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병렬로봇
병렬로봇(parallel robot)은 팔이 폐쇄 루프 구조 형태로 연결되는 로봇을 말한다. 물건을 집어 스케치를 하거나 인쇄 회로 기판(PCB: Printed Circuit Board) 등을 조립하는 등 다양한 분야에 맞게 설계되어 사용된다.
목차
개요
병렬로봇은 1개의 직렬체인(다리)으로 구성되는 직렬로봇과 달리, 이동 플랫폼(엔드이펙터)이 적어도 2개 이상의 다리에 의하여 지지되는 구조를 가진 로봇이다. 1980년대 초 스위스의 레이몬드 클라벨(Reymond Clavel) 교수가 저가, 고속의 3축 병렬로봇을 설계하였으며, 1999년 스위스의 ABB가 최초로 판매를 시작했다.[1] 직렬로봇은 모든 조인트에 구동기가 장착되지만, 병렬로봇은 각 다리당 1~2개의 구동기가 고정부 또는 근처에 장착되고 나머지 조인트는 수동조인트로 구성된다. 대표적인 병렬로봇으로는 가우-스튜어트 플랫폼(Gough-Stewart platform)이 있다. 이 병렬 기구는 이동 플랫폼을 6개의 U-P-S(Universal-Prismatic- Spherical) 조인트의 다리로 지지하는 구조를 가진다. 여기서 볼나사 방식의 선형 구동기가 직선조인트를 구동한다. 병렬로봇의 특이한 점은 이동 플랫폼의 회전각도를 증가하기 위하여 회전 범위가 작은 볼조인트 대신에 2개의 다리가 1개의 유니버설 조인트로 이동 플랫폼에 연결되는 구조를 가진다는 것이다. 병렬로봇은 구동기가 고정부 또는 근처에 장착되고 특히, 이 U-P-S 다리에는 인장/압축력만 작용하므로 이동부의 관성을 최소화할 수 있다. 따라서 병렬로봇은 직렬로봇보다 고속과 고가속력을 가진다. 또한, 이동플랫폼에 작용하는 힘 이 다수의 다리에 의하여 지지가 되므로 로봇 자체 중량대비 큰 가반하중과 고강성을 가진다. 병렬로봇은 또 직렬로봇과 달리 구동부의 오차가 누적되지 않고 링크의 정적/동적 변형이 상대적으로 작으므로 고정밀도를 가진다. 반면, 이동 플랫폼의 운동을 여러 개의 다리로 구속하므로 작업 영역이 작은 단점을 가진다. 현재까지 상업적으로 가장 성공한 병렬로봇은 델타로봇이다. 델타로봇은 3개의 모터가 구동암을 제어하고 각 구동암에 2개의 S-S 직렬체인이 이동 플랫폼에 연결된다. S-S 직렬체인에는 인장/압축 힘만 작용하므로 이 부분의 중량과 관성을 최소화할 수 있다. 따라서 고속 및 고가속에 매우 적합한 구조라고 할 수 있다.[2]
기술
구조 합성
직렬로봇은 작업에 요구되는 자유도를 만족하는 메커니즘이 몇 개 존재하는 반면, 병렬로봇은 자유도마다 매우 다양한 메커니즘이 존재한다. 각 자유도와 운동 형태별로 병렬로봇의 구조에 관한 방대한 자료를 참고 문헌에서 구할 수 있다. 병렬로봇은 자유도 측면에서 6자유도와 저자유도 병렬로봇, 작업공간 측면에서 공간과 평면 병렬로봇, 운동 형태 측면에서 병진운동·회전운동·복합운동 병렬로봇으로 분류할 수 있다. 일반적으로 저자유도 병렬로봇은 6자유도 병렬로봇보다 더 큰 작업영역을 확보할 수 있다. 일반적으로 정기구학과 동역학 등이 매우 복잡하나, 예를 들어 델타 병렬로봇과 같은 병진운동만이 가능한 병렬로봇은 상대적으로 간단한 정기구학 및 동역학 해를 구할 수 있다.[2]
