로봇 분류
로봇공학 : James G. Keramas 저서, 이만형. 고경철. 노태정. 박희재. 부광석. 안병하. 이민철. 정원지. 제우성 공역, 사이텍미디어, 2000 (원서 : Robot Technology Fundamentals, Thomson Learning, 1999) , Page 51~80
2. 팔 기하학 : 직교 좌표형 원통 좌표형 구 좌표형 관절 좌표형
4. 동력 공급장치 : 전기 공급장치 공압 공급장치 유압 공급장치 전기기계 동력 공급장치
산업용 로봇 (industrial robot) 들은 그 특성에 따라 6 가지 종류로 분류된다.
1. 팔 기하학: 직교형, 원통형, 구형, 수직 관절형, 수평 관절형
2. 자유도: 로봇 팔, 로봇 손목
3. 동력원: 전기, 공압, 유압, 그들의 조합
4. 운동형태: 비틀림 회전 (slew) 운동, 관절 보간, 직선 보간, 원호 보간
5. 경로제어: 제한 시퀀스 (limited-sequence) , 지점간 (point to point) , 연속경로, 제어경로
6. 지능 레벨: 보통기술 (비서보) , 첨단기술 (서보)
로봇 머니퓰레이터는 작업을 완료하는 데 필요한 축 이송의 형태에 따라서 분류된다. 우리는 3 차원의 세계에서 살기 때문에, 일반적인 로봇은 전후 (forward and backward) , 좌우 (left and right) , 상하 (up and down) 로 움직여서 3 축 공간에서의 임의의 지점에 도달할 수 있어야만 한다. 이것은 몇 가지 방법으로 이루어질 수 있다. 가장 간단한 방법은 이러한 운동을 로봇 팔의 기하학으로써 규명하고 다음과 같은 좌표계에서 그 운동들을 설명하는 것이다.
직교 좌표형 (rectangular- or cartesian-coordinated) 의 로봇 머니퓰레이터는 3 개의 직선운동 축, 즉 좌표형을 가진다. 1 번째 축 x 는 좌우운동을, 2 번째 축 y 는 전후운동을 3 번째 축 z 는 일반적으로 상하운동을 나타내는 데 사용된다. 이러한 디자인의 단점은 각 축의 운동이 어떤 한 방향에 제한을 받으며, 다른 2 개의 축과는 서로 독립적이다. 그러나 동일한 사양의 액추에이터를 사용함으로써 모든 축에서 동일한 운동의 증분을 이룰 수 있다.
직교형 로봇의 작업공간은 정육면체이거나 직사각형이므로 로봇이 수행하는 어떠한 작업도 이러한 작업공간 내에 포함되는 운동이어야 한다. 로봇의 작업공간은 작업영역의 윤곽이다. 로봇이 다리와 같은 프레임 위에 장착되었을 때, 이것을 겐트리 로봇 (gantry robot) 라고 일컬으며 다른 말로는 주행형태 (traverse type) 로봇이라고도 한다. 그림 1 에서 (a) 전형적인 직교 좌표형 로봇, (b) 직교 로봇의 작업공간, (c) 겐트리 로봇으로 불리는 오버헤드 크레인 (overhead crane) 과 작업영역을 보여준다. 실제적인 직교 좌표형 로봇은 그림 2 에서 보여준다.
그림 1 직교 좌표형 로봇 : (a) 직교 좌표형 팔이 3 개의 직선 축을 따라 이동한다. (b) 직교형 머니퓰레이터가 동작하는 박스 모양의 작업영역. (c) 오버헤드 크레인 이동은 직교 좌표형 로봇 팔의 이동과 유사하다.
그림 2 Cincinnati Milacron 사가 제작한 실제적인 직교 좌표형 겐트리 로봇 모델 T3 886. 이 장치는 198lb 하중을 들어올릴 수 있으며, 6 개의 서보 제어축이 전기적으로 작동된다. (자료 : Cincinnati Milacron)
x, y, z 축의 방향으로 움직이기 위한 동력은 작은 로봇에서는 선형 액추에이터에 의하여 공급되며, 대형 시스템에서는 볼-스크루 구동장치를 통해서 공급된다. 직교 좌표형 로봇은 다음의 장점들을 가지고 있다:
직교 좌표형 로봇은 다음의 단점들을 가지고 있다.
직교좌표형 로봇의 전형적인 응용들은 아래와 같다.
원통 또는 기둥모양의 좌표형 로봇 (cylindrical- or post-type-coordinated robot) 은 2 개의 직선운동과 1 개의 회전운동을 가진다. 1 개의 회전능력인 자유도와 2 개의 직선운동 (선형) 자유도를 가진 로봇은 가변운동을 수행할 수 있다. 1 번째 좌표는 상하 좌표축에 대한 베이스 회전각도 θ 이다. 2 번째 좌표는 로봇이 위치할 수 있는 어떤 각도에서든 반지름 방향인 y 축의 입출운동에 해당한다. 마지막 좌표는 상하방향인 z 축에 해당한다.
비록 완전한 회전에 한계가 있다고 하더라도 그림 3 에서 나타낸 원통 좌표형 (cylindrical coordinate) 로봇은 정해진 원통 공간에의 어떠한 지점에도 도달할 수 있다.
이러한 회전능력은 z-회전평면상의 한 지점에 빠르게 이동할 수 있는 장점을 준다. 실제적인 원통 좌표형 로봇은 그림 4 에서 보여주며, 여기서 가능한 분해능 (resolution) 은 3 개의 운동 축에 대하여 항상 같지는 않다. 베이스 회전의 분해능은 측정 각도의 항으로 표시되며, 선형 축의 분해능은 선형 증분의 항으로 표현된다.
그림 3 원통 좌표형 로봇 : (a) 원통 좌표형 팔이 베이스에 대하여 회전하고, 들어가고 나오고 (입출) 상하로 이동한다. (b) 2 개의 실린더 사이의 공간은 원통 좌표형 머니퓰레이터가 차지하는 작업영역이다. (c) 고층 빌딩의 꼭대기에 건설 크레인의 이동은 원통 좌표형 머니퓰레이터의 이동과 유사하다.
그림 4 Seiko Instruments 가 제작한 고속 원통 좌표형 로봇 모델 RT3300. 이 로봇은 교류 서보제어 모터로써 4 축 동시작업이 가능하며, 27 lb 까지 하중을 들 수 있다.
원통 좌표형 로봇은 일반적으로 직교 좌표형 로봇 머니퓰레이터보다 더 큰 작업영역을 가진다. 이러한 원통 좌표형 로봇은 픽-플레이스 작업에 적합하다. 원통 좌표형 로봇의 몇 가지 장점은 아래와 같다:
원통 좌표형 로봇의 몇 가지 단점은 아래와 같다:
원통 좌표형 로봇의 전형적인 응용들은 아래와 같다:
구 또는 극 좌표형 로봇 (spherical- or polar-coordinated robot) 은 1 개의 직선운동과 2 개의 회전운동이 가능하도록 설계되어 있다. 작업공간은 로봇 팔의 회전에 의하여 아래의 극한으로 주어진 구와 같은 모양이다. 작업영역의 중심부는 로봇의 베이스가 차지하고 있어서 작업이 불가능한 영역이다. 파이 형태의 작업영역 부분은 팔의 후방 운동을 위해 남겨두거나, 조작자에게 안전한 조작위치를 제공하는 데 사용될 수 있다.
