산업용 로봇을 분류하는 주요 요소는 무엇인가?

전 세계 Industry 4.0 공장에서 수백만 대의 산업용 로봇이 사용되고 있습니다. 산업용 로봇을 사용하면 생산 속도를 높이고, 품질을 개선하고, 비용을 절감하며, 유연하고 지속 가능한 운영을 지원할 수 있습니다. 산업용 로봇이 중요함에 따라, 국제표준화기구(ISO)에서는 로봇 공학에서 사용되는 용어를 정의하고 다양한 유형의 로봇과 그 응용 분야를 논의하기 위한 공통 언어를 제공하기 위해 표준 8373:2021, 로봇 공학 어휘를 개발했습니다.

국제 로봇 연맹(IFR)에서는 기계적 구조에 따라 로봇을 6가지로 분류하고 ISO 8373:2021에 정의된 주요 용어를 사용하여 다음과 같이 식별했습니다.

• 다관절
• 직교
• 원통형
• 병렬/델타
• 극좌표형
• SCARA

이 문서에서는 로봇을 정의하는 네 가지 주요 용어를 살펴보고, 재프로그래밍 가능성의 필요성 및 IFR에서 로봇을 분류할 때 기준으로 삼는 로봇 관절의 유형과 수에 초점을 맞춰 ISO 8373:2021을 검토합니다. 그런 다음 각 로봇 분류의 세부 사항과 미묘한 차이를 살펴보고 여러 제조업체의 대표적인 로봇을 소개합니다. 또한 ISO 요구 사항을 완전히 충족하지 못하는 로봇 시스템도 함께 살펴봅니다.

ISO 8373:2021에서는 산업용 로봇을 '제자리 또는 모바일 플랫폼에 고정되며, 자동으로 제어되고, 재프로그래밍이 가능하고, 다목적 매니퓰레이터가 있고, 3개 이상의 축으로 움직이도록 프로그래밍 가능하여 산업 환경의 자동화 응용 분야에 사용할 수 있는 로봇'으로 정의합니다.

재프로그래밍이 가능하다는 것은 중요한 차별점입니다. 일부 산업용 기계는 매니퓰레이터가 있고 여러 축으로 움직여 음료 충진 라인에서 병을 집어 상자에 넣는 것과 같은 특정 작업을 처리할 수 있습니다. 하지만 한 가지 목적으로만 사용할 수 있고 재프로그래밍이 불가능하다면 로봇이 아닙니다. '재프로그래밍 가능'이란 ISO 8373에 '물리적인 변경 없이 프로그래밍된 동작 또는 보조 기능을 변경할 수 있도록 설계됨'으로 정의되어 있습니다.

로봇 관절의 유형과 개수

ISO 8373에서는 로봇 관절의 두 가지 유형을 정의합니다.

• 프리즘 관절 또는 슬라이딩 관절은 두 링크 사이의 조립품으로, 한 링크가 다른 링크를 기준으로 선형 동작을 수행할 수 있도록 합니다.
• 회전 관절은 두 링크를 연결하는 조립품으로, 한 링크가 다른 링크를 기준으로 고정된 축에 맞춰 회전할 수 있도록 합니다.

IFR은 이러한 정의와 다른 ISO 8373 정의를 사용하여 기계적 구조 또는 토폴로지에 따라 산업용 로봇을 6가지로 분류해 식별했습니다. 또한 로봇 토폴로지에 따라 축의 개수가 다르므로 관절의 개수도 달라집니다.

축의 개수는 각 산업용 로봇을 구분 짓는 주요 특성입니다. 축의 개수와 유형에 따라 로봇의 동작 범위가 결정됩니다. 각 축은 독립적인 동작 또는 자유도를 나타냅니다. 자유도가 많을수록 로봇은 더 넓고 복잡한 공간에서 움직일 수 있습니다. 자유도의 개수가 고정된 로봇 유형도 있고, 자유도의 개수가 달라지는 로봇 유형도 있습니다.

엔드 이펙터는 ISO 8373에서 로봇 팔 종단 장치(EOAT) 또는 '다목적 매니퓰레이터'라고도 하며 대부분의 로봇에서 중요한 요소 중 하나입니다. 그리퍼, 전용 공정 도구(예: 스크루드라이버, 페인트 스프레이, 용접기), 센서(카메라 포함) 등 다양한 엔드 이펙터가 있습니다. 엔드 이펙터는 공압, 전기 또는 유압식일 수 있습니다. 일부 엔드 이펙터는 회전이 가능하여 로봇에 또 다른 자유도를 제공합니다.

다음 섹션에서는 각 로봇 토폴로지에 대한 IFR 정의를 살펴본 다음 로봇의 기능과 응용 분야를 알아봅니다.

다관절 로봇에는 3개 이상의 회전식 관절이 있습니다.

