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    • 사람과 로봇이 공존하다. 협동로봇

         박종원 (한국원자력연구원 로봇응용연구부) / 2021-04-12 오후 2:06:13

    2020년 전 세계를 덮친 코로나19 이후, 그동안 꿈틀대던 4차 산업혁명이 본격적으로 가속화되었다. 정보통신 기반의 원격 교육, 재택근무, 화상회의 등의 비대면 활동이 일상으로 자리 잡았고, 혁신기술을 보유하고 있는 기업들의 가치가 천정부지로 솟았다.





    이와 함께 제조 산업에도 새 바람이 거세게 몰아치고 있다. 사람과 한공간에서 일하며, 자동화가 어려웠던 공정에 도입할 수 있는 “협동 로봇” 그것이 바로 제조 산업 혁신의 중심에 있다.





    기술이 발전을 거듭할수록 우리 주위에는 점점 더 많은 로봇들이 들어오고 있다. 로봇은 응용분야에 따라 산업용, 가정용, 의료용, 군사용, 기타 서비스 로봇 등으로 구분되는데, 점차 로봇 시장이 커짐에 따라 기술 발전의 속도도, 로봇이 우리의 일상으로 들어오는 속도도 급속히 빨라지고 있다.





    우리가 평소에 접하기 힘든 공장 속 산업용 로봇을 주축으로 발전을 시작하여, 집안의 청소로봇, 외로운 어르신을 위로하는 애완로봇, 카페나 식당에서 서빙을 해주는 서빙 로봇, 드넓은 축사를 관리해 주는 축사관리 로봇, 사람을 대신하여 화재진압을 하기 위해 개발 중인 소방로봇까지 로봇은 세분화되었다. 최근에는 백덤블링에 춤까지 추는 로봇도 등장하여 그 기술력을 자랑하고 있으나, 여전히 로봇 시장을 이끄는 것은 제조용 로봇이다.





    우리나라의 산업구조는 제조업이 큰 축을 이루고 있으며, 제조업의 자동화를 위해 수십 년간 제조로봇 기술을 발전시켜왔다.

    제조로봇은 각 생산 제품, 공정에 따라 이적재용 로봇, 공작물 탈착용 로봇, 단일 공정에서 가장 많이 사용되는 용접로봇, 조립 및 분해 로봇, 가공 및 표면처리 로봇, 바이오 공정 로봇, 시험 검사용 로봇, 기타 제조 로봇으로 분류된다.

    지금까지 자동차 및 전자 산업은 산업용 로봇을 기반으로 매우 높은 자동화를 진행시켜왔으며, 4차 산업 혁명의 흐름에 따라 제조 로봇도 변화의 흐름 속에 서게 되었다.





    지금까지의 시대는 제조업, 생산자 중심의 생산 혁명의 시기로 소품종 대량생산에 적합한 공장 라인을 구축해왔다면, 4차 산업혁명의 시대는 모든 산업분야에서 다품종 소량생산에도 로봇을 활용한 자동화 기술이 적용되는 소비자 중심의 이용 혁명의 시대가 될 것으로 예측된다.





    모든 생산라인의 기기 및 로봇 간에 초 연결되며, 초지능을 갖는 기술이 융합되는 혁명 그것이 바로 4차 산업혁명이 될 것이다. 이 중심에는 바로 협동 로봇이 있게 된다.





    기존 제조용 로봇은 소품종 대량생산을 위한 자동화 공정에 주로 도입이 되었다. 따라서 반복 작업이 많고 정밀한 작업에 주로 사용되었고, 자동화와 유형화되기 어려운 조립 작업 같은 공정에는 주로 수작업에 의존하였다. 하지만 인건비의 급격한 상승으로 조립 공정에도 로봇에 의한 자동화 요구가 커지기 시작했다. 이를 위해 인간-로봇이 작업공간을 공유하는 협동 로봇 기술이 대두되기 시작했다.


    협동 로봇이란 사람과 함께 작업할 수 있는 로봇으로 코봇(Co-Bot)으로도 불린다. 협동 로봇은 작업자 옆에서 물건을 건네거나 중량물을 옮기는 등 작업자와 함께 일하기 위한 안정성 확보가 가장 중요한 기술 중의 하나이며, 다양한 센서와 지능화를 통해 스스로 판단, 협조 기능을 수행해야 한다.





    협동 로봇은 사람을 아예 필요로 하지 않은 공장 자동화와는 다르며, 사람을 도와 사람과 같은 공간에서 생산 효율을 개선하는 효과를 낸다고 할 수 있다.





    협동 로봇은 인간접촉 한계를 갖는 높은 수준의 제어알고리즘과 다종/저가/소형 센서를 기반으로 한 환경 인지 알고리즘, 초연결을 바탕으로 한 빅데이터 기반의 데이터 분석, 사물 인터넷 기반의 상호 운영을 기본 골자로 하고 있으며, 제조 현장의 Pick and place, 가공, 조립, 적재, 포장, 중량물 핸들링, 연마, 계측 등의 다양한 공정에 유기적으로 적용하는 것을 목표로 하고 있다.





    스마트 팩토리 구현을 위한 협동 로봇 기술은 기존 제조 로봇 기술과도 차별된다.

    기존의 산업용 로봇은 소품종 대량생산에 적합하게 개발되었다. 위치 정밀도가 매우 중요하며, 고속/반복 작업, 큰 힘이 요구되는 작업에 적용되었기에 인간과 작업영역이 철저히 분리되어 운영되었다. 이를 위한 제조 로봇의 안전 규제가 높았다. 이러한 제조 로봇은 컨베이어 벨트의 생산라인에 위치하였고, 안정성 담보를 위한 부대비용이 높았다. 이러한 제조 로봇은 공정의 유형과 체계적인 절차가 수반되는 경우에만 효과적이었으므로, 공정의 복잡성과 상황이 지속적으로 바뀌는 조립공정에는 적용에 한계가 있었다.

