인더스트리 4.0 시대, 로봇 기술의 현재와 미래

로봇기술은 초창기부터 현재까지 로봇 팔과 이동 로봇(모바일 로봇)을 양축으로 발전해오고 있다. 이 두 가지 플랫폼에 모션제어 기술, 고속 네트워크 기술, 휴먼 인터페이스 기술 등이 축적됐으며, 최근에는 인공지능, VR, 사물인터넷 등, 통칭하여 ICT 기술이 융·복합되고 있다.

로봇산업의 태동과 발전

1960년대에 미국에서 산업용 로봇 팔과 연구용 이동 로봇(모바일 로봇)으로 시작된 로봇기술은 1970년 말에 일본에서 로봇 팔의 구동에 전기식 서보 모터를 적용하면서 본격적인 상용화의 길을 걷기 시작했다.

1980년대에 로봇 기구부의 성능이 더욱 개선되는 한편, 제어기(컨트롤러)의 성능도 비약적으로 발전하여 일본, EU를 중심으로 로봇회사의 매출 규모도 커졌다. 한국에서도 1980년부터 KAIST에서 로봇 팔의 기초연구를 시작했으며, 1980년대 중반부터는 대우중공업, 현대중공업 등에서 자체개발과 해외기술 제휴로 로봇사업을 시작했다. 그리고 1990년대부터는 국내외 로봇을 자동차 용접과 핸들링, 전자부품 조립에 본격적으로 적용하기에 이른다.

우리 정부는 2004년부터 지능형 로봇을 차세대 성장동력산업으로 지정했으며, 2008년에 로봇특별법을 제정하여 국가 차원에서 로봇기술과 산업을 육성했다. 지난 10년 동안을 돌아보면, 국내의 로봇 R&D 기반도 많이 마련되었으며 아직 수나 규모에서 부족하지만 로봇 벤처회사들도 많이 생긴 점은 큰 성과이다.

현재의 로봇기술은 일본, 독일, 미국, 한국, 중국 등을 중심으로 미래 첨단 융·복합 기술로서 인식되고 있다. 최근 로봇산업계의 화제를 요약하자면, 2013년부터 독일 산학연관이 구체화하고 있는 인더스트리 4.0의 국제적인 확산, 2016년 구글 딥마인드의 인공지능 알파고와 이세돌의 대국으로 촉발된 인공지능에 대한 관심, 2015년 한국의 로봇밀도 1위 진입과 국내 스마트공장 1만 개 보급 정책, 중국의 로봇 소비국에서 로봇제조 강국으로의 대변신 (그림 1), 미국, 일본 등 주요 선진국의 제조업 르네상스와 해외공장 유턴 지원 정책과 로봇 스타트업 회사들의 활약 등이다.

▲ 그림 1. 중국 최대의 IT제조회사인 폭스콘의 제조업용 로봇

국내 로봇산업의 규모(2조원 대)와 부진한 벤처 창업 열기를 볼 때, 아직 ‘로봇의 시대’가 본격 개막했다고는 보기 어렵지만, 국내외 로봇산업 성장의 모멘텀은 확보되었다고 할 수 있다. 10년, 15년 전만 하더라도 로봇은 흥미 위주의 해외 토픽이고 어디까지나 미래산업이었지만, 이제는 현재진행형 산업으로 누구나 인정하는 위치에 있다.

제조업용 로봇 기술의 변화

로봇 기술은 초창기부터 현재까지 로봇 팔과 이동 로봇(모바일 로봇)을 양축으로 발전해오고 있다. 이 두 가지 플랫폼에 모션제어 기술, 고속 네트워크 기술, 휴먼 인터페이스 기술 등이 축적되어 왔으며, 최근에는 인공지능, VR, 사물인터넷 등, 통칭하여 ICT 기술이 융·복합되고 있는 추세다.

최근 주목할 만한 제조업용 로봇의 동향을 열거하면 다음과 같다. 

• 로봇 본체 기술의 변화 : 로봇 동작 속도의 향상(사이클링 타임 단축), 가반질량 1,400kg을 핸들링할 수 있는 초중량급 로봇의 등장, 고속 병렬 링크 로봇과 소형 로봇의 신규 업체 참여와 시장 확대, 7축 로봇과 접이식 로봇의 신규 개발, 로봇과 인간을 격리하는 안전펜스를 제거하고 충돌 안전을 고려한 협동로봇의 유행, 지그 등 주변장치를 최소화한 휴머노이드 같은 양팔로봇의 등장, 다품종 변량생산에 대처하기 위한 다기능 로봇 핸드의 활발한 개발 등. 

• 로봇 제어 기술의 동향 : 비전 센서나 힘 센서와 연결이 간편해지고 성능이 강력해진 센서 지능화, 여러 로봇 간의 동기 협조제어, 자동차, 반도체, 전기전자 등 전통적인 로봇 응용 분야에서 재료, 식품, 의료품, 바이오, 제약품, 화장품 분야로 응용 다각화, 비정렬 빈 피킹(BIN PICKING) 등의 3차원 비전의 현장 적용 확대 등. 

