스카라로봇

스카라로봇(SCARA robot, Selective Compliance Assembly Robot Arm robot)은 팔의 기계 구조가 평행축인 회전 조인트를 가지며, 축에 직교하는 평면 내에서 컴플라이언스를 가진 로봇이다. 수평다관절 로봇이라고도 한다.

개요

스카라로봇은 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. 스카라로봇의 주요 특징은 평행하게 연결된 1번 관절과 2번 관절이다. 1번과 2번이 동시에 움직여 평면상에서 좌우로 휘젓듯이 빠르게 움직일 수 있다. 좌우로만 움직이면 물건을 집어 옮기기 어려워서 3번 관절이 위아래로 움직여 물건을 들었다 놨다 한다. 굉장히 작은 물체도 척척 잘 운반해 준다. 최초의 스카라로봇은 다관절로봇에 비해 조금 늦은 1978년, 일본 야마나시대학의 히로세 마키노(Hiroshi Makino) 교수에 의해 발명되었다. 기존 수직 다관절로봇에 비해 콤팩트한 구조와 빠르고 정확하게 작업이 가능한 특징으로 단순 픽앤플레이스(Pick & Place) 작업에 큰 인기를 얻었다. 기존 다관절로봇보다 관절 수가 적어 저렴해진 가격도 큰 몫을 했다. 일본에서 처음 개발되어서인지 대한민국에서 프린터 브랜드로 알려진 엡손의 제품이 전 세계적으로 가장 많이 팔린다.

구조

스카라로봇 구조

스카라로봇은 일반적으로 4축 다관절로봇으로 오른쪽 그림과 같은 형태를 가지고 있다. 2개의 회전축으로 구성된 2개의 링크와 2번째 링크끝단에 회전과 직선 운동을 하는 총 4축으로 구성되어 있다. 링크의 회전축은 하모닉 드라이버가 채용되어 있으며 링크 끝단은 볼나사 스플라인으로 구성되어 있다. 볼나사/스플라인은 스플라인 너트를 회전 또는 정지시켜서 하나의 축으로 3가지 모드 (회전, 직선과 나선)의 모션을 실행할 수 있다. 스카라로봇도 로봇 끝단에 부착되는 그리퍼에 따라 다양한 작업의 형태를 가질 수 있다. 그러나 대부분의 경우에는 4자유도의 스카라로봇 끝단에 물체를 잡을 수 있는 그리퍼를 부착하여 사용한다. 스카라로봇의 베이스 플랫폼은 고정구조물에 단단히 결합되어 지면에 고정된다 베이스 플랫폼에 연결된 링크는 캔틸레버 구조 형태를 가지고 있다.

적용 분야

스카라로봇은 회전축 2개의 동시 동작으로 고속 동작이 가능하고, 수평다관절 형태의 로봇으로서 수평 방향의 유연성이 높다. 또한 수직 방향의 강성이 높으며 설치 면적이 작다는 장점이 있다. 주요 적용 사례로는 스마트폰 케이스 반송, 레토르트 식품 박스 포장, 제약품 박스 포장, 의료 제품 반송, 전자 디바이스 검사 공장, 식품 박스 포장, 식품 제조, 식품 운송 및 반송, 클린 대응 식품 제조, PCB 및 나사 조립, 자동차 부품 조립, 공작기계 부품 이ㆍ적재 등 많은 분야에 적용되고 있다. 다양한 애플리케이션에 적용되는 만큼 각 분야마다 제한들이 있고, 선정 기준이 있을 수 있다.

검토사항

스카라로봇의 선정에 있어 참고해야 하는 일반적인 고려 사항은 제품의 무게와 관성, 설치 환경, 동작 범위, 연직 방향 스트로크 확인, 로봇과 로봇 컨트롤러의 거리 확인 등이 있다.

제품 중량, 그리퍼 사양 및 중량

스카라로봇 선정에 있어 처음 검토되어야 하는 것은 '어떤 물건을 어떻게 다룰 것인가'이다. 이때 제품의 형상, 무게 등을 고려해서 그리퍼를 설계해야 하는데, 로봇은 각 모델마다 허용 최대 무게와 관성치가 카탈로그에 표시되어 있기 때문에 이를 같이 검토해야 한다. 핸들링 속도를 빠르게 하기 위해서는 가볍고 관성이 적은 구조로 설계해야 하지만 이것은 보통 쉬운 일이 아니다. 대부분 기구 설계자들은 토크와 속도를 고려해 설계하지만, 속도에 따른 관성을 고려하지 않아 설계에 실패하는 경우를 종종 볼 수 있다. 이 경우, 조금은 귀찮고 어려운 일이지만 설계 시 관성을 함께 검토하면 실패의 가능성을 현저히 낮출 수 있다. 통상적으로 관성이 적절하면, 토크는 처음 고려했던 것보다 여유 있는 것을 선택하게 되기 때문이다.

설치 환경

로봇을 적용하는 장소에 따라 설치 환경이 문제가 되는 경우가 있다. 일반적으로 식품 제조, PCB 조립 환경은 다른 곳에 비해 기동 환경이 우수한 곳이 많지만, 예를 들어 두부 공장의 경우 습도가 높은 공정에 로봇을 적용해야 하는 경우도 있고, 반도체 공정에는 클린룸 환경에서 적용해야 하는 경우도 있다. 또한 공작기계의 제품을 로딩·언로딩을 하는 경우 절삭유가 분산되어 습도뿐만 아니라 도전성 슬러지가 로봇에 쌓여서 문제를 일으키는 경우도 있다. 로봇은 방진·방수·방폭 등의 등급으로도 제작이 가능하지만 이런 경우는 가격이 상당히 상승하기 때문에 가능하면 표준 로봇으로 사용 가능한 방법을 고려해야 한다.

