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    (연구자 인터뷰)

    연구자 인터뷰는 기계.건설공학 분야의 종사자의 추천 및 자체 선정을 통해 선발된 우수 연구진을
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    • 김한성교수
      직선축을 가진 보급형 고속 병렬로봇 시스템
      김한성교수(경남대학교 기계공학부)
      이메일:hkim at kyungnam.ac.kr
      장소:서면 인터뷰
      2314 5 0


    안녕하세요. 메트릭 회원 여러분!
    병렬 로봇은 1개의 직렬체인(다리)으로 구성되는 직렬로봇과 달리 이동플랫폼(End-Effector)이 적어도 2개 이상의 다리에 의하여 지지되는 구조를 가진 로봇입니다.

    오늘 인터뷰에서 만나 보실 김한성 교수(경남대학교 기계공학부)는 병렬로봇의 End-Effector(3축 Wrist/다기능 그리퍼) 메커니즘 설계 보완 및 모듈 성능 평가를 하고 계시는 분이십니다. 작업영역이 확대된 병렬로봇의 진동 감쇠를 위한 전용 프레임 제작, 모션 제어기 개발, 기구부의 강성 해석 및 오차 해석에 대해 중점적으로 이야기해보도록 하겠습니다.


    1. 지금 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

    경남대학교 기계공학부내 로봇 및 메커니즘설계 실험실은 주로 기구학(나선이론)을 바탕으로 로봇 메커니즘의 최적설계 및 로봇 시스템개발 연구를 수행하고 있습니다. 현재 진행 중인 연구로는 확장 작업영역 병렬로봇 개발, 멀티협동로봇 제어기 개발, 적응형 그리퍼 개발, 컴플라이언스를 이용한 힘/위치 동시제어 연구 등이 있고, 기존연구로는 6자유도 병렬로봇시스템, 6축 모션시뮬레이터, 병렬형 햅틱장치, F/T측정기능을 갖는 순응장치, 철도응용장치 개발 등이 있습니다.






    2. 병렬로봇 시스템 개발을 통해 직렬로봇과 더불어 가장 중요한 로봇 팔의 기구(메커니즘)의 새로운 형태가 무엇인지 궁금합니다. 기존의 방식과 비교해서 어떤 방식이 개선되었는지 자세한 설명 부탁드립니다.

    대부분 산업용 로봇은 단일 직렬체인으로 구성되어 넓은 작업영역을 갖고 Wrist에서 유연한 동작이 가능하나 비교적 무거운 구동기가 각 조인트에 장착되어 있어 고속/고가속 운동에 한계가 있고 로봇자중에 비하여 가반하중이 작습니다.

    반면 병렬로봇은 이동플랫폼(엔드이펙터)이 적어도 2개 이상의 직렬체인에 의하여 지지되는 구조로 구동기가 고정부 또는 근처에 장착되고 나머지 조인트는 수동조인트로 구성되는 메커니즘입니다. 이동플랫폼이 다수의 다리로 지지되므로 로봇 자중 대비 가반하중이 크고 고강성을 갖고 구동기의 오차가 누적되지 않으므로 고정밀도를 갖습니다. 또한 구동부가 고정부에 위치하므로 이동부의 관성을 크게 감소시킬 수 있어 고가속운동이 가능합니다. 다만 이동플랫폼이 다수의 다리로 연결되어 작업영역 및 회전범위가 작은 단점을 갖고 있습니다.

    따라서 큰 작업영역을 필요로 하지 않지만 고정밀, 고강성, 고가반하중이 필요로 하는 응용 예나 병렬기구 자체를 직선레일 또는 산업용 로봇 끝단이나 장착하여 작업영역의 한계를 극복하고 고정밀, 고자유도를 구현할 수 있는 응용으로도 개발되고 있습니다.

    본 인터뷰에서 대상으로 하는 Delta 병렬로봇과 같이 2~3개의 다리로 운동하는 기구는 비교적 큰 작업영역을 확보할 수 있고 고속/고가속 운동이 가능합니다.






    3. 병렬로봇은 식품이나 소형 기계, 전자 부품의 픽 앤 플레이스(Pick and Place Machine: 물체를 집어들어 다른 위치로 옮겨 놓을 수 있는 로봇 시스템) 용도로 국한되어 사용되어 왔다고 하는데요. 대표적으로 국내기업과 국외기업이 어떤 식으로 활용이 되는 건가요?

    병렬기구의 고강성 고정밀도 장점을 이용하여 공작기계로 국외 및 국내에서 개발되었습니다. 그러나 고자유도 수동조인트(구형 및 유니버설 조인트)가 다수 존재하여 공작기계가 요구하는 정밀도를 맞추기가 기술적으로 매우 어려워 상용제품의 개발에 어려움이 있습니다. 그러나 구조적으로 기존 직렬구조의 공작기계에 비하여 고강성이므로 소형 3축, 5축 공작기계로의 응용이나 고정밀도의 상용 부품 지원이 된다면 상용화 개발이 가능하고 아직 연구개발할 부분이 많이 남아 있다고 하겠습니다.