이 유형의 로봇은 대형 로봇입니다. 다관절 로봇은 10개 이상의 축을 가질 수 있으며, 6개가 가장 일반적입니다. 6축 로봇은 x, y, z 평면으로 이동할 수 있고 피치, 요, 롤 회전이 가능하여 사람의 팔 동작을 모방할 수 있습니다.

이 로봇은 1kg 미만부터 200kg 이상까지 다양한 페이로드 용량으로 제공됩니다. 도달 범위도 1m 미만에서 수 미터까지 매우 다양합니다. 예를 들어 KUKA의 KR 10 R1100-2는 6축 다관절 로봇으로 최대 도달 거리 1,101mm, 최대 페이로드 10.9kg, 반복정밀도 ±0.02mm입니다(그림 1). 또한 고속 동작, 짧은 주기 시간, 통합 에너지 공급 시스템을 갖추고 있습니다.

그림 1: 반복정밀도가 ±0.02인 6축 다관절 로봇 (이미지 출처: DigiKey)

다관절 로봇은 바닥, 벽 또는 천장에 영구적으로 실장할 수 있습니다. 바닥이나 머리 위의 자율 모바일 로봇이나 기타 이동식 플랫폼 위의 트랙에 실장하여 여러 워크스테이션 사이를 오가게 수도 있습니다.

다관절 로봇은 자재 관리, 용접, 페인트 작업, 검사 등 다양한 작업에 사용됩니다. 다관절 로봇은 작업자와 협력하도록 설계된 협업 로봇(코봇)을 구현하는 가장 일반적인 토폴로지입니다. 기존 로봇은 안전 장벽이 있는 안전 케이지에서 작동하지만, 코봇은 작업자와 밀접하게 상호 작용할 수 있도록 설계되었습니다. 예를 들어 Schneider Electric의 LXMRL12S0000 코봇은 최대 도달 거리 1,327mm, 최대 페이로드 12kg, 반복정밀도 ±0.03mm입니다. 코봇은 주로 충돌 방지 기능을 갖추고 있고, 둥근 모서리, 힘 제한, 가벼운 무게로 안전성을 강화합니다.

직교 로봇(직사각형 로봇, 선형 로봇 또는 갠트리 로봇이라고도 함)에는 직교 좌표계를 형성하는 3개의 축에 기반하는 프리즘 관절을 가진 매니퓰레이터가 있습니다.

변형 직교 로봇에는 2개의 관절이 있습니다. 하지만 '3개 이상의 축으로 움직이도록 프로그래밍할 수 있어야 한다'는 ISO 8373 요구 사항을 충족하지 못하므로 엄밀히 말해 로봇은 아닙니다.

3개의 프리즘 관절을 구성하는 방법에는 여러 가지가 있으므로 직교 로봇을 구성하는 방법도 여러 가지가 있습니다. 기본 직교 토폴로지에서 3개의 관절은 모두 직각이고, x축으로 이동하는 첫 번째 관절은 y축으로 이동하는 두 번째 관절에 부착되어 있고, y축은 z축으로 이동하는 세 번째 관절에 부착되어 있습니다.

갠트리 토폴로지는 직교 로봇의 동의어로 자주 사용되지만 동일하지는 않습니다. 기본 직교 로봇과 마찬가지로 갠트리 로봇은 3차원 공간에서 선형 동작을 지원합니다. 하지만 갠트리 로봇은 2개의 베이스 x축 레일, 두 x축을 가로지르는 지지형 y축 레일, y축에 부착된 캔틸레버형 z축으로 구성됩니다. 예를 들어, Igus의 DLE-RG-0012-AC-800-800-500은 작업 영역이 800mm x 800mm x 500mm인 갠트리 로봇으로 최대 5kg을 운반하고 ±0.5mm의 반복정밀도를 유지하며 최대 1m/s로 이동할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 작업 영역이 800mm x 800mm x 500mm인 갠트리 로봇 (이미지 출처: Igus)

원통형 로봇에는 축이 원통형 좌표계를 형성하는 하나 이상의 회전 관절과 하나 이상의 프리즘 관절을 가진 매니퓰레이터가 있습니다.

원통형 로봇은 다른 로봇에 비해 간단하고 콤팩트하며 동작 범위가 제한적이어서 프로그래밍하기 쉽습니다. 이 로봇은 더 복잡한 다른 로봇만큼 자주 사용되지는 않지만 그라인딩 공정, 적재, 용접(특히 스폿 용접), 자재 관리(예: 집적 회로 제조 작업에서 반도체 웨이퍼를 카세트에 넣고 빼는 작업)와 같은 응용 분야에 특히 적합합니다(그림 3).

그림 3: 원통형 로봇에는 회전 관절과 프리즘 관절이 하나씩 있습니다. (이미지 출처: Association for Advancing Automation)

원통형 로봇은 일반적으로 1m/s ~ 10m/s의 속도로 움직이며 무거운 짐을 운반하도록 설계할 수 있습니다. 원통형 로봇의 응용 분야에는 자동차, 제약, 식음료, 항공 우주, 전자 및 기타 산업이 있습니다.

