Chapter 1 입문 1.1 로봇의역사 1 2 1.2 로봇의응용분야 1.1.1 로봇의역사 1.1.2 로봇의응용분야 1.1.3 로봇의분류 1.1.4 로봇의구조및성능 1.2.1 산업용로봇 1.2.2 가정용로봇 1.2.3 의료용로봇 1.2.4 군사용로봇 1.2.5 우주용로봇 1.2.6 기타용도로봇 1.2.7 인간형로봇 1.2.8 기타특수형태의로봇 1.3 로봇의분류 1.4 로봇의구조및성능 1.3.1 구동기에의한분류 1.3.2 작업영역과형상에의한분류 1.3.3 제어법에의한분류 1.3.4 제어경로에의한분류 Introduction 3 4 1.4.1 로봇의구조 1.4.2 로봇의성능
1.1 로봇의역사 로봇의어원 로봇의정의 로봇의역사 로봇의행동원칙 로봇의발달
로봇의어원 로봇 (Robot) 의어원은체코어로 강제노동 (Forced labor) 을뜻하는 Robota 에서유래됨. 1921 년체코슬로바키아의극작가 Karel Capek 이그의풍자적인희곡 R.U.R.(Rossum s Universal Robots) 에서처음사용. Karel Capek Unimate사를설립하여로봇을상업화한 J.F. Engelberger. Rossum s Universal Robots
로봇의정의 로봇의용어적정의는대체적으로재프로그램 (Reprogramming) 이가능한기능과자동화 (Automation) 라는개념을내포하고있음. 사전이나공상과학등에서는 인간의형상을한기계 로정의되는경우가많으나, 형상과는무관하게실용적인측면으로정의되는것이바람직할것. Movie Terminator IV 모든정신노동과육체노동을인간과똑같이할수있으나인간적정서내지영혼을가지지못하며, 마모되었을때에는폐품으로서신품과교환할수있는기계인간. An automatic device that performs ordinary functions ascribed to human being (Webster Dictionary) Industrial robot a reprogrammable multi-functional manipulator desired to move materials, parts, tools, or specialized devices, through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks. (RIA)
로봇의발달 지능형로봇 Intelligent/ Agent robot 서비스로봇 Service robot 2010(?) 산업용로봇 Museum tour robot Entertainment robot 2003 Human guided vehicle Human guided robot Auto guided vehicle (AGV) Free ranging mobile robot 1995 2000 Industrial robot 1990 1. 로봇의설계는기원전부터시작. 1985 2. 1940 년대부터로봇기술의급속한발전. 1962 1980 3. 현재유비쿼터스로봇, 지능형로봇개발이진행되는추세.
미국 OAK-RIDGE National Lab. y r MASTER-SLAVE 1940 s 1950 s 미국 George Devol o s o qu. 미국 Henry Ernst Œp o s MH-1 1960 s 1970 s 일본 Yamanashi vp s d, u s SCARA 미국 CMU yu Œ q 1980 s 1990 s 일본 SONY wr ssy s AIBO ƒg 일본 HONDA s ASIMO 2000 s 미국 Boston Dynamics y o s sd q BigDog
로봇의행동원칙 Isaac Asimov 1950년 Isaac Asimov 가그의단편소설Runaround 에서기술한로봇의행동원칙 (Laws of Robotics) 1. 로봇은인간을대치게해서는안되며, 또한로봇의행동이인간에게해를끼쳐서는안된다. 2. 로봇은첫번째규칙의범위내에서인간의명령에복종해야한다. 3. 로봇은위의두가지를벗어나지않는범위내에서그자신을보호해야한다. 위의원칙은과학이발달함에따라공상과학영화에서볼수있는고지능로봇이출현하면그의미가더욱중요하게부각될것이며, 생명공학의발달로로봇에생체를이식할수있게되면, 인간과로봇의경계가모호해질수있으므로로봇에대한기술적인개발에앞서서로봇의존재에대한윤리적인측면을먼저고려하여야할것임. HONDA ASIMO
1.2 로봇의응용분야 산업용로봇 가정용로봇 인간형로봇 Robot Application 의료용로봇 우주용로봇 군사용로봇
1.2.1 산업용로봇 (Industrial Robot) KUKA KL1500 산업용로봇? 부품, 재료, 기구등을다루기위해고안된재프로그래밍이가능한기계적인장치.(RIA 정의 ) 자동화 경성자동화 (Hard Automation): 작업대상물을다루는데가장적합한전용기계를사용하기때문에작업효율과생산성이높다는장점이있음. 연성자동화 (Soft Automation): 로봇과같이비교적간단한조작에의해서그기능을변환시킬수있는기계를사용하기때문에다양한종류의작업대상물에사용할수있다는장점이있음. ATMEGA GO1S 산업용로봇의장점 1. 생산성이높아진다. 2. 인건비가절감된다. 3. 양질의제품을생산한다. 4. 작업대상의종류에유연성이있다. 5. 작업환경이개선된다. 6. 위험한작업에사용할수있다.
