일본로봇학회지에서 찾은 로봇 트렌드
제조용, 전문서비스, 그리고 첨단로봇을 향한 일본의 전략
지난 2009년 경제위기와 신종플루라는 악재가 겹쳤기 때문인지 일본국제로봇전(iREX)은 그동안의 명성과 달리 기대에 미치지 못한 채 막을 내렸다. 그럼에도 불구하고 세계의 많은 로봇관계자들은 일본의 로봇시장에 주목하고 있다. 그동안 로봇산업계에서 쌓아왔던 저력을 무시하지 못하는 것이다. 지피지기(知彼知己)면 백전백승(百戰百勝)이라 하지 않았던가. 2009년 12월 일본로봇학회지에 소개된 내용을 통해 지금 일본은 어떤 로봇기술에 주목하고 있는지 가늠해보자.
제조용 로봇 자동차 생산라인에서 유연물을 붙이는 작업의 자동화
현재의 자동차 생산라인에서 강체부품을 대상으로 하는 작업은 로봇을 도입함으로써 자동화된 반면 와이어하네스를 대표하는 유연물을 취급하는 작업에는 그렇지 않아 작업자의 손에 의해 작업이 이루어지고 있다. 따라서 이 조립작업의 자동화, 나아가 혁신을 위해 자동차 생산라인에서 유연물을 자동으로 장착하는 로봇라인 시스템 개발을 연구의 목표로 하였다.
자동차 생산라인에서 사용되는 와이어하네스는 복수의 신호선을 장착하는 위치에 따라 여러 가지로 나누어진 것을 한 묶음으로 만든 것이다. 지금까지 연구대상인 끈이나 케이블 등의 선상의 유연물과 달리 그 형상이 여러 가지로 나누어진 점과 물리적 특성이 균일하지 않은 특징을 가지고 있다. 실제 공정에서 작업자에 의해 와이어하네스를 장착하는 작업은 와이어 하네스에 붙어있는 복수의 고정용 클램프를 차체에 있는 고정용 구멍에 삽입하는 것이다.
연구내용은SUZUKI의 생산라인을 대상으로 하여 현재의 작업자가 담당하고 있는 와이어하네스를 장착하는 공정을 로봇시스템으로 대체하는 것을 목표로 하였으며, 이 목적을 달성하기 위한 기술개발은 와이어하네스의 지적인식과 장착하는 2가지 기본문제를 해결의 중심에 두고 전개하였다.
과제의 하나는 카메라에 비친 와이어하네스의 화상에서 이 와이어하네스의 전체에 관한 위치를 측정하는 문제로 와이어하네스 형상상의 분기정보에 주목하면서 이를 그래프 이론의 방법으로 처리하는 것으로 인식을 고도화하는 방법을 제안하였으며, 또한 초점거리가 다른 복수의 렌즈를 탑재하는 카메라 유닛을 로봇 암 끝에 장착하여 능동시각카메라로서의 응용을 시도하였다.
와이어하네스를 잡는 것은 와이어의 비틀림 상태가 클램프 장착에 큰 영향을 주기 때문에 비틀림 상태를 업무수행에 따라 직접 제어하는 방법을 개발하였다.
개발한 기술을 검증할 목적으로 실제 인스토루멘트 패널의 와이어하네스 장착공정을 실행하는 플로토타입 로봇시스템을 개발하였다. 이 시스템은 3대의 로봇 암에 의해 각각의 로봇 암 선단에 1 자유도의 클리퍼, 카레라, 레이저 변위계가 부착하였다. 또 인스토루멘트 패널을 두는 곳에 와이어하네스 상태를 계측하기 위한 카메라 10대를 설치하여 두었다. 이들 정보에 의해 와이어하네스의 상태를 실시간으로 계측하여 와이어하네스 장착에 성공하였다. 실험에서는 로봇은 작업대에서 와이어하네스를 집어와이어하네스상의 8개의 고정용 클램프를 순차적으로 프레임에 삽입하여 장착을 실현하였다.
자동차생산라인에서 와이어하네스 자동 장착하는 RT 기술을 개발했으며 실용상에서 신뢰성, 속도 등의 과제를 남겨두고 있으나, 지금까지 곤란하다고 생각한 유연물 장착작업에 로봇에 의한 자동화의 가능성을 보여주었다.
