로봇의 종류 — 이동 방식과 임무로 이해하는 로봇 분류

1. 로봇은 한 가지 기준으로 분류할 수 없다

“이 로봇은 어떤 종류인가?”라는 질문에는 하나의 답만 있는 것이 아닙니다.

병원에서 약품을 운반하는 로봇을 생각해 봅시다. 임무로 보면 Service Robot이고, 이동 방식으로 보면 Differential Drive Mobile Robot일 수 있습니다. 사람과 같은 공간에서 스스로 경로를 계획한다면 AMR이며, 물건을 싣는 몸체 구조를 기준으로 보면 운반형 로봇입니다.

하나의 로봇에 여러 분류가 동시에 적용됩니다.

임무 기준       병원 물류 Service Robot
환경 기준       실내 Robot
이동 기준       Differential Drive Mobile Robot
자율성 기준     AMR
상호작용 기준   사람과 공간을 공유하는 Robot

따라서 로봇을 분류하는 목적은 하나의 이름표를 붙이는 데 있지 않습니다. 그 로봇이 어떤 환경에서 무엇을 해야 하며, 어떤 제약을 가지고 있는지 빠르게 이해하는 데 있습니다.

2. 임무에 따른 분류

가장 이해하기 쉬운 방법은 로봇이 수행하는 일을 기준으로 나누는 것입니다.

같은 기계 구조도 임무에 따라 다른 범주에 놓일 수 있습니다. 6축 Robot Arm이 공장에서 용접하면 산업용 로봇이고, 수술실에서 의료진을 보조하면 의료 로봇입니다.

3. 산업용 로봇 — 반복 작업을 빠르고 정확하게

산업용 로봇은 제조 현장에서 물체를 이동하거나 가공 도구를 조작하는 데 사용됩니다.

대표적인 작업은 다음과 같습니다.

• Welding: 용접
• Painting: 도장
• Assembly: 조립
• Machine Tending: 공작기계에 부품 투입과 회수
• Palletizing: 제품 적재
• Inspection: Camera와 Sensor를 이용한 검사

산업용 로봇은 대체로 구조화된 환경에서 높은 속도와 반복 정밀도를 목표로 합니다. 작업물의 위치, 도구, 동선이 미리 정해져 있을수록 성능을 높이기 쉽습니다.

전통적인 산업용 로봇은 안전 Fence로 사람과 작업 공간을 분리합니다. 반면 Collaborative Robot, 즉 협동 로봇은 사람과 가까운 공간에서 작업하도록 힘과 속도를 제한하고 안전 기능을 적용합니다.

협동 로봇이라는 이름만으로 모든 작업이 안전해지는 것은 아닙니다. 끝에 날카로운 공구를 장착하거나 무거운 물체를 빠르게 옮기면 전체 System에 대한 별도의 위험 분석과 안전 조치가 필요합니다.

4. 로봇팔은 기구 형태에 따라 달라진다

Manipulator는 여러 Joint와 Link를 연결하여 도구나 물체의 위치와 자세를 바꾸는 로봇입니다.

어떤 형태가 항상 더 우수한 것은 아닙니다. Delta Robot은 매우 빠르지만 작업 공간과 Payload에 제약이 있습니다. Cartesian Robot은 구조가 단순하고 정확하지만 복잡한 자세를 만들기 어렵습니다. 임무에 필요한 움직임을 가장 단순하게 구현하는 구조가 좋은 선택입니다.

5. 자유도와 작업 공간

DOF, 즉 Degree of Freedom은 독립적으로 움직일 수 있는 축의 수입니다.

3차원 공간에서 물체의 위치 x, y, z와 자세 roll, pitch, yaw를 모두 독립적으로 지정하려면 일반적으로 6개의 독립적인 자유도가 필요합니다. 그래서 많은 산업용 Articulated Robot이 6축 구조를 사용합니다.

