로봇의 정밀도

산업용 로봇에 우리가 기대하는 것은 빠르고 정확한 동작일 것입니다. 이번 포스팅에서는 로봇 동작의 정확한 정도에 대해 이야기하겠습니다.

반복정밀도 (repeatability)

산업용 로봇은 어떻게 움직이는가 에서 언급한 것처럼, 우리는 로봇의 목표위치와 이동경로를 티칭하고, 로봇은 정해진 프로그램에 의해 반복적으로 동작합니다. 로봇이 주어진 작업을 수행하기 위해 로봇은 항상 동일한 위치에 도달해야 합니다. 동일한 목표 위치에 대해 이전 사이클과 다음 사이클에서 로봇이 실제로 도달한 위치가 다르다면 작업에 영향을 미칠 수 있습니다. 로봇이 반복해서 동일한 목표위치로 이동하도록 명령할 때, 로봇의 실제 위치의 오차가 얼마나 될지 나타내는 사양이, 반복정밀도(repeatability) 입니다.

사격을 배울 때, 먼저 반복정밀도를 높이기 위해 훈련할 것입니다. 항상 동일한 자세로 몸이 흔들리지 않으면 매 격발 마다 동일한 과녁을 맞출 것입니다. 아래 그림을 보시면 우측은 반복정밀도가 좋지 않은 경우이고, 좌측은 반복정밀가 좋은 경우입니다.

사격 결과: Good(좌), Bad(우)

프로그램 상의 목표 위치는 동일하기 때문에 로봇은 항상 동일한 위치에 도달해야 하지만, 로봇은 물리적 한계를 갖는 기계이기 때문에 어느정도의 오차를 피할 수 없습니다. 반복정밀도에 영향을 미치는 것은 인코더 분해능과 감속기 백래쉬^[각주:1]가 있습니다. (참조: 조인트 제어) 일반적으로, 감속기 백래쉬의 영향이 지배적이며, 인코더 분해능에 의한 오차는 무시할 수 있는 수준입니다.

앞서 언급한 것처럼, 일반적으로 산업용 로봇은 작업을 프로그래밍하고 이를 반복하여 실행시기키 때문에 반복성이 매우 중요합니다. 이러한 이유로 산업용 로봇의 기술 사양서에는 반복정밀도가 명시되어 있을 것입니다.^[각주:2] 로봇을 적용할 작업에 따라 어느 정도 수준의 반복정밀도를 필요로 하는지 파악하여 로봇을 선정해야 합니다. 

절대정밀도 (accuracy)

기구학을 이용하면, 각 조인트 각도로부터 로봇 엔드 이펙터의 위치 및 자세를 계산할 수 있습니다. 프로그램 상의 목표위치가 직교 공간 상의 위치 및 자세로 주어질 경우, 실제 로봇이 도달한 위치는 프로그램 상의 위치와 일치할까요? 

다시 사격 예시로 돌아가 보겠습니다. 아래 그림을 보면 좌우 과녁 모두 동일한 수준의 반복정밀도를 갖습니다. 하지만 우측의 경우, 세발 모두 과녁의 중심에서는 떨어져 있습니다. 즉, 위에서 언급한 반복성이 충분히 정밀하더라도, 목표위치와 실제위치 간에는 오차가 발생할 수 있습니다. 

사격 결과: Good(좌), Bad(우)

제어기는 기록된 엔드 이펙터 목표위치로부터 역기구학을 계산하여 각 조인트의 목표 각도를 계산하는데, 로봇이 기계적 오차가 없다고 가정할 것입니다. 하지만, 실제로는 동일한 로봇이라 하더라도, 링크의 길이나 조인트 영점 등 기계적 오차가 존재할 수 밖에 없습니다. 이러한 기계적 한계로 인해 완벽한 절대정밀도(accuracy)를 기대하긴 어렵고, 제어기가 생각하는 로봇의 위치와 실제 로봇의 위치 사이에 오차가 발생할 수 밖에 없습니다. 일반적으로, 로봇 제조사에서는 절대정밀도에 대한 사양을 제공하지 않습니다.

로봇의 목표위치 직접 티칭할 경우, 로봇은 항상 동일한 위치에 도달할 것이기 때문에 반복정밀도만 확보되면 문제없이 동작할 것입니다. 하지만, 비전시스템을 통해 계산한 목표위치로 로봇을 이동시키는 등, 절대정밀도가 중요한 어플리케이션이 있습니다.

사격에서는 반복성을 확보한 다음 영점을 조정하면 목표한 대상을 맞출 수 있을 것입니다. 산업용 로봇에서는 kinematic calibration을 수행함으로써, 오차를 최소화하고 절대정밀도를 확보할 수 있습니다. Kinematic calibration에서는 먼저 제어기가 계산한 로봇의 위치와, 실제로 측정한 로봇의 물리적 위치를 비교합니다. 그리고, 제어기의 계산결과가 실제 측정한 위치와 동일하도록 계산 파라미터를 보정합니다. 로봇 제조사 마다 나름의 kinematic calibration 기법을 보유할 것이며, 이 결과로 특정 로봇의 절대정밀도 상태를 얻을 수 있을 것입니다.^[각주:3]

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잘못된 내용이나 질문 있는 분들은 편하게 댓글 달아 주세요. 감사합니다.

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Backlash_(engineering) [본문으로]
2. mm, inch 등 거리 단위를 적용하는 경우가 많으며, degree 단위가 제공되는 경우도 있습니다. [본문으로]
3. 생산되는 로봇마다 calibration 결과가 다를 것이기 때문에 기술사양으로 제공하기는 쉽지 않습니다. [본문으로]