목차
- 산업용 웨어러블 로봇은 어떤 작업을 보조하나
- 사람의 관절과 로봇 관절이 함께 움직여야하는 이유
- 사람이 움직일 때 구동부의 반응성
- 배터리와 배선은 착용 구조와 함께 정한다
- 산업용 웨어러블 로봇의 구동부를 선정할 때
- 웨어러블 로봇 관절과 BCSA 적용을 검토할 때
- FAQ
- 참고자료
산업용 착용형 로봇의 구동 기술 살펴보기
산업용 웨어러블 로봇은 작업자가 몸에 착용한 상태에서 팔이나 허리, 다리의 움직임을 보조하는 장비입니다. 무거운 물건을 다루거나 팔을 든 자세를 유지하는 작업, 같은 자세를 반복하는 공정 등에서 작업자의 움직임을 보조하는 용도로 활용할 수 있습니다.
일반적인 산업용 로봇과 가장 큰 차이는 로봇이 바닥이나 설비에 고정되어 있지 않다는 점입니다. 웨어러블 로봇은 사람의 몸에 장착되어 함께 움직이기 때문에 장비의 크기와 무게, 관절 위치가 그대로 착용자의 움직임과 연결됩니다.
따라서 산업용 웨어러블 로봇은 필요한 힘을 만들어 내는 것만으로 설계를 정하기 어렵습니다. 어느 동작을 보조할 것인지, 구동부를 몸의 어느 위치에 배치할 것인지, 사람의 관절 움직임을 어떻게 따라갈 것인지를 함께 생각해야 합니다.
이 글에서는 산업용 웨어러블 로봇의 기본적인 구조와 관절 배치, 무게와 두께, 구동부 선정, 전원과 배선 등 설계 과정에서 살펴봐야 할 조건을 정리합니다.
산업용 웨어러블 로봇은 어떤 작업을 보조하나
산업용 웨어러블 로봇은 작업자의 모든 움직임을 대신하기보다 특정 작업에서 필요한 힘이나 자세를 보조하는 형태로 구성됩니다.
예를 들어 팔을 높은 위치에 유지해야 하는 조립 작업에서는 어깨와 팔 주변의 움직임을 보조하는 장비를 생각할 수 있습니다. 허리를 굽혔다 펴는 작업이 반복된다면 몸통이나 허리 주변을 보조하는 구조를 사용할 수 있습니다.
물건을 들어 올리거나 이동하는 작업에서는 다리나 몸통까지 포함한 장비가 사용될 수도 있습니다.
어느 형태를 선택하느냐에 따라 필요한 관절 수와 구동부의 위치도 달라집니다.
웨어러블 로봇에는 모터와 감속기 등을 사용해 움직임을 만드는 능동형 구조가 있는 반면, 스프링이나 탄성 요소를 이용하는 수동형 장비도 있습니다.
능동형 웨어러블 로봇에서는 어떤 관절에 구동부를 넣을 것인지가 특히 중요합니다. 모든 관절을 구동식으로 만들면 구조가 복잡해지고 장비 무게도 늘어날 수 있기 때문입니다.
따라서 산업용 웨어러블 로봇을 설계할 때는 먼저 작업자가 실제로 어떤 자세에서 어떤 움직임을 반복하는지를 살펴보고 필요한 보조 범위를 정하는 것이 좋습니다.
사람의 관절과 로봇 관절이 함께 움직여야하는 이유
웨어러블 로봇은 사람의 팔과 다리, 몸통 옆에 기계 관절을 배치합니다.
이때 중요한 것은 로봇의 회전축과 사람의 움직임 사이의 관계입니다.
기계 관절은 정해진 축을 기준으로 움직이지만 사람의 관절은 움직이는 과정에서 자세와 위치 관계가 달라집니다. 체형도 사람마다 다르기 때문에 하나의 고정된 링크 길이와 관절 위치를 모든 작업자에게 그대로 적용하기 어렵습니다.