    이와는 반대로 협동 로봇은 조립 작업을 위해 힘/모멘트 제어가 필수적이며, 인간과 작업영역을 공유해야 하는 특징을 갖는다. 그렇기에 로봇 자체가 안전성을 담보하여 안전 펜스 등의 부대 장치가 필요 없다. 또한 공정의 특성상 높은 숙련도 작업자의 스킬을 로봇 운전에 적극적으로 반영할 수 있는 튜닝 및 티칭 기술이 수반되어야 한다. 이러한 협동 로봇은 컨베이어 방식이 아닌 셀 공정 방식의 생산라인에 특화되며, 다양한 센서 기반의 정교한 작업이 용이하다는 특징을 갖는다.





    이러한 협동 로봇은 인간이 작업하는 것이 효율적인 공정은 인간이 직접 작업하고, 나머지 공정은 로봇이 수행하도록 하여 효율적인 분업화가 가능해진다. 인간-로봇 협력 생산은 최종 종착지인 완전 무인화에 도달하기 위해 필수적으로 거쳐야 할 기술 개발 단계이며, 현실적인 대안이라 할 수 있다.


    이에 따라 우리나라 산업 로드맵의 협동 로봇 기술 도전 목표는 다음과 같다.







    해외의 협동 로봇 기술은 기업을 주축으로 하여 빠르게 성장하고 있으며, 시장을 선점하고 있다.

    특히 미국의 경우 협동 로봇의 기술을 선도하고 있으며 2000년대 중반 세계 최초로 협동 로봇을 상용화한 Universal Robotics는 UR3를 시작으로 폭스바겐, BMW 등의 생산라인에 협동 로봇을 공급하여 2017년 전 세계 협동 로봇 시장의 60%를 차지하고 있다.





    작업에 필요한 다양한 센서, 작업 모듈, 소프트웨어, 기타 액세서리 등이 쉽게 연동될 수 있도록 UR+ 플랫폼을 구축하였으며, UR이 제시한 기본 프로토콜을 만족하면 기업, 개인 누구나 쉽게 호환되는 주변기기 제작이 가능하여 수많은 기업, 학교, 연구소에서 다양한 목적으로 활용되고 있다.





    중국 또한 협동 로봇 시장에 공격적인 투자를 아끼지 않고 있다. 세계 최대 시장의 이점을 살려 협동 로봇에 대해 지속적으로 투자하고 있다. 대표적인 기업으로는 시아순으로 쌍안 시각 프로그램을 탑재한 7축 협동 로봇이 대표제품이다.





    일본의 경우 기존 산업용 로봇의 우수한 기술력을 보유한 선도기업을 통해 협동 로봇 시장을 이끌고 있다. 화낙은 2019년 글로벌 누적 60 만 대 로봇 설치 실적을 보유한 산업용 로봇의 최대 기업이며, 야스카와는 2017년 최소, 경량 (7kg) 6축 협동 로봇 모토미니를 출시하여 협동 로봇 시장에 적극적으로 변모하고 있다. 카와사키 또한 협동 로봇 시스템 Successor를 통해 원격제어를 지원하고 있다.





    유럽은 Industry 4.0을 선포하고 협동 로봇을 선제적으로 도입하고 활용하기 위해 큰 노력을 쏟고 있다.

    독일의 경우 대표 기업인 KUKA를 앞세워 시장을 선도하고 있다. 협동 로봇 플랫폼인 iiWA는 높은 기반 하중과 모든 조인트에 토크 센서를 장착하여 안정성을 향상하고 정밀 작업이 가능하다.

    스위스의 대표기업 ABB는 조립 작업에 특화된 세계 최초 양속 작업 로봇 YUMI를 개발하였으며, 수작업 공정에 인간작업자와 공동작업을 위해 개발되었다.


    덴마크는 Kassow Robots 사의 7축 경량급 협동 로봇 KR 14010을 개발하여 보급에 힘쓰고 있다.





    국내의 경우 해외 기업에 비해 다소 늦었지만, 조립/포장 작업을 위한 양팔 로봇의 여러 요소 기술이 학교, 출연연을 중심으로 개발을 시작하였다. 최근에는 대기업을 중심으로 다양한 협동 로봇 제품을 출시하고, 시장 영향력을 확장하고 있다.

    한화 로보틱스는 터치식 UI, 직접 교시 기능이 포함된 5kg급 협동 로봇 HCR-5를 출시하였고, 두산 로보틱스, 뉴로 메카, 레인 보우 로보틱스 등 5 ~ 15kg급의 다양한 협동 로봇과 액세서리를 함께 출시하여 시장에 진입하고 있다.








    전 세계가 앞다퉈 협동 로봇 실용화를 위해 정부 지원을 아끼지 않고 있으며, 기업들도 이에 발맞춰 시장을 선점하기 위해 노력하고 있다. 이를 바탕으로 협동 로봇의 시장규모는 최근 급격하게 성장 중이다. 기술의 성숙도도 높아져야 하지만 산업 현장에 빠르게 안착할 수 있도록 관련 규제들도 다듬어져야 할 것이다.





    협동 로봇은 사람과 한 공간에서 때로는 사람을 보조하고, 때로는 스스로 판단하여 작업할 수 있는 시스템이다. 이러한 협동 로봇의 존재는 산업기반 전체를 혁신할 수 있는 수단으로써 제조영역의 미래 성장에 있어 밑거름될 것이다



     





     

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