산업용 로봇의 다양한 유형과 각 로봇의 고유한 역량을 알아보세요. 로봇 팔, 이동 로봇, 항공 드론, 수중 로봇, 협동 로봇 등 각 로봇 유형의 용도와 적용 분야를 명확히 이해할 수 있습니다.
시장에는 너무나 다양한 로봇이 존재합니다. 어떤 유형을 선택해야 할까요? 많은 설계 및 엔지니어링 문제와 마찬가지로 "형태는 기능을 따릅니다." 즉, 필요한 로봇 유형은 수행할 기능에 따라 달라집니다. 로봇이 바닥이나 다른 표면에 고정되는 방식인가요, 아니면 이동성이 필요한가요? 시간당 몇 개를 처리해야 하나요? 로봇이 들어올려야 할 최대 무게는 얼마인가요? 고정식 로봇이라면 작업 범위(work envelope)의 크기는 얼마이며, 직사각형인가요 원형인가요? 이러한 질문에 답하면 선택지가 빠르게 좁혀져 목적에 가장 적합한 산업용 로봇 유형을 선택할 수 있습니다.
이 글에서는 다양한 로봇 유형과 각각의 강점 및 약점, 그리고 용도 결정 방법을 살펴봅니다.
시장에는 7가지 주요 유형의 고정식 로봇이 있습니다. 고정식이란 바닥, 천장, 또는 다른 표면에 볼트로 고정되어 이동하지 않는 로봇을 의미합니다. 일반적으로 고정식 로봇은 피킹 및 플레이싱, 분류, 조립, 용접, 마감 등의 작업을 위해 설계된 로봇 팔입니다.
여기서는 다양한 로봇 팔 유형과 그 특징, 용도를 살펴봅니다.
장점: 모든 로봇 팔 유형 중 가장 유연한 움직임. 상당한 힘을 발휘할 수 있어 무거운 물체도 들어 올림 가능.
단점: 안전 펜스가 필요할 수 있음. 다른 로봇 팔보다 느림. 다른 로봇 팔보다 비쌈. 더 정교한 제어 시스템 필요.
다른 로봇 팔 유형과 비교했을 때, 다관절 로봇 팔의 움직임이 인간의 팔과 가장 유사합니다. 일반적인 다관절 팔은 6개의 축(관절)을 가지며, 용도와 제조사에 따라 더 적거나 많을 수 있습니다. 관절이 많을수록 움직임이 더 부드럽고 덜 "기계적"이 됩니다. 이러한 움직임의 유연성은 자유도(Degrees of Freedom)로 설명됩니다.
흥미로운 사실: 인공 손 설계자들은 인간의 손이 27개의 자유도를 가진다고 봅니다. 인간 팔은 7개의 자유도를 가지며, 팔과 손을 합치면 총 34개의 자유도가 됩니다.
인간 팔과 손의 모든 미세한 움직임을 재현하려면 산업용 로봇으로는 너무 비싸고 복잡합니다. 일반적으로 산업용 로봇 팔에 6개의 자유도가 있으면 필요한 거의 모든 작업을 수행하기에 충분하다고 봅니다.
로봇이 피아노를 칠 수는 없지만, 그럴 필요도 없습니다!
용도에 따라 로봇 팔에는 그리퍼(gripper)라는 로봇의 '손'에 해당하는 장치가 장착될 수 있습니다. 보통 로봇 그리퍼는 인간의 손보다 훨씬 단순합니다. 단순한 흡착 컵이나 전자석일 수도 있고, 달걀이나 신선한 농산물 같은 섬세한 물체를 집기 위한 3지 소프트 그리퍼일 수도 있습니다. 그리퍼 유형은 매우 다양하며, 아직 모든 용도를 커버하는 단일 그리퍼는 없습니다.
또는 '엔드 이펙터(End of Arm Tooling, EoAT)'라고 불리는 툴이 장착될 수 있습니다. 드릴 비트나 기타 비트를 장착한 회전 툴로 디버링, 그라인딩, 밀링 작업을 수행하거나, 용접, 도장, 샌딩, 레이저 커팅 등 특수 용도의 EoAT도 다양하게 존재합니다.
