작업공간 (Workspace)

로봇공학
한 줄 정의: 로봇의 엔드이펙터가 관절 범위 내에서 도달할 수 있는 모든 위치(그리고 자세)의 집합이다. 도달가능작업공간과, 임의의 자세로 도달 가능한 손쉬운작업공간(dexterous workspace)으로 구분하기도 한다.

쉽게 풀면

로봇 팔이 손을 뻗어서 닿을 수 있는 모든 공간을 말해요. 사람이 의자에 앉은 채로 팔을 최대한 뻗었을 때 손이 그릴 수 있는 반원 모양의 영역을 상상하면 비슷한데, 로봇도 베이스에 고정된 채로 각 관절을 이리저리 움직여 봤을 때 손끝(엔드이펙터)이 도달할 수 있는 모든 점들을 모아 놓은 공간이 작업공간입니다. 관절이 몇 개인지, 링크가 얼마나 긴지에 따라 이 공간의 모양과 크기가 완전히 달라집니다.

왜 중요한가

엔드이펙터가 도달할 수 있는 범위를 파악하는 것은 로봇 배치와 작업 대상물 위치 설계의 전제 조건이 되어, 로봇 셀 설계 초기 단계에서 핵심적으로 고려됩니다. 공장 라인에 로봇을 설치할 때 작업 대상물이 작업공간 밖에 있다면 아무리 좋은 제어 알고리즘을 써도 로봇이 그 지점에 닿을 수 없기 때문에, 로봇 기종 선정과 배치 위치를 정할 때 가장 먼저 확인하는 항목입니다. 새로운 로봇 메커니즘을 설계할 때도 원하는 작업 범위를 만족하는 링크 길이와 관절 배치를 찾기 위해 작업공간을 수치적으로 분석합니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

본 로봇의 작업공간을 수치적으로 계산한 결과 반경 0.8m의 도넛 형태로 나타났다.

논문에서 작업공간은 로봇의 설계 단계에서 목표 작업 영역을 충족하는지 확인하는 데 사용됩니다.

"몬테카를로 방법으로 무작위 관절각을 생성하여 엔드이펙터 위치를 계산함으로써 로봇의 작업공간 경계를 근사하였다."

작업공간이 해석적으로 정확히 구하기 어려운 경우가 많아, 무작위 샘플링 같은 수치적 방법으로 근사 계산된다는 점을 보여주는 문장이다.

조금 더 깊게 보면

단순히 닿을 수 있다는 것과 원하는 자세로 정밀하게 작업할 수 있다는 것은 다른 문제로, 후자를 판단하려면 손쉬운작업공간 개념을 별도로 검토해야 합니다. 도달가능작업공간은 어떤 자세로든 한 번이라도 닿을 수 있는 전체 영역을 뜻하고, 손쉬운작업공간은 그 지점에서 임의의 방향으로 손끝을 향하게 할 수 있는 더 좁은 영역을 뜻하는데, 실제 정밀 작업에는 후자가 더 중요한 기준이 됩니다. 작업공간의 경계 부근은 흔히 특이점과 맞닿아 있어, 경계 근처에서 작업을 계획할 때는 관절속도 급증 문제도 함께 고려해야 합니다.

주의할 점

작업공간은 관절 한계뿐 아니라 링크 간 간섭에 의해서도 줄어들 수 있어 단순 계산과 실제가 다를 수 있다.

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