이동식 로봇이 제공하는 자유로움

네트워크화된 생산 라인, 버전 다양성, 적은 생산 개수. 네트워크로 연결되고 지속적으로 변화하는 제조 조건에서 어떻게 하면 중소기업들이 유연성을 유지하고 경제적으로 생산할 수 있을까? 여기에 대한 한 가지 해답이 조용하고 신중하게 자율적으로 공장의 이곳 저곳을 돌아다니고 있다. 여러 가지 심부름도 하고, 일부 작업공정도 맡고, 평온하게 인간에게 도움을 주면서 함께 일하고 있다.

빅토리아 존넨베르크(Victoria Sonnenberg)

이 여정의 끝은 어디일지? 유연한 생산과 인더스트리 4.0에 관여하고 있는 사람들은 매우 궁금하다. 각종 정의의 밀림과 수많은 솔루션의 정글 속에서, 즉 제조 공장 내에서 이미 전체를 조망하고 자신의 길을 정확하게 알고 있는 이가 있다. 이동식 로봇 시스템으로도 알려진 모바일 조작 장치이다. 이 장치는 유연한 제조 환경에서 거의 인간만큼의 유연한 조력자이다. 이 로봇은 휠 위에서 자신이 필요한 곳으로 복잡하지 않게 방향을 찾아서 이동하고, 전압이 인가되는 상태에서 하이브리드 배터리를 점검하며, 뜨거운 공작물을 취급하기도 하고 소형 부품 물류에서 우수한 성능을 발휘한다.

 

제조 현장에서 새로 얻은 자유

„가능성은 매우 다양합니다. 로봇을 운반이나 피킹 작업에 사용할 수 있고, 소형 용기를 잡는 데에 사용할 수 있습니다. 기계에 로딩과 언로딩 작업도 가능합니다. 또한 로봇이 일부 작업 공정을 맡아 인간과 협력하여 조립 어시스턴트로서 투입할 수도 있습니다.“ (테오 야콥스, 프라운호퍼 생산 공학 및 자동화 IPA 프로젝트 매니저 및 공인 기계 안전 전문가) 제조 현장에서 새로 얻은 이러한 자유로 인해 더 이상 안전 펜스와 바닥의 표시가 필요 없고 여타 제한도 없어졌다.

„이동식 로봇은 기존의 제약을 없애고, 새로운 생산 컨셉트를 실현할 수 있도록 자유롭게 길을 열었습니다. 목적에 부합한다면, 로봇은 이제 이동하는 부품을 넘겨 받아 공작물에게 갈 수 있으며, 공작물을 로봇에게로 운반할 필요가 없습니다. 우리는 생산 변동을 조정하기 위해, 작업장에서 추가의 근무조를 운영하기 위해, 야간 근무조에서 공작 기계에 장비를 갖추기 위해, 복잡한 공정을 새로이 정렬하기 위해 사용할 수 있습니다.“ (공학박사 게랄드 포크트, 슈토이블리 그룹 분과 매니저) 이동식 로봇의 업무는 이미 간단한 물류 작업에서 기계 로딩 및 언로딩과 구성품 가공에 이르기까지 다양하다.

 

이동식 로봇 시스템은 사람 근처에서 작업하기 때문에, KUKA는 이동식 플랫폼과 인간/로봇 협업이 가능한 로봇암을 조합하기 위해 이동식 로봇 시스템 취급 시 모든 안전 측면을 고려하기로 결정하였다.

독일 아우크스부르크에 위치한 KUKA에서는 이동식 로봇 시스템이 이미 생산 활동의 일부를 담당하고 있다. 이동식 로봇 KMR iiwa(Kuka Mobile Robotics)는 민감한 Kuka 경량 로봇 LBR iiwa와 연동하는 자율 주행 플랫폼으로, KR Quantec의 중앙 어셈블리에 있는 로봇 조립 워크 스테이션에 생산 재료를 자동으로 공급한다. 이 이동식 로봇은 나사, 씰링, 너트 그리고 다른 소형 부품을 분배하는 업무를 맡고 있다. Würth사는 주문받은 칸반 박스를 중앙 창고 랙에 전달한다. KMR iiwa는 주기적으로 섬세하게 각 랙을 점검하고, 소형 부품이 담긴 박스를 꺼낸다. 이 경량 로봇은 꺼낸 박스를 플랫폼에 부착된 QR 코드 스캐너에 스캔하고 각 박스의 목적지를 알아낸다. 이어 무인 자율 플랫폼은 공장을 통과하여 박스를 운반하고, 자동으로 워크 스테이션에 전달한다. 이동식 로봇 시스템을 통한 소형 부품 물류는 이미 여러 곳에서 사용되고 있지만, 지금까지는 문제가 크게 드러나지 않았던 대형 부품 가공에서 작업자에게 인간공학적으로 문제되는 오버헤드 조립 작업을 이 자율 플랫폼이 자신의 장점을 늘려가고 있다.

