[산업용 로봇 기술 동향] 병렬로봇 기술과 응용 분야

김한성 경남대학교 기계공학부 교수 (hkim@kyungnam.ac.kr)


병렬로봇은 1개의 직렬체인(다리)으로 구성되는 직렬로봇 과 달리 이동플랫폼(엔드이펙터)이 적어도 2개 이상의 다리 에 의하여 지지되는 구조를 가진 로봇이다(그림 1 참조).

직 렬로봇은 모든 조인트에 구동기가 장착되지만, 병렬로봇은 각 다리당 1~2개의 구동기가 고정부 또는 근처에 장착되고 나머지 조인트는 수동조인트로 구성된다.^{[1, 2]}    
대표적인 병렬로봇으로는 그림 2와 같이 가우-스튜어트 플랫폼(Gough-Stewart platform)이 있다. 이 병렬 기구는 이동플랫폼을 6개의 U-P-S(Universal-Prismatic- Spherical) 조인트의 다리로 지지하는 구조를 가진다. 여기 서 볼나사 방식의 선형 구동기가 직선조인트를 구동한다. 이 병렬로봇의 특이할 점은 이동플랫폼의 회전각도를 증가하기 위하여 회전 범위가 작은 볼조인트 대신에 2개의 다리가 1개 의 유니버설조인트로 이동플랫폼에 연결되는 구조를 가진다.

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 변형 이 상대적으로 작으므로 고정밀도를 가진다. 반면, 이동플랫 폼의 운동을 여러 개의 다리로 구속하므로 작업영역이 작은 단점을 가진다.
그러나 Delta와 Tricept 병렬로봇과 같이 구속하는 다리의 개수가 적은 메커니즘을 사용하면 더욱 큰 작업영역을 확보 할 수 있다. 또한, 로봇 자체 중량이 작은 병렬로봇을 모듈 형 태로 직선레일 등에 부착하여 작업영역을 증가할 수도 있다. 직렬로봇과 병렬로봇 해석 시의 특징과 장단점을 표 1에 요약했다.

병렬로봇 기술

1. 구조 합성(Type synthesis)

직렬로봇은 작업에 요구되는 자유도를 만족하는 메커니즘 이 몇 개 존재하는 반면 병렬로봇은 자유도마다 매우 다양한 메커니즘이 존재한다. 각 자유도와 운동 형태별로 병렬로봇 의 구조에 관한 방대한 자료를 참고 문헌에서 구할 수 있 다^[3,4,5]. 병렬로봇은 자유도 측면에서 6자유도와 저자유도 병 렬로봇, 작업공간 측면에서 공간과 평면 병렬로봇, 운동 형 태 측면에서 병진운동·회전운동·복합운동 병렬로봇으로 분류할 수 있다. 일반적으로 저자유도 병렬로봇은 6자유도 병렬로봇보다 더 큰 작업영역을 확보할 수 있다.
일반적으로 병렬로봇은 정기구학과 동역학 등이 매우 복잡하나 예를 들어 Delta 병 렬로봇과 같은 병진운동만이 가능한 병렬로봇은 상대적으로 간단한 정기구학 및 동역학 해를 구할 수 있다^[1].


2. 기구학과 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 만드 는 구들의 교집합으로 구할 수 있고 일반적으로는 해석해가 존재하지 않는다. 가우-스튜어트 플랫폼의 경우 최대 40개 의 해가 존재할 수 있다. 그러나 수치적 방법을 사용하면 실 시간 제어에서도 정기구학 해석이 가능하다.
직렬로봇은 1개 이상의 자유도를 잃는 기구학적 특이성만 발생한다. 반면 병렬로봇은 수동조인트가 존재하므로 기구 학적 특이성뿐만 아니라 구동조인트를 고정하여도 외부 힘 을 지지하지 못하여 1개 이상의 자유도를 얻는 정역학 특이 성이 존재한다. 이러한 특이성은 자코비안 행렬을 해석하여 설계와 제어 시 회피할 수 있다.
직렬로봇의 동역학 해석은 잘 정립되어 있으나 병렬로봇 의 경우에는 상당히 다양한 메커니즘이 존재하므로 대표적 인 몇 개의 병렬로봇에 대한 동역학만이 유도되었고 직렬로 봇의 경우보다 동역학이 복잡하다. 예를 들어 가우-스튜어 트 플랫폼의 경우 다리의 관성이 비교적 작으므로 다리의 동 역학이 구동기의 토크에 미치는 부분이 작다고 할 수 있다. 따라서 가반하중과 이동플랫폼의 동역학만을 고려하면 실시 간 Computed-torque 제어를 할 수 있다.

