DAR(Dual Arm Robot) 기술동향
정밀조립에서 활약하는 듀얼 암 로봇, Flexible 공정구축에 적합
제조용 로봇시장에서 핸들링 분야와 조립분야의 규모가 점차로 커지고 있다. 이러한 시장의 변화에 대응하기 위한 해외 선진로봇 기업들의 움직임도 빨라짐에 따라 제조용 양팔로봇의 상용모델들이 시장에 등장하기 시작했고, 곧 세계 제조용 로봇개발의 큰 흐름이 되어가고 있다. 본 내용에서는 제조현장에서 요구되는 로봇개발의 동향을 살핀 후, 듀얼 암 로봇의 역할과 기대정도를 확인하도록 하겠다.
제조현장에서 변화에 따른 로봇 개발 동향
시장 다각화 추세 및 제품 라이프 사이클 단축에 따라 비교적 잦은 제품 모델변경이 발생하고 이로 인해 생산방식도 다품종 소량생산이 주목받고 있다. 따라서 로봇 기술개발에 있어서도 기존 제조용 로봇과 차별화된 다품종 소량 생산 방식에 적합한 새로운 로봇 기술 개발 필요성이 대두되고 있다. 다품종 소량 생산에 대비하기 위해 부품 조립 공장들에서는 생산 장비들이 공간적으로 떨어지도록 한 컨베이어 방식에서 공간적으로 집적화되어 있는 셀 생산 방식으로의 전환이 검토되고 있는 것이다. 창의적이고 더 자동화된 공정 적용이 생산현장에서 검토되고 있고 기존 제조용 로봇과 차별화되는 로
봇 관련 기술들이 새롭게 개발되고 있다. 한국산업기술대 임계영 교수는 “제조용 로봇산업이 소품종 대량생산에서 다품종 소량생산으로, 중대형 조립·가공에서 초정밀·경박 단소로, 적용분야의 다양화 및 노동력의 부족에 대응하는 방향으로 변하고 있다”고 말했다. 기존 제조용 로봇은 주로 산업현장에서 용접, 도장, 조립과 같은 작업을 수행하였고, 기존 제조용 로봇은 고정된 위치에서 지정된 작업을 반복적으로 수행하도록 설계되어, 주로 사람이라면 쉽게 지치거나 부주의해지기 쉬운 단순 반복 작업을 수행하여 왔다. 그러나 향후 미래의 제조용 로봇은 다품종 소량 생산에 대응 가능한 형태로 발전될 것이고 로봇 관련 기술도 이에 맞춰 변화될 것으로 예상된다. 제조공정의 Streamline화, Lean 공정 채용을 통한 Flexible 공정구축을 목표로 하는 경향이 있어 생산 공정에 있어 로봇 기술 개발이 중요해지는 추세이며, NC 선반이나 머시닝 센터 등 단일 생산 레벨에서도 로봇 등을 설치하여 다품종 소량 생산에 대응하고 있는 경우가 나타나고 있다.
셀 생산방식 관련 로봇 기술 개발 동향(미국과 일본을 중심으로)
일본 Mitsubishi 전기에서는 교토대와 공동으로 셀 생산방식 작업이 가능한 로봇을 개발 중이다. 이곳에서 개발한 로봇들은 부품 조립 후 검사할 수 있으며 학습기능, 물체 인식 기능, 로봇 손 힘 제어 기능, 에러회피 및 감지기능 등을 보유하고 있다. 일본 IDEC에서는 인간이 로봇 중심의 셀 생산 시스템에서 개입하는 상황을 정의하고 이 과정에서 안전한 조작이 이루어지도록 하는 위험평가 지표를 개발하였다. 또, 일본 Kawada사는 사람 상반신 형식의 작업로봇을 개발을 통해 축적한 기술을 활용하여 가전업체와 공동으로 소형경량 인간형 양팔로봇을 개발하였고, 야스카와 등을 비롯한 주요 로봇 메이커 회사들은 무인 셀 생산 공정을 위한 로봇 시뮬레이션기술을 개발하고 있다.미국의 경우 GM과 NASA는 자동차 제조공정의 좁은 공간에서 협조 동작하는 인간형 로봇시스템을 공동 개발하고 있는 것으로 알려져 있다.