다관절 로봇은 모든 관절이 회전할 수 있어(직선 운동만 하는 선형/이동 관절과 대조적) 매우 유연합니다.
다관절 로봇은 피킹 및 플레이싱, 아크 용접, 스팟 용접, 포장, 머신 텐딩, 자재 운반 등에 사용됩니다. 접근하기 어려운 곳에 아크(또는 유사한 패턴)를 생성할 수 있는 능력 덕분에 자동차 산업 및 이러한 능력이 필요한 기타 제조 분야에 적합합니다.
과거에는 1톤 이상의 물체를 들어 올릴 수 있는 대형 고출력 다관절 로봇에는 주변 환경을 인식하는 센서가 장착되지 않았습니다. 사람이 이런 로봇의 작업 범위 내에 들어가면 심각한 부상이나 사망 사고로 이어질 수 있었습니다.
따라서 이러한 로봇 팔은 별도의 공간에 격리되어야 했습니다. 로봇 작동을 완전히 이해한 자격을 갖춘 인원만 펜스나 벽으로 차단된 공간에 들어갈 수 있었습니다.
그러나 다관절 로봇 팔에 적절한 센서와 제어 소프트웨어가 장착되면 사람 주변에서도 안전하게 작동할 수 있습니다. 예를 들어 카메라를 이용한 컴퓨터 비전이나 라이다(LiDAR) 센서를 사용하면, 로봇이 이동 경로에 무언가가 있거나 사람/물체가 접근 중임을 감지하면 속도를 줄이거나 정지할 수 있습니다. 다른 센서는 충돌을 감지하여 팔이 무언가에 부딪히면 정지하거나 후진합니다. 일반적으로 사람과 함께 안전하게 작동하는 다관절 팔은 속도와 힘이 제한되도록 설계됩니다.
장점: 단순한 제어 시스템. 모델에 따라 매우 무거운 물체도 들어 올림 가능. 정확함. 3축 모두에서 강성 확보. 다관절 팔보다 저렴.
단점: 회전 운동 불가.
이 로봇들은 데카르트 좌표계(X, Y, Z)를 사용하여 3축(전후, 상하, 좌우)을 따라 직선 운동을 합니다. 세 관절 모두 이동 관절(translational joint)로, 관절 움직임이 직선으로만 제한됩니다. 그래서 '선형 로봇(linear robots)'이라고도 부릅니다.
직교 로봇은 피킹 및 플레이싱, 자재 운반, 포장 자동화, 저장 및 검색, 절단 및 드릴링 등 다양한 용도로 사용됩니다.
3차원 모두에서 강성을 가지므로 매우 정확하고 반복 정밀도가 높습니다. 다관절 로봇 팔보다 구조가 단순하고 제어 소프트웨어도 간단하며, 용도에 따라 더 저렴할 수 있습니다.
장점: 모델에 따라 매우 무거운 물체도 들어 올림 가능. 시설 전체 길이를 커버할 만큼 크게 제작 가능. 적절한 용도에서는 매우 비용 효율적.
단점: 회전 운동 불가.
직교/선형 로봇은 갠트리 로봇으로 구성할 수 있습니다. 갠트리 로봇은 오버헤드 트랙을 따라 이동합니다. 설계에 따라 매우 무거운 하중을 빠르고 정밀하게 운반할 수 있으며, 필요 시 시설 전체 바닥 면적을 커버할 만큼 크게 만들 수도 있습니다. 소형 갠트리 로봇은 높은 정밀도와 강성이 요구되는 피킹 및 플레이싱 등 작업에 유용합니다.
선형 로봇의 모션 제어 측면이 상대적으로 단순하기 때문에 다른 로봇 유형보다 비용이 낮은 경우가 많으며, 많은 자동화 작업에 매우 비용 효율적인 솔루션이 될 수 있습니다.
직교 로봇의 작업 범위는 직사각형입니다. 수직 운동이 더해지면 작업 범위는 박스 형태가 됩니다.
장점: 다양한 조립 용도에 탁월. 빠르고 정확. 조립 작업에 비용 효율적.
