MRC(인간과 로봇의 협업) 연구에서 적용으로

인간과 로봇의 협업 그리고 그 다음 단계는 직접적인 협업이다. Mixed Reality Production 4.0(혼합 현실 제조 4.0)은 이러한 협업이 장소에 상관없이 어떻게 이루어질 수 있는지를 보여주고 있다.

하이케 네온하르트(Heike Leonhard): Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI, 독일 인공지능 연구센터) 소속

산업 제조 공정은 자동화 정도가 높고 수많은 조건과 명세 기준 및 제한을 겪고 있다. 인간과 로봇이 한 공정에 함께 참여하는 경우 더욱 그러하다. 과거의 전통적인 로봇은 다양하게 사용할 수 있지만, 오로지 프로그래밍되어 있는 작업 과정만을 시행했었다. 아직까지는 인간과 로봇은 안전 상의 이유로 엄격히 분리되어 각자 영역에서만 일을 하고 있다. 변화하는 시장이 다른 변이형을 요구하고 있어 제조 목적을 바꾸고자 한다면, 전체 프로세스를 변경하거나 로봇을 다시 프로그래밍을 하는 경우가 아니라면 적어도 생산 라인의 변경이 필요하다.

인더스트리 4.0과 로봇 공학

Holo 렌즈를 통한 로봇 암의 제어

이는 단기간의 조정에 따른 시간과 비용이 많이 든다. 변형 모델이 많고 생산 개수가 적은 제품을 유연하고 수익성 있게 제작하려면, 생산 과정에서 프로세스는 조정 가능성도 훨씬 많아야 한다. 이 모든 것은 생산 공정을 경직되게 만들 수 있다. DFKI는 수 년 전부터 산업 제조 공정을 새롭게 그리고 우연하게 형성할 수 있는 다양한 시나리오와 기술, 시스템을 연구하고 있다. 사이버 물리 시스템을 통한 네트워크로, 생산을 자율적으로 조직하는 미래 컨셉트 인더스트리 4.0이 서막을 열었다. 자동차와 같이 고도로 개별화된 산업은 모듈식 조립을 통한 컨베이어 벨트에서 사이클에 맞추어 생산이 이루어지고 있다. 이를 인간과 로봇이 협업하여 일할 수 있는 환경으로 대체하는 것, 이것이 MRC(인간 로봇 협업)이다. 이를 위한 기술적 전제 조건은 자율 운반 시스템, 제조 소프트웨어를 위한 인공 지능이다. 이미 간단한 운반 작업은 로봇이 맡아 시간과 번거로운 작업 단계를 줄여주고 있다. 프로그래밍이 가능하고 운동성이 있으며 네트워크화된 운반 로봇은 중소기업을 위한 제품도 나와 있고, 시장에서 구할 수 있게 되었다. 이동하는 플랫폼은 사용 구역의 지도를 작성하면 동적 환경에서 올바른 경로를 찾아 화물을 A지점에서 B지점으로 옮길 수 있다. 이 플랫폼은 스캐너, 3D 카메라 그리고 초음파로 구성된 다중 모드 센서 등을 통해 장애물을 피하며 다른 이동식 로봇 동료 또는 인간 동료와 함께 동적 작업 환경에서 함께 작업할 수 있다. 가공물은 컨베이어 벨트를 거치는 일 없이 바로 다음 작업 단계로 이동한다.

현장의 MRC

인간 로봇 협업의 맥락에서 원격 조작을 위한 혼합 현실 제조 4.0

인간과 로봇의 협업 그리고 그 다음 단계는 직접적인 협업이다. 인간의 지능과 인공 지능이 인간과 로봇을 적합하게 협력하도록 팀플레이를 조직하는 것이 중요하다. 대상을 옮기는 일은 인간이 잘 할 수 있는 일이다. 인간은 작업 전체를 그려보고 개별 작업과 절차의 타이밍을 잘 알기 때문이다. 로봇이 구체적인 작업과정에서 대상을 올바른 시점에 올바른 속도와 올바른 각도로 전달하려면 합리적인 진행 플래닝이 필요하다. 로봇은 동료로서 큰 힘을 대신하고 실질적으로 인간 바로 옆에서 인간과 같은 전달 동작을 협력하는게 적합하다. 지능형 피부(외부 접촉 시 즉각 반응하도록 센서 시스템이 통합된 외부 층)와 같은 특성을 가진 로봇의 특성 외에 소프트웨어 시스템도 인간과 로봇의 직접적인 협력을 가능하게 한다.

