다관절, 직교, SCARA, 델타 등 로봇 유형별 장점과 한계점은?
흔히 대중의 상상 속에서 로봇은 크고 둔한 기계로, 반복적인 작업을 정밀하고 정확하게만 수행하는 기계라고 생각하는 경향이 크다. 그러나 이는 오늘날의 로봇 세계에서는 일부에 불과할 뿐이 며, 로봇은 이제 2축에서 7축까지 다양한 크기와 구성으로 제공돼 간단한 작업에서부터 복잡한 수술까지 수행할 수 있다. 공장및 공정 자동화의 경우, 툴링 또는 페이로드의 이동을 자동화하거나 생산 작업을 더 빠르고 효율적으로 수행하여 생산성을 향상시킬 수 있는 곳이라면 거의 모든 애플리케이션이나 예산에 적합한 로봇이 있다. 페이로드는 그램 단위의 컴퓨터 칩에서부터 톤 단위의 기차 바퀴 세트까지 다양할 수 있다.
뿐만 아니라 그리퍼부터 멀티 툴 엔드 이펙터까지 단순하거나 복잡한 작업을 수행할 수 있는 다양한 로봇팔 툴링이 있다. 로봇은 이제 식품 구역, 청정실 및 창고를 포함한 모든 제조 또는 가공 환경에 통합하기가 더 쉬워졌다. 이렇게 다양한 옵션을 고려할 때기능 및 비용 측면에서 회사의 요구 사항에 가장 적합한 로봇 유형을 파악하는 것이 그 어느 때보다 중요해졌다. 주요 로봇 유형인 다관절, 직교, SCARA, 델타에는 각각의 장점과 한계가 있다.
이러한 장단점을 이해하는 것이 로봇에 대한 초기 투자를 결정하는데 중요한 출발점이 될 수 있다.
▲ 핸들링 시스템은 1축, 2축, 3축 로봇으로 분류된다. 이들은 빠른 속도로 반복 작업을 수행하면서도 뛰어난 정확성을 제공한다.
로봇 공학: 반세기 동안의 진화
반세기 동안 로봇은 일반적으로 디지털 자동화 이전 시대로 정의 되는 인더스트리 3.0의 중심이었다. 전 세계가 디지털 자동화 시대인 인더스트리 4.0으로 전환함에 따라 로봇은 더욱 중요한 역할을 하게 되었다. 로봇은 1970년대에 도입된 이래 생산성, 유연 성, 신뢰성 면에서 비약적인 발전을 이루며 산업 환경을 변화시켜 왔다. 용접 총이나 판금 용접과 같이 물체의 움직임과 관련된 거의 모든 반복적인 동작을 로봇을 통해 더 빠르고 정밀하고 반복적 으로 수행할 수 있다.
초창기에는 대형 6축 다관절 로봇이 자동차나 트럭 차체를 용접하는 이미지가 대중의 상상 속에 고정되어 있었다. 다관절 로봇은 로봇 자체의 많은 개선과 더불어 유연한 자동화에 대한 광범위한 요구를 해결하기 위해 더 많은 엔드 이펙터(end of arm tooling)의 개발로 중공업을 넘어 다양한 산업으로 퍼져나갔다.
다관절 로봇은 의료, 식음료, 제철, 창고 등 반복적이거나 환경적, 인체공학적으로 까다로운 작업을 더 빠르고 안정적으로, 그리고 비용 효율적으로 수행할 수 있는 다양한 분야에서 사용되고 있다.
심지어 로봇은 새로운 로봇을 조립하는 데에도 활용되고 있다.
로봇공학의 새로운 개념
초기에 이 로봇 혁명은 자동차 제조업체와 같은 대규모 제조업체 들에 많은 이점을 제공했지만, 상대적으로 중소기업에는 아무런 혜택을 제공하지 못했다. 그러나 최근의 로봇 기술 발전, 특히 직교 로봇(리니어), SCARA 및 델타 로봇과 협동 로봇의 개발로 거의 모든 규모의 비즈니스에서 자동화를 이용할 수 있게 되었다.
