최근에는 제조공정의 Streamline화, Lean 공정 채용을 통한 플렉시블 공정구축을 목표로 하는 경향이 있어 생산 공정에 있어 로봇채용이 중요해지는 추세로 로봇이 다품종 소량체제인 FMS의 주역으로 새롭게 조명되는 경향을 보이고 있고, 이에 따라 산업용 로봇 출하대수도 증가하는 추세를 보일 것으로 예상되고 있다.
이처럼 고속화, 신뢰성 향상, 정밀도 향상 등이 요구되며 IPMR에 대한 요구도 높아지는데, 이에 대해 본 내용에서 살펴보고자 한다.
산업용 로봇
·산업용 로봇의 개념
산업용 로봇은 자동 제어가 되고 프로그램이 가능하며 여러 자유도가 있어 다목적에 이용될 수 있는 로봇이다.
Webster 사전의 정의를 살펴보면 로봇은 사람이 보통 하는 여러 가지 기능을 행하는 자동장치로 되어 있으며, 미국의 로봇협회(RIA; Robot Institute of America)의 정의에 의하면 로봇은 여러 종류의 일들을 수행하기 위해 프로그램 된 동작을 행함으로써 부품이나 장치, 도구 등을 움직일 수 있는 다기능의 프로그램이 가능한 기계장치로 알려져 있다.
또, 일본로봇협회(JIRA; Japan Industrial Robot Association)의 정의에 의하면 로봇은 감각과 인식의 기능을 소유하고 그 자신의 행동을 제어하는 인간의 팔과 유사한 다양한 운동을 수행할 수 있는 기계로 정의되어 있다.
·산업용 로봇의 수요 요인
또한 용도에 따라 조립용, 도장용, 용접용 운반하역용 등으로 사용되며, 주요 업체에는 ABB, 화낙, 야스카와, KUKA 등의 업체가 있다.
수요자 요구의 다양화 및 고용구조의 변화에 따라 로봇은 다품종 소량 생산에 대응할 수 있는 유연화 및 부족한 숙련 작업인력을 대체하기 위해 사용되며 최근에는 신뢰성 및 Flexible Automation 부문을 중심으로 개발이 진행되는 편이다.
과거에는 로봇이 3D 작업을 대체하는 수단으로써 채택되었으나 최근에는 Automation System과 통합되면서 로봇이 Six Sigma, Lean Manufacturing Tool과 함께 Global Competitiveness를 결정하는 요인으로 부각되고 있다.
로봇이 생산현장에 투입되는 이유에는 공작기계 중 전용기와 비교하여 생산제품에 대해 유연성에 강점이 있는 점, 부족한 인적자원을 대체하는 점, 생산성 향상 가능성 있는 점 등이 있는데, 이를 위해서 중요한 점이 로봇의 지능인데 종종 로봇의 지능부족으로 생산현장에 적용되지 않는 경우가 있다.
이를 극복하기 위해 로봇에 센서기술과 지능제어 기술을 적용하는 것이 연구 개발되는 추세이고, 움직이는 로봇과 연동하여 3차원과 동적인 영상처리를 하는 시각기술과 힘-토크를 센싱할 수 있는 센서를 적용하는 역각 기술이 주목받고 있으며, 향후에는 시각과 역각이 결합되어 통합된 기술로 발전할 것이라고 전망되고 있다.
제조업을 중심으로 생산현장에서 작업인력 부족현상을 해소해 온 산업용 로봇은 지능형 로봇기술 개발을 바탕으로 용접, 조립, 운반, 기계가공, 도장, 실링, 절단, 프레스 등 광범위한 작업공정에서 보다 다양해지는 고객의 요구에 유연하게 대응하기 위한 기술체계로 발전할 것으로 예상되고 있다.
특히, 대량생산체제에서 최근 다품종 소량생산체제의 자동화에 초점이 모아지면서 전용기 성능에 못지않으면서 유연성에 장점이 있는 고성능 산업용 로봇에 대한 관심이 증가되는 편이다.
<그림1> 지능형 로봇시스템을 채용한 핸들링 로봇
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요인 |
내용 |
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경제적 효율성 향상 |
- 기술발전으로 로봇가격은 저가격화, 노동비용은 상승추세에 있음
- 로봇의 도입 및 이용으로 생산시스템의 효율성 증대
- 로봇의 신뢰도 향상
- 제품 품질의 안정
-생산성의 향상 |
<표2> 산업용 로봇의 수요요인
자료 : KIET 로봇산업의 수요분석과 파급효과
·산업용 로봇을 바라보는 시각
로봇분야에서 앞서 있는 일본의 경우 미래 로봇산업의 대규모 시장 형성을 위해 중소규모 시장의 육성을 중요한 과제로 보는 편이다.
