창고 로봇 팔 구동 조건 정리와 BCSA 액추에이터 활용

목차

• 창고 로봇 팔은 어떤 작업을 하나
• 다양한 품목을 다루는 창고의 특징
• 반복되는 피킹 작업과 구동부
• 로봇 팔을 뻗을수록 달라지는 관절 조건
• 선반과 통로가 로봇 크기를 제한한다
• 이동 로봇 위에 팔을 올리는 경우
• 창고 환경도 작업 구역에 따라 달라진다
• 창고 로봇 팔의 구동부를 선정할 때
• 물류 로봇 팔의 관절 설계와 BCSA
• FAQ
• 참고자료

물류 창고 로봇 팔에 요구되는 구동 조건 정리

창고 로봇 팔은 물류 과정에서 상자와 봉투, 낱개 상품 등을 집어 다른 위치로 옮기는 작업에 활용됩니다. 피킹과 디팔레타이징, 분류 설비 투입처럼 작업 목적은 다양하지만 물건을 인식하고 집은 뒤 원하는 위치로 이동한다는 기본적인 동작은 비슷합니다.

다만 창고에서 다루는 물건은 크기와 무게, 포장 형태가 일정하지 않은 경우가 많습니다. 같은 로봇 팔을 사용하더라도 집어야 하는 위치와 팔을 뻗는 거리, 손목의 자세가 작업마다 달라질 수 있습니다.

설치 환경도 중요한 조건입니다. 고정된 작업대에 로봇을 설치할 수도 있지만 이동 로봇 위에 팔을 탑재해 여러 선반 사이를 오가는 방식도 활용할 수 있습니다. 이 경우 로봇 팔의 크기와 무게는 이동 플랫폼의 구조와도 연결됩니다.

따라서 창고 로봇 팔의 구동부를 검토할 때는 최대 하중 하나만으로 판단하기보다 취급하는 품목, 반복되는 작업, 팔의 자세 변화, 설치 공간과 이동 플랫폼의 조건을 함께 살펴봐야 합니다.

이 글에서는 물류 창고에서 로봇 팔이 수행하는 작업을 살펴보고, 각 관절의 구동부를 설계할 때 어떤 조건을 고려해야 하는지 정리합니다.

창고 로봇 팔은 어떤 작업을 하나

창고 로봇 팔의 대표적인 작업으로는 피킹과 디팔레타이징, 분류 설비 투입 등이 있습니다.

피킹은 보관된 상품 가운데 필요한 물건을 골라 다른 용기나 작업 위치로 옮기는 작업입니다. 여러 종류의 상품을 취급하는 창고에서는 상품마다 크기와 형태가 다르기 때문에 로봇이 접근하는 위치와 자세도 달라질 수 있습니다.

디팔레타이징은 팔레트에 적재된 상자나 제품을 하나씩 꺼내 컨베이어나 다른 운반 장비로 이동시키는 작업입니다.

팔레트의 위쪽에서 작업할 때와 아래쪽에서 작업할 때는 로봇 팔의 자세가 달라집니다. 같은 상자를 옮기더라도 어느 높이와 위치에서 집는지에 따라 각 관절이 움직이는 범위도 달라질 수 있습니다.

분류 설비에 상품을 투입하는 작업에서는 물건을 집은 뒤 정해진 위치에 놓는 과정이 반복됩니다. 필요하다면 상품의 방향을 바꾸거나 정해진 자세로 놓는 움직임도 추가될 수 있습니다.

이처럼 창고 로봇 팔은 모두 물건을 옮기는 역할을 하지만 어디에서 집고 어디에 놓는지, 그 사이에서 어떤 자세를 만들어야 하는지에 따라 필요한 로봇 구조가 달라집니다.

다양한 품목을 다루는 창고의 특징

생산 공장에서는 일정한 형태의 부품을 반복해서 옮기는 작업을 구성할 수 있습니다. 반면 물류 창고에서는 하나의 로봇이 서로 다른 크기와 형태의 상품을 취급하는 경우가 있습니다.

작은 상자를 집은 다음에는 큰 상자를 다룰 수 있고, 단단한 포장과 유연한 포장이 같은 작업 구역에 들어올 수도 있습니다.

