제조업용 로봇 기술 동향과 사례
고난도 작업 로봇화로 제조생산 이노베이션 본격화

학계에서는 비제조업용 로봇에 관한 연구가 주류를 이루고 있는 가운데 산업 현장에서는 더욱 사용하기 쉽고 안전하며 지능적이기도 한 차세대 로봇 수요가 증가 추세이다. 이러한 흐름을 직시하며 NT 리서치는 인간의 노동을 완화하거나 대 체하는‘꿈의 로봇’실현을 위해 제조업용 로봇을 개발, 상용화해 오고 있다. 그 대표적인 것들이 고속 외관검사 로봇 ‘NTVision’, 직접 교시와 힘 제어 로봇‘ForceMate’, 양팔 조립 로봇‘NTDuo’, 무인 운반로봇‘Sbot’등을 예로 들 수 있다.

김경환 NT 리서치 대표

한국은 에너지, 식량 등 국가 발전에 필요한 수많은 자원을 외국에 의존하고 있으며 이를 수출 주도형 경제로 해결 하고 있다. 첨단 제품을 수출하기 위해서는 무엇보다도 풍부한 생산 인력과 우수한 제조생산 기술이 필요하다.
그러나 최근 출산율 저하, 초고령화, 외국인력 의존도 심화 등 뚜렷한 사회 변화들은 하나같이 한국 산업의 앞날을 어둡게 하고 있다. 필자는 제조업용 로봇 기술의 심화와 확산이야말로 이러한 한국병을 개선할 수 있는 거의 유일한 기술적 대안이라고 확신한다.
전용 기계와 비교하여 로봇은 3차원 공간 속을 자유롭게 움직일 수 있다거나, 프로그래밍으로 어느 정도 초기 기 능을 변경할 수 있다거나 하는 장점들이 있다.
그러나 미국에서 로봇 팔이 발명된지 50년, 국내에 로봇 팔이 도입된 지 30년이 흘렀는데도 여전히 로봇은 비교적 단순한 운반, 조립, 가공 분야에서만 쓰이고 있는 실정이다. 산업 현장에 서 로봇이란 좀 똑똑한 자동화 기계 중의 하나에 머물러 있다. 로봇에 대한 세인들의 기대에 부응하여 인간의 노동을 완화하거나 대체하는‘꿈의 로봇’은 요원한 것일까?
이 글에서는 그동안 로봇전문기업 NT 리서치가 상용화해온 제조업용 로봇 기술을 간략히 소개하면서 이 근본적인 물음에 대한 나름의 해결책을 제시하고자 한다.



고속 외관검사 로봇‘NTVision’

상당수의 제조업용 로봇은 시각(비전) 없이 정해진 경로를 반복적으로 움직인다. 제조업용 로봇에 비전 기술이 본격적으로 도입된 지 20년에 불과하기 때문에 아직도 많은 로봇 제어기(컨 트롤러)는 비전과의 인터페이스를 충분 히 고려하고 있지 않다.
그러나 최근에는 비전 기술의 비약적인 발전에 힘입어 일부 로봇제어기에서는 고속 비전을 로봇 인터페이스에 포 함하기 시작했다.
NT 리서치의 고속 외관검사 로봇 ‘NTVision’은 6축 로봇팔 끝에 디지털 카메라를 부착하고 대상물의 조립 상태나 표면 상태를 촬영해가며 고속으로 결함을 검사하는 로봇이다.(사진 1)
이 로봇이 복잡한 3차원 대상물의 구석구석을 원하는 방향에서 검사할 수 있다는 점은 기존 고정식 카메라 방식 과 크게 다르다. 또한 3차원 경로를 정지하지 않고 고속으로 통과하며 검사 작업을 수행할 수 있다는 점에서 저속 의 로봇 비전과 다르다.
이른바 논스톱 외관검사가 가능한 것은 로봇 제어기와 비전과의 고속 통신이 가능하기 때 문이다. 특히 사용 성 측면에서는 양품의 정상적인 조립/표면 상태를 카메라 촬영을 통하여 교시(Teaching) 해 둔 후, 검사 제품의 양불 판정에 편리하게 사용 할 수 있다는 것이 장점이다.
로봇비전은 부품의 유무, 유사한 부품의 조립 오류, 케이블의 배선 상태는 물론, 긁힘, 이물질과 같은 미세한 표면 상태까지 정확하고 빠르게 검사해 준다. 고속 외관검사 로봇은 인간의 숙련도와 주관적 판단에 크게 의존하던 육안 검사를 대체함으로써 품질 관리 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.

