마이크로 자동화 6축 로봇 공간 요구사항 최적화 가이드

Mecademic Meca500 같은 마이크로 자동화 6축 로봇 팔 사용 예정이라면, 로봇 툴(엔드 이펙터)을 다양한 위치에 위치시키고 방향 지정하는 데 관심 있을 겁니다. 따라서 특정 엔드 이펙터를 특정 6축 로봇 팔에 장착해 도달 가능한 위치 집합을 알고 싶을 겁니다. 아마 로봇의 "작업 영역," "작업 볼륨," "작업 엔벨로프," 또는 "작업 범위" 보여주는 다이어그램 찾을 겁니다. 불행히도 여기 표시된 것처럼 지나치게 단순화된 다이어그램이나, 소위 로봇의 리치(reach)만 제시받기 쉽습니다.
로봇공학에서 찾는 것의 정확한 용어는 작업 공간(workspace)입니다. 리치는 로봇 손목 중심(로봇 마지막 3개 관절 축 교점)과 1번 관절 축 사이 최대 거리에 불과합니다. 위 그림 회색 영역은 1번 관절 주어진 회전에 대해 손목 중심 도달 가능 영역. 이 영역이나 이 영역을 1번 관절 축 중심으로 회전시켜 쓸어낸 부피조차 로봇 작업 공간이 아닙니다. 특정 엔드 이펙터 툴팁으로 이 부피 내 위치 도달 보장 전혀 없으며, 어떤 방향이든 도달 보장도 없음. 사실 상대적으로 긴 엔드 이펙터 장착하면 이 부피 어떤 위치도 툴팁으로 도달 못 할 수 있습니다.
마이크로 자동화 6축 로봇 작업 공간은 해당 로봇에 장착된 특정 엔드 이펙터가 달성 가능한 모든 포즈(위치와 방향) 집합. 따라서 (1) 어떤 엔드 이펙터 쓸지 지정 안 하면 특정 6축 로봇 팔 작업 공간 아무도 말해줄 수 없고, (2) 그 작업 공간은 일반적으로 그래픽 표현 불가능한 6차원 엔티티.

물론 로봇공학엔 그래픽 표현 관련 몇 예외 있습니다. 아래 표시된 6축 카르테시안 로봇 작업 공간은 툴팁이 3개 회전 관절 축 교점과 일치하는 한 특정 툴팁 선택에 한해 쉽게 기술 가능. 실제로 이 마이크로 자동화 6축 로봇은 툴팁을 노란 직육면체 내부 어디든 절대적 어떤 툴 방향으로든 위치시킬 수 있습니다.

안타깝게도 대다수 6축 산업용 로봇은 여러 실용적 이유로 카르테시안이 아닙니다. 예: 위 카르테시안 로봇은 위치 결정 측면에서 작업 공간 매우 작음. 전형적 6축 로봇 팔은 흔히 수직 관절 로봇(vertically articulated robot)이라 기묘하게 불리는데, 7개 링크(바디)가 6개 작동 회전 관절로 직렬 연결. 첫 번째 바디가 로봇 베이스, 마지막이 로봇 플랜지(기계적 인터페이스라고도 함). 또한 1번 관절 축 수직, 2·3번 축 수평, 4번 축 3번 축에 수직, 마지막 3개 관절 축 보통 한 점에서 교차.
산업용 로봇 팔은 보통 툴링 없이 판매되지만, 엔드 이펙터(그리퍼, 터치 프로브 등) 결국 로봇 플랜지에 부착. 사용자는 이 엔드 이펙터에 고정된 툴 기준 좌표계 연관시켜야 함. 이 툴 기준 좌표계는 플랜지 기준 좌표계 기준으로 정의. 툴 기준 좌표계 원점은 TCP(툴 센터 포인트)라 불림. 결국 로봇 베이스 기준 좌표계 기준 로봇이 특정 툴 기준 좌표계 가져갈 수 있는 포즈 집합에 관심 있어야 함. 따라서 로봇 작업 공간은 로봇 툴 기준 좌표계 달성 가능한 포즈 집합.
Meca500 같은 전형적 마이크로 자동화 6축 로봇 팔에서, 어떤 엔드 이펙터든 각 실행 가능한 TCP 위치마다 기계적 간섭, 관절 한계, 링크 길이 제한으로 달성 가능한 툴 방향 범위 완전히 다름. 전형적 6축 로봇 팔 위치 결정과 방향 지정 능력 간 높은 결합 위에, 소위 특이점(singularities) 존재. 특이점에서 로봇 특정 방향으로 이동 못 함. 수학적 문제 아닌 물리적 차단, 절대 모든 마이크로 자동화 6축 로봇 팔(위 카르테시안 포함)에 특이점 존재. 예: Meca500 모든 관절 0도일 때(아래 왼쪽 그림), 로봇 엔드 이펙터가 베이스 y-축(초록) 평행 선 따라 이동 못 함. 이 선 따라 이동하려면 4·6번 관절이 반대 방향으로 ±90° 먼저 회전해야 함.