이러한 차이는 로봇 끝에 설치되는 그리퍼뿐 아니라 로봇 팔의 움직임에도 영향을 줍니다.

상품을 위에서 집을 수 있는 경우가 있는 반면 옆쪽에서 접근해야 하는 상황도 생길 수 있습니다. 다른 상품이 주변에 놓여 있다면 이를 피하면서 접근해야 할 수도 있습니다.

파지에 실패했을 때 다시 접근하는 동작도 발생할 수 있습니다.

따라서 창고 로봇 팔을 설계할 때는 하나의 대표 동작만 만드는 것보다 실제 취급 품목에서 나타날 수 있는 여러 자세를 확인하는 것이 중요합니다.

특히 각 관절이 사용하는 범위가 넓다면 로봇 끝단의 작업 범위뿐 아니라 각 축이 어느 각도에서 어느 정도의 하중을 움직이는지도 함께 살펴봐야 합니다.

반복되는 피킹 작업과 구동부

창고 로봇 팔은 같은 종류의 동작을 여러 차례 반복합니다.

상품을 향해 팔을 움직이고, 그리퍼로 집은 뒤 다른 위치로 이동하고, 다시 다음 상품을 향해 움직이는 과정이 이어집니다.

하지만 모든 사이클이 완전히 같지는 않습니다.

상품 위치와 크기가 달라지면 이동 거리와 관절 자세도 달라질 수 있고, 한 번에 집지 못하면 추가 동작이 발생할 수도 있습니다.

따라서 구동부를 선정할 때는 한 번의 최대 동작뿐 아니라 실제 운영 과정에서 반복되는 움직임을 함께 살펴보는 것이 좋습니다.

피킹 로봇에서는 빠르게 움직이는 구간과 물건 가까이에서 자세를 조정하는 구간이 하나의 작업 안에 함께 있을 수 있습니다.

물건을 내려놓은 뒤 다음 상품으로 이동할 때는 관절이 다시 반대 방향으로 움직이는 경우도 많습니다.

이처럼 창고 로봇 팔의 구동부는 특정 동작 하나보다 작업 한 사이클에서 각 관절이 어떤 움직임을 반복하는지를 기준으로 검토해야 합니다.

로봇 팔을 뻗을수록 달라지는 관절 조건

창고 로봇 팔에서는 같은 물건을 집더라도 물건의 위치에 따라 관절의 조건이 달라질 수 있습니다.

로봇 가까이에 있는 상자를 집을 때와 선반 안쪽에 있는 상자를 집을 때는 팔의 자세가 다릅니다.

특히 팔을 멀리 뻗으면 작업물과 그리퍼뿐 아니라 로봇 팔 자체의 구조도 관절에 영향을 줍니다. 따라서 로봇의 가반하중만 확인하기보다 실제로 어느 거리까지 팔을 뻗어 작업해야 하는지를 함께 살펴봐야 합니다.

디팔레타이징에서도 비슷합니다.

팔레트 위쪽에 있는 상자와 낮은 위치에 있는 상자를 집을 때 로봇의 자세가 달라지기 때문에 각 관절이 사용하는 구간도 달라질 수 있습니다.

그리퍼 역시 함께 고려해야 합니다.

진공 그리퍼나 기계식 그리퍼처럼 어떤 장치를 끝단에 사용하는지에 따라 로봇이 함께 움직여야 하는 무게와 외형이 달라질 수 있기 때문입니다.

따라서 관절 구동부를 검토할 때는 상품 무게 + 그리퍼 무게 + 실제 작업 거리와 자세를 함께 놓고 보는 것이 좋습니다.

선반과 통로가 로봇 크기를 제한한다

물류 창고에서는 보관 공간을 확보하기 위해 선반이 촘촘하게 배치되는 경우가 많습니다.

로봇 팔이 선반 주변에서 작업한다면 단순히 작업 범위가 넓은 로봇을 선택하는 것으로 끝나지 않습니다. 팔을 움직이는 과정에서 선반과 주변 구조물을 피할 수 있어야 하기 때문입니다.

관절의 크기도 이와 연결됩니다.

로봇의 어깨나 팔꿈치 부분이 두꺼워지면 회전할 때 주변에 더 많은 공간이 필요합니다. 선반 가까이에서 작업하는 로봇이라면 관절의 외형이 실제 동작 경로에 영향을 줄 수 있습니다.

