다관절 로봇

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1. 개요

다관절 로봇은 3개 이상의 회전 관절을 가진 로봇으로, 사슬과 같은 형태로 연결되어 하나의 관절이 다른 관절을 보조한다. 산업용 로봇의 일종으로, 인간의 팔과 유사한 구조를 가지며, 4축, 5축, 6축, 7축 이상의 제품이 있다. 다관절 로봇은 운반, 팔레타이징, 용접, 조립, 도장 등 다양한 산업 분야에서 활용되며, 화낙, 쿠카, ABB, 야스카와전기 등 여러 해외 제조사에서 생산한다.

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다관절 로봇
로봇 기본 정보
종류	산업용 로봇
작동 방식	자동
제어 방식	서보 제어
자유도	3 ~ 6 자유도
주요 제조사	ABB 화낙 가와사키 중공업 야스카와 전기 KUKA 미쓰비시 전기 나치-후지코시 파나소닉 에프티에스 현대중공업 두산로보틱스
구조 및 특징
주요 특징	다양한 작업 수행 가능 (조립, 용접, 도장 등) 높은 정밀도 및 반복성 유연한 움직임 다양한 크기 및 사양 존재
관절 구성	회전 관절 (R) 또는 병진 관절 (P)의 조합으로 구성
일반적인 구성	RR, 3R, 4R, 5R, 6R RRPR RRP RPP 직렬 링크 구조
작동 원리
작동 원리	각 관절에 장착된 서보 모터에 의해 구동되며, 제어 시스템을 통해 움직임 제어
제어 방식	포인트-투-포인트 제어 연속 경로 제어 힘 제어
활용 분야
주요 활용 분야	자동차 산업: 용접, 도장, 조립 전자 산업: 부품 조립, 검사 식품 산업: 포장, 운반 의료 산업: 수술 보조, 재활 물류 산업: 팔레타이징, 디팔레타이징 반도체 산업: 웨이퍼 핸들링 항공 산업: 부품 가공
장점 및 단점
장점	높은 생산성 균일한 품질 위험한 작업 환경 대체 24시간 작동 가능 인건비 절감
단점	초기 도입 비용 높음 유지 보수 필요 작업 변화에 대한 유연성 부족 안전 문제 발생 가능성
기타
관련 기술	로봇 공학 자동화 머신 비전 인공지능 산업용 사물 인터넷 (IIoT)

2. 정의

다관절 로봇 기술과 관련된 주요 용어들은 다음과 같다. 각 용어에 대한 자세한 설명은 해당 하위 섹션에서 확인할 수 있다.

'''다관절 로봇'''
'''연속 경로''' (Continuous Path)
'''자유도''' (Degree of Freedom, DOF)
'''그리퍼''' (Gripper)
'''유효 하중''' (Payload)
'''픽 앤 플레이스 사이클''' (Pick and Place Cycle)
'''도달 거리''' (Reach)
'''정확도''' (Accuracy)
'''반복성''' (Repeatability)
'''분해능''' (Resolution)
'''로봇 프로그램''' (Robot Program)
'''최대 속도''' (Maximum Speed)
'''서보 제어''' (Servo Controlled)
'''경유점''' (Via Point)
'''작업 영역''' (Work Envelope)

2. 1. 다관절 로봇

'''다관절 로봇'''은 작업 영역의 한 지점으로 이동하기 위해서 세 개의 회전 관절을 전부 이용하는 로봇이다. 일반적으로 관절은 "사슬"처럼 연결되어 있어 하나의 관절이 다른 관절을 지지하는 형태를 가진다.

수직 다관절 로봇은 산업용 로봇의 일종으로, 보통 사람의 팔과 비슷한 구조를 가지고 있다. 축의 개수는 4축, 5축, 6축이 일반적이지만, 최근에는 7축 이상을 가진 제품도 판매되고 있다. 원리적으로 6축이면 로봇 손목의 위치와 자세를 모두 제어할 수 있지만, 축 수가 많을수록 더 다양한 자세를 취할 수 있어 활용 범위가 넓어진다. 이 때문에 장애물을 피하기 쉽다는 장점을 내세워 7축 수직 다관절 로봇을 판매하는 제조사도 있다.