7자유도 Robot Arm은 같은 손끝 위치와 자세를 만드는 여러 관절 조합을 가질 수 있습니다. 이를 Redundancy, 즉 여유 자유도라고 합니다. 손끝을 고정한 채 팔꿈치 위치를 바꾸어 장애물을 피할 수 있다는 장점이 있습니다.

Workspace는 Robot의 End Effector가 도달할 수 있는 공간입니다.

Reachable Workspace는 어떤 자세로든 도달할 수 있는 점의 집합입니다.

Dexterous Workspace는 요구되는 여러 자세까지 만들며 도달할 수 있는 영역입니다. 일반적으로 Dexterous Workspace가 더 작습니다.

자유도가 많으면 움직임의 선택지는 늘지만 Motor, Gearbox, Cable, 제어 Loop와 고장 가능 지점도 늘어납니다. 필요한 임무를 만족하는 최소한의 자유도를 선택하는 것이 중요합니다.

6. 특이점과 가반하중도 확인해야 한다

Robot Arm을 선택할 때 Reach와 DOF만 확인해서는 안 됩니다.

Singularity는 특정 자세에서 어떤 방향의 손끝 움직임을 만들기 매우 어려워지는 기구학적 상태입니다. 팔을 완전히 펴거나 특정 Joint 축이 일치하는 자세가 대표적입니다. 이 근처에서는 작은 손끝 속도를 만들기 위해 매우 큰 Joint 속도가 요구될 수 있습니다.

Payload는 Robot이 안전하게 다룰 수 있는 하중입니다. 물체 무게만 뜻하지 않고 Gripper와 Tool의 무게도 포함해서 판단해야 합니다.

Reach는 Robot의 최대 도달 거리지만 최대 Reach 부근에서 모든 자세와 Payload를 그대로 사용할 수 있다는 뜻은 아닙니다.

Repeatability는 같은 위치로 반복해서 돌아오는 능력이고 Accuracy는 명령한 절대 위치에 얼마나 정확히 도달하는지를 뜻합니다. 두 값은 서로 다릅니다.

7. 이동 로봇은 어떻게 움직이는가?

Mobile Robot은 몸체 전체가 환경 안에서 위치를 바꾸는 로봇입니다.

Software 개발에서 이동 방식이 중요한 이유는 구동 구조에 따라 가능한 속도와 경로가 달라지기 때문입니다. 같은 cmd_vel 명령도 바퀴 구조에 따라 다른 Motor 명령으로 변환됩니다.

8. 차동 구동 — 단순하고 널리 쓰이는 구조

Differential Drive Robot은 왼쪽과 오른쪽 바퀴의 속도 차이로 이동 방향을 바꿉니다.

양쪽 바퀴를 같은 속도로 돌리면 직진합니다.

한쪽을 빠르게 돌리면 곡선으로 움직입니다.

양쪽을 반대 방향으로 돌리면 제자리 회전할 수 있습니다.

그러나 바퀴 축과 나란한 옆 방향으로 즉시 움직일 수는 없습니다. 이러한 운동학적 제약 때문에 Differential Drive는 평면에서 Non-holonomic System으로 분류됩니다.

구조가 단순하고 비용이 낮으며 실내에서 방향을 바꾸기 쉬워 로봇 청소기, 교육용 Robot과 배송 Robot에 널리 사용됩니다.

9. 전방향 구동 — 자세를 유지하며 옆으로 이동하다

Omni Wheel과 Mecanum Wheel은 바퀴 둘레에 작은 Roller를 배치하여 측면 성분의 움직임을 만듭니다.

전방향 이동 Robot은 평면에서 전진 속도 vx, 측면 속도 vy, 회전 속도 wz를 비교적 독립적으로 명령할 수 있습니다. 좁은 공간에서 몸체 방향을 유지한 채 옆으로 이동할 수 있다는 장점이 있습니다.

하지만 Roller와 바닥의 접촉에서 Slip이 발생하기 쉽습니다. 바닥 상태와 하중에 따라 Wheel Encoder 기반 Odometry 오차가 커질 수 있으므로 LiDAR, Camera, IMU와 같은 외부 보정 정보가 중요합니다.