병렬/델타 로봇은 팔에 폐쇄 루프 구조를 형성하는 링크가 있는 매니퓰레이터입니다.

원통형 또는 직교 토폴로지와 같은 다른 로봇은 동작에 따라 명명된 반면, 델타 로봇은 뒤집힌 삼각형 모양에 따라 이름이 지정되었습니다. 델타 로봇은 2축 ~ 6축으로 구성되며, 2축과 3축 설계가 가장 일반적입니다. 2축 직교 로봇과 마찬가지로 2축 델타 로봇은 엄밀히 말하자면 로봇이라고 부를 수 있는 ISO 8373의 요구 사항을 충족하지 못합니다.

델타 로봇은 강도보다 속도에 초점을 맞춰 설계되었습니다. 작업 영역 위에 실장되어 픽 앤 플레이스, 분류, 분해, 포장과 같은 기능을 수행합니다. 생산 라인에서 부품을 이동하는 컨베이어 위에서 흔히 볼 수 있습니다. 그리퍼는 길고 가는 기계적 링크에 연결되어 있습니다. 이 링크는 로봇 베이스에 있는 3개 ~ 4개의 대형 모터로 이어집니다. 링크의 다른 쪽 끝은 EOAT가 부착되는 공구 플레이트에 부착됩니다.

Igus의 RBTX-IGUS-0047은 3축 델타 로봇의 예시입니다. 작업 공간 지름이 660mm이며 최대 5kg의 하중을 처리할 수 있습니다. 0.5kg의 하중을 처리할 때 최대 속도 0.7m/s, 가속도 2m/s²로 분당 30회의 픽 동작을 수행할 수 있습니다. 반복정밀도는 ±0.5mm입니다(그림 4).

그림 4: 3축 델타 로봇 및 컨트롤러(왼쪽) (이미지 출처: DigiKey)

극좌표형 로봇(구좌표형 로봇)은 2개의 회전 관절과 1개의 프리즘 관절이 있는 매니퓰레이터로, 축이 극좌표계를 형성합니다.

극좌표형 로봇은 회전 관절 중 하나를 사용하여 베이스에서 위로 올라온 수직 축을 중심으로 회전합니다. 두 번째 회전 관절은 첫 번째 회전 관절과 직각을 이루며 로봇 팔이 위아래로 움직일 수 있게 해줍니다. 마지막으로 프리즘 관절은 로봇 팔이 수직 축에서 뻗어 나오거나 다시 들어갈 수 있게 해줍니다.

극좌표형 로봇은 구조가 간단하지만 다관절, 직교, SCARA 로봇과 같은 다른 토폴로지에 비해 사용이 제한되는 단점이 있습니다.

• 구면 좌표계는 프로그래밍이 더 복잡합니다.
• 일반적으로 다른 유형의 로봇보다 페이로드 용량이 더 제한적입니다.
• 다른 로봇보다 속도가 느립니다.

극성 로봇의 주요 이점은 넓은 작업 영역과 높은 정밀도입니다. 기계 공구 관리, 조립 작업, 자동차 조립 라인의 자재 관리, 가스 및 아크 용접 등에 사용됩니다.

SCARA 로봇('selectively compliant arm for robotic assemblies(선택적 컴플라이언스 조립 로봇 팔)')은 선택한 평면에서 컴플라이언스를 제공할 수 있는 2개의 평행 회전 관절이 있는 매니퓰레이터입니다.

SCARA 로봇은 기본적으로 3개의 자유도를 가지며, 회전 엔드 이펙터에서 세 번째 자유도를 가집니다. SCARA 로봇은 회전 관절을 추가하여 총 4개의 자유도를 가짐으로써 더 복잡한 동작도 가능합니다.

SCARA 로봇은 빠른 속도와 높은 정확성이 요구되는 픽 앤 플레이스 또는 조립 응용 분야에 자주 사용됩니다. 한 가지 예시를 들자면, Dobot의 M1-PRO는 작업 반지름 400mm, 최대 페이로드 1.5kg, 반복정밀도 ±0.02mm의 4축 SCARA 로봇입니다. 센서가 없는 충돌 감지 기능과 드래그 투 티치 프로그래밍 기능을 제공하여 독립형 로봇뿐만 아니라 코봇으로도 사용할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 반복정밀도가 ±0.02mm인 4축 SCARA 로봇 (이미지 출처: DigiKey)

결론

모든 산업용 로봇은 재프로그래밍 가능 다목적 매니퓰레이터로 자동으로 제어할 수 있어야 한다는 ISO 8373 요구 사항을 충족합니다. 하지만 모든 설계에 지정된 토폴로지에 대해 정의된 개수의 축이 있는 것은 아닙니다. 델타 로봇과 직교 로봇에는 IFR에서 정의한 것보다 축이 적고, 일부 SCARA 로봇에는 IFR에서 정의한 것보다 축이 많습니다.