직접교시와 힘 제어 로봇 ‘ForceMate’

로봇 팔을 움직이기 위해서는 경로제어가 필요한데, 이를 위해 경로에 대한 수치제어(Numeric Control)가 필요하 다. 로봇 프로그래밍은 이러한 수치제어를 쉽게 해주는 다른 방법이다. 그러나 로봇의 이동 경로가 정형적이지 않 을 때에는 수치를 입력하거나 프로그래 밍하기 어렵다. 만약 작업자가 로봇 팔을 밀거나 당겨서 경로를 알려줄 수 있다면 매우 직관적이고 편리한 교시법이 될 것이다.
ForceMate는 6축 로봇 팔 끝에 힘과 토크(회전력)를 고속으로 측정할 수 있는 6축 힘/토크 센서(F/T Sensor)를 부착하여 직접교시가 가능한 로봇이다(사진 2).



이전에도 이러한 직접교시 방법은 사용되었으나, F/T 센서의 가격 대비 성능이 높지 않았고 로봇 제어기의 센서 인터페이스가 저속이었기 때문에 일반적이지 않았다. 그러나 Force Mate는 이러한 단점을 극복함으로써 작은 교시력으로도 로봇 팔을 조작할 수 있으며, 이때의 경로를 저장해두었다가 동작 재생에 사용한다. 결과적으로 수치제어나 복잡한 프로그래밍 없이도 로봇의 경로 제어가 가능하다.
ForceMate의 응용 분야로서 경로 프로그래밍이 어려운 대형 금형의 열처리가 있는데, 로봇 끝에 열처리 툴을 부 착하여 로봇 팔을 직접교시한 후, 경로를 재생함으로써 금형 표면과 미세한 간격을 두면서 유도전류에 의한 열처리를 할 수 있다.
다른 응용 분야로서는 중량물의 운반과 조립을 들 수 있는데, 작업자는 로봇의 경로만 교시해주고 대상물의 무게 대부분은 로봇이 운반해주어 작업 피로감을 대폭 줄일 수 있어서 인간-로봇 협업이 가능하다.
힘/토크 센서는 직접교시뿐 아니라, 작업력의 정밀한 제어에도 이용되는데, 대표적인 것이 힘 제어 기반의 연마(그라인딩)나 디버링(deburring)이다. 이 때 위치제어와 더불어 힘 제어를 병용 하면 그라인딩이나 디버링의 품질을 향상시킬 수 있다. 이러한 힘 제어 기능은 인간과 로봇 간의 총돌 시에 안전을 확보하는 데에도 활용할 수 있음이 최근의 안전 팔(Safe Arm) 연구에서도 입증되고 있다.

양팔 조립 로봇‘NTDuo



산업 현장에서 흔히 보는 로봇 팔이 1 대로 구동되는 데 비해, 사진 3과 같이 로봇 2대 이상이 대상물을 동시에 핸들링하거나, 로봇 1대에 2개의 팔이 달려 있다면 어떠한 장점이 있을까?
로봇을 여러 대 동시 사용하는 협조 제어는 로봇의 작업 영역을 넓혀주고 운반 하중을 증가시키는 효과가 있다. 대신에 로봇 간에 서로의 위치 정보를 주고받으며 상호 충돌과 대상물의 파손을 사전에 방지해야 하는 어려움이 있다.
이러한 협조제어를 발전시킨 것이 로봇 본체에 양팔을 장착하고 1대의 제어기로 모션제어를 하는, 이른바 일체형 양팔 로봇이다.
양팔 로봇은 인간형 로봇(휴머노이드)의 산업 응용을 연상시키지만, 인간과 기능이 비슷하다는 것만으로는 특별 한 장점이 될 수 없다. 그보다는 양팔을 이용하여 작업영역이 넓어지고 작업 하중이 증가하며, 특히 단팔로봇에 비해 대상물을 고정하는 지그(jig)가 대폭 줄어든다는 점이 더욱 중요하다.
최근 일본 야스카와전기를 중심으로 양팔 로봇의 산업 응용에 관한 관심이 높아지고 있다. 양팔을 이용하여 박스 포장을 열고 내용물을 꺼내는 일련의 로봇 작업을 시연하는가 하면, 의자를 양팔로 조립한다거나, 양팔이 필수적인 유전자 증폭 작업과 같은 바이오 응용도 있다.
양팔 로봇은 팔 끝에 만능 그리퍼, 로봇 비전, 레이저 센서, 힘 센서 등을 부착하여 조작과 센싱 능력을 향상시켜 고난도의 작업에 도전하는 중이다. 이는 주변 기기의 사용을 최소화하고 로봇 본체만으로 많은 프로세스를 처리하는 이른바 로봇 중심의 자동화(Robot Centered Automation)에 기여할 것이다. 장기적으로는 작업자를 로봇으로 완전히 대체하는 작업용 휴머노이드로 발전할 것으로 전망된다.

