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| 기술 분야 | 로봇 기술 |
| 기술 키워드 | 에너지 절약, 경량화, 공간 절약, 로봇 |
2024년 11월 11일
세계 각국에서는 자동차 중립의 일환으로 자동차의 EV화나 PHEV화 등의 전동화가 급속히 진전하고 있습니다. 전동화에 있어서 특히 배터리는 자동차의 성능을 좌우하는 중요한 부품이며, 충전 빈도가 적고, 항속 거리의 연장에 수반하는 대용량화의 동향이 현저하다. 이로 인해 배터리의 중량도 커지고, 이를 반송하는 생산공정의 장치의 대형화가 소비에너지의 증대와 설치 공간의 확대로 이어지고 있습니다.당사는 이러한 과제에 대응하기 위해 중량물의 반송 용도용 로봇의 개발을 진행하고 있으며, ROBOT TECHNOLOGY JAPAN 2024(이하 RTJ2024로 약칭함)에서 당사가 목표로 하는 i3-Mechatronics 개념으로 차세대 제조※1의 모습을 나타내는 메인 솔루션 '배터리 조립 및 운반 데모'로 소개했습니다.이 논문에서는 이 운송 데모에 사용된 중량물 운반용으로 특화된 '에너지 절약' '경량' '공간 절약'을 특징으로 하는 MOTOMAN-ME1000에 대해 소개합니다. MOTOMAN-ME1000은, 타사에 앞서 개발한, 업계 최초가 되는 중량 반송이 가능(가반 질량 1t)인 스칼라 구조의 로봇입니다.
※1 당사가 목표로 하는 i3-Mechatronics 개념으로 차세대 제조란 무엇입니까? 테크니컬 리포트 2023 No.8「i3-Mechatronics에 의한 스마트한 만들기의 실현～2023 국제 로봇전에 출전～」을 참조
배터리가 대용량화됨에 따라 EV용 배터리의 무게는 500kg 이상으로 무거워집니다. 이에 따라 배터리 제조 라인 및 자동차 제조 공정의 배터리 임베디드 라인에서 중량물의 반송이 필요하게 되었다. 이 공정의 자동화의 요구가 높아지는 가운데, 변종 변량 생산에도 대응할 수 있는 대형 로봇으로의 반송이 기대되고 있어, 대형의 수직 다관절 로봇이 제품화되고 있습니다.그러나 대형 수직 다관절 로봇의 도입과 관련하여 다음과 같은 문제가 있습니다.
수직 다관절 로봇은 모터의 토크로 운반물과 자신의 암의 중력 부하의 대부분을 지원해야 하며, 높은 가반이 될수록 큰 에너지를 소비합니다.
대형 로봇은 본체 질량이 크기 때문에 설치 시 공장 빔과 바닥 보강 공사가 필요할 수 있습니다.
대형 수직 다관절 로봇을 설치하는 경우에는 설치·동작 공간의 확보도 과제가 되며, 레이아웃 변경 등의 대응이 필요한 경우도 있습니다.
그러므로 우리는 이러한 과제를 해결하기 위해 "에너지 절약", "경량", "공간 절약"을 실현한 스칼라형 로봇 MOTOMAN-ME1000을 개발했습니다. 다음 절에서 본 로봇의 특징을 소개합니다.
그림 1 MOTOMAN-ME1000의 외관
그림 1은 MOTOMAN-ME1000의 외관을 보여줍니다. 다양한 작업에 대응하기 위해서는 다관절형 로봇이어야 하지만, 중량물용 대형 6축 수직 다관절형 로봇에서는 단순한 반송 작업에는 중복으로 중량, 설치·동작 공간도 커집니다. 배터리 등의 반송은 직선적인 동작이 주이며, 기본적으로는 4축 로봇으로 충분히 대응할 수 있습니다. 이 때문에, 본 로봇은 기본 구조를 스칼라형으로 해, 핸드부를 포함해 1t의 가반 능력을 갖게 했습니다. 이하, 본 로봇의 특징에 대해 설명합니다.
표 1 워크 질량 1000kg을 반송했을 경우의 소비 전력 비교
＊1: GP225의 소비 전력량을 100으로 했을 때의 비율＊2: GP225가 여러 번 운반되었다고 가정＊3: 규정 동작·조건에 기초한 참고값
당사의 가반 질량 225kg의 수직 다관절 로봇과 MOTOMAN-ME1000으로 1000kg의 워크를 반송했을 경우의 소비 전력의 비교를 표 1에 나타냅니다. MOTOMAN-ME1000은 중량물 반송을 위한 모터 용량이 작아서 소비 전력량은 표 1에 나타낸 바와 같이 약 26%로 크게 삭감할 수 있습니다. 전기 요금 및 CO2배출량도 약 74% 줄일 수 있으며 탄소 중립에 기여합니다.
스칼라형 로봇 자체가 컴팩트한 구조로, 동일 휴대반 클래스의 수직 다관절 로봇으로 비교하면 질량은 약 40% 삭감할 수 있어 3250kg으로 경량입니다. 이 때문에 설치시 공장의 보나 바닥에 대한 부하를 줄일 수 있습니다.