그림 5 에서 나타낸 구 좌표형 (spherical-coordinated) 로봇은 1 개의 직선운동과 2 가지 회전운동으로서 공간상의 어떠한 지점에도 도달할 수 있다. 1 번째 운동은 수직 축에 대한 베이스의 회전에 해당된다. 2 번째의 운동은 팔꿈치 (elbow) 의 회전에 해당된다. 3 번째 운동은 반지름 방향, 즉 입출운동에 해당된다. 이러한 2 개의 회전들은 어떤 방향이라도 로봇을 위치할 수 있고, 또한 3 번째 운동을 통하여 로봇의 끝점이 지정된 위치에 직접적으로 갈 수 있도록 한다. 구 좌표형 로봇에 의하여 도달할 수 있는 지점은 구형 공간이다. 실제적인 구 좌표형 로봇은 그림 6 에 나타내었다. 구 좌표형 로봇은 일반적으로 직교형이나 원통형의 로봇보다 더 큰 작업영역을 갖는다. 그 디자인은 단순하고, 좋은 적재하중 능력을 준다. 이러한 형상은 펀치 프레스를 장착, 탈착하는 것과 같은 적은 양의 수직이동이 필요한 응용들에 사용하는 것이 적합하다.
그림 5 구 또는 극 좌표형 로봇 : (a) 극 좌표형 또는 구 좌표형 머니퓰레이터는 베이스와 어깨를 중심으로 회전하며, 앞뒤로 직선운동이 가능하다. (b) 극 좌표형 로봇의 작업공간은 2 개의 반구 사이의 공간이다. (c) 훅-래더 (hook-and-ladder) 트럭 위의 사다리는 극 좌표형 머니퓰레이터의 경우와 같은 이동을 한다.
그림 6 Unimation Inc. 가 제작한 실제적 구 좌표형 로봇 시리즈 2000 은 6 개의 서보 축과 300 lb 의 하중능력을 갖는다. 이 로봇은 다이 캐스팅, 사출, 단조, 공작기계 공구 장착, 열처리, 유리공정 처리, 코팅, 프레스 장착과 물류 이송에 사용된다.
다음의 사항을 제외하고는 구 좌표형 로봇의 장단점은 원통 좌표형 로봇의 장단점과 거의 유사하다. 구 좌표형 로봇은 수평적으로 멀리 도달하기 위하여 높이가 낮고 길이가 긴 기하학적 구조를 하고 있는 반면에, 원통 좌표형 로봇은 구조상 수직방향의 이동은 매우 제한된다. 구 좌표형 로봇의 전형적인 응용은 아래와 같다:
관절 또는 회전 좌표형 로봇 (jointed-arm or revolute coordinated robot) 은 불규칙하게 형성된 작업영역에서 작업을 수행하고, 2 개의 기본형상, 즉 수직과 수평형상을 갖는다.
수직 (vertical) : 수직관절 로봇은 공간상의 어떤 지점에도 도달할 수 있도록 3 개의 회전운동을 한다. 이러한 디자인은 2 개의 링크와 어깨와 팔꿈치로 구성된 인간의 팔과 유사하며, 그리고 z 축에 대하여 베이스를 회전시킴으로써 공간상의 원하는 지점에 손목을 위치시킬 수 있다. 그러므로, 1 번째 회전은 베이스에 대한 회전이며, 2 번째 회전은 수평축의 어깨에 대한 회전이며, 마지막 운동은 팔꿈치에 대한 회전이다. 그것은 수평축에 대해 회전하지만 이 수평축은 베이스와 어깨의 회전에 의하여 공간상의 어떠한 위치에도 존재할 수 있다.
작업영역은 로봇을 위에서 보았을 때 원형이고, 측면에서 보았을 때 관절의 운동 한계로 인하여 내부의 부채꼴 모양을 가진 형태를 한다. 눈물방울이라고도 불리는 수직관절 로봇이 그림 7 에 설명되어 있다.
그림 7 관절 좌표형 로봇 : (a) 관절 좌표형 머니퓰레이터는 3 개의 회전축을 가진다. (b) 구와 베이스 지지인 칼럼 사이의 영역은 관절 좌표형 머니퓰레이터의 작업영역이다. 관절 좌표형 머니퓰레이터는 장애물을 위, 아래로 도달할 수 있다. (c) 굴삭기 (power shovel) 의 이동은 관절 좌표형 머니퓰레이터의 경우와 유사하다.
이러한 로봇의 형태는 다양한 방향으로 빠른 속도로 이동할 수 있으며, 주어진 위치에 다양한 각도로 접근할 수 있다; 그러므로 이것은 도장과 용접에 매우 유용하게 응용된다. 실제적인 관절형 로봇은 그림 8 에서 보여준다.
그림 8 Matsushita Industrial Equipment Co. Ltd. 가 제작한 수직관절 로봇인 모델 VR-008A 는 6 개의 회전축을 가지며, 또한 유연하고, 신속하고, 매끄럽고, 다양한 용접작업용의 넓은 작업영역을 예외적으로 갖는다. (Panasonic Factory Automation, Division of Matsushita Corp. 의 승인하에 게재)
수평 (horizontal) : 수평관절 로봇은 일반적으로 1 개의 선형 (수직) 운동과 2 개의 회전운동으로써 공간상의 어떠한 지점에 도달할 수 있다. SCARA (selective compliance assembly robot arm) 라 불리는 이 로봇은 수직 요소인 베이스에 고정된 2 개의 수평관절 세그먼트와 1 개의 선형 수직운동 축을 갖고 있다. 1 번째 회전운동은 수직축에 대한 어깨에 해당하며, 2 번째 회전운동은 수직축에 대해 팔꿈치에 해당되며, 3 번째 선형운동은 수직으로 상하로 이동하는 z 축에 해당된다.
수평관절 로봇 (SCARA) 은 그림 9 에서 보여준다. 이러한 로봇에 대한 특별히 매력적인 한 가지 특징은 구멍 안에 물체의 삽입이 요구되는 조립작업에 매우 유용하다는 것이다. 이러한 SCARA 로봇은 1978 년 일본의 Yamanashi 대학에서 부품조립 작업을 위해 개발되었다.
그림 9 수평 또는 SCARA 로봇 : (a) SCARA 로봇이 수평적 평면상에서 2 개의 축을 따라 회전하고, 선형적으로 아래, 위로 움직인다. (b) SCARA 머니퓰레이터의 작업공간은 장애물 주위에 도달할 수 있는 2 개의 실린더 사이의 공간이다. (c) 접을 수 있는 램프는 SCARA 머니퓰레이터의 움직임과 비슷하다.
관절 로봇은 몇 가지의 장점을 가지고 있다. 이러한 형태의 로봇은 지금까지 개발된 형상 중에서는 가장 유연한 형상이고, 직교형, 원통형, 구형 로봇보다 더욱더 큰 작업 영역을 갖는다. 이러한 로봇은 최소의 설치공간을 차지하고, 넓은 수평적 도달범위를 갖는다. EOAT 에서의 높은 정확도의 위치결정 능력은 로봇 팔이 둘러싸인 곳의 내부나 장해물 주위에 접근할 수 있도록 한다. 실제적인 SCARA 로봇은 그림 10 에 나타나 있다.