Mecanum과 Omni를 모두 같은 기구 구조로 생각해서는 안 됩니다. Roller 각도와 Wheel 배치에 따라 역운동학 식이 달라집니다.

10. 자동차형과 무한궤도 로봇

Ackermann Steering은 일반 자동차처럼 앞바퀴의 조향각으로 방향을 바꿉니다.

고속 주행과 야외 이동에 유리하지만 최소 회전 반경이 있고 제자리 회전할 수 없습니다. 경로 Planner는 Robot이 실제로 따라갈 수 있는 곡률과 전후진 조건을 고려해야 합니다.

Tracked Robot은 좌우 무한궤도의 속도 차이로 이동합니다. 접지 면적이 넓어 흙, 자갈, 잔해 같은 험지에서 유리합니다.

제자리 방향 전환은 지면과 Track 사이의 Slip을 이용합니다. 따라서 Encoder 회전량과 실제 이동량의 관계가 바닥 조건에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 정확한 위치 추정에는 IMU와 외부 Sensor의 보정이 필요합니다.

11. 다리 로봇과 휴머노이드

Legged Robot은 발을 디딜 위치를 선택할 수 있어 계단, 문턱과 불규칙한 지형을 이동할 수 있습니다.

Quadruped Robot은 네 다리로 지지 영역을 만들기 쉬워 점검, 재난, 건설 현장에 활용됩니다.

Humanoid Robot은 사람과 비슷한 몸체와 두 다리를 사용합니다. 사람을 위해 만들어진 계단, 문, 도구와 작업 공간을 큰 변경 없이 이용할 가능성이 있다는 장점이 있습니다.

그러나 바퀴형 Robot보다 구조와 제어가 복잡하며 에너지 효율도 낮은 경우가 많습니다. 보행 중에는 무게중심과 접촉력, 발의 위치를 계속 조절해야 합니다. 넘어짐이 사람과 시설에 미치는 위험도 고려해야 합니다.

사람과 비슷한 외형이 임무에 반드시 필요한지 먼저 판단해야 합니다. 평평한 바닥에서 물건만 운반한다면 바퀴형 Robot이 더 단순하고 안정적일 수 있습니다.

12. 비행 로봇과 해양 로봇

UAV 또는 Drone은 공중에서 3차원으로 이동합니다.

Multirotor는 제자리 비행과 정밀한 위치 유지가 가능하여 촬영, 시설 점검과 측량에 적합합니다. 반면 비행시간이 짧고 Payload가 제한됩니다.

Fixed-wing Aircraft는 장거리와 넓은 지역을 효율적으로 비행하지만 일반적으로 제자리 비행할 수 없고 이착륙 공간이 필요합니다.

Marine Robot은 수상과 수중 환경에서 동작합니다.

USV는 물 위를 이동하는 무인 수상정이고, ROV는 Cable을 통해 사람이 원격 조작하는 수중 Robot입니다. AUV는 Cable 없이 Mission을 수행하는 자율 수중 Robot입니다.

수중에서는 GPS 전파를 직접 사용할 수 없고 일반적인 무선 통신도 크게 제한됩니다. 압력, 부식, 누수와 제한된 통신을 고려한 설계가 필요합니다.

13. AGV와 AMR — 인프라 의존성과 자율성의 차이

AGV는 Automated Guided Vehicle의 약자이고 AMR은 Autonomous Mobile Robot의 약자입니다.

전통적인 AGV는 Magnetic Tape, Wire, Reflector나 Marker처럼 정해진 경로 또는 안내 인프라를 따라 이동합니다. 경로가 안정적이고 반복되는 공정에서는 단순성과 예측 가능성이 장점입니다.

AMR은 Map과 Sensor를 이용해 자신의 위치를 추정하고 목표까지의 경로를 계산합니다. 통로가 막히면 운용 조건 안에서 우회 경로를 만들 수 있습니다.

