서비스 로봇 관절 구동 조건 완벽 정리 가이드

목차

• 서비스 로봇에서 관절은 어디에 사용되나
• 서비스 로봇의 용도에 따라 관절 동작도 달라진다
• 사람 가까이에서 움직이는 관절
• 반복되는 동작과 정지 상태를 함께 본다
• 서비스 로봇에서는 소음도 구동 조건이 된다
• 관절의 두께와 로봇 전체 크기
• 여러 대를 운영할 때 달라지는 관절 설계
• 서비스 로봇 관절 구동부를 선정할 때
• 서비스 로봇 관절 설계와 BCSA
• FAQ
• 참고자료

서비스 로봇 관절 구동에 요구되는 조건 정리

서비스 로봇은 매장과 병원, 호텔, 사무실, 공공시설 등 사람이 생활하고 이동하는 공간에서 다양한 작업을 수행합니다. 안내와 접객을 담당하기도 하고, 음식이나 물건을 운반하거나 청소 작업을 수행하기도 합니다.

서비스 로봇에는 이동을 위한 바퀴뿐 아니라 다양한 관절과 회전축이 사용될 수 있습니다. 화면이나 머리 부분의 방향을 바꾸는 축, 물건을 전달하는 로봇 팔, 적재함의 문을 여닫는 기구, 청소 장치의 위치를 바꾸는 축 등이 대표적입니다.

이러한 관절은 산업용 로봇과 마찬가지로 필요한 힘과 움직임을 만들어야 하지만 사용 환경에는 차이가 있습니다. 서비스 로봇은 사람 가까이에서 움직이고, 오랜 시간 반복해서 작동하며, 제품의 크기와 소음도 실제 사용성과 연결됩니다.

따라서 서비스 로봇 관절을 설계할 때는 토크와 감속비뿐 아니라 관절이 어떤 역할을 하는지, 사람과 어느 정도 가까운 위치에서 움직이는지, 얼마나 자주 작동하는지, 로봇 내부에 어느 정도의 공간을 사용할 수 있는지를 함께 살펴봐야 합니다.

이 글에서는 서비스 로봇 관절의 주요 역할과 구동부를 선정할 때 고려해야 하는 조건을 정리합니다.

서비스 로봇에서 관절은 어디에 사용되나

서비스 로봇의 형태는 수행하는 작업에 따라 다양합니다.

안내 로봇에서는 화면이나 머리 부분을 사람 방향으로 돌리거나 간단한 몸짓을 표현하기 위해 회전축을 사용할 수 있습니다. 팔을 가진 서비스 로봇이라면 물건을 집거나 전달하기 위해 어깨와 팔꿈치, 손목에 여러 관절이 들어갈 수 있습니다.

서빙이나 배송 로봇에서는 적재함의 문을 열고 닫거나 선반의 높이를 조절하는 기구에 구동부를 사용할 수 있습니다.

청소 로봇도 주행부만으로 구성되는 것은 아닙니다. 장비 구조에 따라 브러시나 청소 기구의 위치와 각도를 바꾸는 구동축이 추가될 수 있습니다.

같은 서비스 로봇 안에서도 관절의 역할은 서로 다릅니다.

화면 방향을 바꾸는 축과 물건을 들어 올리는 로봇 팔 관절에는 필요한 토크가 다르고, 짧은 각도를 반복해서 움직이는 축과 넓은 범위를 회전하는 관절도 운전 조건이 다릅니다.

따라서 서비스 로봇 관절의 구동부는 로봇 전체를 하나의 기준으로 선정하기보다 각 관절이 실제로 어떤 움직임을 담당하는지를 먼저 구분하는 것이 좋습니다.

서비스 로봇의 용도에 따라 관절 동작도 달라진다

안내와 접객을 위한 서비스 로봇에서는 비교적 작은 움직임이 반복될 수 있습니다.

사람이 있는 방향으로 화면을 돌리거나 머리와 팔의 자세를 바꾸는 동작처럼 큰 하중을 움직이지 않더라도 관절이 하루 동안 여러 차례 작동할 수 있습니다.

배송이나 서빙 로봇에서는 다른 조건이 나타납니다.

