산업용 로봇의 80%가 직렬형 머니플레이터(로봇팔)이다. 인간의 팔에 해당하는 로봇은 고정된 장소에서 머니플레이션을 담당하고, 인간의 다리에 해당하는 바퀴는 이동로봇으로 진화하고 있다. 머니플레이터(Manipulator)를 구분하면 직렬형과 병렬형으로 나뉜다. 직렬형 로봇을 구성하는 조인트 또는 관절이 로봇베이스(Robot base)에서 끝(End-effector)까지 직렬로 연결되어 있어 엔드 이펙터에서 아래쪽 베이스로 이동함에 따라 운동이 증폭되는 특성을 가지고 있다.

직렬형 머니플레이터를 구성하는 조인트는 크게 직선운동을 하는 직선 조인트(Prismatic Joint, 직선축)와 회전운동을 하는 회전 조인트(Rotational Joint, 회전축)으로 구분된다. 이 두 가지의 조인트가 각각 몇 개가 사용되었는지, 어떻게 연결되었는지에 따라서 로봇의 타입이 정해지고 구조적 운동 특성이 결정된다.

반면 병렬형 매니퓰레이터란 최소 두 개 이상의 직렬 부속 기구에 의해 이동 가능한 말단 작동기가 고정된 하판과 연결되어 구성된 닫힌 형태의 기구를 의미한다. 구동기가 병렬로 연결되어 여러 개의 링크에 부하가 분담되고, 각 구동기에는 매니퓰레이터 자체의 부하와 외부 부하에 의하여 모멘트가 아닌 축방향 하중만이 작용하므로 큰 부하를 구동시킬 수 있다.

직렬형보다 높은 강성을 가지며, 각 조인트의 오차가 말단 작동기에 계속 누적되지 않고, 서로 상쇄되므로 정밀도가 높은 장점이 있으며, 병렬 구조로 인한 제한된 작업영역을 가지게 되어 운동성이 저하되는 단점이 있다.

최근 Delta와 Tricept 병렬 로봇과 같이 구속하는 다리의 개수가 적은 메커니즘을 사용하면 완전 자유도(6자 유도) 병렬 로봇보다 큰 작업영역의 확보 가능하다고 한다. 로봇 자체 중량이 작은 병렬 로봇을 모듈 형태로 직선 레일 등에 부착하여 작업영역을 증가할 수 있다. 특히 2자 유도 내지 5자 유도 정도의 낮은 자유도를 가진 병렬 로봇 메커니즘은 단순한 구조로 비교적 저렴한 비용으로 개발 및 생산할 수 있어 관련 업계의 연구가 활성화되는 추세이다.

공간형 병진운동을 만드는 3자 유도 병렬 매니퓰레이터에 대한 연구를 계기로 애플베리(Appleberry), 트사이(Tsai), 프리솔리(Frisoli) 등에 의해 새로운 병진운동 병렬 매니퓰레이터들이 제안되고 있으며, 새로운 메커니즘 및 변형 메커니즘에 대한 기구학, 특이점, 공차, 작업공간, 동역학 등을 포함하는 설계와 해석이 광범위하게 연구되고 있다.
이러한 연구개발을 바탕으로 의료용에 사용되는 마이크로 로봇(micro robot)과 같이 병렬형 메커니즘을 응용한 로봇이 개발되는 등 비교적 실제적인 시제품이 제작되는 경향을 보이고 있다.

미국에서는 현재 공작기계 업체 및 국립연구소들이 주축이 되어 병렬기구 공작기계를 활발히 연구하고 있다. 대표적인 공작기계 제작업체인 미국의 Ingersoll사의 8면체 6각형 HOH-600과 10면체 6각형 VOH-1000와 Giddings & Lewis사의 Variax 5축 수직 병렬기구 등이 있다. 일본의 도요다는 HexaM 5축 밀링 머신이 있으며 ETHZ, 스위스 및 Acheneo, 독일, ABB 스웨덴 등의 그룹이 활발히 병렬 로봇 연구를 진행하고 있다.

특히 Delta로봇(병렬로봇)은 다리에 포함된 평행사변형 링크로 인하여 이동플랫폼이 3축 병진운동이 가능하고 작업반경이 충분히 크고, 이동부의 관성이 매우 작아, 고속 Pick & Place 작업에 적합한 최선의 로봇 형태의 하나로 여겨지고 있다.