단점: 다관절 팔만큼 유연하지 않음. 직교 로봇만큼 정확하지 않음. 델타 로봇만큼 빠르지 않음.
SCARA 로봇(Selective Compliance Assembly Robot Arm)은 직교 로봇처럼 3개의 관절/축으로 움직입니다. 그러나 직교 로봇과 달리 SCARA 로봇의 두 관절은 회전 운동을 합니다. 따라서 직교 로봇보다 더 복잡한 움직임이 가능합니다. 일반적으로 직교 로봇보다 빠르고 움직임이 더 유연하지만, 정밀도는 낮습니다.
흥미로운 사실: SCARA 로봇의 보급은 소형 전자 산업에 혁명을 가져왔습니다. 작은 설치 면적, 단순성, 설계 특성 덕분에 이 분야에 독보적으로 적합하며 높은 비용 효율성을 입증했습니다.
이름에 '조립(Assembly)'이 들어간 것처럼 SCARA 로봇 팔은 조립 용도로 개발되었습니다. 1981년 일본 야마나시 대학의 마키노 히로시(Hiroshi Makino)가 개발했습니다. 이름의 '컴플라이언스(Compliance, 순응성)'는 일종의 '유연함(give)'을 의미합니다. SCARA 로봇을 수평면에서 밀면 약간 움직입니다. 완전히 강체가 아닙니다. 하지만 수직면에서는 꽤 강성이어서 밀어도 '유연함'이 없습니다. 따라서 '선택적(Selective)' 컴플라이언스를 가집니다. 수평면에서는 순응하고 수직면에서는 강성입니다.
선택적 순응성은 부품을 회로 기판에 삽입하는 등 조립 작업에 매우 유용합니다. 구멍에 부품을 끼워 넣을 때 중심을 찾기 위해 약간의 '순응성'(살짝 흔들거나 '유연함')이 필요합니다. 그런 다음 아래로 누르는 삽입 힘은 단단하고 강성 있어야 합니다.
SCARA 로봇은 직교 로봇보다 강성이 낮고, 직교 로봇이 꽤 무거운 물체를 들어 올릴 수 있는 것에 비해 들어 올릴 수 있는 무게가 제한적입니다. SCARA 로봇은 설치 면적이 작고 이동 거리가 비교적 짧은 용도에 주로 사용됩니다. 다관절 팔보다 자유도가 적지만, 높은 정밀도와 반복성을 가지며 다관절 팔보다 저렴합니다.
SCARA 로봇의 작업 범위는 원통형이며, 이 역시 용도 선정 시 고려 사항입니다. SCARA 로봇은 일반적으로 다관절 팔보다 빠르지만, 델타 로봇만큼 빠르지는 않습니다.
장점: 다관절 팔보다 단순한 제어 시스템. 긴 리치(reach) 확보 가능. 다양한 용접 용도에 매우 적합. 다관절 팔보다 빠를 수 있음.
단점: 다관절 로봇 팔만큼 유연하지 않음. 구형 기술. 비교적 큰 설치 면적이 필요할 수 있음. 델타 팔만큼 빠르지 않음.
극좌표 로봇(구면 로봇이라고도 함)은 두 개의 회전 관절과 하나의 선형 관절을 조합한 구조입니다. 이 설계로 구형 작업 공간이 생성됩니다.
흥미로운 사실: 최초의 산업용 로봇(1950년대 개발)인 '유니메이트(Unimate)'가 구면 로봇이었습니다.
극좌표 로봇은 사출 성형, 도장, 아크 용접, 스팟 용접에 사용될 수 있습니다. 적절한 크기의 선형 팔을 장착하면 긴 리치를 가질 수 있습니다.
극좌표 로봇은 구형 기술로, (역시 구형 작업 범위를 갖는) 다관절 로봇으로 대체될 수 있습니다. 다만 일부 용도에서는 극좌표 로봇이 여전히 대안보다 비용 효율적일 수 있습니다.
장점: 피킹 및 플레이싱 작업에서 가장 빠른 로봇 팔 설계. 경량. 정확함.