적재함이나 선반을 움직이는 기구가 있다면 실려 있는 물건의 무게를 포함해 필요한 구동 조건을 정해야 합니다. 로봇 팔을 이용해 직접 물건을 전달하는 경우에는 팔 자체의 무게와 끝단 장치, 전달할 물건의 무게를 함께 고려해야 합니다.

청소 로봇에서는 청소 장치가 실제 바닥과 가까운 위치에 있기 때문에 다른 관절과 사용 환경이 달라질 수 있습니다. 먼지나 물기가 발생하는 위치에 구동부가 가까이 있다면 제품의 공식 사용 조건을 기준으로 적용 여부를 확인해야 합니다.

조리나 판매를 보조하는 서비스 로봇이라면 일정한 순서의 동작을 반복하는 경우가 많습니다. 어떤 도구나 물건을 움직이는지와 실제 작업 주기를 기준으로 관절 조건을 정리할 수 있습니다.

결국 서비스 로봇의 관절은 안내용인지, 물건을 움직이는 용도인지, 청소나 작업 장치를 움직이는 용도인지에 따라 필요한 구동 조건이 달라집니다.

사람 가까이에서 움직이는 관절

서비스 로봇의 특징 가운데 하나는 일반 이용자가 로봇 가까이 접근할 수 있다는 점입니다.

산업용 생산 설비와 달리 매장이나 병원, 호텔과 같은 공간에서는 로봇 사용법을 모르는 사람도 장비 옆을 지나갈 수 있습니다.

따라서 움직이는 관절과 외장 구조를 설계할 때는 사람이 접근할 수 있다는 조건을 고려해야 합니다.

관절이 회전할 때 외장 사이의 간격이 어떻게 달라지는지와 사람이 손을 댈 수 있는 위치에 움직이는 구조가 노출되는지를 함께 살펴볼 필요가 있습니다.

로봇 팔이 사람에게 물건을 전달하는 경우에는 작업 범위와 움직임 역시 중요합니다.

어느 위치까지 팔이 움직이는지, 로봇 주변에서 사람이 어느 방향으로 접근하는지, 다른 구조물과 간섭할 가능성이 있는지를 로봇 전체 설계에서 고려해야 합니다.

이러한 조건은 감속기나 액추에이터만으로 해결되는 부분은 아닙니다. 로봇의 기구 구조와 외장, 센서와 제어 등을 함께 구성해야 합니다.

따라서 서비스 로봇 관절에서는 구동부의 성능과 함께 사람이 접근하는 공간에서 관절이 어떤 형태로 움직이고 외부에 노출되는지를 보는 것이 중요합니다.

반복되는 동작과 정지 상태를 함께 본다

서비스 로봇은 영업이나 시설 운영 시간 동안 여러 동작을 반복할 수 있습니다.

안내 로봇의 화면 회전처럼 작은 각도를 반복해서 움직이는 축이 있을 수 있고, 로봇 팔처럼 여러 각도를 오가며 작업하는 관절도 있습니다.

따라서 구동부를 선정할 때는 한 번의 최대 토크뿐 아니라 실제 운전 과정에서 어떤 움직임이 반복되는지를 살펴봐야 합니다.

움직이지 않는 시간도 고려해야 합니다.

서비스 로봇은 특정 자세에서 이용자를 기다리거나 물건을 든 상태로 잠시 멈추는 경우가 있습니다. 승강 기구가 특정 높이에 멈춰 있거나 로봇 팔이 일정한 자세를 유지해야 할 수도 있습니다.

이처럼 관절에 따라서는 움직이는 구간과 자세를 유지하는 구간이 하나의 작업 사이클 안에 함께 들어갑니다.

따라서 실제 서비스 로봇의 운전 조건을 정리할 때는 움직이는 시간, 멈춰 있는 시간, 한 동작이 반복되는 횟수와 관절의 사용 범위를 함께 살펴보는 것이 좋습니다.

서비스 로봇에서는 소음도 구동 조건이 된다

서비스 로봇은 사람이 머무는 공간에서 작동하는 경우가 많습니다.

병원이나 호텔, 사무실처럼 비교적 조용한 공간이 있을 수 있고, 매장이나 식당처럼 고객과 직원이 대화를 나누는 장소에서도 사용할 수 있습니다.

따라서 서비스 로봇에서는 구동부에서 발생하는 소리도 제품 설계와 연결됩니다.