그림 10 Adept Technology, Inc. 가 제작한 실제의 SCARA 모델 AdeptOne 로봇은 20 lb 의 하중능력, 해상도 0.0005 in., 그리고 반복 정밀도 ± 0.001 in. 를 갖는다. 이것은 30 ft/s 의 말단장치의 최대속도를 가지며, 전기적 동력으로 구동되는 머니퓰레이터 로봇이다. 그것은 삽입, 실링 (sealing), 피팅 (fitting) 등의 정밀조립, 장착/탈착, 사출물 삽입, 운반, 검사, 게이징과 미세부품 납땜 등에 사용된다. (자료 : Adpt Technology Inc.)
이러한 로봇의 결점은 프로그래밍이 더 복잡하기 때문에 매우 정교한 제어기가 필요하다는 것이다. 또한, 작업영역에서의 다른 위치들은 정확도, 하중운송 용량, 동적 거동과 움직임의 반복 정밀도에 따른 다른 값을 가질 수 있다. 이러한 형상은 팔이 그 최대범위에 접근할 때 덜 안정적이지만, 피드백 제어를 추가하여 해결할 수 있다. 관절 로봇의 전형적인 응용은 다음과 같다.
표 1 은 5 가지의 로봇 머니퓰레이터 형상의 장단점을 요약한 것이다.
표 1 5 가지 로봇 머니퓰레이터 형상에 대한 장단점의 요약
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형 상 |
장 점 |
단 점 |
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직교 좌표형 (x, y, z-기반, 주행, 도달, 높이) |
3개의 직선 시각화 용이 강성 구조 오프라인 프로그래밍 용이 직선축의 기계정지 용이 |
로봇 자체의 앞에만 접근 가능 큰 설치공간 필요 밀봉 (seal) 이 어려운 축 |
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원통 좌표형 (θ, y, z-기반, 회전, 도달, 높이) |
2개의 직선축, 1개의 회전축 로봇 주위에 접근 가능 강성구조의 도달축과 높이축 밀봉이 용이한 회전축 |
로봇 자체 위에 접근 불가능 직선축보다 덜 강한 베이스 회전축 밀봉이 어려운 직선축 장애물 주위에 접근 불가능 원형의 수평운동 |
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구 좌표형 (수직) (θ, y, β-기반, 회전, 상승각도, 도달각도) |
1개의 직선축, 2개의 회전축 긴 수평 접근 |
장애물 주위에 접근 불가능 짧은 수직 접근 |
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관절 좌표형 (수직) (θ, β, α-기반 회전, 상승각도, 도달각도) |
3개의 회전축 장애물 상하에 접근 가능 최소 공간에 최대 작업영역 |
지점에 도달하는 2~4가지 방법 복잡한 구조의 머니퓰레이터 |
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SCARA 좌표형 (수평) (θ, φ, z-기반, 회전, 도달각도, 높이) |
1개의 직선축, 2개의 회전축 강성구조의 높이축 큰 작업영역 장애물 주위에 접근 가능 |
지점에 도달하는 2가지 방법 오프라인 프로그래밍 어려움 아주 복잡한 구조의 팔 |
자유도 또는 로봇 시스템의 그리퍼는 인간이 움직이는 방법과 비교될 수 있다. 각 자유도에 대해 하나의 관절이 필요하다. 팔의 자유도는 형상을 정의한다. 앞장에서 논의된 5 가지 기본운동 형상은 팔 부분에서 3 개의 자유도를 사용한다. 더욱더 유연성이 필요한 응용에 대하여는 부가적인 자유도가 로봇의 손목에서 사용된다. 손먹에서는 3 개의 자유도는 말단장치에 충분한 유연성을 준다. 총 6 개의 자유도가 로봇의 손이 작업공간 내의 어떠한 점에도 위치할 수 있는 데 필요하다. 비록 6 개의 자유도가 최대의 유연성을 내기 위해 필요함에도 불구하고, 대부분의 로봇들은 단지 3 개에서 5 개의 자유도를 가진다. 자유도가 높으면 높을수록 운동이 더욱더 복잡해지기 때문이다.
비교해서 말하자면, 인간의 손의 동작은 35 개의 근육으로 제어된다. 이 근육들 중에 15 개가 팔의 앞부분에 위치해 있다. 손에서의 근육의 배열은 손가락들이 물건을 잡을 수 있도록 강한 강도를 가져다 준다. 각 손가락들은 홀로 또는 엄지손가락과 같이 움직인다. 이러한 구조는 손이 복잡하고 세밀한 일을 할 수 있도록 한다. 물건을 옮기는 데 필요한 인간 손의 몇 가지 쥐는 방법은 로봇 시스템이 닮기가 어렵다.
인간의 손은 27 개의 뼈를 가진다: 2 열로 4 개씩 배열된 손목의 8 개의 뼈, 손 바닥의 5 개의 손가락 뼈, 그리고 14 개의 손가락뼈, 즉 엄지손가락에 2 개, 4 개의 각 손가락에 3개의 뼈로서 구성되어 있다. 손목뼈는 팔의 앞부분의 뼈에 대해 얇은 소켓형상으로 되어 있다. 손에는 손목에 7 개의 자유도와 함께 22 개의 자유도를 가진다. 그림 11 은 손이 매우 복잡하고 다중용도의 도구임을 나타낸다. 손은 다양한 반복적 작업을 수행하는 데 사용될 수 있다.
그림 11 인간 손의 자유도
뼈들과 관절 배열은 로봇 시스템에서 발견될 수 없는 인간 손의 기민성을 준다. 로봇은 단지 6 개의 자유도로써 이러한 움직임을 구현하려고 하기 때문에, 로봇 시스템의 움직임은 서투르고 어색하게 보인다.
로봇 시스템의 팔에 있는 3 개의 자유도는 (1) 회전이동, (2) 방사이동, (3) 수직이동이다. 회전이동은 베이스에 대하여 회전하는 로봇 팔의 좌우 이음쇠와 같이 회전축에 대한 팔의 움직임이다. 방사이동은 베이스에 대하여 상대적으로 팔의 신장과 수축, 즉 입출운동이다. 수직이동은 로봇 시스템의 팔의 상하운동이다.
손목에 위치한 3 개의 자유도는 항공술의 용어에 따라 (4) 피치 (pitch) , (5) 요 (yaw) , (6) 롤 (roll) 이다. 피치는 손목의 상하의 움직임이다. 요는 손목의 좌우 움직임이다. 롤은 손의 회전이다. 그림 12 는 로봇 시스템의 6 개의 기본적 자유도를 도시한다.
그림 12 로봇 시스템의 6 개의 주요 자유도
소규모의 전문적인 로봇 제조업체들을 제외한 거의 200 개의 공급업체에 기반을 두고, 미국, 유럽과 일본의 로봇 제조업체들을 조사한 1990 년도 조사 보고서에 의하면, 이용 가능한 로봇 모델들은 약 1 lb (0.5 kg) 부터 약 2,300 lb (1,043 kg) 까지의 부하를 작업할 수 있도록 설계되어 있다.