DAR = Dual Arm Robot = 양팔로봇
위에서 언급한 바와 같이 다품종 소량생산에 특화된 생산방식의 전환 등으로 이러한 변화에 맞추어 새로운 로봇 기술개발의 필요성이 대두되고 있고 DAR(Dual Arm Robot)도 이러한 추세에 맞추어 개발이 진행 중이다. 기존의 단일 팔 로봇 시스템에서 탈피하여 인간작업자와 같이 양팔을 가진 제조용 로봇 시스템을 도입함으로써 현재 자동화가 되지 않은 정교한 조립 작업에도 적용 가능한 듀얼 암 로봇시스템을 개발하고자 하는 노력들이 활발해지고 있다. 한편, 서비스 로봇 분야에서 냉장고 열기, 물 따르기, 퍼즐 맞추기 등 양팔을 활용한 로봇 기능과 관련한 연구가 있는 편이나 제조용 양팔로봇은 상대적으로 연구가 취약하다가 로봇 시장 중 핸들링과 어셈블리 부문의 성장으로 제조용 양팔로봇에 관한 기술 개발 등이 진행되고 있다. 정밀부품 조립분야에서 사용되고 있는 제조용 로봇의 경우에는 기존의 싱글 암(Single Arm) 로봇이 이미 현장에서 사용되고 있었지만 그 적용의 범위와 가능에 한계가 있는 것으로 알려져 있다. 즉, 제조용 로봇은 단순 반복 작업을 효과적으로 수행하여 생산성을 향상에 도움을 주었으나 주로 싱글 암의 형태로 인해 사람이 양팔을 사용해서 작업해야 하는 정교한 작업에서는 사용되지 못했다. 또한 반도체 웨이퍼 이송 로봇 가운데 듀얼 암 로봇이 있지만 양팔을 독립적으로 제어하고 있고 작업효율을 극대화에 초점을 맞추고 개발되어 적용범위 확대를 강조하는 최근의 듀얼 암 로봇의 개발 동향과는 차이가 있는 것으로 보인다. 양팔을 사용하여 협력 작업을 할 수 있는 제조용 정밀 부품 조립용 듀얼 암 로봇시스템의 개발에 필요한 요소기술에는 ①듀얼 암 로봇시스템 설계 및 제작기술 ②정밀 조립을 위한 Wrist Gripper 설계 제작기술 ③듀얼 암 로봇을 위한 교시 기술 ④듀얼 암 로봇을 위한 협력 작업 기술 ⑤CAD 데이터로부터 3차원 작업경로 생성 알고리즘 및 소프트웨어기술 ⑥OLP 기술 ⑦시스템통합기술 등이 있다. 특히, 기능과 관련하여 작업로봇이 좁은 공간에서 원활하게 작업할 수 있도록 소형화 측면 및 높은 동작자유도를 가질 것이 요구되며 다양한 작업을 처리하도록 하기 위한 다기능 로봇 핸드의 설계도 중요할 것으로 예상된다. 제조업용 듀얼 암 로봇은 사람이 양팔을 사용해서 특성상 작업해야 하는 정교한 작업에 사용되므로 작업경험을 학습하고 환경변화에 대응하여 다음 행동을 결정하는 실시간 대응형 추론 학습 능력을 가져야 할 것으로 예상되고 있다. 이를 위해 이를 위하여 로봇이 센서입력 정보 에 입각하여 자신의 작업경로를 일정한 동작 범위 내에서 자동으로 수정하는 감각 제어 및 적응제어 기술이 개발이 중요할 것으로 예상되고 있다. 또한, 생산성의 향상과 인간에 대한 안전성 확대를 위해서 인간의 작업지능과로 로봇의 제어성능을 결합 할 수 있는 인간-로봇협업(Human-Robot Cooperation) 매니퓰레이션 기술개발이 필요할 것으로 보인다. 비전문가도 손쉽게 로봇의 수행 작업을 작성하도록 하는 직접교시 제어기술, 작업자 보호를 위한 안전기구 메커니즘 설계기술, 충돌을 인식하고 회피하는 기술, 중량물 정밀 조립을 위한 작업자의 의도 예측 기반 행동제어 기술 등의 기술이 개발될 것으로 예상되고 있다.
