인간과 로봇의 협동

HRC(인간과 로봇의 협업)를 이용한 적용 사례가 성공하기 위해서는 체계적이고 개별적인 계획이 필요하다. HRC 적용 사례가 어떻게 성공할 수 있는지 프라운호퍼 IPA 및 IAO 연구소의 제2회 슈투트가르트 ‘HRC 사용자의 날 레퍼런스가 이를 선보였다.

Dr. 카린 뢰리히트(Karin Röhricht): 프라운호퍼 IPA 연구소 에디터

핵심 내용

– 프라운호퍼 IPA와 IAO 연구소의 제2회 슈투트가르트 HRC 사용자의 날’ 행사에서 HRC 어플리케이션의 수많은 사용 가능성과 구현 방법을 선보였다.

– 몇몇 기업들은 ‘실전을 통해 배움‘로 수익성 있는 HRC 어플리케이션에 성공한 반면, 중견 회사는 구조화된 계획 프로세스가 중요하다.

– 프라운호퍼 IPA 및 IAO 연구소에서 HRC 프로젝트를 성공하기 위해 전문가들을 만날 수 있다.

산업 로봇은 지난 몇 년간 커다란 변혁을 거쳐왔다. 산업 로봇은 고정된 거대한 구조물로 생산 현장의 레이아웃을 결정하는 경우가 많다. 또한 큰 장막에 둘러싸여 셀 안에 위치하고 인간과 기계의 작업 영역이 엄격하게 구분되어 있었다. 이러한 로봇 시스템은 앞으로도 계속 존속할 것이다. 이러한 시스템이 생산 개수가 많은 대량 생산에서는 최상의 결과를 제공하기 때문이다. 오늘날 유연하고 협력적인 로봇 시스템, 이른바 경량 로봇이 이러한 전통적인 산업 로봇을 보완하고 있다. 이들은 기존의 설비와 변화하는 생산 프로세스에 간단하게 통합할 수 있다. 많은 적용 사례들이 HRC로 구현되고, 인간과 로봇이 자신들의 능력에 맞게 분업하고 보완하고 있다. HRC 작업장에 통합되는 로봇은 필요 공간이 적다. 수동화된 작업장과 자동화된 작업장 사이의 거리를 조금만 차지하거나 필요 없기도 하다. 이는 물류비용, 공급 및 분산 기술 그리고 구성품, 공작물 등의 운반을 줄인다. 제어장치와 센서 장치는 로봇에 집중되어 있어 주변 장치도 많이 필요하지 않다.

‘HRC 사용자의 날’ 행사에서 안전의 대명사 Pilz의 토마스 필츠가 기조 연설을 하였다.

개선된 인간 공학

정밀성, 지구력, 또는 일정한 힘 제어, 위치 제어 및 속도 제어를 필요로 하는 작업을 로봇이 담당하면서 인간 공학이 개선되고 있다. 로봇은 무거운 부품을 옮기고 작업자는 특별한 감각 능력과 인지 능력이 필요한 작업을 수행할 수 있다. 로봇 시스템은 이동식 플랫폼 위에 구성하여 장소에 구애받지 않고 여러 개의 시스템을 생산 현황에 맞게 조립할 수 있다.

HRC의 장점은 적용 사례에 따라 다양하며 이미 HRC를 실현한 회사들의 동기들도 다양하다. 안전의 대명사인 Pilz 대표 토마스 필츠는 HRC 사용자의 날 행사에서 기조 연설을 하였다. 로봇 공학에서 변혁이 시작되었습니다. HRC 자체가 성공 요소라기 보다 인간이 가까이에서 로봇을 사용하는 것이 성공 요소입니다. 그러니까 HRC는 그 자체가 목적이 아니라 새로운 사용 분야를 가능하게 하는 인에이블러이며, 특히 제조 산업 외에 서비스 로봇이 여기에 해당됩니다. 인간과 로봇의 직접적인 접촉을 위해 힘 제한을 언급한 ISO/TS 15066은 HRC를 새로운 로봇에 대한 기준점으로 본다. 간단한 프로그래밍이나 프로그래밍을 위한 자유로운 로봇 운영 시스템 ROS 등의 기술도 이러한 성공에 기여한다. Pilz는 ROS를 신형 로봇 암에 사용한다.

Schnaithmann, Hofmann Glastechnik, John Deere, Dungs, Badische Stahlwerke 등은 자신들이 HRC 어플리케이션에 노력하는 이유와 이를 계획하고 이행한 방법, 실무에서 이를 어떻게 입증할 수 있었는지를 차례로 발표하였다. 강연을 통해 모든 단계의 실현이 개별적으로 진행되었고, 회사의 특성뿐만 아니라 적용 사례에도 좌우된다는 점이 명확해졌다. HRC를 촉진할 수 있는 동력은 완전히 새로운 작업장 구상과 기존 작업장의 최적화, 숙련 인력 부족, 인간 공학과 안전 개선, 큰 유연성과 변화 능력에 대한 요구, 새로운 기술과의 접점을 잃지 않고자 하는 희망 등이다.

많은 기업들인 HRC 어플리케이션을 구현하기 위해 프라운호퍼 IPA와 IAO 연구소의 연구 프로젝트를 통해 지원을 받았다. 이 두 연구소는 HRC에 적합한 프로세스를 정의하고, 적합한 로봇과 필요한 주변 장치를 선택하여, 투자 금액을 산정하는 도구와 보조 수단을 개발한다. 어플리케이션을 구현하기 위한 진행 방식에도 기업들 간에 차이점이 나타났다. 몇몇 기업은 실전을 통해 배움으로 수익성 있는 HRC 어플리케이션을 달성한 반면, 중견 기업들은 구조화된 계획 프로세스가 중요한 것으로 나타났다. 계획 프로세스는 처음부터 있을 수 있는 모든 위협 요소를 고려하여 적합한 안전 조치를 통해 이를 배제해야 한다. 이를 위해 이미 많은 회사들이 시뮬레이션이나 증강 현실을 활용하고 있다.

