사람과 로봇이 협력하는 새로운 셀 생산조립시스템
본문에서는 로봇과 사람이 그들의 특성에 가장 적합하게 협력하는 새로운 셀 생산시스템을 소개한다. 이 시스템은 △부품입력장치 △조립장치 △안전관리기술로 구성되어 있는데, 운전지원기술에 기초한 부품입력장치는 조립과정에서 조립하기 위한 모든 필요한 부품을 로봇이 자동적으로 입력하게 하고, 정비지원기술에 기초한 조립공정에서는 로봇의 물리적 지원과 시스템의 정보지원을 받으며 운전자가 복잡한 일에 집중한다. 안전관리기술은 부품입력장치와 조립장치를 감독하면서 운전자와 로봇사이의 안전한 협력을 확인한다.
사람이 손으로 제품의 처음부터 완성까지 처리하는 조립생산에서는 셀 생산조립시스템이 아주 중요한 역할을 한다. 생산성 향상과 물량조절이 가능한 다양한 제품에 이용할 수 있도록 여러 종류의 셀 생산조립시스템이 제안되어 왔다.
인건비가 높은 나라에서 제조업의 경쟁성을 유지하기 위해서는 자동화된 산업로봇을 사용하여 효율을 증진하고 비용을 감소하는 것은 큰 도움이 된다. 여기에는 산업 로봇으로 자동적인 작업을 할 수 없는 어려운 작업을 위해 사람도 필요하다.
사람과 로봇이 협력하는 시스템에서는 안전관리기술이 혼합되어야만 한다. 또한 현대사회가 노령화됨에 따라 젊은 인력이 부족하여 충분한 숫자의 숙련된 기술자를 찾는 것은 아주 어렵다. 따라서 미숙련된 인력이 속히 필요한 기술을 습득하여 질 높은 일을 수행할 수 있도록 지원하는 정보지원 기술이 필요하다.
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‘한국기계연구원 로봇연구실 Open Lab 행사’에서 직접 교시를 통한 디버링 과정을 재현한 협업로봇의 시연 모습. 협업을 통해 로봇전문가가 없는 중소 제조업체에서도 직접 용접, 디버링 등의 작업 경로를 손쉽게 생성할 수 있다. |
사람-로봇 협업, 제품의 생산성·품질 높인다
로봇과 사람이 그들의 특성에 가장 적합하게 협력하는 새로운 셀 생산시스템은 3가지 부대조직, △부품입력장치 △조립 장치 △안전관리기술로 구성되어 있다.
운전지원기술에 기초한 부품입력장치는 조립과정에서 조립하기 위한 모든 필요한 부품을 로봇이 자동적으로 입력하게 하고, 정비지원기술에 기초한 조립공정에서는 로봇의 물리적 지원과 시스템의 정보지원을 받으며 운전자가 복잡한 일에 집중한다. 안전관리기술은 부품입력장치와 조립장치를 감독하면서 운전자와 로봇사이의 안전한 협력을 확인한다.
움직이는 바탕위에 배터리로 구동되는 로봇을 만들어 무선통신장치를 연결하고, 위치나 자세에 어떤 잘못이 있으면 고칠 수 있도록 시각시스템을 설치했다. 그리고 다중조립지원시스템(Multi-modal Assembly Support System, MASS)을 개발하여 짧은 시간에 조립조작을 자주 변화시켜도 초보자도 잘 운전할 수 있도록 아주 높은 갖게 했다.
또한 운전자를 위해 운전자와 로봇이 협력하여 자동운전이 이루어지도록 자동화된 새로운 안전관리 방법을 개발하여 사용했다.
새로운 셀 생산시스템의 효과를 평가하기 위하여 실험을 통해 조립에 소요되는 시간과 불량률에 대해 조사했다. 이 두 가지 요소에 대해 전통적인 손 조립 셀 생산방식과 새로운 셀 조립방법을 비교했는데, 두 가지 셀 종류에서 3가지 조립작업에 각각 5명의 전문가와 5명의 초보자가 참여했다.
