지난 10년간 로봇은 센서, 비전, 인공지능과 같은 첨단 기술의 통합을 통해 빠르게 발전하여 왔다. 이에 따라 픽 앤 플레이스pick-and-place 작업은 물론 오늘날 로봇은 용접을 수행하고, 무거운 물체를 운반하는 등 활동영역을 한층 높여가고 있다. 로봇의 다양한 종류와 핵심 구성 요소를 알아본다.
로봇 설계 시에 가장 먼저 해야 할 일은 로봇의 설치 위치와 작업 유형의 파악이다. 로봇이 어디에 위치하여 어떤 작업을 수행하는지를 알아야 용도에 맞는 설계가 가능하게 되기 때문이다.
로봇의 용도를 파악했다면, 다음으로는 로봇의 주요 구성 요소들을 결정해야 한다. 시스템에서 요구되는 범위와 스트로크를 고려하여 부품과 서브 어셈블리를 선택해야 로봇의 정확성과 요구 기능을 만족시킬 수 있기 때문이다. 이때 애플리케이션에서 요구되는 부하 용량을 비롯하여 주변 환경과 작업 속도 등도 고려해야 한다.
로봇의 주요 구성 요소는 다음과 같다.
더욱 스마트하게
로봇은 산업에서 단순 반복 작업을 대체하기 위해 이뤄졌다. 반복적 작업을 로봇에게 위임함으로써 효율성 향상을 꾀한 것이다. 이제 기술 발전에 따라 로봇의 가격이 낮아지고, 유연하고 안전성이 강화되며, 경량화가 이뤄지면서 작업을 빠르고 정밀하게 하는 자동화 생산 시스템의 한 부분으로 자리매김했다. 이제 로봇은 센서와 인공지능 등의 최첨단 기술과 결합하면서 스마트 로봇으로 발전했다. 사람이 없는 무인 작업은 물론 인지능력 향상으로 사람과 함께 어우러진 작업까지 가능하게 된 것이다.
로봇은 작동 방식에 따라 관절형, 직교좌표형, 원통형, 극형, SCARA 등로 구분지을 수 있다. 이 가운데 일반적으로 활용되는 것은 관절형 로봇으로, 산업용 로봇의 약 60%가 이러한 형태를 갖고 있다. 관절형 로봇의 뒤를 이어서는 직교좌표형 로봇, SCARA 로봇 등의 수요가 높다. 작동 방식에 따른 특징은 다음과 같다.
● 관절형Articulated : 관절형 또는 의인화된 형태의 로봇이라고 불리는 이 구성은 팔의 각 링크를 연결하는 회전식 조인트를 특징으로 로봇암이 마치 인간의 팔과 같은 형태를 갖고 있다. 보통 원형의 작업 범위를 지니지만, 동작 반경 내 작업 자유도가 높아 다양한 쓰임새를 갖고 있다.
● 직교좌표형Cartesian : 이 구성은 직교좌표계를 기반으로 X(오른쪽 및 왼쪽), Y(정방향 및 역방향), Z(위아래)의 세 축에서 직선 이동한다. 갠트리, xyz 또는 직선 로봇이라고도 불리며, 작업 범위가 직사각형의 형태를 갖는다. 높은 강성 구조와 위치 반복성이 장점이다.
● SCARASelectively Compliant Arm for Robotic Assembly : SCARA는 두 개의 평행한 회전 조인트와 하나의 선형 조인트로 구성되어 원통 형태의 작업 범위를 지닌다. 설치 형태를 다양하게 가져갈 수 있고, 가혹한 환경에 적합하여 일반 조립 공정에서 나사못 체결, 공정간 부품 이동 등에 많이 활용된다.
● 원통형Cylindrical : 이러한 형태의 로봇은 수직 이동을 가능하게 하는 2개의 선형 조인트와 수평 이동을 가능하게 하는 하나의 회전 조인트로 구성된다. 보통 원통형태의 범위에서 작업을 진행한다.
● 극형Polar : 구형 구성이라고도 불리는 이 구성은 두 개의 회전식 조인트, 하나의 선형 조인트의 조합으로 이뤄지며, 원형의 작업 범위를 지닌다.
● 병렬형Parallel : 위치 3축, 방향 최대 4축으로 이뤄지며, 평행사변형의 동작 범위를 갖고 있다. 비전, 컨베이어의 통합을 통한 빠른 속도의 픽&플레이스 작업이 장점으로 포장 산업에서 활용도가 높다.
범용성이 높은 관절형 로봇은 대부분 자유로운 움직임을 위해 둘 이상의 관절부를 갖고 있어 다관절 로봇이라고도 불린다. 인간과 협업할 수 있게 하여 인기를 끌고 있는 협업로봇Cobot 또한 다관절 로봇이 발전한 형태이다. 다관절 로봇은 움직임의 자유도를 위해 최소 6축을 가지며, 이동 작업을 위해 7축까지 갖는 경우도 있다.