구학과 동역학 해석
일반적으로 병렬로봇의 해석 시에는 직렬로봇에 사용되는 D-H 표현법을 사용할 필요 없이 벡터-루프식이 사용된다. 역기구학은 일반적으로 1~2개의 해석해가 존재한다. 반면, 정기구학은 구동조인트의 값이 주어졌을 때 각 다리가 만드는 구들의 교집합으로 구할 수 있고 일반적으로는 해석해가 존재하지 않는다. 가우-스튜어트 플랫폼의 경우 최대 40개의 해가 존재할 수 있다. 그러나 수치적 방법을 사용하면 실시간 제어에서도 정기구학 해석이 가능하다. 직렬로봇은 1개 이상의 자유도를 잃는 기구학적 특이성만 발생한다. 반면 병렬로봇은 수동조인트가 존재하므로 기구 학적 특이성뿐만 아니라 구동조인트를 고정하여도 외부 힘을 지지하지 못하여 1개 이상의 자유도를 얻는 정역학 특이성이 존재한다. 이러한 특이성은 자코비안 행렬을 해석하여 설계와 제어 시 회피할 수 있다. 직렬로봇의 동역학 해석은 잘 정립되어 있으나, 병렬로봇의 경우에는 상당히 다양한 메커니즘이 존재하므로 대표적인 몇 개의 병렬로봇에 대한 동역학만이 유도되었고, 직렬로봇의 경우보다 동역학이 복잡하다. 예를 들어 가우-스튜어 트 플랫폼의 경우 다리의 관성이 비교적 작으므로 다리의 동역학이 구동기의 토크에 미치는 부분이 작다고 할 수 있다. 따라서 가반하중과 이동플랫폼의 동역학만을 고려하면 실시간 컴퓨트-토크 제어를 할 수 있다.[2]
최적 설계
병렬로봇의 설계는 크게 구조합성과 치수합성(dimensional synthesis) 단계로 나눌 수 있다. 첫 번째 단계는 요구되는 작업을 만족하는 병렬로봇의 구조를 선정하는 것이다. 자유도마다 병렬로봇의 메커니즘은 매우 다양하고 메커니즘들 의 장단점을 쉽게 판단할 수 없다는 어려움이 있다. 장단점을 고려하여 메커니즘의 구조가 선정되면 성능을 최대화할 수 있는 기구학적 치수와 각 부품을 최적 설계해야 한다. 기구학적 치수의 변화에 따라 성능이 매우 크게 변화할 수 있으므로 최적 설계 시 주의해야 한다. 일반적으로 기구학적 치수가 증가할수록 작업 영역은 증가하나 강성, 가반하중 및 정밀도는 감소하므로 상반되는 성능을 최적화할 수 있는 기구학적 치수를 설계해야 한다. 병렬로봇은 텔레스코픽 방식의 선형 구동기, 유니버설 및 볼조인트와 같은 부품을 요구하나 이러한 상용 정밀부품을 구하기가 어렵거나 고가라는 점이 개발의 장애가 될 수 있다. 선형구동기를 고정부에 배치하면 상용 선형구동기를 사용할 수 있다는 장점이 있다.[2]
장단점
병렬로봇은 직렬로봇에 비해 다음과 같은 장점을 가지고 있다. 첫째, 병렬로봇은 직렬로봇에 비하여 우수한 강성 특성을 가지고 있다. 기존의 직렬형 공작기계는 외팔보 구조의 형태로서 공구에 절삭력이 인가되었을 때, 각 이송부는 인장 및 압축력뿐만 아니라 굽힘력의 하중이 걸리게 되어 변형하게 된다. 따라서 절삭기계로서의 강성을 높이기 위하여 각 이송부는 매우 육중한 구조로 제작되고 있는 실정이다. 