직교로봇의 특징과 응용

※ 자료 : 메카텍 이강운 대표 www.mechatech.co.kr

산업용 로봇 중에 가장 간단한 구조를 갖는 직교좌표로봇(이하 직교로봇)은 로봇의 구조적 동작특성이 직각좌표계(Cartesian Coordinate System)를 이루기 때문에 XY로봇 또는 Cartersian Coordinate 로봇이라고도 불린다.
직교로봇은 각 축들이 직선(Prismatic)운동만을 하기 때문에 로봇의 작업영역은 구성하는 자유도의 수에 따라 직선, 직사각형, 직육면체가 되는데 인간에게 가장 익숙한 좌표계가 바로 90°씩 분할된 직각좌표계이기 때문에 일반 로봇 이용자들이 쉽게 티칭하여 사용하고 있으며, 산업현장에서 널리 이용되고 있는 로봇 중에 하나이다.
본 내용을 통해 직교로봇에 대한 구조와 구성요소, 특징, 그리고 그 종류 등을 살펴보고, 직교로봇의 활용 예 및 선정방법을 알아보기로 하겠다. <편집자 주>

1. 직교로봇의 구성 및 특징

직교로봇은 <그림 1>에서 보는 바와 같이 크게 로봇 몸체부분과 로봇 제어기 부분으로 구성되어 있다.
제어기에는 티칭펜던트(Teaching Pendant)를 달아 로봇을 티칭하여 사용할 수 있고, 로봇의 몸체와 제어기는 로봇에 전원을 공급하는 Power Cable과 Servo Motor의 Encoder 및 센서들과 통신을 주고받을 수 있는 Signal Cable로 연결되어 있다.
로봇의 몸체는 가볍지만 상대적으로 강성이 큰 알루미늄 소재가 주를 이루고 있으며, 제어기는 로봇의 컨트롤을 담당하고 있고, 티칭펜던트를 사용하여 교시점의 입력 및 수정, 삭제, 그리고 프로그래밍을 할 수 있다.
직교로봇은 직선운동을 하는 직선축(Prismatic Joint)으로만 구성되어 있는 로봇이다. <그림 2>에서 보는바와 같이 X, Y, Z의 3축으로 구성될 때에는 <그림 3>과 같은 직육면체의 3차원 동작범위(Workspace)를 가지는 3축(또는 3자유도) 로봇이 된다.
직선운동만 필요한 경우에는 X, Y, Z축 중에 하나만으로 구성되는 1축(또는 1자유도) 직교로봇이 되고, 또 2차원 직사각형의 동작범위가 필요한 경우에는 X, Y, Z축 중에서 두 축을 조합하여 구성되는 2축(또는 2자유도) 직교로봇이 된다.
이러한 로봇의 베이스로부터 가장 멀리 있는 축의 직선 운동부에 툴(Tool)이나 핸드(Hand)를 붙여 사용하기도 하지만 작업대상물(Workpiece)의 방향을 바꾸는 것이 필요한 경우에는 마지막의 직선운동부에 회전축(θ)을 붙여 4축으로 만든 것도 있다.
하지만 여기서의 회전축은 오리엔테이팅(Orientating)부(部)에 해당하고 포지셔닝(Positioning)부(部)는 여전히 직선축으로만 구성되는 것이다. 즉, 직교로봇이라 함은 그 로봇의 포지셔닝부를 기준으로 하는 것이다.
직교로봇은 1축(단축) 로봇의 조합에 따라 여러 형태의 로봇을 만들 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이 자유도의 증가는 이 1축 로봇의 단순한 기구적인 연결로 이루어진다. 따라서 이 단축로봇을 가지고 직교로봇의 구성요소를 설명한다.
직교로봇에서는 모든 기구적 부품들이 장착되는 알루미늄 압출소재의 베이스 프레임(Base Frame)과 그 내부의 공간에 회전동력을 발생시키는 액추에이터(즉, Servo Motor), 그리고 회전동력을 직선운동으로 변환하여 주는 볼 스크루(Ball Screw)가 핵심구성품이다.
로봇의 작동원리를 살펴보면, 우선 모터가 회전을 할 경우 모터 축과 볼 스크루 사이에 있는 커플링(Coupling)을 통하여 볼 스크루에 회전운동이 전달되고, 볼 스크루의 회전운동은 LM 가이드(LM Guide)와 함께 볼 스크루 너트에 고정된 Slider로 직선운동을 만든다. 로봇의 사용자들은 이 Slider의 취부면에 핸드(Hand) 또는 툴(Tool) 등의 엔드이펙터(End-Effector)를 달아 사용하게 된다. Support(1)과 Support(2)는 볼 스크루의 양단을 고정하여 볼 스크루의 원활한 움직임을 가능케 하며 Support(3)은 모터를 베이스 프레임에 고정하는 일종의 브라켓(Bracket) 역할을 하고 있다.