3. 최적 설계

병렬로봇의 설계는 크게 구조합성과 치수합성(dimensional synthesis) 단계로 나눌 수 있다. 첫 번째 단계는 요구되 는 작업을 만족하는 병렬로봇의 구조를 선정하는 것이다. 자 유도마다 병렬로봇의 메커니즘은 매우 다양하고 메커니즘들 의 장단점을 쉽게 판단할 수 없다는 어려움이 있다^[6].
장단점을 고려하여 메커니즘의 구조가 선정되면 성능을 최대화할 수 있는 기구학적 치수와 각 부품을 최적 설계해야 한다. 기구학적 치수의 변화에 따라 성능이 매우 크게 변화 할 수 있으므로 최적 설계 시 주의해야 한다.
일반적으로 그림 3과 같이 기구학적 치수가 증가할수록 작 업영역은 증가하나 강성, 가반하중 및 정밀도는 감소하므로 상반되는 성능을 최적화할 수 있는 기구학적 치수를 설계해 야 한다.

병렬로봇은 그림 4와 같이 Telescopic 방식의 선형 구동 기, 유니버설 및 볼조인트와 같은 부품을 요구하나 이러한 상용 정밀부품을 구하기가 어렵거나 고가라는 점이 개발의 장애가 될 수 있다. 그림 5와 같이 선형구동기를 고정부에 배치하면 상용 선형구동기를 사용할 수 있다는 장점이 있다.

그림 6의 Exechon은 상용 선형구동기를 사용하고 회전 조 인트만을 사용하는 구조이다.


병렬로봇 응용 분야

1. 공작기계

병렬기구의 장점인 고강성과 고정밀도를 이용하여 1990 년대 초반에 기딩스 앤드 루이스(Giddings & Lewis)사는 새로운 개념의 병렬형 밀링머신인 Variax를 출시하였다. 또 한 잉거솔(Ingersoll)사도 Hexapod를 출시하였다. 그림 5와 같이 병렬기구는 6개의 S-P-S 다리로 구성되고 6자유도를 가진다.
그림 6과 같은 6축 Hexaglide와 HexaM도 제시되었다. 이는 6개의 P-S-S 다리로 구성되고 기존 상용 볼나사 방식 의 선형구동기가 고정부에 장착되어 직선조인트를 구동한 다. 상용 선형구동기를 사용하므로 고정밀도와 제작이 용이 하고 이동부의 관성이 작다는 장점이 있다. 또한, 그림 7과 같이 3개의 다리로 구성된 Tripod 방식의 3축 병렬형 공작 기계도 제시되었다.

그림 8과 같이 기존 산업용 직렬로봇과 비슷한 작업영역 과 유연성을 갖는 Tricept 공작기계가 제시되었다. 이는 3축 병렬기구(Arm)와 2축 직렬기구(Wrist)가 직렬적으로 연결 된 복합구조(hybrid structure)를 가진다. 기존 5축 직렬형공작기계보다 중량이 작으므로 모듈 형태로 배치가 가능하 고 그림 9를 참고하면 기존 산업용 로봇으로 작업이 어려운 경가공 작업에 적합한 구조임을 알 수 있다.


2. 모션 시뮬레이터

그림 10과 같이 병렬기구가 모션 시뮬레이터로 처음 개발 되었다는 점이 병렬기구가 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[그림 11].

최근에는 6자유도보다 단순한 저자유도 (2, 3, 4축) 모션 시뮬레이터 등이 4D 극장과 같은 엔터테인먼트 용도로 개발 되고 있다.

3. 산업용 로봇

그림 12의 화낙사의 F200-iB은 병렬로봇의 고가반하중 장점을 이용한 대표적인 예이다. 이는 6자유도 Hexapod 구 조를 갖고 로봇 중량이 190kg임에도 100kg의 매우 큰 가반 하중을 가진다. 화낙의 Deltapod는 자동차 차체 지지용으로 개발되었다. 이 기구는 3세트의 평행사변형 기구를 이용하 여 델타 로봇과 유사하게 3축 병진운동을 한다^[9].

현재까지 상업적으로 가장 성공한 병렬로봇은 그림 13과 같은 델타 로봇이다. 델타 로봇은 3개의 모터가 구동암을 제 어하고 각 구동암에 2개의 S-S 직렬체인이 이동플랫폼에 연결된다. 이 S-S 직렬체인에는 인장/압축 힘만 작용하므 로 이 부분의 중량과 관성을 최소화할 수 있다. 따라서 이 기 구는 고속/고가속에 매우 적합한 구조라 할 수 있다.

