수중 로봇 마그네틱 휠 선택하기

수중 로봇(ROV 또는 AUV)은 해저 작업에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. 효율적이고 안정적으로 작업을 수행할 수 있는 능력은 주로 핵심 부품의 성능에 달려 있습니다. 금속 표면에서 이동해야 하는 수중 로봇의 경우 마그네틱 휠의 선택이 매우 중요합니다. 이 기사에서는 수중 로봇용 마그네틱 휠을 선택할 때 고려해야 할 주요 요소를 자세히 살펴보고 정보에 입각한 결정을 내리는 데 도움을 드립니다.

1. 방수, 내식성 및 밀봉: 수중 환경의 가혹함

수중 환경은 육상과는 크게 다르며, 높은 압력과 부식성 매체(염분 및 해수 내 다양한 미생물 등)로 인해 장비의 방수 및 내식성에 대한 요구 사항이 매우 높습니다.

완전 밀폐 구조 설계: 이는 수중 마그네틱 휠에 대한 가장 기본적이고 중요한 요구 사항입니다. 마그네틱 휠 내부의 자성 재료 및 기계 부품은 물의 유입을 방지하기 위해 물과 완전히 격리되어야 합니다. 물이 유입되면 부식, 단락 또는 기계적 고장이 발생할 수 있습니다. 고등급 방수를 달성하기 위해 O-링, 자성 유체 씰 또는 용접 씰과 같은 기술이 일반적으로 사용됩니다.

재료 선택: 마그네틱 휠의 외부 케이싱 및 내부 부품은 스테인리스 스틸(특히 316L 해양 등급 스테인리스 스틸), 티타늄 합금 또는 엔지니어링 플라스틱과 같은 내식성 재료로 만들어야 합니다. 자석 자체의 경우 영구 자석(네오디뮴-철-붕소 등)은 강력한 자력을 제공하지만 습한 환경에서는 산화되기 매우 쉽습니다. 따라서 에폭시 수지 캡슐화, 니켈-구리-니켈(Ni-Cu-Ni) 전기 도금 또는 폴리머 코팅과 같은 특수 부식 방지 처리가 필수적입니다.

자력 및 투과력: 수중 환경은 본질적으로 자력의 투과에 영향을 미치지 않습니다. 자력의 강도는 자석의 성능과 자기 회로 설계에 따라 달라집니다. 그러나 수중 마그네틱 휠은 생물학적 오염(예: 따개비, 조류)이나 코팅으로 덮인 선체 표면을 처리해야 할 수도 있습니다. 이러한 매체는 자기장과 금속 표면 사이의 거리를 증가시켜 유효 접착력을 약화시킵니다. 따라서 이러한 간극을 극복하기 위해 충분히 강력한 자력을 가진 마그네틱 휠이 필요합니다.

2. 보호용 고무 슬리브: 선체 스크래치 방지

고무 슬리브 설치 여부는 적용 시나리오와 검사 대상 표면의 요구 사항에 따라 다릅니다.

선체 페인트 보호: 선체, 파이프 또는 기타 코팅된 표면에 부착하여 검사하거나 청소해야 하는 로봇의 경우 내마모성 고무 슬리브를 추가하는 것이 중요합니다. 고무 슬리브는 마찰을 효과적으로 증가시키고 마그네틱 휠이 선체 표면에 직접 닿아 스크래치를 유발하는 것을 방지할 수 있습니다. 특히 고가이거나 손상되기 쉬운 코팅의 경우 더욱 그렇습니다.

마찰 증가: 또한 고무 슬리브는 마그네틱 휠과 접촉면 사이의 마찰 계수를 크게 높여 미끄럽거나 오염된 표면에서 로봇의 접지력을 향상시켜 이동 안정성과 등반 능력을 향상시킵니다.

재료 및 내구성: 고무 슬리브의 재료는 수중 환경에서 장기간 사용을 견딜 수 있도록 우수한 내마모성, 내식성, 내자외선성 및 노화 방지 특성을 갖춰야 합니다.

3. 추가 작동 능력 및 부하 고려 사항: 고압 물총 및 연마 도구

수중 로봇은 종종 다양한 작동 도구를 운반해야 하며, 이러한 도구의 무게와 작동 중 발생하는 반작용 힘은 마그네틱 휠 선택에 직접적인 영향을 미칩니다.

