각 전기커넥터를 조립할 때, 그리퍼의 관점에서 파지에 적합한 위치를 설정하였다. 파지에 적합한 부위는 두 전기커넥터가 체결된 후, (1) 결합되지 않는 부위이어야 하며, 전기커넥터의 조립환경 및 방향을 고려하였을 때, (2) 충분한 파지 공간을 확보할 수 있는 부위를 모델별로 파지에 적합한 위치로 설정하였다.

예를 들어, Fig. 2에서 모델명 105308-1216의 경우, 조건 (1)의 전기커넥터가 체결되었을 때 두 전기커넥터가 결합되지 않는 파지 가능한 부위는 아래 Fig. 2(a) 점선으로 표시된 부분과 같다. 해당 모델은 Fig. 2(b)와 같이 전기회로기판과 수평으로 연결되며, 전기회로기판과 전기커넥터 사이의 좁은 공간에서는 충분한 파지 공간을 확보할 수 없다. 따라서 조건 (2)에 따라 해당 부위인 전기커넥터의 아랫부분을 제외하게 된다. 이때, 조립용 그리퍼는 자유도가 낮은 조(Jow, 물건등을 끼워 잡는)라는 특징을 고려하게 되면 전기커넥터의 아랫면뿐만 아니라 윗면까지 함께 파지 가능 범위에서 제외된다. 따라서 모델명 105308-1216의 파지 가능 부위는 Fig. 2(c)와 같이 설정할 수 있다.

Fig. 2 
(a) Graspable parts in consideration of the condition (1) for 105308-1216 (b) 105308-1216 is connected to electric circuit board (c) The finally set graspable part of 105308-1216

a. 파지 가능 부위의 형상

Fig. 3(a)의 모델명 51004-0200과 같이 파지 가능 부위의 형상이 양쪽 모두 ‘ㄷ’의 형태에 요철이 없는 편형한 전기커넥터가 70% 비율로 압도적으로 높았으며, Fig. 3(b)의 모델명 105308-1216과 같이 양쪽 모두 단면이 고르지 않은 전기커넥터의 20%, 그 외 양쪽의 형상이 다른 전기커넥터가 10% 순으로 많았다. 파지 가능 부위의 형상에 따라 그리퍼의 종류나 형태가 달라질 수 있다. 따라서 전기커넥터의 형상은 전기커넥터 파지의 영향 인자라 볼 수 있다.

Fig. 3 
(a) 51004-0200, shape where the section of the graspable part is “ㄷ” (b) 105308-1216, shape where the section of the graspable part is not uniform

b. 파지가능 부위의 단면적

위와 같은 과정을 거쳐 전기커넥터 조립 시 파지에 적합한 부위를 분석한 결과 80% 이상의 전기커넥터가 조립 시 파지에 적합한 부위는 커넥터 전체 면적의 10% 이하였으며, 평균 이하로 매우 좁은 것을 확인할 수 있었다. 전기커넥터의 파지 가능 부위의 단면적이 매우 좁으므로 전기커넥터를 파지하기 위해서는 그리퍼의 크기가 또한 매우 작아야 한다. 파지 가능 부위의 넓이는 파지 영향 인자라 볼 수 있다.

c. 전기커넥터의 크기

일반적으로 부품의 크기가 클수록 파지 가능한 면적이 넓으며, 그리퍼가 부품을 안정적으로 파지할 수 있다고 판단한다. 하지만 전기커넥터의 경우 전기커넥터 전체 크기에 비하여 파지 가능 부위의 단면적이 매우 좁은 편이며, Fig. 4와 같이 전기커넥터의 크기가 파지 가능 부위의 단면적에 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다. 따라서 전기커넥터의 크기 또한 전기커넥터의 파지에 영향을 미친다고 볼 수 없다.