장비의 관절 위치가 착용자의 움직임과 잘 맞지 않으면 벨트나 커프가 특정 부위를 누르거나 움직일 때 장비가 걸리는 느낌이 생길 수 있습니다. 사용 중 장비의 착용 위치가 달라지는 경우도 생각해야 합니다.
이 때문에 웨어러블 로봇에서는 관절 구동부 자체뿐 아니라 링크 길이와 착용 위치를 조절할 수 있는 구조가 중요합니다.
작업자의 팔이나 다리 길이에 맞춰 장비를 조절할 수 있어야 하고, 작업복이나 다른 안전 장비를 함께 착용했을 때도 필요한 움직임을 확보할 수 있어야 합니다.
결국 웨어러블 로봇의 관절 설계는 기계의 움직임을 사람에게 적용하는 것이 아니라 사람의 움직임을 기준으로 기계 구조를 구성하는 과정이라고 볼 수 있습니다.
관절 두께가 작업 범위에 영향을 준다?
산업용 웨어러블 로봇은 작업자의 몸에 추가되는 장비이기 때문에 관절의 두께도 중요한 설계 조건입니다.
팔이나 허리 옆에 설치되는 구동부가 두꺼워질수록 착용자의 전체 폭도 커집니다.
설비 사이를 이동하거나 좁은 통로를 지나야 하는 작업에서는 이러한 차이가 실제 작업 환경과 연결될 수 있습니다.
다른 작업자와 가까이에서 작업하거나 보호복과 안전 장비를 함께 착용하는 경우에도 관절 주변에 사용할 수 있는 공간이 제한될 수 있습니다.
따라서 웨어러블 로봇에서는 단순히 작은 모터나 감속기를 사용하는 것보다 구동부를 포함한 관절 전체가 어느 정도의 두께를 갖는지 확인하는 것이 좋습니다.
특히 여러 관절에 구동부가 들어가는 장비라면 각각의 관절에서 늘어난 부피가 전체 착용 형태에 영향을 줍니다.
웨어러블 로봇에서 박형 구동부가 검토되는 이유도 착용자의 움직임에 필요한 공간을 확보하면서 몸 바깥으로 돌출되는 구조를 줄이기 위해서입니다.
사람이 움직일 때 구동부의 반응성
산업용 웨어러블 로봇은 사람이 움직이고 로봇이 그 움직임을 보조하는 장비입니다.
따라서 구동부가 힘을 내는 조건뿐 아니라 사용자가 직접 관절을 움직일 때 어떤 반응을 보이는지도 중요합니다.
특히 능동형 웨어러블 로봇에서는 사용자의 움직임을 센서로 확인하고 이에 따라 구동부의 동작을 조정하는 구조를 사용할 수 있습니다.
이 과정에서 구동부 자체의 저항이나 역구동 특성도 설계 조건이 될 수 있습니다.
역구동성은 출력측에서 힘을 가했을 때 구동부가 반대 방향으로 움직일 수 있는 특성을 말합니다. 사람의 움직임을 따라가야 하는 웨어러블 로봇에서는 이러한 특성이 필요한지 제품 구조와 제어 방식에 따라 별도로 판단해야 합니다.
모든 관절에 같은 수준의 역구동성이 필요한 것도 아닙니다.
자세를 유지해야 하는 관절과 사용자의 자유로운 움직임을 따라가야 하는 관절은 필요한 조건이 다를 수 있기 때문입니다.
따라서 웨어러블 로봇의 구동부에서는 토크와 감속비뿐 아니라 사용자가 직접 움직일 때 해당 관절이 어떤 방식으로 반응해야 하는지를 함께 정의하는 것이 중요합니다.
배터리와 배선은 착용 구조와 함께 정한다
능동형 웨어러블 로봇에는 모터와 제어 장치를 작동시키기 위한 전원이 필요합니다.
배터리는 비교적 무게가 있는 부품이기 때문에 어디에 배치하느냐에 따라 장비의 착용 형태가 달라질 수 있습니다.