그 결과 전체적인 성능에서 새로운 셀 조직이 우수했으며 새로운 셀에서 작업을 하는 시간은 전문가와 초보자가 거의 같은 시간이 걸렸다. 그러나 재래식 방식에서는 전문가들의 작업속도가 초보자의 두 배에 달했다.
조립의 질적인 면에서 보면 새로운 셀 조립시스템에서는 조립라인에 레이저 지시안내와 로봇의 도움으로 전혀 불량이 나타나지 않았으나 재래식 셀 시스템에서는 10~20%의 불량이 나타났다. 여기에서는 로봇을 통한 물리적인 지원과 정보가 자동적으로 운전자에게 주어지는 새로운 셀 조립생산시스템을 개발했고, 특히 운전 중 정보가 주어지는 동안에 로봇과 운전자간에 안전을 유지하도록 했는데 이는 산업용 로봇이 자동화된 운전을 멈추지 않고 운전자와 협력하도록 하여 높은 생산성을 달성할 수 있도록 한 것이다. 또한 새로운 셀 생산방식을 사용함으로 제품의 품질을 훨씬 높일 수 있었으며 불량품은 거의 없었다.
이 새로운 로봇을 이용한 셀 방식 자동화 조립방법은 곧 산업체의 실제 운전을 위해 설치예정이며, 설치를 증가시키기 위해 기계운전자와 안전관리 시스템을 포함한 설치비용을 줄이기 위해 더 많은 노력을 할 것이다.
사람-로봇 협업에 대한 연구는 계속된다
오늘날 산업현장에서 고임금에 의해 점점 높아지는 생산단가를 낮추고 사회전체가 고령사회로 발전함에 따라 수반되는 인력 부족현상에 대처하기 위해서, 현재까지 로봇으로 대체되지 못한 많은 생산라인에 로봇을 사용하고자 하는 많은 노력이 기울여지고 있다.
한국기계연구원 박찬훈 박사는 지난 9월에 열렸던 ‘한국기계연구원 로봇연구실 Open Lap 행사’에서 협업로봇 기술에 대한 설명을 했다. 그는 인간-로봇 협업의 의미를 설명하고 이를 위해 전제가 되는 △쉬운 조작을 위한 작업지능 기술 △공동 작업을 위한 절대 안전기술 △노동력 절감을 위한 물리적 보상기술 등의 연구개발 필요성을 강조했다.
아울러 그는 ‘쉬운 조작’을 목적으로 개발된 직접교시기술의 설계 기술, 제어 알고리즘, 재현 알고리즘 등을 비롯해, ‘안전’을 위해 개발된 충격흡수식 안전기구 등에도 언급했다.
또한 한국기계연구원의 박경택 박사는 ‘양팔로봇시스템’과 관련하여 ‘양팔로봇의 협조제어시스템 기술’이라는 제목으로 이야기를 다룬 적이 있다.
한국기계연구원이 개발한 양팔로봇시스템은 사람과 같이 양손을 이용해 작업이 가능하여 각 손에 볼트와 너트를 쥐고 나사를 조이는 등의 작업이 가능하다. 또한 섬세한 조립작업이 요구되는 조선 및 항공, 방위산업에도 적용이 가능함은 물론 기존 한팔 로봇보다 2배 이상의 작업 속도를 낼 수 있다는 장점이 있다.
박경택 박사는 양팔로봇의 핵심기술이라고 할 수 있는 협력 작업 기구학, 충돌방지 알고리즘, 제어기 시스템 구성, 실시간 제어 SW, 직접교시, 임피던스 제어와 관련된 내용들을 소개했다.
한국과학기술정보연구원 신희성 전문연구위원 (heesshin@reseat.re.kr)
출처 : M. Morioka, S. Sakakibara, ‘A new cell production assembly system with human-robot cooperation’, CIRP Annals-Manufacturing Technology, 59, 2010, pp. 9~12