제조업용 로봇의 트랜드

제조업용 로봇의 트랜드 중에 세 가지를 부연 설명하면 다음과 같다.

1. 양팔 로봇의 확산

1990년대에 일본, 미국 등지에서 로봇 연구자들이 인간형 로봇(휴머노이드)을 서비스 분야에 적용하거나, 산업 현장에 휴머노이드를 모방한 양팔 로봇을 도입하였을 때 제조업계에서는 흥ALT거리 정도로 생각했다. 10년 전부터 일본 야스카와전기, 일본 가와다 공업, ABB 등이 제품화를 목적으로 양팔로봇을 내놓자 여러 대의 단팔로봇과 대비하여 어떤 장점이 있는지 고민하는 유저들이 늘기 시작했다.

▲ 그림 2. 주변장치를 최소화하고 인간과 비슷한 조립 동작이 가능한 양팔 로봇

최근에 엡손, 가와사키, 덴소, 리싱크 로보틱스 등, 종전에는 양팔로봇에 유보적인 회사들마저도 양팔로봇를 내놓고 있으며, 사용자들과 머리를 맞대고 용도를 고민하고 있다. 

이제까지 단팔로봇이 주변장치(로터리 인덱스, 단축 슬라이더, 부품 공급기) 등의 도움을 받아서 작업을 해온 반면, 양팔로봇은 실용적인 그리퍼나 로봇 핸드, 로봇 비전, 이동 로봇 등과 결합한다면 제조공정을 좀 더 유연하게 만들어줄 가능성이 있다. 그러나 아직 공장 적용 사례는 적은 편이며, 포장, 정밀조립 등 더 많은 용도가 개발되어야 한다.

2. 협동 로봇의 유행

2016년에서 가장 두드러진 경향 중 하나는 그림 5에서 보듯이 협동로봇의 유행일 것이다. 종전의 로봇의 안전펜스로 인간과 로봇의 작업 공간을 구분하고 로봇 작업 중에는 작업자의 접근을 강력하게 금지한 것과 달리, 협동로봇은 인간과 같은 공간 속에서 작업할 수 있는 로봇이다. 

유니버셜 로봇, 리싱크 로보틱스 등, 로봇 벤처들이 실험적으로 선보이던 협동로봇이 2016년에는 로봇 메이저 회사들인 쿠카, 야스카와전기, 화낙 등에서 제품화했으며, 이제는 협동로봇의 시대라고까지 말하는 전문가들도 많아지고 있다.

▲ 그림 3. 협동로봇을 이용한 인간- 로봇 협업 제조 시스템 구상도

협동로봇의 성패는 인간과 로봇이 작업 공간을 공유하였을 때의 충돌 등 안전문제, 전문가가 아니더라도 쉽게 사용할 수 있는 음성, 직접교시 등의 휴먼 인터페이스 기술에 달려있다. 무엇보다도 이제까지 제조업용 로봇을 도입하는 주된 동기가 작업자를 대체하고 생산성을 올리는 것이었다면, 협동로봇에서는 작업자와 협동하는 시나리오로 구매자에게 어떠한 강력한 동기 유발을 할 것인가이다. 

3. 3차원 비전 센서의 보급

로봇이 환경을 인식하는 가장 강력한 센서로서 비전 센서와 힘 센서를 들 수 있다. 비전 센서는 대상물의 형태, 힘 센서는 작업력과 교시력을 측정할 수 있다. 비전 센서가 FA 비전이라는 이름으로 공장에 본격적으로 도입된 지도 30년이 지났으나, 주로 2차원 센서로서 다소 복잡한 프로그래밍과 조정 작업을 필요로 하였으며, 이것이 FA 비전의 확산에 걸림돌이었다.

그러나 지난 10년간 비전 센서는 해상도와 처리 속도가 몇 배나 빨라졌고 사용법도 그래픽 프로그래밍이 될 정도로 발달하였으며, 소위 스마트 카메라 시장도 예상보다 5년 이상 당겨졌다. 그리고 큰 변화는 그동안 선행적으로 사용되던 3차원 비전 센서의 보급이다(그림 4). 그동안 3차원 비전 센서는 대상물의 높이 정보를 얻는 데 주로 사용되었으며, 자동차 용접 부위의 단차 확인 등에 응용되었다.

  

▲ 그림 4. 삼차원 비전과 다지 그리퍼를 이용한 자동 빈 피킹(Bin Pciking)

그러나 현재의 3차원 비전 센서는 대상물의 3차원 깊이 정보를 500um 정도의 높은 정밀도로 측정할 수 있으며, 여러 대상물과 배경을 구분해낼 수 있으며, 로봇 그리퍼로 다양한 자세의 대상물을 어떤 순서로 집을지 판단할 수 있다. 이러한 변화는 대상물의 높이 정보 측정뿐 아니라, 2차원 비전 센서와 연동하여 형태를 알아내거나 재품의 CAD 정보를 활용하여 3차원 측정의 정밀도와 속도를 올리는 등의 기술 융복합화의 결과이다.

