극한 환경 로봇 구동부 조건 정리와 선정 방법

목차

• 극한 환경 로봇의 운용 조건
• 저온·고온 환경에서의 구동부 조건
• 진공 환경에서의 구동부 조건
• 수중·고압 환경에서의 구동부 조건
• 분진·폭발 위험 환경의 적용 조건
• 여러 환경 조건이 동시에 적용되는 경우
• 극한 환경용 구동부를 선정하는 방법
• 사용 환경 → 적용 가능한 부품 → 작업 조건 → 구동 사양 → 설치와 유지관리 구조
• 극한 환경용 구동부를 선정할 때 놓치기 쉬운 부분
• FAQ
• 참고자료

극한 환경 로봇에 요구되는 구동부 조건 정리

극한 환경 로봇은 일반적인 산업 환경보다 온도와 압력, 수분, 방사선, 분진 등의 조건이 까다롭거나 사람이 직접 접근하기 어려운 장소에서 작업하는 로봇입니다.

저온이나 고온, 진공, 방사선 구역, 수중과 심해, 폭발 위험이 있는 산업 현장처럼 로봇이 사용되는 환경은 매우 다양합니다. 중요한 점은 이러한 환경을 하나의 ‘극한 환경’으로 묶어 같은 기준을 적용하기 어렵다는 것입니다.

저온에서는 사용 가능한 온도 범위가 중요하고, 수중에서는 수심과 물의 유입을 막는 구조가 중요합니다. 진공이나 방사선 환경에서는 사용 가능한 재료와 부품의 범위가 달라질 수 있으며, 폭발 위험이 있는 장소에서는 관련 안전 기준과 인증 조건이 먼저 검토되어야 합니다.

따라서 극한 환경 로봇의 구동부는 토크와 감속비, 크기만으로 선정할 수 없습니다. 먼저 로봇이 어느 환경에서 얼마나 오래 사용되는지, 사람이 장비에 접근할 수 있는지, 어떤 작업을 수행해야 하는지를 구체적으로 정리해야 합니다.

이 글에서는 극한 환경을 유형별로 나누고, 각 환경에서 감속기와 모터, 액추에이터 같은 구동부를 검토할 때 어떤 조건을 살펴봐야 하는지 정리합니다.

극한 환경 로봇의 운용 조건

극한 환경 로봇을 설계할 때는 일반적인 로봇보다 사용 환경을 먼저 구체화할 필요가 있습니다.

같은 로봇이라도 영하의 온도에서 장시간 사용하는 경우와 높은 온도의 설비 주변에서 사용하는 경우에는 필요한 부품 조건이 다릅니다. 수중에서 사용하는 장비는 사용 수심과 물에 노출되는 구조를 고려해야 하고, 진공이나 방사선 구역에서는 해당 환경에 사용할 수 있는 부품 자체가 제한될 수 있습니다.

사용 환경을 정리할 때는 단순히 ‘저온’, ‘수중’, ‘진공’처럼 구분하는 것보다 실제 운용 조건을 함께 살펴보는 것이 좋습니다.

예를 들어 온도 환경이라면 최저·최고 사용 온도와 보관 조건을 확인하고, 수중 환경이라면 사용할 깊이와 운용 시간을 정해야 합니다. 사람이 접근하기 어려운 장소에서는 장비를 어떻게 설치하고 회수할 것인지도 중요한 조건이 됩니다.

극한 환경에서는 장비에 문제가 생겼을 때 현장에서 바로 점검하기 어려운 경우가 많습니다. 따라서 부품을 어떻게 교체할 것인지, 장비 전체를 회수해야 하는지와 같은 유지관리 방법도 초기 설계에서 함께 고려해야 합니다.

결국 극한 환경 로봇은 환경 조건, 작업 내용, 운용 시간, 점검과 회수 방법을 먼저 정리한 뒤 구동부를 선정하는 방식으로 접근하는 것이 적절합니다.

저온·고온 환경에서의 구동부 조건

저온과 고온 환경에서는 로봇을 구성하는 각 부품의 사용 온도 범위를 확인해야 합니다.

감속기와 모터뿐 아니라 센서와 케이블, 전자 장치 등도 실제 운용 온도에 적합해야 합니다. 하나의 구동부가 조건을 만족하더라도 다른 구성 요소가 해당 온도에서 사용할 수 없다면 전체 로봇의 운용 범위가 제한될 수 있습니다.

저온 환경에서는 장비가 오랜 시간 차가운 상태로 정지한 뒤 다시 작동하는 경우도 고려해야 합니다. 따라서 운전 중 온도뿐 아니라 정지 상태와 보관 환경까지 포함해 제품 조건을 살펴보는 것이 좋습니다.

고온 환경에서는 주변 온도와 함께 장비 자체에서 발생하는 열도 고려해야 합니다.

모터와 감속기, 제어 장치 등은 운전 과정에서 열이 발생할 수 있기 때문에 주변 온도가 높은 경우 각 부품의 허용 범위를 기준으로 실제 운전 조건을 정해야 합니다.

