47

(주)모터114는 일반적인 휠 인 모터와 달리 서보모터를 기반으로 고정밀 제어가 가능한 ZL Tech의 휠 인 모터를 국내 시장에 독점적으로 공급하고 있다. 국내 산업용 AGV 1세대 연구자로서 이 시장에서 활약해온 (주)모터114 기술연구소 전용철 상무는 AGV 및 서비스 로봇 구동 휠을 선정함에 있어 적용 현장에 맞는 휠 재질을 선정하는 것이 서보모터의 성능만큼이나 중요하다고 강조한다. 이에 본지에서는 전용철 상무의 도움을 받아 휠 재질에 따른 특성과 적합한 애플리케이션을 소개한다. 

 

모터114가 공급하는 ZL Tech의 휠 인 모터(사진. 모터114)

 

1. 개요

 

무인운반차(이하 AGV)와 모바일로봇 제품군은 지난 수년간 지속적으로 발전하고 있다. AGV는 중량물을 ㎜단위의 정확도와 함께 부드럽게 운전해야 하는 바, 구동부의 기계적 성능과 밀접하게 연관되어 있다. 


많은 AGV 애플리케이션에서 휠 인 모터(Wheel in Motor, 서보모터+엔코더+휠 일체형 구동 모터)를 사용하고 있는데, 휠 인 모터에 있어 타이어의 재질 특성은 전체 기구 운전 성능에 영향을 미치므로 그 중요성이 서보모터에 결코 뒤떨어지지 않는다. 

 

고무 소재 휠 인 모터 'ZLLG80ASM250-4096'(사이즈 : 8인치, 방수등급 : IP65)


AGV 구동부에 적용되는 휠 인 모터의 타이어에는 고무(Rubber) 혹은 폴리우레탄(Polyurethane) 소재가 사용된다. 고무는 산업 현장에 첫 번째로 사용되어진 소재이며, 100년 이상의 시간동안 자리를 지키고 있다. 이에 반해, 폴리우레탄은 그 절반인 약 50년의 역사를 가지고 있다. 세계 2차 대전 당시 전쟁 물자 생산으로 인한 원재료 고갈 현상을 극복하고자 화학적 합성을 통한 소재의 개발이 이루어졌는데, 이렇게 탄생한 폴리우레탄은 점진적인 품질 개선을 통해 2020년 현재 전 세계 77억 달러 규모의 시장을 형성하고 있다.
본문에서는 AGV 구동부의 고무 타이어와 폴리우레탄 타이어 간 특성을 7가지 항목으로 분류해 각 소재의 장·단점 및 적합한 애플리케이션을 소개한다.

 

폴리우레탄 소재의 휠 인 모터 'ZLLG80ASM250-4096' (사이즈 : 8인치, 방수등급 : IP65)

 

2. 성능에 따른 소재 특징

 

1) 완충 성능
타이어의 소재 완충 성능과 매우 밀접한 관련이 있다. 높은 경도를 지닌 소재는 타이어가 딱딱하기 때문에 충격 흡수 능력이 떨어지고, 자연스럽게 기구 전체의 완충 성능은 낮아지게 된다. 고무 타이어는 부드러운 접지면을 통해 높은 완충 성능을 가지고 있다. 따라서 실내는 물론 실외 환경에서도 부드럽고 높은 접지력을 보여 AGV의 안정적인 운전이 가능하다. 대조적으로, 폴리우레탄 타이어는 실내에 한정해 사용된다.

 

2) 접지력 성능

 

호텔 전용(左) 및 방역 전용(右, IP64 등급) 고무 휠. 호텔 전용 휠의 경우 카펫을 손상시키지 않기 위해 패턴이 없는 전용 휠을 사용해야 하고, 방역 또는 농약 살포 등에 사용되는 휠은 IP등급이 매우 중요하다(사진. 모터114).

 

접지력 성능은 타이어를 평가하는 데 있어 큰 비중을 차지하는 요소 중 하나이다. 
고무 타이어는 폴리우레탄 타이어와 비교해 훨씬 높은 수준의 접지력을 가지고 있다. 특히 주목할 만한 사용 환경은 노면이 물기로 젖어 있는 조건에서의 AGV 운전이다. 폴리우레탄 타이어의 경우 AGV 주행 성능에 좋지 않은 영향을 미치게 된다. 그러나 높은 접지력 특성을 보이는 고무 타이어 사용 시 더욱 안정적으로 주행할 수 있으므로, AGV 구동 신뢰성을 높일 수 있다.

