[첨단 헬로티]

4차 산업혁명 시대에는 더 이상 대량생산이 아닌 다품종 가변 소량생산 중심의 라인들이 형성되고 있기 때문에 가변작업에 대응할 수 있는 로봇 기능이 중요해졌다. 이를 구현하기 위해서는 로봇 하드웨어 모듈화와 로봇 소프트웨어 자가재구성이 가능해야 한다. 제조/서비스 현장의 가변작업 대응형 모듈라 로봇기술에 대해 KIST 강성철 책임연구원이 ‘제4차 산업혁명과 로보틱스 컨퍼런스’에서 발표한 강연 내용을 정리했다.

▲ 강성철 KIST 책임연구원

모듈라 매뉴플레이트와 모듈라 로봇 관련된 연구를 소개하겠다. 최근 4차 산업혁명이 국가적으로 관심이 많은데, 로봇기술도 제조업 관점에서는 인더스트리4.0이라고 할 수 있고 우리 생활로 확장하면 4차 산업혁명이라고 할 수 있을 것 같다.

수요 패러다임을 제조업 관점에서 보면, 1차 산업혁명은 수공예 프로덕션, 2차 산업혁명은 매스 프로덕션, 3차 산업혁명은 매스 커스터마이제이션, 그리고 4차 산업혁명은 리제널라이제이션이나 개인화된 프로덕션 방향으로 바뀌고 있다.

현재 매스 커스터마이제이션의 패러다임이 제조업에 적용되고 있지만, 앞으로 4차 산업혁명 시대에는 3D 프린팅이나 AI 등 여러 가지 기술 조합을 통해서 공급자는 고객의 개인적인 기호에 따라 퍼스널라이즈드 디자인하게 된다.

로봇 또한 제조 현장에서 인간과 로봇이 협업하는 일이 많아지게 되고 서비스 영역에서도 당연히 그러한 요구들이 커지고 있기 때문에 작업 공간 안에서 인간과 로봇이 협동할 수 있는 로봇기술이 더욱 필요해지고 있다.

그러면 4차 산업혁명에서 제조/서비스 로봇의 요구조건은 어떤 것인가. 첫 번째는 가변작업의 대응이다. 더 이상 대량생산이 아닌 다품종 가변 소량생산 중심의 라인들이 형성되고 있기 때문에 가변작업에 대응할 수 있는 기능이 중요해졌다. 여기에 필요한 기능으로는 하드웨어의 재구성이다. 필요할 때 7축 로봇을 3축으로 만들 수 있어야 하고, 때로는 수직다관절 로봇을 스카라 타입으로 재구성할 수 있어야 한다. 그리고 여기에 비전과 그리퍼를 탑재해서 다양한 용도로 재활용할 수 있는 로봇이 필요하다.

두 번째는 소프트웨어가 쉬워야 한다. 현장 비전문가라도 로봇을 재구성하면서 사용할 수 있게 하려면 소프트웨어가 쉬워야 하고, 소프트웨어가 쉬워지려면 소프트웨어 스스로 자가재구성을 할 수 있어야 한다.

세 번째는 안전과 신뢰성이다. 어떠한 상황에서도 인간에게 큰 위협 없이 안전을 보장할 수 있는 로봇 하드웨어와 소프트웨어가 필요하다.

네 번째는 쉬운 사용성이다. 제조 현장에서 비전문가의 온디멘드에 대응할 수 있는 로봇이 되어야 한다. 최근 협동로봇으로 유니버설로봇이 각광을 받는 이유는 사용이 쉽다는 것이다. 현장 사용자들의 얘기를 들어보면, 로봇에 전원을 연결하면 바로 동작을 하더라는 것이다. 또한, 직접 교시가 가능하며, 사용자가 접근하기 편안한 이미지라고 한다. 그래서 협업형 외관, 컬러 이런 것들도 중요하다고 본다.

인간 친화형 로봇, 기술 관건은 ‘안전’

위의 4가지 요건 중 안전에 관해 연구했던 내용을 간단히 소개하고 모듈라 연구에 대해서도 설명하겠다.