수직 다관절 로봇은 사람의 팔 구조와 유사하여 인간의 작업을 대신하는 데 적합한 형태로 여겨진다. 또한, 작동 범위에 비해 설치 공간을 적게 차지하여 공장 자동화 등에서 공간 배치가 용이하다. 수평 다관절 로봇(SCARA 로봇)과 비교했을 때, 위아래 방향으로 움직일 수 있는 범위 전체에 로봇 손목이 닿을 수 있다는 특징이 있다.

크기는 매우 다양하여, 책상 위에 놓을 수 있는 가반하중(로봇이 들어 올릴 수 있는 최대 무게) 1kg 정도의 소형 로봇부터 500kg이 넘는 대형 로봇까지 존재한다. 현재 가장 큰 로봇 중 하나는 화낙(Fanuc)사의 M-2000iA/2300 모델로, 최대 2300kg의 무게를 들어 올릴 수 있다. 이러한 대형 로봇은 소형차나 트럭 프레임, 큰 주물이나 금형 등을 옮기는 작업에 사용된다.

구동 축 수	주요 용도
4축	운반, 팔레타이징(물건 쌓기) 등
5축	운반, 팔레타이징, 도장 등
6축	용접, 조립, 도장 등
7축	특히 좁은 공간에서의 용접 등

2. 2. 연속 경로 (Continuous Path)

연속 경로는 로봇이 움직여야 할 경로상의 모든 지점을 입력 또는 명령으로 지정하는 제어 방식이다. 이 경로는 매니퓰레이터 관절들의 조화로운 움직임을 통해 제어된다.

2. 3. 자유도 (Degree of Freedom, DOF)

자유도(Degree of Freedom, DOF)는 로봇의 엔드 이펙터가 움직일 수 있는 독립적인 방향의 수를 의미하며, 이는 매니퓰레이터가 가진 움직임 축의 수로 정의된다.

다관절 로봇은 일반적으로 4축, 5축, 6축 구조가 흔하지만, 최근에는 7축 이상의 축을 가진 로봇도 등장하고 있다. 원리적으로 6개의 축이 있으면 로봇 손목의 위치와 자세를 자유롭게 제어할 수 있다. 하지만 축 수가 많을수록 더욱 다양한 자세를 취할 수 있어 로봇의 활용 범위가 넓어지는 장점이 있다. 예를 들어, 7축 로봇은 6축 로봇보다 장애물을 피해 움직이는 데 유리하여, 복잡하거나 좁은 작업 환경에 효과적으로 대응할 수 있다.

로봇의 축 수에 따라 주로 사용되는 분야는 다음과 같다.

구동 축 수	주요 용도
4축	물건 운반, 팔레타이징 등
5축	물건 운반, 팔레타이징, 도장 등
6축	용접, 조립, 도장 등
7축	특히 좁은 공간에서의 용접 등

2. 4. 그리퍼 (Gripper)

마지막 조작기 링크의 자유 끝에 부착되어 물체를 잡거나 쥐는 장치이다. 로봇의 손 또는 엔드 이펙터라고도 한다.

2. 5. 유효 하중 (Payload)

로봇 매니퓰레이터가 정해진 정밀도를 유지하면서 운반할 수 있는 최대 무게를 의미한다. 일반적으로 최대 유효 하중(Maximum Payload)과 정격 유효 하중(Nominal Payload 또는 Rated Payload)으로 구분된다.

최대 유효 하중: 로봇이 정격 정밀도를 유지하면서 감속된 속도로 운반할 수 있는 최대 무게이다.
정격 유효 하중: 로봇이 정격 정밀도를 유지하면서 최대 속도로 운반할 수 있는 무게이다.

이러한 유효 하중 값은 로봇이 들어 올리는 대상(페이로드)의 크기와 모양에 따라 크게 달라질 수 있다.

다관절 로봇의 유효 하중은 매우 다양하다. 책상 위에 놓을 수 있는 1kg 정도의 소형 로봇부터, 500kg 이상의 무게를 다룰 수 있는 거대한 로봇까지 존재한다. 예를 들어, 화낙(Fanuc)사의 M-2000iA/2300 모델은 2300kg의 유효 하중을 가지며, 이는 소형차나 트럭 프레임과 같은 매우 무거운 물체를 운반하는 데 사용될 수 있다.

