4산업용 로봇 4.1 산업용 로봇의 구성

4.2 2차원 평면 로봇의 기구학

제4장 산업용 로봇

4.1 산업용 로봇의 구성

산업용 로봇을 구성하는 세 가지 기본 요소는 기계적 동작을 하는 매니퓰레이터

(Manipulator), 제어장치(Controller), 전원부(Power Supply)이다.

4.1.1 매니퓰레이터의 기본 구조

1. 몸체

몸체(Body)는 팔을 원하는 위치로 이동시키는 어깨를 포함하며, 매니퓰레이터를 지지

하는 역할을 한다. 몸체는 움직임의 여부에 따라 구분될 수 있는데, 몸체가 고정된 로

봇을 고정형 로봇(Manipulating Robot)이라 하고, 움직일 수 있는 로봇을 이동형 로봇

(Locomoting Robot)이라고 한다.

그림 4.1 | 산업용 로봇의 기본 구조

이동형 로봇의 움직임은 다음과 같이 구분할 수 있다.

① 직선 운동(Prismatic Motion)：몸체가 한 방향 또는 여러 방향으로 직선 이동한다.

② 회전 운동(Revolute Motion)：몸체가 한 축을 중심으로 회전한다.

③ 혼합 운동(Prismatic/Revolute Motion)：직선 운동＋회전 운동

팔

몸체

손목

손

어깨

고정형또는 이동형

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206 자동차 생산기술과 로봇 자동화

④ 자유 이동(Mobile)：바퀴, 무한궤도장치(Caterpillar) 등의 장치가 부착되어 있어

자유자재로 움직일 수 있다.

2. 팔

팔(Arm)은 손목(Wrist)과 손(Hand)을 원하는 위치로 보내는 역할을 한다. 팔은 상박

(Upper Arm), 하박(Lower Arm) 및 팔꿈치(Elbow)로 구성되는데, 팔의 형상과 움직임

에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다. 단, 영문자 P는 직선 운동(Prismatic), R은 회전

운동(Revolute)을 나타낸다.

① 직각형(Rectangular)

－ 팔이 몸체와 어깨의 궤도를 따라 직선 운동만 한다.

－ 3관절의 경우 3개의 직선 운동：P-P-P

② 원통형(Cylindrical)

－ 팔이 전후로 움직이며, 몸체를 축으로 회전 및 직선 운동을 한다.

－ 3관절의 경우 2개의 직선 운동과 1개의 회전 운동：P-R-P

③ 구형(Spherical)

－ 팔이 전후로 움직이며, 몸체를 축으로 상하, 좌우의 회전 운동을 한다.

－ 3관절의 경우 1개의 직선 운동과 2개의 회전 운동：R-R-P

④ 다관절형(Articulated)

－ 여러 개의 관절을 이용하여 상하, 좌우로 직선 및 회전 운동을 복합적으로

한다.

제4장 산업용 로봇

(a) 직각형(P-P-P) (b) 원통형(P-R-P)

(c) 구형(R-R-P) (d) 다관절형(P-R-R)과 (R-R-R)

그림 4.2 | 산업용 로봇팔의 구분

3. 손목

손목(Wrist)은 손을 원하는 위치 또는 방향으로 이동시키는 역할을 한다. 손목은 보통

롤(Roll), 피치(Pitch), 요(Yaw)라고 하는 세 가지 운동(RPY)을 하는데, 손목의 형상과

움직임에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다.

① 직선형(Prismatic)

3개의 직각형 관절로 전후, 좌우, 상하 등 직선으로 움직이며, 이들 운동의 조합

에 의해 롤 운동을 한다.

② 회전형(Revolute)

3개의 회전형 관절로 RPY 운동을 한다.

③ 혼합형 운동(Prismatic/Revolute)

2개의 직각형 관절과 1개의 회전형 관절로 이루어지는데, 직각형 관절이 피치 및

요 운동을 담당하고, 회전형 관절이 롤 운동을 담당한다.