작업하지 않을 때 로봇 팔을 어느 정도 접을 수 있는지도 중요합니다.

특히 이동 플랫폼 위에 로봇 팔을 설치하는 경우에는 이동 중 로봇이 차지하는 전체 폭과 높이를 고려해야 합니다. 좁은 통로를 지나야 한다면 팔을 접은 상태에서 플랫폼 안쪽으로 얼마나 정리할 수 있는지도 장비 설계와 연결됩니다.

따라서 창고 로봇 팔에서는 작업 범위가 넓으면서도 필요한 순간에는 전체 외형을 작게 구성할 수 있는 구조가 중요한 조건이 될 수 있습니다.

이동 로봇 위에 팔을 올리는 경우

창고 로봇 팔은 바닥이나 작업대에 고정할 수도 있지만 AMR과 같은 이동 플랫폼 위에 설치할 수도 있습니다.

이러한 형태는 하나의 작업 위치에 로봇을 고정하지 않고 여러 선반이나 작업 구역으로 이동해 작업할 수 있다는 특징이 있습니다.

하지만 이동 플랫폼 위에 로봇 팔을 올리면 로봇 팔의 조건을 플랫폼과 따로 보기 어렵습니다.

먼저 전체 크기가 달라집니다.

플랫폼 위에는 주행 구동부와 배터리, 제어 장치 등이 들어가고 그 위에 다시 로봇 팔이 설치됩니다. 따라서 로봇 팔의 베이스와 관절이 차지하는 공간이 커지면 플랫폼 전체 크기에도 영향을 줄 수 있습니다.

무게도 함께 고려해야 합니다.

로봇 팔과 그리퍼, 작업물이 플랫폼 위에 추가되므로 이동체가 움직여야 하는 전체 무게가 달라집니다.

작업할 때의 자세도 중요합니다.

팔이 한쪽으로 길게 뻗는 경우와 몸체 가까이에서 작업하는 경우에는 전체 장비에서 무게가 놓이는 위치가 달라집니다. 따라서 이동 플랫폼과 로봇 팔을 결합한 장비에서는 실제 작업 자세를 포함해 전체 구조를 검토해야 합니다.

결국 이동형 창고 로봇은 주행부와 로봇 팔을 각각 선정한 뒤 결합하는 것보다 하나의 장비로 놓고 크기와 무게, 작업 범위를 함께 구성하는 것이 중요합니다.

창고 환경도 작업 구역에 따라 달라진다

모든 물류 창고가 같은 환경을 가지고 있는 것은 아닙니다.

일반적인 상온 창고가 있는 반면 냉장이나 냉동 구역에서 제품을 보관하는 시설도 있습니다. 외부와 연결되는 도크 주변은 실내 안쪽과 다른 온도 조건을 가질 수 있습니다.

포장재를 많이 다루는 공간에서는 먼지나 포장재 조각 등이 발생할 수도 있습니다.

따라서 창고 로봇 팔에 사용할 감속기와 액추에이터를 선정할 때는 실제 설치 장소를 기준으로 제품의 사용 조건을 확인해야 합니다.

특히 냉장·냉동 환경에서 사용하는 로봇이라면 일반적인 상온용 장비와 같은 기준으로 판단해서는 안 됩니다. 감속기와 모터뿐 아니라 센서와 케이블 등 전체 구성 요소가 실제 사용 온도에 적합한지를 확인해야 합니다.

상온과 저온 구역을 오가는 이동형 장비라면 두 환경을 모두 포함한 운용 조건을 살펴봐야 합니다.

즉 물류 창고라는 산업 분야만으로 환경 조건을 정하기보다 로봇이 실제로 어느 구역에서 사용하는지를 기준으로 제품을 선정하는 것이 적절합니다.

창고 로봇 팔의 구동부를 선정할 때

창고 로봇 팔의 구동부를 선정할 때는 가장 먼저 취급할 상품과 그리퍼의 조건을 정리하는 것이 좋습니다.

어느 정도의 무게를 집어야 하는지와 그리퍼 자체의 무게를 확인하고, 이를 실제 작업 거리와 함께 살펴봅니다.