그림 4에서는 야스카와전기가 개발하고 NT로봇에서 상용화한 비정렬 빈 피킹 로봇(NTVision-BP)의 예를 보여주는데, 프레스 작업 후에 레이저 커팅을 위해 대상물을 정렬하거나, 박스(BIN)에서 원하는 부품만을 선별하는 데 사용된다. 속도는 3초에 1개씩 피킹하는 수준으로 크게 향상되었다. 

4. 힘 센서와 힘 제어의 보급

이제까지의 로봇이 주로 위치와 속도를 제어하며 용접, 팔레타이징 등 비접촉 작업이나 제한된 접촉작업만을 잘 할 수 있었다면, 앞으로의 로봇의 정밀한 연마와 조립 등, 본격적인 접촉작업에 도전할 것이다.

이제까지 로봇에 힘 제어를 도입하는 데 가장 큰 걸림돌은 힘 센서의 높은 가격이었다. 그러나 최근 일본 Wacoh Tech사 등이 힘 센싱 방법을 정전용량 방식으로 하여 저가화하고, 힘 센서의 출력 방식도 USB, TCP/IP 등 디지털화하면서 큰 변화를 일으켰다. 

이러한 힘 센서를 로봇의 각축 또는 조작핸들에 적용함으로써 로봇은 각축 또는 로봇의 끝에 달린 엔드 이펙터에서 작업력과 교시력을 감지할 수 있게 되었다. 접촉 작업인 만큼 안전에 대한 고려와 응용 분야의 개발이 추가되어야 하겠지만, 이제까지 로봇이 작업하기 곤란했던 힘 제어 분야는 더욱 보편화될 것으로 기대된다.

▲ 그림 5. 로봇 끝에 부착하는 힘 센서와 응용(직접 교시, 힘 제어 조립)

무인 물류운반 로봇

최근에 미국에서 시작한 무인 물류운반 로봇은 가히 혁명적이라고 할 수 있다. 종전에도 있었던 AGV를 창고관리시스템(WMS)과 연동시켜서 물류 운반의 생산성을 극대화하였다는 점에서 많은 제조회사에서 도입을 검토하고 있다. 

무인물류운반 로봇은 현재 많이 사용되고 있는 전자유도 방식이 있으며, 아무런 유도 가이드 없이 자율적으로 물류를 운반하는 레이저 스캐너 방식 등이 있다. 어느 방법이든 설치가 간단하고 물류의 이적재가 편하며 여러 대의 로봇을 운용할 수 있는 시스템이 보편화될 것이다.

그림 6은 NT로봇에서 개발하여 중동 병원 등에서 의약품, 의무기록, 핵동위원소 등을 무인으로 운반하는 데 사용하는 로봇(Sbot)이다. 공장에서도 컨베이어와는 전혀 다른 새로운 무인 물류 운반 로봇으로 사용될 수 있다.

▲ 그림 6. 무인물류 운반 로봇 Sbot의 외관과 중동병원 적용 사례

작업지원용 착용 로봇

협동로봇과는 다르게 작업자가 로봇을 착용하고 근력을 보조받는 시나리오도 점차 현실화되고 있다(그림 7). 예를 들어, 자동차 부품 공장 내의 부품 박스 이적재와 조립 보조 등에 사용하려는 것이다. 아직 안전성에 대한 실증이 부족한 상태이지만 인간의 작업지능을 그대로 사용할 수 있고 로봇으로부터 작업력을 보조받는다는 점에서 가능성은 있다.

▲ 그림 7. 산업지원을 위한 착용형 근력증강 로봇(현대자동차, NT로봇 2종)

맺음말

제조업 선진국들은 이제 로봇을 단순한 흥미거리, 미래산업, 자동화의 한 요소로 생각하고 있지 않다. 제조업 경쟁력을 업그레이드하고 사회 서비스의 경쟁력을 혁신할 수 있는 원동력으로 재인식하고 있다. 주요 선진국들의 제조업 르네상스 정책이 무르익을수록 한국 제조업의 설 자리는 점점 줄어들 것으로 우려된다. 한국이 제조업 경쟁력을 한 단계 업그레이드할 수 있는 ‘골든타임’은 많이 남지 않았다.

정부가 추진 중인 ‘제조업 혁신 3.0  전략’을 국제 수준에 맞도록 재검토하여 국내 제조업의 경쟁력을 조속히 업그레이드해야 한다. 제조업 투자를 확대하고 창업 및 신제품의 시장 진입을 활성화할 수 있도록 규제개혁에 적극적으로 나서야 한다. 신흥국 시장을 목표로 제품을 개발, 경쟁기반을 확보한 뒤 선진국 시장에 진출하는 전략도 고려해야 한다. 글로벌 시장을 주도하는 수요 지향 R&D에도 집중할 필요가 있다. 

김경환 NT로봇 대표