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208 자동차 생산기술과 로봇 자동화

(c) 혼합형(직선 및 회전형)

그림 4.3 | 손목의 구조에 따른 구분

4. 손

손(Hand)은 작업 상물을 잡거나 주어진 작업을 실제로 수행하는 역할을 한다. 손은

기능에 따라 그리퍼(Gripper), 엔드이펙터(End-Effector)로 구분하기도 한다. 그리퍼는

손가락 또는 손 전체로 물건을 잡는 일을 할 경우에 사용되는 집게 모양의 로봇손을

말하고, 엔드이펙터는 그리퍼를 포함한 각종 공구를 로봇손의 위치에 부착하여 손

신 사용하는 경우에 일컫는다.

(a) 진공 흡착 (b) 도장(Painting) (c) 용접 (d) 손가락 안으로 쥠

(e) 손가락 바깥 (f) 두 쌍의 (g) 독립적으로 (h) 포크리프트

으로 쥠 손가락으로 쥠 움직이는 손가락 (Fork-Lift)

그림 4.4 | 로봇손의 여러 가지 형태

(a) 직선형

(b) 회전형

제4장 산업용 로봇

항목 사람 로봇

판단 및 기억 머리(뇌) 컴퓨터(CPU)

지각

시각 눈 시각센서(CCD 카메라, 초음파)

청각 귀 청각센서(마이크로폰)

후각 코 후각센서(가스검출소자)

미각 혀 미각센서

촉각 피부 힘센서, 온습도센서

행동

동력원 심장 전기, 공압, 유압

기구 팔, 다리, 손, 발 링크 기구

소리(말) 혀 스피커

표 4.1 인간과 로봇의 비교

5. 인간과 로봇의 비교

산업용 로봇은 특정한 생산작업에 알맞게 필요한 기능을 확 시켜 만든 것이기 때문에

인간과 같은 모습일 필요는 없다. 하지만 지금까지 인류가 만든 모든 건물, 장치, 기계,

도구들은 인간을 기준으로 만들어졌기 때문에, 인간을 신하여 로봇에게 어떠한 일을

시키려면 로봇의 형태가 인간과 유사한 것이 여러 가지로 편리할 것이다. 이처럼 인간

과 유사한 형태의 로봇을 휴먼로봇(Human Robot) 또는 휴머노이드 로봇(Humanoid

Robot)이라고 한다. 최근 개발된 휴머노이드 로봇으로는 일본 혼다자동차에서 만든 자

율형 인간로봇 P2(www.honda.co.jp 참조)가 가장 유명하다. P2가 발표된 것은 1996년

12월로, 180cm의 키에 210kg의 육중한 몸무게를 지닌 P2는 두 발로 성큼성큼 걸을 뿐

아니라(최고속도 40m/분) 공도 차고 계단을 오르며 수레도 거뜬히 밀었다. 1997년 9월

혼다는 P2를 소형화한 P3(키 160cm, 몸무게 130kg)를 다시 선보였다. 국내에서도 1999

년 7월 한국과학기술연구원(KIST) 휴먼로봇연구센터에서 모델명 ‘센토(CENTAUR)’라고

하는 휴먼로봇을 개발하였다(www.kist.re.kr 참조).

표 4.1은 지각, 행동, 판단 및 기억 등의 항목에 걸쳐 인간과 로봇을 비교하고 있다.

표에서도 알 수 있듯이 현재의 로봇기술 수준은 부분의 분야에서 인간의 능력보다

뒤져 있다. 특히 기구 분야(손, 발 등)는 정도의 차가 크며, 로봇을 연구하는 사람은

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210 자동차 생산기술과 로봇 자동화

인간의 손에 해서는 경외감마저 느끼는 실정이다.

한편, 현재의 로봇은 인간이 할 수 없는 일들을 수행할 수 있다. 즉 인간보다 훨씬

빠른 속도로 고장이 생기지 않는 동안 끊임없이 일을 할 수 있고, 화재, 지뢰 제거 등

위험한 작업을 할 수 있다.