한국과학기술연구원에서 2003년부터 2014년까지 10년 동안 개발한 프로젝트 결과물이 있다. 사람 정도의 크기에 안전 관절을 가진 인간 친화형 로봇을 개발했다. 기존 로봇과 다른 특징은 4가지이다. 먼저, 안전하기 위해서는 가벼워야 하기 때문에 카본 소재를 사용했다. 그다음에 안전 관절 모듈이라고 해서 동작 중 외부와 충돌이 일어났을 때 어느 정도 힘 이상을 받으면 풀려나는 그런 관절을 기계적으로 갖고 있다. 여기에는 고정 안전 토크와 가변 안전 토크 2가지 형태를 적용했다. 위치에 따라 자중의 효과가 달라지기 때문에 자중의 효과를 고려해서 충격력을 센싱할 수 있어야 한다. 중력 조건이 클 때는 가변 안전 토크를, 중력 조건이 크지 않을 때는 고정 안전 토크를 취하게 된다.

그러면 어떻게 안전성을 보장할 것인가. 안전을 위해서는 충돌과 데미지가 발생할 수 있는 모든 경우를 분류해야 한다. 원거리에서 충돌의 위험성이 감지가 되는 경우에는 경고를 하고, 근거리이면 충돌 회피 및 대비를 하고, 충돌이 발생하면 충격력을 순간적으로 줄일 수 있어야 한다. 이는 로봇 안전 표준화에 대부분 반영되고 있다. 

여기서 가장 핵심은 안전한 관절이다. 안전성을 위해 관절을 무조건 비싸게 만들 수도 없다. 때문에 한국과학기술연구원은 스프링과 캠의 설계를 이용해서 간단하게 조인트 출력단에 끼울 수 있는 스프링 클러치를 개발했다. 평소에는 축 방향으로 스프링을 달고 원형태의 베어링이 홈에서 빠져 있다. 이것이 어느 정도 힘 이상이 가해지면 단차를 넘어가게 되고 단차를 넘어가면 축이 풀린다. 위험이 해소가 되면 다시 복원이 되어서 동작을 하게 된다. 마치 사람이 탈골됐다가도 툭 쳐주면 다시 맞춰지는 그러한 원리로 안전 관절 로봇을 개발했다. 저가격이면서도 기계적인 방식의 이 관절은 이미 미국 특허 등록을 받았다.

안전은 무엇보다 실제로 접촉이 일어나기 전에 미연에 방지하는 것이 가장 중요하다. 한국과학기술연구원이 개발한 로봇은 작업 중 사람이 들어오게 되면 정교하게 링크별로 피할 수 있다. 링크 바이 링크별로 회피할 수 있는 기구학적인 알고리즘을 통해서 그런 것들이 가능해졌다.

공급자 중심에서 사용자 중심으로 이동

다음은 가변작업 대응성에 대한 기술로서 모듈라 매니플레이터를 설명하겠다. 최근 인더스트리4.0 제조업 환경에서 작업은 계속 변화하고 규모는 작아지고 있으며 싸이클타임은 더욱 짧아지고 있다. 따라서 기존 공급자 중심의 로봇 시장에서는 다양한 작업 환경에 적합한 최적 로봇 시스템 구성에 한계가 있다. 가변작업 대응 모듈라 로봇이 필요하게 된 이유이다.

로봇에는 5가지 핵심 이슈가 있다. Working Space, Payload, Accuracy, Speed, Safety인데, 예를 들어 장애인에게 밥을 먹여주는 서비스 로봇은 안전성이 매우 중요하고 Accuracy, Speed는 낮아도 된다. 그리고 Working Space와 Payload는 아주 낮다. 제조용 로봇은 Working Space가 매우 커야 하고 Payload, Accuracy, Speed도 높고 Safety는 그리 높지 않아도 되겠다.

이러한 5가지 관점에서 작업자가 바뀌는 경우에 워킹 스페이스 형태의 기존 제조용 로봇으로는 대응하기 어렵다. 그래서 온디멘드 형태로 조립해서 사용할 수 있는 컴포넌트를 제공하고 모듈라 로봇을 만들면 인더스트리4.0 시대에 잘 대응할 수 있는 전략이 될 것이다.

정리하면, 기존 제조/서비스 로봇 시장은 공급자 중심의 로봇이기 때문에 작업 확장성이 부족하다. 이것을 해결하기 위해서는 작업 적응성을 구현해야 하며, 이를 구현하기 위해서는 로봇 하드웨어 모듈화와 로봇 소프트웨어 자가재구성이 가능해야 한다. 그러면 가변작업에 대응할 수 있는 모듈라 로봇이 나올 것이다.