센서들은 로봇의 원점복귀나 하드웨어적 제한(Limit)을 위해 사용된다. 먼저 그림의 가운데에 위치한 센서는 단축로봇의 원점을 잡기위한 것으로 로봇이 제어기의 서보 온(Servo On)이후 원점복귀(Zero Return)를 명령하면 이 센서를 기준으로 Slider가 이동하여 항상 같은 위치에서 정지한다.
절대치 인코더(Absolute Encoder)를 채용하는 모터의 경우 이 원점복귀센서를 사용하지 않아도 되지만 보다 안전하게 로봇의 레디(Ready)위치를 잡기 위해 사용하기도 한다.
그리고 양쪽의 바깥쪽에 위치한 센서는 로봇의 최대 동작범위를 제한하는 리밋(Limit)센서에 해당한다. 일반적으로 이 최대 동작범위보다 안쪽에 소프트웨어적으로 리밋을 설정해 놓기 때문에 이상상태가 아니면 이 센서를 사용하지 않는다. 그리고 센서의 바로 바깥쪽에 스토퍼(Stopper)가 설치되어 이 센서를 통과해도 더 이상 기구적으로 움직일 수 없도록 되어 있다. 이렇듯이 로봇의 이상 동작에 대비한 이중 또는 삼중의 안전장치가 붙어 있다. 점점 제어기의 신뢰성이 향상됨에 따라 이 리밋센서를 사용하지 않는 로봇도 많이 등장하고 있는 것이 현재의 모습이다. 이상에서 간단히 언급한 단축로봇의 구성품들에 대해 <표 1>에 요약하였다. 
단축로봇으로 X, Y, Z로봇을 구성하는 경우 외에 맨 마지막 축에 회전축이 추가될 경우에는 단축의 Z축과 하나의 회전축(θ)을 단순 연결시켜도 되지만 많은 경우 Z축과 회전축을 함께 설계하여 공간과 가격을 줄인다.
<그림 4(A)>에서는 모터, 볼 스크루(Ball Screw) 그리고 볼 스플라인(Ball Spline) 등으로 구성되어 있는 Z/θ축을 보여준다. 볼 스크루를 회전시키면 볼 스플라인이 Z축 방향으로 직선운동을 하게 되며, 볼 스플라인의 풀리를 회전시키면 θ축이 회전운동을 하게 된다.
최근에는 <그림 4(B)>에서 보는 바와 같이 볼 스크루와 볼 스플라인을 일체형으로 만든 형태의 Ball Screw Ass`y를 채용한 로봇도 많이 사용되고 있다. 이 경우 Ball Screw Ass`y가 회전과 직선운동을 동시에 하므로 θ축이 회전을 할 경우 Ball Screw가 Z축 방향으로 운동하므로 3축의 Pulley를 회전시켜 Z축으로 움직인 만큼 제어기상에서 보상을 해주어야 하는 단점이 있기도 하다. 하지만 구조가 간단해지고 사용 부품수가 줄어들기 때문에 점점 증가하고 있는 추세이다.
이상에서 전술한 단축을 X축과 Y축으로 사용하고 3, 4축(Z, θ축)을 추가한 후 각 축을 동력 케이블과 신호 케이블을 통해 제어기에 연결하면 <그림 5>와 같은 4축의 직교로봇이 만들어 지게 된다.
여기서 직교로봇의 특징을 간단히 살펴본다.
먼저 직교로봇의 장점은 직선운동을 기본으로 하기 때문에 각 운동방향으로 운동이 기구학적으로나 동력학적으로 모두 완전히 독립되어 있다는 것이다. 따라서 작업영역 모든 위치에서 기구학과 동역학이 변하지 않기 때문에 균일한 제어특성을 가지고 있어 제어가 간단하다.
3축 로봇의 경우 기구적으로 3개의 단축이 연결된 것처럼 제어기도 3개의 단축제어기를 사용한 것과 같다고 볼 수 있다.
그래서 동작범위에의 운동특성이 균일하게 나타난다. 예로 위치에 따른 반복정도의 변화가 거의 무시할 만한 수준이다. 인간이 가장 익숙한 좌표계가 직교좌표계이기 때문에 로봇을 티칭할 때에도 또 응용시스템을 설계할 때에도 가장 쉽게 적용할 수 있다.
또 서로 기구적으로 독립적인 운동을 하기 때문에 한 축씩 모듈(Module)형으로 설계되는 것이 용이하여 일반적으로 각 메이커(Maker)에서는 다양한 가반하중(Payload)과 주행거리(Stroke)를 갖는 1축(단축)의 로봇을 생산하여 놓고 있다가 로봇의 사용자들의 요구에 맞도록 1축(단축)의 로봇들을 조립하여 제공하고 있다.
그러나 로봇 몸체가 차지하는 공간이 작업영역에 비해서 관절형의 조인트를 갖는 다른 종류의 로봇들보다 상대적으로 크다는 단점을 갖고 있기도 하다.

