타이밍을 주도하는 것은 로봇이 아닌 인간이다

현재 MRC는 어디까지 진행되었는가? 효율적인 MRC 어플리케이션이 널리 전파되기 위해서, 선행해야 할 안전 문제와 경제적 현안은 무엇인가? 이 주제로 Fraunhofer IPA와 업계 전문가들이 열띤 토론을 벌였다.

Dr. 카린뢰리히트: 프라운호퍼 IPA 연구소 로봇 및 어시스턴스 시스템 파트 에디터 

*MRC(Man Robot Collaboration-인간과 로봇의 협동)

*Frauhofer IPA(Institut für Produktionstechnik und Automatisierung)

2년마다 열리는 Fraunhofer IPA 연구소의 MRC 테크놀로지 세미나가 벌써 여덟 번째를 맞이하였다. 

MRC는 오늘날 괄목할만한 발전을 하였고, 점차 제조업에서 핵심 기술로 사용되고 있다.

세미나 오프닝 강연에서 수잔네오버러트라이츠가 MRC 테크놀로지에 대한 개요와 최신 통계 등을 제시하였다. 최근 몇 년간 산업 로보틱스는 괄목할 만한 성장을 보였고, 이는 IFR(국제 로봇 협회)의 최신 통계로도 입증되는 것이다. 2014년에 전세계적으로 229,261 유닛이 판매되었으며, 이는 29%의 성장세를 보인 것으로 지금까지 유례가 없었던 수치이다. 이를 기준으로 IFR은 2018년까지 매년 15%의 성장을 예측하고 있다. 자동차 분야 외에 전기 전자 산업도 중요한 동력이 되고 있다. 이러한 성장에는 MRC 어플리케이션도 중요한 역할을 하고 있다. MRC는 유연성, 직관적 조작, 인지적 행동, 반응 행동 그리고 이동성 등 계속 새로운 특성을 지닌 산업 로봇을 요구하기 때문이다. 

MRC 어플리케이션 분류와 안전하게 설계하기

MRC로 인해 로봇과 자동화 장치 공급자들은 새로운 시장을 개척할 수 있고, 최종 사용자들은 자신들의 생산 시스템을 경제적으로 디자인하고 작업 수단의 안전과 인간 공학을 개선할 수 있게 되었다. MRC 어플리케이션은 ISO 10218-1/-2에 정의되어 있고 안전 장치에 각각 다른 요건을 제시하는 다음의 네 가지 상호 작용 가운데 하나로 분류할 수 있다. 즉, 힘(인력) 보조를 위한 보조 시스템으로서 로봇, ‘제3의 손‘의 역할을 하는 로봇, 핸드 가이드를 통해 작업자가 로봇 프로그래밍으로 로봇과 사람이 나란히 서서 독립적으로 작업을 하는 경우로 구분된다. 선택해야 할 상호 작용 형태는 부분적으로 자동화되는 프로세스에 좌우된다. 목적은 항상 경제성, 인간 공학, 안전 또는 작업 절차의 측면에서 이들을 개선하는 것이다. 이러한 측면을 근본적으로 평가하기 위해 Fraunhoffer IPA 연구소의 학자들이 분류방법을 개발하였다. 이를 기반으로 생산 프로세스가 자신들의 MRC에 적합한지 체계적으로 점검할 수 있고, MRC 어플리케이션을 성공적으로 실현하도록 업체를 안내할 수 있다. CE 인증을 받는 어플리케이션의 안전성은 허가를 위해 반드시 필요하다. Pilz사의 뤼디거프랑크 박사는 강연을 통해 카메라 기반 솔루션과 3D 가능한 솔루션을 통해 자동화 안전 기술을 보여주었다. 안전성은 어플리케이션의 생산성과 상충되는 관계이다. 사람과 로봇 사이에서는 예외 없이 접촉을 방지해야 하지만 MRC 어플리케이션에서는 허용되는 접촉이 일어날 수 있다. 이러한 접촉의 경우 속도, 질량, 형태 또는 로봇 시스템의 강도를 조정하여 부상을 일으키지 않도록 설계해야 한다. 연구 개발을 통해 현재 밝혀야 할 문제들은, ‘손상‘을 분류, 평가하는 방법과, 규격화를 위해서 신뢰할 만한 판단에 이를 수 있도록 모델화하고 측정하는 방법이다. 2016년 초에 ISO 위원회는 위에 언급한 상호 작용 형태의 안전 요건을 특정하는 ISO/TS 15066을 출간할 계획이다. Fraunhofer IPA 연구소의 학자들이 이 작업에 동참하였으며, 프로젝트에서 최신 규정을 고려하여 모든 안전 문제와 관련하여 포괄적으로 조언하였다.

