KNOWLEDGE · 로봇·자동화
로봇의 종류, 무엇을 어떤 자세로 옮기나
로봇의 종류는 관절을 잇는 구조로 나뉜다. 구조는 손끝이 닿는 곳(작업 공간)과 손끝이 취할 수 있는 자세(자유도)를 정한다. 그래서 실험실에서 로봇을 고르는 질문은 하나다. 무엇을, 어떤 자세로, 어디서 어디로 옮기나?
로봇의 손끝(엔드 이펙터)이 따로따로 바꿀 수 있는 값의 수를 자유도라 한다. 공간의 물체는 위치 셋(X·Y·Z)과 방향 셋(앞뒤 기울기, 옆 기울기, 돌림), 모두 여섯이다. 국제로봇연맹(IFR)은 산업용 로봇을 관절을 잇는 구조로 나누는데, 이 페이지는 그중 넷을 본다. 직선 축 셋의 직교, 수평으로 꺾이는 스카라, 사람 팔 같은 다관절, 위에서 팔 셋이 끝판을 잡는 델타다. 가족으로 평행 링크형 팔과 스튜어트 플랫폼을 함께 본다.
실험실에는 조건이 하나 있다. 액체가 든 열린 플레이트는 기울이면 안 된다. 그러면 플레이트를 옮기는 데 필요한 자유도는 위치 셋과 수직축 둘레의 돌림 하나, 모두 넷이다. 플레이트의 바닥 크기도 127.76 × 85.48 mm로 정해져 있어, 로봇은 같은 자세로 집어 같은 자세로 놓으면 된다.
출처: 구조에 따른 분류: IFR World Robotics 2016 §1.2.2 · 물체의 자유도 6: Lynch·Park 2017 §2.1 · 플레이트 크기: ANSI SLAS 1-2004 §4.1.1
직접 해보기
손끝 자세 맞추기
실험실 일을 하나 고르거나, 손끝이 다가가는 방향과 기울기, 움직이는 범위, 필요한 정밀도를 바꿔 보자. 그 자세를 낼 수 있는 로봇만 남는다.
남은 로봇: 스카라, 다관절 6축. 로봇 셋은 위 선반에 부딪히고, 스튜어트 플랫폼은 범위가 모자란다.
기둥형 직교(보관고의 승강기)는 위아래 축이 옆에 서 있어 이 일을 한다.
직교(갠트리형)
Z 막대가 위 선반에 부딪힌다
스카라
수평 그리퍼를 플레이트 높이로 밀어 넣는다
다관절 6축
손끝을 눕혀 옆으로 밀어 넣는다
델타
위에서 내려온 팔이 위 선반에 부딪힌다
평행 링크형 팔
위에서 내려온 손끝이 위 선반에 부딪힌다
스튜어트 플랫폼
범위가 ±17 mm쯤이라 모자란다
판정은 로봇마다 흔한 손끝(위에서 쓰는 그리퍼와 피펫, 플레이트 높이의 수평 그리퍼)만 본다. 범위는 손끝이 닿는 지름의 대략값이다. 따로 만든 기구학 모델로 다섯 일을 계산해 같은 답이 나오는 것을 확인했다.
출처: 범위와 정밀도: Brooks c3, ABB IRB 360, UR5e 데이터시트, PI 제품 자료 · 판정: 이 페이지의 계산(모델의 치수는 대부분 가정)
01 직교 로봇
위에서 내려가는, 장비 안의 손
직선 축 셋이 X·Y·Z와 그대로 겹친다. 축 하나가 좌표 하나라 다루기 쉽고, 표준 직선 액추에이터를 이어 일에 맞는 크기로 짓는다. 두 레일 위에 걸친 틀에 매달면 갠트리라 부른다.
그래서 장비 안의 움직임은 대개 이 짜임이다. 분주기의 데크, 현미경의 전동 스테이지(XY)와 초점(Z), 제브라피시 배아의 자동 미세주사 스테이지가 그렇다.
약점은 손을 넣는 방향이다. Z 막대가 위에서 내려오니 물체 속이나 장애물 둘레로 손을 넣지 못한다. 틀이 작업 공간을 둘러싸 로봇이 일하는 공간보다 크다. 위아래 축을 옆 기둥에 세우고 수평 포크를 내미는 기둥형(자동 보관고의 승강기)은 선반에 옆으로도 넣는다.
