[첨단 헬로티]
다품종 소량생산하는 중소제조업에서는 아직도 수작업 위주이며 자동화가 미진한 실정이다. 조립로봇, 협동로봇, 양팔로봇은 수작업으로 이루어진 공정에 자동화 핵심 솔루션이 될 것이다. 그리고 이 로봇을 도입해 자동화를 했을 때 생산성 향상은 물론, 품질 향상도 같이 동반된다. 중소제조업용 로봇 자동화 사례 및 전망에 대해 한국기계연구원 경진호 책임연구원이 ‘제4차 산업혁명과 로보틱스 컨퍼런스’에서 발표한 강연 내용을 정리했다.
▲ 경진호 한국기계연구원 책임연구원
조립로봇과 협동로봇, 양팔로봇을 활용한 자동화에 초점을 맞춰서 설명하겠다. 대기업이나 중견기업 수준에서, 특히 대량생산하는 곳에서는 자동화가 잘 되어 있다. 반면 다품종 소량생산하는 중소제조업에서는 아직도 수작업 위주이며 자동화가 미진한 실정이다. 이러한 제조공정에서는 작업의 특성상 조립이나 선을 처리한다든지 조립에서 볼팅이나 커넥팅 등이 많이 있을 수 있는데, 그런 작업들을 할 수 있는 로봇들이 최근 많이 나오고 있다. 따라서 조립로봇, 협동로봇, 양팔로봇은 수작업으로 이루어진 공정에 자동화 핵심 솔루션이 될 것으로 생각한다.
그림 1은 자동차 생산 패러다임의 변화를 보여주고 있다. 이 그림이 중요한 이유는 제조로봇은 생산 공정과 같이 맞물려가기 때문에 생산 공정의 큰 변화는 곧 제조로봇의 구조나 사양에 영향을 주기 때문이다.
자동차가 처음 나올 때는 많은 자동차 종류가 생산됐고 고가였다. 그러다 포드자동차가 나오면서 종류는 적은데 대량생산하는 그런 시대가 오게 됐고, 그 후 여러 종류의 자동차가 대량생산되는 시대가 왔다. 1980년대 전에는 산업용 로봇도 그리 많이 활용되지 않았다. 1980년대 기점으로 해서 자동차가 매스 커스터마이제이션으로 생산되면서 용접로봇이나 핸들로봇 등이 많이 활용되게 되면서 수십 만 대 엄청난 물량의 산업용 로봇이 적용되기 시작했다.
최근에는 다품종 대량생산, 다품종 소량생산까지도 가능한 형태로 바뀌고 있다. 여기서 중요한 점은 자동차 종류가 매우 많아지고 있지만, 자동차의 생산 가격은 낮아져야 한다는 것이다. 그것을 구현하기 위한 생산 장비나 생산 공정 등이 필요하게 되는데, 로봇 관점에서 봤을 때는 조립로봇, 협동로봇, 양팔로봇이 적합한 솔루션이라고 본다.
이들 로봇이 기존 로봇과 다른 점은, 기존 로봇들은 거의 단순 반복형으로 위치제어만 하는 반면, 이 로봇들은 비전이나 프로세서, 또는 여러 가지 센서를 활용해서 주변 환경이나 대상물체를 인식하고 필요한 정도의 안정적인 접촉을 유지하면서 조립을 한다든지, 충돌을 회피하는 동작 정도 수준에서 작업을 진행한다. 그런 기능을 갖는 로봇들로 자동화 라인이 꾸며져야 자동차 생산에서 필요로 하는 로봇자동화 시스템이 되지 않을까 생각한다.
최근 한국인더스트리4.0 협회에서 발표한 신뢰조사 데이터를 보면, 스마트공장을 실현하기 위해서 우선적으로 도입해야 할 솔루션으로 산업용 로봇을 꼽았으며, 특히 자동차 및 부품업종에 산업용 로봇이 필요하다는 응답자가 많았다.
실태조사 결과에서 보듯이 산업용 로봇은 앞으로 스마트공장과 연동되거나 기업들의 투자와 연동되어서 시장이 더욱 커질 것으로 예상된다.
