로봇 관절 링크 설계 시 주의해야 할 5가지 함정

로봇 관절은 로봇의 움직임을 가능하게 하는 핵심적인 부분인데요. 링크 설계의 미세한 차이가 로봇 전체의 성능과 내구성에 큰 영향을 미치기 때문에, 신중한 설계가 필요하지만 많은 로봇 개발자들이 링크 설계 과정에서 쉽게 빠질 수 있는 함정들이 존재합니다. 이 글에서는 로봇 관절 링크 설계 시 주의해야 할 5가지 함정과 성공적인 링크 설계를 위한 해결 방안을 제시하고자 합니다.

 

 

로봇 관절 링크 설계 시 주의해야 할 5가지 함정

1. 과도한 복잡성 추구

로봇 관절 링크 설계에서 과도한 복잡성 추구는 흔히 저지르는 실수 중 하나입니다. 더 많은 자유도, 더 정교한 움직임을 위해 링크 구조를 복잡하게 만들고 싶은 유혹에 빠지기 쉽습니다. 하지만 이는 예상치 못한 문제들을 야기할 수 있습니다.

왜 과도한 복잡성이 문제가 될까요?

• 제작 비용 증가: 복잡한 구조는 더 많은 부품과 가공 과정을 필요로 하므로 제작 비용이 상승합니다.
• 설계 시간 증가: 복잡한 구조를 설계하고 시뮬레이션하는 데 많은 시간이 소요됩니다.
• 조립 난이도 증가: 복잡한 구조는 조립 과정을 어렵게 만들고, 오류 발생 가능성을 높입니다.
• 유지보수 어려움: 고장 발생 시 원인 규명과 수리가 어려워져 유지보수 비용이 증가합니다.
• 성능 저하: 과도한 링크로 인해 마찰이 증가하고, 강성이 저하될 수 있습니다.
• 제어의 어려움: 복잡한 구조는 제어 알고리즘을 더욱 복잡하게 만들어, 정확한 제어가 어려워질 수 있습니다.

과도한 복잡성을 피하기 위한 해결 방안

• 필요한 기능에 집중: 로봇이 수행해야 할 작업을 명확히 정의하고, 이에 필요한 최소한의 링크만을 사용하여 설계합니다.
• 모듈화 설계: 복잡한 시스템을 작은 모듈로 나누어 설계하면, 설계 및 유지보수가 용이해집니다.
• 표준 부품 활용: 표준 부품을 최대한 활용하면 설계 시간을 단축하고, 제작 비용을 절감할 수 있습니다.
• 시뮬레이션을 통한 검증: 설계 초기 단계부터 시뮬레이션을 통해 설계의 타당성을 검증하고, 문제점을 사전에 파악합니다.

예시

• 다관절 로봇: 모든 관절에 6자 유도를 부여하는 대신, 작업에 필요한 자유도만을 확보하는 것이 좋습니다. 불필요한 자유도는 오히려 제어를 어렵게 만들고, 정확도를 저하시킬 수 있습니다.
• 병렬 로봇: 병렬 로봇은 일반적으로 직렬 로봇보다 강성이 높지만, 구조가 복잡하여 설계 및 제작이 어렵습니다. 따라서 작업에 적합한 최소한의 병렬 구조를 선택하는 것이 중요합니다.

2. 강성 부족

강성 부족이란 무엇일까요?

강성이란 물체가 외부 힘이나 모멘트에 저항하여 변형되지 않는 정도를 나타내는 성질입니다. 로봇 관절에서 강성이 부족하면 링크가 외부 힘에 의해 쉽게 변형되어 로봇의 정밀도와 안정성이 저하됩니다. 마치 건물의 기둥이 약해 무너지는 것과 같은 이치입니다.

강성 부족이 발생하는 이유는 무엇일까요?

• 링크 재료의 선택: 강도가 낮은 재료를 사용하거나, 두께가 충분하지 않은 경우 강성이 부족해질 수 있습니다.
• 링크 형상: 링크의 형상이 길쭉하거나 얇으면 휨 변형에 취약해져 강성이 저하됩니다.
• 관절 부위 설계: 관절 부위에 충분한 보강재가 없거나, 볼트 체결이 느슨하면 강성이 저하될 수 있습니다.
• 외부 하중: 예상치 못한 외부 하중이 작용하면 링크가 변형되어 정밀도가 저하될 수 있습니다.

강성 부족이 로봇에 미치는 영향

• 정밀도 저하: 링크의 변형으로 인해 로봇의 위치 정밀도가 떨어지고, 작업의 정확도가 떨어집니다.
• 안정성 저하: 외부 충격에 취약해져 로봇이 불안정해지고, 작업 중 갑작스러운 움직임이 발생할 수 있습니다.
• 수명 단축: 반복적인 하중으로 인해 링크가 피로 파괴될 가능성이 높아져 로봇의 수명이 단축됩니다.
• 소음 증가: 링크의 변형으로 인해 마찰이 증가하고, 소음이 발생할 수 있습니다.

