부드러운 조력자 코봇

코봇이 수작업에서 인간을 지원한다. 또한 코봇은 마찰 값이 높은 기어 드라이브를 사용한다. 볼 스크류와 제어 케이블을 적용한 액추에이터로 이를 대체하면, 힘과 운동 정확성이 개선되고 관성 모멘트가 낮아질 수 있다.

마르쿠스 브랜들레(Markus Brändle): Thomson Neff Industries EMEA & 아시아 스크류 드라이버 제품 스페셜리스트

핵심 내용

  • 가공 프로세스에서 작업자들은 여전히 중요한 부분을 차지하고 있으며, 코봇은 이 작업자들의 노동을 지원한다.
  • Isybot은 이러한 ‘도우미’를 지원하기 위해 기어 드라이브 대신 볼 스크류와 제어 케이블을 사용하는 코봇을 개발하였다.
  • 볼 스크류를 사용하면 시스템의 힘과 운동 정확도를 개선되고, 공간도 많이 차지하지 않으며 에너지 효율적이다.
  • Isybot은 자사 코봇에 Thomson의 볼 스크류를 사용한다. 이로써 최고의 정격 하중을 제공하고, 정격 하중을 낮은 마찰 값과 조합하였다.

협동 로봇, 줄여서 ‘코봇’은 산업용 로봇에 상응하는 힘, 반복 정확도 그리고 안정성을 제공하면서 인간 기술자의 판단 능력과 유연성을 보완한다. 반복적인 리프팅 동작을 수행하는 대량 생산에서 코봇 사용이 점차 늘어나고 있지만 때로는 수동 개입도 필요하다. 십여 년 전부터 코봇 사용이 계속해서 증가하고 있지만, 지금까지는 동작을 제어하는 데에 기어 드라이브를 사용하고 있어 적용 범위에 제한이 있었다. 프랑스의 한 코봇 제조사가 기어 드라이브 대신 볼스크류와 제어 케이블을 적용한 액추에이터를 사용하는 솔루션을 개발하였으며, 이를 통해 코봇의 효율성과 안정성에 새로운 전환점을 세웠다.

“협업 로봇의 응용 가능성을 확인하면서 자동화가 큰 발전을 이루고 있음을 발견했습니다. 하지만 그라인딩과 같은 수작업은 지난 30년 동안 거의 변한 것이 없습니다. 바로 이점이 수작업을 대체하는 것보다 지원하는 기술을 개발하고자 하였습니다.”(이반 M. 메조)

작업자를 위한 조력자 코봇

Isybot 코봇은 지금까지 자동화 구현이 불가능하거나 어려웠던 영역을 개척했다. 이 코봇은 다음의 여러 측면에서 작업자의 능률을 개선하였다.

  • 피로에 대응
  • 들어 올리는 힘을 추가로 제공
  • 정밀성 증대
  • 제품 품질 향상

코봇을 사용하면 작업자가 이른바 ‘코봇 파일럿’이 되어 수작업의 매력을 상승시킨다. 예를 들어, 항공기 제작 마지막 단계에서 항공기 외부 셸이 매끈해질 때까지 로터리 샌더를 수동으로 움직여야 한다. 이때 코봇의 지원을 받으면 작업자는 연삭 공구를 항공기 외부면 위에서 이동하지만, 코봇 암이 연삭 공구 무게를 지탱할 수 있다. 작업자가 수행하는 동작을 코봇이 학습하고 작업자가 지정한 횟수만큼 코봇이 그 동작을 반복하는 것도 가능하다.

코봇이 생산성과 인간 공학을 향상시키는 또 다른 방법은 다음과 같다.

  • 조립 컨베이어에 부품 공급 시 지원
  • 간단한 작업 시퀀스 수행
  • 모든 유형의 무거운 리프팅 작업

코봇은 생산성 증대를 위해 인간과 협업하고, 완전히 자율적으로 작업할 수도 있다. 코봇이 작업에서 가장 힘든 부분을 담당하면서 작업자는 근골격계에 대한 부담이 낮아지고 품질 관리에 더욱 집중할 수 있게 되었다. 이런 방식으로 작업자의 역할이 강화되고, 궁극적으로 이직률도 감소시킬 수 있다.

코봇은 사람과 함께 작동하므로 실수로 작업자와 접촉하는 경우 즉시 멈출 수 있어야 한다. 스크류 드라이브를 사용하면 더욱 쉽게 멈출 수 있다.

이 기술에 가장 큰 관심을 보이는 산업 분야는, 작업자들이 35kg 이상의 하중을 수작업으로 취급해야 하는 분야이다. 예를 들어, 항공우주 산업, 자동차 산업, 농업, 선박 및 철도 산업, 군수 산업, 생산 시스템 제조업이 이에 속한다. 코봇은 작업자가 위험 상황에 노출되는 경우에도 조력자 역할을 한다. 원자력 발전소나 의심스러운 구역에서 코봇이 위험한 작업을 처리할 수 있다.

볼 스크류를 통해 보다 효율적으로 동작한다

이반 메조에 의하면 다른 기업들도 이 분야에 상당히 진입하고 있지만, 시장 조사를 통해 이러한 기업들의 솔루션은 비효율적이거나 번거로우며 심지어 잠재적인 위험 요소를 가지고 있는 것을 확인되었다. 문제는 전기 에너지를 통제 가능한 운동으로 변환하는 기어 어셈블리에 있었다.