    병렬기구의 고가속, 고가반하중의 장점을 이용하여 모션 시뮬레이터가 다수 개발되었고 대표적으로 무크(Moog)와 보쉬 렉스로스(Bosch Rexroth) 등 있습니다.
    병렬기구의 고정밀도 장점을 이용하여 PI사의 병렬형 정밀 위치 스테이지(위치 정밀도 sub micron~sub nanometer) 등이 있고 가벼운 이동부의 무게와 고반발력의 장점을 살려 햅틱(Haptics) 장치로도 상용화되고 있습니다(Force Dimensions, Novint사 등).

    산업용 로봇으로도 고가반하중의 장점을 이용하여 Fanuc사의 Hexapod 등이 있으나 현재까지 상업적으로 가장 성공한 병렬로봇은 Delta 병렬로봇일 것입니다. Delta 로봇은 고정부의 3개의 모터가 구동암을 회전제어하고 각 구동암에 2개의 구형-구형조인트가 연결된 링크가 이동플랫폼에 연결되므로 이 링크에는 인장/압축만 작용하므로 고강성을 유지하면서 매우 경량의 메커니즘입니다. Delta 병렬로봇은 고속/고가속에 매우 적합한 구조라 할 수 있고 비교적 큰 작업영역도 확보할 수 있습니다. 최근에는 3축 고속 병진운동에 1~3축 회전 Wrist를 추가하여 다양한 조립작업에도 응용되고 있습니다.






    4. R&D과제를 보면 직선 부가축 개발로 인하여 생산 공정의 특성에 맞게 소형부터 대형까지 다양한 타입의 직선 부가축 구동 방식의 병렬 로봇 모듈 개발이 가능하다고 하는데요. 직선 부가축 구동에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

    대부분 산업용 로봇은 1개의 직렬체인으로 구성되어 넓은 작업영역을 갖고 Wrist에서 유연한 동작이 가능하나 비교적 무거운 구동기가 각 조인트에 장착되어 있어 고속/고가속 운동에 한계가 있습니다. 병렬로봇 중 Delta 병렬로봇은 3~4축 로봇으로 모든 회전구동기가 고정부에 장착되고 이 구동기가 경량의 병렬 기구부를 구동하여 120~150 cycles/min의 고속운동이 가능합니다. 그러나 작업영역이 직경 1,000mm 내외로 직렬로봇보다 제한된다는 단점을 갖고 있습니다.

     

    이번에 개발하게 된 병렬로봇은 병렬로봇의 고속, 고가속력, 고강성 등의 장점을 유지하면서 이러한 작업영역의 한계를 극복하고자 직선부가축으로 확장된 작업영역을 갖는 병렬 메커니즘입니다. 첨부그림과 같이 모든 회전구동기는 고정부에 장착되고 볼나사 직선구동기로 병렬로봇 베이스를 직선이동 시키고, 나머지 3개의 회전구동기는 볼스프라인을 통하여 병렬기구 암을 회전하여 병렬로봇 기구부는 3축 직선운동을 얻게 됩니다. 직선축 길이에 따라 작업영역이 확대되어 기존 상용 Delta 병렬로봇에 비하여 작업영역을 1.5배 이상 확장할 수 있습니다.






    5. 병렬 로봇의 작업영역 확대 및 엔드 이펙터(이동플랫폼)의 자유도 증대가 이루어진다면 인간처럼 움직이면서 작업수행이 가능해 질 것 같습니다. 단, 모든 기술에는 한계점이 있을 것 같습니다. 한계점은 무엇이며 새로운 대안은 없는 건지 궁금합니다.

    병렬로봇의 작업영역 확대를 위하여 병렬기구의 회전운동을 볼스플라인으로 구동하는 메커니즘을 특허출원하였습니다. 작업영역을 보다 증가하기 위해서는 볼스플라인의 길이도 증가되어야 하나 길이 증가에 따른 비틀림 강성 저하 문제를 해결하기 위하여 추력을 회전운동으로 전환할 수 있는 회전볼나사형 구동 메커니즘을 특허출원하여 길이에 따른 비틀림 강성 저하 문제점을 보다 완화하였습니다.

     

    또한, 3축 회전운동으로 엔드이펙터의 자유도를 증가하기 위해서는 Fanuc사의 6축 병렬로봇과 같은 회전운동을 전달하는 메커니즘이 필요합니다. 그러나 이러한 회전운동전달 메커니즘은 특허장벽으로 인하여 특허회피를 하기가 매우 어려웠습니다. 첨부그림과 같이 회전구동모터를 병렬로봇 회전축 근처에 장착하여 기존 회전운동 전달 메커니즘 보다 동적성능을 개선할 수 있는 새로운 3축 회전운동전달 메커니즘을 특허출원하여 특허회피가 가능하였고 최대 6축 병렬로봇 개발이 가능하게 되었습니다.