숫자로 보면
Tecan Fluent는 8채널 분주 팔, 96·384채널 분주 팔, 그리퍼 팔 가운데 셋까지 한 데크에 달고 따로 동시에 움직인다. 제브라피시 배아를 자동으로 주사한 Wang 외 2007은 3축 마이크로로봇 두 대(축마다 이동 25 mm, 분해능 0.04 µm)로 하나는 배아 받침을, 하나는 바늘을 움직였다.
리뷰 Holland·Davies 2020은 실험실 자동화가 사람의 움직임을 흉내 내는 다축 팔에 많이 기대지만, 그것이 늘 가장 효율적이지는 않고 많은 연구실에는 공간과 값이 맞지 않는다고 본다.
출처: 정의: IFR 2016 §1.2.2 · 갠트리, 강점과 약점: NIST 2019 · Fluent의 팔: Tecan 제품 페이지 · 미세주사: Wang 외 2007 · 연구실의 자동화: Holland·Davies 2020 · 기둥형이 옆으로 넣는다: 이 페이지의 계산
02 스카라
플레이트를 수평으로 옮긴다
수직축으로 도는 관절 둘이 나란하고, 위아래와 손끝 돌림을 더해 4축이다. 손끝은 늘 수평이고, 수직축 둘레로만 돈다. 플레이트를 옮기는 데 필요한 자유도 넷과 꼭 같다.
실험실의 플레이트 핸들러는 위아래 축이 기둥이라 팔 전체가 기둥을 오르내린다. Brooks PreciseFlex 400은 4축, 수평 도달 433 mm(확장 588 mm), 기둥 400~1,160 mm이고, SBS 플레이트를 가로·세로로 집는다. 얇은 팔이 플레이트 높이로 들어가니 위가 막힌 선반(호텔)에도 손을 넣는다. 대신 손끝을 기울이지는 못한다.
위에서 보면: 평면 로봇
스카라에서 위아래와 손끝 돌림을 빼면 평면 2링크 팔이다. 같은 평면 일을 팔 둘이 한 점을 함께 잡는 5절 링크로도 한다. 왼쪽이 직렬(관절이 한 줄), 오른쪽이 병렬(팔 여럿이 끝을 함께)이다. 점선 반원 안은 손끝이 닿지 않는 곳이다.
이름과 내력
SCARA는 Selective Compliance Assembly Robot Arm의 머리글자다. 수평으로는 조금 낭창하고 수직으로는 단단해서, 둥근 핀을 둥근 구멍에 꽂을 때 옆으로 비켜 맞으며 들어간다. 1978년 야마나시 대학의 마키노 히로시가 첫 시제품을 만들었고, 1981년부터 함께 연구한 회사들이 팔았다.
출처: 정의: IFR 2016 §1.2.2 · 이름과 내력: Makino 2014 · 선택적 유연성: Wikipedia “SCARA” · PF400: PreciseFlex 제품 페이지 · 5절 링크: Wikipedia “Parallel manipulator” · 닿지 않는 안쪽: 이 페이지의 계산
03 다관절 로봇
기울이고, 옆에서 넣는다
회전 관절이 셋 이상인 팔이고, 가장 흔한 것은 6축이다. 허리·어깨·팔꿈치가 손목의 자리를, 손목 셋이 손끝의 방향을 맡는다. 공간의 자세는 자유도 6이라, 6축이면 닿는 곳 대부분에서 아무 자세나 된다. 5축은 방향 하나를 정하지 못하고, 7축은 남는 축으로 팔꿈치를 옮겨 장애물을 피한다.
그래서 튜브를 기울이거나, 장비 옆문으로 넣거나, 사람이 쓰는 도구를 그대로 쓰는 일에 맞는다. 협동 로봇 UR5e는 관절 6개, 하중 5 kg, 도달 850 mm, 반복 정밀도 ±0.03 mm다. 사람의 실험 장비를 두 팔 로봇 둘레에 그대로 놓은 시스템도 있고(Maholo LabDroid), 이동 받침에 올린 팔이 장비 사이를 다니며 8일 동안 실험 688번을 하기도 했다.
대가도 있다. 값이 비싸고, 아주 빠른 일에는 덜 맞는다. 한 자세에 관절의 풀이가 여럿이고(UR5e의 치수로 계산하면 8개), 특이 자세에서는 손끝을 어떤 방향으로 움직이지 못해 경로를 신경 써야 한다. 범위가 큰 다축 팔은 보호 울타리도 커진다.