듀얼 암 로봇의 개발 동향
듀얼 암 로봇에 관한 연구는 주로 미국, 일본, 독일을 중심으로 이루어지고 있으며 이들 중 독일은 연구 부문에서, 일본은 제조업 어플리케이션 부문에서 강점을 가지고 있는 것으로 보인다. Tohoku 대학에서는 우주공간에서 사용할 용도로 2개의 팔로 구성된 DARTS를 개발하였다. 각각의 팔은 햅틱 인터페이스를 통하여 원격으로 제어될 수 있으며 양팔의 협력 작업이 가능한 것으로 알려져 있다. 협력 작업 가능을 위해 힘 토크센서가 양 손목에 붙어 있고 간단한 구조의 손이 부착되어 있으며 제어는 실시간 운영체제인 VxWorks 상에서 구현되고 있다. DARTS의 가장 특징적인 것은 듀얼암 로봇은 우주공간에 
있지만 햅틱 시스템은 지구상에 있어 슬레이브와 마스터가 매우 먼 시간적 공간적 거리를 가진다는 것이며, 이 때문에 마스터 운전자는 가상현실에 의해서 구현된 가상 듀얼 암 로봇을 보면서 작업을 하게 된다. 한편, 2개의 7자유도 플렉시블 암으로 구성한 듀얼암 로봇 ADAM도 개발하였다. ADAM는 우주에서 정거장의 패널을 열고 커넥터를 끼우거나 전선을 연결하는 등의 역할을 한다고 한다. University of Texas Austin에서는 7자유도 팔과 3자유도의 몸통 부분이 결합된 듀얼암 로봇을 개발하였다. 이 로봇의 양팔이 어깨의 측면에 부착되어 있지 않고 어깨 위에 부착되어 있는 것이 특징이다. 손목의 끝에는 힘 토크 센서가 장착되어 있고 OSCAR로봇 운영 프로그램을 개발하여 제어에 적용하였다. 로봇 각각의 팔은 비교적 가벼운 가반 하중을 가지며 양팔을 모두 이용할 경우 13.8kg의 가반하중을 가진다(비교적 작은 가반하중을 가지는 것은 단점이지만 고부하의 작업용으로 개발되었던 것은 아닌 것으로 보임). 독일항공 우주연구소에서는 휴머노이드와 관련한 양팔 로봇 기술을 개발하였으며, DLR에서 개발한 로봇의 팔에는 각 관절에 부착된 토크센서를 이용하여 외력에 대한 대응력을 높였으며 허리의 자유도는 사람과의 충돌에 대비하도록 제작되었다. DLR 로봇의 손은 기능이 우수한 편이면서 모듈로 설계되어져 있다. 즉, DLR 로봇의 손과 로봇의 팔의 마지막 부분이 파워케이블과 신호선 한 가닥으로 전기적 연결을 유지하고 있다. 이러한 모듈 설계는 DLR 로봇의 모든 모터와 전류제어기가 DLR 자체에서 개발되었기 때문인 것으로 알려져 있다. DLR로봇은 각각의 팔이 7자유도, 양팔에서 14자유도, 허리에서 3자유도를 가지고 머리 부문의 자유도가 실현되어 비교적 많은 자유도를 가지는 것이 특징이다. 또한 모두 모듈화되어 있으므로 모든 부분이 모듈화 되어 있어 모든 부분을 서로 다른 연구기관에서 연구하는 것이 가능하다고 한다. 마지막으로 상용화된 듀얼암 로봇 시스템으로는 야스카와의 automan DA20이 있으며 DA 20은 다관절 타입의 듀얼암 로봇으로 고가반 중량이 가능한 로봇으로 알려져 있다. 일반적인 제조용 6축 다관절 로봇과 동일한 기구학적 구조를 가진 양팔이 어깨의 앞쪽에 부착되어 있는 점이 특징이다. 로봇의 양팔은 스카라 형태의 로봇이며 스카라 로봇이 몸통의 전면에 부착된 것으로 보이며 따라서 지면과 수평한 작업 면에서 작업이 다수인 경우에 매우 유리한 구조다. 양팔에 카메라를 설치하여 비주얼 서보기능을 갖추었으며, 더 나아가 인버터의 안전한 조립을 위하여 양팔의 말단에 6자유도의 힘/토크 센서를 장착하여 힘/모멘트제어를 수행하고 있다. 간편한 구조, 넓은 동작영역, 유연한 움직임 등으로 핸들링 및 조립용도 등에서 복잡하고 수준 높은 작업이 가능하고 생산라인에 투입 가능한 형태로 개발되어 있다. 또한 DA20로봇은 양팔을 사용함으로써 생산성을 극대화시키는 것이 일차적인 목표로 개발되었으며, 즉 양팔에 서로 다른 그리퍼 혹은 공구를 장착함으로서 공구의 착탈 작업 없이 연속적으로 진행되어야 하는 작업을 상대적으로 더 빠른 시간에 마무리할 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 가반 하중이 다양한 양팔 로봇 모델을 생산하여 각각의 모델에 사용되는 팔을 Single Arm 로봇으로도 시리즈 제품으로 개발 및 상용화하여 양팔 로봇과 Single Arm 로봇 시장에 효과적인 전략을 구사하고 있다.