현재 로봇기술 분야에서는 로봇에게 지능을 부여하거나 학습 능력을 갖도록 하는 연

구가 활발히 진행되고 있다. 이를 위해서는 로봇이 시각, 촉각 등 고도의 지각 능력을

갖추고 아울러 거 용량의 메모리 장치를 갖추어야 한다. 최근 비약적으로 발전하는

컴퓨터 기술을 생각한다면 인간처럼 두 손을 자유자재로 사용하고, 여러 의 로봇이

협력하여 작업을 효과적으로 수행하는 날이 언젠가는 도래할 것이라 예상된다.

4.1.2 로봇 좌표계

3차원 공간상에 놓여 있는 물체의 상태(위치 및 자세)를 표현할 때는 3개의 위치정보

(x, y, z)와 3개의 각도정보( )가 필요하다. 즉 총 6개의 위치 및 자세(각도)의 정

보가 필요하다. 이처럼 물체의 위치와 자세를 나타내는 데 필요한 독립된 좌표계의 수

를 자유도(Degree Of Freedom, DOF)라고 한다. 따라서 3차원 공간상에 있는 임의의

물체는 6개의 자유도를 갖는다고 할 수 있다.

로봇의 관절동작은 여러 가지가 있을 수 있는데, 이 중 직선 및 회전 운동이 표적

이다. 부분의 로봇 관절은 직선, 회전 중 한 가지 운동만을 하므로 ‘로봇 관절의 수〓

자유도의 수’라고 할 수 있다.

산업용 로봇을 보면 4∼6관절이 부분이며 이 중 6관절이 많은데, 이는 앞에서 언급

한 바와 같이 3차원 공간에서 로봇이 원하는 작업을 하기 위해서는 6개의 자유도가

필요하기 때문이다. 로봇이 7자유도 이상의 관절을 가지면 장애물 회피, 조작성 향상

등의 장점이 있으나, 여유 관절(Redundant Joint)이 발생하여 제어가 어렵고 경제성이

떨어지는 단점이 있으므로 산업용으로는 잘 사용되지 않고 있다.

인간의 경우를 생각해 보면, 인간의 한쪽 팔은 총 27개(어깨 3, 팔꿈치 1, 손목 3,

손가락 20)의 자유도를 가지고 있어 조작성이 매우 뛰어남을 알 수 있다.

로봇의 동작은 여러 개의 관절과 링크들의 조합된 결과로 이루어진다. 고정된 로봇

제4장 산업용 로봇

의 경우, 베이스 축을 기준으로 한 표적인 네 가지의 동작 좌표계에 하여 알아

보자.

1. 직각 좌표계(P-P-P)

직각 좌표계는 원점(0, 0, 0)을 기준으로 해서 x, y, z 3개의 축이 각각 직교하고 있는

좌표계이다. 각 축을 따라 측정한 값으로 공간의 점 p의 위치 P(x, y, z)를 나타낼 수

있다. 직각 좌표 로봇의 경우, 로봇의 모든 부분은 x, y, z축을 따른 직선 운동을 한다

(그림 4.5 참조).

(a) 구조 (b) 동작 범위

그림 4.5 | 직각 좌표계 로봇의 구조 및 동작 범위

2. 원통 좌표계(P-R-P)

원통 좌표계는 공간상의 점 p의 위치를 나타내기 위해 r, , z를 사용한다. r는 반지름

이고, 는 기준 축으로부터의 각도인데, 이 와 r로써 평면상의 점의 위치(r, )가 정해

진다. 여기에 높이 z를 도입함으로써 공간상의 임의의 점의 위치(r, , z)를 나타낼 수

가 있다(그림 4.6 참조).

