메카넘 구동 시스템은 메카넘 휠과 더불어 각 휠을 제어하는 모터가 설치된 시스템을 일컫는다. 메카넘 구동 시스템은 조향장치 없이 각 모터의 회전방향과 속도만으로도 차량의 주행방향 및 속도를 결정할 수 있으며, 제자리 회전이 가능하므로 최소 회전반경이 매우 작다. 또한, 방향 전환을 위한 우회나 후진 등 불필요한 움직임이 필요하지 않기 때문에 작업 동선을 최소화할 수 있다. 

이러한 특징들로 메카넘 구동 시스템은 좁은 공간에서도 운용할 수 있기 때문에 협소한 공간을 갖는 산업 및 물류 현장에서 널리 쓰이고 있으며 이에 따른 수요도 꾸준히 증가하고 있다.

이처럼 메카넘 구동 시스템은 많은 제약 조건에서도 주어진 임무를 잘 수행할 수 있는 고효율 시스템이다. 이번 글에서는 산업 현장을 비롯한 여러 분야에서 메카넘 구동 시스템이 어떻게 응용되어 사용되는지 알아본다.

산업 현장에서의 컨베이어라인

산업 현장은 메카넘 구동 시스템이 가장 많이 사용되는 분야라고 해도 과언이 아니다. 산업 현장의 물류 및 적재 표준화 도입과 더불어 메카넘 구동 무인운반차량의 수요 또한 지속적으로 증가하고 있다. 산업 현장 내 컨베이어라인은 용도에 따라 많은 규격으로 나누어진다.

컨베이어라인 간 규격이 다른 경우, 물류 이송을 위해서는 지게차 등을 이용할 수밖에 없다. 하지만 생산자동화 공정이 도입됨에 따라 범용적으로 사용 가능한 메카넘 구동 무인운반차량의 요구가 끊이지 않게 되자, 컨베이어라인 간 물류 이송이 가능하도록 하기 위한 리프팅 기능을 추가하게 되었다. 

메카넘 구동 무인운반차량 내부에 수직 방향의 작동기를 설치하여 상부의 높낮이를 조절할 수 있도록 하여 다양한 규격의 컨베이어벨트 간 물류 이송이 가능하게 할 수 있다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 높이가 제각기 다른 컨베이어라인을 무인운반차량 스스로 감지, 측정하여 상판을 들어 올리거나 내림으로 물류 이송이 가능하게 된다.

그림 1. 상하 리프팅이 가능한 메카넘 구동 무인운반차량

메카넘 컨베이어

컨베이어벨트는 물류를 한 방향으로만 이송하는 시스템이다. 때로는 역방향으로의 이송도 가능하나 방향에 대한 한계는 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 메카넘 휠을 이용할 수 있다. 그림 2와 같이 메카넘 휠 여러 개를 바둑판식으로 배열하면 메카넘 휠의 고유 특성인 전-방향 이동을 컨베이어상에서 구현할 수 있다.

그림 2. 다수의 메카넘 휠을 이용한 메카넘 컨베이어

이렇게 만들어진 메카넘 컨베이어를 이용하면 그림 3과 같이 물류를 전·후방향의 이송이 가능할 뿐만 아니라, 물류를 좌·우 방향 및 대각선 방향으로 이송할 수 있게 되어 원하는 곳으로 자유롭게 이송할 수 있다.

그림 3. 메카넘 컨베이어상의 물류 이동 개념도

따라서 메카넘 컨베이어는 여러 물류가 다른 라인에서 들어와 서로 다른 위치로 이송해야 하는 경우에 쉽게 적용될 수 있다. 심지어 메카넘 컨베이어는 물류를 제자리에서 회전시킬 수도 있으므로 다수의 컨베이어라인 간 물류 이송 작업에서 물류를 정렬하거나 원하는 방향으로 맞추어 이송할 수도 있다.

메카넘 컨베이어와 메카넘 구동 무인운반차량을 결합한다면, 물류의 방향을 잡기 위해 운반차량이 스스로 움직일 필요가 없게 된다. 특히 운반차량이 특정 방향을 바라보게 하거나 자세를 잡는 등의 움직임이 없어지므로 동선을 더욱 짧게 할 수 있다. 

정방향성을 가질 필요가 없는 메카넘 구동 시스템 특성상, 메카넘 컨베이어와 결합하면(그림 4) 물류 적재 및 운송에서 더욱 효율적인 작업을 할 수 있다.

그림 3. 메카넘 컨베이어상의 물류 이동 개념도

메카넘 지게차

협소한 산업현장에서 물류 이송을 위해 사용되는 지게차는 효율적인 작업을 위해 조향장치를 후륜에 설치한다. 이로써 회전반경을 줄여 효율적인 작업이 가능하나, 차량 회전이나 정렬을 위한 불필요한 동선이 추가되어야 하는 한계를 극복할 수는 없다. 

그러나 그림 5와 같이 지게차에 메카넘 휠을 설치하면 기존의 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 조작 또한 간편해져 효율성을 더욱 높일 수 있다.