Fig. 4 
(a) Graspable parts of two different size electrical connectors (b) The size of graspable parts

전기커넥터를 파지할 때 가장 중요하게 고려되어야 할 사항은 전기커넥터를 파지할 수 있는 단면적이 매우 좁다는 것이다. 이때, 전기커넥터가 파지되는 단면의 형상은 파지시에 크게 영향을 미치나, 전기커넥터의 크기는 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단하였다.

a. 패스닝 유형

3.2절에서 정의한 바와 같이 본 연구에서는 전기커넥터의 ‘체결’과정만을 ‘조립’으로 정의하였다. 즉, 전기커넥터의 ‘해체’과정은 조립과정으로 고려되지 않았다.

앞서 2장에서 언급한 바와 같이 전기커넥터에서의 패스닝이란 전기커넥터가 체결된 후, 사용자가 원치 않는 상황에서 전기커넥터가 임의로 해체되지 않게 하기 위해 물리적으로 연결된 상태를 유지하는 다양한 잠금 형태를 의미한다. 즉, 전기커넥터의 해체과정에서는 잠금 방법이 다양한 만큼 패스닝유형에 따라 해체하는 메커니즘 또한 달라진다. 하지만 전기커넥터를 체결할 때에는 고정된 하나의 전기커넥터에 짝이 맞는 전기커넥터를 “끼워 넣는” 메커니즘으로 패스닝 유형에 따른 조립 메커니즘은 차이를 보이지 않았다. 따라서 패스닝 유형은 조립에 영향을 미치지 않는다고 판단할 수 있다.

b. 외력

전기커넥터의 조립은 크게 전기커넥터를 파지하여 체결부위까지 이동시키는 과정과 전기커넥터 체결을 위해 파지 상태에서 힘을 가하는 과정 두가지로 나눌 수 있다. 전기커넥터를 파지하여 체결 부위까지 이동시키는 동안은 Fig. 5(a)와 같이 전기커넥터에 가해지는 힘의 합이 Force Closure를 이루는 상태, 즉 외력의 합이 0일 때, 안정적으로 파지 되었다고 볼 수 있다. 하지만 전기커넥터의 체결 과정에서 고정되어 있는 전기커넥터에 의해 일정하지 않은 외력이 발생하게 되며, 전기커넥터를 안정적으로 파지한 상태로 조립을 수행하기 위해서는 Fig. 5(b)와 같이 전기커넥터를 파지하고 있는 힘의 방향이 외력을 고려하여 바뀌어야 한다.

Fig. 5 
Electrical connector assembly mechanism

패깅의 경우, 특별한 외력이 존재하지 않기 때문에 물체를 정확한 지점에 위치시킨 후 파지 상태를 해지한 뒤 힘을 주어도 물체를 구멍에 끼워 넣을 수 있지만, 전기커넥터의 경우 파지를 해지하는 순간 외력에 의해 전기커넥터의 위치가 변해 조립을 수행할 수 없다. 따라서 전기커넥터의 조립 메커니즘과 패깅의 가장 큰 차이는 지속적인 외력의 유무라고 할 수 있으며, 이는 전기커넥터의 조립에 가장 큰 영향을 미치는 인자라 볼 수 있다.

전기커넥터는 단독으로 사용되는 제품이 아니라 전자제품에 들어가는 부속품이므로 주변환경이 반드시 고려되어야 한다. 본 절에서는 전기커넥터 조립 시 고려되어야 할 환경을 분석하였다. 일반적으로 연구되는 패깅은 크게 다양한 물체 혹은 동일한 여러 개의 물체 사이에서 하나의 물체를 인식하여 안정적으로 파지하는 과정과 목표지점에서 물체와 구멍의 위치와 방향을 일치시킬 때, 오차를 최소화하는 과정으로 나눌 수 있다. 전기커넥터의 조립 또한 안정적으로 파지를 해야 하며 체결부위와 체결부의 방향과 위치를 일치시켜야 한다는 점에서는 일반적으로 연구되어지는 패깅과 동일한 환경이라 볼 수 있으나, 전기커넥터 조립은 환경에 대한 변수가 많고, 더 많은 외력이 존재한다. 본 연구진은 크게 전기커넥터와 연결된 전선의 간섭과 전기커넥터가 연결된 회로, 즉 전기커넥터 주변 부품에 영향을 주어서는 안된다는 부분을 패깅 연구와의 큰 차이점으로 꼽았다.