각 유형의 로봇은 장점과 한계를 가지고 있다. 로봇을 새로 도입 하려는 기업들은 이러한 장점과 한계를 정확히 이해하는 것이 중요하다.
로봇에는 1~7개의 축이 있으며, 각 축은 어느 정도의 자유도를 제공한다. 2축 직교 갠트리는 일반적으로 X-Y 또는 Y-Z 축에 배치된다. 3축 로봇은 3개의 자유도를 가지며 X-Y-Z 축을 통해 기능을 수행한다. 이러한 소형 로봇은 형태가 단단하고 자체적으로 기울이거나 회전할 수 없지만 작은 페이로드의 모양에 맞게 회전 하거나 회전할 수 있는 툴링을 부착할 수 있다. 4축 및 5축 로봇은 회전과 기울임에 추가적인 유연성이 있다. 6축 다관절 로봇은 6 개의 자유도를 가지고 있어 어떤 방향으로든 물체를 움직이거나 어떤 방향으로든 회전할 수 있는 유연성을 제공한다. 후자의 유형은 일반적으로 크거나 무거운 물체를 복잡하게 조작해야 하는 애플리케이션에서 선택된다.
7축 로봇도 마찬가지로 완전히 자유로우며, 7번째 축은 좁은 공간에서 툴링을 조작할 수 있는 추가적인 방향을 허용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 로봇은 창문을 통해 엔드 이펙터를 삽입한후 180도 뒤로 회전하여 차체 프레임을 실내에서 용접할 수 있다.
7축 로봇은 다른 다관절 로봇보다 작업물 가까이에서 작업할 수있어 공간을 절약할 수 있다.
다관절 로봇의 장점과 한계
6축 및 7축 다관절 로봇은 프로그래밍이 쉽고 자체 컨트롤러가 함께 제공되며 사용자 친화적인 티치 펜던트를 통해 이동 시퀀스및 I/O 활성화를 프로그래밍할 수 있다. 대부분의 애플리케이션 에서 프로그래밍에 대한 기본적인 지식만 있으면 로봇을 활성화할 수 있다. 하드웨어 측면에서 산업용 다관절 로봇은 상대적으로 작거나 대형일 수 있으며, 기관차 휠세트와 같은 톤 단위의 하중을 처리할 수 있다. 특정 모델의 경우 3미터가 넘는 상당한 도달 거리를 가질 수도 있다. 이러한 다양한 크기 덕분에 다관절 로봇은 자재 및 완제품을 만들거나 이동하는 수많은 산업 및 애플리케 이션에 적합하다.
그러나 다관절 로봇은 유용성을 제한하거나 비용을 증가시킬수 있는 단점이 있다. 소형 다관절 로봇은 설치가 용이하며, 기본 적으로 프레임이나 바닥에 볼트로 고정하면 된다. 하지만 이 로봇은 들어올릴 수 있는 하중이나 도달할 수 있는 거리가 제한적이 다. 작업에 더 큰 로봇이 필요할 경우, 하중이 만들어내는 무게와 토크를 견딜 수 있도록 구조에 대한 토목 공사가 필요할 수 있다.
관절형 로봇은 도달 거리와 적재 용량이 동시에 증가한다. 도달 거리가 길어질수록 처리할 수 있는 하중이 증가하지만, 공간과 엔지니어링 요구 사항도 커지며, 비용도 상승한다. 만약 애플리케이 션이 짧은 거리에서 무거운 하중을 다루거나 긴 거리에서 작은 하중을 다뤄야 한다면, 관절형 로봇이 가장 비용 효율적인 솔루션이 아닐 수 있다.
설계상 다관절 로봇은 다른 용도로 활용할 수 없는 공간과 설치 공간을 차지한다. 또한 특정 위치와 방향에서 접근할 수 없는 ‘특 이점(singularities)’이 존재한다. 이러한 공간적 제약으로 인해 로봇은 작업자가 있는 구역에서 더 복잡한 안전 예방 조치가 필요 하다. 이러한 이유로 구역 스캐너나 안전 매트와 같은 고가의 장치가 필요한 경우가 많으며, 안전 제한 속도(SLS) 또는 안전 속도 모니터(SSM)와 같은 고급 기능도 필요로 한다.