부하 증가: 고압 물총, 연마 도구, 브러시 또는 센서 어레이와 같은 장비를 운반하면 로봇의 전체 무게가 크게 증가합니다. 마그네틱 휠의 하중 용량은 로봇의 본체 무게, 운반된 모든 도구의 무게 및 도구 작동 중 생성되는 추가 추력 또는 당기는 힘을 견딜 수 있어야 합니다.

작동 반작용 힘: 특히 고압 물총이나 연마 도구를 사용할 때 강력한 반작용 힘이 생성되어 로봇을 부착된 표면에서 밀어내거나 당기려고 합니다. 마그네틱 휠의 접착력은 로봇이 표면에 안정적으로 부착되어 작업을 완료할 수 있도록 이러한 반작용 힘보다 훨씬 커야 합니다.

전력 소비 및 배터리 수명: 추가 작동은 무게를 증가시킬 뿐만 아니라 일반적으로 더 높은 에너지 소비를 의미합니다. 이는 로봇의 배터리 지속 시간에 영향을 미치며 시스템 설계 중에 균형을 맞춰야 합니다.

4. 부력 설계: 양성 부력 또는 음성 부력?

로봇의 부력 특성은 수중 이동 및 작동 방법에 큰 영향을 미치며, 이는 마그네틱 휠 선택과 간접적으로 관련이 있습니다.

양성 부력(Positive Buoyancy): 로봇이 물에 자연스럽게 뜨는 것을 의미합니다.

• 장점: 전원이나 접착력이 상실되면 로봇이 자동으로 수면으로 떠올라 회수가 더 쉽고 분실 위험이 줄어듭니다.
• 적용 시나리오: 수중 구조물에 장기간 또는 강력하게 부착할 필요가 없는 로봇이나 작업 후 빠른 부상이 필요한 경우에 적합합니다.
• 마그네틱 휠에 미치는 영향: 양성 부력 로봇이 수중 구조물의 바닥이나 측벽에서 부착 작업을 수행해야 하는 경우, 마그네틱 휠은 부력에 대항하기 위해 더 큰 상향 또는 측면 접착력을 제공해야 합니다.

음성 부력(Negative Buoyancy): 로봇이 물에 자연스럽게 가라앉는 것을 의미합니다.

• 장점: 로봇은 목표 깊이까지 더 안정적으로 하강할 수 있으며 자체 무게에 의존하여 수중 구조물의 상단이나 측벽에 부착할 수 있으므로 마그네틱 휠에 필요한 접착력을 줄일 수 있습니다.
• 적용 시나리오: 수중 구조물에서 장기간 작동해야 하는 로봇이나 심해 환경에서의 조사 및 유지 보수에 적합합니다.
• 마그네틱 휠에 미치는 영향: 음성 부력은 로봇이 부착된 표면에 "눌리는" 것을 돕습니다. 마그네틱 휠의 주요 역할은 이동을 위한 측면 마찰과 기울어지거나 뒤집혔을 때 충분한 접착력을 제공하는 것입니다.

중성 부력(Neutral Buoyancy): 이상적으로 많은 수중 로봇은 중성 부력을 갖도록 설계되어 물에 뜨지도 가라앉지도 않습니다. 이는 로봇이 수중 이동 중에 극복해야 하는 부력이나 중력을 최소화하여 추진기나 마그네틱 휠의 부담을 줄이고 에너지 효율성과 기동성을 향상시킵니다.

• 달성 방법: 일반적으로 로봇의 밸러스트와 부력 재료(예: 부력 모듈)를 조정하여 달성됩니다.

요약: 부력 설계는 로봇의 마그네틱 휠 접착력 필요성에 직접적인 영향을 미칩니다. 양성 부력 로봇은 부력을 극복하기 위해 마그네틱 휠에서 더 많은 접착력을 필요로 하는 반면, 음성 부력 로봇은 중력을 사용하여 접착을 도울 수 있습니다.

5. 마그네틱 휠 하중 용량: 계산 및 마진

마그네틱 휠의 하중 용량은 로봇과 임무 장비를 지탱할 수 있는 능력을 나타내는 중요한 지표입니다.