필요에 따라 구동부에서 발생한 열을 구조물로 전달하거나 별도의 냉각 구조를 구성하는 방법도 검토할 수 있습니다.

또한 실내와 외부를 오가거나 낮과 밤의 온도 차이가 큰 환경에서는 일정한 온도 하나보다 실제 운용 과정에서 나타나는 전체 온도 범위를 기준으로 보는 것이 중요합니다.

진공 환경에서의 구동부 조건

진공 환경에서는 일반 대기에서 사용하는 로봇과 다른 부품 조건이 적용될 수 있습니다.

감속기와 모터에 사용되는 윤활 관련 부품을 비롯해 케이블과 접착제 등 여러 재료가 실제 진공 조건에서 사용할 수 있는지 확인해야 합니다.

열 관리도 중요한 요소입니다.

진공 상태에서는 일반적인 대기 환경과 열이 전달되는 방식이 다르기 때문에 모터나 구동부에서 발생한 열을 어떤 경로로 외부 구조에 전달할 것인지 로봇 전체 구조와 함께 살펴볼 필요가 있습니다.

장비가 진공 챔버 내부에 설치되는 경우에는 유지관리 방법도 고려해야 합니다.

구동부를 점검하기 위해 장비 전체를 꺼내야 하는지, 일부 모듈만 분리할 수 있는지에 따라 장비 구조와 연결 방식이 달라질 수 있습니다.

따라서 진공 환경에서는 토크와 감속비 같은 구동 사양뿐 아니라 재료와 윤활 조건, 열 관리, 점검과 교체 방법을 함께 살펴봐야 합니다.

수중·고압 환경에서의 구동부 조건

수중 로봇에서는 먼저 어느 깊이에서 사용할 것인지 정해야 합니다.

사용 수심이 달라지면 장비가 놓이는 환경도 달라지기 때문에 로봇의 구조와 사용하는 부품도 실제 운용 조건을 기준으로 검토해야 합니다.

물의 유입을 막는 구조도 중요한 부분입니다.

감속기와 모터, 센서와 커넥터 등이 물과 어떤 방식으로 분리되는지와 축이나 케이블이 외부로 연결되는 부분을 어떻게 구성할 것인지 함께 살펴봐야 합니다.

바닷물에서 사용하는 장비라면 적용 재료와 표면 처리도 사용 환경과 연결됩니다.

수중에서는 작업 중 장비를 바로 점검하기 어렵기 때문에 회수 방법도 중요합니다. 장비가 작업을 끝낸 뒤 어디에서 회수되고 어떤 방식으로 점검되는지를 운용 계획에 포함하는 것이 좋습니다.

따라서 수중·고압 환경의 구동부에서는 사용 수심, 물의 유입을 막는 구조, 재료 조건, 회수 방법과 실제 작업 하중을 함께 고려해야 합니다.

분진·폭발 위험 환경의 적용 조건

분진이 많거나 가연성 기체와 물질이 존재하는 산업 현장에서는 안전 기준을 먼저 확인해야 합니다.

특히 폭발 위험이 있는 장소에서는 해당 구역에 적용되는 기준과 장비의 인증 조건에 따라 사용할 수 있는 제품이 제한될 수 있습니다.

이러한 조건은 로봇 전체뿐 아니라 모터와 전기 장치 등 개별 구성 요소에도 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 일반 산업용 장비를 먼저 구성한 뒤 마지막 단계에서 방폭 조건을 추가하는 방식보다는 사용 구역의 요구사항을 먼저 확인하고 적용 가능한 부품 범위를 정하는 접근이 필요합니다.

분진이 많은 환경도 마찬가지입니다.

어떤 종류의 분진이 발생하고 로봇의 어느 부분이 실제로 노출되는지를 살펴본 뒤 센서와 구동부, 커넥터 등 각 부품의 사용 조건과 비교해야 합니다.

극한 환경 가운데 안전 관련 요구사항이 적용되는 장소에서는 제품의 출력 성능보다 해당 장소에서 사용할 수 있는 제품인지 확인하는 것이 먼저입니다.

여러 환경 조건이 동시에 적용되는 경우

실제 극한 환경은 하나의 조건으로만 구성되지 않는 경우가 많습니다.

수중이면서 저온인 환경이 있을 수 있고, 높은 온도와 분진이 동시에 나타나는 산업 현장도 있습니다.

이러한 경우 각각의 환경 조건을 따로 확인하는 것만으로는 부족할 수 있습니다.

저온에서 사용할 수 있는 제품이라도 수중에서 사용할 수 있는지는 별도로 확인해야 하고, 수분에 대한 보호 조건을 갖춘 제품이라도 필요한 온도 범위까지 만족하는지는 다시 살펴봐야 합니다.

따라서 여러 조건이 겹치는 환경에서는 실제 사용 조건을 하나로 묶어 정리하는 것이 좋습니다.

