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[‘쉬운’ 산업용 로봇 ①] 쉽고 스마트하게, 기술 발전 시대의 산업용 로봇

생산 공정에서 필수적인 산업용 로봇. 생산 자동화의 중요성이 강조되면서 로봇은 자동화의 핵심 요소로 부각된 지 오래다. 기술 발전에 맞춰 꾸준한 변화를 이뤄온 산업용 로봇은 이제 보다 사용이 쉬워진 로봇의 등장으로 이어졌다.

테슬라 창업주인 일론 머스크는 2014년 모델S의 생산 완전 자동화를 선언했다. 모델S는 준대형 세단 형태의 전기 자동차로, 2013 년 소비자 전문지인 컨슈머 리포트가 선정한 미국 최고의 자동차이다. 출시 이후 테슬라의 주가가 1000%나 폭등할 만큼 미국에서 열풍인 모델S의 수요 충족을 위해 테슬라는 일명 미래형 제조를 선택했다. 페인트, 용접뿐 아니라 최종 조립에서도 완전 자동화를 시도한 것이다. 모델S의 완전 자동화를 선언한 지 4년여. 완전 자동화에 대한 갑론을박이 이어지고 있지만 테슬라의 실험은 제조업계에 시사하는 바가 크다. 현재 산업용 로봇의 기술 수준을 여과없이 보여준 사례이기 때문이다.

산업용 로봇은 1970년대 센싱 기술의 도입과 함께 실용화되기 시작했다. 사람이 작업하기 힘든 3D 환경에 도입된 산업용 로봇은 자동차 용접, 도장 공정에 본격적으로 보급됐다. 주로 극한 작업용 로봇 개발이 이어지던 추세는 2000년대를 전후해 변화를 맞았다. 주어진 법칙과 외부 상황을 판단해 학습하는 기능을 가진 일명 ‘지능형 로봇’이 등장한 것이다. 산업용 지능 로봇은 작업 고도화 뿐 아니라 제조 비용의 절감, 납기 단축, 숙련 작업자 감소 등 제조업이 안고 있는 여러 가지 문제를 해결하는 대안으로 떠올랐다.

사회적 변화에 맞춰 로봇 업계는 로봇의 단점을 극복하는 방식으로 기술 고도화를 시도해 왔다. 주로 단순 반복 작업에 사용하다 보니, 복잡하고 환경 변화가 발생하는 작업 환경에 로봇을 적용하는 게 불가능했다. 하지만 작업 변화에 대응할 수 있는 센싱 기술, 쉬운 티칭 기술, 다양한 말단 장치 및 힘 센서를 로봇과 융합하면서 로봇의 쓰임이 달라졌다.

하드웨어 중심으로 개발되던 산업용 로봇은 소프트웨어와 결합하면서 이전보다 적용 범위의 폭도 넓어졌다. IoT, 빅데이터·임베디드 소프트웨어, 클라우드 컴퓨팅의 가속화로 제조업의 로봇 사용이 더욱 활발해 질 것으로 전망된다. 로봇 선도 기업들이 산업에서 요구하는 기술력을 갖추고, 제어까지 쉬워진 로봇을 출시하며 달라진 업계의 우위를 점하기 위해 애쓰는 것도 이런 이유에서다.

로봇의 역할 변화를 보여주듯 지난 2016년 산업 리서치 전문 기업인 포로스트 앤 설리번(Frost&Sullivan)은 산업용 로봇이 미래형 제조에 맞춰 변화할 것이라 언급했다. 지정된 작업을 수행하기 위해 사전 프로그래밍 된 기계를 사용해야 했던 H2M(Human to Machines) 방식에서 시뮬레이션 기술 통합을 통해 실시간으로 생산 최적화를 이룰 M2H(Machine to Human) 방식으로 달라질 것이라 예측했다. 사전 프로그램에 따라 작동되도록 제작된 산업용 로봇이 지능화를 통해 신속·정확한 작업 수행이 가능하다고 본 것이다.

시뮬레이션으로 생산 효율성 높여

새로운 전환기를 맞은 로봇 업계는 ‘사용하기 쉬운 로봇’을 강점으로 앞세우고 있다. 누구나 간단하게 조작할 수 있고, 비용과 작업 시간까지 줄일 수 있는 방안 모색에 나선 것이다. 이를 위해 업계는 소프트웨어 시뮬레이션 프로그램을 적극 활용하고 있다. 3차원 공간에서 개발하고자 하는 로봇 기능을 시뮬레이션함으로써 현장에서의 시행착오를 줄일 수 있어서다. 사용자의 편의성 도모는 물론 유연한 자동화, 빠른 생산 능력 증가 효과까지 기대할 수 있다.