1.2.2 가정용로봇 (Home Service Robot) AIBO, SONY 가정용로봇은기술적인제약과산업용로봇에비해좁은시장성으로인하여경제성이낮아그생산대수가극히제한적이었으나, IT 산업등의발달로인하여앞으로는급속한증가세가기대되는분야. 타분야로봇보다사용자와의원활한상호작용을위해기계시각, 음성인식등이정밀하게요구됨. 예 : 1) 가사용로봇, 2) 방범용로봇, 3) 장난감로봇, 4) 실버로봇등. 향후이들로봇의학습능력, 적응능력, 진화능력등이보완되면사람을인식하고, 사람의감정을이해하며이에적절히대응하는행동을할수있어원만하게인간과공생할수있으리라전망됨. Roomba, irobot
1.2.3 의료용로봇 (Medical robot) 수술용로봇 : 로봇은인간보다훨씬더정밀한작업이가능하기때문에뇌수술과같이초정밀성이요구되는수술, 혹은작업자가위험한방사능에노출될수있는방사선치료등과같은곳에사용. Da Vinci, surgical robot 간호용로봇 : 환자를간호하는일은비교적장시간동안환자에대한세심한관심이필요하기때문에, 이를해결하기위해많은병원에서는환자의보행을도와주고, 환자의상태를항상검사하여의료진에게연락해주는로봇이사용되고있음. Paro, AIST
1.2.4 군사용로봇 (Military robot) 군사용로봇은그형태와용도가매우다양하며, 평화시에는군인을대신할수있기때문에병력의감축효과가있고, 전투시에는전투용, 정찰용, 재급유용, 지뢰탐지용, 기타위험한상황에서군인을대체하여사용. 용도 : 전투용, 폭발물처리용, 감시용, 물자수송용등. Talon Global Hawk
1.2.5 우주용로봇 (Space robot) 지구와다른환경을가지고있는우주공간에서는인간이작업하기어렵기때문에우주탐사및우주선수리등에우주용로봇이사용되고있음. Spirit & Opportunity 화성탐사용로봇 Spirit(& Opportunity) 은하루에약 40m 씩이동하며 90 일간화성의흙과바위의성분을분석하여물의존재여부를판단하는자료를지구에전송하는임무를가지고발사되어과거화성에물과바다가있었다는것을확인하는근거를제시하였음. 이외에도우주정거장수리등정밀한제어가필요한분야에 Canadam 등과같은로봇팔이사용되고있음. Canadam
1.2.6 기타용도로봇 (Others) 예 ) 해양탐사용로봇채광용로봇양모손질용로봇농약살포용로봇교육용로봇 The DeLaval VMS TM (the Voluntary Milking System) Robot Milking Cows MIT robot gardeners
1.2.7 인간형로봇 (Humanoid) 인간형로봇이란? Humanoid : 인간의형상과유사한형태의로봇 Android : 인간과차이점을구분할수없는로봇 2 족보행의장점 HONDA ASIMO 가사노동및노인간병각종재해현장의구난활동. 인간형로봇은그구조가비교적복잡하고제어하기힘든2족보행을하기때문에보행에대한특별한연구가진행되고있음. Example: ASIMO 는상반신을굽히거나비틀어균형을잡을수있는능력을갖추고있을뿐만아니라미리입력된지도정보와복수의감지기를통해실시간으로주변정보등을활용해스스로경로를조정할수도있으며장애물을회피하면서목적지까지가는능력을가지고있음.