로봇, 생산성·품질 동시 효과 크다
산업용 로봇은 다양한 분야에 적용되고 있는 만큼 도입했을 때의 효과에 대해서도 상당한 관심이 많다. 몇 가지 사례를 보겠다. 쿠카의 KR60을 전동스티어링 시스템용 플랜지 제조 라인에 적용함으로써 1년 만에 40%의 생산성 향상과 연간 25만 유로의 절감 효과를 얻었다. 이것만 봐도 로봇자동화는 놀랄만한 생산성 효과가 있고 ROI는 1년이면 충분히 나오는 그런 구조라고 본다.
다음은 ABB의 IRB 2400 로봇을 적용한 연료탱크 용접 프로세스 사례인데, 제품 생산 시간을 20분에서 6분으로 단축했고, 수동 용접보다 3배 더 효율적이었다. 이처럼 로봇은 도입 효과가 매우 크다.
쿠카의 KR500-3 로봇을 적용한 철도 부품의 품질 체크 사례의 경우, 품질 체크 정확도를 크게 향상시켰다. 로봇을 도입해 자동화를 했을 때 생산성 향상도 중요하지만, 품질 향상도 같이 동반된다는 점을 눈여겨봐야 할 것이다.
앞서도 얘기했듯이 힘센서나 비전센서를 활용해서 정확한 위치정보를 획득한다든지, 실물을 감지해서 조립작업을 한다든지, 충돌을 방지하는 로봇들과 협력할 수 있는 로봇자동화 시스템이 제조현장에 필요하다.
조립로봇은 ABB, 화낙, 야스카와, 덴소 등 외국 유수 기업들이 주로 출시하고 있으며, 로봇의 자유도를 활용한 조립이 가능해져 공간 효율성과 작업 효율성 등을 높일 수 있다.
협동로봇 또한 최근 관심이 높다. 협동로봇은 인간이 가진 장점과 로봇이 가진 장점을 묶어서 활용해보자는 철학이 담겨있다. 즉, 같은 작업공간에서 인간과 로봇이 협업하는 것이다. 아직은 로봇이 인간처럼 고난도의 작업을 할 수 있는 수준에는 오르지 않았기 때문에 현재 기술 수준에서는 로봇이 할 수 있는 일은 로봇이 하고 나머지 어려운 일들은 인간이 하자는 기본 개념에서 협동로봇은 출발했다.
최근 기계연구원에서도 인간과 같이 협업할 수 있는 협동로봇을 개발했다. 기본적인 작동 개념은 디버링 툴이 달려 있는 로봇 끝단을 잡고 디버링하고자 하는 면을 직관적으로 교시를 해주면 되기 때문에 상당히 편리하다. 기존에는 오프라인 프로그램으로 교시하거나 PC 펜던트를 가지고 교시했는데, 직관적으로 하는 것보다 불편했다. 기계연구원에서 개발한 협동로봇은 로봇을 모르는 분들도 3~4시간만 작동해보면 바로 로봇을 활용할 수 있을 정도로 사용이 쉽다.
이처럼 협동로봇은 다루기가 쉽다는 점에서 다품종 소량생산하는 중소제조기업에 아주 적합하다. 이 로봇을 사용하게 되면 펜스 없이 사용할 수 있기 때문에 공장의 작업공간을 아주 좁게 효율적으로 쓸 수 있다.
다음으로 양팔로봇에 대해 설명하겠다. 기존의 로봇들은 용접로봇의 예를 보듯이 정해진 위치만을 반복해가면서 작업을 한다. 그러나 양팔로봇은 인간이 하던 작업을 로봇이 대신해야 하기 때문에 인간과 비슷한 구조를 가져야 하고 양팔을 활용해서 작업을 할 수 있어야 한다. 그리고 이러한 작업이 가능하기 위해서는 인식 관련 기술, 경로를 만드는 기술 등이 필요하다.