2. 6. 픽 앤 플레이스 사이클 (Pick and Place Cycle)

픽 앤 플레이스 사이클은 다관절 로봇이 물체를 집어(Pick) 지정된 위치에 놓는(Place) 일련의 동작을 수행하는 데 걸리는 시간(초)을 의미한다. 이는 로봇의 작업 속도를 나타내는 중요한 지표 중 하나로 활용된다.

구체적인 동작 순서는 다음과 같다.

# 약 2.54cm 아래로 이동한다.

# 정격 페이로드를 잡는다.

# 약 2.54cm 위로 이동한다.

# 약 30.48cm를 가로질러 이동한다.

# 약 2.54cm 아래로 이동한다.

# 잡았던 물체를 놓는다.

# 약 2.54cm 위로 이동한다.

# 시작 위치로 돌아간다.

이 전체 과정을 완료하는 데 걸리는 시간이 픽 앤 플레이스 사이클 타임이다.

2. 7. 도달 거리 (Reach)

로봇 베이스의 중심에서 손목 끝까지의 최대 수평 거리이다.

2. 8. 정확도 (Accuracy)

로봇이 목표로 하는 지점과 실제로 도달한 결과 위치 사이의 차이를 의미한다.^[1] 절대 정확도는 로봇 제어 시스템에서 지시한 지점과 매니퓰레이터 팔이 실제로 도달한 지점 간의 차이를 말한다. 이는 동일한 지점을 목표로 했을 때 여러 번의 시도 사이에 발생하는 매니퓰레이터 팔 위치의 변동성인 반복성과는 구별되는 개념이다.^[1]

2. 9. 반복성 (Repeatability)

동일한 제어 신호가 주어졌을 때 로봇 시스템 또는 메커니즘이 동일한 동작을 반복하거나 동일한 지점에 도달하는 능력을 의미한다. 이는 특정 작업을 반복하여 수행할 때 발생하는 로봇의 주기 간 오차로 나타난다. 예를 들어, 특정 다관절 로봇의 경우 페이로드(가반하중)가 5kg에서 100kg 사이일 때 반복성은 0.1mm에서 0.5mm 수준으로 나타날 수 있다.

2. 10. 분해능 (Resolution)

분해능은 로봇 제어 시스템이 감지하거나 제어할 수 있는 가장 작은 움직임 또는 거리의 증가분을 의미한다. 각 관절의 분해능은 회전당 엔코더 펄스 수와 구동비에 따라 결정되며, 로봇 암의 끝부분(공구 중심점)과 관절 축 사이의 거리에도 영향을 받는다.

2. 11. 로봇 프로그램 (Robot Program)

IBM 호환 개인용 컴퓨터를 위한 로봇 통신 프로그램이다. 터미널 에뮬레이션 및 유틸리티 기능을 제공하며, 사용자 메모리 전체와 일부 시스템 메모리를 디스크 파일에 기록할 수 있다.

2. 12. 최대 속도 (Maximum Speed)

모든 관절이 서로 보완하는 방향으로 동시에 움직일 때, 로봇 팔 끝부분(팁)이 완전히 뻗은 상태에서 낼 수 있는 복합적인 최대 속도를 의미한다. 이 속도는 이론적인 최댓값이므로, 실제 특정 작업 환경에서의 사이클 시간을 예측하는 데 직접 사용해서는 안 된다. 실제 작업 속도를 가늠하기 위해서는 표준적인 '픽 앤 플레이스 사이클' 시간을 참고하는 것이 더 유용하다. 특히 중요한 작업 환경에서는 물리적 시뮬레이션을 통해 실제 달성 가능한 사이클 시간을 확인하는 것이 가장 정확한 방법이다.

2. 13. 서보 제어 (Servo Controlled)

서보 제어 Servo Controlled|서보 컨트롤드^eng는 로봇이나 기계 장치의 현재 위치와 목표 위치 사이의 오차를 감지하고, 이 오차를 바탕으로 구동 신호를 결정하여 제어하는 피드백 제어 방식이다.