2. 직교로봇의 종류

직교로봇은 전술한 바와 같이 1축(단축)의 Module별로 생산되어 필요한 형태로의 로봇으로 조립이 될 수 있어서 여러 가지 형태의 조합형을 만들어 낼 수 있으나, 크게 분류를 한다면 1축(단축) 직교로봇과 2축 이상의 다축 직교로봇으로 분류할 수 있다.
또한 이러한 직교로봇들은 일반환경에서 사용되는 직교로봇과 반도체, LCD 등의 제조공정등과 같은 클린룸 환경에서 사용되는 클린룸 직교로봇으로 구분할 수도 있다.

가. 1축(단축) 직교로봇

단축로봇의 종류는 동력전달 기구에 따라 다양하지만 현재 가장 많이 사용되고 있는 것은 볼 스크루와 랙 앤드 피니언(Rack and Pinion)이다.
볼 스크루를 사용할 때에 베이스 프레임의 전체 길이 중에 모터와 커플링을 합한 길이가 동작범위에 전혀 기여를 하지 못하는 단점을 보완하여 보다 콤팩트한 사이즈의 단축로봇으로 만들어 진 것들이 있는데 두 가지의 예가 <그림 6>의 (A)와 (B)에 있다.
첫 번째(A)는 모터가 몸체바깥에서 운동방향과 평행하게 설치되어 타이밍 벨트와 풀리에 의해 동력이 전달되고 두 번째(B)는 중공모터에 볼 스크루를 직접 연결한 것이다.
볼 스크루의 경우보다 랙 앤드 피니언을 이용한 경우(<그림 6(C)>에는 모토가 피니언부에 붙어서 피니언을 돌려 랙을 따라 이동하는 데 볼 스크루에 비해 작업범위(Stroke)가 크거나(2m 이상)와 하중이 크고 속도는 느려도 되는 경우에 주로 사용된다.

나. 다축 직교로봇

다축 직교로봇은 1축(단축)의 직교로봇을 기본 모듈로 하여 조합하기에 따라 여러 가지 Configuration을 만들어 낼 수 있다. 아래축의 Slider에 위의 축을 연결하기도 하며 또 위의 축의 Slider를 아래축의 Slider에 직접 연결한 경우도 있다.
<그림 7>에서 K와 L의 차이는 위의 축에서 모터가 1축을 기준으로 어디에 있는가 하는 차이가 있다. 같은 2축 로봇이라도 이렇게 다양한 형태의 조합이 가능한데 주어진 작업에 가장 적합한 것을 선택하는 것이 중요하다.

다. 기타 특수 직교로봇들

로봇으로부터 먼지나 분진이 발생하지 않아야 하는 반도체, LCD 공정 그리고 HDD 조립라인등과 같은 클린룸(Clean Room)환경에서 사용되는 직교로봇을 클린룸 로봇(Clean Room Robot)이라고 부른다.
이러한 종류의 특수로봇은 일반 환경에서 사용되는 직교로봇과는 다른 설계방법이 요구된다. 로봇의 동작원리는 동일하지만 로봇의 구조면이나 재질의 선정방법 등에 있어서 일반 직교로봇과 차이가 있다.
클린 직교로봇은 클린환경에 맞는 부품과 재질을 선정하여 분진(Particle)의 발생을 억제해야 하며 아울러 불가피한 부분을 제외하고는 발생한 분진이 로봇몸체 외부로 빠져나가지 않도록 밀폐(Sealing)방법을 이용하여 처리 하여야 한다.
직교로봇은 직선운동부위가 많기 때문에 구조적으로 SCARA 등 회전운동을 많이 하는 다른 타입의 로봇에 비해 상대적으로 밀폐하기가 어려운 편이다.
이외에 직교로봇범주에 속하는 로봇으로는 간단한 형태인 공압을 이용한 픽 앤 플레이스(Pick and Place)로봇과 직교로봇을 수십 미터의 넓은 작업 영역을 커버하고 또 공간의 효율적인 이용을 위해 작업영역의 위에서 직선운동을 하도록 만든 갠트리(Gantry)로봇 등이 있다.