병렬 링크 로봇의 개발

산업 현장에서 흔히 보는 로봇이 링크와 관절(조인트)을 직렬 구조로 배치 한 직렬 로봇인데 비해, 병렬 링크 로 봇은 여러 개의 링크가 한 개의 작용점에 모이는 병렬 구조를 가진 로봇이다 (사진 4).
병렬 링크 로봇은 대부분의 운반 하중이 1kg 미만이지만, 속도는 매우 빠르다(최대 사이클링 시간은 0.4초 대). 직렬 로봇이 중량물을 중저속으로 핸들링하는 데 비해, 병렬 로봇은 경량물을 고속으로 처리한다.
화장품/제약품/식품으로 대표되는 이른바 3품 산업의 선별 작업이나 포장 작업에는 병렬 로봇이 적합한 경우가 많다.
대상물이 고속으로 흘러가는 컨베이어 벨트 위에 병렬 로봇 여러 대를 설치 하는 것이 일반적이다. 또한 병렬 로봇은 카메라와 같이 사용되어 비전 기반 픽업 작업이 가능하며, 흡착 방식으로 대상물을 옮긴다.
병렬 로봇은 몇 년 전 ABB사의 원천 특허가 만료됨에 따라 일본을 비롯한 여러 로봇 회사들이 상용화에 더욱 박 차를 가하고 있으며, NT 리서치에서도 새로운 개념으로 병렬 로봇을 개발하고 있다. 병렬 로봇은 직렬 로봇에 비해 새로운 시장과 응용 분야의 개척이 기대 된다.



무인 운반로봇, Sbot

무인 운반차(AGV)는 연구개발 역사가 유구하고 반도체 공장 등 일부 산업 에서는 어느 정도의 시장을 형성하고 있다. 최근에는 무인 운전과 같이 지능 적인 센싱 기술과 위치 추정 기술을 잘 결합하여 새로운 응용 분야가 개척되고 있다.
NT 리서치는 2010년에 병원의 물류 운반에 이 기술을 적용한 바 있다.(사진 5) 로봇은 병원 내의 복잡한 환경에서 혈액, 생체조직 등의 의료 검체를 무궤 도로 신속하고 정확하게 운반해준다. 이러한 작업은 통상 의료 지원 인력에 의해 이루어졌으나, 이동 로봇에 여러 종류의 센서, 예를 들어, 레이저 센서, 초음파 센서, 비전 센서 등을 탑재하여 자율적으로 주행 환경 지도를 만들 수 있으면 무인화도 가능하다.
무인 운반은 병원뿐 아니라 제조업 현 장에서 활용될 수 있는데, 특히 운반 경 로가 자주 바뀌는 경우에 인력 운반이나 컨베이어 이송과 비교하여 유리하다. 무 궤도 운반이라는 장점 때문에 경로 상에 어떤 특별한 가이드 장치를 설치할 필요가 없는 것도 장점이다.
응용에 따라서는 운반로봇에 로봇 팔을 탑재하여 이동 기능에 조작 기능을 결합할수있다.

맺음말

이제까지 NT 리서치의 제조업용 로봇 개발 사례를 중심으로 최근의 기술을 소개하였다. 이로부터 센서 기반 PC 제어, 작업용 휴머노이드, 모빌리티(이동성)에 관한 최근의 기술 트랜드를 이해할 수 있을 것이다.
학계에서는 비제조업용 로봇에 관한 연구가 주류를 이루고 있는 가운데, 산업 현장에서는 더욱 사용하기 쉽고 안 전하며 약간은 지능적이기도 한 차세대 로봇에 대한 수요가 증가 추세에 있다. 최근 미국과 일본에서는 로봇을 이용한 제조업의 경쟁력 강화를 제창하는 사람들이 많다.
한국도 이러한 세계적인 추세를 직시하여 차세대 제조업용 로봇에 대한 꾸준한 연구개발과 현업에 대한 폭넓은 활용이 절실하다.