KUKA.Sim 시뮬레이션 디지털 패브릭 상의 세계 (이미지 제공_쿠카 로보틱스)
KUKA.Sim 시뮬레이션 디지털 패브릭 상의 세계 (이미지 제공_쿠카 로보틱스)

‘인간과 로봇’이라는 테마를 비전으로 삼는 쿠카 로보틱스는 인간과 함께 일할 수 있는 로봇을 위한 기술 개발에 집중하고 있다. KUKA.Sim Layout과 KUKA.Sim Pro로 구성된 KUKA.Sim 제품군은 로봇 셀을 실제와 유사하게 설계하는 시뮬레이션 프로그램이다. 초기 프로젝트 단계부터 간편하게 레이아웃을 설계하고, 도달성 검사 및 충돌 감지도 구현한다. 특히 택트타임을 실제 제조셀이 아닌 가상 세계에서 분석할 수 있어 설계 단계에서 시간 절약이 가능하다.

사용자 편의를 높인 기능도 있다. KRL(KUKA CMY Robot Language)로 입력하면 오프라인 프로그램에서 부품 측정 기능을 수행한다. 모바일 뷰어 애플리케이션이나 VR 하드웨어를 연결하면 시뮬레이션 결과를 확인할 수도 있다.

오프라인 프로그래밍 제품의 선두주자인 화낙의 ROBOGUIDE는 프로세스 집중형 소프트웨어 패키지 제품군이다. 물리적 필요성과 프로토타입 작업 셀 설정의 비용 없이 3D로 로봇 작업 셀을 생성하고 프로그래밍과 시뮬레이션이 가능하다.

나치 로보틱스 시스템도 FD On Desk라는 이름의 로봇 시뮬레이션 소프트웨어를 제공한다. FD On Desk에서 생성된 파일은 로봇 컨트롤러에서 쉽게 가져올 수 있는 오프라인 프로그래밍 도구다. 나치 로봇 컨트롤 플랫폼의 중요 구성 요소를 시뮬레이션하고 사실적인 작업 셀을 만들기 위해 3D 환경 (Robview)을 제공한다. 최대 8대의 로봇을 작동할 수 있고 정확한 사이클 시간 분석과 프로그램, 경로 등을 제공한다.

지멘스 PLM 소프트웨어 RobotExpert를 구동 중인 모습 ( 이미지 제공_ 멘스 PLM 소프트웨어)
지멘스 PLM 소프트웨어 RobotExpert를 구동 중인 모습 (이미지 제공_ 지멘스 PLM 소프트웨어)

로봇 시뮬레이션 프로그램은 로봇 업계 뿐만 아니라 소프트웨어 업계에서도 기민하게 대응하는 분야 중 하나다. 지멘스 PLM 소프트웨어는 제조 환경의 변화를 읽고 로봇 시뮬레이션 소프트웨어인 RobotExpert를 선보였다. RobotExpert는 자동화 시스템의 속도, 유연성과 운영 극대화를 위해 로봇 애플리케이션의 설계, 시뮬레이션, 최적화, 오프라인 프로그래밍 등을 지원한다. 또한, 쿠카 로보틱스, ABB, 화낙, 가와사키 로보틱스 등 다양한 로봇 벤더에 적용할 수 있다.

Tecnomatix도 제조 엔지니어링, 생산, 서비스 작업을 동기화 해 효율성을 극대화 시키는 지멘스 PLM의 소프트웨어다. 로봇 및 자동화 프로그래밍 솔루션을 사용해 설계, 시뮬레이션, 오프라인 프로그래밍을 지원해 데이터 관리 및 파일 기반 환경에서 로봇과 자동화 생산 시스템을 개발할 수 있다. 단일로봇 작업대에서 전체 생산라인과 구역 등 다양한 수준의 로봇 시뮬레이션 및 워크스테이션 개발도 가능하다.

인간-로봇, 협업 가속시킬 솔루션

로봇 업계가 사용의 용이함을 추구하게 된 건 변화된 현장의 수요에서 비롯됐다. 산업계는 수작업 라인, 유형화와 체계화가 되지 않은 공정을 로봇과 공유하면서 공정의 유연성 확대가 필요하다고 줄곧 목소리를 내왔다. 수요산업의 요구사항을 반영하듯 업계는 인간과 로봇의 협업을 가속화할 솔루션을 내놓고 있다.