a. 전선의 간섭

전기커넥터는 전자부품이나 회로 간 전기적 결합을 위해 사용하는 전자부품이다. 여기서 전기적 결합이란 전자의 이동이 가능한 금속물질 등 직접 통로를 이용한 결합을 의미하며, 전기커넥터를 이용하여 전기적 결합을 하는 경우는 전력 또는 전기신호를 보내기 위해 전선을 사용하게 된다. 따라서 전기커넥터에는 반드시 1개 이상의 전선이 결합된다. 전선은 강체가 아니므로 전선의 굵기 등 종류에 따라 정도가 다르지만 잘 구부러지고 유연하며, 굵기가 가는 경우 쉽게 단선되기도 한다. 길이가 긴 전선에 의해 다른 주변 부품에 손상이 될 위험도 무시할 수 없으며, 무엇보다 상대적으로 크기가 작은 전기커넥터에 전선이 연결되어 지속적인 외력이 작용하며, 전선의 연결 방향 등에 따라 외력이 계속 변한다는 점에서 전기커넥터의 조립에 매우 큰 영향을 미친다고 할 수 있다.

b. 주변부품환경

대부분의 전자 부품이 조밀하게 배치되며, 다른 물체와 스치는 것 만으로도 정전기로 인해 치명적인 손상을 입을 수 있는 예민한 부품이 포함되어 있을 수 있다. 전기커넥터의 역할은 주로 조밀하게 부품이 배치된 회로를 연결하는것으로, 전기커넥터를 파지하는 조립로봇이나 전기커넥터에 연결된 전선이 전기커넥터 조립을 할 때 전기커넥터 주변의 부품에 영향을 미치지 않아야 한다. 따라서 주변 부품의 크기나 높이, 위치 등은 전기커넥터의 조립 시 고려되어야 할 환경 영향 인자라 할 수 있다.

결국, 전기커넥터의 종류와 관계없이 전기커넥터의 조립에서 반드시 고려되어야 하는 특성은 전기커넥터의 조립 메커니즘이라고 볼 수 있다.

전기커넥터를 선택할 때 가장 우선 고려되는 것은 전기커넥터의 용도이다. 추출된 샘플 모델은 회로기판에 직접연결 되는 형태 및 회로기판과의 접점 없이 하우징 되는 타입이 70%, 기판과의 접점 없이 전선과 전선을 연결하는 하우징 타입이 30%였다.

용도에 따른 분류의 경우 사용자의 입장에서는 반드시 고려되어야 할 사항이나, 로봇의 조립관점에서 보았을 때 한쪽이 고정되어 있을 때 전기커넥터를 이동시켜 체결하는 것으로 그 차이가 크지 않아 해당 분류는 의미가 없다고 판단하였다.

전기적인 관점에서는 접점의 개수가 늘어나는 것은 연결가능한 회로가 늘어난다는 의미이지만 파지 및 조립의 관점에서는 전기커넥터의 크기가 커지고 전선의 개수가 늘어난다는 의미로 볼 수 있다. 전기커넥터의 크기는 파지 영향 인자가 아님을 앞서 확인하였고, 전선의 간섭은 동일 하다고 볼 수 있으므로 해당 분류는 의미가 없다고 판단되었다.