가족: 평행 링크형 팔
다관절의 몸에 평행사변형 링크를 넣어 손끝을 늘 수평으로 붙잡는다. 자유도는 스카라와 같은 넷이라 플레이트를 옮기는 일에 맞고, 기울이지는 못한다. 팔레타이징 로봇과 값싼 탁상 로봇(Dobot)이 이 짜임이다.
출처: 정의: IFR 2016 §1.2.2 · 강점과 약점: NIST 2019 · UR5e: UR5e 데이터시트 · Maholo LabDroid: JST 연구 성과 소개 · 이동 로봇 화학자: Burger 외 2020 · 울타리와 연구실: Holland·Davies 2020 · 풀이와 특이 자세: Lynch·Park 2017 §5.3, 6장, UR5e 공식 DH로 한 이 페이지의 계산 · 평행 링크: Sanjuan 외 2020 1절
04 델타 로봇
위에서, 가장 빠르게
델타는 원래 이름이다. 1980년대 초 EPFL의 Reymond Clavel이 평행사변형으로 병렬 로봇을 만드는 생각을 했고, 그 로봇을 Delta robot이라 불렀다. 시작은 초콜릿 공장에서 본 단조로운 손일이었다. 왜 델타인지는 밝힌 자료를 찾지 못했다.
위에 고정한 모터 셋이 위팔 셋을 돌리고, 평행사변형 막대가 끝판을 늘 수평으로 묶는다. 그래서 끝판은 X·Y·Z로만 움직이고, 기본이 3축이다. 가운데 축으로 돌림을 더한 4축과 6축도 있다.
모터가 위에 있고 팔이 가벼워 가장 빠르다. ABB IRB 360은 0.1 kg을 들고 25/305/25 mm 왕복을 0.30초에 한다(1분에 약 200번). 대신 작업 공간은 로봇 아래의 납작한 원통(대개 지름 1 m, 높이 0.2 m쯤)이고, 위에 거꾸로 매달아 쓰며, 하중이 작고(1~8 kg), 옆으로 장비 안에 손을 넣지 못한다.
포장·식품·제약 라인에서 많이 쓰지만, 실험실 자동화에서 쓴 사례는 찾지 못했다. 실험실의 일은 속도보다 자세와 정밀이 먼저이기 때문으로 보인다(가설). 이름도 회사마다 달라 낯설다. ABB는 FlexPicker, FANUC은 패러렐 링크 로봇이라 부르고, 별명은 스파이더 로봇이다.
가족: 스튜어트 플랫폼
길이가 바뀌는 다리 여섯이 윗판을 6자유도로 움직인다. 흔히 헥사포드라 부른다. 델타가 병렬 로봇의 ‘빠른 3축’이라면 스튜어트는 ‘단단하고 정밀한 6축’이다. 소형 헥사포드는 반복 정밀도가 수평 ±0.15 µm, 위아래 ±0.06 µm지만 범위는 X ±17 mm, 기울기 ±10°쯤이라, 실험실에서는 시료를 옮기기보다 광학이나 시료를 정밀하게 맞추는 데 맞는다(가설).
이름에도 사연이 있다. 먼저 만든 사람은 1954년 타이어 시험기를 돌린 Eric Gough이고, Stewart가 1965년에 낸 플랫폼은 짜임이 달랐다.
자유도를 세어 보면
기계의 자유도는 막대와 관절을 세어 구한다(Gruebler 식). 델타를 그대로 세면 9가 나온다. 평행사변형 막대 여섯이 저마다 제 축으로 헛돌 수 있기 때문이다. 이 6을 빼면 3이다. 스튜어트는 그대로 세어 6이다.
출처: 이름, 내력, 구조: Bonev 2001, EPFL 부고 2025 · IRB 360: ABB 데이터시트(2022) · 회사마다 다른 이름: ABB·FANUC 제품 자료, NIST 2019 · 헥사포드: Wikipedia “Stewart platform”, PI 제품 자료 · 헥사포드의 내력: Bonev 2003 · 자유도 셈: 이 페이지의 계산
정리
구조가 자세를, 자세가 쓰임을 정한다
- 장비 안에서 위로부터 내려가는 일은 직교가 맡는다. 분주기 데크, 현미경 스테이지, 미세주사 스테이지다.
- 플레이트를 수평으로 장비와 선반 사이에 옮기는 일은 스카라가 맡는다. 필요한 자유도 넷과 꼭 같다.
