케이블 로봇으로 새로운 차원을 경험하다.

넓은 작업 범위, 무거운 하중, 3D 프린팅과 같은 새로운 적용 사례를 위한 슬림한 로봇 시스템, 케이블 로봇은 통상적인 산업용 로봇으로는 실현할 수 없었던 그리고 실현하기 어려웠던 많은 것이 가능하다.

요하네스 슈톨(Johannes Stoll): 프라운호퍼 생산 기술 및 자동화 연구소(IPA) “로봇 프로세스 및 키네마틱스” 그룹 지도

핵심 내용

  • 케이블 로봇은 전체 산업용 로봇의 약 5%를 차지하고 있으며, 운동학적 체인이 병렬 방식으로 구성된다.
  • 이 구조는 각 축이 직렬로 연결되어 있지 않아, 각 축의 위치 오류가 합산되지 않는다는 장점이 있다.
  • 케이블 로봇은 드라이브가 함께 움직일 필요가 없기 때문에 움직이는 질량이 적고 가속 또한 빠르다.
콤팩트한 윈치와 최대 8개의 고정된 케이블은 프레임 구조를 제외하고 케이블 로봇에 필요한 몇 가지 안 되는 구성 요소이다.

케이블 로봇은 금속 재질의 프레임 구조물과 적합한 공간, 서보모터를 장착한 윈치 유닛, 최대 8개의 플라스틱 섬유나 강 재질의 케이블, 이 정도만 있으면 제작이 가능하다. 케이블은 플랫폼, 그리퍼 또는 도구와 연결되고, 이들을 공간 내에서 6개 차원으로 정확하게 밀리미터 단위로 배치할 수 있다. 프라운호퍼 생산 기술 및 자동화 연구소(IPA)가 6년 전에 개발한 바 있는 케이블 로봇은 자동화된 핸들링 작업과 가공 작업을 위한 혁신적인 컨셉트로 로보틱스에 크레인 기술을 결합한 것이다.

케이블 로봇은 전체산업용 로봇의 약 5%를 차지하고 있다

다이내믹: 케이블 로봇은 산업용 로봇 가운데 대략 5%를 차지하고 있으며, 케이블 로봇의 운동학적 체인은 병렬식으로 구성된다. 이 구조는 각 축이 직렬로 연결되어 있지 않기 때문에 각 축의 위치 오류가 합산되지 않는다는 장점이 있다. 또한 드라이브가 함께 움직일 필요가 없기 때문에 움직이는 질량이 적고 가속이 빠르다. 프라운호퍼 IPA는 10년 전에 첫 번째로 제작한 케이블 로봇으로 10배 빠른 중력 가속도와 10 m/s ²를 달성하였다. 특히 드라이브가 엔드 이펙터에 하중을 분산하여, 이 역시 뛰어난 운동 역동성에 기여한다.

케이블 로봇이 어떤 역동성을 달성할 수 있는지, 2015년에 소개된 다양한 시뮬레이션 시나리오를 위한 케이블 시뮬레이터에 잘 나타나 있다. 이 케이블 시뮬레이터는 프라운호퍼 IPA가 튀빙엔의 막스플랑크 바이오 사이버네틱스 연구소의 지도 아래 공동 개발하였다. 이 시뮬레이터는 구동 출력 348kW로 사람이 탑승하는 시뮬레이터 캐빈을 움직일 수 있다. 이 시설은 유압 시스템보다 빠른 가속도와 안정성을 제공하여, 헬리콥터 비행을 시뮬레이션하는데 이용하였다.

각 축의 위치 오류가 합산되지 않는다는 장점이 있다

작업 범위: 일반적으로 널리 분포된 수직 다관절 로봇, 델타 로봇, 스카라 로봇과 같은 로봇 시스템은 하드웨어 구조로 인해 작업 범위가 상대적으로 제한되지만, 케이블 로봇은 테이블 위에 맞는 시스템에서 공장 홀 전체를 커버하는 크기의 작업 범위까지, 필요에 따라 매우 다양한 크기의 작업 범위를 적용할 수 있다. 다시 말해 케이블 윈치를 주어진 공간과 필요에 의해 설치할 수 있다는 의미이다. 따라서 동일한 윈치 하드웨어로 각기 다른 작업 범위를 달성할 수 있다. 예를 들어 건물의 파사드(중세 건축 출입구 설치물)를 설치할 경우 이를 십분 활용할 수 있다. 이는 건물들마다 모두 형상이 달라 케이블 로봇의 장점이 잘 나타나기 때문이다. 이러한 적용 사례는 EU 프로젝트 “헤파이스토스”(그리스 신화에서 대장장이 신)에서 구현된 것이다. 이 프로젝트에서 케이블 로봇은 수십 층 높이의 빌딩 건축을 자동화된 방식으로 지원하였다.