로봇에서 발생하는 소리는 관절 구동부 하나에서만 나오지는 않습니다. 주행 바퀴와 팬, 외장 구조, 각종 기구가 함께 소리를 만들 수 있기 때문에 실제 완성된 로봇 상태에서 전체 소음을 살펴봐야 합니다.

관절 구동부를 선정할 때도 제품의 소음 특성을 비교할 수 있습니다.

특히 안내 동작처럼 사람의 눈앞에서 자주 움직이는 관절이나 오픈된 공간에서 반복해서 작동하는 축이라면 구동부에서 발생하는 소리가 로봇의 사용 환경과 어울리는지 고려할 필요가 있습니다.

서비스 로봇에서는 출력 조건뿐 아니라 사람 가까이에서 반복적으로 움직일 때 어떤 소리가 발생하는지도 중요한 제품 조건이 될 수 있습니다.

관절의 두께와 로봇 전체 크기

서비스 로봇은 매장 통로나 병원 복도, 엘리베이터처럼 공간이 제한된 장소를 이동할 수 있습니다.

따라서 로봇 전체의 폭과 높이도 중요한 설계 조건입니다.

상부에 로봇 팔이나 회전 기구가 추가되는 경우에는 관절의 크기가 전체 외형에 영향을 줄 수 있습니다. 여러 관절을 가진 로봇 팔이라면 어깨와 팔꿈치, 손목의 구동부 두께가 링크 구조와 함께 로봇의 외형을 결정하게 됩니다.

외장을 구성할 공간도 필요합니다.

서비스 로봇은 내부의 모터와 감속기, 케이블 등이 그대로 노출되기보다 제품 외장 안쪽에 배치되는 경우가 많습니다. 따라서 구동부 자체의 크기뿐 아니라 외장을 포함한 최종 관절 크기를 기준으로 보는 것이 좋습니다.

박형 구동부를 활용하면 제한된 관절 공간에서 외장과 링크를 구성할 때 선택할 수 있는 구조가 늘어날 수 있습니다.

결국 서비스 로봇에서는 관절 하나의 크기가 로봇 전체 폭, 외장 형상, 관절의 작업 범위와 연결됩니다.

여러 대를 운영할 때 달라지는 관절 설계

서비스 로봇은 개발 단계의 한 대와 실제 현장에서 운영되는 여러 대의 조건이 다를 수 있습니다.

같은 제품을 여러 장소에 배치한다면 부품 구성과 조립 방법, 교체할 부품의 종류도 운영과 연결됩니다.

관절마다 전혀 다른 구동부를 사용하면 각각의 제품에 맞는 부품을 따로 관리해야 합니다. 반대로 비슷한 조건의 관절에서 동일한 제품을 활용할 수 있다면 관리해야 하는 구동부 종류를 줄일 수 있습니다.

정비 방법도 함께 고려할 수 있습니다.

현장에서 관절 내부까지 분해해 수리하는 구조인지, 구동부나 관절 모듈을 교체한 뒤 별도로 수리하는 구조인지에 따라 로봇 설계가 달라질 수 있습니다.

서비스 로봇은 매장이나 시설에 설치되기 때문에 전문 정비 인력이 항상 장비 옆에 있는 것은 아닙니다.

따라서 개발 초기부터 어느 부분까지 현장에서 점검하고 어떤 부품을 교체 단위로 구성할 것인지를 정리하면 실제 운용 방법도 명확해집니다.

서비스 로봇 관절 구동부를 선정할 때

서비스 로봇의 관절 구동부를 선정할 때는 먼저 관절이 담당하는 기능을 정리하는 것이 좋습니다.

사람에게 방향을 안내하는 가벼운 회전축인지, 물건을 들어 올리는 로봇 팔인지, 적재부를 움직이는 승강 기구인지에 따라 필요한 조건이 달라집니다.

그다음 실제로 움직여야 하는 하중과 동작 범위를 살펴봅니다.

로봇 팔이라면 링크와 끝단 장치, 물건의 무게를 함께 고려해야 하고, 개폐 기구라면 문이나 커버의 구조와 필요한 회전 범위를 기준으로 볼 수 있습니다.

반복되는 동작도 중요합니다.

하루 동안 어느 정도 작동하는지와 움직이는 구간, 멈춘 상태로 자세를 유지하는 구간 등을 실제 운용 과정에 맞춰 정리하는 것이 좋습니다.

