고속 픽앤플레이스 애플리케이션을 위한 포괄적인 자동화 시스템을 설계하는 것은 모션 엔지니어가 직면하는 가장 어려운 과제 중 하나입니다. 로봇 시스템이 더욱 복잡해지고 생산 속도가 끊임없이 증가함에 따라 시스템 설계자는 최신 기술을 따라잡아야 하며, 그렇지 않으면 최적화되지 않은 설계를 하게 될 위험이 있습니다. 최신 기술과 구성 요소를 살펴보고, 이러한 기술과 구성 요소가 실제로 어떻게 활용되는지 자세히 알아보겠습니다.

로봇 팔은 소형 디자인에 적합합니다.

산업용 로봇 팔은 일반적으로 민첩한 움직임을 보이는 것으로 알려져 있지 않습니다. 오히려 대부분은 무거운 로봇 팔 끝단 툴링을 지탱해야 하는 견고한 구조를 가지고 있습니다. 이러한 견고한 설계의 장점에도 불구하고, 로봇 팔은 섬세한 작업에는 너무 무겁고 부피가 큽니다. 가벼운 작업에 더 적합한 민첩한 로봇 팔을 만들기 위해 독일 쾰른에 위치한 igus Inc.의 엔지니어들은 작은 하중이 지브를 중심으로 회전할 수 있도록 하는 다축 관절을 개발하기 시작했습니다. 이 새로운 관절은 그리퍼의 힘을 필요에 따라 조절할 수 있는 섬세한 집어 옮기기 작업에 매우 적합합니다.

새로운 관절은 플라스틱과 케이블 제어 장치로 구성되어 있으며, 유연성과 경량성이 핵심 설계 요소입니다. 간단히 말해, 케이블은 FAULHABER의 소형 브러시리스 DC 서보 모터를 통해 팔의 어깨 관절에서 이동되므로 팔의 관성을 방지하고 역동적인 움직임을 가능하게 하며 설계 공간을 최소화합니다.

엔지니어들은 설계의 상당 부분을 인간의 팔꿈치 관절에서 영감을 받아 회전과 선회라는 두 가지 자유도를 하나의 관절에 통합했습니다. 인간의 팔과 마찬가지로 로봇 팔에서 가장 약한 부분은 뼈(로봇 팔 본체)나 근육(구동 모터)이 아니라 동력을 전달하는 힘줄입니다. 따라서 고장력 제어 케이블은 3,000~4,000 N/mm²의 인장 강도를 자랑하는 초강력 UHMW-PE 폴리에틸렌 소재로 제작되었습니다. 이 관절은 물건을 집어 옮기는 등의 기존 로봇 팔 기능 외에도 경량 구조가 요구되는 특수 카메라, 센서 또는 기타 도구 장착에도 적합합니다. 모든 관절에는 높은 정밀도를 위해 자기 각도 위치 센서가 내장되어 있습니다.

전자식 정류 서보 모터는 동적 사용에 적합한 낮은 이동 질량을 특징으로 합니다. 24Vdc의 작동 전압은 배터리 전원에 맞춰 설계되어 모바일 애플리케이션에 필수적이며, 97mNm의 모터 토크는 직경 조절이 가능한 유성 기어헤드의 토크를 로봇 팔 작동에 필요한 값으로 증가시킵니다. 더욱이, 이 브러시리스 드라이브는 로터 베어링을 제외하고는 마모되는 부품이 없어 수만 시간의 긴 수명을 보장합니다.

선형 모션 시스템은 실험실 자동화 속도를 높입니다.

전통적인 포장 및 조립 작업 외에도, 픽앤플레이스(pick-and-place) 기술은 고속 실험실 자동화 분야에서 빠르게 확산되고 있습니다. 매일 수백만 개의 박테리아 샘플을 처리한다고 상상해 보세요. 오늘날 생명공학 실험실에서 처리해야 하는 작업량을 짐작할 수 있을 것입니다. 한 실험 환경에서, 첨단 선형 모션 시스템을 탑재한 RoToR라는 생명공학 실험실 로봇은 시간당 20만 개 이상의 샘플을 고정하는 경이로운 속도로 세포 배열을 고정하고 있습니다. 영국 서머셋에 위치한 싱어 인스트루먼트(Singer Instruments)에서 개발한 RoToR는 유전학, 게놈, 암 연구를 위한 벤치탑 자동화 시스템으로 사용됩니다. 이러한 로봇 한 대가 여러 실험실에서 활용되며, 과학자들은 박테리아 및 효모 라이브러리의 복제, 접합, 재배열, 백업을 위해 짧은 시간 동안 로봇을 사용합니다.

실시간 컨트롤러는 로봇의 지점 간 고정 이동을 조율하는 세 개의 동작 축과 샘플 처리 축을 제어하며, 로봇의 GUI와도 상호 작용합니다. 또한, 컨트롤러는 모든 입출력 채널을 관리합니다.

컨트롤러 외에도 Baldor는 선형 서보 모터 및 드라이브와 3개의 통합 스테퍼 모터 및 드라이브 모듈을 제공했습니다. 로봇은 기계 폭을 따라 움직이는 선형 서보 모터 축을 따라 소스 플레이트에서 목적지 플레이트로 점대점 이동을 수행합니다. 이 축에는 핀 고정 동작을 제어하는 ​​2축 스테퍼 모터 헤드가 장착되어 있습니다. 실제로, 결합된 XYZ 운동은 복잡한 나선형 운동을 이용하여 샘플을 휘젓는 것까지 가능하게 합니다. 별도의 스테퍼 모터 축은 핀 헤드의 로딩 메커니즘을 제어합니다. 공압 그리퍼와 회전 장치는 작업 시작과 끝에서 핀 헤드를 집어 올리고 버리는 것과 같은 다른 기계 움직임을 제어합니다.

싱어는 원래 주 횡축에 공압 구동 방식을 사용할 계획이었지만, 이 설계로는 원하는 위치 정밀도나 속도를 확보할 수 없었고 실험실 환경에는 소음이 너무 컸습니다. 이때 엔지니어들은 선형 모터를 고려하기 시작했습니다. 발도르는 맞춤형 브러시리스 선형 서보 모터를 개발했는데, 선형 트랙을 기계적으로 수정하여 트랙 전체 길이를 따라 지지하는 대신 양 끝단에서만 지지할 수 있도록 했습니다. 따라서 모터의 포서(forcer)는 Y축과 Z축을 지지하는 X축 갠트리 역할을 합니다. 마지막으로, 선형 모터의 자석 설계는 코깅 현상을 최소화하여 부드러운 움직임을 가능하게 합니다.