현실에서는 경계가 항상 명확하지 않습니다. 안내선을 사용하지 않는 AGV도 있고 중앙 관제의 Route를 따르는 AMR도 있습니다. 이름보다 다음 질문이 더 중요합니다.

Robot은 어느 범위까지 스스로 위치를 추정하고 경로를 바꾸는가?

운행을 위해 어떤 시설과 Marker가 필요한가?

장애물과 통신 장애가 발생하면 어떻게 행동하는가?

14. 의료·재활·돌봄 로봇

Medical Robot은 진단, 수술, 재활, 운반과 돌봄을 지원합니다.

수술 Robot은 의사의 조작을 정밀하게 전달하는 Teleoperation System인 경우가 많습니다. “Robot”이라는 이름이 붙어도 스스로 수술을 판단하는 완전 자율 System이라는 뜻은 아닙니다.

Rehabilitation Robot과 Exoskeleton은 사용자의 움직임을 보조하거나 반복 훈련을 제공합니다. 사람의 몸과 직접 접촉하므로 힘 제한, 착용 정렬, 생체 신호, 비상 해제와 임상적 검증이 중요합니다.

병원 물류 Robot은 약품과 물품을 운반하며 사람, 침대, Elevator가 함께 움직이는 복잡한 환경에서 동작합니다. 이동 성능뿐 아니라 감염 관리, 개인정보, 소음과 운영 절차도 고려해야 합니다.

15. 농업·건설·재난 로봇

Field Robot은 구조화되지 않은 야외 환경에서 실제 작업을 수행합니다.

Agricultural Robot은 작물 상태를 관찰하거나 파종, 제초, 방제와 수확을 수행합니다. 햇빛, 먼지, 비, 진흙과 계절에 따른 외형 변화에 대응해야 합니다.

Construction Robot은 측량, 운반, 굴착, 용접과 3D Printing에 사용될 수 있습니다. 큰 하중과 충격, 계속 변하는 작업 공간이 핵심 제약입니다.

Disaster Response Robot은 화재, 붕괴, 화학 물질과 방사선처럼 사람이 접근하기 위험한 환경을 조사합니다. 빠른 자율성보다 안정적인 원격조작과 통신, 고장 후 회수 가능성이 더 중요할 때도 많습니다.

16. 고정형·이동형·Mobile Manipulator

Robot은 이동성과 조작 기능을 결합하는 방식으로도 나눌 수 있습니다.

Fixed Manipulator는 바닥이나 설비에 고정되어 있습니다. Base가 움직이지 않아 높은 정밀도와 속도를 얻기 쉽습니다.

Mobile Robot은 물건이나 Sensor를 운반하지만 복잡한 조작 기능이 없을 수 있습니다.

Mobile Manipulator는 이동 Base 위에 Robot Arm을 결합합니다. 넓은 공간을 이동하면서 문을 열거나 선반의 물체를 집는 작업이 가능합니다.

Mobile Base
  +
Manipulator
  +
Camera · Force Sensor
  ↓
이동 + 인식 + 조작을 함께 계획

두 Robot을 단순히 얹는 것보다 어렵습니다. Base와 Arm의 좌표계를 연결해야 하고, Arm이 움직일 때 무게중심과 전도 위험이 변합니다. Navigation과 Manipulation의 충돌 회피도 함께 고려해야 합니다.

17. 임무에서 로봇 형태를 선택하는 순서

로봇 형태는 멋있는 외형이 아니라 임무와 환경에서 도출해야 합니다.

첫째, 무엇을 옮기거나 다루는지 확인합니다.

무게, 크기, 형상, 깨짐, 온도와 필요한 정밀도를 기록합니다.

둘째, 어디에서 작업하는지 확인합니다.

실내·실외, 바닥, 경사, 문턱, 통로 폭, 먼지, 물, 온도를 조사합니다.

셋째, 사람과 공간을 공유하는지 확인합니다.

속도와 힘 제한, 감지 범위, 정지 거리와 적용 안전 요구가 달라집니다.

넷째, 필요한 움직임을 정의합니다.