ABB사의 FlexPicker(IRB360)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 화낙사 의 M-3iA/6A(6축, 반복 정밀도 ±0.1mm, 가반하중 6kg) 와 아뎁트사의 Quatrro(4축, 최대속도 : 10m/s, 최대 가속 력 : 15g) 등이 있다. Quattro는 다른 델타와 달리 4개의 다 리를 사용하고 가변 이동플랫폼을 이용하여 회전운동을 만든다는 점이 특이하다. 현재 대표적인 산업용 로봇회사들이 고속 델타형 병렬 로봇을 기존 SCARA 로봇을 대체할 상품 으로 출시하고 있다는 점은 주목할 만하다.

4. 기타 응용 분야

구동부의 오차가 누적되지 않는다는 장점을 이용하여 병 렬형 정밀 스테이지가 PI사에 의하여 개발되었다. 그림 14와 같이 전동방식의 Hexapod(위치 정밀도 submicron급)와 Flexible 조인트와 Piezo 구동기를 사용한 초정밀 스테이지 (위치 정밀도 sub nanometer급)등이 출시되고 있다.
그림 15와 같이 병렬로봇의 정밀도와 구조적 안정성을 이 용하여 고정밀도 위치제어가 필요한 뇌수술 및 허리 수술 보 조장치로 Hexapod와 같은 병렬로봇이 활용되고 있다. 병렬기구는 이동부의 중량이 매우 작고 힘반향력이 기존의 직렬형 햅틱보다 크므로 그림 16과 같이 델타구조를 이용 한 병렬형 햅틱장치가 상용화되었다.


5. 국내 병렬로봇 응용 분야

중점적으로 병렬형 공작기계를 개발하였고 상용화된 병 렬형 공작기계로는 그림 17과 같이 Eclipse와 Tricept가 있 다. 그 외 학계를 중심으로 병렬로봇과 햅틱장치 등이 개발 되고 있다.


결 론

병렬형 로봇은 1980년대 후반에 도입되어 2000년대 초반 까지 학계를 중심으로 연구됐다. 최근 이러한 연구 결과를 바탕으로 산업계에서 상용화 개발을 활발히 진행하고 있다 (대표적으로 Delta와 Tricept 병렬로봇).
병렬로봇은 기존 직렬로봇보다 작업영역과 유연성이 작다 는 것이 가장 큰 단점이다. 그러나 병렬로봇은 큰 작업영역 이 요구되지 않으면서 직렬로봇으로는 달성이 어려운 성능 (고속, 고정밀, 고강성, 고하중 등)이 요구되는 응용 분야에 적합할 것이다.
만약, 보다 큰 작업영역이 요구된다면, 예를 들어 자체 중 량이 작은 병렬로봇을 모듈 형태로 직선레일 위에 배치할 수 도 있을 것이다. 6개 다리로 구성된 6자유도 기구보다는, 예 를 들어 델타 로봇과 같이 3개의 다리로 구성된 3자유도 기 구는 다리에 의한 간섭이 적으므로 더 큰 작업영역을 확보할 수 있다. 더욱 큰 각도에 대한 유연성이 요구된다면, Tricept 와 같이 3자유도 병렬기구에 직렬 Wrist를 추가한 복합구조 기구를 사용할 수도 있다.
마지막으로 상용화 개발을 가속하기 위하여 상용 정밀부 품(Telescopic 방식의 선형 구동기, 유니버설 및 볼조인트 등) 및 다양한 구조의 병렬로봇에 대한 기구학과 동역학을 지원하는 제어기가 개발되어야 할 것이다.

참고 문헌

❶ Tsai, L. W., 1999, Robot Analysis: The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators, Wiley.
❷ Merlet , J. P., 2006, Parallel Robots, Springer.
❸ http://www-sop.inria.fr/members/Jean-Pierre.Merlet//Archi/archi_robot.html
❹ Kong, X., and Gosselin, C.M., 2007, Type Synthesis of Parallel Mechanisms, Springer.
❺ Gogu, G., 2009, Structural Synthesis of Parallel Robots, Springer.
❻ Merlet, J. P., and Gosseling, C., 2008, Handbook of Robotics:Ch. 12. Parallel Mechanisms and Robots, Springer.
❼ http://www.hephaist.co.jp/e/pro/ball.html
❽ www.pkmtricept.com
❾ www.parallemic.org