직렬로봇

직렬로봇(serial robot)은 직렬형 머니플레이터 구조를 가진 로봇을 말한다. 산업용 로봇의 80%가 직렬로봇에 해당한다.

개요

직렬로봇을 구성하는 조인트 또는 관절은 로봇베이스(Robot base)에서 끝(End-effector)까지 직렬로 연결되어 있어 엔드 이펙터에서 아래쪽 베이스로 이동함에 따라 운동이 증폭되는 특성을 가지고 있다. 직렬형 머니플레이터를 구성하는 조인트는 크게 직선 운동을 하는 직선 조인트(Prismatic Joint, 직선축)와 회전 운동을 하는 회전 조인트(Rotational Joint, 회전축)으로 구분된다. 이 두 가지의 조인트가 각각 몇 개가 사용되었는지, 어떻게 연결되었는지에 따라서 로봇의 타입이 정해지고 구조적 운동 특성이 결정된다.

유형

픽 앤 플레이스

픽 앤 플레이스(Pick & Place)는 제품을 집어(pick) 특정 위치로 이동하여 위치시키는(place) 것을 의미한다. 자동화 산업에서 가장 필요한 구성 요소인 픽 앤 플레이스는 로봇의 반복적인 작업을 위해 제조 산업의 사람들을 대체하고 있다. 픽 앤 플레이스 로봇은 일반적으로 정의된 위치에서 특정 개체를 선택하여 다른 정의된 좌표에 배치하는 것을 포함한다. 가장 일반적인 예시로, 포장 공정에서 동일한 제품을 동일한 방식으로 포장하는 반복적인 작업을 들 수 있다. 이러한 단순 반복 작업을 로봇에게 넘겨주게 되면 사람은 보다 더욱 복잡한 작업에 집중할 수 있게 된다. 픽 앤 플레이스 시스템의 구성을 결정하게 되면 자동 기능을 갖춘 핸들링 시스템이기 때문에 작업자의 입력 없이 한 프로세스에서 다른 프로세스로 제품 또는 부품을 선택하여 배치하거나 프로세스에서 포장 또는 다른 애플리케이션에 배치하기 위해 픽 앤 플레이스 시스템을 실행할 수 있다. 절대 좌표에서 다른 좌표로 로봇 시스템을 선택하고 배치하면 인간의 노동력을 대체하고 반복적인 노동에서의 발생하는 잔부상들과 작업자의 피로를 줄여 생산성과 효율성을 높일 수 있다.

갠트리로봇

갠트리로봇(Gantry Robot)은 고정된 위치에서 X, Y, Z로 표시되는 직교하는 축을 따라 움직이며 작업을 수행하는 직교좌표형 로봇이다. 보통 X, Y, Z는 가로와 세로, 높이를 나타내며, 각 축의 길이는 갠트리로봇의 작동 범위라고 할 수 있다. 갠트리로봇이 주로 사용되는 곳은 제품 및 장치의 조립 과정이다. 조립 과정에 갠트리로봇을 사용하기 위해서는 장치나 제품의 크기가 각 축의 길이보다 작아야 한다. 갠트리로봇은 조립할 때 부품을 잡을 수 있는 장치를 이용하여 부품을 작업 영역으로 가져오고, 조립 중인 장치에 부착하거나 배치한다. 그리고 부품에 용접, 구멍 뚫기 및 기타 다양한 작업을 수행할 수 있다. 다른 산업용 로봇과 비교해 갠트리로봇은 큰 규모로 제작이 가능해 큰 제품이나 장치의 조립에 사용이 가능하지만, 고정되어 있다는 한계성 때문에 모든 부품을 갠트리로봇이 움직일 수 있는 범위 안에 공급해 주어야 한다. 갠트리로봇은 작업 영역을 쉽게 증가시킬 수 있고, 간단한 제어로 로봇의 이동이 가능하며, 높은 기계적 강성과 정밀도를 갖는 작업을 반복적으로 시행할 수 있다는 장점을 지닌다. 반면, 종류에 따라 유지보수가 어려우며, 다른 장비의 접근 시 충돌로 인하여 로봇 지지 구조에 손상을 줄 수 있고, 한 번에 한 방향으로만 이동하는 단점이 있다.