다음으로 로봇의 작업 범위를 확인합니다.

선반의 어느 깊이까지 접근해야 하는지, 팔레트의 어느 높이까지 작업해야 하는지에 따라 각 관절이 움직이는 범위가 달라질 수 있습니다.

반복되는 작업도 중요한 조건입니다.

피킹과 이동, 내려놓기, 원위치 이동이 실제 운영 중 어떻게 이어지는지를 기준으로 각 관절의 운전 조건을 정리할 수 있습니다.

이동 플랫폼에 로봇 팔을 설치한다면 전체 장비의 크기와 무게도 함께 고려해야 합니다.

특히 플랫폼의 폭이 제한되어 있다면 로봇 베이스와 각 관절이 차지하는 공간도 중요해집니다.

물류 로봇 팔의 관절 설계와 BCSA

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

물류 창고의 로봇 팔에서는 여러 관절을 이용해 선반과 컨테이너, 팔레트 사이를 오가야 하기 때문에 각 관절이 차지하는 공간이 로봇 전체 외형과 연결됩니다.

특히 선반 가까이에서 작업하거나 이동 플랫폼 위에 로봇 팔을 배치하는 경우에는 관절이 두꺼워질수록 주변 구조물과의 간섭을 피하기 위한 공간도 커질 수 있습니다.

BCSA의 박형 구조는 이러한 제한된 공간 안에서 다관절 로봇을 구성할 때 검토할 수 있는 특징입니다. 각 관절의 축 방향 두께를 기준으로 로봇 팔의 외형과 링크 배치를 함께 설계할 수 있습니다.

상품을 집어 이동시키는 로봇에서는 관절이 실제 작업 하중을 움직일 수 있는지도 중요합니다.

BCSA는 컴팩트한 외형에서 높은 토크를 사용할 수 있도록 구성된 액추에이터로, 상품과 그리퍼의 무게, 실제 작업 자세를 기준으로 필요한 모델을 선택할 수 있습니다. 특히 어깨와 팔꿈치처럼 로봇 팔의 주요 하중을 움직이는 관절에서는 필요한 토크와 설치 공간을 함께 놓고 제품을 검토할 수 있습니다.

피킹과 분류 작업에서는 상품을 정해진 위치로 이동하는 동작이 반복됩니다.

BCSA의 낮은 백래시는 이처럼 물건을 집고 정해진 위치로 이동하는 로봇 관절에서 정확한 동작을 구성하기 위한 요소로 활용할 수 있습니다.

중공 구조도 물류 로봇 팔의 관절 설계와 연결할 수 있습니다.

로봇 끝단에는 그리퍼뿐 아니라 카메라나 센서 등이 설치될 수 있으며, 이를 위한 전원선과 신호선이 여러 관절을 지나야 할 수 있습니다. 중공 구조가 적용된 BCSA 모델에서는 중심부 공간을 이용해 케이블 경로를 구성하는 방법을 검토할 수 있습니다.

이동 플랫폼 위에 로봇 팔을 구성하는 경우에는 구동부의 크기와 무게가 플랫폼 전체 설계에도 영향을 줄 수 있습니다. BCSA의 박형·컴팩트한 구조는 제한된 플랫폼 상부 공간에 다관절 작업부를 배치할 때 제품 선택 기준 가운데 하나가 될 수 있습니다.

다만 창고라고 해서 모든 환경에 같은 BCSA 모델을 적용할 수 있는 것은 아닙니다.

일반 상온 창고와 냉장·냉동 창고는 사용 환경이 다르므로 실제 설치 장소가 제품의 공식 사용 조건에 포함되는지 먼저 확인해야 합니다.

따라서 물류 로봇 팔에서는 작업 하중과 관절 토크, 제한된 설치 공간, 반복되는 위치 이동, 관절 내부의 배선 구조를 기준으로 BCSA의 적용 모델을 검토하는 것이 좋습니다.

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. 국제로봇연맹(IFR) – https://ifr.org

7. 국제표준화기구(ISO) – https://www.iso.org

8. 국가기술표준원 – https://www.kats.go.kr

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

태그: 창고로봇팔, BCSA, 사이클로이드감속기, 물류로봇, 피킹로봇