그림 5. 메카넘 휠이 부착된 지게차(Airtrax사의 Sidewinder)

메카넘 구동 휠체어

의료 분야에서 1인 전동차인 휠체어에 메카넘 구동 시스템이 활발하게 응용되어 적용되고 있다. 메카넘 구동 시스템은 도심 및 실내 공간 내의 장애물을 회피 기동할 수 있는 능력이 탁월하고 전-방향 이동이 가능하므로 운전이 익숙하지 않은 이용자도 쉽게 적응할 수 있다. 이로 인해 조작이 간편하고 직관적이므로 거동이 불편한 사용자를 대상으로 한 1인 전동차, 휠체어에 대한 수요가 증가하고 있다.

그림 6에는 메카넘 구동 휠체어의 작동 예가 제시되어 있다. 메카넘 구동 시스템은 방향을 전환하기 위한 불필요한 전·후진이 필요 없어 동선을 짧게 만들 수 있다.

그림 6. 메카넘 구동 휠체어의 작동 예

이는 전기 배터리를 이용하는 휠체어의 구동 및 사용 시간을 증대시킬 수 있어 매우 경제적인 효과도 주고 있다. 최근에는 단순한 이동 목적만을 수행하는 휠체어의 개념에서 벗어나, 실외에서의 구동력 향상을 위한 여러 가지 기능들이 추가된 지능형 휠체어도 등장하고 있다. 

모드에 따라(저속·고속) 기어비를 변경 가능한 변속기를 내부 모터 말단에 부착시킴으로써 오르막 경사로에서의 등판능력을 높일 수 있는 메카넘 구동 휠체어도 있다.

또한, 오르막 경사로 등판 시 탑승자의 신체가 기우는 것을 방지하기 위한 휠체어 차체 종방향(pitching) 틸팅 시스템을 장착한 휠체어(그림 7, 8)도 있다. 이는 휠체어 전복을 방지하고 탑승자의 안전성을 증대시킨다.

그림 7. 휠체어 틸팅 시스템의 개념도

그림 8. 메카넘 휠체어 시연 장면

몸이 불편한 탑승자가 균형 감각을 잃지 않도록 하여 조정감각을 유지하게 하여 불의의 사고로 이어지지 않도록 한다.
이 외에도 여러 가지 센서들을 추가로 부착하여 충돌 사고를 미연에 방지하는 기술이 지능형 휠체어에 부가적으로 추가되고 있다.

트랜스포터

기존 메카넘 휠은 기술상의 문제로 저하중용 운송 시스템에 대해서만 활용됐다. 하지만 최근에는 메카넘 휠 생산 기술이 발달되어 고하중을 견딜 수 있는 휠도 개발되고 있다. 이러한 고하중용 메카넘 휠을 트랜스포터에 적용하는 추세이다(그림 9).

그림 9. 고하중용 메카넘 구동 AGV 시스템 (출처: 독일 Kuka사의 375시리즈 모델)

일반적으로 메카넘 휠은 소재 및 소형 물류 이송 등의 시스템에 한정적으로 응용되는 경향이 있었다. 하지만 트랜스포터에도 메카넘 휠이 적용되면서 항만, 철도 및 컨테이너까지의 넓은 분야를 아우르게 되었다. 

트랜스포터에 메카넘 휠을 장착하면 수 톤급 이상의 고하중 적재물을 무인으로 운반할 수 있게 될 뿐만 아니라, 동선의 최적화를 통해 소요되는 에너지를 줄일 수 있게 되어 경제적이다. 따라서 수송 효율성이 향상되며 물류 공정을 간소화할 수 있다. 

일반적으로 높은 하중을 견디기 위해 다수의 메카넘 휠을 사용하며, 고하중 적재물을 운송하기 위한 높은 토크를 발생시키기 위하여 그림 10과 같이 모터 끝에 감속기를 추가하게 된다.

그림 10. ‌메카넘 구동을 위한 동력체결 및 감속 시스템(출처: 현대엔지니어링사의 1톤급 전-방향 AGV용 동력전달 시스템)

또한, 실내 및 협소한 공간에서 크레인을 설치, 사용하지 못하는 경우에는 높은 위치의 물류를 적재, 운반하기 쉽지 않다. 이로 인한 문제를 해결하기 위하여 고하중용 메카넘 휠을 부착한 트랜스포터에 리프트를 설치하여 높은 위치에서도 적재 및 운반을 가능토록 하는 리프팅 시스템(그림 11)도 상용화되어 있다.

그림 11. 고하중 메카넘 구동 리프팅 시스템

고중량 메카넘 구동 시스템을 주차장에도 응용할 수 있다. 다수의 메카넘 구동 시스템(무인운반차량 등)이 대기하고 있다가, 주차를 원하는 차량이 들어오면 차량을 메카넘 구동 시스템(그림 12, 13)에 얹는다.

그림 12. 자동화된 차량 주차시스템 (출처 : 미국 특허, Automated automotive vehicle parking/storage system)

그림 13. 자동화된 차량 주차시스템과 수송차량 (출처 : 미국 특허, Automated storage system and transport vehicle)

그리고 메카넘 구동 시스템이 스스로 주차장에 차량을 입고하는 방식이다. 이 경우, 주차를 위한 예비 공간을 둘 필요가 없어 더 많은 주차 공간을 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 힘들여 주차하는 수고도 줄일 수 있다. 또한, 무선통신 및 무인화를 통해 차량관리를 손쉽게 할 수 있다는 장점도 있다. 구체적으로 상용화된 제품은 아니지만, 현실적인 미래형 주차장을 위한 좋은 대안이 될 것으로 예상한다.

김종식 교수 _ 부산대 기계공학부