전기커넥터 부품의 높이는 회로의 관점에서 부피를 가능한 줄이는 등의 영향을 미치며, 전기커넥터의 높이에 따라 주변 부품에 영향을 미치는 정도가 달라지므로 파지 및 조립의 관점에서도 영향을 미친다고 볼 수 있다. 하지만 전기커넥터의 높이와 주변 부품의 상대적인 높이 차가 영향을 미치는 것이지 전기커넥터 높이 절대값이 파지와 조립에 영향을 미친다고 볼 수 없으므로 기판 위 높이에 따른 분류도 파지 및 조립 시 분류로는 적합하지 않다고 판단하였다.

3.1.1절의 a항에 따르면 파지가능 부위의 형상은 양쪽 끝 단이 ‘ㄷ’의 형태인 전기커넥터가 70%로 가장 많았으며, 양쪽 모두 편평하지 않고 요철이 있는 형상의 전기커넥터가 20%, 양쪽의 모양이 다른 전기커넥터가 10%였다. 파지가능 부위의 형상이 다르다는 것은 그리퍼의 끝단의 형태가 달라지거나 종류 자체가 달라질 수 있음을 의미한다. 따라서 그리퍼의 관점에서 파지가 능 부위의 형상은 충분한 분류 기준이 될 수 있을 것이라 판단된다.

3.2.2 절에 의하면 전기커넥터에 연결된 전선의 간섭과 전기커넥터가 연결되는 회로 기판의 주변 부품이 전기커넥터 조립에 영향을 주는 인자임을 알 수 있었다. 하지만 전선의 간섭과 전기커넥터가 연결되는 회로기판의 부품 모두 전기커넥터 조립 환경으로 전선이 주변 부품에 걸려 전선이 단선되거나 부품이 망가지는 등 상호간에 영향을 미칠 수 있는 요인으로 두 영향 인자는 분리하여 분류할 수 없다고 판단된다.

위와 같은 이유로 본 연구에서는 두 인자를 각각 분류하는 대신 전기커넥터를 파지하는 각도를 다르게 것으로 각 인자의 영향을 피하는 방법을 제안한다. 본 연구에서는 전기커넥터 조립의 기초 연구로 전기커넥터의 파지하는 각도가 전기커넥터 주변 부품의 환경과 전선의 간섭을 피하는 것에 영향을 미친다는 사실을 확인하는 데 의의를 두었기 때문에, 그 각도를 극대화하는 수직 및 수평으로 나누어 분석을 시행하였다.

Fig. 6(a)는 전선이 연결된 전기커넥터를 그리퍼가 파지 한 후, 조립 대상 회로에 끼우는 과정으로 조립 영향 인자를 고려한 조립환경 및 조립과정을 도식화 한 것이다. Fig. 6(b)와 같이 전기커넥터를 90로 파지하였을 경우 상대적으로 주변부품의 영향은 가장 적게 받을 수 있지만, 전선의 종류에 따라 상당히 높은 간섭을 받을 수 있다. 전기커넥터를180로 파지한 Fig. 6(c)의 경우, 주변 부품의 영향을 피하기도 어려우며 전선의 간섭 또한 피하기 어렵다. 0로 파지한 Fig. 6(d)의 경우 상대적으로 주변 부품에 영향을 미치게 될 가능성이 높으나 전선의 간섭에는 자유롭다. Fig. 6(e)와 같이 전기회로 기판과 체결 방향이 수평인 전기커넥터의 경우, 보통 전자회로 기판의 끝단에 전기커넥터가 부착되어 있기 때문에 주변부품에 영향을 미치지 않고 전선의 간섭에도 자유로운 경우가 있으나, 이런 경우는 전선의 방향으로 인해 0 혹은 180 파지 공간 자체가 확보되지 않기에 분류에서 제외하였다.

Fig. 6 
Classification by gripping angle of electrical connector

결과적으로 전기커넥터를 파지하는 각도를 다르게 하는 것으로 조립 환경의 영향을 줄일 수 있다. 따라서 전기커넥터를 파지하는 각도에 따라 조립을 분류하여 공정을 시행하는 것은 충분히 효과적일 것이라 판단된다.