단점: 비교적 작고 가벼운 물체만 처리 가능. 수직면 작업에 부적합. 리치 제한적.
델타 로봇(병렬 로봇이라고도 함)은 평행사변형 형태의 세 로봇 팔로 구성됩니다. 보통 델타 로봇은 작업물 위에 위치하며 오버헤드 트레슬에 부착됩니다. 모든 모터가 베이스에 있으므로 로봇의 관절과 팔이 다른 로봇에 비해 매우 가볍습니다. 델타 로봇은 역돔 형태의 작업 범위를 가집니다.
흥미로운 사실: 델타 로봇은 초콜릿 제조사가 초콜릿 조각을 집어 상자에 담을 수 있도록 처음 설계되었습니다.
델타 로봇의 설계는 고속 정밀 작업을 가능하게 합니다. 델타 로봇은 주로 피킹 및 플레이싱 용도로 사용됩니다. 추가 용도로는 접착제 디스펜싱, 납땜, 조립 등이 있습니다. 델타 로봇은 무거운 페이로드를 감당할 수 없어 장착 가능한 EoAT 유형과 수행 가능한 작업이 제한됩니다.
델타 로봇의 하이브리드 설계에서는 팔 끝에 회전 관절을 추가하여 움직임의 유연성을 높이기도 합니다.
장점: 강성. 정확함. 원형 기하학이 필요한 용도에 최적.
단점: 구형 기술. 움직임 유연성 제한.
원통 좌표 로봇은 베이스에 최소 하나의 회전 관절과 두 개의 선형 관절을 가집니다. 이 설계로 원통형 작업 공간이 생성됩니다.
원통 좌표 로봇은 주로 좁은 작업 공간에서 사용되며, 원형 대칭이 필요한 물체(전선, 파이프 등)에 완벽하게 들어맞습니다. 연마, 조립, 스팟 용접 등에 활용됩니다.
장점: 사람과 함께 안전하게 작업 가능. 최신 인터페이스로 코드 작성 없이 로봇 팔에 동작을 '가르칠(teaching)' 수 있음.
단점: 항상 가장 빠른 로봇 팔은 아님. 힘과 속도에 제한.
협동 로봇(코봇)은 기존 산업용 로봇 애플리케이션에서 필요했던 펜스 등 안전 조치 없이도 인간과 안전한 작업 환경에서 상호작용할 수 있게 합니다. 다만 안전 조치로 인해 작업 속도가 감소합니다.
사람과 함께 안전하게 작동하는 것 외에도, 코봇을 더 '협동적으로' 만드는 특징은 운영자가 프로그래밍 코드를 작성하지 않고 로봇 팔에 수행할 동작을 가르칠 수 있다는 점입니다. 운영자가 로봇 팔을 잡고 로봇이 가야 할 경로대로 물리적으로 움직이면, 로봇 팔이 시연된 동작을 재현합니다.
일반적인 코봇은 매우 무거운 물체를 다루도록 설계되지 않는 경우가 많습니다. 이는 관리할 수 있는 제품 범위에 제약을 만듭니다.
협동 로봇은 머신 텐딩, 피킹 및 플레이싱, 조립, 아크 용접 등 다양한 용도가 있지만, 일반적으로 중장비 용도나 초고속 작업에는 적합하지 않습니다.
AMR(자율 이동 로봇)은 산업용 로봇 시장에서 급성장하는 분야입니다. 수행할 작업에 최적화된 다양한 형태와 크기로 제공됩니다.
카트나 바퀴 달린 차량 형태의 AMR은 주로 공장이나 창고 시설 내 물품 운송에 사용됩니다. 센서, 온보드 컴퓨팅 파워, 전기 모터를 장착하여 시설을 돌아다니며 내부 지도를 생성합니다. 이는 종종 사람이 AMR을 따라다니며 원격 조종으로 안내하는 방식으로 수행됩니다.