표 2 로봇의 부하운송 능력
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부하능력 |
로봇 % |
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lb |
kg |
제안 모델 |
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300~2,300 100~299 50~99 20~49 10~19 10 이하 |
136~1,043 45~136 23~45 9~22 5~9 5 이하 |
11 16 15 21 17 20 |
이 조사 보고서에 의하면 로봇은 다시 캐스팅, 단조, 플라스틱 사출, 공작기계, 스프레이 도장, 용접과 기계가공 등에 응용된다. 또한 경공업과 전자산업에서 볼 수 있는 검사작업에 로봇의 사용은 지난 몇 해 동안에 현저하게 증가하였다. 이용 가능한 모델의 기능 변화는 대체적으로 표 2 에 나타내었다.
최근 조사에 의하면, 전기 액추에이터는 사용된 로봇 액추에이터의 약 반 정도이며, 공압 액추에이터는 전체의 약 1/3, 그리고 유압 액추에이터가 전체의 1/6 을 차지한다. 몇 명의 권위자들은 이러한 비율이 오히려 안정되게 유지할 것으로 생각하며; 다른 사람들은 전기 액추에이터 족으로 더 치우쳐져야 한다고 말한다. 최근에 전자 서보유닛은 동력과 내구성에서 발전되어 왔다.
모든 로봇 시스템들은 주 에너지원으로서 전기를 사용한다. 전기는 유압과 공압을 제공하는 펌프를 회전시킨다. 또한 로봇 제어기, 모든 전자부품과 주변장치에 동력을 공급한다.
모든 전기 로봇에서는 제어기뿐만 아니라 액추에이터에 전기료 동력이 공급된다. 대부분의 전기 로봇은 다축으로 움직이기 위해 서보모터 (servomotor) 를 사용하지만, 몇 개의 개루프 로봇 시스템은 스테핑 모터를 이용한다. 대다수의 로봇들이 현재 직류 서보모터를 갖추고 있지만, 교류 서보모터의 고 신뢰성, 소형화, 고성능으로 인하여 결국에는 교류 서보모터로 바꿔질 것이다. 최근 모델의 로봇은 배선을 간단하게 하고, 유지보수를 줄이고, 그리고 성능을 높여 주는 교류 서보모터와 엔코더로 구성되어 있다. 모터는 특히 낮고 보통의 하중범위와 낮은 속도에서 고하중의 작업에서 머니퓰레이터에게 동력을 공급하는 데 있어서 가장 큰 다양성을 부여한다.
모터는 머니퓰레이터 관절의 일반적인 속도를 훨씬 초과하는 속도로 일반적으로 작동되며, 감속장치를 이용하여 적절한 속도를 만들어낸다. 작업하중을 빨리 가속하고 감속하는 능력은 매우 바람직한 속성이다. 가변속도로 움직이는 능력도 필요하다. 전기를 동력원으로 하는 로봇의 예는 그림 13 에서 보여진다.
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Items |
S-420/iF |
S-420/iF |
S-420/iL |
S-420/iS |
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Maximum reach Load capacity |
2.40 m 120 kg (265 lbs) |
2.85 m 120 kg (265 lbs) |
3.00 m 75 kg (165 lbs) |
2.25 m 80 kg (176 lbs) |
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Axis 1
Axis 2
Axis 3
Axis 4
Axis 5
Axis 6
Moments
Load Inertia
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Range Speed Range Speed Range Speed Range Speed Range Speed Range Speed Axis 4 Axis 5 Axis 6 Axis 4 Axis 5 Axis 6 |
360° 100°/sec 142° 110°/sec 135° 100°/sec 600° 210°/sec 260° 150°/sec 720° 210°/sec 60 kgfㆍm 60 kgfㆍm 30 kgfㆍm 306 kgfㆍcmㆍsec2 306 kgfㆍcmㆍsec2 77 kgfㆍcmㆍsec2 |
360° 90°/sec 142° 100°/sec 135° 90°/sec 600° 210°/sec 260° 150°/sec 720° 210°/sec 60 kgfㆍm 60 kgfㆍm 30 kgfㆍm 306 kgfㆍcmㆍsec2 306 kgfㆍcmㆍsec2 77 kgfㆍcmㆍsec2 |
360° 100°/sec 142° 110°/sec 135° 100°/sec 600° 210°/sec 260° 150°/sec 720° 210°/sec 53 kgfㆍm 53 kgfㆍm 27 kgfㆍm 387 kgfㆍcmㆍsec2 387 kgfㆍcmㆍsec2 104 kgfㆍcmㆍsec2 |
360° 70°/sec 142° 110°/sec 135° 100°/sec 480° 210°/sec 260° 150°/sec 720° 210°/sec 54 kgfㆍm 54 kgfㆍm 28 kgfㆍm 376 kgfㆍcmㆍsec2 376 kgfㆍcmㆍsec2 100 kgfㆍcmㆍsec2 |
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Repeatability Mounting method Mechanical brakes Weight |
±0.4 mm(±0.016") Upright All axes 1500 kg (3300 lbs) |
±0.4 mm(±0.016") Upright All axes 1600 kg (3520 lbs) |
±0.4 mm(±0.016") Upright All axes 1600 kg (3520 lbs) |
±0.4 mm(±0.016") Upright All axes 1500 kg (3300 lbs) |
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그림 13 점 용접, 몸체조립과 일반적인 물류 이송 등의 자동차 산업에 사용된 FANUC S-420i 관절형 로봇라인. 6 축 교류 서보모터 드라이브와 단일 기판의 제어기는 다른 장비를 통합하여 기능을 극대화하였다. 여러가지 모델들이 표에 나타나 있다. (FANUC Robotics North America, Inc. 의 승인사에 게재)
전기 로봇은 유압동력 장치를 필요하지 않기 때문에, 공장의 장치 설치영역과 소음을 감소시킨다. 직접구동 (direct drive) 모델은 매우 빠른 응답을 제공한다. 전력이 구동축의 액추에이터에 직접 적용되기 때문에 감속장치를 이용하는 에너지 전환은 필요하지 않다. 전기 머니퓰레이터에서 모터는 일반적으로 회전운동을 제공하므로 직선운동으로 하는 바꾸기 위해 랙-피니언 기어 또는 볼-스크루를 이용하며, 직접 구동장치는 스쿠르 (lead screw) , 풀리, 평기어, 하모닉 액추에이터와 같은 몇 가지 종류의 기계적 커플링 (mechanical coupling) 으로 관절에 연결되어 있다.
영구자석 직류모터 (permanent magnet DC motor) 는 과거에 소형 및 중형 머니퓰레이터에 사용되었다. 전기적으로 정류하는 브러시리스 (brushless) 모터는 매우 긴 수명을 가진다. 인쇄회로 모터 (printed-circuit motor) 는 회전자 모터에 비하여 상대적으로 큰 토크를 발생하고 매우 빠른 응답특성을 가진다. 이러한 모터들은 감속장치가 없이 낮은 속도에서의 작동이 가능하다. 전기 액추에이터의 단점은 작업하중 능력이 300 lb 이하로 한정되어 있고, 폭발성이 있는 주위 환경에서의 작업 문제를 야기시킨다.