총 하중 계산: 마그네틱 휠의 총 하중 용량은 다음 무게를 커버해야 합니다:

• 로봇 본체 무게: 이는 기초적인 무게입니다.
• 운반된 장비 및 도구의 무게: 센서, 카메라, 조작기, 청소 도구 등이 포함됩니다.
• 마그네틱 휠 자체 무게: 직경이 큰 마그네틱 휠의 경우 자체 무게를 간과해서는 안 되며 총 하중에 포함해야 합니다.

안전 마진 허용: 실제 적용에서는 고르지 않은 표면, 오염, 수류 충격 등의 요인으로 인해 실제 접착력이 감소할 수 있습니다. 따라서 마그네틱 휠을 선택할 때 정격 하중 용량은 이론적으로 계산된 총 중량보다 훨씬 커야 하며, 일반적으로 20%~50% 또는 그 이상의 안전 마진을 권장합니다. 즉, 로봇의 무게가 100kg인 경우 접착력이 120kg~150kg 이상인 마그네틱 휠을 선택해야 할 수도 있습니다.

6. 마찰 및 모터 부하: 추진의 핵심

마그네틱 휠의 마찰은 로봇의 이동성에 직접적인 영향을 미치며 필요한 모터 출력을 결정합니다.

마찰 및 접착력: 마찰력(F마찰)은 마그네틱 휠의 접착력(F접착) 및 접촉면 간의 마찰 계수(μ)와 관련이 있습니다: F마찰=μ×F접착. 특히 경사지거나 수직인 표면에서 안정적인 수중 이동을 보장하기 위해 충분한 마찰을 제공하려면 더 높은 마찰 계수와 충분히 큰 접착력이 필요합니다.

모터 출력: 로봇의 총 중량(모든 부하 포함)이 크거나 큰 수류 저항 또는 생물학적 오염을 극복해야 하는 경우 로봇이 효율적으로 이동하려면 더 강력한 구동 모터가 필요합니다. 모터 출력이 부족하면 이동 속도가 느려지거나 등반이 어려워지거나 이동이 불가능해질 수 있습니다.

에너지 효율성 및 열 관리: 고출력 모터는 더 큰 에너지 소비를 의미하므로 해당 배터리 팩이 필요합니다. 또한 과열로 인해 성능과 수명에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 수중에서 모터 열 방출을 고려해야 합니다.

기타 고려해야 할 요소

위에 언급된 핵심 요소 외에도 수중 로봇용 마그네틱 휠을 선택할 때 다음 사항도 고려할 가치가 있습니다:

• 크기 및 무게: 마그네틱 휠의 크기와 무게는 로봇의 전체 디자인, 기동성, 배치 및 회수 용이성에 영향을 미칩니다. 접착 요구 사항을 충족하면서도 컴팩트하고 가벼운 디자인을 우선시해야 합니다.
• 유지 보수 및 수명: 유지 보수의 용이성과 마그네틱 휠의 예상 수명을 고려하십시오. 일부 디자인은 마모된 부품을 교체하거나 정기적인 유지 보수를 수행하기가 더 쉬울 수 있습니다.
• 비용: 비용은 모든 프로젝트에서 피할 수 없는 요소입니다. 모든 성능 요구 사항을 충족하는 가장 비용 효율적인 솔루션을 선택하십시오.
• 맞춤화 가능성: 일부 특수 응용 분야의 경우 특정 크기, 접착력 또는 기타 기능(예: 센서) 통합과 같은 맞춤형 마그네틱 휠 솔루션이 필요할 수 있습니다.
• 수류 충격: 수중 로봇은 특히 강한 해류나 수중 구조물 근처에서 수류의 영향을 받는 경우가 많습니다. 마그네틱 휠의 접착력과 로봇의 전반적인 유선형 디자인은 수류의 추력에 효과적으로 저항하는 방법을 고려해야 합니다.

위의 요소를 종합적으로 고려하면 수중 로봇에 가장 적합하고 신뢰할 수 있는 마그네틱 휠을 선택하여 복잡한 수중 환경에서 다양한 작업을 효율적이고 안전하게 완료할 수 있습니다.