로봇기술은 스마트 팩토리 구현을 위해 빠질 수 없는 요소다. 제조 공정에 스마트 팩토리가 적용됨에 따라, 로봇기술은 그에 발맞춰 발전을 거듭했다. 오늘날 로봇 자동화는 크게 네 가지 기술 트렌드로 압축된다. 지난 9월에 개최된 ‘제4회 스마트 제조 베스트 프랙티스 컨퍼런스’에서 스마트 팩토리를 위한 로봇기술 트렌드와 5G 기술 활용에 대해 현대로보틱스 윤대규 상무가 강연한 내용을 정리했다.
그림 1. 4가지로 압축되는 로봇기술 트렌드
로봇 자동화에서 4가지 주요 트렌드는 이하와 같다. 첫 번째는 AMR(Automous Mobile Robots)과 AGV(Automated Guided Vehicle)의 사용 증가다. 기존 제조 방식에서는 대량 생산을 위한 컨베이어 시스템을 활용했기에 로봇은 고정돼 있었다. 최근 제조업 분야는 다품종 소량생산을 지향하기에 공정에 유연성이 추가된 AMR·AGV의 사용이 증가하는 추세다. 두 번째는 머신비전 기술의 향상이다.
로봇에 추가된 비전 기술은 생산품의 고정도 품질향상을 기여하게 됐다. 세 번째는 펜스 없이 안전하게 사용할 수 있는 협동로봇 기술 및 수요 증가다. 끝으로, 인공지능(AI) 기술을 활용해 예방 보전에 초점을 맞춘 스마트 팩토리 구축이 점차 늘어나고 있다는 점이다.
AGV·AMR 모빌리티 시장은 급격하게 증가하고 있다. 연평균 23%의 증가율을 보이며, 특히 북아메리카, 아시아 시장의 성장세가 돋보인다.
AGV·AMR 시스템 구성은 다음과 같다. 먼저 다수의 AGV는 공장 내 와이어리스 지역에 위치한다. 사내 네트워크로 연결된 AGV는 이동작업 명령을 받고 움직이면서 상태 정보를 전달해 교신하는 컨트롤 시스템의 명령을 받는다. 또한, AGV 자체로 움직이는 게 아니라 공장 전반적인 제어 및 다른 장비와의 연동을 위해 MES, WMS 등의 상위 시스템과 연동돼 있다.
최근 AGV·AMR은 자체 제작한 그리퍼와 협동로봇, 카메라 비전 시스템 등을 연동해 이동뿐 아니라 특별한 작업을 수행하는 기능을 추가하고 있다. 이에 사용자는 로봇을 사용하기에 앞서 적정 하중과 용량, 공정에 어울리는 타입, 물류 시스템과의 호환성, 안전 성능 등을 고려해야 한다.
그림 2. 일반적인 용도로 활용되는 2D와 2.5D 머신비전 기술
로봇의 시야를 밝히는 머신비전 기술
기계, 로봇, 공정에 눈을 달아 품질 관리에 응용하는 기술을 머신비전이라 한다. 이 기술은 위치 측정, 치수 측정, 형태 검사, 문자 인식 등에 적용된다. 일반적인 머신비전 프로세스는 영상 획득, 영상 분석, 결과 송신, 공정 작업을 수행한다. 머신비전 시장 역시 모바일 시장처럼 급격히 증가하는 추세다. 특히 하드웨어뿐 아니라 소프트웨어 시장은 연평균 10% 성장률을 기록하고 있다.
머신비전의 가장 단순한 형태와 기능은 2D 사양이다. 2D 사양은 한 개의 카메라를 활용해 X·Y 위치, 회전방향의 각도를 추정해낸다. 여기에 카메라와 작업물간의 거리를 측정해 확인하는 기능을 추가한 시스템이 2.5D다. 2.5D는 로봇 앞에 기피 방향으로 정형화된 물체가 있을 때 여러 개 놓인 작업물을 자동으로 인식하기 위해 사용된다.
또한, 로봇을 조립할 때, 엔진공장에서 블록을 움직이기 위해 위치를 확인할 때, 프레스라인에 작업물이 왔을 때, 비정형성으로 임의에 위치한 경우 정확한 위치를 확인할 때 등 다양한 용도로 활용된다.
이뿐 아니라 두 대의 카메라를 활용하는 3D 스테레오는 작업물 내에 존재하는 세 지점 이상의 3차원의 위치를 측정해 작업물의 위치, 자세를 측정하는 비전 시스템이다. 이 시스템은 비정렬 작업물 즉 기피 방향으로 아무렇게나 놓인 작업물을 확인하거나 대형 차체가 정확한 위치에 있는지 확인할 때 쓰인다.