공압 액추에이터 (pneumatic drive) 는 적은 하중을 운반할 수 있는 용량으로서 상대적으로 저가의 머니퓰레이터이다. 비서보 제어기를 사용할 때 정확한 위치결정을 위하여 보통 기계적 멈춤장치가 필요하다. 공압 액추에이터는 단순한 정지-정지 운동 (stop-to-stop motion) 에 대하여 여러 해 동안 사용되었다. 가장 흔히 사용된 형상은 선형 단동 또는 복동 피스톤 액추에이터이다. 회전형 액추에이터도 역시 사용되었다. 직선운동을 회전운동으로 바꾸는 데 있어서 케이블에 의하여 액추에이터에 연결된 풀리가 사용될 수도 있으며, 그래서 직선운동을 회전운동으로 바꾸는 링크변환의 관절운동 본래의 비선형성을 피한다.
공압 액추에이터의 장점은 특히 보통의 압력으로 작동할 때 자중이 가볍다는 점이다. 이러한 이점은 압축공기의 공급이 쉽고 큰 정밀도를 필요하지 않는 낮은 하중의 응용분야에 적합하다. 가벼운 무게로 인하여 다른 동력원들이 관절 작동에 사용되는 로봇의 경우에도 공압은 말단장치에 동력을 공급하는 데 흔히 사용된다.
공압 액추에이터의 주요 단점으로는 낮은 효율을 갖는 것과 낮은 강성을 가진다는 것이며, 높은 정밀도로 제어하는 데에는 한계가 있다는 것이다. 공압을 동력으로 하는 로봇의 예는 그림 2.3.16 에서 볼 수 있다. 또한 간단한 공압회로는 그림 14 에 나타난다.
그림 14 간단한 공압회로
유압 액추에이터 (hydraulic drive) 는 직선의 피스톤 액추에이터 또는 회전 베인형 중의 하나이다. 만일 베인형이 직접 액추에이터로서 사용되면, 관절의 회전범위는 복동베인 액추에이터의 내부 정지물로 인하여 360 도 이하로 제한된다. 유압 액추에이터는 주어진 액추에이터에 큰 동력을 제공한다.
높은 중량에 대한 동력의 비는 유압 액추에이터가 적당한 속도로 큰 부하를 이송할 수 있도록 한다. 유압 무터는 일반적으로 더 좋은 성능을 이루기 위해 에너지를 사용하는 효과적인 방법이 있지만, 더욱더 고가이고 일반적으로 정확도가 낮다.
유압 시스템의 주요 단점으로는 펌프와 어큐뮬레이터 (accumulator) 를 포함한 에너지 저장 시스템이 필요한 것이다. 또한 유압 시스템은 누설에 민감하며, 그것은 효율을 낮출 수 있고, 자주 청소하고 유지 보수해야 한다. 작동유체는 항상 깨끗해야 하고 필터에는 입자가 없어야 한다. 유체는 일정한 온도 (100℉~110℉) 를 유지해야 한다. 또한 공기 삽입과 공동 (cavitation) 현상은 때때로 문제를 야기한다. 유압 동력의 주요한 관심사항 중의 하나는 환경적인 것이다. 오염된 기름을 치우는 데는 비용이 많이 들고, 어떠한 누설도 중대한 환경오염 문제가 된다. Detroit 에서 1996 년 National Robotics Safety 집회 동안에, 이러한 문제에 대한 몇 가지 사항들이 3대 자동차 회사에 의해 제기되었다. 전기 서보모터 동력원이 기름 오염의 위험으로부터 피하는 해결책이라고 느낀다.
환경의 폭발 위험에 직면할지도 모르는 페인트 분무나 다른 응용에서 유압 구동 로봇은 전기구동 로봇에 비하여 명백한 장점을 가진다.
에너지가 어큐뮬레이터에 쉽게 보관될 수 있고, 긴급한 로봇 작동이 요구될 때 그 에너지를 쉽게 방출할 수 있기 때문에 유압 동력은 몇 가지의 로봇 응용들에 유용하게 쓰여진다. 선형 유압 액추에이터 (실린더) 를 가진 전형적인 유압동력 시스템은 그림 15 에 나타나 있으며, 2대의 실제로 다른 크기의 동력 유닛은 그림 16 에서 보여준다. 간단한 유압회로가 그림 17 에서 보여준다. 궁극적으로 모든 유압회로들은 응용에 관계없이 본질적으로 동일한 것이다. 유압회로에 필요한 아래 6가지의 기본 구성 요소가 있다 (그림 15) :
1. 보통 유압 기름인 액체를 담는 탱크 (저장조) .
2. 시스템을 통하여 액체에 힘을 공급하는 펌프.
3. 펌프를 구동하는 전동기 또는 다른 동력원.
4. 액체의 방향, 압력과 유량을 제어하는 밸브.
5. 유용한 일을 할 수 있도록 액체의 에너지를 기계적인 힘 또는 토크로 변환하는 액추에이터. 액추에이터는 그림 15 와 같은 선형 운동을 제공하는 실린더 또는 회전운동을 제공하는 회전 베인형 중의 하나이다.
6. 어떤 위치에서 다른 위치로 액체를 이동시키는 배관 (piping) .
그림 15 선형 액추에이터 (실린더) 를 가진 유압 동력공급 시스템 (Vickers, Inc. 의 승인하에 게재)
그림 16 실제로 다른 크기의 2 대의 유압동력 유닛 (Continental Hydraulics 의 승인하에 게재)
그림 17 단순한 유압회로
전기기계 (electromechanical) 동력 공급장치는 오늘날 이용 가능한 로봇들에 약 20 % 가 사용된다. 전형적인 형태는 서보모터, 스테핑 모터, 펄스 모터, 선형 솔레노이드와 회전형 솔레노이드이며, 여러 가지 동기 모터와 타이밍 벨트 구동장치이다.
로봇 관절에 교류 서보모터들을 사용하는 주요 이유는 신속함, 정확한 위치결정, 높은 정지 토크, 작은 프레임 크기와 경량화 때문이다. 공기의 압축성 때문에 공압 구동 로봇은 보통 경량 서비스, 제한된 시퀀스와 픽-플레이스의 응용들에서 주로 사용된다. 유압 로봇은 제어와 피드백을 위해 보통 유압 서보밸브와 아날로그 리졸버 (analog resolver) 를 사용한다. 디지털 엔코더와 잘 설계된 피드백 제어 시스템은 유압구동 로봇에게 일반적으로 전기구동 로봇 정도의 정확도와 반복 정밀도를 제공할 수 있다.
로봇 머니퓰레이터는 작업장의 어떤 지점에서 다른 지점으로 이동하는 데 있어서 4 가지 종류의 운동을 할 수 있다:
1. 비틀림 회전운동 (slew motion)
2. 관절 보간운동 (joint-interpolated motion)
3. 직선 보간운동 (straight-line interpolation motion)
4. 원호 보간운동 (circular interpolation motion)
비틀림 회전운동은 가장 단순한 운동 유형을 나타낸다. 로봇은 어떤 지점에서 다른 지점으로 이동하도록 명령을 받으며, 여기에서 머니퓰레이터의 각 축은 설정된 속도로 최초의 지점에서 요구되는 최종 목적지까지 이동한다.