동작 범위

로봇의 동작 범위는 형태에 따라서 달라지며, 통상적으로 암 길이에 의해 결정된다. 표준은 바닥 고정(Foot Mount) 형태로, 암 길이의 작업 가능 범위를 검토해서 결정하면 되는데 공간의 제약을 받거나 로봇 하부의 공간이 필요한 경우에는 천정고정형으로 선택할 수도 있다. 이것은 로봇의 공간을 최적화하고 다양한 제품의 생산을 위한 최적의 선택을 할 수 있도록 검토해야 한다.

수직(Z축) 방향 스트로크

Z축 방향의 스트로크는 어떤 제품을 선택하는가에 많이 좌우된다. 깊이가 깊은 경우는 Z축이 긴 사양을 검토해서 결정하는 것도 한 방법이고, 다른 방법으로는 상대편의 박스 높이를 조절하는 기구 설계를 한다거나, 로봇의 베이스 높이를 조절하는 경우를 검토할 수 있다. 어느 방향이 효율적일지는 기구의 전체적인 설계, 동작 효율로 결정되기 때문에 이를 고려해 결정하면 된다.

로봇 본체와 컨트롤러 간의 거리

로봇 제조사마다 표준 길이는 조금씩 다를 수 있으나 대체적으로 3~5m를 표준 길이로 하고 있으므로 이 길이에 맞도록 거리를 유지하는 것이 좋다. 로봇 케이블의 경우 서보 파워, 엔코더 및 핸드 I/O 케이블 등을 일체형으로 제작하고 외피가 튼튼한 구조로 되어 있어 길이가 연장되면 가격도 상승할 뿐만 아니라 노이즈 유입 등 문제를 야기하는 원인이 될 수 있으므로 표준 케이블로 사용하는 것이 좋다. 통상적으로 로봇 제조사에서는 케이블을 대략 20~30m까지 제작하고 있으므로 적절한 길이로 사용하면 된다. 한편 이밖에도 로봇의 선정은 현장의 조건에 따라 달라질 수 있으므로 처음 검토 단계에서 3D 시뮬레이션을 해보거나 간섭 영역을 최대한 검토해보는 것도 중요하다. 로봇 프로그램 툴들을 보면 최근 3D 이미지를 읽어서 배열하고, 로봇을 동작시키는 기능을 갖춘 프로그램도 출시되고 있으므로 이런 프로그램을 이용한 시뮬레이션이 가능하다. 또한 3D 캐드를 이용한 검증도 가능하므로 다양한 방법을 검토하는 것이 좋다. 덧붙여, 스카라로봇이 직교로봇 등 타 로봇의 상단에서 동작을 해야 하는 경우에는 가동형 케이블을 사용해야 하기 때문에 로봇 선정 시에 케이블의 길이와 케이블의 종류에 대해서 신중히 검토해야 한다.

사이클 타임

로봇의 종류에 따라 로봇 도입 시 그 역할이 달라질 수 있지만, 스카라로봇은 대체로 빠른 동작이 요구되는 경우가 많다. 리니어 모터를 활용한 직교로봇을 스카라로봇이 대체하는 사례가 많아진 것은 직교로봇의 유연성이 부족하고 단위시간당 생산량을 감당할 수 없기 때문이다. 직교로봇은 대체로 초당 2~3m의 속도로 사용되는데, 도시바기계 스카라로봇 THL600 모델의 경우 최고 속도가 7m/sec 이상이고 유연성이 좋기 때문에 설계 실수 또는 대상 작업물의 변화에도 손쉽게 대응이 가능하다. 한편 도시바기계 THL600의 경우 사이클 타임은 0.45sec 정도이고, THP550A의 경우는 0.31sec 정도이다.

필드버스 인터페이스

어떠한 경우에라도 로봇은 스스로 모든 작업을 감당하지 않고 상위제어기와의 인터페이스를 통해 다양한 작업을 하게 된다. 대체로 미쓰비시(Mitsubishi)의 CC-Link, 지멘스의 프로피버스(Profibus) 등 특정 회사의 제품과 연결되는 경우도 있고, 오픈 네트워크 시스템(Open Network System)인 인터넷 IP, 이더캣(EtherCAT) 등을 사용하는 경우도 있다.

필요한 I/O

상위제어기와 연결을 위해서 필요한 시스템 I/O는 대체로 모든 로봇 제조사가 공급하고 있으나, 표준 범용 I/O는 제조사별로 많이 다르기 때문에 필요하다면 확장 I/O를 사용해야 한다. 로봇이 제품을 집거나, 놓거나, 외부에 로봇의 위치를 알려주기 위해서 내장된 범용 I/O를 사용하기도 한다.

참고자료

• 마이로봇솔루션, 〈로봇 말해주는 남자, 로말남 1편 - 산업용 로봇의 종류와 특징〉, 《로봇신문》, 2021-04-08
• 오현식 기자, 〈로봇, 인간과 함께 노래하다｜③ 로봇의 종류와 구성요소〉, 《MSD》, 2018-06-01
• 오연택, 〈산업용 스카라 로봇의 구조해석에 관한 연구〉, 《한국기계기술학회지》, 2017-09-08
• 김지연 기자, 〈엑트엔지니어링 스카라 로봇 초보 사용자를 위한 팁 공개〉, 《여기에뉴스》, 2018-11-27

같이 보기

• 다관절로봇
• 산업로봇

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