내부 지도가 생성되면 AMR은 이동해야 할 목적지를 지시받을 수 있습니다. AMR의 핵심 기능은 한 장소에서 다른 장소로 '자율적으로' 이동하며 경로상의 장애물을 회피한다는 점입니다. 사람, 지게차, 기타 물체가 길을 막으면 이를 피해 우회하거나 완전히 새로운 경로를 계획하여 목적지에 도달합니다.
AMR의 자율 능력은 컨베이어 시스템에 비해 매우 유연합니다.
휠 타입 카트 형태의 AMR은 개별적으로 물품을 운송하는 데 사용될 수 있으며, 스웜(swarm) 또는 로봇 플릿(fleet)의 일부로도 사용됩니다. 아마존(Amazon)은 AMR 플릿을 사용합니다. 아마존은 '상품-대-사람(goods-to-person)' 방식을 사용하는데, 각 로봇이 제품이 진열된 선반 전체를 들어 올려 주문 피킹 스테이션에 있는 사람에게 가져옵니다. 사람이 선반에서 제품을 꺼내 전자상거래 주문 처리를 위한 컨테이너에 담습니다.
최근 컴퓨터 비전, 인공지능, 그리퍼 기술의 발전으로 피킹 스테이션의 사람을 다관절 로봇 팔로 대체할 수 있게 되었습니다. 이 경우 휠 타입 카트 AMR이 상품을 로봇 팔로 가져와 로봇-간 협업이 이루어집니다.
AGV는 보통 바퀴 달린 차량 형태이며 AMR보다 오래된 기술입니다. 온보드 지능이 적어 AMR만큼 자율적이지 않습니다. AGV는 시설 지도를 생성하는 능력이 없습니다. 대신 바닥에 매설된 와이어, 특수 테이프, 기타 가이드 등 미리 정해진 경로에 의존합니다. AGV가 경로상 장애물을 만나면 정지하고 도움을 요청할 수만 있습니다.
그러나 AGV와 AMR의 경계는 점점 모호해지고 있습니다. AGV에도 더 많은 온보드 컴퓨팅 파워가 탑재되고 있으며, 일부는 경로상 장애물을 회피하는 능력을 갖추기도 했습니다.
로봇 팔을 휠 타입 카트 AMR 위에 장착할 수 있습니다. 이는 로봇의 유연성과 수행 가능한 작업의 다양성을 높입니다. 한 가지 용도는 전체 공작 기계 열을 텐딩하는 데 이런 로봇을 사용하는 것입니다. 로봇은 한 기계에서 완성품을 내리고 새로운 미가공 공작물을 넣은 뒤, 열을 따라 이동하며 일련의 기계에 대해 같은 작업을 반복합니다.
보스턴 다이내믹스(Boston Dynamics)의 춤추는 로봇 유튜브 영상을 수백만 명이 보았기 때문에, 이족 보행과 사족 보행 로봇을 본 사람이 많습니다. 다리 로봇의 산업적 용도 중 하나는 택배 배송입니다. 또 다른 용도는 수색 및 구조 작업입니다.
바퀴 대신 다리를 사용하면 특정 이점이 있습니다. 다리는 바퀴 달린 카트가 가기 어렵거나 불가능한 지형을 이동할 수 있게 합니다. 계단 오르기가 가능하고, 바퀴 달린 카트보다 차량 승하차가 쉽습니다.
구체 형태의 자율 이동 로봇이 상용화되어 있으며, 다른 폼팩터에 비해 특별한 장점이 있습니다. 구형 AMR의 시스템 구성품은 견고한 쉘 내부에 밀봉되어 있습니다. 이는 열악한 환경에서도 작동할 수 있게 합니다. 물에 떠서 이동할 수도 있습니다. 구형 AMR은 수륙양용으로 물 위와 육지 모두를 이동할 수 있습니다.
구형 AMR의 추진 시스템은 주로 무게중심 이동 기반입니다.
구형 AMR의 산업적 용도는 주로 감시와 원격 검사입니다. 카메라와 통신 장비를 장착하면 원격 운영자에게 영상을 전송할 수 있습니다. 유독 가스 등 위험한 환경에서는 구형 AMR이 이상적일 수 있습니다.