 

대형 부품 가공 문제

자동화 분야는 대형 구성품을 유연하게 가공해야 하는 어려운 과제를 안고 있다. „선박 제작과 항공기 제작 또는 풍력 발전소 제작 등 많은 분야에서 오늘날 자동화 솔루션은 제한적입니다. 지금까지 그런 분야에서 사용하는 경직된 자동화 솔루션은 콤팩트한 치수 면에서나 유연성 면에서 크게 점수를 받지 못했습니다. 바로 이러한 작업 영역에서 오버헤드 작업이 작업자에게 부담이 크기 때문에 자동화 솔루션이 꼭 필요합니다. 또한 로봇을 고정 설치하는 것은 수익성이 떨어지고, 여러 작업 스테이션을 커버할 수 있는 이동식 시스템과 조합해야 경제성이 있으며, 프로세스 자동화를 위해서도 지금까지 적합한 솔루션이 없었습니다.“(알로이스 부흐슈탑, Kuka Roboter GmbH Advanced Robotic Applications 부사장) 이동식 로봇 시스템은 유연성 덕분에 지금까지 로봇을 사용할 수 없었던 새로운 분야를 개척할 수 있게 되었다. 예를 들면 이동식 로봇은 항공기 엔지니어링에서 항공기 몸체에 씰링제를 도포하거나 항공기 구성품을 점검한다.

그렇다면 트랙에서 자율적으로 움직이고 끊임없이 변화하는 생산 라인에서 방향을 잘 찾기 위해서는 이동식 로봇에게 무엇이 필요할까? „자율 주행을 위해 로봇은 레이저나 카메라와 같은 센서를 사용하여 환경을 독립적으로 계산하고 움직이는 객체를 고려하여 최적의 이동 경로를 찾아갑니다. 인간에게는 간단해 보이는 일이지만, 로봇에게는 매우 어려운 작업입니다.“ (Dr. 롤란트 지크바르트, 취리히 연방 공과대학 로봇공학 및 지능 시스템 연구소장)

센서 기술이 이동식 로봇의 보안과 자신감 향상에 어떻게 도움이 되는지 Bosch가 이동식 Apas assistant를 통해 보여주었다. 자동 생산 보조장치인 이동식 Apas Assistant는 직접적인 인간/로봇 협업을 위해 설계되었으며, 추가의 보호 장치없이 인간과 직접적으로 협업하는 데에 사용할 수 있도록 독일 전문 협회의 인증을 받았다. Bosch가 특별히 개발한 센서 스킨이 특이한 장점이다. „로봇암의 커버에 통합된 용량성 센서는, 사람이 근처에 있는 경우 이를 인식합니다. 사람과 접촉하기 전에 기계가 정지합니다. 작업자가 다시 충분히 멀어지면, 앞서 멈추었던 작업을 바로 그 지점에서 다시 시작합니다.“ (공학 박사 볼프강 폼렌, Robert Bosch GmbH Apas 어시스턴트 시스템 제품 매니저) 또한 옵션 보조 기능을 통해 Apas assistant는 어플리케이션에 따른 원격 영역을 모니터링할 수 있다. 이를 통해 이 기계는 사람이 있고 없음에 따라 유연하게 자신의 작업 속도를 조정한다. Bosch 공장에서 Apas assistant는 뜨거운 공작물을 다루는 검사 스테이션에서 로딩과 언로딩을 담당하고, 전압이 인가되는 하이브리드 배터리를 검사한다. 작업자들은 신속 고정 롤러를 이용하여 Apas assistant가 필요한 곳이라면 어디든 손쉽게 Apas assistant를 배치할 수 있다.

Omron도 조립 및 핸들링 분야에서 수동 작업 절차를 자동화하는 데에 특화된 기업이다. Omron의 이동식 로봇은 생산 라인을 돌아다니면서 개별 생산 유형으로 신속하게 전환한다. 센서가 이 이동식 로봇에게 220°의 시야를 제공하여, 고정적인 장애물과 이동하는 장애물을 피할 수 있다. 이 이동식 로봇은 카트를 다른 위치로 옮기는 작업을 한다. „이 작업은 로봇이 장애물을 만나면 그 자리에서 회전할 수 있어야 하기 때문에 어려운 작업입니다. 현재 플릿 관리 소프트웨어를 구체적으로 연구하고 있으며 더욱 최적화할 것입니다. 이 소프트웨어는 현재 생산 라인의 상태에 대해서만 반응하며, 플래닝 소프트웨어의 호출을 기다려야 합니다. “(브루노 아담, Omron 모바일 프로젝트 유럽 디렉터)

Staubli 이동식 로봇 시스템 Helmo는 완전 자동으로 고도로 정밀하게 고속 처리할 뿐만 아니라 필요 시 인간 옆에서 작업할 수도 있다.