3. 직교로봇의 사용예
4축(X, Y, Z, θ)으로 구성되는 직교로봇은 3자유도(X, Y, θ)를 갖는 평면 테이블 위의 물체를 집어 올려서 목표지점으로 이동하여 다시 내려서 놓는(즉, Z축 운동이 추가로 필요한) 작업에 많이 사용되는데 전자부품 조립과 같은 테이블 탑 오퍼레이션(Table-top Operation)에 주로 활용된다.
그 사용의 편리성 때문에 간단한 아크 용접이나 절단작업등에도 사용은 되지만 그리 많지 않은 실정이다. 하지만 전술한 바와 같이 로봇 몸체가 차지하는 공간이 작업영역에 비해서 크다는 단점을 갖고 있어서 큰 작업영역이 요구되는 작업에서는 갠트리 타입의 로봇이 사용되고 직교로봇은 비교적 소형의 형태로 사용되고 있다.
직교로봇은 반송, Auto-Loader, 검사, 부품정렬, 조립,Bonding(Dispensing), 조각 등에 많이 사용되고 있으나 이 글에서는 조립에 사용되는 직교로봇에 대하여 구체적인 활용사례를 설명하기로 하겠다.
<그림 9>는 PCB(Printed Circuit Board)의 이형부품삽입을 위한 이형삽입기에 적용된 4축의 직교로봇과 부품 리드(Lead)의 컷 앤드 클리치(Cut & Clinch)역할을 담당하고 있는 2축의 직교로봇을 보여주고 있다.
그림의 우측 상단에 위치한 스틱 피더(Stick Feeder)에서 공급되는 각기 다른 여러개(여기서는 4개)의 부품이 Jig에 정렬되면 위에 있는 4축 직교로봇이 4헤드를 가진 핸드를 이용하여 4개의 부품을 잡아 컨베이어(Conveyor)상에 놓여진 인쇄회로기판(PCB)의 정해진 위치에 부품을 삽입한다.
이때 인쇄회로기판의 밑면에 놓여진 2축의 직교로봇은 삽입된 부품의 리드를 잘라내여 납땜이 용이한 리드의 모양으로 클린치(Clinch)를 하게 된다. 모든 부품을 삽입한 PCB는 다시 컨베이어를 따라 다음 공정으로 이송되며, 다음에 대기하고 있던 PCB가 다가와 자리를 잡는다.
이러한 일련의 공정을 계속 반복하는 기계장치를 이형삽입기라고 하며 정형의 부품삽입을 위한 SMD(Surface Mounting Device)와 인 라인(In-line)으로 연결되어 사용하기도 한다.

4. 직교로봇의 선정시 고려사항

직교로봇은 전술한 바와 같이 단축의 모듈로 조합하여 여러 형태의 구성이 가능하기 때문에 로봇의 사용자는 주어진 작업의 특성, 환경 등에 따라 로봇의 사양(Specifications)들을 명확히 할 필요가 있다. 여기서는 직교로봇을 기준으로 로봇의 사양에 대해서 로봇의 사용자 입장에서 주의 깊게 고려해야할 요소들이 어떤 것들이 있는지 살펴보기로 한다.
우선 가장 먼저 결정해야 할 사항은 ‘직교로봇을 어디에 사용할 것인가’하는 로봇의 용도이다. 그 다음 로봇의 제어축수, 가반중량 및 작업영역 등 로봇의 기능, 성능들에 대한 사항을 결정하여야 한다. <표 2, 3, 4>는 로봇의 사용자 입장에서 직교로봇을 선정하는데 있어 로봇선정 절차들과 고려해야할 사항들을 보여주고 있다.
마지막으로 결정하여야 하는 사항은 로봇의 주변장치와 제어기, 그리고 장치들과의 인터페이스(Interface)에 관련된 항목들이다. 일반적으로 로봇을 단독으로 사용하지 않고 여러 주변장치(핸드, 피더, 컨베이어, 포지셔너 등)와 전/후공정의 다른 시스템들과 연계하여 사용하는 경우가 많기 때문에 주변장치들과의 하드웨어적, 소프트웨어적인 인터페이스방법들을 세심하게 고려하여야 한다.

5. 결론

지금까지 직교로봇의 구성, 특성, 종류, 활용 예 그리고 선정시 고려사항에 대하여 살펴 보았다.
직교로봇은 그 구조의 간단함 때문에 고객의 요구에 쉽게 대응이 가능하다는 장점을 가지고 있어서 보다 다양한 작업으로 광범위하게 확산되어 사용되고 있다. 즉, 산업용 로봇에 있어서 그 중요성이 점차 커지고 있는 로봇이라고 할 수 있다.
다음호에는 이러한 직교로봇에 대한 선정시 고려사항들과 제어기와의 인터페이스 방법 등에 대하여 보다 자세히 살펴보기로 한다.