강성 부족을 해결하기 위한 방법

• 재료 선정: 강도가 높고, 탄성률이 큰 재료를 사용합니다. 알루미늄 합금, 강철 등이 일반적으로 사용됩니다.
• 링크 형상 최적화: 유한요소해석(FEA) 등을 이용하여 링크의 형상을 최적화하여 강성을 높입니다.
• 보강재 추가: 링크의 취약 부위에 보강재를 추가하여 강성을 높입니다.
• 리브 설계: 링크 내부에 리브를 설계하여 휨 변형을 방지합니다.
• 관절 부위 보강: 볼트 체결을 강화하고, 필요한 경우 용접 등을 통해 관절 부위를 보강합니다.
• 감쇠기 설치: 진동을 흡수하여 링크의 변형을 줄입니다.

강성 설계 시 주의할 점

• 과도한 강성: 강성을 너무 높이면 무게가 증가하고, 가동성이 저하될 수 있습니다. 따라서 작업에 필요한 최소한의 강성을 확보하는 것이 중요합니다.
• 균일한 강성 분포: 링크 전체에 걸쳐 균일한 강성을 확보해야 합니다. 특정 부위에 강성이 집중되면 다른 부위에 과도한 응력이 발생할 수 있습니다.
• 비용 고려: 고강도 재료를 사용하거나 복잡한 형상을 만들면 제작 비용이 증가할 수 있습니다.

3. 가동 범위 제한

가동 범위 제한이란 무엇일까요?

로봇 관절의 가동 범위는 로봇이 움직일 수 있는 공간을 의미합니다. 즉, 링크의 길이, 관절의 형태, 그리고 다른 링크와의 간섭 등에 의해 제한되는 로봇의 움직임 범위를 말합니다. 이러한 가동 범위가 제한되면 로봇이 원하는 작업을 수행하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.

가동 범위 제한이 발생하는 이유는 무엇일까요?

• 링크 길이의 제한: 링크가 너무 짧거나 길면 가동 범위가 제한될 수 있습니다.
• 관절 형태의 제한: 회전 관절, 프리스매틱 관절 등 각 관절의 형태에 따라 가동 범위가 달라집니다.
• 링크 간 간섭: 링크 간에 간섭이 발생하면 특정 자세를 취할 수 없게 됩니다.
• 작업 공간의 제한: 로봇이 설치된 환경에 의해 가동 범위가 제한될 수 있습니다.

가동 범위 제한이 로봇에 미치는 영향

• 작업 범위 축소: 로봇이 작업할 수 있는 공간이 제한되어 작업 효율이 떨어집니다.
• 작업 불가능: 특정 자세를 취할 수 없어 원하는 작업을 수행할 수 없습니다.
• 충돌 발생 위험 증가: 가동 범위를 정확히 예측하지 못하면 주변 환경과 충돌할 위험이 증가합니다.

가동 범위 제한을 해결하기 위한 방법

• 작업 공간 분석: 로봇이 수행해야 할 작업을 분석하여 필요한 가동 범위를 정확히 파악합니다.
• 링크 길이 최적화: 작업 공간 분석 결과를 바탕으로 링크 길이를 최적화합니다.
• 관절 형태 선정: 작업 특성에 맞는 적절한 관절 형태를 선정합니다.
• DH 파라미터 설정: Denavit-Hartenberg 파라미터를 이용하여 로봇의 운동학 모델을 구축하고, 가동 범위를 정확히 계산합니다.
• 간섭 분석: 시뮬레이션을 통해 링크 간 간섭 여부를 확인하고, 필요한 경우 링크 형상을 수정합니다.
• 가상현실(VR) 활용: VR 환경에서 로봇의 움직임을 시뮬레이션하여 가동 범위를 직관적으로 확인할 수 있습니다.

가동 범위 설계 시 주의할 점

• 여유 공간 확보: 링크 간 간섭을 방지하기 위해 충분한 여유 공간을 확보해야 합니다.
• 극한 자세 고려: 로봇이 취할 수 있는 극한 자세에서도 문제가 발생하지 않도록 설계해야 합니다.
• 온도 변화 고려: 온도 변화에 따른 링크 길이 변화를 고려하여 설계해야 합니다.

4. 마찰 증가

마찰 증가란 무엇일까요?

마찰은 두 물체가 서로 접촉하여 상대 운동을 할 때 발생하는 저항력입니다. 로봇 관절에서 마찰이 증가하면 로봇의 움직임이 부드럽지 못하고, 에너지 손실이 커져 효율성이 저하됩니다. 또한, 마찰열 발생으로 인해 부품의 수명이 단축될 수 있습니다.

마찰 증가가 발생하는 이유는 무엇일까요?

• 관절 부품의 재질: 마찰 계수가 높은 재질을 사용하면 마찰이 증가합니다.
• 윤활 부족: 관절 부위에 윤활유가 부족하거나, 윤활유의 성능이 저하되면 마찰이 증가합니다.
• 관절 간섭: 관절 부품 간에 간섭이 발생하면 마찰이 증가하고, 부품 손상을 야기할 수 있습니다.
• 부품의 마모: 장기간 사용으로 인해 부품이 마모되면 마찰이 증가합니다.
• 하중: 관절에 과도한 하중이 가해지면 마찰이 증가할 수 있습니다.