몸통이나 허리 주변에 배터리를 배치하면 팔이나 다리 쪽 무게를 줄일 수 있지만 각 구동부까지 이어지는 전선이 길어질 수 있습니다.
반대로 구동부 가까이에 전원이나 제어 장치를 배치하면 배선은 짧아질 수 있지만 관절 주변의 크기와 무게가 늘어날 수 있습니다.
배선은 작업자의 움직임도 따라가야 합니다.
팔을 구부리고 펴거나 허리를 움직이는 동안 케이블 역시 계속 움직이기 때문에 관절 주변에서 전선이 어떤 경로로 지나가는지 사전에 정하는 것이 중요합니다.
외부에 노출된 케이블이 작업 설비나 주변 구조물에 걸리지 않는지도 확인해야 합니다.
따라서 웨어러블 로봇에서는 배터리 위치, 관절 구동부의 위치, 케이블 경로를 각각 따로 정하기보다 하나의 착용 구조 안에서 함께 구성하는 것이 좋습니다.
산업용 웨어러블 로봇의 구동부를 선정할 때
산업용 웨어러블 로봇의 구동부를 선정할 때는 먼저 어떤 동작을 보조할 것인지 정해야 합니다.
어깨를 들어 올리는 움직임인지, 팔꿈치를 굽히는 동작인지, 허리나 다리의 움직임을 보조하는지에 따라 구동부가 들어갈 관절과 필요한 조건이 달라집니다.
다음으로 보조하려는 힘과 실제 작업 자세를 살펴봅니다.
구동부의 정격 토크만 비교하기보다 어느 자세에서 힘이 필요한지와 관절이 어느 범위까지 움직여야 하는지를 함께 정리해야 합니다.
구동부의 무게와 외형도 중요합니다.
웨어러블 로봇은 사람이 직접 착용하기 때문에 관절 하나의 무게와 두께가 전체 장비의 착용감과 작업 공간에 영향을 줄 수 있습니다.
사람이 직접 움직이는 관절이라면 역구동성을 포함한 구동부의 반응 특성도 검토 대상이 됩니다.
웨어러블 로봇 관절과 BCSA 적용을 검토할 때
본시스템즈의 BCSA는 사이클로이드 감속 기술을 기반으로 얇고 컴팩트하게 설계된 로봇용 액추에이터입니다.
산업용 웨어러블 로봇에서는 구동부가 어깨나 팔꿈치, 허리 등 사람의 몸 가까이에 배치될 수 있기 때문에 관절의 크기와 외형이 중요한 조건이 됩니다.
BCSA의 박형 구조는 이러한 제한된 공간에서 관절 구동부를 구성할 때 검토할 수 있는 특징입니다. 관절의 축 방향 두께를 줄이면 몸 바깥쪽으로 돌출되는 구동 구조를 구성할 때 선택지가 늘어날 수 있습니다.
작업 보조용 웨어러블 로봇에서는 작은 관절 공간 안에서도 필요한 힘을 만들어야 하는 경우가 있습니다. BCSA는 컴팩트한 외형에서 높은 토크를 사용할 수 있도록 구성된 액추에이터로, 보조하려는 작업과 관절 위치에 따라 필요한 모델을 검토할 수 있습니다.
낮은 백래시 역시 관절 동작을 구성할 때 살펴볼 수 있는 요소입니다. 작업자가 팔이나 몸을 움직일 때 로봇 관절이 정해진 동작을 수행하도록 설계하는 경우에는 구동부의 백래시 특성도 관절 구조와 함께 비교할 수 있습니다.
중공 구조가 적용된 BCSA 모델은 관절 주변 배선 설계에서도 활용할 수 있습니다. 웨어러블 로봇에는 모터 전원선과 센서 신호선 등이 여러 관절을 지나갈 수 있기 때문에 중심부 공간을 케이블 경로로 활용하는 방법을 검토할 수 있습니다.
다만 웨어러블 로봇에서는 박형·고토크·낮은 백래시만으로 액추에이터를 선정할 수 없습니다.