옆 이동, 제자리 회전, 계단 이동, 3차원 비행, 물체의 위치와 자세가 필요한지 확인합니다.

다섯째, 운영 조건을 확인합니다.

연속 운전 시간, 충전, 통신, 정비, 세척, 회수와 고장 시 동작을 정합니다.

마지막으로 구동 방식과 자유도, Sensor와 Computer를 선택합니다.

18. 사례 — 병원 약품 배송 로봇 선택하기

다음과 같은 임무가 있다고 생각해 봅시다.

폭이 좁은 병원 복도에서
약품 Cart를 싣고
사람과 침대를 피하며
밤낮으로 병동 사이를 이동한다.

평평한 실내 바닥이므로 다리보다 바퀴가 효율적입니다.

좁은 곳에서 방향을 바꿔야 하므로 Differential Drive 또는 전방향 구동을 검토합니다.

Layout과 Traffic이 바뀌므로 위치 추정과 재계획이 가능한 AMR이 적합합니다.

사람과 공간을 공유하므로 LiDAR와 Bumper, 안전 정지와 속도 제한이 필요합니다.

장시간 운용을 위해 자동 충전과 Battery 상태 감시가 필요합니다.

Elevator를 사용한다면 관제 System과 Elevator Interface도 필요합니다.

이처럼 “병원 Robot”이라는 이름보다 임무를 구체적인 요구사항으로 바꾸는 과정이 중요합니다.

19. 실전 코드 — 구동 방식별 바퀴 명령 비교

다음 Python 코드는 같은 Body 속도 명령을 Differential Drive, Mecanum과 Ackermann 구조가 어떻게 다르게 해석하는지 보여 줍니다.

import math

WHEEL_RADIUS = 0.05
WHEEL_SEPARATION = 0.35
WHEEL_BASE = 0.50
LX = 0.20
LY = 0.18


def differential(vx: float, wz: float) -> dict[str, float]:
    left = vx - wz * WHEEL_SEPARATION / 2.0
    right = vx + wz * WHEEL_SEPARATION / 2.0
    return {
        "left_rad_s": round(left / WHEEL_RADIUS, 3),
        "right_rad_s": round(right / WHEEL_RADIUS, 3),
    }


def mecanum(vx: float, vy: float, wz: float) -> dict[str, float]:
    k = LX + LY
    wheel_speeds = (
        (vx - vy - k * wz) / WHEEL_RADIUS,
        (vx + vy + k * wz) / WHEEL_RADIUS,
        (vx + vy - k * wz) / WHEEL_RADIUS,
        (vx - vy + k * wz) / WHEEL_RADIUS,
    )
    names = ("front_left", "front_right", "rear_left", "rear_right")
    return {
        name: round(speed, 3)
        for name, speed in zip(names, wheel_speeds)
    }


def ackermann(vx: float, wz: float) -> dict[str, float | str]:
    if abs(vx) < 1e-6 and abs(wz) > 1e-6:
        return {"state": "제자리 회전 불가"}

    if abs(wz) < 1e-6:
        return {"turn_radius_m": "직진", "steer_deg": 0.0}

    radius = vx / wz
    steer = math.atan(WHEEL_BASE / radius)
    return {
        "turn_radius_m": round(radius, 3),
        "steer_deg": round(math.degrees(steer), 2),
    }


def compare(vx: float, vy: float, wz: float) -> None:
    print(f"명령: vx={vx}, vy={vy}, wz={wz}")
    print("Differential:", differential(vx, wz))
    if abs(vy) > 1e-6:
        print("  주의: Differential Drive는 vy를 실행할 수 없습니다.")
    print("Mecanum:", mecanum(vx, vy, wz))
    print("Ackermann:", ackermann(vx, wz))
    print()


if __name__ == "__main__":
    compare(0.5, 0.0, 0.0)
    compare(0.0, 0.0, 1.0)
    compare(0.3, 0.3, 0.0)

두 번째 명령은 제자리 회전입니다. Differential Drive와 Mecanum은 실행할 수 있지만 Ackermann 구조는 실행할 수 없습니다.