최근 기계연구원에서도 양팔로봇 ‘아미로(AMIRO)’를 개발해 핸드폰 포장공정에 로봇 자동화를 구현한 사례가 있다. 기계연구원은 로봇 2대를 핸드폰 액세서리 주변에 놓고 액세서리를 로봇이 핸드폰에 부착하는 작업을 구현했다. 작업대 위에는 카메라 2대가 달려 있다. 2대의 카메라를 활용해서 로봇이 잡아야 될 대상 부품의 위치정보를 얻게 된다. 위치정보가 얻어지면 그 정보를 활용해서 실시간으로 양팔로봇이 움직이게 될 경로를 실시간으로 만들게 된다. 경로를 만들 때 신경 써야 할 부분은 가동되고 있는 2대의 로봇 팔이 서로 충돌 없도록 만드는 게 중요하다.
▲ 한국기계연구원에서 개발한 양팔로봇 ‘아미로(AMIRO)’의 특징
기계연구원이 양팔로봇을 개발할 때 중점을 둔 사항은 인간과 비슷하게 만드는 것이었다. 로봇의 작업공간은 인간이 실제 수작업으로 하고 있는 라인과 똑같다. 인간 나오고 로봇이 들어가면 주변장치를 바꾸지 않고도 바로 작업할 수 있도록 로봇 크기를 인간과 비슷하게 하고 두 팔 구조와 허리축을 갖고 있어서 몸통을 굽히고 돌리고 하면서 인간이 하던 작업들을 다 해낼 수 있도록 만들었다.
서비스로봇 SW기술, 제조용 로봇에도 활용
서비스로봇 제조사에서 개발하던 소프트웨어 기술들이 이제는 제로용 로봇에서도 활용되고 있다. 몇 가지 주요 기술을 보면, 기계연구원의 로봇 경우 인간공학적인 분석을 통해서 인간을 참조해 로봇의 기구적인 구조를 설계했다. 또한, 다축 고속 제어에 필요한 제어기를 개발했다.
처음엔 기존 제어기를 활용하고 필요한 소프트웨어만 개발하려고 했었는데, 여기에 맞는 제어기가 없었다. 그래서 PC 기반으로 해서 제어기를 개발했다. 핸드폰 액세서리 포장에서 비닐에 담겨 있는 액세서리를 피킹할 때 무작위로 적재된 빈피킹 대상물품의 물체인식 기술이 상당히 어려운 부분인데 그 기술을 기계연구원에서 개발해 활용하고 있다. 그리고 복잡한 형태의 대상물을 조립하는 조립방법도 개발했다. 또한, 조립 전략을 만들고 조립 전략들이 나오면 전략들을 프로그램화하는데, 경로 추정하는 조립방법을 같이 묶어서 조립하는 기술들도 개발했다.
기계연구원은 또 실시간 경로를 만드는 기술도 개발했다. 비전 정보는 실시간으로 바뀌기 때문에 바뀌는 비전 정보를 받아서 실시간으로 경로를 만들어야 한다. 여기에 여러 가지 알고리즘을 사용해서 경로 계획할 수 있도록 했다.
개발된 양팔로봇의 장점은 첫째, 반복 정밀도가 100um 정도 되고 고정밀도 작업이 가능하다. 둘째, 기존 제조설비 변경 없이도 바로 적용이 가능한 구조이다. 셋째, 직접교시와 안전 대응 기술로 협업이 가능하다. 넷째, 양팔이 교시할 때 자세나 끝단의 위치를 직관적 교시방법으로 교시할 수 있다. 다섯째, 모터 등 핵심 부품도 개발해서 전체적으로 로봇의 가격을 낮춰 경쟁력을 높였다. 여섯째, 제어할 수 있는 환경을 만들고 경로 계획이나 인식 관련 알고리즘 등 다양한 알고리즘을 자체적으로 개발했다.
결과적으로 이 양팔로봇을 활용해서 자동화 라인을 꾸미는 데 가장 중요한 부분은 공정을 구현하는 소프트웨어 기술이다. 기계연구원에서 자체적으로 개발했기 때문에 공정 소프트웨어를 만드는 데 큰 이점을 제공한다.
적용 분야로는 핸드폰 포장 공정뿐만 아니라 화장품병을 박스에 포장하는 작업, 카오디오 조립 공정, 테블릿 PC 및 인버터 조립 공정, TV 패널 볼팅 및 커넥팅 공정, 바이오메디컬 셀 시료 분석 공정 등에 사용될 수 있다.
임근난 기자 (fa@hellot.net)