DFKI가 Volkswagen과 함께 iMRK(지능적 인간 로봇 협업) 프로젝트에서 인간과 로봇이 어떻게 협업할 지를 연구하였다. 이 프로젝트에서 센서를 통해 주변을 포착하여 인간과 로봇이 공유하는 작업 공간 에서 충돌을 방지하고, 듀얼 암(Dual Arm)을 조작할 수 있는 시스템을 만들었다. DFKI Robotics Innovation Center에서 개발한 독립적인 모듈형 소프트웨어 아키텍처 „Rock“을 기반으로 하는 로봇 컨트롤은 간단한 제스처를 통해 직관적으로 이루어진다. 손동작 하나로 로봇은 정지할 수 있다. 한번 더 손을 쥐었다 펴면 작업을 계속 이어가기도 하고, 제품이나 공구를 전달하기도 있다. 사람이 로봇의 작업 영역에 접근하면 지시를 하지 않아도 작업 속도를 스스로 줄이고 정지한다.

인간 로봇 협업은 같은 공작물에 대한 두 파트너의 팀플레이로 생각할 수 있으며, 다양한 위치에서 거리를 두고 이루어지는 협력을 생각할 수 있다. 안전에 대한 우려가 사라지면서 로봇과 인간이 가까이 있을 수 있게 되었다. 사람에게는 위협적인 현장이고, 로봇에게는 혼자서는 해결하기 어려웠던 영역이 점차 열리게 되었다. Mixed Reality(혼합 현실) 기술과 Virtual Reality(가상 현실) 기술로 다양한 유형의 로봇을 장소에 구애 받지 않고 직관적으로 조작하는 것이 가능하게 되었다. 로봇의 도움으로 한 곳에 있는 작업자가 다른 위치에 있는 로봇, 동료들과 함께 유연하게 과제를 해결할 수 있다. 생산 제조 산업 환경에서 실질적인 투입 영역으로는 원격 정비, 화상 회의, Teleproduction(원격 생산), Telemanipulation(원격 조작) 등이 있다.

DFKI 연구원들은 „혼합 현실 제조 4.0“을 통해 장소를 뛰어넘는 새로운 형태의 인간 로봇 협업을 개발하였다. 조정이 가능하고 훈련 가능한 경량 로봇이 근거리에 있든 시야 밖 다른 공장이나 수 백 킬로미터 떨어진 거리에 있든 상관없이 인간 동료와 로봇 동료가 상호 작용을 한다. 혼합 현실 시스템을 이용하면, 협업 시나리오의 3차원 가상 프레젠테이션에서 대상을 실시간으로 조작할 수 있다. 가상 현실 환경에서 프로세스는 Microsoft Holo 렌즈를 통해 제어된다.

연구에서 공장동으로

지능적인 MRC를 통해 위험요소를 배제하고 인간과 로봇이 협업하고 있다

사용자들은 가상의 프레젠테이션을 보고 제스처를 통해 로봇 동작을 제어할 수 있다. 스스로 움직일 수 있는 이동 로봇은 대상을 경량 로봇들 사이에서 안전하게 운반한다. 구체적인 응용 시나리오는 위험 구역 내에 조직되지 않은 환경에서 사람이 없는 상태로 위험물을 취급하는 것이다. 인공 지능의 발전으로 가까운 시일 내에 인간과 각각 다른 능력을 지닌 로봇이 한 팀을 이룰 수 있게 되었다. 연구 프로젝트 Hybr-iT의 목적은 인간과 로봇이 산업 생산의 지능적 환경에서 소프트웨어 기반의 지원 시스템을 통해 한 팀을 구성하고 이를 테스트 하는 것이다. 제조 프로세스에서 인간 작업자들은 한 팀에서 안전하고 효율적으로 그리고 인간 공학적으로 작업이 이루어지도록 로봇의 지원을 받게 된다. Hybr-iT 프로젝트는 항공기 제조 분야에서 머리 위로 작업하는 비행기 날개 공정, 즉 수동 조립 비율이 높은 항공 제조 분야의 제조 프로세스 등에 투입되었다. Hybr-iT는 2016년에 시작되었고 BMBF(독일연방 교육연구부)가 3년 간 후원을 하게 된다.

인간, 로봇 그리고 인공 지능의 협업이 인더스트리 4.0의 핵심 아이디어를 현실화하고, 인간 공학적으로 힘든 작업에서 인간의 부담을 줄이고 개별화된 제품을 제작하는 것을 지원한다. 인간과 로봇 그리고 소프트웨어 시스템으로 구성된 작업 그룹은 한 팀으로서 생산 현장에 진입할 수 있다. 이러한 협업을 위한 법률적 토대는 2016년 초에 발간된 국제 산업 규격 „ISO/TS 15066 – Robots and robotic devices – Collaborative robots“에 이미 마련되었다. 이 한 팀이 생산 공정에 실제로 투입되기 전에 극복해야 할 일련의 기술적 과제들이 있다. 이를 성공적으로 구현하기 위한 전제 조건으로는, 다양한 구성 요소들이 정보를 서로 교환한다 할지라도 유연하고 직관적으로 이루어지는 의사 소통과 업무와 활동의 조화로운 분배 그리고 인간이 Cobot과 Softbot을 수용해야 한다.

인간 로봇 협업은 인더스트리 4.0의 중요한 구성 요소이다.

안드레아 길후버(Andrea Gillhuber), 로봇 공학 에디터