그래서 한국과학기술연구원에서는 신개념의 모듈라 조인트/링크/그리퍼/3D비전으로 구성된 매니플레이션 모듈과 자가재구성이 가능한 모션제어 및 작업인지 엔진이 통합된 ‘ModMan’이라고 하는 모듈라 매니플레이터 시스템을 개발하고 있다. 

▲ 모듈라 매니퓰레이터 시스템(Modular Manipulation System : ModMan) 구조도.

기본적인 콘셉트는 이렇다. 다양한 작업들이 있는데 실제 현장에서 작업 경로라든가 워킹 스페이스가 정해지면 그것에 대한 최적의 스트럭쳐를 공급자에게 알려준다. 그리고 그것을 사용자가 주문하고 조립을 해서 스위치를 켜면 물체를 자동으로 인식하고 잡을 수 있게 된다. 또한, 모듈라 조인트 안에 모듈 방식을 두고 있어 감속비를 부분적으로 바꿀 수 있고, 감속비가 바뀌면 자동으로 인식하게 된다. 뿐만 아니라 결합 부분에 대한 커넥션 파트를 여러 군데 두어서 다양한 구조로 결합할 수 있다.

한국과학기술연구원에서 가장 관심 있게 주력하고 있는 부분은 커넥션 파트의 표준화이다. 안전과 모듈 방식의 핵심은 표준화이기 때문이다. 커넥션 파트에는 암수 핀이 있어 커넥터를 45도 간격으로 돌려가면서 끼울 수 있다. 

현재 특허 출원과 함께 ISO 국제표준화 모듈라 서비스로봇에 표준 안으로 제시해 놓았다. 지금 워킹 그룹을 주도하는 사람들 중에는 중국 사람들이 많은데, 이들은 쿠카 로봇을 샀으면 쿠가에서 만든 조인트에다가 화낙에서 만든 조인트까지 같이 끼어 조립해서 팔을 만들 수 있는 로봇을 만들면 확장성과 시장성이 훨씬 좋아질 것이라고 생각한다. 한국과학기술연구원에서도 이러한 기종별 커넥터라는 것을 표준화 하는 쪽으로 추진하고 있다.

또 하나는 국내에는 이더캣으로 이더캣 마스터와 슬레이브의 통신이 원활하게 될 수 있는 임베디드형 모션 컨트롤 보드가 그렇게 많지 않다. 최근 한국과학기술연구원이 고속 이더캣 모듈과 실시간 제어기 모듈, 전원모듈, 3가지 형태로 개발했다. 하나의 모듈에 2개의 모듈이 붙어서 콤팩트하게 모듈화될 수 있도록 만들었다. 그리고 안전형 조인트, 스프링 크러치 디스크가 들어가고 조인트 토크를 잴 수 있는 정전형 방식의 조인트 토크센서를 넣는 연구를 하고 있으며, 물체의 무게를 실시간으로 재서 핸들링하는 물체의 기본적인 정보를 인식할 수 있는 기능도 개발하고 있다. 

또 최근에는 조인트를 이용해서 6축으로 개발하고 있으며 다양한 형태의 커넥션 파트가 여러 부분으로 되어 있기 때문에 다양한 형태의 로봇을 조립할 수 있다. 실제 조인트 모듈과 링크들을 활용해서 분해 조립을 하고 실행하는 데 아주 짧은 시간에 할 수 있는 모듈 방식을 구현하고 있다. 

특히 한국과학기술연구원이 가장 역점을 두고 있는 연구는 초소형 3D 카메라이다. 담배 케이스 2개 정도의 크기로 매니플레이터 장착을 위한 3D 구조광 카메라 소형화/고속화/모듈화하는 작업을 진행 중이다. 실제로 유니버설로봇으로도 잘 안 되는 사항들을 보면, 링크  길이 변경, 조인트 기어비 변경, 보다 쉬운 그리퍼와 3D 카메라 연결을 예로 들 수 있는데, 한국과학기술연구원에서는 이런 것들을 구현하는 방향으로 연구하고 있다. 

임근난 기자 (fa@hellot.net)