1.2.8 기타특수형태의로봇 예 : 고층건물청소용로봇파이프검사용로봇곤충로봇뱀형로봇 ( 세포크기의 ) 극소형로봇 Neptune In 2006 Stickybot(Stanford Univ.) Source: http://bdml.stanford.edu/ MAV(Micro Air Vehicle)
1.3 로봇의분류 직교좌표형 전기식구동 원통형 유압식구동 구동기 작업영역 구형 공기압식구동 SCARA 형 다관절형 로봇의분류 점간제어 제어경로 제어법 서보제어 연속경로제어 비서보제어
전기식구동 로봇의관절은주로 DC 모터, AC 모터나스텝핑모터 (Stepping Motor) 와같은전기식모터에의해서구동되며, DC 모터의장점을가지며브러시가없어유지보수가편리한 BLDC(Brushless DC) 모터의사용이증가하고있음. Parker RS220FR 일반적으로모터는필요한토크와속도를얻기위해서기어와결합하여사용된다. 이경우, 부하의관성모멘트와점성마찰백래시등이모터의동적변수에영향을주어매니퓰레이터가정확한동작을하기어려운원인이되기때문에물림율이크고, 감속비가높고, 소형, 경량이며백래시가작고, 효율이높은하모닉 (Harmonic) 드라이브가많이사용되고있음. Direct Drive Motor
유압식구동 유압식 (Hydraulic) 모터는매니퓰레이터가전기식이나공기압식구동보다큰힘을필요로할때많이쓰이며, 액체의흐름에의하여동작을함. Rexroth A2FM28 유압식구동은저속에서전기식보다더원활히시스템을구동시킬수있다는장점이있음. Hydraulic Motor
공기압식구동 MDI Pneumatic Engine 공기압식 (Pneumatic) 구동장치는유압식구동장치와비슷한구조를가졌으며, 특히유연한동작을필요로하는곳이나도장등과같이화재의위험이있는용도에유용하게쓰일수있음. 공기압식구동기는공기의압축성으로인하여시스템의모델링과정확한위치제어가어려우나이를보완하기위한연구가활발히진행되고있음. Pneumatic Motor
구동기동력원의특징 구분전기구동유압구동공기압구동 구조간단하다복잡하다복잡하다 가격저렴하다고가이다약간고가이다 출력소출력이다대출력이다고출력이다 청정도깨끗하다오염이있다깨끗하다 안전성 과부하에약하나기타에는강하다 발열이크다과부하에강하다 과부하에매우강하다발열이없다 응답성 보통이다 ( 저관성서보개발로양호 ) 좋다 ( 토크관성비가크다 ) 나쁘다 정확도가높다반복성이좋다 고속구동이가능하다잡음이있다 정확도가낮다 기타 유지관리에편하다설계가쉽다저속구동이다 유지관리가필요하다설치에넓은면적이필요하다 반복성이나쁘다유지관리가쉽다
y v r 1.3.2 작업영역과형상에의한분류 sooo o s 직교좌표형로봇 u SCARA Cartesian Robot Cartesian workspace 직교좌표형로봇 (Cartesian Robot): 관절축방향의세개의직교하는축을가지고있어서작업영역은직육면체이며, Gantry 로봇 ( 이동기중기로봇 ) 등. 장점 정밀도와정확성이좋다. 장애물회피가비교적용이하다. 관절의움직임을제어하기쉽다. 단점 프레임이크고작업공간이제한된다. 직선운동을하기위한설계가복잡하다. 운용을위해넓은바닥이필요하다.
원통형로봇 Cylindrical Robot Cylindrical workspace 원통형로봇 (Cylindrical Robot) 은직교좌표로봇의첫번째관절이회전관절로대치된형태이며, 작업영역은원통형. 장점 장애물회피가용이하다. 직교좌표에비해기구학적설계가간단하다. 단점 구조가크다. 직교좌표에비해정확성과정밀도가떨어진다.
구형로봇 Polar Robot Polar workspace 구형로봇 (Polar Robot) 은원통형로봇의두번째관절이회전관절로대체된형태이며, 작업영역이구의형태를취하고있음. 장점 무게가가볍다. 구조가간단하다. 정밀도가좋다. 단점 장애물회피에제한된다. 반지름에비례하여위치오차가크다.
SCARA 로봇 SCARA Robot Workspace SCARA 형로봇 (Selective Compliance Assembly Robot Arm) 은구형로봇처럼두개의회전관절과한개의미끄럼관절을가지고있으나, 세축이모두수직적인형태를가지고있음. 특징 비교적값이싸다 유연한동작이가능하다 ( 특히조립작업에많이쓰인다 )
다관절형로봇 Articulated Robot Workspace 다관절형로봇 (Articulated Robot) 은인간의팔과유사한형태를가졌고, 회전관절로봇이라불리기도하며, 대표적인예로는 PUMA 500/600 시리즈, Cincinnati Milacron 의 T3 (The Tomorrow Tool) 등이있음. 장점 작업물로의접근이쉽다 다른로봇과의작업영역에호환성이있다. 단점 정밀성과정확성이떨어진다. 장애물회피에제한이있다. 진동이심하다. 관절간계산이복잡하다.