예를 들어 다음과 같은 항목을 초기 단계에서 정리할 수 있습니다.

• 실제 운용 온도 범위
• 압력이나 수심
• 물과 분진 등 외부 환경과의 접촉 여부
• 필요한 안전 기준과 인증
• 장비가 환경에 노출되는 시간
• 작업자가 접근할 수 있는 범위
• 장비의 설치와 회수 방법
• 실제 작업 하중과 움직임

이러한 조건이 정리된 이후에 감속기와 모터, 센서와 케이블 등 세부 부품의 사양을 구체화하는 것이 좋습니다.

극한 환경용 구동부를 선정하는 방법

극한 환경 로봇의 구동부를 선정할 때는 제품의 토크나 크기를 먼저 비교하기보다 환경에 적용 가능한 제품을 먼저 구분하는 방식이 적절합니다.

첫 번째는 사용 환경을 정의하는 것입니다.

온도와 압력, 수분, 분진, 방사선 등 실제 로봇이 노출되는 조건을 구체적으로 정리합니다.

두 번째는 해당 환경에서 사용할 수 있는 부품의 범위를 정하는 것입니다.

감속기와 모터뿐 아니라 센서, 케이블과 주변 구성 요소까지 포함해 사용할 수 있는 제품을 구분합니다.

그다음 실제 작업에 필요한 동작과 하중을 정리합니다. 환경 조건을 만족하는 제품 가운데 필요한 토크와 속도, 감속비 등을 비교하는 방식입니다.

장비 내부에서 사용할 수 있는 공간도 함께 살펴봐야 합니다. 환경에 대응하기 위한 보호 구조나 다른 장치가 추가되면 실제 구동부가 차지할 수 있는 공간이 달라질 수 있기 때문입니다.

마지막으로 유지관리 방법을 정리합니다.

사람이 쉽게 접근할 수 없는 장소에서는 부품 하나를 교체하기 위해 장비 전체를 회수해야 할 수도 있습니다. 따라서 제품 선정 단계부터 어떤 단위로 점검하고 교체할 것인지 생각해 두는 것이 좋습니다.

극한 환경용 구동부는 결국

사용 환경 → 적용 가능한 부품 → 작업 조건 → 구동 사양 → 설치와 유지관리 구조

순으로 범위를 좁혀 가는 방식으로 선정할 수 있습니다.

극한 환경용 구동부를 선정할 때 놓치기 쉬운 부분

극한 환경용 구동부를 검토할 때는 토크와 감속비, 크기 같은 일반적인 제품 사양보다 먼저 실제 사용 환경을 구체적으로 정리해야 합니다.

같은 로봇이라도 저온에서 사용하는지, 진공 챔버 안에 들어가는지, 수중에서 작업하는지에 따라 필요한 부품 조건이 달라집니다. 따라서 일반 산업용 제품의 사양이 필요한 하중과 크기를 만족한다고 해서 극한 환경에서도 사용할 수 있다고 판단하기는 어렵습니다.

감속기만 따로 보는 것도 피해야 합니다.

모터와 센서, 케이블, 커넥터, 윤활 관련 부품 등 로봇을 구성하는 여러 요소가 같은 환경에 놓이기 때문입니다. 한 부품이 조건을 만족하더라도 다른 구성 요소가 해당 환경에 적합하지 않다면 전체 시스템의 운용 범위가 제한될 수 있습니다.

안전이나 인증과 관련된 요구사항이 있다면 제품 선정 초기에 확인하는 것이 좋습니다. 제품 설계를 상당 부분 진행한 뒤 이러한 조건을 적용하려 하면 사용할 수 있는 부품이나 구조를 다시 검토해야 할 수 있기 때문입니다.

따라서 극한 환경용 구동부를 선정할 때는 사용 환경 → 필요한 안전·인증 조건 → 적용 가능한 부품 → 작업 하중과 동작 → 설치 구조 순으로 조건을 좁혀 가는 것이 좋습니다.

이러한 과정은 일반적인 산업용 로봇과 극한 환경용 로봇의 구동부를 구분하는 기준이기도 합니다.

FAQ

참고자료

1. 한국로봇산업협회(KAR) – https://www.korearobot.or.kr

2. 한국로봇산업진흥원(KIRIA) – https://www.kiria.org

3. 한국로봇융합연구원(KIRO) – https://www.kiro.re.kr

4. 한국기계연구원 – https://www.kimm.re.kr

5. 한국산업기술시험원(KTL) – https://www.ktl.re.kr

6. 한국기계전기전자시험연구원(KTC) – https://www.ktc.re.kr

7. 국가기술표준원 – https://www.kats.go.kr

8. 국제표준화기구(ISO) – https://www.iso.org

9. 한국표준협회 – https://www.ksa.or.kr

10. 본시스템즈 공식 홈페이지 – https://www.bonsystems.co.kr

태그: 극한환경로봇, 구동부, 감속기, 방폭인증, 수중로봇