특이점은 로봇공학에서 매우 중요한 현상(혹은 골칫거리)으로 별도 튜토리얼 다룸. 여기선 로봇 툴 기준 좌표계가 로봇 작업 공간 내 경로라도 특이점 때문에 연속적 추적 못 할 수 있음(TCP 운동 일시정지 없이) 정도만 언급.
따라서 로봇 특이점이 로봇 작업 공간 사용 가능 부분 더 제한. 사실 전형적 마이크로 자동화 6축 로봇 팔 작업 공간은 여러 특이점 없는 작업 공간 부분집합 조합으로, 특이점들로 분리됨. 로봇은 조인트 모드서 전체 작업 공간 어디든 이동 가능하지만, 카르테시안 모드(TCP가 특정 경로 연속 추적)선 특이점 없는 작업 공간 부분집합 하나에서만 가능.

각 특이점 없는 작업 공간 부분집합은 특정 로봇 구성에 대응. 이 주제는 곧 나올 로봇 특이점 튜토리얼에서 다룸. 지금은 주어진 포즈가 현재 로봇 구성서 접근 불가해 보여도 다른 구성선 접근 가능할 수 있음. 예: 아래 그림 툴 기준 좌표계 포즈는 8개 로봇 구성 중 하나서만 달성 가능. 그런데 흔한 실수가 전체 작업 공간(8개 구성 모드 모두 작업) 대신 특이점 없는 작업 공간 부분집합 하나만 고려(하나 구성 모드만 작업). x, y, z 좌표와 오일러 각으로 포즈 지정 후 MovePose 명령 쓰면 로봇이 자동 최적 구성 찾음. 불행히도 사용자들 보통 조깅으로 로봇 위치 가르침, 포즈 지정 안 함.

종종 사용자가 이미 주어진 애플리케이션용 달성해야 할 엔드 이펙터 포즈 집합 보유. 예: 공작물 컨베이어서 가져와 카메라 앞 다양한 방향으로 제시 후 다른 컨베이어에 적재. 카메라 최적 배치, 그리퍼 최적 설치, 핑거 최적 설계 찾는 건 비단 trivial하지 않음. 불행히도 현재 자동 최적 셀 설계 찾는 상용 프로시저 없음 – 시행착오뿐.
다행히 실제 세팅 필요 없이 RoboDK 같은 시뮬레이션 소프트웨어 활용 가능. 그래도 로봇공학 기술 필요, 아니면 시행착오에 많은 노력 들일 수 있음. 따라서 아래 Meca500 예시로 들지만 전형적 마이크로 자동화 6축 로봇 팔 모두 적용되는 로봇 작업 공간 최대한 활용 위한 10가지 가이드라인 제시.
가이드라인 1: TCP를 로봇 플랜지에 최대한 가깝게 배치
검사 애플리케이션에서 카메라 앞 파트 넓은 방향 범위로 제시 흔함. 이런 애플리케이션 첫 번째 경험칙: 툴 기준 좌표계 플랜지 기준 좌표계에 최대한 가깝게 배치. 즉, 검사할 파트 그리핑을 로봇 플랜지에 최대한 가깝게 할 그리핑 시스템 설계.
우리 옵션 전기 그리퍼에 어댑터 플레이트 제공해 위처럼 그리퍼 부착 가능. 하지만 일부 애플리케이션엔 핑거와 6번 관절 축이 한 평면이거나 6번 관절 축 방향 따라 그리퍼 부착하도록 자체 어댑터 플레이트 설계 더 나을 수 있음. 다른 대안은 L자형 핑거 사용.
가이드라인 2: 경로 추적 필요 없으면 카르테시안 모드 이동 안 함
검사에서 파트 여러 방향으로 회전 필요 흔함. MoveLinRelTRF 명령 쓰거나 카르테시안 모드 조깅이 훨씬 쉬움. 하지만 회전 경로 상 특이점 있으면 둘 다 실패. 아래 그림 예시에서 6번 관절 축(초록) 기준 90° 회전 못 함, 특이점(4·6번 관절 축 정렬) 때문.
따라서 오일러 각 사용법 익혀 MovePose 명령 써야. 대안으로 RoboDK 사용. 시뮬레이터라 카르테시안 조깅 모드서 특이점 통과 가능. 특이점 상관없이 TCP 특정 경로 추적 원치 않으면 항상 MovePose나 MoveJoints 명령 사용. 이 명령들이 일반적으로 가장 빠른 사이클 타임 유도.