물리적, 인지적 상호 작용을 위한 로봇 시스템

최근 박람회에서 특히 MRC 어플리케이션을 위해 설계된 로봇 시스템이 우세를 보였다. 참가자들은 기술 세미나에서 사용자들의 다양한 요구를 충족하는 몇 가지 모델의 특성을 경험할 수 있었다. 페터하일리겐제처 박사는 자율 MRC 모드뿐만 아니라 수동 핸드 가이드로 경로 학습이 가능한 MRC 시스템 KR5-SI를 선보였다. 이 로봇은 세이프 가이드 기능과 감소된 속도, 작동 중지 버튼 등 안전과 관련된 로봇 컨트롤에 연결하는 기능을 가지고 있으며 작업자의 보조 역할을 한다. 하일리겐제처는 MRC 시스템이 응용 사례에서 BG(산업재해보험)의 인증 프로세스를 통과하는 방법을 보여주었다.

직접적인 물리적 협력을 통한 직관적인 로봇 프로그래밍은 MRC에 가능한 상호작용 형태 가운데 하나이다
직접적인 물리적 협력을 통한 직관적인 로봇 프로그래밍은 MRC에 가능한 상호작용 형태 가운데 하나이다

Fanuc는 2015년 초에 CR-35iA를 선보였다. Fanuc은 이 로봇을 위해, 자사의 기존 모델 기술을 기반으로 수많은 안전 기능을 개발하고 실현하였는데, 마르쿠스구스가 세미나 강연에서 이를 공개하였다. 매개변수가 입력 가능한 동력 센서, 부드러운 플라스틱 커버, 속도 제한 기능, 안전한 터치 스톱 등을 들 수 있다. MRC가 가능한 이 로봇은 하중 용량이 35kg으로, 현재 시중에 나와 있는 가장 강력한 성능의 로봇 중 하나로, 구성품 배치나 기계 부품 장착에 적합하다.

Fraunhofer IPA의 알렉산더쿠스는 용접용 협동 로봇을 공개하였다. 이 로봇은 EU 프로젝트 SME-로보틱스의 범위에서 만들어진 것으로, 이 프로젝트의 목적은 중소기업의 특수한 용도를 만족하는 로봇 시스템을 개발하는 것이다. 즉, 이 로봇 시스템은 SME(중소 기업)의 적은 개별화와 변동이 큰 작업 부하에 대응하기 위한 높은 유연성을 충족해야 한다는 의미이다. 이 시스템은 직관적으로 프로그래밍 가능하고, 조작과 구성이 가능하여야 한다. 알렉산더쿠스는 인지적인 협업 용접 어시스턴트 CoWeldRob을 예로 들어 프로그램 작성을 보여주었다. 소프트웨어가 구성품 데이터, 센서 정보, 핸드 가이드나 제스처 인식 등을 통한 입력으로 프로그램을 자동으로 형성하면서 프로그래밍의 어려움이 최소화하였다. 또한 모바일 단말기의 직관적 유저 인터페이스로 사용자는 전문적인 지식이 없어도 로봇을 쉽게 프로그래밍할 수 있게 되었다.

섬세한 경량 로봇에게는 더 가까이 다가가도 된다.

KUKA의 알브레히트회네 박사는 인상적인 애니메이션 영상으로 섬세한 경량 로봇 KUKA LBR iiwa를 소개하였으며, 배경이 되는 기술도 보여주었다. 각 축의 위치 센서와 토크 센서, 통합된 안전 컨트롤, 컨트롤 타임 1ms의 신속한 반응 능력 등이 이러한 기술에 속하는데, 이을 이용하여 경량 로봇 iiwa는 사람과 접촉해도 위험하지 않다. 특히 충돌 감지, 힘 모니터링, 속도 모니터링, 작업 공간과 보호 공간 그리고 수많은 안전 기능들 덕분에 iiwa는 다양한 MRC 어플리케이션에 사용할 수 있다.

Fraunhofer IPA는 경량 구조 로봇을 위한 MCR 어플리케이션과 부하 용량이 큰 산업용 로봇을 위한 MCR 어플리케이션을 구현한다
Fraunhofer IPA는 경량 구조 로봇을 위한 MCR 어플리케이션과 부하 용량이 큰 산업용 로봇을 위한 MCR 어플리케이션을 구현한다

고도로 자동화된 자동차 산업이 MRC 성장의 동력이지만, 아직도 조립과 같은 수작업, 단조롭고 물리적으로 부담이 되는 수많은 작업이 생산 단계에서 많이 존재한다. 조립해야 할 콤포넌트들은 매우 다양하고 모션 절차가 정밀해야 하기 때문에 완전 자동화를 실현하기에는 경제성이 좋지 않은 경우가 대부분이다. 이런 부분에 MRC 어플리케이션이 역량을 펼칠 수 있다. MRC 어플리케이션은 보다 유연하고 다양한 목적에 적합하고, 작업자가 인간 공학적으로 부담을 덜 수 있기 때문이다. Volkswagen의 마틴갈링어는 조립분야와 물류 분야에서도 생산성과 정밀성, 프로세스 품질 개선과 같은 MRC의 또 다른 동력을 언급하였다. MRC는 작업자의 사이클 의존성을 낮출 수 있다. 로봇이 사이클을 정하는 것이 아니라 작업자가 정하는 것이다. 갈링어 박사는 VW-콘체른에서 사용하는 MRC 어플리케이션을 여러 개 예시로 보여주었는데 Universal Robots의 로봇을 채택되어 이미 안전적인 면에서, 기술적인 면에서 승인을 받았다.