기존의 로봇이라면 하드웨어인 리니어 축을 조정해야 한다. 하지만 케이블 로봇은 건물에 설치된 편향 롤러의 현재 위치만 컨트롤 시스템에 저장하면 된다. 또한 작업 범위는 케이블 길이를 조절하여 큰 비용을 들지 않고 조정할 수 있다. 작업 범위를 넓히려면 긴 케이블을 사용하면 된다.

하중: 케이블을 통해 힘을 효과적으로 전달하여 100g에 못 미치는 적재 중량에서 수 톤에 이르는 중량까지 처리가 가능하다. 이는 고중량 윈치를 사용하여 더욱 늘릴 수도 있다. 갠트리 로봇도 생산 환경에서 케이블 로봇과 비슷한 크기의 작업 공간을 달성할 수 있다. 하지만 갠트리 로봇은 구조, 재료 사용, 작동 방식 측면에서 비용이 많이 들고 이동이 불가능하다. 그에 비해 케이블 로봇은 필요한 구성요소가 많지 않고, 모듈 방식으로 구성되어 셋업을 쉽게 변경할 수 있다. 메인 구성요소인 윈치는 유용성이 입증된 안정적인 기계요소이다.

설치 형태: 케이블 로봇의 설치 형태는 다양하다. 적어도 세 개 또는 그 이상의 케이블과 윈치가 상부에 고정되어 있다면, 그것 자체가 케이블 로봇이라 할 수 있다. 케이블 로봇은 델타 로봇과 유사하며, 델타 로봇과 비교하여 케이블을 풀어서 작업 범위 밖에서 엔드 이펙터를 제거할 수 있는 장점이 있다. 케이블 로봇의 또 다른 변형은 완전히 고정된 구성이다. 위에서부터 내려오는 케이블 외에 아래를 향하는 또 다른 네 개의 케이블로 케이블 로봇을 고정하는 방식이다.

컨트롤: 케이블 로봇은 빠르게 구성할 수 있고, 장소에 구애받지 않으며, 질량 자체가 근소하여 에너지 효율적이다. 이 로봇은 기존의 G 코드(DIN 66025)로 쉽게 프로그래밍하고 실시간으로 CNC 제어할 수 있다. PLC를 옵션으로 연결할 수 있으며, 기존 시스템에 간단하게 통합할 수 있다.

응용 영역: 케이블 로봇은 작업 범위가 넓고 작업 범위를 쉽게 조정할 수 있다는 장점이 있다. 이는 건물에 파사드를 설치하는 사례와 물류 프로세스에서 잘 나타난다. 이런 사례에서 케이블 로봇은 말 그대로 적재 중량과 이동 범위가 유사하고 높은 수준의 자율성을 지닌 자동화된 크레인의 역할을 한다.

프라운호퍼 IPA는 물류가 자동으로 이송되도록, 물류 프로세스를 위해 팔레트 그리퍼를 장착한 응용 사례를 만들었다. 또 다른 시나리오에서 케이블 로봇이 AGV(무인 운반 차량)와 협력하였다. 케이블 로봇은 자신의 작업 범위 내에서 이동하고 그리퍼를 이용하여 한 AGV에서 다른 AGV로 상품을 옮겨 싣는다. 이 응용 사례는 사내 물류를 충당할 수 있다. 사내 물류에 널리 이용하는 AGV는 운반하는 화물을 볼트로 연결할 수 있지만, 화물을 쌓아 올리거나 그와 유사한 취급 작업은 할 수 없기 때문에, AGV와 케이블 로봇을 결합한다면 창고 공간을 유용하게 사용할 수 있다. 케이블 로봇이 중앙에서 대상의 제품을 피킹 하여 AGV에 공급한다면 AGV가 이동해야 할 필요가 없기 때문이다.

케이블 로봇은 작업 범위가 매우 넓어서 물류나 조립 과정에서 대상을 옮기고 의도한 곳에 내려놓을 수 있다. 창고에서 석고, 목재, 금속 등 플레이트 재료나 스틸 빔 같은 부피가 큰 제품을 크레인 장치로 옮길 경우, 안착하기 위해 사람 손이 필요했다. 화물이 흔들리고 속도를 줄여, 정확한 위치에 안착시켜야 하기 때문이다. 케이블 로봇은 이러한 흔들림을 억제하기 때문에 작업 속도뿐만 아니라 인간 공학 측면에서 최적의 결과를 달성할 수 있다.