직교좌표형 로봇

직교좌표형 로봇(Cartesian Coordinate Robot)은 구조적 동작 특성이 직각좌표계를 이루는 산업로봇이다. 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. 산업로봇 중 가장 간단한 구조를 가졌으며, 높은 강성 구조와 위치 반복성이 장점이다. 다른 로봇들에 비해 단순한 형태로 고객 요청에 맞춰 커스텀 제작하는 경우가 많다. 좌우로 움직이는 경우 하나의 축만 있으면 되고, 평면상에서 좌우 앞뒤로도 움직이려면 두 개의 축을 연결하면 된다. 또 여기에 상하 이동 작업을 추가하려면 세로 축을 하나 더 연결하는 등 다양하게 커스텀이 가능하다. 3D 프린터가 작은 형태의 직교좌표형 로봇의 대표적인 예시이다. 실제 산업 현장에서는 현장 조건에 따라 크게 제작하여 사용하기도 한다. 축이 적으면 그만큼 가격도 저렴해지는 편이다. 하지만 넓은 거리를 이동하는 만큼 다른 로봇들에 비해 작업 속도는 느린 편이다. 주로 반도체 공정 중 청정 환경과 진공환경 분야, 물 분사를 활용한 절단, 용접 등의 작업에서 활용된다.

스카라로봇

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

수직 다관절로봇

수직 다관절로봇(Vertical Articulated Robot)은 3개 이상의 관절을 가지고 있으며 프로그램을 통한 서브 제어를 기반으로 다양한 움직임과 각도 작업 수행을 할 수 있다. 브랜드별로 로봇의 모델별 가반 중량에 차이가 있으며 그리퍼를 별도로 구성 및 부착하여 업무를 파지하거나 고성, 이송을 하게 된다. 반복 동작에 대한 정확도가 ±0.02mm를 자랑하기 때문에 조 주 품질에 대한 일관성을 유지할 수 있다. 수직 다관절로봇은 초기에 프로그래밍과 로봇 티칭 과정을 통해 작업에 대한 학습을 저장하고 경로 및 업무를 수행하게 된다. 작업이 복잡하고 관절에 움직임에 대한 티칭이 많아질수록 로봇의 속도가 저하되고 이는 트랙 타임(track time)에 영향을 미치게 된다. 따라서 초기 선정 과정에서 로봇의 회전반경 및 움직임에 대한 사전 지식이 필요하다. 로봇의 움직임 반경 내에 회피해야 할 장애물이 많을수록 로봇의 회피 기동이 불필요하게 늘어나고 이는 로봇 속도 저하의 원인이 된다. 따라서 수직 다관절로봇 선정 과정에서는 전문가와 작업 흐름에 대한 높은 이해도를 갖고 있는 인력의 참석이 필수적이다. 한 번 설치한 로봇은 교체하기 힘들기 때문에 트랙 타임과 업무 흐름을 면밀히 검토할 필요성이 있다.

참고자료

• 〈갠트리 로봇〉, 《네이버 지식백과》
• 박수진기계(MERRIC) · 김한성(경남대학교 기계공학과), 〈병렬로봇시장 신흥 트랜드〉, 《MERRIC》, 2020-07-14
• 리모를찾아서, 〈자동화 산업 필수 픽 앤 플레이스〉, 《티스토리》, 2021-09-09
• LikeWinds, 〈산업용로봇의 종류와 특징〉, 《네이버 블로그》, 2008-11-11
• Chandler, 〈산업용 로봇의 정의와 종류〉, 《인사이드인사이트》
• 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
• 환경안전기술원, 〈산업용 로봇의 종류는 어떻게 나뉠까요?〉, 《네이버 블로그》, 2023-01-23

같이 보기

• 병렬로봇
• 산업로봇

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