중소규모 시장 육성 방법은 초기단계에서 기존 대규모 시장 내 대기업들이 중소기업에 로봇관련 기반기술, 부품, 표준 소프트웨어 등을 제공하고, 이를 중소규모 시장에 있는 중소기업 및 벤처기업들이 새롭고 다양한 분야의 기술을 진행하여 제품화하는 것이다.
국내 로봇시장도 임계영 한국산업기술대 교수에 의하면 “산업용 로봇산업이 소품종 대량생산에서 다품종 소량생산으로, 중대형 조립·가공에서 초정밀·경박단소로, 적용분야의 다양화 및 노동력의 부족에 대응하는 방향으로 변하고 있다”고 하고 있어 중소기업 생산현장에 응용할 수 있는 SME(Small Medium Sized Enterprise) Robot 기술을 개발할 필요성이 있을 것으로 보인다.
로봇은 생산라인 구성에 있어서 공작기계(NC 공작기계 등)와 같이 절대적으로 필요한 것은 아니며 인적자원을 대체하는 성격 및 경제적 효율성 향상 등의 목적이 강해 로봇개발 후 시장진입 시기에 수요자를 확보하기 곤란한 측면이 있으나 지속적인 성능향상으로 수요는 증가할 수 있을 것으로 전망되고 있다.
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로봇 |
전용기 |
간이자동화 |
노동력 의존 |
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생산성 |
○ |
○ |
△ |
X |
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제조원가 절감 |
○ |
○ |
△ |
X |
주 : ○ 높음, △ 보통, X 낮음
자료 : KIET
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구분 |
대규모 시장 |
중소규모 시장 |
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2010년 |
-대규모 로봇생산업체 들이 새로운 시장으로 진출 -업체간 로봇기술의 개방화 |
-새로운 시장창출(벤처기업성장) -대규모 시장, 대규모 업체들로부터 로봇기술 등을 제공받음 |
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2025년 |
-대구묘 기업과 중소기업간 유기적 결합으로 대규모 시장 형성 | |
<표4> 일본 로봇산업의 장기 산업구조변화 방안
자료: 일본로봇협회
·산업용 로봇의 기술개발 방향
최근에는 제조공정의 Streamline화, Lean 공정 채용을 통한 플렉시블 공정구축을 목표로 하는 경향이 있어 생산 공정에 있어 로봇채용이 중요해지는 추세로 로봇이 다품종 소량체제인 FMS의 주역으로 새롭게 조명되는 경향을 보이고 있고, 이에 따라 산업용 로봇 출하대수도 증가하는 추세를 보일 것으로 예상되고 있다.
세계 산업용 로봇의 기술개발은 메카트로닉스 및 센서 기술이 급속히 발전함에 따라 고속화, 신뢰성 향상, 정밀도 향상 등을 목표로 추진되고 있다.
산업용 로봇의 주요 기술 분야에는 비전, Force Sensing, 촉각인식 등의 다양한 센서분야, 학습(교시) 분야, 프로그래밍 분야 등이 있으며, 조작대상과 외부환경과의 관계를 제어하는 기술(Manipulator계) 부문 및 조작대상과 로봇의 관계를 제어하는 기술 부문 등을 중심으로 연구개발이 진행되고 있다.
① 유연물 핸들링 기술
Manipulation 기술의 발전을 조작대상을 중심으로 보면 금속 덩어리로 만들어진 부품 종류, 즉 강체조작이나 와이어처럼 변형되는 비강체의 조작으로 발전, 설계도 등 미리 형태를 아는 대상조작에서 미지의 대상의 조작이 가능한 기능을 중심으로 연구개발이 진행되고 있다.
② 고기능 Manipulation 기술
‘세세한 지시 및 완전한 정보가 없어도 목적하는 바의 상태를 달성할 수 있다’는 기능을 부여하는 방향으로 연구 개발되고 있으며, 비접촉 작업에 있어 오프라인 데이터 수정에 의한 작업, 비접촉 작업에 있어 위치오차 등의 흡수가 힘 제어 분야가 주요 분야이나 현재에는 산업용 로봇에 있어서는 완성도가 실용수준에 다가가지 못하고 있다.
③ 초고속 Manipulation
Manipulation 기술의 중요한 발전방향으로 생산성 향상을 위해 고속화를 위한 노력이 이루어지고 있으며, Manipulator의 경량화, 소형?고출력 액추에이터, 제어기술의 연구개발 등이 진행되고 있다.