2. 14. 경유점 (Via Point)

경유점(Via Point)은 로봇의 공구가 작업을 수행하는 과정에서 멈추지 않고 통과해야 하는 지점을 의미한다.^[1] 이 지점은 주로 로봇 팔이 장애물을 회피하여 넘어가거나, 특정 동작 구간에서 팔을 더 낮은 관성 자세로 만들어 효율적인 움직임을 구현하기 위해 프로그래밍된다.^[1]

2. 15. 작업 영역 (Work Envelope)

작업 영역(Work Envelope^eng)은 로봇 매니퓰레이터가 도달할 수 있는 경계를 정의하는 3차원 공간이다. 이는 로봇 팔이 움직일 수 있는 전체 범위를 나타내며, '도달 범위'(Reach^eng)라고도 불린다.

3. 다관절 로봇의 종류 및 용도

다관절 로봇은 일반적으로 인간의 팔과 유사한 구조를 가진 산업용 로봇을 의미한다. 이러한 구조 덕분에 인간의 작업을 대체하는 데 효과적이며, 가동 범위에 비해 설치 면적이 적어 공장 자동화 등에서 공간 효율성이 높다는 장점이 있다. 또한, 수평 다관절 로봇과 비교하여 상하 방향의 동작 범위가 넓다.

로봇의 크기와 힘(가반 중량)은 매우 다양하다. 책상 위에 놓을 수 있는 가반 중량 1kg 정도의 소형 로봇부터, 500kg 이상의 무거운 물체를 들어 올릴 수 있는 거대 로봇까지 존재한다. 예를 들어, 화낙(Fanuc)사의 M-2000iA/2300 모델은 가반 질량이 2300kg에 달하여 소형차나 트럭 프레임, 대형 주물 및 금형 운반과 같은 작업에 투입된다.

다관절 로봇은 구동하는 축의 수에 따라 종류가 나뉘며, 축 수가 많을수록 더 복잡하고 정교한 작업을 수행할 수 있어 다양한 산업 현장에서 활용된다.

3. 1. 축 수에 따른 분류

다관절 로봇은 일반적으로 4축, 5축, 6축으로 구성되지만, 최근에는 7축 이상의 로봇도 사용된다. 이론적으로는 6축 로봇으로도 로봇 팔 끝(손목)의 위치와 자세를 자유롭게 제어할 수 있다. 하지만 축 수가 많을수록 더욱 다양한 자세를 취할 수 있어 로봇의 활용 범위가 넓어진다. 예를 들어, 7축 로봇은 작업 공간 내의 장애물을 피해 움직이기 유리하다는 장점이 있다.

각 축 수에 따른 주요 용도는 다음과 같다.

구동 축 수	주요 용도
4축	운반, 팔레타이징 등
5축	운반, 팔레타이징, 도장 등
6축	용접, 조립, 도장 등
7축	특히 협소한 공간에서의 용접 등

3. 2. 주요 용도

다관절 로봇은 구동하는 축의 수에 따라 다양한 산업 현장에서 활용된다.

구동 축 수	주요 용도
4축	운반, 팔레타이징 등
5축	운반, 팔레타이징, 도장 등
6축	용접, 조립, 도장 등
7축	특히 협소한 공간에서의 용접 등

4. 해외 주요 제조사

화낙(ファナック^일본어)
쿠카(KUKA) (독일)
ABB (스위스)
야스카와전기(安川電機^일본어)
가와사키 중공업(川崎重工業^일본어)
덴소(デンソー^일본어)
다이헨(ダイヘン^일본어)
미쓰비시전기(三菱電機^일본어)
엡손(セイコーエプソン^일본어)

5. 다관절 로봇의 활용 사례

참조

_[1] 웹사이트 OSHA TECHNICAL MANUAL – SECTION IV: CHAPTER 4 https://www.osha.gov[...]
_[2] Webarchive https://web.archive.[...] 2017-11-16
_[3] 웹사이트 OSHA TECHNICAL MANUAL - SECTION IV: CHAPTER 4 https://www.osha.gov[...]