기구학적 구조

모든 기계나 메커니즘들은 구조를 가지고 있으며, 때로는 이 구조도 부품들로 이루어진다. 구조 설계 시 가장 먼저 고려해야 하는 사항들 중 하나는 구조설계가 의도하는 기능을 수행하도록 만들기 위해서 구조부품들을 이동시킬 방법을 선정하는 것이다. 기구학에서는, 3차원 좌표계를 사용하여 부품의 운동을 3차원 공간 내에서 위치와 방향으로 나타낼 수 있다. 따라서 기구학적 구조는 부품의 배치와 이들의 축선방향을 정의한다. 본질적으로, 기구학적 구조는 사용된 메커니즘의 세밀한 기하학, 기구학, 및 기능적 측면을 고려하지 않은 채로 기구학적 체인을 나타낸다. 기구학적 체인을 서로 연결되어 있는 일련의 강체들로 나타낼 수 있다. 금속절단기의 경우, 기구학적 체인은 모든 축들, 시편, 공구 및 기계의 베드 등을 사용하여 기구학적 구조 내에서 운동의 흐름을 나타낸다. 
 기구학적 구조들은 기능적 요구조건을 충족시키기 위해서 서로 다른 숫자의 링크들 그리고 연결들을 직렬, 병렬 및 하이브리드(직렬과 병렬의 조합)의 기구학적 토폴로지로 배치할 수 있다. 기구학적 구조의 이동도는 조인트와 링크들의 숫자와 조인트들의 자유도에 의존한다.
 전통적인 정밀기계와 대부분의 산업용 로봇들은 다수의 부품들(부품들을 강체로 간주하여 큰 부하에 의해서 유발되는 탄성과 변형을 무시한다)이 직렬로 연결되어 있는 직렬기구학적 구조(하나의 열린 기구학적 체인)를 채택하고 있다. 따라서 직렬기구학적 구조의 경우, 부품의 개별 축들은 서로에 대해서 위로 쌓이므로, 하부에 위치한 축들은 그 위에 얹힌 구조물을 이송한다. 이 구조에 사용된 개별 부품들을 링크라고 부르며 링크들의 조합을 링크기구라고 부른다. 링크기구 내의 한쌍의 링크들은 조인트에 의해서 연렬된다. 가장 일반적으로 사용되는 공학용 조인트는 다음의 두 가지로 나눌 수 있다. (1) 프리즈매틱 조인트(공통 축선에 대해서 두 링크의 상대운동이 발생), (2) 회전 조인트, 피봇 조인트 또는 핀 조인트(조인트 축선에 대해서 두 링크의 회전운동이 발생). 이들 두 가지 유형의 조인트를 조합하여 정밀기계와 로봇을 위한 유용한 메커니즘을 만들 수 있다. 물론, 기계구조는 기계의 지지프레임과 이 프레임에 추가되는 구동기와 안내기구 등의 기능요소들을 포함한다. 
 기구학적 구조의 기본적인 요구조건들 중 하나는 3차원 공간 내에서 공구나 임무를 수행하는 구조물에 속한 임의의 부품에 해당하는 엔드이펙터의 위치 결정(위치와 배향) 기능이다. 기구학적 구조를 좌표계로 간주하고 좌표계 내에서 부품의 위치와 배향을 사용하여 구조물 내의 모든 부품들을 나타낼 수 있다면, 이 요구조건이 충족된다. 구조물의 기하학적 형태에 따라서 직교좌표계, 원통좌표계, 또는 구면좌표계를 사용하여 기구학적 구조를 나타낼 수 있다. 예를 들어 직교로봇의 팔은 세 개의 프리즈매틱 조인트들을 가지고 있으며, 원통형 로봇의 핸드는 하나의 회전 조인트와 두 개의 프리즈매틱 조인트를 갖추고 있따. 그리고 구면로봇은 두 개의 회전 조인트와 하나의 프리즈매틱 조인트를 갖추고 있다. 기구학적 구조를 나타내기 위해서 좌표계를 사용하는 것은 전향식 기구학적 해석이나 후향식 기구학적 해석과 같은 기구학적 해석의 기초가 된다.
 직렬기구학을 사용하는 기계들은 일반적으로 잘 정의된 구조와 배치를 가지고 있으며, 단순한 형상과 비교적 큰 작업공간을 가지고 있따. 직렬구조의 경우, 위치 결정용 작동기와 기계축 사이의 직접적인 상관관계는 기계와 시편 좌표계가 동일할 수 있다는 것을 의미하며, 결과적으로 구조의 제어가 용이해진다. 반면에, 직렬기계들에서는 특히 큰 질량을 이동시켜야하는 경우에 이송 범위의 끝으로 갈수록 큰 굽힘 모멘트와 2차 질량 모멘트가 부가되며, 이송축의 동특성이 제한된다. 또한 이 기계구조들은 기구학적 체인을 구성하는 개별 위치 결정 요소들의 정밀도에 크게 의존하며 복합오차를 생성한다. 기구학적 체인의 하부 링크기구에서 발생하는 오차는 그 위에 쌓이는 링크기구의 정확도를 떨어트린다. 이런 이유 때문에, 직렬기계에 더 많은 위치 결정 요소들이 추가될수록 총 오차가 더 증가하여, 엔드이펙터의 최정위치는 더 벌어지게 된다.
 병렬 기구학적 구조에 대해 기술한다.
 병렬 메커니즘과 병렬기계들을 포함하는 병렬기구학적 구조는 최소한 두 개의 독립적인 체인을 통해서 엔드이펙터가 베이스에 연결되는 닫힌 기구학적 체인구조를 가지고 있다. 병렬구조에서, 위치 결정용 작동기들은 다른 작동기 위에 쌓기보다는 병렬로 배치하기 때문에, 엔드이펙터의 위치나 배향을 변화시키기 위해서는 모든 작동기들이 동시에 움직여야만 한다.
 병렬기구학적 구조의 작동원리를 설명하기 위해서, 다음의 두 가지 사례들에 대해서 살펴보기로 한다.
 그림 6.49에서는 다섯 개의 조인트들에 의해서(바닥 링크를 포함하여) 다섯 개의 링크들이 연결되어 이동도가 2인 5절 링크 구조를 보여주고 있다. 근본적으로, 두 개의 직렬 링크들이 특정한 조인트로 연결되어 닫힌 기구학적 체인을 형성하였으며, 직렬 링크기구들은 기하학적 구속조건을 따라야만 한다. 여기서 다섯 개의 조인트들 중 두 개의 조인트각도를 알고 있다면, 엔드이펙터의 위치를 구할 수 있다. 두 개의 작동기들을 사용하여 1번 조인트와 2번 조인트의 각도를 조절하면 구조물의 수직평면 내에서 엔드이펙터의 위치를 조절할 수 있다. 따라서 단지 두개의 조인트들만이 독립적인 작동기들에 의해서 구성되는 능동 조인트이며, 여타 세 개의 조인트들은 자유롭게 회전 할 수 있는 수동 조인트이다.