메카넘 구동형 전-방향 시스템 개요와 메카넘 휠의 역사

21세기에 들어서면서 산업 현장의 패러다임이 급속히 변하고 있다. 생산제품의 소비자들은 기존의 획일화, 대량화된 상품을 찾기보다는 개성 있는 상품을 추구하기 시작했다. 따라서 소비자들의 요구를 더욱 충족시키기 위해 기업은 시장에 다양한 제품들을 출시하고 있으며, 제품 경쟁력과 경제성을 동시에 확보하기 위해 최선을 다하고 있다. 소품종 대량생산 시스템보다는 다양한 품종을 효율적으로 유연성 있게 생산하기 위한 자동화 공정 시스템의 도입이 요구되고 있다.

 이제는 생산공정에서 숙련된 사람들의 손에 의해 이루어진 많은 작업이 로봇에 의해 이루어지고 있다. 그렇지만 생산과 조립 분야에서만 국한하여 공장자동화가 쓰이는 것은 아니다. 다양하게 생산되는 제품들을 효율적으로 운반하기 위한 이송 및 물류 산업에서도 자동화 기술은 반드시 필요하다. 대량생산에 최적화되어 있던 기존 산업 현장의 컨베이어 시스템은 지금의 다품종 생산에서는 적합하지 않다. 더욱 효율적인 이송을 위해서는 패킷 혹은 셀 단위의 유연하고 탄력적인 물류 이송 시스템이 필요하다.

근래의 항만, 공항, 철도 산업 등의 발전은 물류 산업을 고부가가치 산업으로 이끌었고 물류 산업은 더욱 세분화되어 보관 및 하역, 생산, 출고 영역에 이르기까지 전략 산업으로써 주목을 받게 되었다. 이로 인해 이송 및 물류 작업에서도 종전의 사람이 하던 일들을 로봇이나 운반차량이 대신하게 되었다. 하지만 작업장 내 운반차량은 동선이 길고, 미리 정해진 경로를 따라 다니는 경우가 많아 운반 차량에도 자동화 기술이 도입되었다. 그 결과 무인운반차량(AGV: Auto Guided Vehicle)이 개발되어 산업 현장에서의 비중은 갈수록 높아지고 있다.

물류 이송 작업 공간은 일반적으로 협소하기 때문에 무인운반차량은 이러한 공간 안에서도 사용자의 요구에 따라 제품을 효율적으로 이송할 수 있어야 한다. 하지만 차량 조향을 하기 위해서는 어느 정도 회전반경이 필요하므로 좁은 공간 내에서 작업이 제한되는 경우가 많았다. 이러한 작업환경을 극복할 수 있는 해결책으로 전-방향 구동이 가능한 휠을 차량에 장착하게 되었다.

차량에 전-방향(Omni-directional) 구동이 가능한 휠을 장착하면 조향장치 없이도 이동 및 회전을 할 수 있다. 전-방향 구동 휠이 장착된 무인운반차량은 작업 반경이 작아 기동성이 좋다. 좁은 공간에서도 효율적인 작업이 가능하여 공정시간을 단축할 수 있다. 또한, 무인운반차량 내 부품 수를 줄일 수 있어, 부피 및 중량, 비용 면에서도 유리하다. 대형 물류 수송이나 소규모 다품종 생산공정 등 산업의 규모를 막론하고 전-방향 구동 휠을 이용한 무인운반차량의 수요는 날로 증가하는 추세이다.

전-방향 구동 휠은 사용 목적에 따라 여러 가지 형태로 개발되고 있다. 그 가운데 메카넘 휠(Mecanum Wheel)이 가장 활발하게 연구되고 있으며 메카넘 휠이 장착되어 전-방향으로 이동할 수 있는 차량을 ‘메카넘 구동형 전-방향 시스템’이라 일컫는다.

이번 글에서는 메카넘 구동형 전-방향 시스템 개요 및 메카넘 휠의 역사를 알아본다. 그리고 다음 다섯 차례에 걸쳐 메카넘 휠을 이용한 전-방향 시스템의 응용 및 기술에 대하여 설명하겠다.
 
 메카넘 구동형 전-방향 시스템 개요

전-방향 구동 휠, 특히 메카넘 휠이 장착된 차량(그림 1)은 전진 및 후진은 물론이고 좌/우 방향으로 전진 및 제자리 회전 구동이 가능한 것이 특징이다.

그림 1. KUKA社의 메카넘 로봇(위)과 작업차량 HANGFA社의 메카넘 휠

여러 휠의 회전 조합만으로 원하는 방향으로 차량을 구동시킬 수 있다. 이는 휠의 구조적 특성 때문이다. 그림 2에 표시된 바와 같이 메카넘 휠은 여러 개의 롤러 및 축이 림휠 주위에 사선으로 둘러싸여 부착된 형태이다.

그림 2. 메카넘 휠의 상세도

롤러의 개수나 재질에 따라 효율, 가격, 성능 등이 차이가 있으며 휠의 위치와 구조에 따라 실내용과 실외용으로 나뉠 수 있다.
각각의 롤러는 휠의 위치나 회전과 관계없이 자유롭게 회전할 수 있으며 대개 한 개 내지는 두 개의 롤러가 지면과 맞닿게 된다. 롤러의 축은 휠의 축과 평행하거나 수직이 아닌 일정한 각도 a (대체적으로 a=45˚ )를 이루며 배열되어 있어, 모터의 회전에 따라 휠의 유효각속도  θ는 다음 식으로 정해진다.

