1) 산업용 로봇 구성
산업용 로봇은 주로 다음 4가지 구성으로 구성됩니다.
- 작업할 팔에 해당하는 '매니퓰레이터'
- 매니퓰레이터를 제어하는 '로봇 컨트롤러'
- 작동을 모니터링하는 '프로그래밍 펜던트'
- 매니퓰레이터와 로봇 컨트롤러를 연결하는 '급전 케이블'
실제 작업을 할 때에는, 매니퓰레이터에 장착되는 손이나 용접 토치 등의 툴(엔드 이펙터)과 워크를 고정하는 지그나 워크를 검출하는 센서 등이 조합됩니다.
2-1) 매니퓰레이터란?
매니퓰레이터는 움직이고 작업하는 팔에 해당하며, 산업용 로봇이라고 듣고 먼저 상상하는 것이 이것입니다. 매니퓰레이터는 일반적으로 4개에서 7개의 가동부가 되는 회전축이 있으며, 각각 서보 모터와 감속기가 연결되어 있습니다. 당사에서 제일 생산수가 많은 6개의 가동부가 있다(이것을 6자유도라고 합니다) 매니퓰레이터의 경우는 3차원 공간상의 위치(x, y, z)와 자세(θx, θy, θz)를 동작할 수 있습니다. 6 자유도가 필요없는 팔레타이징용 로봇은 4축, 또한 자유도가 필요한 경우에는 7축의 로봇도 있습니다.
2-2) 매니퓰레이터 유형
2-2-1) 수직 다관절형
6축 수직 다관절 로봇
현재 산업용 로봇의 주류는 이 6축 수직 다관절형입니다. 여러분이 로봇이라고 듣고 우선 이미지하는 형태일까 생각합니다. 범용성이 높고 자동화를 검토할 때 다양한 용도로 사용할 수 있는 로봇입니다. 같은 6축 구조에서도 대상물을 들어올릴 수 있는 최대의 무게(가반 질량)가 500그램에서 900킬로그램의 다채로운 종류가 있습니다. 500그램의 휴대 질량의 모델은 본체 질량이 7킬로그램과 한 손으로도 운반할 수 있는 크기로, 몇대 조합하면 각각이 제휴해 세세한 작업을 정밀하게 실시해 줍니다. 산업용 로봇은 손목에서 이전 도구로 다양한 작업을 할 수 있습니다.
7축 수직 다관절형 로봇
축수가 7축 있으면 인간의 팔에 가장 가까이 움직일 수 있다고 합니다. 6축이라면 매니퓰레이터가 닿지 않는 침입한 장소에 접근하는 경우라도, 또 한축 있으면 암이 돌아서 접근할 수 있으므로, 설비를 보다 작고 고밀도로 배치할 수 있어 공장의 라인 레이아웃 자유도가 높아집니다. 2008년에는 7축의 아크 용접 로봇을 세계 최초로 제품화하고 있습니다.
쌍완형 로봇
쌍완형 로봇의 형태는 인간의 상반신처럼 보이지만, 실제 인간의 팔의 움직임에 가까운 7축의 양팔에 더하여 허리 움직임의 한 축에서의 축수는 15축이며 거의 인간에 가까운 움직임을 할 수 있습니다. 즉 공장에서 지금까지 인간이 하고 있던 작업을 산업용 로봇에 기억시켜 대체할 수 있는 것입니다. 골판지에 포장하면 한 팔로 워크를 억제하고 다른 팔로 포장시키는 등 인간의 움직임에 가까울 수 있습니다.
2-2-2) 수평 다관절형(스칼라 로봇)
스칼라는 Selective Compliance Assembly Robot Arm의 이니셜을 사용하여 'SCARA'라고 합니다. 축수는 4축이 일반적으로, 암이 수평 방향으로 선회하는 동작과, 선단부분이 수직 방향으로 상하하는 동작을 조합한 움직임을 합니다. 구조가 심플하기 때문에 고속 동작이 가능하고, 첨단 부분이 상하로 동작하는 특징을 살려, 프린트 기판에의 전자 부품의 실장 등이 자랑입니다.
2-2-3) 병렬 링크
본체에서 뻗은 3개의 암이 첨단으로 일체가 된 구조를 하고 있습니다. 공구는 일체화된 부분에 부착됩니다. 암 자체를 매우 가볍게 만들 수 있으므로 고속으로 움직일 수 있습니다. 가동영역은 좁지만 각 모터가 동기하여 선단을 동작시키기 때문에 휴대용 질량에 대해 매우 빠른 "속도"를 얻을 수 있습니다. 식품 공장이나 중식 공장 등에서 많이 사용되고 있으며, 생산 라인에서 흐르는 제품의 정렬, 충전, 조임, 포장, 상자 포장 등을 실시하고 있습니다.
2-3) 매니퓰레이터의 구성 부품
서보 모터
로봇 컨트롤러의 지시에 따라 조작기를 작동시킵니다. 서보 모터에는 속도와 회전 위치를 검출하는 엔코더가 장착되어 있어 로봇 컨트롤러에 피드백함으로써 정밀도가 높은 동작을 실현합니다. 매니퓰레이터가 6축이나 7축이라고 할 때는 서보 모터의 내장된 수와 같은 수입니다.