관절 보간운동은 로봇 제어기가 각 관절이 명령된 속도로 목적지에 도착하는 데 걸리는 시간을 계산하도록 요구한다. 그때 이들 값 중에서 최대시간을 선택하고, 그것을 다른 축들에 대한 소요시간으로서 사용한다. 비틀림 회전운동에 비하여 관절 보간운동의 이점은 관절이 낮은 속도로 구동되며 로봇의 유지보수가 훨씬 용이하다는 것이다.
직선 보간운동은 말단장치의 끝단이 직교 좌표계에서 정의된 직선경로를 따라 이동한다. 이러한 운동 유형은 직교 좌표형 로봇을 제외하고 제어기가 수행해야 할 계산량이 많고 제어기의 빠른 성능이 요구된다. 직선 보간운동은 아크 용접, 구멍에 핀의 삽입, 직선경로에 따라 물류 배치와 같은 응용에 매우 유용하다.
원호 보간운동은 로봇 제어기가 3 개의 지정된 위치들의 최소값에 기반을 둔 작업장의 원호상의 점들을 정의하는 것이 필요하다. 로봇에 의한 이동은 실제로 짧은 직선 세그먼트들로 이루어져 있다. 그러므로 원호 보간은 원의 선형 근사값을 만들어 내고, 수동으로 또는 교시 펜던트 (teach pendant) 기법보다 오히려 프로그래밍 언어를 더욱더 용이하게 사용하고 있다.
상업적으로 이용 가능한 산업용 로봇들은 경로제어 시스템에 따라서 4 가지 종류로 분류될 수 있다:
1. 제한 시퀀스 (limited-sequence)
2. 지점간 (point-to-point)
3. 제어경로 (controlled-path)
4. 연속경로 (continuous-path)
제한 시퀀스 로봇은 관절의 상대적인 위치들을 가리키기 위해 서보 제어를 사용하지 않는다. 그 대신에, 시퀀스 장치와 함께 리미트 스위치 또는 기계적 멈춤장치가 관절의 구동을 조정할 수 있도록 설정함으로써 제어된다. 이러한 제어방법으로서 개별적인 관절은 이동의 극한까지 움직일 수 있다. 이것은 이러한 로봇들을 위해 프로그램에서 명령할 수 있는 지점들의 수를 제한하는 효과를 가진다. 그러므로, 제어 시스템은 각 축이 보통 2 개 끝점으로 제한되는 픽-플레이스 응용과 같은 간단한 운동 사이클에 사용된다. 그러나, 약간의 픽-플레이스 로봇들도 일반적인 1 개 또는 2 개의 중간 정지지점을 포함한다; 그러므로 그들은 정지-정지 (stop-to-stop) 또는 때떄로 뱅-뱅 (bang-bang) 이라고 불릴 수 있다.
픽-플레이스 로봇들은 산업에서 통상 실행하는 작업에 의해 이름 지워졌다. 로봇들은 어떤 지점으로부터 부품 또는 물건들을 집어들고, 다른 지점에 그들을 놓는다. 픽-플레이스 로봇은 컨베이어 또는 이송라인에 부품 하역을 하기 위해 사용될 수 있다. 그것은 간단한 프레스 장착과 탈착의 응용에 사용될 수 있다. 제한 시퀀스 로봇은 픽-플레이스 운동을 이용한다. 픽-플레이스 로봇은 그림 18 에서 보여준다.
그림 18 픽-플레이스 운동
픽-플레이스 로봇들은 모든 로봇들 중에서 가장 단순한 것이다. 이것은 단순하기 때문에 가치가 적다는 것은 아니다. 픽-플레이스 로봇은 단순한 작업에 대해서는 탁월한 선택이다. 그것들은 가장 낮은 제어의 수준이지만, 4 가지 형태 중에 가장 저가이다. 작업을 하는 데 필요한 것보다 많은 설비를 구입해야 할 이유가 없다.
픽-플레이스 로봇들은 유지보수가 가장 쉬운 이점을 가진다. 그들은 공장의 전기나 기계 수리 인원에 의하여 유지보수될 수 있다. 이러한 형태의 로봇은 일반적으로 공압으로 작동된다.
지점간 제어 로봇은 가장 일반적으로 4 가지로 분류되며, 어떤 지정된 지점에서 다른 지점으로 움직일 수 있지만, 이전에 지정되지 않는 임의의 지점들에서 멈출 수 없다. 서보기구에 의해 구동되는 지점간 제어 로봇은 지정된 지점에 로봇의 팔을 멈추기 위해 설정된 전위차계 (potentiometers) 에 의해 자주 제어된다. 지점간 제어 로봇은 작업공간 내의 어떤 지점에서 다른 지점으로 움직이기 위해 프로그램 (학습) 될 수 있다. 이러한 기능은 잠재적 응용분야들을 넓힌다. 그러므로 이러한 로봇들은 점 용접 (저항용접) , 조립, 연삭, 검사, 운반과 하역 등의 복잡한 응용뿐만 아니라 간단한 기계의 장착/탈착의 응용에 사용될 수도 있다.
지점간 운동은 그림 19 와 같이 로봇이 많은 이산 지점을 통과하도록 한다. 프로그래머는 말단장치를 원하는 지점에 위치시키기 위해 로봇 축을 조합하여 제어한다. 이러한 위치나 지점들은 메모리에 기록되고 저장된다. 재생 (playback) 모드에서 로봇은 메모리에 기록된 지점들을 통과한다.
그림 19 지점간 운동
지점간 제어 로봇은 동시에 많은 축들이 움직일 수 있다. 예를 들면, 구 좌표형 로봇은 베이스를 중심으로 회전함과 동시에 다른 축이 이동할 수 있다. 더욱더 복잡한 응용에서는 로봇이 모든 주요 축과 보조 축을 동시에 움직이는 것이 가능하다.
비록 지점간 제어 로봇은 그 작업공간 내에서 어떠한 지점으로 이동할 수 있지만, 2 개의 지점 사이를 반드시 직선으로 움직이지는 않는다. 그림 20 은 지점간 제어 로봇이 지점 A와 B 사이에서 취하는 경로를 보여준다. 수직이동은 지점 A 에서 지점 B 로 움직이는 데 필요한 수평이동보다 아주 짧다. 제어에 의해 제시될 때, 로봇 머니퓰레이터는 지점 A 에서 지점 B 를 향해 움직이기 시작할 것이다. 머니퓰레이터는 수직의 축에서는 올라가기 시작하여, 그후 수평의 축에 도달할 것이다. 머니퓰레이터는 수직축을 따라 이동해야 할 거리가 수평축을 따라 이동해야 할 거리보다 매우 짧기 때문에, 머니퓰레이터는 수평의 이동을 완료하기 오래 전에 요구된 수직의 이동을 완료할 것이다. 결과적인 경로는 어떤 호의 형태가 될 것이지만, 호의 정확한 형상은 로봇의 프로그래밍 동안에는 예측할 수 없다.