  (1)

여기서n 은 모터와 메카넘 휠 사이의 기어비이고 θm는 모터의 각속도이다.
롤러와 휠의 회전축이 수직이 아니므로 롤러와 지면 사이에는 슬립이 발생한다. 그러므로 각 바퀴는 필연적으로 슬립을 동반한 주행을 하게 된다. 지면과의 마찰에서 각 롤러는 자유로이 회전하므로 롤러 축에 수직인 방향으로는 힘벡터가 발생하지 않는다. 따라서 그림 3에서 나타난 것과 같이 지면에 맞닿은 롤러의 축 방향으로 속도벡터 가 생성된다.

그림 3. 메카넘 휠의 회전에 따른 속도벡터

일반적인 바퀴가 축에 수직인 속도벡터를 가지는 것과 달리, 메카넘 휠은 대각선 방향의 속도벡터를 가진다. 이러한 메카넘 휠의 특성을 이용하기 위하여 그림 4와 같이 차량에 휠을 설치한다. 차량의 휠에서 생성되는 속도벡터들의 합(다른 방향의 속도벡터들은 상쇄된다)을 통해 차량의 구동방향을 정할 수 있다.

그림 4. 메카넘 구동형 전-방향 시스템의 일반적인 모델

차량의 전-방향 구동을 위해 표 1과 같이 각 휠 회전방향의 조합을 만들 수 있다. 표 1에서 볼 수 있듯이 휠의 회전 방향은 제각기 다른 경우가 많으므로 휠을 구동시킬 모터의 개수는 휠의 개수와 동일해야 한다.

표 1. 휠 회전방향에 따른 차량의 구동방향

그림 5는 메카넘 구동형 전-방향 시스템의 구동개념도이다.

그림 5.  메카넘 구동형 전-방향 시스템의 구동 개념도

 메카넘 휠의 역사

전-방향 구동이 가능한 휠은 1919년 미국의 J. Grabo-wiecki에 의해 처음으로 만들어졌다. 휠 둘레를 따라 자유롭게 회전시킬 수 있는 작은 롤러들을 배열한 형태의 휠이다. 그림 6에 표시된 바와 같이 휠 축과 롤러의 축이 수직이 되도록 배열한 것이 특징이다.

그림 6. J. Grabowiecki의 전-방향 구동바퀴

좌측과 우측 휠의 회전 방향을 다르게 하면 조향장치 없이도 좌/우 이동이 가능하다. 하지만 Grabowiecki의 휠은 차량진행 방향 및 수직 방향의 두 축에 대해서만 이동 가능하며, 하나의 바퀴 내에 부착되어야 하는 바퀴의 수가 많아야 한다는 단점이 있다.

1973년 스웨덴의 Mecanum AB사의 Bengt Erland Ilon이 항공기 정비용 캐리어에 적용할 목적으로 메카넘 휠을 제작했다. 이 메카넘 휠은 그림 7에 표시된 바와 같이 Grabo-wiecki의 전-방향 구동바퀴와 달리, 작은 롤러를 45° 대각으로 배열한 것이 특징이다.

그림 7. Bengt Erland Ilon의 메카넘 휠

이러한 특징으로 인해 메카넘 휠을 장착한 차량은 대각주행을 비롯한 전-방향 구동이 가능하다. 마찰력이 증대되어 손실이 줄어들 뿐만 아니라 일정 크기의 장애물도 넘을 수 있게 되었다.
1980년대 미 해군은 Bengt Erland Ilon으로부터 메카넘 휠에 대한 특허권을 사들였다. 그리고 이를 이용한 물자수송 시스템 연구 개발을 본격적으로 착수했다. 

이후 1997년 미 해군은 메카넘 휠 및 모터, 제어기를 비롯한 설계 기술을 Airtrax 등 몇몇 기업에 판매했다. 그 이후로 공항, 항공을 포함한 자동화 물류 공정과 관련된 수많은 기업에서 메카넘 휠의 효율성을 충분히 살릴 수 있는 다양한 제품들을 연구/개발했다. 그 결과 지게차나 AGV(그림 8), 공항용 팰럿 로더(그림 9) 등 여러 형태의 물류 산업용 기기와 메카넘 휠을 결합하여 다양한 산업 현장에 적용했고 새로운 시장을 창출했다.

그림 8. 메카넘 휠이 부착된 지게차 (Airtrax社)와 AGV(Kuka社)

또한, 기업뿐만 아니라 연구소, 대학교 등 여러 지식층에 폭넓은 관심을 받게 되었고 물류 산업뿐만 아니라 휠체어(그림 9)와 같은 일반 제품에도 메카넘 휠이 결합되는 등 앞으로의 발전 가능성은 무궁무진하다.
이번 글에서는 메카넘 구동형 전-방향 시스템과 메카넘휠의 역사에 대해 간략하게 알아보았다. 다음 호에서는 현재 메카넘 구동 시스템이 물류 산업 분야에서 가장 많이 적용되고 있는 이유와 함께 발전 과정과 기술 동향을 알아보고자 한다.

김종식 교수 _ 부산대 기계공학부