“기어 박스는 마찰 계수가 높고 방출되면 위험한 운동 에너지를 생성합니다. 특히 쌍방향으로 사용할 때 효율이 다소 낮습니다. 기어를 보다 효율적인 볼 스크류 드라이브로 교체하여 이러한 시스템의 힘과 운동 정확도를 안전하고 일관적이며 효율적으로 대폭 개선할 수 있었습니다.”(이반 M. 메조)

이반 메조의 설명과 같이, 볼 스크류는 최소의 마찰로 높은 조정력을 제공한다고 한다. Isybot의 코봇은 모터 토크의 94%를 동작으로 전환한다. 이 코봇은 전류만으로 연삭 작업을 위한 힘을 제어하거나 하중을 움직일 수 있다. 이런 성능을 위해 복잡한 기어 박스와 센서가 필요하다. 볼 스크류는 공간을 적게 차지하고 에너지 효율적이면서 마찰이 적어 실질적인 정비가 필요하지 않고 제어하기도 훨씬 편리하다.

KGF-D 표준 너트가 장착된 압연 Thomson 볼 스크류는 정격 하중이 높아 코봇 개발에 유리하다.

이반 메조는 볼 스크류가 기어 드라이브보다 관성 모멘트가 훨씬 낮고, 앞서 설명한 제어 성능과 결합하여 안전성 측면에서 훨씬 뚜렷한 이점을 제공한다고 한다. 일반적으로 안전 펜스 안에서 작업하는 로봇과 달리, 코봇은 인간 옆에서 함께 작업한다. 따라서 코봇은 작업자와 실수로 접촉하는 경우 즉시 정지할 수 있어야 한다. 하지만 복잡한 구조의 기어에 운동 에너지까지 축적되기 때문에, 간단한 터치만으로 갑자기 정지시키는 것은 그리 쉽지 않다.

고하중용 볼 스크류

볼 스크류의 사용이 매우 효율적이고 경쟁력있는 코봇을 만드는 것이 분명해지자, 이반 메조 팀은 다양한 제조업체의 제품을 조사했다. 조사 결과 Thomson Industries가 Isybot의 용도에 적합한 최상의 솔루션을 보유하고 있었다.

“정격 하중은 코봇의 핵심 포인트입니다. 볼 스크류를 사용하면 기어 드라이브보다 높은 하중을 취급할 수 ​​있습니다. Thomson 볼 스크류는 우리가 분석한 시스템 가운데 가장 높은 정격 하중을 제공합니다. 또한 오프셋 나사 피치로 이러한 값을 달성할 수 있다는 사실이 마음에 들었습니다.”(이반 M. 메조).

Thomson은 표준 너트와 함께 3개의 압연 볼 스크류(12mm x 10mm)를 제공한다. 더 높은 정격 하중은 오프셋 나사 피치와 4개의 하중지지 회전을 기반으로 하는 너트 설계에서 비롯되며, 컴팩트한 포맷으로 높은 하중 비율이 가능하다. 또한 Thomson은 적어도 두 가지 유형으로 이 기술의 마찰 값을 낮추도록 볼 스크류를 설계할 수 있었다.

볼 스크류 제조업체들이 일반적으로 축 방향 유격을 줄이기 위해 너트를 스크류에 예압하는 반면, Thomson의 엔지니어들은 이를 예압없이 처리했다. 이로 인해 예압으로 발생하는 마찰을 줄일 수 있었다. 마찰을 더욱 줄이고 스크류 드라이브의 오염을 방지하기 위해 사용하는 와이퍼 링을 제거했다. Thomson 디자인은 와이퍼 링을 사용하지 않고 오염을 방지할 수 있다. 예압 및 와이퍼 링이 없는 Thomson 볼 스크류 드라이브는 코봇 암에 필수적인 부드러운 움직임을 제공한다.

지정된 볼 스크류에 대한 관성비가 7.595 kg · mm², 7.353 kg · mm²와 4.728 kg · mm² 인 Thomson 솔루션은 업계 전체에서 관성 모멘트가 가장 낮은 볼 스크류에 속한다. 그에 따라 Thomson 볼 스크류의 관성 모멘트는 부하가 유사한 경우 기어 시스템에서 발생하는 관성 모멘트의 극히 일부에 불과하다.

Isybot의 CEO인 이반 M. 메조가 코봇이 항공기 외부 연삭 작업을 지원하는 방법을 시연하고 있다.

인간은 여전히 작업 프로세스의 일부이다

이반 메조는 제조 현장에 일변의 코봇을 사용하고 있으며, 이 코봇들은 낮은 관성 모멘트, 낮은 마찰 및 높은 부하 등급 덕분에 시장에서 제공되는 기어 기반 코봇과 차별화되는 기술을 기반으로 한다. 그에게 결정적인 것은 작업자가 코봇과 함께 프로세스의 일부로 공존하면서 작업이 더 쉬워진다는 사실이다. “노동자들이 처음으로 코봇 앞에 섰을 때 자신의 업무가 어떻게 변할지 걱정이 많았습니다. 하지만 짧은 훈련 기간을 거쳐 진정한 동료가 되었습니다. 이는 매우 좋은 현상입니다.”(이반 M. 메조)