그림 20 어떤 지점에서 다른 지점으로 이동하는 (수직과 수평이동의 결합) 지점간 제어 로봇의 머니퓰레이터의 경로 예시
그림 21 지점간 제어 로봇의 프로그래밍에 사용되는 교시 펜던트
그림 21 에 나타나는 것과 같이 지점간 제어 로봇을 프로그램하기 위하여 프로그래머는 교시 펜던트 (teach pendant) 버튼을 눌러야 한다. 교시 펜던트는 공장에서 오버헤드 크레인을 움직이기 위해 사용되는 제어와 매우 유사하다. 로봇이 베이스를 중심으로 회전하기 위하여, 버튼을 누르고 또한 그때 로봇은 회전한다. 머니퓰레이터를 신장시키기 위하여, 또 다른 버튼을 누르게 된다. 로봇이 요구 지점에 다다랐을 때, 프로그래머는 로봇의 메모리에 그 지점을 기록하기 위해 버튼을 누른다. 그때 프로그래머는 적당한 버튼들을 누름으로써 머니퓰레이터가 다음 지점으로 움직인다. 프로그래머가 다음 지점으로 이동하도록 한 경로는 로봇에 의하여 기억되지 않는다. 머니퓰레이터가 마침내 요구 지점에 도달했을 때, 그 지점을 기록하기 위한 버튼은 다시 눌려지고, 두 번쨰 지점이 로봇의 메모리에 기억된다. 프로그램이 재생될 때, 로봇은 메모리에 있는 첫 번째 지점에서 두 번째 지점으로 이동할 것이며, 그후 세 번째 지점으로 이동할 것이며, 학습된 모든 지점으로 움직일 때까지 계속할 것이다. 로봇이 최후의 지점에 도달한 후에 제어기는 머니퓰레이터가 메모리 속의 첫 번째 지점으로 되돌아가도록 하며, 전체적인 프로그램이 반복된다. 몇몇의 로봇에서는 팔을 수동으로 원하는 마지막 지점으로 대충 끌지만, 교시 펜던트를 사용하여 미세하게 조정된다. 지점간 로봇의 단순한 제어방법은 불가능하지 않더라도 2개의 학습지점들 사이에서 머니퓰레이터의 정확한 경로를 예측하는 것을 어렵게 한다.
제어경로 (controlled path) 는 지점간 제어가 더욱더 정밀하게 제어되는 전문적인 제어 방법이다. 제어경로 로봇은 로봇이 2 개의 학습된 지점될 사이에서 적합한 세그먼트를 기술한다. 그림 22 에서는 제어경로 제어기가 작동하는 로봇의 연속 노출 사진을 나타낸다. 이 사진에서와 같이 로봇은 2 개의 학습된 지점들간을 직선을 따라 움직인다.
그림 22 Cincinnati Milacron T3 566 로봇. (점선은 로봇 머니퓰레이터의 경로)
제어경로는 계산방법이며, 머니퓰레이터가 완전한 경로로 이동해야만 할 때 바람직하다. 제어경로 로봇들은 직선, 원, 보간곡선과 다른 경로를 매우 정밀하게 생성할 수 있다. 경로를 따라서 어떤 지점들을 정확하게 얻을 수 있다. 단지 시작과 끝의 좌표값과 경로의 정의가 제어하기 위해 필요하다. 비록 조립작업들이 지점간 제어에 의해 쉽게 이루어질 수 있지만, 제어경로 로봇의 프로그래밍은 그러한 작업을 더욱 쉽게 수행할 수 있다. 예를 들면, 만약 로봇이 축을 베어링에 넣는 것이라면, 직선으로부터 편차는 축이 베어링을 벗어나거나 축을 구부리도록 할 것이다. 제어경로의 로봇을 사용하는 것은 로봇이 베어링 안에 축을 직선적으로 미끄러지도록 하는 것을 확실하게 할 것이다. 한편으로는, 만일 직선 작업에서 지점간 제어 로봇을 사용하고 싶다면, 로봇이 경로를 따라 많은 지점을 지나도록 프로그램하는 것이 필요하다. 프로그램되는 지점이 많으면 많을수록 지점간 제어 로봇은 더욱더 직선적으로 곧은 경로가 될 것이다.
제어경로 로봇의 사용으로 단순화된 다른 응용들은 용접, 드릴링, 연마와 조립작업등이다.
제어경로의 로봇을 프로그래밍하는 방법은 지점들을 계산하는 것 이외는 지점간 제어 로봇의 프로그래밍과 유사하다.
지점간 제어경로와 비제어 경로의 프로그램의 차이는 그림 23 에서 나타나 있다. 그림은 2 개의 축 (x 와 y) 에 대한 2 개의 프로그램 지점이다.
그림 23 제어경로와 비제어 경로 작업의 비교
제어경로 로봇의 관절 액추에이터는 제어경로 제어기에 의하여 생성된 각 관절의 해당 속도로 움직이는 반면에, 지점간 비제어 로봇의 모든 관절 액추에이터는 동시에 별도로 움직인다.
제어경로에 대하여 x 축 모터가 y 축 모터의 2 배 속도로 구동되면 두 축이 지점 B 에 동시에 도달하며 이것은 완전한 직선운동이다.
연속경로 운동은 지점간 운동의 확장이다. 그 차이는 연속경로는 더 많은 지점들이 필요하고, 그 경로는 호, 원 또는 직선일 수 있다. 연속경로의 프로그램은 수천 지점을 가질 수 있다. 그림 24 에서 나타나는 것과 같이 더 많은 지점들이 사용되기 때문에 각 지점들 사이의 거리는 상당히 가깝다.
그림 24 연속경로 운동
많은 지점들로 인하여 로봇은 연속적이거나 윤곽적인 움직임을 주는 매끄러운 경로를 만들어 낼 수 있다. 연속경로 운동은 끝점의 위치 결정보다는 경로 이동제어에 관심이 있다. 운동경로의 프로그래밍은 조작자가 로봇의 말단장치를 운동경로를 따라서 물리적으로 움직으로써 완료된다. 조작자가 그 운동으로써 로봇을 움직이는 동안, 각 축들의 위치가 일정시간마다 기록된다. 프로그램들은 자기 테이프 또는 자기 디스크에 일반적으로 기록된다.
연속경로 제어 로봇은 지점간 제어 로봇과 제어경로 로봇과는 다르게 프로그램된다. 교시 펜던트의 버튼을 눌러서 로봇을 요구지점에 끌기보다는, 연속경로 제어 로봇은 로봇 팔의 그리퍼에 의하여 프로그램되며, 또한 실제적으로 로봇이 기억해야 하는 경로를 따라서 팔을 실제적으로 이끌어 간다. 로봇은 프로그래머가 머니퓰레이터를 움직이는 정확한 경로뿐만 아니라 속도까지도 기억한다.
만약 프로그래머가 팔을 아주 천천히 움직이려면, 속도는 제어 콘솔에서 조절될 수 있다. 속도를 바꾸는 것은 로봇 팔의 경로에 영향을 끼치지 않는다.
연속경로 제어 로봇은 실제로 지점간 제어 로봇의 한 형태이다. 로봇이 프로그램에서 배웠던 것에 따라, 제어기는 머니퓰레이터의 위치를 초당 수백 번 정도로 조사하고, 나중에 재생에 대한 각 지점을 메모리에 보관한다. 그것은 표준지점간 제어 로봇의 메모리에 수천 개의 지점들을 프로그램하는 것과 유사하다. 연속경로 제어의 로봇은 스프레이 도장, 아크 용접, 또는 로봇 경로를 일정하게 제어할 필요가 있는 다른 작업에도 흔히 사용된다.