마찰 증가가 로봇에 미치는 영향

• 움직임 저하: 마찰로 인해 로봇의 움직임이 느려지고, 부드럽지 못하게 됩니다.
• 에너지 손실 증가: 마찰로 인해 에너지가 손실되어 모터에 부담을 주고, 효율성이 저하됩니다.
• 소음 증가: 마찰로 인해 소음이 발생하여 작업 환경을 악화시킵니다.
• 수명 단축: 마찰열로 인해 부품이 손상되고, 로봇의 수명이 단축됩니다.
• 제어 성능 저하: 마찰 모델링의 어려움으로 인해 정확한 제어가 어려워질 수 있습니다.

마찰을 줄이기 위한 방법

• 윤활유 사용: 적절한 윤활유를 사용하여 마찰을 줄입니다.
• 표면 처리: 관절 부품의 표면을 매끄럽게 처리하여 마찰을 줄입니다.
• 베어링 사용: 볼 베어링, 로러 베어링 등을 사용하여 마찰을 줄입니다.
• 관절 간격 유지: 관절 간 간격을 충분히 유지하여 간섭을 방지합니다.
• 경량화: 로봇의 무게를 줄여 관절에 가해지는 하중을 줄입니다.
• 마찰 모델링: 마찰 모델을 구축하여 정확한 제어를 수행합니다.

마찰 설계 시 주의할 점

• 과도한 윤활: 윤활유가 너무 많으면 오히려 마찰이 증가하거나, 다른 부품에 오염을 유발할 수 있습니다.
• 윤활유 종류 선정: 사용 환경에 적합한 윤활유를 선정해야 합니다.
• 마찰 모델링의 어려움: 마찰은 복잡한 현상이므로 정확한 모델링이 어렵습니다.

5. 진동 문제

진동 문제란 무엇일까요?

진동은 로봇이 작동할 때 발생하는 불필요한 기계적인 움직임을 의미합니다. 이러한 진동은 로봇의 정밀도를 저하시키고, 소음을 발생시키며, 부품의 수명을 단축시키는 등 다양한 문제를 야기할 수 있습니다. 특히 고속으로 작동하는 로봇이나 정밀 작업을 수행하는 로봇의 경우 진동 문제가 더욱 심각하게 나타날 수 있습니다.

진동 문제가 발생하는 이유는 무엇일까요?

• 불균형 하중: 로봇의 무게 중심이 불균일하거나, 관절에 불균일한 하중이 가해질 때 진동이 발생할 수 있습니다.
• 유연성 부족: 링크가 충분한 강성을 확보하지 못하면 외부 충격이나 하중에 의해 진동이 발생할 수 있습니다.
• 기어 백래시: 기어 간의 간격으로 인해 진동이 발생할 수 있습니다.
• 제어 시스템의 문제: 제어 시스템의 불안정성으로 인해 진동이 발생할 수 있습니다.
• 외부 환경: 바람, 진동 등 외부 환경의 영향으로 진동이 발생할 수 있습니다.

진동 문제가 로봇에 미치는 영향

• 정밀도 저하: 진동으로 인해 로봇의 위치 정밀도가 떨어지고, 작업의 정확도가 저하됩니다.
• 수명 단축: 진동으로 인해 부품이 마모되고, 파손되어 로봇의 수명이 단축됩니다.
• 소음 증가: 진동으로 인해 소음이 발생하여 작업 환경을 악화시킵니다.
• 제어 성능 저하: 진동으로 인해 제어 시스템의 성능이 저하되어 로봇을 정확하게 제어하기 어려워집니다.

진동 문제를 해결하기 위한 방법

• 균형 설계: 로봇의 무게 중심을 정확히 파악하고, 균형을 맞춰 설계합니다.
• 강성 확보: 링크의 강성을 높여 진동을 감소시킵니다.
• 감쇠기 설치: 진동 에너지를 흡수하여 진동을 감소시킵니다.
• 기어 백래시 감소: 기어 백래시를 줄여 진동을 감소시킵니다.
• 제어 시스템 개선: 제어 알고리즘을 개선하여 진동을 억제합니다.
• 진동 흡수재 사용: 진동 흡수재를 사용하여 진동을 감소시킵니다.
• 베어링 선택: 저소음, 저진동 베어링을 사용합니다.

진동 설계 시 주의할 점

• 진동 모드 분석: 유한요소해석(FEA) 등을 이용하여 로봇의 진동 모드를 분석하고, 진동이 발생하기 쉬운 부분을 파악합니다.
• 진동 측정: 실제 로봇을 작동시켜 진동을 측정하고, 문제점을 파악합니다.
• 진동 허용치 설정: 각 부품별 진동 허용치를 설정하고, 이를 초과하지 않도록 설계합니다.

 

결론

로봇 관절 링크 설계는 로봇 개발의 성공을 좌우하는 중요한 요소입니다. 위에서 제시한 5가지 함정을 충분히 인지하고, 해결 방안을 적용함으로써 더욱 효율적이고 안정적인 로봇을 개발할 수 있습니다.