한편, 단차가 있는 작업물인 경우에는 다수의 라인을 투사해 특정 지점의 위치를 측정하고, 작업물의 3차원 위치와 자세를 측정하는 3D 멀티라인 시스템을 적용한다. 여러 선을 투사하면 특정 단차가 있는 곳은 굴곡이 생기는데, 3D 멀티라인 시스템은 이 형태를 인지한다. 이 시스템은 차체에 존재하는 굴곡 위치를 파악하고, 실러 도포를 진행한다. 사용자는 3D 멀티라인 시스템을 활용해 단차가 0.5mm의 오차로 실러를 도포하는 공정을 수행할 수 있다.
이러한 비전 기술을 사용하는 데 있어 두 가지 중요한 요소는 조명과 비전 기술이다. 조명에서는 컬러 혹은 흑백, 표면 특성, 부품 기하특성을 비롯해 렌즈 부착 방법표면 특성, 조리개 선정, 렌즈 품질 등을 고려해야 한다. 비전 기술에서는 간단 비전센서, 스마트 카메라, PC 기반 비전시스템을 확인하고, 2D, 3D 스테레오, 3D 멀티캠 등의 이미징 형태를 살펴봐야 한다.
협동로봇, 안전과 성능 동시에 잡다
협동로봇은 사람과의 직접적인 상호작용을 위해 설계된 로봇이다. 협동로봇은 사람이 어떤 작업을 성공적으로 수행하도록 도와주는 역할을 담당한다. 이런 이유로 협동로봇은 안전 기능을 강화하고, 별도로 안전인증을 받는 과정을 거친다. 안전인증을 받기 위해서는 특정 힘이 가해 직접 티칭이 가능한지의 여부, 축 각도가 특정 이상 벗어났을 때 로봇이 서야 하는 축 각도 감지, 안전 툴 모델링 기능, 사람과 충돌했을 때 곧바로 멈추는 충돌 감지기능이 있어야 한다. 로봇 전문가는 향후 협동로봇 수요가 지속해서 증가할 것이며, 2026년까지 약 40%의 성장률을 예측한다.
협동로봇은 기존 산업용 로봇과 다른 4가지 특징이 있다. 인간과 협업이 가능하며, 안전인증을 받은 공정에서 자유롭게 사용할 수 있다. 또한, 사용자가 직접 이 로봇을 잡고 움직이면서 가르칠 수 있으며, 위치 유연성을 보유하고 있다. 협동로봇 선택 시 고려사항은 용도에 맞는 축 형태, 로봇이 사용되는 영역의 특성에 따른 자유도, 견딜 수 있는 중량, 안전인증 여부, 모빌리티 기능 여부 등이 있다.
사진 3. 협동로봇의 장점
기술의 집합체, 스마트 팩토리
로봇기술이 발전함에 따라, 스마트 팩토리 구현이 가능한 영역이 넓어지고 있다. 스마트 팩토리는 공장 내 존재하는 모든 장비가 서로 IoT 기술로 연결되고 모든 정보가 빅데이터로 수집된다. 이 데이터는 인공지능 기술과 더불어 설비를 예방 보전하는 기능이 탑재되고, 공정 간 연계가 원활하게 제어되며, 전문가 노하우가 입력됨에 따라 로봇 자동화에도 연결될 수 있는 기능까지 확장된다.
연 평균 9%의 성장률을 보이는 스마트 팩토리는 사용자의 의사결정 통찰, 생산성 향상, 비용 절감, 품질 향상 등의 장점을 보유하고 있다. 스마트 팩토리 도입을 고려한다면, 사람이 잘하는 것과 시스템이 잘하는 것을 미리 파악할 필요가 있다. 비용대비 효과가 우수한지, 도입 시기는 언제인지, 운영 역량 등 다양한 요소를 고려해야 한다.
스마트 팩토리와 관련해 가장 중요한 기술 중 하나는 5G 통신기술이다. 5G는 온디바이스 인공지능 엔진을 연결해 효율적인 추론 기능을 엣지 클라우드에 제공한다. 이는 인공지능 기능이 클라우드 중심에 있었다면, 5G의 발전은 분산된 형태의 인공지능 기술을 이룬 셈이다. 이를 통해 균형 있는 경제성 및 성능 발전을 가능하게 했다.
한 예로, 로봇이 인식한 음성을 5G 클라우드로 보내고, 클라우드에 탑재된 자연어 처리 기능으로 해석한 로봇제어 언어가 다시 로봇에 전달됨으로써 제반 기술, 음성인식을 할 수 있는 로봇이 만들어지게 된다.
이러한 기술을 바탕으로 로봇은 기존 전통적인 산업뿐 아니라 카페, 음식점 등에도 광범위하게 사용될 수 있으며, 협동로봇 기반의 5G 클라우드 음성인식 서비스를 지원하는 여러 가지 고급 기능의 로봇의 저변이 확대될 것으로 보인다.