    6. 한국로봇산업진흥원, 솔웍스㈜, 창원대학교, 부경대학교 등 오랫동안 여러 분야와 함께 협력하여 연구도 진행하시는 것을 알고 있는데요. 기존 연구 및 최근 함께하고 있는 연구가 있는지 궁금합니다.

    현재 작업영역이 확장된 보급형 고속 병렬로봇 개발을 오토닉스 주관으로 아테스, 솔웍스, 창원대학교, 부경대학교와 공동으로 수행하고 있고 역할 분담은 첨부그림과 같습니다.






    7. 제조 산업로봇은 어디까지 연구가 진행 및 발전되고 있는지 궁금합니다. 교수님께서 생각하시는 국내 상황과 국외상황을 구체적으로 비교해 주신다면 어떤 실정인가요?

    산업용 병렬로봇에 대하여 한정하여 말씀을 드리자면, 대표적인 해외 산업용 로봇 개발업체(Fanuc사, Omron사, ABB사 등)는 전체 모델중 비율은 크지 않지만 다양한 형태의 병렬로봇을 꾸준히 생산/개발하고 있으나 국내의 경우는 소수의 중소기업(아테스 등)이 전형적인 3~4축 Delta형 병렬로봇 모델만을 개발하고 있는 실정입니다. 또한 병렬로봇의 경우 최대 4대의 병렬로봇을 정밀동기제어하는 것이 중요한데 국내의 경우 1대씩만 제어하고 있는 실정입니다. 또한, 국내 모든 산업용 로봇 생산개발에 문제점인데요, 주요부품을 수입에 의존하고 있는 실정입니다. 병렬로봇의 경우 kW급의 저관성 고속 서보모터와 저감속비의 고정밀 감속기 국산화 개발이 필요합니다.






    8. 그럼 병렬로봇 시스템의 최적 설계는 어떤 점을 고려하여 설계 되어야 할까요?

    병렬로봇의 설계는 크게 구조합성과 치수합성(dimensional synthesis) 단계로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 단계는 요구되는 작업을 만족하는 병렬로봇의 구조를 선정하는 것인데, 자유도마다 병렬로봇의 메커니즘은 매우 다양하고 메커니즘들의 장단점을 쉽게 판단할 수 없다는 어려움이 있습니다.

    장단점을 고려하여 메커니즘의 구조가 선정되면 성능을 최대화할 수 있는 기구학적 치수와 각 부품을 최적 설계해야합니다. 기구학적 치수의 변화에 따라 성능이 매우 크게 변화 할 수 있으므로 최적 설계 시 주의해야 하며, 일반적으로 기구학적 치수가 증가할수록 작업영역은 증가하나 강성, 가반하중 및 정밀도는 감소하므로 상반되는 성능을 최적화할 수 있는 기구학적 치수를 고려해야합니다.





    병렬로봇은 Telescopic 방식의 선형 구동 기, 유니버설 및 볼조인트와 같은 부품을 요구하나 이러한 상용 정밀부품을 구하기가 어렵거나 고가라는 점이 개발의 장애가 될 수 있습니다. 선형구동기를 고정부에 배치하면 상용 선형구동기를 사용할 수 있다는 장점이 있고, Exechon은 상용 선형구동기를 사용하고 회전 조인트만을 사용하는 구조입니다.



    9. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

    병렬구조 기구는 수천가지 형태의 구조가 있을 정도로 매우 다양합니다. 그러나 작업영역 및 유연성 등의 한계로 산업적 응용 예는 현재까지는 제한적이라 생각합니다. 그러나 병렬구조 기구는 직렬구조 기구에 비하여 분명히 장단점이 존재합니다. 병렬기구의 장점이 이용하여 다양한 로봇 개발에 기여를 하고 싶습니다.

    또한 최근에는 F/T센서 및 토크센서가 장착된 협동로봇 등과 같이 어느 정도 힘제어가 가능한 로봇이 개발되고 있습니다. 기존 산업용 로봇은 위치제어에 기반한 응용에 한정되었습니다. 일반 대중이 기대하는 로봇 수준을 달성하기 위해서는 AI 등 지능제어 알고리즘도 필요하겠지만 위치뿐만 아니라 인간처럼 자유자제로 힘제어를 하게 되면 로봇의 활용도가 매우 높아지리라 예상합니다. 순응성을 이용하여 로봇이 위치제어뿐만 아니라 힘을 제어할 수 있는 기술을 개발하고자 하고 이를 먼저 제조 산업에 응용하는 연구를 하고자 합니다.



    10. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면.

     

    병렬기구는 직렬기구와 달리 매우 다양한 구조가 가능합니다(Gogu, G, 2009, Structural Synthesis of parallel Robots). 현대적으로 해석하여 웨어러블 로봇의 메커니즘, 생체모방 메커니즘 등에 활용한다면 매우 다양한 응용이 가능할 것 같습니다. 또한 병렬기구를 산업적으로도 아직 적용하지 못한 부분도 있으니 구조합성, 기구학적 측면에서 관심을 갖고 응용연구를 한다면 다양한 연구 개발주제를 찾을 수 있을 것 같습니다.




     

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