[DGIST 융·복합 혁신기술 8선]<2>고토오크 모터기술·모듈형 액추에이터

고토오크 마그네틱 모터기술은 기계적 기어방식 구조인 기존 모터의 문제점을 개선한 새로운 방식의 기술로 내년에 시제품으로 나온다. 로봇과 풍력발전소, 자동차 등 동력계가 필요한 모든 산업과 가전분야에 적용할 수 있다. DGIST 협동로봇융합연구센터 HRC(인간-로봇 협업 연구)팀의 이승열 선임연구원과 장성우 연구원이 개발했다.

기존 기어방식 구조는 물리적 마찰로 분진과 기어 마모 현상이 발생한다. 또 시간이 지날수록 유지보수 비용이 많이 들고, 큰 토오크 출력을 발생시키기 위해서는 고감속비를 갖는 고가의 감속기가 필수다. 세계적으로 마그네틱 기어방식과 같은 BLDC와 DD 모터 기술에 대한 연구가 확대되고 관련 시장이 급성장하고 있는 이유다

DGIST 협동로봇연구센터 연구원. 왼쪽부터 이승열 선임연구원, 장성우 연구원, 전준수 연구원
DGIST 협동로봇연구센터 연구원. 왼쪽부터 이승열 선임연구원, 장성우 연구원, 전준수 연구원

협동로봇융합연구센터 HRC팀이 개발한 고토오크 모터기술은 소형·경량화하고 효율성은 극대화시킨 비접촉식 저속·고속 고토오크 버니어 모터와 기어드 모터 기술이다. 로터와 스테이터로 구성했다. 기어드 모터 기술은 고속로터와 저속로터 운동으로 자기력을 발생시켜 토오크를 생성시키고, 자기력과 에어갭을 이용해 회전하는 원리다.

협동로봇융합연구센터 연구모습
협동로봇융합연구센터 연구모습

크기가 작고 간단한 구조로도 큰 토오크를 낼 수 있어 감속기가 필요 없다. 구조가 간단해 제조 단가도 적게 든다. 일본 파나소닉과 야스카, 중국 기어드 등이 개발한 기존 모터에 비해 부피를 50% 이상 줄인 것도 특징이다.

일본은 이같은 기술을 적용한 모터를 이미 로봇과 제조업에 적용했다. 일본 코베제철은 2013년 용광로 안 구동부에 DD모터를 적용했고, 혼다도 2015년 휴먼로봇인 '아시모' 관절 구동부에 소형·저속 고토오크형 DD모터를 사용했다.

협동로봇융합연구센터 HRC팀은 파일롯 규모 시작품 제작 및 성능평가 단계인 TRL 6단계를 완료했다. 현재 성능평가와 필드테스트를 통한 신뢰성 검증을 진행하고 있다.

모듈형 액추에이터를 정비하고 있는 로봇공학전공 이찬 박사과정생
모듈형 액추에이터를 정비하고 있는 로봇공학전공 이찬 박사과정생
DGIST 로봇공학전공 오세훈교수(뒷줄 왼쪽에서 세번째)와 연구원들.
DGIST 로봇공학전공 오세훈교수(뒷줄 왼쪽에서 세번째)와 연구원들.

오세훈 DGIST 로봇공학전공 교수팀이 개발한 모듈형 액추에이터는 빠르고 민감하게 반응해 원하는 힘을 만들어주는 탄성구동기다. 크기와 정밀도 측면에서 한계가 있지만 차동 감속기 고정부분에 스프링을 배치해 크기를 줄이면서도 출력의 크기와 감도를 잃지 않도록 했다. 이런 구조의 동역학을 정밀하게 분석해 제어기 설계에 활용함으로써 빠르게 동작하면서도 진동은 발생하지 않도록 한 것도 장점이다. 의료기기, 재활로봇, 협동로봇에 활용될 것으로 기대된다.

연구실 환경테스트는 물론, 시작품을 통해 핵심 성능 평가도 진행했다. 기술의 완성도가 높아 향후 2~3년 내 상용화할 전망이다. 모듈형 액추에이터를 적용하는 로봇 액추에이터 세계시장 규모는 2017년 9억800만달러에 달한다. 매년 6%씩 성장하고 있다.

오세훈 교수는 “개발한 탄성구동기 모듈은 정밀한 힘 제어가 가능해 해당 분야에서 핵심 역할을 할 것”이라면서 “정밀한 힘을 발생하는 소형 액추에이터 설계와 제어 원천기술을 확보해 기술 선점효과도 기대된다”고 말했다.

정재훈기자 jhoon@etnews.com