로봇이 역기구학(inverse kinematics), 즉 여러 모터의 회전 위치를 유용한 직교 좌표와 공간 내 방향으로 변환하는 작업을 처리하기 위해 자체 컨트롤러를 필요로 한다는 점도 하드웨어 측면 에서 추가적인 비용을 발생시킬 수 있다. 특정 경우에는 로봇 컨트롤러가 생산 라인의 상위 PLC와 통신해야 할 수도 있다.
데카르트 로봇의 장점과 한계
저비용을 위한 대안 중 하나는 직교 로봇 또는 리니어 로봇이다.
이 로봇의 설계는 선형 액추에이터 어셈블리로 구성되며 때로는 3D 애플리케이션을 위해 암 끝에 회전식 액추에이터가 장착되기도 한다. 설치 및 유지 관리가 쉬운 것이 특징이다. 직교 로봇은 각축의 스트로크와 크기를 애플리케이션에 맞게 조정할 수 있다. 도달 범위와 페이로드는 서로 얽혀 있지 않고 독립적이다. 선형 축은 수행하는 기능에 맞게 조정할 수 있는 다양한 디자인으로 제공 된다. 예를 들어, 톱니 벨트 액추에이터는 고속을 허용하는 반면, 볼 스크류 액추에이터는 고정밀 및 높은 이송력을 제공한다.
이러한 핸들링 시스템의 적응성 덕분에 다관절 로봇의 섬세함이 필요하지 않은 다양한 간단한 애플리케이션에 가격 최적화가 가능하다. 여기에는 매우 가벼운 부품부터 매우 무거운 부품 배치, 분류 또는 상자 적재, 장치 검사 등이 포함될 수 있다.
직교 로봇의 또 다른 주요 장점이자 차별화 요소는 뛰어난 공간 경제성이다. 이 로봇은 차지하는 공간을 최대한 활용할 수 있다.
로봇의 도달 범위가 작은 작업 영역으로 제한되기 때문에 안전 요건이 덜 엄격하고 비용도 적게 든다. 따라서 울타리, 문 스위치 또는 광선 커튼만으로도 충분한 안전을 보장할 수 있기 때문에 로봇 주위의 공간이 거의 낭비되지 않는다.
▲ 2축 직교 로봇
▲ 직교 로봇
직교 로봇을 프로그래밍할 때는 일반적으로 특정 모션 컨트롤 러가 필요하지 않다. 액추에이터가 작업 공간 좌표계 축을 따라 움직이기 때문에 공간에서 로봇의 팔 끝 위치를 결정하기 위해 모터 위치를 보간할 필요가 없다. 즉, 역 운동학을 계산할 필요가 없다. 시스템 PLC는 종종 두 번째 컨트롤러를 추가하지 않고도 각축을 직접 제어하는 데 사용할 수 있다. 또한 직교 로봇 설계는 쉽게 확장 가능하며 서보 드라이브/모터와 컨트롤러부터 슬라이드와 그리퍼에 이르기까지 표준 카탈로그 구성 요소로만 구성되는 경우가 많다. 이는 경제적인 가격의 일부이며 교체 부품을 쉽게 구할 수 있고 신속하게 설치할 수 있도록 보장한다.
직교 로봇의 가장 큰 한계는 상대적으로 낮은 유연성이다. 이로봇은 세 축에서의 선형 이동과 네 번째 축에서의 회전을 쉽게 처리할 수 있지만, 여러 축에서의 회전을 수행하려면 별도의 모션 컨트롤러가 필요하다. 직교 로봇은 세척 상황에서는 잘 사용되지 않으며, 물 침입에 대한 충분한 보호를 제공하지 않는다. 설치 시에는 높은 정밀성과 철저함이 요구되며, 각 축을 신중하게 정렬해야 하고, 특히 큰 시스템에서는 표면의 평탄도가 적절해야 한다.