작동 영역

작동 영역

위험영역

X

Y

Y

Z

Y

y

x

P

z

0

0

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212 자동차 생산기술과 로봇 자동화

(a) 구조 (b) 동작 범위

그림 4.7 | 극 좌표계 로봇의 구조 및 동작 범위

(a) 구조 (b) 동작 범위

그림 4.6 | 원통 좌표계 로봇의 구조 및 동작 범위

3. 극 좌표계(R-R-P)

극 좌표계는 공간상의 점 p의 위치를 나타내기 위해 r, , 를 사용한다. r는 반지름이

고, 는 평면상의 각이며, 는 수직평

면 내에서 수평면과 r가 이루는 각이다

(그림 4.7 참조).

4. 다관절 좌표계(R-R-R)

다관절 좌표계는 여러 개의 관절로 이

루어져 있으며 각 동작 부분은 부분

회전 운동을 한다. 좌표계의 각 요소들

은 회전각(, , ), 상박과 하박의 길

이 r의 함수로 표시된다(그림 4.8 참조).

0

0

작동 영역

작동 영역

본체

위험 영역

본체

x

z P

작동 영역

작동 영역

위험 영역

본체

본체

0

0

P

r

제4장 산업용 로봇

(a) 구조 (b) 동작 범위

그림 4.8 | 다관절 좌표계 로봇의 구조 및 동작 범위

4.1.3 로봇의 분류

로봇의 분류에는 기구 형태, 제어 방법, 성능 등 여러 가지가 있다. 이 중 표적인

것이 표 4.2에 나타나고 있는 기구 형태에 따른 분류이다. 표 4.3은 서보 유무와 경로

명칭 정의

직교 좌표형 로봇동작 기구가 직교 좌표(Cartesian Coordinate)를 따라 움직이는 로봇.

PPP형 로봇이라고도 함.

원통 좌표형 로봇동작 기구가 원통 좌표(Cylinderical Coordinate)를 따라 움직이는 로

봇. PRP형 로봇이라고도 함.

극 좌표형 로봇동작 기구가 극 좌표(Polar/Spherical Coordinate)를 따라 움직이는

로봇. RRP형 로봇이라고도 함.

다관절형 로봇동작 기구가 여러 개의 관절로 구성되어 있는 로봇. RRR형 로봇이라

고도 함.

표 4.2 기구 형태에 따른 로봇의 분류

작동 영역

작동 영역

위험 영역

본체

본체

0

0

P

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214 자동차 생산기술과 로봇 자동화

항목 명칭 정의

서보 유무

비서보형 로봇 서보 제어(Servo Control)를 사용하지 않는 로봇

서보형 로봇정밀 제어를 위하여 위치, 속도, 힘 등 서보 제어를 사용하는

로봇

경로 형태

위치결정 제어형

로봇

경로상의 작업점을 따라 움직이는 로봇

PTP(Point To Point) 제어형 로봇이라고도 함

경로 제어 결정형

로봇

연속된 경로를 따라 움직이는 로봇

CP(Continuous Path) 제어형 로봇이라고도 함

표 4.3 제어 방법에 따른 로봇의 분류

명칭 정의

시퀀스 로봇

(Sequence Robot)

순서, 위치, 조건 등 미리 설정된 정보에 따라 동작의 각 단계

를 순차적으로 진행하는 로봇

플레이백 로봇

(Playback Robot)

사용자가 순서, 위치, 조건 등 정보를 가르치면 이를 저장한 후

필요시 재생할 수 있는 로봇

적응 제어 로봇

(Adaptive Control Robot)

작업 환경의 변화에 적응하여 스스로 제어 기능을 변화시키는

능력을 가진 로봇

학습 제어 로봇

(Learning Control Robot)

작업 경험을 학습에 반영하여 이를 바탕으로 적절한 제어 기능

을 발휘하는 로봇

표 4.4 성능에 따른 일반적인 로봇의 분류

형태 등 제어 방법에 따른 로봇의 분류를, 표 4.4는 성능에 따른 로봇의 일반적인 분류

를 나타내고 있다.

현재 산업에 사용되고 있는 부분의 로봇은 플레이백 로봇이며, 일부 적응 제어,

학습 제어 기능을 가진 로봇에 한 연구가 진행되고 있으나 인간의 지적 능력에 비하

면 매우 낮은 수준이다.