적층 가공: 케이블 로봇의 또 다른 응용 영역은 바로 적층 가공이다. 얼마 전에 종료된 연구 프로젝트 “Hindcon”은 케이블 로봇을 3D 콘크리트 프린트에 적용하는 프로젝트였다. 케이블 로봇에 콘크리트 프린팅을 위한 노즐을 고정하였다. 이 프린팅 장치는 최대 10m/min 속도로 프린팅할 수 있었다.

“Hindcon” 프로젝트에서 케이블 로봇이 3D 콘크리트 프린팅에 사용되었다.

건설업계는 이제 친환경적이며 비용을 절감할 수 있는 자동화 장비를 추가하게 되었다. 콘크리트를 적층한다는 것은 물질 특성은 동일한 상태에서 콘크리트를 적게 사용할 수 있다는 의미이다. 이는 정교한 프린팅으로 콘크리트 안쪽에 공동부가 있는 벌집 구조 등을 만들 수 있기 때문이다. Hindcon은 적층 외에도 절삭 방법을 구현하였다. 이를 위해 Kuka 로봇을 케이블 로봇의 플랫폼에 걸고 후처리와 밀링 작업을 실행하였다.

한 가지 아이디어는 공사 현장에서 부품을 직접 프린팅하여 생산할 수 있다는 것이다. 전통적인 로봇 솔루션은 이러한 사례에 적합하지 않았지만, 이동식 만능 포지셔닝 시스템인 케이블 로봇은 이에 필요한 기능을 제공하고, 갠트리 시스템에 비해 공장에서 위에서 언급한 장점들을 포함하여 잠재력을 제공한다.

프라운호퍼 IPA는 부품 제작, 컨트롤 기술, 제어 기술, 케이블 로봇 구현에 이르기까지 모든 전문 지식을 갖추고 있으며, 현재 시연 장치로 사용 가능성을 실제 테스트할 수 있다. 2020년에 프라운호퍼 IPA 연구소는 ‘케이블 로봇 기술의 날’을 개최하고 적용 가능한 기술을 선보일 계획이다.

MM 인터뷰

프라운호퍼 IPA 로봇 및 어시스턴스 시스템 부서 책임자인 Dr. 베르너 크라우스에게 다음 세 가지 질문을 하였다.

케이블 로봇을 개발하자는 아이디어는 어디서 나왔습니까?

케이블 로봇 아이디어는 로봇 플랫폼을 8개의 케이블로 즉각적이고 정밀하게 공간 내에서 통제하는 하이퍼포먼스 컨트롤 기술을 사용할 수 있다는 점에서 아이디어가 나왔습니다. 케이블 로봇은 작업 범위와 역동성 측면에서 6축 다관절 로봇이나 갠트리 로봇과 같은 기존의 로봇 시스템이 할 수 없는 새로운 차원을 경험할 수 있습니다.

케이블 로봇을 이용하려면 어떤 기준을 충족해야 합니까?

케이블 로봇은 필요한 작업 공간 내에 케이블이 팽팽하고 케이블이 주변이 다른 물건과 충돌하지 않도록 설계해야 합니다. 이를 위해 설계 소프트웨어인 Wire Center를 개발하였습니다. 이 소프트웨어는 얼마 후 오픈 소스를 제공할 예정입니다.

케이블 로봇이 어떤 응용 사례에 적합한가요? 어떤 사례에 케이블 로봇을 사용할 수 있습니까?

케이블 로봇은 작업 범위가 넓은 경우에 적합합니다. 앞에서 언급한 적용 사례 외에 운전자 보조 시스템을 위한 테스트 더미의 움직임도 적용 사례에 포함됩니다. 또한 하드웨어 세트를 이용하여 장착 환경 스펙트럼에 적용할 수 있습니다. 장착 환경에 대한 개입이 최소화됩니다. 케이블과 플랫폼은 수동적 요소이며, 테스트 시스템에서 센서를 방해하지 않습니다. 또한 시각적으로도 케이블은 거의 눈에 띄지 않습니다. 케이블 로봇은 빠른 속도와 가속도가 필요한 곳에 적합합니다. 그럼에도 불구하고 케이블 로봇이 산업용 로봇을 대체하지는 않을 것입니다.

이 인터뷰는 로보틱스 에디터 빅토리아 존넨베르크가 진행하였다.