델타로봇은 1980년대 초콜릿 공장 방문에서 영감을 얻은 레이몬드 클라벨(Reymond Clavel)에 의해 발명되었다. 그 후 델타로봇은 진화를 거듭해 반 데어 기스트(Van der Geest)라는 로봇 공학자에 의해 여러 개의 로봇 팔을 연결시켜 다중 델타로봇을 탄생시켰다. 기구적 우수성에 의해 고속이송과 포장 등에 탁월한 성능을 가지며 현재 널리 사용되고 있다.

Tricept 병렬 로봇 또한 전통적인 델타 플랫폼보다 훨씬 적은 비용으로 컨베이어 트래킹을 제공하고, 분당 최대 125개의 픽을 제공할 수 있다.

미래의 공작기계로 주목받고 있는 병렬 로봇은 1994년 처음 개발된 이래로 선진국에서 활발히 연구하고 있는 분야이며, 선진국의 병렬 로봇 관련 연구가 주로 국립연구소 및 업체 중심으로 이루어지고 있는데, 반해 국내의 관련 연구는 대학이 중심이 되어 연구가 진행되고 있다.


경남대학교 기계공학부 김한성 교수는 구조적으로 기존 직렬구조의 공작기계에 비하여 고강성이지만 소형 3축, 5축 공작기계로의 응용이나 고정밀도의 사용 부품 지원이 된다면 상용화 개발이 가능하지만 아직은 연구 개발 단계라고 조언한다. 고자 유도 수동조인트(구형 및 유니버설 조인트)가 다수 존재하여 공작기계가 요구하는 정밀도를 맞추기가 병렬 기구를 제작하기에 기술적으로 매우 어려워 상용제품의 개발에 어렵다고 말한다.

현재 병렬기구의 고가속, 고가반하중의 장점을 이용하여 모션 시뮬레이터가 다수 개발되었고, 대표적으로 무크(Moog)와 보쉬 렉스로스(Bosch Rexroth) 등 있다고 한다. 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 있다(Force Dimensions, Novint사 등).





산업용 로봇으로도 고가반하중의 장점을 이용하여 Fanuc사의 Hexapod 등이 있으나 현재까지 상업적으로 가장 성공한 병렬로봇은 Delta 병렬로봇이라고 한다. 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 메커니즘이다. 최근에는 3축 고속 병진운동에 1~3축 회전 Wrist를 추가하여 다양한 조립작업에도 응용되고 있다.







국내에서도 국내외 연구 사례 등을 참조하여 병렬형 메커니즘을 응용한 로봇 복합 가공기를 개발 중에 있다. 병렬형 가공 로봇을 개발한 이엠코리아에 의하면 병렬형 로봇기술을 바탕으로 개발한 로봇 가공기는 항공기 부품가공, 자동차 가공 등에 응용하고 있다고 한다.






가공 분야 외에도 병렬형 로봇을 팔레타이징 로봇(각종 상자 포장이나 적재 등의 작업에서 사용되는 로봇) 부문에 응용하여 식품, 화학, 전기전자 포장라인 등에 사용하고 있으며, 공장 반송 시스템, 컨베이어 벨트, 기존 팔레타이징 로봇 등과 조합하여 이용되고 있다. 

미래의 공작기계가 소재의 투입에서부터 최종 완성품까지의 가공 시간을 극단적으로 줄이는 소위 쾌속 가공(Rapid Machining)의 방향으로 나아가고 있다. 병렬 로봇을 이용한 기술은 절삭기계뿐만 아니라 쾌속 성형기, 삼차원 측정기, 레이저 가공기, 위터젯 가공기 등의 타가공분야에서도 직접 응용의 가능성이 매우 크다.

경남대학교 기계공학부 김한성 교수는 상용화 개발을 가속하기 위해서는 상용 정밀부품(Telescopic 방식의 선형 구동기, 유니버설 및 볼조인트 등) 및 다양한 구조의 병렬로봇에 대한 기구학과 동역학을 지원하는 제어기구가 개발되어야 할 것이며 웨어러블 로봇의 메커니즘, 생체모방 메커니즘 등에 활용한다면 매우 다양한 응용이 가능한 병렬 로봇 산업이 기대된다고 말한다.


※ Reference
-https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?
-고속 병렬 로봇의 설계에 관한 연구
-Giddings & Lewis사의 Variax와 Ingersoll사의 Hexapod
-미래 공작기계의 새로운 구조 병렬기구 공작기계의 개발 현황과 전망
-쾌속가공을 위한 새로운 개념의 병렬기구 공작기계
-gizmag.com
-IPMR (Industrial Parallel Mechanism Robot)