예측 로봇

플래닝 소프트웨어가 단계를 미리 계산하고, 작업을 종료하기 위해 자신이 준비하고 있어야 할 곳에 차량이 미리 있음으로써, 다음 세대에서는 이 프로세스가 보다 지능적이 될 것이다. „이로 인해 생산성이 증대되고 이동식 로봇의 작동 시간이 길어집니다.“ (브루노 아담)

작동 시간 면에서 포지셔닝 최적화와 포지셔닝 예측 그리고 에너지 저장의 향상 가능성이 있다. „생산 현장을 독립적으로 이동하는 이동식 플랫폼의 가장 큰 문제는 에너지 공급과 안전입니다. 로봇은 자체 에너지 공급장치가 있고 충전 스테이션으로 돌아오지 않아도 될 때에 비로소 진정으로 자율적이 됩니다. 로봇이 충족해야 할 과제가 무엇이냐에 따라 에너지 컨셉트를 그에 맞추어 조정해야 합니다.“ (볼프강 폼렌) 자율 로봇은 움직이는 장애물에 유연하게 반응하기 위해 내비게이션 시스템 등 포괄적인 안전 시스템이 필요하다.

내비게이션 시스템에 대한 문제는 자율적으로 이동하는 로봇이 공장 안을 돌아다니기 전에 먼저 해결되어야 한다. „사람들 사이에서 안전하게 움직일 수 있으려면, 사람과 의도하지 않게 충돌하는 일이 없도록 하여야 합니다. 동시에 같은 작업 공간을 사용할 수 있도록 사람과 가까운 거리를 유지하도록 안전 컨셉트를 설계해야 합니다. 이를 위해서는 작고 가벼운 시스템이 필요하고, 속도를 확실히 줄이고 여러 작업 공간 사이에서 전환하는 등 사람에게 맞출 수 있는 메커니즘이 있어야 합니다.“ (야콥스, 프라운호퍼 IPA)

 

기존 표준에 맞추기

현재 안전과 관련된 측면은 받아들일 만한 수준이다. 하지만 아직 더 해야 할 일은 무엇인가? „기존 표준에 맞추기 위해 최적화할 필요가 있습니다. 일반적인 AGV(무인 운반차)를 사용하는 경우 이미 기존 표준에 맞추어 최적화되었습니다. 그렇지만 플랫폼 위에서 로봇이 움직이는 경우, 이는 새로운 영역입니다.“ DFKI(독일 인공 지능 연구 센터)의 대변인인 라인하르트 카르거는 협업 영역에 또 다른 최적화의 필요하다고 합니다. „인간의 지능과 인공 지능이 적합하게 협력하기 위해 인간과 로봇의 팀플레이를 조직하는 것이 중요한 과제입니다. 인간은 올바른 시점에 대상을 건네주고 넘겨줄 수 있습니다. 인간은 작업 결과에 대한 전체적인 이미지를 동시에 그릴 수 있고, 각 작업 단계와 작업 절차의 타이밍을 잘 알기 때문입니다. 로봇은 구체적인 개별 사례에서 올바른 부품를 올바른 시점에 올바른 속도로 올바른 각도로 전달하기 위해서는 역동적인 진행 계획이 필요합니다.“

rob@work 3는 전방위 이동식 플랫폼과 모듈식 조작 시스템을 완전히 통합된 하나의 로봇으로 연결하며, 이 로봇은 이용 가능한 열린 인터페이스와 기능 기능을 통해 효과적으로 그리고 유연하게 생산 라인에 사용할 수 있다. 위 그림은 ABB의 협업 2팔 로봇 Yumi를 적용한 버전이다.

현재 DFKI에서는 이른바 혼합 현실(Mixed-Reality) 솔루션의 미래를 연구하고 있다. 로봇과 인간 동료가 다양한 위치에서 함께 유연하게 작업을 처리하고, 혼합 현실 시스템을 이용하여 마이크로소프트 Holo를 통해 가상의 협업 시나리오의 3차원 가상 표현에서 실시간으로 조작할 수 있다. 작업자는 목표 대상의 가상 표현을 보고 제스처를 통해 원하는 활동을 촉발하여 로봇과 상호작용할 수 있다. 즉 실제 위치에서 인간의 핸들링이나 제스처가 다른 실제 장소에 있는 로봇의 직접적인 활동을 초래한다.

이동식 로봇이 생산과 함께 보다 밀접하게 성장하기 위해서는 인터페이스에 대한 공통 표준 외에도 추가적인 접근법이 필요하다. “진행 속도는 주변 인식, 데이터 처리, 안전 시스템 그리고 큰 부분을 차지하는 작업자의 수용과 같은 요소에 달려 있습니다.”(안드레아스 드로스트, MT Robot 대표) 데이터는 로봇 자체가 평가할 수 있는 상위 역할을 하며, 그로부터 로봇은 배우고 더욱 독립적이 된다. “로봇이 개별성을 실현하기 위해 네트워킹, 빅데이터, 클라우드와 같은 사항이 더욱 중요해지고 있습니다. 우리는 안전한 이동식 로봇 시스템과 연결하여 최적의 네트워킹을 해야만 앞으로 다양한 제품을 제때에 올바른 곳에서 효율적으로 생산할 수 있게 될 것입니다.”(Kuka)

이동식 로봇은 생산과 제조 공장에 새로운 자유를 제공한다.

빅토리아 존넨베르크(Victoria Sonnenberg), 로봇 공학 에디터