원격에서 제어가 가능한 가와사키 로보틱스 Successor를 시현 중인 모습
원격에서 제어가 가능한 가와사키 로보틱스 Successor를 시현 중인 모습

가와사키 로보틱스는 원격에서 제어가 가능한 로봇 시스템 Successor를 선보였다. 원격지에서 엔지니어가 리모트 컨트롤러를 이용해 제어가 가능하며, 로봇이 엔지니어의 동작을 이해하고 재현하는 게 특징이다. 쉬운 프로그래밍 표준화를 위해 ABB와 협업한 가와사키 로보틱스는 Successor 원격 조작 장치에 AI와 IoT 기술을 접목했다. 동작 중 발생하는 감각을 피드백하는 기능을 부여해 암묵지의 기술을 데이터화 할 수 있게 됐다.

지금까지는 로봇 조작을 위해 작업자가 내용을 프로그래밍하여 움직임을 가르쳐야만 했다. 그럼에도 감각이 요구되는 조립 공정 등의 자동화가 쉽지 않았다. 이런 문제점을 보완한 Successor는 작업 정밀도를 자동화가 가능한 수준까지 끌어올렸다.가와사키 로보틱스의 산업용 로봇 라인업과도 연결돼 사용 범위를 넓혔다. 현재 가와사키 로보틱스는 니시-고베 공장에 Successor를 도입했고, 2019년부터 본격적인 판매를 시작할 예정이다.

쿠카 로보틱스는 산업용 다관절 로봇 분야에서 최초로 무선 솔루션인 Ready2_Pilot을 선보였다. (이미지 제공_쿠카 로보틱스)
쿠카 로보틱스는 산업용 다관절 로봇 분야에서 최초로 무선 솔루션인 Ready2_Pilot을 선보였다. (이미지 제공_쿠카 로보틱스)

쿠카 로보틱스는 산업용 다관절 로봇 분야에서 세계 최초로 무선 솔루션인 Ready2_Pilot을 선보였다. 지금까지 로봇 자동화 공정 적용을 위해 숙련된 엔지니어의 프로그래밍 과정이 필수적이었다. 하지만 Ready2_Pilot은 연결성과 유연성이 뛰어나 로봇에 대한 전문 지식이 없는 사용자도 6D 마우스로 직관적인 방식으로 로봇을 학습시킬 수 있다. 적재량과 상관없고, 추가적인 안전 장치도 불필요하다. 양산 중인 생산라인에서도 상황에 따라 연결과 해제가 간편하다.

사용 쉬워진 로봇, 다음 행보는?

사용이 쉬운 로봇을 내놓은 업계는 로봇에 AI를 융합하는 등 진화된 로봇 개발에 박차를 가하고 있다. ABB는 인공지능 스타트업 바이케리어스(Vicariou)에 투자했고, 화낙은 히타치 제작소, AI 스타트업 기업인 프리퍼드 네트워크(Preferred Networks)와 함께 합자회사 설립했다.

야스카와 전기는 2017년 ‘실연 교시(티칭) 기능’이 가능한 소프트웨어를 개발했다. 연마 등 힘조절이 필요한 작업을 사람이 전용기를 통해 시연하는 것으로, 장인의 기술도 2시간 만에 로봇에 가르칠 수 있다. 로봇을 모사한 전용기인 교시 장치에 가공물을 고정한 뒤 가공 시연을 하면 손 위치, 자세, 힘 등을 센서가 감지한다. 감지된 데이터는 로봇 동작으로 자동 변환된다. 이렇게 축적된 데이터에 따라 로봇이 움직임을 기억하고 AI의 학습 기능을 통해 스스로 연습을 반복하는 방식이다.

전문가들은 “글로벌 생산 체계가 실물 공장과 가상 현상을 연결하는 인더스트리4.0으로 전환되면서 산업용 로봇 수요가 급증하고 있다”며 “글로벌 IT기업들의 로봇 시장 진출로 본격적인 기술 경쟁이 시작됐다”고 분석했다. 이어 “산업용 로봇의 기술적 우위를 점하기 위해 로봇 제조사들은 앞으로도 로봇의 지능을 높이는 방안에 대한 해결책 모색을 계속할 것”이라고 판단했다.

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