관절의 설치 공간과 배선도 함께 살펴봐야 합니다.

서비스 로봇은 내부 공간이 제한되어 있고 외장까지 포함해야 하기 때문에 구동부의 두께와 외형이 전체 구조에 영향을 줄 수 있습니다.

서비스 로봇 관절 설계와 BCSA

본시스템즈의 BCSA는 사이클로이드 감속 기술을 기반으로 얇고 컴팩트하게 설계된 로봇용 액추에이터입니다.

서비스 로봇은 사람과 같은 공간에서 사용되기 때문에 관절이 차지하는 크기와 외형이 전체 제품 설계에 영향을 줄 수 있습니다.

BCSA의 박형 구조는 제한된 공간 안에서 로봇 관절을 구성할 때 활용할 수 있는 특징입니다. 안내 로봇의 회전축부터 로봇 팔의 어깨와 팔꿈치처럼 여러 관절이 연결되는 구조까지 필요한 공간과 토크를 기준으로 적용 모델을 검토할 수 있습니다.

서비스 로봇 팔이나 승강 기구에서는 물건이나 장치를 움직이기 위한 토크도 필요합니다.

BCSA는 컴팩트한 외형 안에서 높은 토크를 사용할 수 있도록 구성된 액추에이터로, 관절의 설치 공간과 실제 작업 하중을 함께 고려해야 하는 서비스 로봇에서 제품 선택지로 살펴볼 수 있습니다.

낮은 백래시도 서비스 로봇의 관절 동작과 연결되는 특징입니다.

화면이나 로봇 팔을 정해진 위치로 움직이거나 물건을 일정한 위치에서 전달하는 구조에서는 정확한 동작이 중요합니다. BCSA의 낮은 백래시는 이러한 관절 동작을 구성할 때 검토할 수 있는 구동부 특성입니다.

사람 가까이에서 움직이는 서비스 로봇에서는 소음도 중요한 조건입니다.

BCSA는 저소음 특성을 고려한 액추에이터로, 매장이나 병원, 호텔, 사무실처럼 사람이 머무는 공간에서 사용하는 로봇의 관절 구동부를 검토할 때 살펴볼 수 있습니다.

중공 구조가 적용된 BCSA 모델은 관절 내부의 배선 구성에도 활용할 수 있습니다.

로봇 팔 끝단의 그리퍼와 센서, 머리와 화면에 설치된 장치까지 전원선과 신호선을 연결해야 하는 경우 중심부 공간을 케이블 경로로 활용하는 방법을 검토할 수 있습니다.

서비스 로봇을 여러 대 생산하는 경우에는 구동부의 모델 구성도 중요한 부분입니다. BCSA는 여러 규격의 라인업을 갖추고 있어 관절 위치와 요구 토크에 맞춰 모델을 검토할 수 있으며, 비슷한 조건의 관절에서는 제품 구성을 정리하는 방식도 생각할 수 있습니다.

다만 서비스 로봇의 안전성은 액추에이터의 특정 특성 하나로 결정되지 않습니다.

사람과 같은 공간에서 사용하는 로봇이라면 관절의 구조와 외장, 센서, 제어 방식과 실제 동작 조건을 함께 설계해야 합니다.

따라서 서비스 로봇에서 BCSA를 검토할 때는 박형 구조, 고토크, 낮은 백래시, 저소음, 중공 구조를 관절 설계 조건과 비교하고, 로봇 전체의 안전 구조와 사용 환경은 별도로 함께 검토하는 방식이 적절합니다.

FAQ

참고자료

1. 한국로봇산업협회(KAR) – https://www.korearobot.or.kr

2. 한국로봇산업진흥원(KIRIA) – https://www.kiria.org

3. 한국로봇융합연구원(KIRO) – https://www.kiro.re.kr

4. 한국기계연구원 – https://www.kimm.re.kr

5. 산업통상자원부 – https://www.motie.go.kr

6. 국제표준화기구(ISO) – https://www.iso.org

7. 국제로봇연맹(IFR) – https://ifr.org

8. 한국산업기술시험원(KTL) – https://www.ktl.re.kr

9. 본시스템즈 공식 홈페이지 – https://www.bonsystems.co.kr

태그: 서비스로봇, 관절구동, 액추에이터, BCSA, 사이클로이드감속기