스칼라형 로봇의 암은 수평 선회축에 의해 수평 방향의 동작이 안정되어 있어, 고효율의 수평 반송이 가능합니다. 설치 공간은 0.9m×1.1m이며, 동일 휴대반 클래스의 수직 다관절 로봇과 비교했을 때 약 40% 삭감할 수 있습니다. 또한 암 동작 범위가 작기 때문에 간섭을 피할 필요가 있는 선반 등 주변 설비와의 근접성을 높일 수 있습니다.
이 ①~③은 일반적인 스칼라 구조 외에도 아래에 설명된 기술적 특징을 갖춘 것으로 실현되었습니다.
그림 2 MOTOMAN-ME1000의 축 구성
중량 부품 이송 시 발생하는 공작물의 개체 차이나 이송 위치의 기울기에 대응해야 하지만, 일반적으로 스칼라형 로봇은 수직 및 수평 방향의 동작축만 갖기 때문에 경동 보정이 불가능합니다. 그래서 MOTOMAN-ME1000은 그림 2와 같이 기본축 4축에 더해 암 선단의 손목부에 보정용 보정축을 장비하여 5도 정도의 각도 보정 동작을 가능하게 했습니다. 보정축은 워크나 핸드의 중력 모멘트를 받기 때문에, 밸런서 기구를 내장하고 중력 보상을 하는 것으로 구동 모터의 용량을 작게 해 에너지 절약화를 도모하고 있습니다.
배터리의 다단 적층을 비롯하여 공정간 반송, AGV로의 적재, 차체에의 마운트 작업 등의 용도에서는 중량물을 크게 승강시키는 동작이 필요합니다. MOTOMAN-ME1000은, 동작부의 사이즈를 컴팩트하게 유지하면서 2m의 스트로크를 확보하기 위해, 암 선단부에서 상하로 신축할 수 있는 2단 승강식의 상하축을 장비했습니다. 그림 3에 2단 승강 기구 동작시의 이미지도를 나타냅니다. 왼쪽의 그림은 선단 워크부와 상하축부를 최하위치로 했을 때의 자세로, 워크위치는 가장 낮은 0m가 됩니다. 중앙 그림은 팁 워크부와 상하축부가 중앙 위치에 있는 중간 자세를 나타냅니다. 오른쪽 그림은 팁 워크부와 상하축부가 모두 최상위 위치까지 동작한 자세를 나타냅니다. 워크는 제일 올라간 2m의 위치가 됩니다. 이러한 기구를 가지는 것으로, 높이 치수 1.73 m의 상하축부로 선단 워크부의 상하 스트로크를 2 m 확보해, 최하 위치의 자세시는 상하 축부를 컴팩트하게 담을 수 있습니다.
그림 3 2단 승강 기구 상하 동작 이미지도
그림 4 배터리 운송 데모
그림 4는 RTJ2024에서 수행한 배터리 운반 데모를 보여줍니다. MOTOMAN-ME1000은 전 공정(모듈/커버 조립)에서 조립한 복수 종류의 배터리를 AMR로부터 받고, 완성품 선반(워크 받침대)에 선반을 넣습니다. 소규모 생산 라인에서도, 중량물의 반송, 수납까지의 자동화를 컴팩트하게 구축할 수 있는 것을 실연했습니다. 큰 전력을 소비하는 것으로 생각되는 중량물의 반송에 대해 콤팩트하고 경제적인 시스템을 구축할 수 있습니다.
대형 배터리는 적재 효율을 높이기 위해 선반에 보관하고 운송하는 경우가 많습니다. 그림 5는 최대 클래스 너비 1700mm의 배터리를 선반으로 옮길 때의 레이아웃 예를 보여줍니다.
그림 5 선반으로 이전할 때의 레이아웃 예(가로 방향 액세스 예)
그림 6 자동차 탑재 시의 레이아웃 예(아래 방향으로부터의 액세스 예)
또한, 배터리를 자동차에 탑재하는 용도에도 적용 가능합니다. 그림 6은 해외 최대급 승용차의 몸체에 폭 1700mm의 배터리를 아래 방향에서 탑재하는 경우의 레이아웃 예를 보여줍니다.
각각의 용도에 있어서, 반송처의 설비와 근접해 설치할 수 있으므로, 컴팩트한 레이아웃이 가능합니다.그림 5, 그림 6 모두 반송 대상의 배터리를 오프셋 파지하는 것을 상정하고 있습니다. 오프셋 파지란, 반송 대상의 워크(여기에서는 배터리)의 무게 중심 위치에 대해서, 참
회사는 중량물 반송의 자동화 요구에 부응하는 솔루션으로 '에너지 절약', '경량', '공간 절약'을 실현하고, 경제성을 가지는 가반 질량 1t의 스칼라형 로봇 MOTOMAN-ME1000을 새롭게 개발했습니다.MOTOMAN-ME1000은 EV용 배터리의 반송 용도에 머무르지 않고, 중량물 반송 전반의 솔루션에 전개 가능합니다. 앞으로도 고객의 요구를 정확하게 파악하고 과제를 해결하기 위해 로봇의 기능 향상과 어플리케이션 시스템을 포함한 개발을 추진해 나갈 것입니다.