세 번째 명령에는 측면 속도 vy가 있습니다. Mecanum은 실행할 수 있지만 Differential Drive와 Ackermann은 그 자리에서 같은 움직임을 만들 수 없습니다.

Robot의 구동 형태와 Planner의 Motion Model이 일치해야 하는 이유입니다.

20. 이 장의 핵심 정리

로봇은 임무, 환경, 이동 방식, 몸체 구조와 자율성 등 여러 기준으로 분류할 수 있습니다.

하나의 Robot은 동시에 여러 분류에 속합니다. 이름보다 임무와 제약을 구체적으로 설명하는 것이 중요합니다.

산업용 로봇은 구조화된 제조 환경에서 반복 정밀도와 생산성을 목표로 합니다.

Manipulator는 Cartesian, SCARA, Articulated, Delta 등 기구 구조에 따라 작업 공간과 성능이 달라집니다.

Differential Drive는 단순하고 제자리 회전이 가능하지만 측면 이동은 할 수 없습니다.

Omni와 Mecanum은 전방향 이동이 가능하지만 Slip과 Odometry 오차를 고려해야 합니다.

Ackermann은 고속 주행에 유리하지만 최소 회전 반경이 있습니다.

Legged, Aerial, Marine Robot은 바퀴로 접근하기 어려운 환경에서 장점을 가지지만 제어와 운영 조건이 복잡합니다.

AGV와 AMR의 구분은 이름보다 경로 생성, 위치 추정, 인프라 의존성과 장애물 대응 범위로 판단해야 합니다.

임무, 환경, 안전, 운영 조건을 먼저 정의한 뒤 필요한 Robot 형태를 선택해야 합니다.

연습 문제

1. 하나의 Robot에 여러 분류가 동시에 적용될 수 있는 이유를 설명하시오.
2. 산업용 Robot과 전문 Service Robot을 임무와 환경 관점에서 비교하시오.
3. Cartesian, SCARA, Articulated, Delta Robot의 적합한 작업을 하나씩 드시오.
4. 6자유도와 7자유도 Manipulator의 차이는 무엇인가?
5. Reachable Workspace와 Dexterous Workspace의 차이를 설명하시오.
6. Differential Drive가 제자리 회전은 가능하지만 Non-holonomic인 이유는 무엇인가?
7. Mecanum Robot의 Wheel Odometry 오차가 커질 수 있는 이유는 무엇인가?
8. Ackermann Robot의 경로 Planner가 최소 회전 반경을 고려해야 하는 이유는 무엇인가?
9. Tracked Robot이 험지에서 유리하지만 위치 추정에는 불리한 이유를 설명하시오.
10. 평평한 물류창고에서 Humanoid보다 바퀴형 AMR이 유리할 수 있는 이유는 무엇인가?
11. Multirotor와 Fixed-wing 비행 Robot의 장단점을 비교하시오.
12. ROV와 AUV의 운용 방식 차이는 무엇인가?
13. AGV와 AMR을 단순히 “정해진 길”과 “자유로운 길”로만 구분하면 안 되는 이유는 무엇인가?
14. 협동 Robot을 설치할 때 Robot 자체의 안전 기능 외에 Tool과 작업물을 함께 평가해야 하는 이유는 무엇인가?
15. 병원 약품 배송 임무에 필요한 구동, Sensor, 자율성과 운영 기능을 제안하시오.

참고 자료

• ISO 8373, Robotics — Vocabulary
• Bruno Siciliano, Oussama Khatib, 「Springer Handbook of Robotics」
• Roland Siegwart, Illah R. Nourbakhsh, Davide Scaramuzza, 「Introduction to Autonomous Mobile Robots」
• John J. Craig, 「Introduction to Robotics: Mechanics and Control」
• ROS 2 Documentation, https://docs.ros.org/
• Nav2 Documentation, https://docs.nav2.org/
• MoveIt 2 Documentation, https://moveit.picknik.ai/