이에 반하여 병렬로봇은 공구가 설치되는 운동부와 기계 베이스가 복수 개의 링크로 연결됨으로써 절삭력이 각 링크로 분산될 뿐만 아니라, 각 링크는 인장 및 압축력만을 받게 되어 가벼운 링크 구조로 큰 힘을 견딜 수 있는 구조적 장점을 가지고 있다. 둘째, 병렬로봇은 직렬로봇에 비해 고속, 고가속도 운동에 유리한 기구 구조이다. 직렬로봇의 각 이송부는 강성을 고려하여 매우 육중할 뿐만 아니라, 베이스에 가까운 이송부일수록 상위 이송부 질량을 감당하기 위하여 더욱 크게 제작되어야 하는 구조적 단점이 있다. 병렬로봇의 각 이송부는 주축부의 질량만을 감당하면 되기 때문에 작은 출력의 모터로서도 큰 속도 및 가속도를 얻을 수 있다. 셋째, 6자유도의 운동을 하는 직렬로봇과 비교했을 때 병렬로봇의 기계 정밀도가 매우 우수하다. 이는 직렬로봇은 각 이송부 제작 오차가 누적하여 공구에 반영됨에 비해, 병렬로봇은 평균화하여 나타나기 때문이다. 넷째, 병렬로봇의 각 링크부는 모두 동일한 모듈화 구조로 되어 있어 대량생산 시 기계의 가격을 크게 낮출 수 있다. 이는 각 링크에 동일한 기계 구조 및 서보 시스템을 사용함으로써 가능한 것이다.[3] 반면 병렬 구조로 인한 제한된 작업영역을 가지게 되어 운동성이 나쁜 단점을 가진다.[4]
응용 분야
공작기계
병렬로봇의 장점인 고강성과 고정밀도를 이용해서 1990년대 초반에 기딩스 앤드 루이스(Giddings & Lewis)는 새로운 개념의 병렬형 밀링머신인 바리억스(Variax)를 출시하였다. 또한 잉거솔(Ingersoll)도 헥사포드(Hexapod)를 출시했다. 병렬로봇은 6개의 S-P-S 다리로 구성되고 6자유도를 가진다. 6축 헥사글라이드(Hexaglide)와 헥사엠(HexaM)도 제시되었다. 이는 6개의 P-S-S 다리로 구성되고 기존 상용 볼나사 방식의 선형구동기가 고정부에 장착되어 직선조인트를 구동한다. 상용 선형구동기를 사용하므로 고정밀도와 제작이 용이하고 이동부의 관성이 작다는 장점이 있다. 또한, 3개의 다리로 구성된 트라이포드(Tripod) 방식의 3축 병렬형 공작 기계도 제시되었다. 또한 기존 산업용 직렬로봇과 비슷한 작업영역과 유연성을 갖는 트라이셉트(Tricept) 공작기계도 제시되었다. 이는 3축 병렬기구(Arm)와 2축 직렬기구(Wrist)가 직렬적으로 연결된 복합구조(hybrid structure)를 가진다. 기존 5축 직렬형 공작기계보다 중량이 작으므로 모듈 형태로 배치가 가능하고 기존 산업로봇으로 작업이 어려운 경가공 작업에 적합한 구조를 가졌다.[2]
모션 시뮬레이터
병렬로봇은 모션 시뮬레이터로 처음 개발되었다. 이를 통해 병렬로봇이 모션 시뮬레이터에 매우 적합한 구조임을 알 수 있다. 대표적인 생산업체는 무크(Moog)와 보쉬 렉스로스(Bosch Rexroth) 등이 있다. 가반 하중 14톤 이상, 속도 수 m/s, 가속력 1~2g 정도, 2축 직선레일 위에 6자유도를 장착하여 이동 영역을 최대화한 시스템도 개발되 었다. 최근에는 6자유도보다 단순한 저자유도(2, 3, 4축) 모션 시뮬레이터 등이 4D 극장과 같은 엔터테인먼트 용도로 개발되고 있다.[2]