직교 로봇은 또한 각 애플리케이션에 맞게 고유하게 구성되며, 제품이나 포장 형식의 변경은 PLC를 통해 빠르게 수행할 수 있지 만, 애플리케이션에서 더 광범위한 변경이 필요할 경우 추가적인 재프로그래밍이 필요할 수 있다. 마지막으로, 직교 로봇은 별도의 모션 컨트롤러 없이 사용할 경우 다른 로봇 유형보다 프로그래밍 시간이 더 많이 소요될 수 있다. 티치 펜던트는 일반적이지 않기 때문에 시퀀스 프로그래밍은 PLC에서 수행해야 하며, 각 축을 개별적으로 주소 지정하고 조정해야 한다.
SCARA 로봇의 장점과 한계
SCARA 로봇은 가벼운 애플리케이션에 맞게 설계되고 최적화 되었다. SCARA는 ‘Selective Compliance Articulated Robot Arm’의 약자이지만, 일부에서는 Articulated 대신 Assembly를 사용하기도 한다. 이 로봇은 다관절 로봇의 간소화된 버전이다.
단순하고 크기가 작아 조립 라인에 쉽게 통합할 수 있으며 높은 정확도로 매우 인상적인 사이클 시간을 달성할 수 있다. 또한 공차가 좁은 공간에 부품을 삽입하는 등의 기능에 매우 능숙하며 이러한 움직임에서도 강성을 유지하므로 소형 부품 취급뿐만 아니라 많은 픽 앤 플레이스 애플리케이션에서 비용 효율적인 선택이될 수 있다. SCARA 로봇은 내구성이 뛰어나 유지보수가 거의 필요하지 않다. 제조업체에서 제공하는 티치 펜던트를 사용하여 프로그래밍 및 시운전이 비교적 쉽고 빠르다.
하지만 낮은 비용에는 한계가 따른다. SCARA 로봇은 전용 로봇 컨트롤러가 필요하며, 평면 표면에 제한된다. 일반적으로 세 개의 축으로 제한된다. SCARA 로봇이 세 가지 또는 네 가지 자유도를 완전히 활용할 수 있는 경우에는 최적의 솔루션이 될 수 있지 만, 작업이 두 개의 축(예: 수평 및 수직 이동)만 필요로 하는 경우, SCARA 로봇을 두 축 시스템으로 줄일 수 없으므로 비용과 성능 측면에서 직교 갠트리 스타일 로봇보다 매력적이지 않을 수 있다. 관절 로봇과 마찬가지로 SCARA 로봇의 발자국 또한 작업 영역보다 더 확장되어, 유닛 내부 및 주변의 기능적 공간을 잃게 된다.
▲ SCARA 로봇
델타 로봇의 장점과 한계
델타 로봇은 분당 최대 300회의 픽 속도를 자랑하는 빠른 속도로 유명하다. 작업 영역 위에 설치하는 마운팅 유형으로 설치 공간 손실을 제한한다. 비전 시스템과 결합하여 보다 복잡한 분류 및포장 작업에서 무작위로 배치된 물품을 피킹하는 경우가 많다. 다관절 및 SCARA 로봇과 마찬가지로 일반적으로 쉬운 프로그래밍을 위해 티치 펜던트가 제공된다. 델타 로봇은 식품 생산에 사용 되지만 직교 로봇과 마찬가지로 식품 구역에서는 주변 환경으로 부터 추가 차폐 또는 분리가 필요할 수 있다.
▲ 델타 로봇
반면에 델타 로봇의 페이로드 용량은 일반적으로 다른 기술보다 훨씬 낮다. 얇고 삼각형 구조의 디자인 때문에 다른 로봇 옵션 들보다 내구성이 떨어져 최대 적재 중량이 제한된다. 이러한 성능 제한은 높은 동적 기능을 달성하기 위한 대가이다. 델타 로봇은 작업 범위가 상당히 제한적이며, 설계상 긴 도달 범위를 지원하지 않는다. 직교 로봇 및 SCARA 로봇과 마찬가지로 델타 로봇은 일반적으로 4개의 축으로 제한되며 다관절 로봇의 유연성을 제공할수 없다. 또한 복잡한 조립으로 인해 유지보수 및 수리가 더 어렵 다. 대형 기계의 상단 마운트로 사용하는 경우 추가된 무게를 견디기 위해 기계 프레임을 보강해야 할 수도 있다.