사람이 직접 착용하는 장비이기 때문에 구동부 무게, 역구동성, 전원이 꺼졌을 때의 관절 상태, 사용자의 움직임과 장비가 상호작용하는 방식을 별도로 확인해야 합니다.
특히 사용자가 먼저 움직이고 구동부가 이를 따라가야 하는 구조라면 필요한 역구동 특성이 해당 BCSA 모델에서 구현 가능한지 구체적으로 검토해야 합니다.
따라서 산업용 웨어러블 로봇에서 BCSA를 검토할 때는 박형 구조와 토크, 백래시, 배선 구조뿐 아니라 착용형 장비에서 요구되는 움직임과 안전 조건을 함께 확인한 뒤 적용 여부를 판단하는 것이 적절합니다.
FAQ
Q. 산업용 웨어러블 로봇이란 무엇인가요?
산업용 웨어러블 로봇은 작업자가 몸에 착용하고 사용하는 작업 보조 장비입니다. 팔을 들어 올리는 작업이나 허리를 굽혔다 펴는 작업 등 특정 움직임에서 필요한 힘이나 자세를 보조하는 용도로 활용할 수 있습니다.
Q. 산업용 웨어러블 로봇과 재활 로봇은 같은 장비인가요?
용도에 차이가 있습니다. 산업용 웨어러블 로봇은 작업 현장에서 특정 움직임을 보조하는 장비이며, 재활이나 치료를 목적으로 사용하는 장비는 적용 목적과 관련 기준이 달라질 수 있습니다.
Q. 사람 관절과 로봇 관절의 위치가 중요한 이유는 무엇인가요?
웨어러블 로봇은 사람의 몸에 직접 장착되어 함께 움직입니다. 로봇 관절의 위치와 작업자의 움직임이 잘 맞지 않으면 특정 부위에 압박이 생기거나 움직이는 과정에서 불편함이 나타날 수 있으므로 체형에 맞게 조절할 수 있는 구조가 중요합니다.
Q. 웨어러블 로봇에서는 왜 구동부 무게가 중요한가요?
웨어러블 로봇에 박형 액추에이터가 필요한 이유는 무엇인가요?
구동부가 사람의 관절 옆에 배치되기 때문에 두꺼운 관절은 착용자의 전체 폭을 넓힐 수 있습니다. 박형 구조는 설비 사이와 통로 등 제한된 공간에서 작업해야 하는 장비의 관절 외형을 구성할 때 검토할 수 있습니다.
Q. 산업용 웨어러블 로봇에서 역구동성이란 무엇인가요?
역구동성은 출력축에 외부 힘을 가했을 때 구동부가 반대쪽으로 움직일 수 있는 특성을 말합니다. 사람이 직접 관절을 움직이는 웨어러블 로봇에서는 구동부가 사용자의 움직임에 어떻게 반응해야 하는지에 따라 중요한 설계 조건이 될 수 있습니다.
Q. 웨어러블 로봇은 전원이 꺼지면 어떻게 되나요?
제품 구조에 따라 다릅니다. 따라서 설계 단계에서 전원이 끊긴 뒤 각 관절이 움직이는지 또는 특정 상태를 유지하는지 확인해야 합니다. 작업자가 장비를 안전하게 벗을 수 있는 방법도 함께 마련해야 합니다.
Q. 산업용 웨어러블 로봇의 액추에이터는 무엇을 기준으로 선정하나요?
먼저 보조하려는 작업과 관절의 움직임을 정리해야 합니다. 이후 필요한 토크와 동작 범위, 구동부의 무게와 두께, 사용자 움직임에 대한 반응 특성, 배터리와 배선 구조 등을 함께 살펴본 뒤 적용할 액추에이터를 선정하는 것이 좋습니다.
참고자료
1. 한국로봇산업진흥원(KIRIA) – https://www.kiria.org
2. 국제표준화기구(ISO) – https://www.iso.org