속도와 가속도

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

조인트 속도 (joint speed)

조인트 속도는 시간 당 조인트 각도 변화량입니다. 이에 대한 개념은 상당히 명확할 것이라 생각됩니다.

조인트 최대속도는 모터와 감속기의 기술사양에 의해 결정됩니다.^[각주:1] 산업용 로봇 기술 사양서에서 이를 찾을 수 있을 것입니다. 일반적으로, 링크가 길거나 페이로드가 무거울수록 로봇의 조인트 최대속도는 낮은 경향이 있습니다.

직선 속도 (linear speed)

로봇의 작업 속도를 평가하기 위해서는 엔드 이펙터의 직선 속도가 중요할 것입니다. 그런데 직선 속도는 생각보다 단순하지 않습니다. 

로봇에서 움직이는 것은 조인트 뿐이며, 직선 속도는 조인트 속도에 직접적인 영향을 받을 수 밖에 없습니다. 

그런데, 직선 속도는, 회전 축으로부터 엔드 이펙터 사이의 거리와 회전 속도의 곱입니다.^[각주:2] 예를 들어, 조인트 속도가 동일하더라도 링크 길이가 길면 직선 속도는 빨라질 것입니다. 링크의 길이가 동일하더라도 로봇이 어떤 포즈를 취하느냐에 따라 조인트 축으로부터 엔드 이펙터 사이의 거리가 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 아래 그림에서 첫번째 조인트만 동일한 속도로 움직일 경우, 좌측 로봇 엔드 이펙터의 직선 속도가 우측 로봇보다 빠를 것입니다.

포즈에 따라 달라지는 직선 속도

심지어, 조인트는 여러 개입니다. 두 개 이상의 조인트가 동시에 움직일 경우에 직선 속도는 더 다양한 양상을 띌 것입니다.

뿐만 아니라, 직선 속도는 동역학에 영향을 줍니다. 로봇이 어떤 포즈를 취하고, 얼마나 무거운 페이로드를 부착하고 있느냐에 따라 최대로 낼 수 있는 속도는 달라질 것입니다.

이러한 이유로 한 로봇의 직선 최대속도를 결정하기란 어렵습니다. 그래서 기술사양으로 제공하는 최대속도의 기준은 로봇 제조사마다 다를 수 있습니다. 어떤 제조사는 로봇이 낼 수 있는 최대 속도를 이야기할 것입니다. 최적의 로봇 포즈에서 적당한 페이로드를 가정한 경우의 최대 속도입니다. 이 경우, 페이로드 조건이 달라지거나, 로봇의 포즈가 달라지면 해당 속도에 도달하지 못할 수 있겠죠? 반면, 로봇의 maximum 페이로드 기준으로, 모든 자세에서 도달할 수 있는 직선 속도를 최대속도로 제공하는 제조사도 있습니다. 이 경우 직선 최대속도 사양은 다소 보수적일 수 있으며, 경우에 따라서는 이보다 높은 속도로 동작시킬 수 있을 것입니다.

가속도 (acceleration)

가속도는 시간 당 속도의 변화량을 의미합니다. 가속도가 느리면 좀처럼 속도가 안 붙을 것인데요, 실제로 로봇의 체감 빠르기는 속도 뿐 아니라 가속도에 의존합니다.

적절한 가속도를 찾는 것은 중요합니다. 가속도가 낮으면 이동시간이 느려질 것이므로 생산성이 악화될 것입니다. 하지만 가속도가 너무 높으면 로봇은 덜컥거리는(jerky) 움직임은 보일 수 있습니다. 이는 기구의 손상으로 이어질 수 있으니 가급적 피하는 것이 좋습니다.

가속도가 동역학에 매우 지배적인 영향을 미치다보니, 로봇의 포즈와 속도에 따라 사용할 수 있는 가속도의 폭은 매우 넓습니다. 이러한 이유로 인해, 하나의 값을 기술 사양으로 제공하는 것은 굉장히 어렵습니다. 실제로 기술사양서에 최대가속도를 명시한 로봇암은 거의 없을 것입니다.

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

1. 모터 회전속도를 감속비로 나누면 조인트 회전속도를 얻을 수 있으며, degree/sec 혹은 rad/sec 단위로 표현합니다. [본문으로]
2. v = l * w [본문으로]