로봇 선택 시 고려할 사항
도달 범위 및 페이로드: 도달 거리와 페이로드는 가장 중요한 기준이 된다. 기술적인 이유만으로도 큰 무게의 하중은 경량 처리 기술에 대한 고려를 배제할 수 있다. 반면, 작업 범위가 길지만 적재 용량이 낮은 경우, 비용이 낮은 직교 로봇으로 충분할 수 있다.
유연성: 만약 애플리케이션이 5~6개의 자유도를 요구한다면, 다관절 로봇이 실현 가능한 솔루션일 수 있다. 가격에 민감한 비즈 니스에서 하나 또는 두 개의 로봇이 필요한 경우, 중고 유닛을 재활용하는 옵션이 있을 수 있다. 그러나 작은 부품 위치 조정 및 적재, 전자 부품 삽입, 박스 및 기계 도구 적재와 같은 간단한 애플 리케이션에서는 두 개 또는 세 개의 축만으로 충분한 경우, 애플 리케이션에서 필요한 것보다 더 많은 축을 지불할 필요는 없다.
속도: 애플리케이션이 델타 로봇처럼 높은 픽 속도(300개/분까 지)를 요구하는지, 아니면 직교 갠트리 로봇이나 SCARA 로봇의 낮은 픽 속도로 충분한지를 고려해야 한다. 실제 사례로, 기계 제작자는 유제품을 위한 두 개의 거의 동일한 맞춤형 박스 적재/파 렛타이징 기계를 제작했다. 각 기계는 서로 다른 용기 형식을 위해 설계되었다. 첫 번째 기계는 플라스틱 통을 박스에 포장하는데 높은 픽 속도가 필요했으므로 최대 처리량을 위해 상부 장착된 델타 로봇이 설치되었다. 두 번째 기계는 단일 서브 컵의 4팩(2x2) 을 박스에 포장하는데 낮은 픽 속도로 충분했으며, 기계 제작자는 박스 적재기로 2축 직교 갠트리 로봇을 대체하여 최종 사용자에게 비용을 줄일 수 있었다.
공간 및 설치 공간: 점점 더 많은 기업이 기계 및 생산 라인 설치 공간을 주요 관심사로 삼고 있다. 바닥 공간은 비용이 많이 들기 때문에 기업들은 작업장 레이아웃을 최적화하고자 한다. 직교 로봇과 델타 로봇은 일반적으로 덜 중요한 수직 공간만 손실되기 때문에 다른 기술에 비해 확실한 이점을 제공한다.
엔지니어링 및 프로젝트 개발: 특히 로봇을 더 큰 기계나 시스템에 통합하는 경우 설계, 조립, 설치 및 시운전 시간과 비용을 비교 원가 계산에 고려해야 한다. 로봇의 수령과 조립이 지연되면 전체 프로젝트가 지연될 수 있다. 엔지 니어링 및 조달 위험을 최소화할 수 있는 온라인 및 소프트웨어 도구가 있다.
유지보수성, 수리 가능성: 예기치 않은 가동 중단은 모든 생산 관리자에게 악몽과도 같다. 로봇은 상대적으로 쉽게 유지보수하고 수리할 수 있어야 한다. 로봇 수리는 누가 맡을 것인가? 수리는 얼마나 걸릴 것인가? 모터나 컨트롤러와 같은 중요한 교체 부품의 배송 시간은 얼마나 되는가? 계획 단계에서 이러한 문제들이 종종 간과되기도 하지만, 이는 향후 큰 위험을 초래할수 있다.
표준화: 기업이나 산업 내에서의 표준화는 비즈니스 관점에서 유효한 고려 사항이 될 수 있다. 로봇이 가장 이상적으로 적합하지 않거나 가장 저렴하지 않더라도 작업을 수행할 수 있는 경우, 표준화를 고려하는 것이 유리할 수 있다.
자료제공: Festo(www.festo.com)