- 기울이거나 옆문으로 넣으면 6축, 가벼운 것을 아주 빨리 옮기면 델타, 작은 범위를 아주 정밀하게 맞추면 스튜어트 플랫폼이다.
한눈에
| 직교 | 스카라 | 다관절(6축) | 델타 | |
|---|---|---|---|---|
| 기본 축 수 | 3 | 4 | 6 (5·7축도) | 3 (4·6축도) |
| 손끝의 자세 | 방향 고정 | 늘 수평, 수직축 돌림만 | 아무 자세 | 늘 수평(+돌림) |
| 작업 공간 | 틀 안의 상자 | 기둥 둘레의 원통 조각 | 몸 둘레의 공 | 아래의 납작한 원통 |
| 다가가는 방향 | 위(갠트리형), 옆(기둥형) | 위, 같은 높이에서 옆 | 어느 쪽이든 | 위 |
| 실험실 자리 | 분주기, 현미경 스테이지 | 플레이트 핸들러 | 협동 로봇, 두 팔 로봇 | 사례를 찾지 못함 |
| 가족 | 위에서 보면 평면 2링크 팔 | 평행 링크형 팔 | 스튜어트 플랫폼 |
직접 해보기의 다섯 일
| 일 | 직교 | 스카라 | 6축 | 델타 | 링크 | 스튜어트 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 분주 | 됨 | 됨 | 됨 | 됨 | 됨 | 범위 |
| 선반에 넣기 | 부딪힘 | 됨 | 됨 | 부딪힘 | 부딪힘 | 범위 |
| 옆문에 비스듬히 | 자세 | 자세 | 됨 | 자세 | 자세 | 자세 |
| 빠른 분류 | 됨 | 됨 | 됨 | 됨 | 됨 | 범위 |
| 광학 정밀 정렬 | 자세 | 자세 | 정밀도 | 자세 | 자세 | 됨 |
"자세"는 손끝 자세가 안 됨, "부딪힘"은 몸통이 위 선반에 부딪힘, "범위"는 닿지 않음, "정밀도"는 정밀도가 모자람이다. 빠른 분류는 다섯이 모두 되지만, 가장 빠른 것은 델타다. 기둥형 직교는 선반에 넣기만 된다.
실험실의 세 겹
장비 안은 직교, 장비 사이는 스카라나 6축, 실험대 사이는 이동 받침 위의 팔이 맡는다. 겹마다 요구하는 자세와 정밀이 달라 종류가 갈린다(가설: 공개 사례 몇 개를 묶은 틀). 장비 사이의 이송은 로봇 팔 대신, 판 위로 이동판을 띄워 옮기는 자기 부상 평면 이송으로 하기도 한다.
오해축이 많은 로봇이 더 좋은 로봇이다.
실제로는필요한 자세만큼의 축이면 된다. 플레이트를 수평으로 옮기는 일은 4축 스카라로 충분하고, 6축은 값이 비싸고 경로와 특이 자세를 더 신경 써야 한다.
오해가장 빠른 델타가 실험실에도 가장 좋다.
실제로는델타는 위에서만 손을 넣고 작업 공간이 납작하다. 실험실의 일은 대개 속도보다 자세와 정밀이 먼저다(가설).
확인됨 · 가설 · 모름
- 확인됨분류와 정의, 델타·스카라·헥사포드의 내력, 제조사 수치는 원문과 대조했다. 다섯 일의 판정, UR5e의 풀이 8개, 델타의 자유도 셈, 정확도와 반복 정밀도의 예는 따로 만든 모델로 계산했다(모델의 치수는 대부분 가정이다).
- 가설델타가 실험실에서 드문 까닭, 실험실의 세 겹, 헥사포드가 정밀 정렬에 맞는다는 것.
- 모름델타라는 이름의 까닭. 실제 선반의 틈과 그리퍼의 두께에서도 스카라와 6축이 들어가는지(제품마다 다르다). 속도는 계산하지 않았다.
출처: 축과 값, 경로: NIST 2019 · 자기 부상 평면 이송: Beckhoff의 Biosero 사례 글(2026) · 다섯 일의 판정: 이 페이지의 계산
질문
자주 묻는 질문
로봇의 종류에는 무엇이 있나?
국제로봇연맹(IFR)은 산업용 로봇을 기구 구조로 나눈다. 직교(선형·갠트리), 스카라, 다관절, 병렬(델타), 원통형이다(IFR World Robotics 2016 §1.2.2). 구조가 손끝이 닿는 곳과 손끝이 취할 수 있는 자세를 정한다.