로봇의 자유도는 DOFDegrees of freedom로 표현된다. DOF는 로봇이 전후 좌우로 움직이는 능력을 나타내며, 각각의 DOF에 하나의 관절이 필요하다. 모든 방향에서 DOF를 구현하기 위해서는 최소 6축이 필요하다. 인간의 움직임을 모사하기 위해 산업용 로봇은 다관절 어셈블리를 포함하고 있는데, 산업용 로봇의 접합부는 높은 부하 용량과 높은 회전 정확도를 가져야 한다. 또 갑작스러운 정지가 발생할 경우에도 로봇이 트랙을 벗어나지 않도록 하기 위해서는 높은 강성이 요구된다.
아크 용접 로봇의 경우, 공장 생산 라인의 조인트 회전 운동부에 사용되는 크로스 롤러 링을 활용할 수 있다. 크로스 롤러 링은 반경 방향과 축 방향 모멘트의 각 하중에 대해 충분히 견고하기 때문에 로봇의 소형 조인트를 개발하는 데 유용하다. 크로스 롤러 링은 양팔 로봇에서도 사용할 수 있으며, 인간 팔의 뒤틀림 등의 움직임을 시뮬레이션하는 데 필요한 DOF를 제공한다. 회전 액추에이터 외에도 크로스 링은 로봇의 크기를 줄이면서 강성과 작동 속도를 향상시키는 역할도 한다.
SCARA 로봇은 작은 영역에서 부품과 제품을 운반·배치하는 데 주로 활용된다. 이때 주된 요구는 Z축의 스트로크 이동과 회전 정밀도이다. 따라서 고속이면서 동시에 낮은 런아웃을 구현하는 고정밀 회전 모션 가이드가 필수적이다. 수술용 로봇은 회전 및 직선 운동 가이드, 크로스 롤러, 스플라인, 볼 나사 및 액추에이터를 사용한다. 수술용 로봇은 보통 최소 침습 수술을 위해 활용되는데, 복잡하고 섬세한 절차를 수행할 수 있는 유연성과 고도의 정밀성이 핵심적인 요구 조건이다.
로봇을 만들기 위해서는 모터와 액추에이터는 물론 센서, 제어 소프트웨어 등 모션 시스템에 대한 종합적인 역량이 요구된다. 화낙, 야스카와, ABB 등 선도적인 로봇 기업들의 경우, 핵심 요소와 부품에 대한 자체적인 경쟁력을 보유하고 있다. 이는 대외 의존도가 높을 경우, 독자적인 설계와 가격경쟁력 확보에 원천적인 제약을 받기 때문이다. 최근에는 IoT와 AI 등에 대한 지식도 요구된다. 강력한 인지 능력으로, 인간의 활동을 보조·보완하는 스마트 로봇으로 진화하고 있기 때문이다.
로봇 100% 활용하기
모든 로봇은 기계적·전기적 기능 외에도 컴퓨터 프로그래밍 코드를 포함한다. 따라서 기계 엔지니어와 전기 엔지니어, 컴퓨터 엔지니어와의 긴밀한 협력이 필요하다. 이를 위한 지침은 다음과 같다.
● 인간과 더 가깝게 일할 수 있는 능력을 포함하여 로봇 기술의 새로운 발전에 대해 관련된 모든 엔지니어를 교육한다.
● 다른 사람들에게 초기 개념 검토를 요청하여 간과했던 부분을 로봇에 통합할 수 있는 기회를 찾아야 한다.
● 로봇 기술로 구현된 새로운 제품 디자인, 품질을 개선한 공장 등 다른 곳에서 새로운 로봇 기능을 적용하여 얻어 낸 의미있는 결과를 살핀다. 이를 통해 로봇을 유용하게 활용하는 실질적 방법을 보다 쉽게 파악할 수 있다.
● 기계 공학, 전기 공학, 로봇 공학의 결합에 대해 연구한다.
오늘날 로봇 기술은 빠르게 발전하고 있으며, 이에 따라 로봇의 능력은 기하급수적으로 향상되고 있다. 따라서 엔지니어와 설계자는 산업용 로봇에 대한 기존의 고정관념에서 벗어날 필요가 있다. 끊임없이 로봇의 능력과 쓰임에 대해 재고하여 새로운 가치를 창출할 때 경쟁에서 한 발 더 앞서나갈 수 있는 것이다.
로봇은 안전을 위해 인간 작업자와 분리된 공간에 위치해야 한다는 고정관념을 깨면서 대성공을 거두고 있는 코봇의 사례가 이를 입증한다. 고정관념의 탈피는 로봇 산업 종사자 뿐 아니라 최종 사용자에게도 경쟁력 강화를 위해 필요되는 덕목이다.