감속기
서보모터의 회전속도를 감속함과 동시에 토크를 올려 매니퓰레이터에 전달합니다. 감속기를 통해 출력되는 토크는 감속비에 비례합니다. 산업용 로봇에서 사용되는 감속기는 일반적으로 서보 모터로부터의 입력축과 감속 후의 출력축은 동일 직선 형상이 되는 구조를 하고 있습니다. 감속기의 정밀도는 매니퓰레이터의 동작 정밀도도 좌우하는 중요한 구성 부품입니다.
3) 로봇 컨트롤러
산업용 로봇을 동작시키고 싶은 프로그램을 기록하고, 구체적으로 동작시키기 위한 지령치를 계산하기 위한 CPU나 입출력 신호를 제어하는 I/O 기판, 매니퓰레이터를 동작시켜 전력을 공급하는 서보 드라이버가 내장된 기기는 로봇 컨트롤러라 불리며 “두뇌”라고 할 수 있는 부분이 됩니다. 최근에는 현장에 설치하는 공간 절약화를 위해, 소형화의 요망이 많아, 당사도 세계 최소 클래스가 되는 YRC 시리즈를 전개하고 있습니다.
4) 프로그래밍 펜던트
매니퓰레이터에서 작업하기 위한 동작을 가르치거나 프로그램 및 조건 설정 및 작동 상태를 확인하는 맨-머신 인터페이스가 프로그래밍 펜던트입니다. 프로그래밍 펜던트에는 데드맨 스위치라고 불리는 것이 장착되어 있어, 오퍼레이터가 프로그래밍 펜던트를 올바르게 잡고 있지 않으면, 산업용 로봇에 전원이 공급되지 않는 사양이 되어 있습니다.
또한, 어떤 위험한 상태에서, 오퍼레이터가 프로그래밍 펜던트를 강하게 잡았을 경우에도 산업용 로봇에의 전원이 차단되는 안전하게 고려한 설계가 되고 있습니다.
5) 도구(엔드 이펙터)
산업용 로봇의 손목에 부착된 손과 용접 토치, 스팟 건 등을 총칭하여 공구(엔드 이펙터)라고 합니다. 툴(엔드 이펙터)은 주변기기 메이커에 의해 미리 준비되어 있는 것도 있습니다만, 고객의 작업에 맞추어 전용으로 설계·제작되는 일도 있습니다.
6) 로봇 관련 기기(센서 및 소프트웨어)
자동화를 위해 도입하는 산업용 로봇은 정해진 단순 작업을 반복하는 것이 좋습니다. 다만, 추가 작업의 자동화와 효율화를 진행하기 위해서는 로봇 자체가 판단할 수 있기 때문에 시각이나 힘각과 같은 자율성 향상이 필요합니다. 그 중에서도 센서와 소프트웨어의 역할은 더욱 중요해지고 있습니다.
비전 센서
비전 센서는 카메라(비전)에서 공작물의 위치를 감지하고 산업용 로봇의 움직임을 보정하는 시스템입니다. 당사의 소프트 「MotoSight-2D」는, 높이가 같고 평면에 정렬된 대상물에 대해서 위치와 기울기를 검출해, 로봇 동작의 보정을 실시합니다. 사용 예로는 컨베이어로부터의 금속 가공 부품의 피킹이나 검출 등이 있습니다.
그러나 물류 창고와 같은 높이가 다른 물체를 피킹할 때 'MotoSight-3D'를 사용합니다. 이것은 3D 비전 센서로 3차원 위치(세로, 가로, 높이 및 기울기)를 계측하는 것으로 장미 적재 피킹 등 난잡하게 쌓인 워크를 위에서 순서대로 암으로 꺼낼 수 있습니다. 기존에 했던 것처럼 동작에 스크립트(코드)를 써 가는 작업이 아니라 쌓인 부품을 촬영하여 3D CAD와 매칭시켜 자동으로 동작이 생성되므로 작업자에 의한 준비는 매우 간단하고 단시간이 됩니다.
역력 센서
힘 센서는 일반적으로 손목 부분과 지그 사이에 부착되어 힘과 모멘트를 감지하는 센서입니다. 힘각 신호의 피드백에 의한 조립 작업 제어에 널리 사용되고 있으며, 높은 정밀도로 정밀 부품의 정밀 끼워 맞춤이나 연마, 주물의 버어 제거 등 힘 가감이 필요한 작업을 자동화합니다.
힘 센서 감지 원리는 "변형 감지"를 기반으로 합니다. 손목 부분에 몇 개의 벌이나 판 스프링에 의해 변형하기 쉬운 구조의 부분을 만들어 두고 거기에 6 세트에서 8 세트 정도의 변형 게이지를 붙입니다. 받는 힘을 검출해, 사람의 손과 같은 미세한 힘 가감을 재현하는 것으로 사람의 손이 아니면 할 수 없었던 작업의 자동화를 실현합니다. 당사의 소프트 「MotoFit」은 독자적인 힘 제어 기능에 의해, 간극이 10μm의 금속의 맞물림을 5초 이내로 업계 최고 속도 레벨로 실시합니다.