델타 로봇은 원래 이름인가?
그렇다. 1980년대 초 EPFL의 Reymond Clavel이 평행사변형으로 만든 병렬 로봇을 Delta robot이라 불렀다(Bonev 2001). 왜 델타인지 밝힌 자료는 찾지 못했다. ABB는 FlexPicker, FANUC은 패러렐 링크 로봇이라는 이름으로 판다.
스카라(SCARA)는 무엇의 줄임말인가?
Selective Compliance Assembly Robot Arm이다. 수평으로는 조금 낭창하고 수직으로는 단단해서, 핀을 구멍에 꽂는 조립에 맞는다. 1978년 야마나시 대학의 마키노 히로시가 첫 시제품을 만들었다(Makino 2014).
5축 로봇과 6축 로봇은 어떻게 다른가?
공간에서 물체의 자세는 위치 셋과 방향 셋, 자유도 6이다(Lynch·Park 2017 §2.1). 6축이면 닿는 곳 대부분에서 아무 자세나 되고, 5축은 방향 하나를 정하지 못한다. 손끝이 제 축 둘레로 대칭이거나 자세 하나가 늘 고정이면 5축으로도 된다.
실험실에서 마이크로플레이트를 옮기는 로봇은 무엇인가?
플레이트는 기울이면 안 되니 필요한 자유도는 위치 셋과 수직축 둘레의 돌림 하나, 모두 넷이다. 그래서 수평 관절과 높은 위아래 기둥을 가진 스카라형 플레이트 핸들러가 이 일에 맞는다(예: Brooks PreciseFlex 400, 4축). 기울이거나 장비 옆문으로 넣어야 하면 6축 협동 로봇을 쓴다.
스튜어트 플랫폼(헥사포드)이란?
길이가 바뀌는 다리 여섯으로 윗판을 6자유도로 움직이는 병렬 로봇이다. 단단하고 정밀하지만 범위가 좁다(PI의 소형 헥사포드는 반복 정밀도가 수평 ±0.15 µm, 위아래 ±0.06 µm이고 X 범위는 ±17 mm). 먼저 만든 사람은 1954년 타이어 시험기를 돌린 Eric Gough다(Bonev 2003).
로봇의 반복 정밀도와 정확도는 어떻게 다른가?
반복 정밀도는 같은 점으로 돌아올 때의 흩어짐이고, 정확도는 좌표로 시킨 곳에 얼마나 맞게 가는지다(ISO 9283은 둘을 따로 잰다). UR5e의 공식 치수로 만든 모델에 링크 길이 0.2~0.3 mm, 관절 영점 0.02°의 오차를 넣자 손끝이 95%에서 0.86 mm 안으로 어긋나, 반복 정밀도 ±0.03 mm의 약 28배였다(가정한 오차로 든 계산). 카메라로 찾은 좌표로 로봇을 보내는 일에 보정이 필요한 까닭이다.
직교 로봇과 갠트리 로봇은 같은가?
직교 로봇은 직선 축 셋이 X·Y·Z와 일치하는 로봇이다(IFR 2016 §1.2.2). 두 레일 위에 걸친 높은 틀에 매달면 갠트리 로봇이라 부른다(NIST 2019). 분주기와 현미경 스테이지가 이 짜임이다.
더 보기
- IFR, World Robotics 2016 Industrial Robots, 1.2 산업용 로봇의 정의와 분류
- Bonev, Delta Parallel Robot: the Story of Success (2001)
- Bonev, The True Origins of Parallel Robots (2003)
- Makino, Development of the SCARA (Journal of Robotics and Mechatronics, 2014)
- NIST, 4 Types of Robots Every Manufacturer Should Know (2019)
- ANSI SLAS 1-2004 (R2012), Microplates: Footprint Dimensions
- Universal Robots, UR5e의 DH 파라미터
- Holland, Davies, Automation in the Life Science Research Laboratory (2020)
- Wang 외, A Fully Automated Robotic System for Microinjection of Zebrafish Embryos (PLoS ONE, 2007)
- Sanjuan 외, Forward kinematic analysis of Dobot using closed-loop method (2020)
- 계산: 로봇 일곱의 기구학 모델(UR5e는 공식 DH)과 충돌 검사를 파이썬으로 따로 만들어, 이 페이지의 판정 규칙이 다섯 일에서 같은 답을 내는지 맞췄다. 모델의 치수는 대부분 가정이다.