가이드라인 3: 케이블링이 6번 관절 너무 제약하면 1, 4, 6번 관절 축 정렬
6번 관절 기계적으론 무제한이나, 케이블 달린 엔드 이펙터(우리 그리퍼 등) 쓰면 6번 관절 범위 약 ±180° 이하로 제한. 더 범위 필요하면 4·6번 관절 축 정렬, 심지어 1, 4, 6번 축 정렬. 물론 그런 구성 특이점이므로 일치 축 회전 위해 MoveJoints 명령 필요.
가이드라인 4: 케이블 달린 엔드 이펙터 쓰면 6번 관절 0도에 최대한 가깝게 유지
가능하면 원하는 포즈에서 6번 관절 0도에 최대한 가깝게 유지. 예: 6번 관절 170°에서 공작물 잡고 MovePose 실행하면 6번 관절 꽤 많이 회전할 것. 새 원하는 포즈서 6번 관절 190° 될 수 있으면 로봇이 자동 마지막 관절 340° 음方向 회전(양方向 20° 대신).
가이드라인 5: 넓은 방향 범위 필요하면 TCP를 1번 관절 축 위에 위치
넓은 방향 범위 커버 필요하면 TCP를 1번 관절 축 위에 위치시켜야. 그런 구성으로 1번 관절 축 기준 ±175°, 6번 관절 축 기준 ±180° 회전 가능. 로봇 손목 중심이 1번 관절서 멀수록 로봇 방향 지정 능력 감소.

가이드라인 6: 모든 로봇 구성 시험
로봇이 달성해야 할 엔드 이펙터 포즈 중 하나 이상에서 특이점 너무 가까울 수 있음. 검사 애플리케이션선 문제 안 될 수 있지만, 픽/플레이스 필요하면 최종 포즈 선형 모드로 도착·출발 필요. 그런 경우 모든 가능한 로봇 구성 테스트해 특이점에서 가장 먼 것 선택. 예: 아래 그림 왼쪽 구성 특이점 너무 가까움(4·6번 축 거의 정렬), 오른쪽 구성 충분히 멀음.

가이드라인 7: 달성 가능성만 보지 말 것
이미 언급했듯 마이크로 자동화 6축 로봇 팔 작업 공간은 특이점들로 분리된 여러 작업 공간 부분집합 조합. 그 위, 모든 달성 가능 포즈가 동등하게 "좋은" 건 아님. 6축 로봇 팔 작업 공간은 속도, 정밀도 같은 성능 기준 측면에서 고도로 이질적. 이미 카르테시안 모드 이동 시 특이점에서 최대한 멀어야 함 언급. 추가로 로봇 팔 더 뻗을수록 정밀도 낮아짐(더 유연해짐), 툴팁 진동 억제 시간 더 걸림.
가이드라인 8: 6자유도 필요 없으면 로봇 중복도 활용
많은 경우 5자유도만 필요. 예: 엔드 이펙터가 글루 디스펜서나 스핀들이면 바늘이나 축 기준 방향 지정 안 중요할 수 있음. 추가로 축대칭 센서(카메라)로 공작물 검사 시 많은 경우 센서 축 기준 어떤 회전으로든 제시 가능. 이런 경우 6번 관절 축을 툴이나 센서 대칭 축과 정렬하지 말고 달성해야 할 각 포즈에 대해 무한히 많은 로봇 위치 중 최선 선택. 최선 = 특이점에서 멀고, 앞뒤 달성 포즈와 가장 가까움.
가이드라인 9: 절대 필요 아니면 로봇 수직 장착 고수
대부분 산업용 로봇처럼 Meca500도 어떤 방향(거꾸로, 벽면 등)으로 부착 가능. 비수직 부착 유일한 문제는 매우 견고한 고정구 필요, 셀 더 번거롭고 비싸짐. 따라서 수직 고정 시도 후 비수직 부착 고려.
가이드라인 10: 일곱 번 재고 한 번 자르기
영어 속담 "두 번 재고 한 번 자르라"지만 로봇 셀 설계엔 러시아 버전 "일곱 번 재고 한 번 자르라" 적용. 셀 상대적 복잡하거나 로봇 작업 공간 제약돼 보이면 로봇 시뮬레이션 패키지 써서 만족스러운 솔루션 찾을 때까지 많은 설계 반복. 하지만 시뮬레이션 전적으로 의존하지 말 것. RoboDK 같은 범용 시뮬레이션 패키지 로봇 정확한 행동 시뮬레이트 안 함. 예: 특이점 때문에 RoboDK에선 가능해도 실제 로봇선 불가능한 특정 선형 운동 있을 수 있음. 따라서 실제 로봇서도 프로그램 시험 필수.
결론적으로 애플리케이션이 몇 가지 반복 운동만 아니면 로봇 작업 공간 완전히 이해하고 로봇 셀 설계에 상당한 시간 투자해야. 로봇 셀 설계는 모든 로봇 움직임 수행 가능하게 하는 것뿐 아니라 사이클 타임과 다른 성능 기준(정밀도, 에너지 소비) 최적화도 포함.