로봇의형태에따른장단점 로봇형태장점단점 직교좌표로봇 (Cartesian) 원통형로봇 (Cylindrical) 구형로봇 (Spherical) 다관절형로봇 (Articulated) 1. 정밀도와정확성이높다. 2. 장애물회피및충돌방지가용이하다. 3. 중력하중에무관하므로관절운동제어 가쉽다. 1. 중력방향의하중에거의무관하다. 2. 충돌회피가용이하다. 3. 직교좌표로봇에비해기계적으로덜복 잡하다. 1. 무게가가볍고구조가비교적간단하다. 2. 많은운동에대해관절의움직임이적다. 3. 공동작업공간에서다른로봇과공동작 업을하기에용이하다. 4. 위치오차가상호독립적이므로정확성이 높다. 1. 물체로의접근성이용이하다. 2. 공동작업공간에서다른로봇과공동작 업을하기에용이하다. 1. 구조물이크다. 2. 다른형태의로봇과공동작업을하는데어려움 이있다. 3. 직선운동을위해서시스템이기계적으로복잡 하다. 4. 넓은공간을필요로한다. 1. 구조물이크다. 2. 다른형태의로봇과공동작업을하는데어려움이있다. 3. 직교형로봇에비해정밀성과정확도가떨어진다. 1. 두번째및세번째관절의토크가크고가변이기때문에 Counter balance 문제가발생한다. 2. 장애물회피에한계가있다. 3. 회전운동오차가반지름에비례하므로오차가크다. 1. 정밀도와정확성이낮다. 2. 관절토크가크고변하기때문에 Counter balance 문제가발생한다. 3. 장애물회피에어려움이있다. 4. 관성모멘트가크다.
1.3.3 제어법에의한분류 서보제어 서보제어로봇 각축의위치, 속도등과같은정보를연속적으로이용하여정밀한제어를하는로봇. 사용의유연성이크고안전성과정확성이뛰어나다. 비교적큰기억용량을요구한다. 비서보제어로봇에비해제어및기계적인구조가복잡하여가격이비싸다. 비서보제어로봇 각축의초기및최종위치만주어지면과정에대한정보를사용하지않고관절을움직이는로봇 특별한센서가필요하지않으며, 구조가간단하다. 가격이저렴하다.
1.3.4 제어경로에의한분류 제어법 Control Method 점간제어 Point to point 연속경로제어 Continuous 응용분야 Applications 점용접 (Spot welding) 이송 (Pick-and-place, Loading and unloading) 분무칠 (Spraying paint) 아크용접 (Arc welding) 풀칠 (Gluing)
1.4 로봇의구조및성능 1.4.1 로봇의구조 매니퓰레이터 제어기 로봇의구조 이동장치 센서장치
매니퓰레이터 매니퓰레이터는직접운동을하는관절 (Joint) 과이관절들사이에연결된링크 (Link) 로이루어져있음. 관절은일반적으로회전운동을하는회전관절 (Revolute Joint) 과직선운동을하는직동관절 (Prismatic Joint) 로나눌수있으며, 이러한관절의숫자는매니퓰레이터의자유도 (DOF, Degree of Freedom) 를결정함. 링크연결형태로는직렬형과병렬형이있으며, 병렬형은가상현실구현에서비행기및자동차시뮬레이터, 햅틱장치, 상대적인고하중물체운반등에주로사용된다.
제어기 제어기 : 로봇이지시된작업을수행할수있도록액추에이터를제어하는장치이며, 주로시퀸서, 마이크로컨트롤러, 내장형시스템등이사용될수있음. 다양한시스템이원하는작업을수행하기위해서많은제어법이제안되었으며, 그중에서시스템의출력상태와기준입력상태의오차를이용하여제어하는 PID 제어가구조가간단하고비교적성능이좋기때문에가장널리사용되고있음
센서장치 센서의형태 1. 내계센서 (Internal sensors): 로봇의상태 ( 위치속도가속도힘토크 ) 를알기위해에이터등내부에설치하는센서. 2. 외계센서 (External sensors 로봇외부의상태 ( 시각촉각소리온도 ) 를알기위해외부에설치하는센서.
이동장치 이동로봇인경우에는바퀴형, 차륜형, 다리형등이대표적인이동장치이며, 다리형인경우에는구조가비교적복잡하여제어에어려움이있음. 이외에도중요한부분으로에너지변환부가있으며, 이는로봇구동부에필요한에너지를공급하는부분이고, 서보모터인경우는전력증폭기, 유압식혹은공기압식인경우는원격컴프레셔등이있음.
1.4.2 로봇의성능 가반용량및속도 가반용량 (Payload): 로봇이들수있는무게한계. 속도 : 로봇의시간당움직일수있는거리. 도달거리및스트로크 도달거리Reach): 로봇이작업공간내에서도달할수있는최대거리 스트로크 (Stroke) 는손목이도달할수있는반지름. 반복성정밀성정확성 반복성 (Repeatability): 로봇의공구위치가반복적으로같은위치에놓이게되는능력. 정밀성 (Precision): 로봇이작업공간내에서얼마나공간적인정밀도를가지고있는가를나타냄. 정확성 (Accuracy): 로봇이작업공간내에서공구단을임의의위치에얼마나가깝게위치시킬수있는가에관한것을나타냄.