산업용 로봇의 기본구조인 관절구조의 한계가 지적되고 5절 폐루프 기구 및 패러럴 메커니즘 적용에 의한 고속기구 연구개발이 진행되고 있다.
④ 초정밀 Manipulation
현재의 티칭 Play Back 방식의 산업용 로봇은 반복 정도만을 보장하며, 절대치 정도 보장을 하지 못하며 이는 강성이 낮아 그 자동 및 부하 등에 의해 주로 관절부가 변형되어 정도를 유지할 수 없기 때문이다.
일반적으로 티칭하고 이를 반복 동작시켜 절대값 정도보증을 피해왔지만 이러한 방식으로는 티칭 시간이 필요하므로 대량생산에는 좋으나 다품종소량생산에는 적용하기 어려운 측면이 있다.
위의 사항을 극복하기 위해서 패러럴 메커니즘을 적용한 초정밀 6자유도 위치결정 기구 및 스테이지 개발이 이루어지고 있다.
<그림2> 다관절 로봇과 병렬형 로봇 구조비교
병렬형 로봇(Parallel Mechanism Robot; PMR)
·병렬형 로봇
Kinematic(운동학적 방식)에 따라 직렬형 로봇과 Parallel Mechanism 방식의 로봇으로 분류할 수도 있다.
최근 산업기술 고도화에 따라 직렬형(serial type) 메카니즘을 이용하는 로봇과 차별화되어 병렬형 메카니즘을 이용하는 로봇이 관려 업계에서 주목받고 있다.
병렬 메커니즘(parallel mechanism)은 높은 부하능력, 정밀한 위치결정 능력, 강성 등과 같은 우수한 특성을 가질 수 있는 이유 등으로 주목받고 있다.
특히 2자유도 내지 5자유도 정도의 낮은 자유도를 가진 병렬 로봇 메커니즘은 단순한 구조로 비교적 저렴한 비용으로 개발 및 생산할 수 있어 관련 업계에서 연구가 활성화되는 추세이다.
공간형 병진운동을 만드는 3자유도 병렬 매니퓰레이터에 대한 연구를 계기로 애플베리(Appleberry), 트사이(Tsai), 프리솔리(Frisoli) 등에 의해 새로운 병진운동 병렬 매니퓰레이터들이 제안되고 있으며, 새로운 메커니즘 및 변형 메커니즘에 대한 기구학, 특이점, 공차, 작업공간, 동역학 등을 포함하는 설계와 해석이 광범위하게 연구되고 있다.
이러한 연구개발을 바탕으로 의료용에 사용되는 마이크로 로봇(micro robot)과 같이 병렬형 메커니즘을 응용한 로봇이 개발되는 등 비교적 실제적인 시제품이 제작되는 경향을 보이고 있다.
·병렬형 로봇 적용부문
국내에서도 국내외 연구사례 등을 참조하여 병렬형 메커니즘을 응용한 로봇 복합 가공기를 개발 중에 있다.
병렬형 가공로봇을 개발한 이엠코리아에 의하면 병렬형 로봇기술을 바탕으로 개발한 로봇가공기는 항공기 부품가공, 자동차 가공 등에 응용할 수 있다고 한다.
현재 플로토 타입으로 만들어진 병렬형 로봇장비는 로봇의 스핀들 부분이 5축으로 유연하게 움직일 수 있고, 스핀들을 조립용 치구로 교체함으로써 가공 이외의 조립부분에도 응용할 수 있는 장점이 있다고 한다.
디자인 프레젠테이션을 위해서는 목업(Mock up)가공을 필요로 하는데 병렬형 로봇기술을 응용한 로봇 가공기를 사용할 경우 빠르고 쉽게 가공이 가능하면서, 최근 고급화되는 복합재료에 대한 가공에 있어서도 장점이 있을 것으로 예상하고 있다.
가공 분야 외에도 병렬형 로봇을 팔레타이징 로봇부문에 응용하여 식품, 화학, 전기전자 포장라인 등에 사용하는 예가 있다.
팔레타이징 로봇이란 각종 상자 포장이나 적재 등의 작업에서 사용되는 로봇으로 패러럴 메커니즘을 응용한 방식의 로봇은 공중 반송 시스템, 컨베이어 벨트, 기존 팔레타이징 로봇 등과 조합되어 식품, 화학, 전기전자, 기계 자동차 분야, 포장산업 등에 이용되는 편이다.