연속경로 제어와 표준지점간 제어의 주요 차이점은, 지점간 제어가 수백 지점들의 메모리로 제한되는 반면에, 연속경로 제어는 수천의 프로그램 지점을 기억하는 제어능력이다. 그림 25 은 두 방법간의 차이점을 설명하고 있다.
그림 25 (a) 연속경로 제어에서 실시간 프로그래밍 지점들이 자동적으로 프로그램된다. (b) 지점간 제어에서 생성된 경로는 쉽게 예측되지 않는다.
오프라인 프로그래밍 (off-line programming) 은 오늘날 매우 널리 알려진 다른 방법이다. 그것은 컴퓨터 또는 프로그래머블 제어기를 사용하여 구동되는 단순한 소프트웨어 프로그램이다. (오프라인 프로그래밍에 대한 상세한 내용은 9 장에서 논의될 것이다.)
로봇 시스템은 보통기술 그룹과 첨단기술 그룹으로 나눌 수 있다. 비록 이들 두 그룹의 차이가 자주 명확하지 않지만, 분류는 다음 두 가지 목적을 위한 것이다. 첫 번째로 폭 넓은 범위의 시스템과 이용 가능한 특징들을 지적한다. 두 번째로 그것은 구입자에게 새로운 오퍼레이터와 유지보수 전문가들을 위해 필요한 훈련의 강도를 지시한다.
보통기술의 로봇은 관절의 상대적인 위치들을 가리키기 위해 서보제어를 사용하지 않는다. 그 대신에, 그들은 관절들의 구동부의 좌표를 알고 시간에 따른 시퀀스 장치와 함께 리미트 스위치나 기계적 멈춤장치들을 설정함으로써 제어된다. 그들의 제어 시스템은 각 축이 통상 2 개의 종점들까지 제한되는 픽-플레이스 응용과 같은 간단한 응용분야를 위한 것이다. 그림 3.6.1은 그러한 응용을 설명하고 있다; 그러나 몇몇의 픽-플레이스 로봇은 1 개 또는 2 개의 중간 정지물을 갖고 있다; 그러므로 그것들은 정지-정지 (stop-to-stop) 또는 가끔 뱅-뱅 (bang-bang) 이라고 불리어지곤 한다.
첨단기술의 로봇은 서보제어 시스템이다; 그것들은 더욱더 정교한 센서와 복잡한 프로그래밍 언어들을 사용한다. 그림 26 은 그러한 시스템을 설명한다. 수치제어와 지능제어의 범주에서 이용할 수 있는 두가지 형태가 있다.
그림 26 첨단기술 로봇을 사용한 자동 조립작업
수치제어 로봇은 기계부가 제어되고 영문숫자 데이터의 코드에 의해 프로그램되는 수치제어 (NC: numerical control) 기계 (8장 참조) 와 같이 프로그램되고 동작된다. 그 로봇은 디지털 데이터에 의한 서보제어이다. 두 가지의 기본적 제어형태는 지점간 제어와 연속경로 제어이다.
지점간 제어 로봇은 프로그램하기 쉽고, 더 큰 부하운송 능력과 작업공간을 가진다. 연속경로 제어 로봇들은 지점간 제어 로봇보다 반복 정밀도는 좋으나 부하운송 능력은 낮다. 몇몇 고등 로봇은 경로제어의 복잡한 시스템을 가지며, 그것은 큰 정확도로 고속 이동을 가능하게 한다.
지능제어 로봇은 인간이 수행하는 몇 가지의 기능과 작업을 수행할 수 있다. 그것은 센서의 감각에 의해 작업공간에서의 변화들을 감지할 수 있다. 또한, 지능 로봇 (intelligent robot) 은 변화하는 상황에 즉시로 대응할 수 있는 시각 (컴퓨터 시각) 과 촉각 (touching) 능력들을 제공하는 각종 센서 및 그 센서장치 기구를 갖추고 있다.
인간들과 마찬가지로, 로봇은 지각과 패턴인식에 의해 환경을 관찰하고, 평가한다. 그것은 그때 다음 움직임에 대한 적절한 결정을 하고, 계속 진행한다. 그 운전이 매우 복잡하기 때문에 그 움직임을 제어하는 데는 성능이 좋은 컴퓨터가 필요하고, 그 행동들에 응답하기 위해 더욱더 정교한 센서장치가 필요하다.
폭 넓은 연구는 보는 "눈"과 촉각의 "손가락"을 로봇에 어떻게 장착하느냐에 예전부터 아직도 관심을 갖고 있다. 로봇들이 응답하고, 적응하고 추리하고, 변화에 적절히 대응할 수 있도록 하는 인공지능 (AI: artificial intelligence) 은 지능 로봇의 지녀야 할 기본적인 능력이다.
비약적인 발전으로 인하여 로봇은 더욱더 인간처럼 행동할 것이라는 가정을 할 것이며, 또한 바닥 위의 여러 가지 기계들과 장비들 사이를 충돌을 피하여 움직이하는 것; 정확한 원료와 공작물을 인식하고 선택하는 것; 가공 또는 검사를 위하여 공작물을 기계에 운반하는 것; 부품들을 최종 제품으로 조립하는 것과 같은 작업을 수행할 것이다. 그러한 작업에서 로봇 이동의 정확도와 반복 정밀도는 중요한 고려사항이다. 지능 로봇들의 응용 가능성은 인간의 상상력과 독창성만 있다면 무한할 것이다. (10장에서 고등 로봇에 대하여 세부적으로 논의한다.)
이 장은 로봇 분류의 일반적인 개념들을 소개했다. 이 장은 자유도, 동력 공급장치, 제어시스템과 경로제어를 고려하여 모든 유형의 로봇 팔의 기하학과 형태에 대한 개요를 제공했다. 앞장에서 기술한 팔 기하학은 현재 5 개의 기본적 형상, 즉 직교 좌표형, 원통 좌표형, 구 좌표형, 관절형과 SCARA 로 분류할 수 있다. 각 형상에 대하여 작업공간의 기하학, 장단점과 전형적인 응용들을 기술하였다. 표 1 은 5 개의 기본적 형상들을 요약한다.
로봇시스템의 팔에 위치하는 3 개의 자유도는 회전이동, 방사이동과 수직이동이다. 손목에 위치하는 3 개의 기본운동은 피치, 요와 롤이다.
현재의 로봇에 사용되는 4 가지의 동력 공급 장치는 전기, 유압과 공압 및 전기기계이다.
로봇 머니퓰레이터가 작업공간의 어떤 지점에서 다른 지점으로 이동하도록 하는 4 가지의 운동, 즉 비틀림 회전운동, 관절 보간운동, 직선 보간운동과 원호 보간운동이 있다.
로봇에는 제한 시퀀스, 지점간, 제어경로와 연속 경로의 4 종류의 제어가 있다. 로봇 시스템은 보통기술과 첨단기술 그룹으로서 보통 분류된다.