무인 항공기(UAV) 또는 드론이 다양한 산업 목적으로 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 한 가지 용도는 창고에서 드론을 이용해 재고를 파악하는 것입니다. 드론이 창고 통로를 비행하며 컴퓨터 비전을 사용해 선반 위 상자의 물품 수량을 셉니다.
설계에 따라 산업용 드론은 일종의 자율 이동 로봇(AMR)이 될 수 있습니다. 일부 모델은 장애물을 자동으로 감지하고 회피하며 목적지까지 자율적으로 항법할 수 있습니다. 일부 산업용 드론에는 '임무'를 부여할 수 있습니다. 예를 들어 노천 채굴 현장이나 인프라 프로젝트 위를 비행하는 임무입니다. 드론은 임무를 자율적으로 수행하며 프로젝트 영상을 촬영하거나 특정 측정을 수행해 기록합니다. 이런 드론은 건설 프로젝트 진행 상황을 모니터링하는 데 사용될 수 있습니다.
아마존 등 기업들은 이미 내구재와 식료품 배송에 드론을 제한적으로 활용하고 있습니다.
수중에서 사용하도록 설계된 로봇은 매우 다양합니다. 일부는 자율형(자율 수중 로봇, AUV)이고, 일부는 무선 또는 유선 테더로 원격 제어됩니다. 일부는 잠수함처럼 프로펠러를 추진 시스템으로 사용합니다. 반면 많은 로봇은 생물의 움직임을 모방하여 추진력을 얻습니다. 돌고래, 뱀, 물고기 등의 움직임을 모방합니다. 이런 식으로 자연을 모방하는 것을 '생체모방(biomimicry)'이라고 합니다.
수중 로봇은 해양 석유 플랫폼, 파이프라인 검사, 과학 연구에 사용됩니다. 기타 용도로는 교량 하부 검사, 수력 발전 댐 취수구 검사, 산호초 검사 등이 있습니다.
경찰은 수중 로봇을 이용해 호수나 강 바닥을 촬영하며 증거를 찾습니다. 군도 수중 로봇에 관심을 가지고 있습니다. 소나 시스템이 로봇 '돌고래'와 진짜 돌고래를 구별할 수 있을까요?
수중 로봇의 장점은 많습니다. 인간 다이버의 위험과 비용을 감수할 필요가 없습니다. 로봇은 사람보다 오래 잠수할 수 있습니다. 수중 로봇에 센서를 장착하면 거의 무한한 종류와 수의 특성을 측정하고 기록할 수 있습니다.
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산업용 로봇
로봇이 수행할 수 있는 작업 범위는 매년 급속히 확장되고 있습니다. 지난 몇십 년간 로봇은 인간에게 위험하고 지루하고 피로한 많은 공정에서 수작업자를 대체했습니다. 자동화는 제조사의 정밀도, 속도, 효율을 수작업 대비 향상시킵니다. 산업용 로봇 유형 반복적·위험한 작업(중량물 들어올리기, 화학물질 핸들링, 도장, 조립)에 이상적. 자동차·제조 산업에서 활용. 카르테시안/갠트리 로봇: 3조인트 암, 카르테시안 좌표계 일치, 픽앤플레이스, 실란트 도포, 머신 핸들링, 용접 원통형 로봇: 다이캐스팅, 조립 작업 구형 로봇: 용접 전문
제조사와 유통업체는 컨베이어 벨트 등장 전에는 인력에 크게 의존했습니다. 제품 수작업 처리는 작업자 안전과 제품 품질을 위험에 빠뜨렸습니다. 회전 풀리와 벨트의 간단한 시스템이 오늘날 모든 제품 중심 산업의 제품 처리를 효율화합니다. 컨베이어 벨트에 사용되는 기술은 과거의 단순한 벨트 시스템보다 훨씬 정교합니다. 기업들은 용례에 따라 현대적 벨트를 선택합니다. 예를 들어 직조 금속 벨트는 보석이나 섬세한 제품 처리에 적합하지 않습니다. 다양한 컨베이어 벨트 유형과 용도를 이해하는 제품 취급 기업이 자사 니즈에 가장 안전하고 효율적