프라운호퍼 IPA 연구소의 토마스 코흐는 이러한 어플리케이션이 전제 조건이 까다로운 경우에도 성공적으로 실현될 수 있는 사례들을 들었다. 이 연구소는 부품 세 개를 접합하기 위한 반자동 조립 스테이션을 개발하였다. 이 스테이션은 자유롭게 접근할 수 있고 DIN ISO 10218에 따른 보호 원리 힘 및 출력 제한에 의거 설계하여 사이클 타임 12초를 충족하는 HRC에 적합해야 한다. 로봇은 이를 구현하기 위해 일시적인 준정적 접촉 상황을 감지해야 하고, 그럼에도 불구하고 줄어든 속도로 사이클 타임을 유지해야 한다.

센서 피부를 갖춘 로봇

HRC가 성공할 수 있도록 전문가가 컨설팅과 계획 도구를 통해 돕는다.

프라운호퍼 IPA 연구소는 다양한 기술을 이용하여 어플리케이션을 실현하고 생산 현장에서 이 모든 요건을 구현하였다. 일시적인 접촉을 탐지하기 위해 로봇에 센서 피부를 설치하고, 이동 속도는 500mm/s로 제한하였다. 준정적 접촉을 감지하기 위해 엔드 이펙터에서 기계적 힘 보상이 이루어진다. 이때 준정적 접촉이 일시적 접촉으로 전환되어야 한다. 따라서 접근 속도가 높아지고 클램핑 상태가 간단히 풀릴 수 있어야 한다. 이를 위해 BDU(Balanced Decoupling Unit)를 개발하였다. 로봇 플랜지와 공구 사이의 이 기계적 솔루션은 발생하는 힘을 탐지하고 로봇을 정지시키고, 클램핑을 능동적으로 풀고, 동시에 필요한 힘과 부품 접합을 위한 잠김을 가능하게 한다. 이를 위해 BDU는 자석과 공압 실린더를 사용하여 날카로운 가장자리를 덮고 작업자 손을 넣는 것을 방지하기 위해 하우징 안에 들어 있다.

이 어플리케이션은 로봇이 레이저 스캐너를 이용하여 자율 HRC 모드와 축소된 HRC 모드 사이에서 필요한 사이클 타임을 달성하였다. ISO 보호 원리 충돌 시 정지힘 및 출력 제한의 조합을 통해 평균 사이클 12초를 구현한다. 어떠한 충돌에 대해서도 측정 세팅을 이용하여 생체 역학적 한계 값을 입증하였다.

이동식 플랫폼에 장착된 HRC에 적합한 로봇은 특별한 유연성을 제공한다. Festo는 이를 위해 유연한 이동 작업자인 Bosch 시스템 Apas를 사용한다. 이 솔루션에 제시되는 요건들은 기계적이고 조직적인 것이다. 따라서 전압 공급과 다른 시스템 구성 요소들과의 커뮤니케이션이 표준화되고 기준 마크와 데이터 판독 시스템을 필요로 한다. 이때 통합은 점진적으로 이루어진다. 처음에 Apas 시스템 수는 이 시스템의 사용 위치 수와 일치했었으나, 마지막에는 사용 위치 수가 Apas 시스템 수의 세 배가 되었다. Apas 시스템은 이동식 자원으로서 플래닝 시스템을 이용하여 자유롭게 등록할 수 있기 때문이다.

프라운호퍼 IPA와 IAO 연구소가 HRC 프로젝트를 성공으로 이끌고 있다.

특별히 긴밀한 협력

HRC가 성공할 수 있도록 전문가가 컨설팅과 계획 도구를 통해 돕는다.

컨퍼런스 마지막에 German Bionics사의 강연에서 외골격, 즉 로봇과 인간의 긴밀한 협력 부분을 다루었다. 사용자는 기계적이고 전자 공학적인 시스템을 직접 몸에 착용하고 특정 동작에서 척추나 팔 또는 다리에서 힘을 지원받는다. 특히 인구 통계학적 변화 측면에서 근육 질환과 골격 질환을 예방하는 것이 목적이다. 외골격은 스프링이나 균형추를 이용하여 수동적으로 또는 센서 및 액추에이터 그리고 전기, 유공압 드라이브를 이용하여 능동적으로 지원한다.

2015년부터 프라운호퍼 IPA가 개발한 연구 개발 목적의 외골격 플랫폼인 Stuttgarter Exo-Jacket도 이러한 기술의 한 사례이다. Exo-Jacket은 수동 핸들링에서 들어 올리는 활동과 오버헤드 작업에서 상지를 적극적으로 지원한다. 이 시스템은 작업자들이 무릎과 어깨 높이 사이에서 최대 20kg의 무게의 제품을 수작업으로 움직여야 하는 물류 분야를 지원한다. 이번 사례에서 연구자들은 사용자들의 행동 자유에 특별한 가치를 두었다.

전체적으로 이 행사는 HRC 어플리케이션의 많은 사용 가능성과 구현 방법을 보여주었다. 관심 있는 기업들은 프라운호퍼 IPA와 IAO 연구소에서 기술 지식과 경험을 바탕으로 한 HRC 프로젝트를 성공하도록 전문가들을 만날 수 있다.