 

3) 하중 지수
앞서 완충 성능 항목에서 언급한 소재의 경도와 연관이 있는 항목이다. 폴리우레탄 타이어는 고무 타이어 대비 높은 경도를 가지고 있으며, 가반 하중 성능은 약 2배가량 차이가 발생한다. 이러한 소재 특성에 기인해, 고하중 산업용 AGV 구동부에는 일반적으로 폴리우레탄 타이어가 사용된다.

 

500㎏ 이상의 고부하 AGV 등에 적합한 폴리우레탄 휠(사진. 모터114)

 

4) 마모 지수
폴리우레탄 타이어는 고무 타이어보다 마모 지수가 2배 이상 뛰어나며, 통상적인 내구연한(耐久年限, 원래의 상태대로 사용할 수 있는 기간)은 고무 대비 5배 이상 더 길다. 이에 따라, 폴리우레탄 타이어를 사용한 AGV는 더 오랜 기간 운전할 수 있으며 부품 교체로 인한 각종 비용 발생을 줄일 수 있다. 일반적으로 고무 타이어는 노면에 닿은 직후부터 트레드에 마모가 발생하지만 폴리우레탄 타이어는 상대적으로 마모에 강하다.

 

5) 내열 성능
폴리우레탄 타이어는 고무 타이어 대비 내부에서 발생한 열을 외부로 빠르게 발산하지 못한다는 단점이 있다. 일반적으로 정격 운전 온도의 상한선은 80~90℃이며, 그 이상 온도가 올라가게 될 경우 피로 저항 및 굴곡 강도와 같은 물리적 특성이 급격하게 악화되어 타이어가 조기 파손된다.

 

6) 타이어 색상
폴리우레탄 타이어는 노란색 혹은 빨간색처럼 다양한 색상을 선정할 수 있어 AGV 차체 디자인과 결을 맞출 수 있다. 이에 반해 대부분의 고무 타이어는 검정색이다. 그 이유는 타이어 제작 시 제품의 경도, 내구성 및 마모 저항성을 높이기 위해 숯의 일종인 ‘카본 블랙’ 재료를 순수 고무와 함께 사용하기 때문이다. 카본 블랙은 순수 고무의 분자사슬을 감싸 원래의 형상을 단단히 고정하는 역할을 하는데, 이렇게 만들어진 타이어는 검정색을 띄며 펑크와 미끄러짐에 강한 내성을 가지게 된다.

 

7) 구동 흔적 유무
폴리우레탄 타이어를 구성하는 화학 물질은 타이어 색상에 관계없이 지면에 구동했던 흔적을 남기지 않는다. 그러나 고무 타이어는 구동 시 마모로 인하여 카본 블랙이 지면에 떨어지고, 지면과 타이어간 마찰로 인한 고무의 탈락이 지면에 달라붙어 결국 바닥에 흔적을 남기게 된다.

 

(주)모터114는 고무 및 폴리우레탄 소재의 휠 인 모터 라인업을 모두 확보하고 있다(사진. 모터114).

 

3. 결론

 

위의 7가지 항목을 요약하자면, 폴리우레탄 타이어는 하중 지수와 마모 지수 측면에서 큰 장점을 가지고 있으므로 깨끗한 실내 구동 환경에서 고하중 산업용 AGV 구동부에 적합한 선택이다. 반대로, 고무 타이어는 실내 및 실외에서 다양한 노면 조건 하에 운행되는 저하중 AGV 및 서비스 로봇 구동부에 적절하다.


AGV 및 모바일 로봇 운전 시 높은 정밀도와 부드러운 운전을 경험하려면 알맞은 타이어 소재를 선정하는 것이 필수적이다. 이를 위해, 다양한 운행 시나리오별 요구사항이 제품 설계 단계에서 반영돼야 한다. 


이 같은 이유로 휠 인 모터를 선정할 때 제조사의 풍부한 라인업이 중요하다. 휠 인 모터에 특화된 기술을 가진 ZL Tech는 2020년 9월까지 29가지 종류의 제품 라인업을 보유하고 있다. 다양한 사이즈(4~16인치), 타이어 소재(고무 및 폴리우레탄), 고무 타이어의 패턴 유무, 모터 출력 및 샤프트 사양(단축, 양축)을 선택할 수 있다. 지속적인 제품 개발과 개선을 진행하는 ZL Tech는 고객사의 AGV 및 서비스 로봇 구동부에 대한 고민을 해결할 수 있는 기업으로 평가받고 있다. 

 

 

필자소개 

(주)모터114 기술연구소 전용철 상무

 

정대상 기자
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