산업로봇
파낙(FANUC)의 F200-iB은 병렬로봇의 고가반하중 장점을 이용한 대표적인 예이다. 이는 6자유도 헥사포드 구조를 갖고 로봇 중량이 190kg임에도 100kg의 매우 큰 가반 하중을 가진다. 파낙의 델타포드는 자동차 차체 지지용으로 개발되었다. 이 기구는 3세트의 평행사변형 기구를 이용하여 델타로봇과 유사하게 3축 병진운동을 한다. 현재까지 상업적으로 가장 성공한 병렬로봇은 델타로봇이다. 델타로봇은 3개의 모터가 구동암을 제어하고 각 구동암에 2개의 S-S 직렬체인이 이동플랫폼에 연결된다. 이 S-S 직렬체인에는 인장/압축 힘만 작용하므로 이 부분의 중량과 관성을 최소화할 수 있다. 따라서 이 기구는 고속/고가속에 매우 적합한 구조라고 할 수 있다. ABB의 플렉스피커(FlexPicker)는 4축으로 최대 속도 10m/s, 최대 가속력 10g 및 사이클 타임 0.36초(가반하중 1kg 기준)의 고속과 고가속력을 가진다. 최근 델타 기구에 대한 원천특허가 소멸함에 따라 여러 로봇 회사들이 다양한 형태의 델타 병렬로봇을 개발하고 있다. 대표적으로 파낙의 M-3iA/6A(6축, 반복 정밀도 ±0.1mm, 가반하중 6kg)와 아뎁트의 콰트로(4축, 최대속도 10m/s, 최대 가속력 5g) 등이 있다. 콰트로는 다른 델타와 달리 4개의 다리를 사용하고 가변 이동플랫폼을 이용하여 회전운동을 만든다는 점이 특이하다. 현재 대표적인 산업용 로봇 회사들이 고속 델타형 병렬로봇을 기존 스카라로봇을 대체할 상품으로 출시하고 있다는 점은 주목할 만하다.[2]
기타
병렬로봇이 구동부의 오차가 누적되지 않는다는 장점을 이용하여 병렬형 정밀 스테이지가 PI에 의하여 개발되었다. 전동 방식의 헥사포드와 플렉서블 조인트와 피에조 구동기를 사용한 초정밀 스테이지 등이 출시되고 있다. 또한 병렬로봇의 정밀도와 구조적 안정성을 이용하여 고정밀도 위치제어가 필요한 뇌수술 및 허리 수술 보조장치로 헥사포드와 같은 병렬로봇이 활용되고 있다. 병렬기구는 이동부의 중량이 매우 작고 힘반향력이 기존의 직렬형 햅틱보다 크므로 델타구조를 이용한 병렬형 햅틱장치가 상용화되었다.[2]
각주
- ↑ 박수련 기자, 〈만들었다〉, 《중앙일보》, 2018-07-04
- ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 김한성 교수, 〈(산업용 로봇 기술 동향) 병렬로봇 기술과 응용 분야〉, 《헬로티》, 2012-11-01
- ↑ 김종원, 〈쾌속가공을 위한 새로운 개념의 병렬기구 공작기계〉, 《코리아사이언스》, 1999-06
- ↑ 김병인, 경진호, 도현민, 조상현, 〈고속 병렬 로봇의 설계에 관한 연구〉, 《코리아사이언스》, 2013-02-06
참고자료
- 김한성 교수, 〈(산업용 로봇 기술 동향) 병렬로봇 기술과 응용 분야〉, 《헬로티》, 2012-11-01
- 김종원, 〈쾌속가공을 위한 새로운 개념의 병렬기구 공작기계〉, 《코리아사이언스》, 1999-06
- 김병인, 경진호, 도현민, 조상현, 〈고속 병렬 로봇의 설계에 관한 연구〉, 《코리아사이언스》, 2013-02-06
같이 보기