학계와 업계는 MRC를 인더스트리 4.0의 이행 과정과 미래 생산에 있어서 핵심 기술로 보고 있다. MRC는 점점 더 확대되고 있으며, 인간과 기계는 더욱 상호 작용을 하게 될 것이다. 이 점은 강연에서 Daimler의 토마스슈타르크도 강조하였다. Daimler는 파트너사들과 함께 연구 캠퍼스 Arena2036에 참가하였다. 이 행사는 바덴-뷔템베르크에서 열린 등대 프로젝트로 미래의 자동차를 위한 혁명적인 생산 모델을 개발하고 테스트한다.

오늘날 자동차 제조는 벨트 위에서 사이클에 맞추어 고정 연결되어 있지만, 미래에는 다양한 목적에 맞추어 변화를 가져갈 수 있고 고도로 통합된 분리된 생산 시스템이 생겨날 것이다. 이러한 시스템을 사용하면 어떠한 변형 모델이라도 공장 흐름이 최대한 적절하게 이루어질 수 있다. 프로젝트 제1 단계의 범위에서 Fraunhofer IPA의 학자들은, 변화 능력이 있는 생산 시설을 위해 요건을 충족하는 조립 모듈을 개발하였다. 인간과 로봇은 자신들의 능력에 맞춰 함께 작업을 한다. 이동식 콤포넌트 덕분에 조립 스테이션은 현재의 필요에 맞추어 조정 가능하다.

Fraunhofer IPA는 프로젝트 Arena2036에서 유연한 조립 모듈을 개발하였다. 이 모듈에서 작업자와 로봇이 자신의 능력에 맞게 협업할 수 있다
Fraunhofer IPA는 프로젝트 Arena2036에서 유연한 조립 모듈을 개발하였다.
이 모듈에서 작업자와 로봇이 자신의 능력에 맞게 협업할 수 있다

Fraunhofer IPA의 토마스디츠는 세미나 마지막 강연에서 MRC 어플리케이션의 경제성을 다루었다. 지금까지는 MRC 어플리케이션 체계는 안전한 협업의 측면에서 우선적으로 이루어졌다. 이러한 상호 작용 형태가 어플리케이션의 경제성에 영향을 끼칠 수 있다. 만일 안전 요건으로 인해 어플리케이션의 경제성을 떨어뜨린다면, 기업에 부가 가치를 제공하지 못하기 때문이다. Fraunhofer IPA는 기술적, 조직적, 경제적 기준에 따라 MRC 어플리케이션을 구상 단계에서부터 평가할 수 있는 체계를 개발하였다. MRC 어플리케이션은 항상 수동 솔루션과 완전 자동화 솔루션 사이에서 비교하면서, 두 솔루션의 강점을 최대한 조합하는 것이 목적이다. 즉 작업자의 창조적인 솔루션 발견 능력, 결정 능력, 숙련도, 로봇의 반복 정확도, 지치지 않는 내구성, 속도 그리고 하중 용량을 조합하는 것이다. MRC 어플리케이션은 수동 제조에 비교하여 가변 비용을 최대한 낮추고, 전자동에 비해서는 로봇 시스템에 들어가는 고정 비용을 낮출 수 있을 경우에 경제성이 있기 때문이다.

MRC의 가장 큰 장점은 운신의 폭을 얻는 것이다.

MRC는 프로세스가 변화 능력이 있어야 하고, 작업자의 반응 능력이 부가 가치를 창출하며, 어플리케이션을 장기간 사용할 수 있어야 이익이 될 수 있다. MRC의 가장 큰 장점은 운신의 폭을 얻는 것이다. MRC 어플리케이션은 제품 사이클에 관계없이 장기간 사용하도록 설계하기 때문이다. 세미나 리더인 오버러트라이츠는 생산 트렌드는 점점 더 짧은 제품 사이클과 더 작은 개별화로 가고 있으며, 이러한 추세는 인더스트리 4.0 시나리오가 진행되면서 더욱 중요해지는데, MRC 어플리케이션이라면 이러한 추세를 더 잘 이행할 수 있다고 하였다. 미래의 MRC 개발의 동력으로는 안전 컨트롤, 안전 센서 장치, 경량 구조 그리고 동력 컨트롤을 들 수 있으며, 이들은 분명한 실현 규정을 통해 더욱 촉진된다. 혁신적이고 MRC에 적합한 새로운 로봇 시스템은 프로세스 시뮬레이션이 포함되어 있고 목표 계획이 순응적인 개선된 프로그래밍 방법과 저비용 콤포넌트를 통해 투자 수익을 높일 것이다. MRC는 진보적인 자동화를 위한 핵심적인 기술적 기반이라고 볼 수 있다.