전략 전략적 첨단 로봇 요소기술 개발 프로젝트
NEDO 프로젝트의 목적은 사회발전 향상을 위해 필요한 기술이나 제품을 생각하면서 기업의 개별적 경영판단에 맡겨서는 이익추구의 관점에서 성취할 수 없으며, 소위 ‘시장의 실패(경제적 효율성에 달성하지 못 하는 것)’에 대해 국가의 재원을 투입하여 육성하는 것이다. 로봇 분야에서도 논문이나 특허 등의 연구 성과가 많이 있지만 분명한 니즈(응용제품)는 많지 않고 수요에 선행지표가 없는 관계로 사업화에 어려움이 있다. 제조업에서 새로운 고도의 로봇을 개발하는 경우나 공공분야에서 재해보급지원이나 건축물 해체와 같은 시장이 육성되지 않은 응용분야를 지적하고 있다. 이러한 분야에 대해 시즈(Seeds)나 니즈(Needs) 그리고 사업화에 이르기까지를 연결한 로봇시스템의 개발을 지원하고 촉진하려고 하는 것이 본 프로젝트의 목적이다.프로젝트의 기본골격은 스테이지 게이트제, 미션지향형, 로봇사용자, 설정과제(미션)로 나누었다.
⊙ 스테이지 게이트
스테이지 게이트 제도는 5년의 전 기간을 3년의 스테이지Ⅰ과 2년의 스테이지Ⅱ로 나누고 전기 마지막 연도에 몰아서 평가를 실시하는 것은 스테이지Ⅰ에서 경쟁적으로 각각의 아이디어로 개발한 시스템 플로토 타입을 미션 달성 전망의 관점에서 평가하는 것이고, 스테이지Ⅱ는 높게 평가된 것을 계속 중점적으로 개발함으로서 예산상 강화된 프로젝트로 보다 효율적이고, 사업성이 높은 성과를 목표로 하고 있다.
⊙ 미션지향형
종래의 프로젝트는 기본적으로 요소기술의 축적형으로 기능, 성능을 중심으로 기술한 목표시스템을 독립된 요소기술을 분해하고 개별 요소기슬이 갖는 기관, 조직의 개발을 추진하여 마지막에 이들을 통합하여 시스템으로서 실증, 평가한다. 미션 지향형이란 DARPA(국방부 산하 국방첨단연구계획청)의 그랜드 챌린지와 어번 챌린지를 모델로 한 체계이다.
⊙ 로봇 사용자
DARPA는 설정된 미션에 대해 여러 기관이 도전해서 얻어진 성과를 DARPA에 활용한다는 생각이지만 요소기술프로젝트와는 다소차이가 있다. NADO 또는 METI(일 경제산업성)는 개발된 기술이나 로봇시스템의 직접 사용자가 아니며 사용자는 산업계이다.
기본적 산업역량 강화로 이에 도움이 되는 시스템이나 기술개발을 촉진하는데 목적이 있으며 개발된 기술을 사용하여 사업화의 가능성을 주요 평가치로 하고 있다. 개발하는 로봇시스템을 사용하여 3자인 사용자에게 서비스를 제공하여 수익을 올리고 사업전개 가능성이 있는 사업계획의 유무가 하나의 평가치가 된다.
⊙ 미션
산업용 로봇은 이미 많이 개발되고 있는 가운데 차세대 로봇에서 요구되는 작업 기술로 다음 7가지가 설정되었다. ▲유연물(예 : 와이어하네스)을 집을 수 있는 산업용 로봇시스템 ▲인간·로봇 협조형 셀 생산조립시스템(안전성 확보 포함) ▲편수 매니퓰레이션 RT 시스템(빨리 집고, 정확한 위치에 갖다 놓기) ▲고령자 대응 커뮤니케이션 RT ▲로봇 반송시스템 ▲피재 건조물내 이동 RT 시스템(원격 조종형) ▲건설계 폐기물처리 RT시스템.
2008년가을 개최된 스테이지 게이트의 심사결과 7과제 가운데 6개 과제에서 각각 하나씩 선정 되었으며 나머지 한 과제는 재 공모에 의해 실시자가 결정되었다. 스테이지 Ⅱ에서는 장래의 사업성을 생각하여 실용성이 확인되는 미션의 달성을 목표를 하면서 요소기술에 있어서도 실용화의 완성도를 높여나가는 것이 본 프로젝트의 특징이다.
전문서비스 로봇 환경정보의 구조화를 이용한 반송로봇 시스템의 개발
NEDO의‘전략적 첨단로봇 요소기술개발 프로젝트, 서비스 로봇분야 로봇 반송시스템’의 위탁사업을 FUJITSU, YOKOHAMA 대학, DENKITSUSIN 대학이 ▲UWB 측위시스템 ▲RFID 기술을 이용한 환경기술 구조화기술을 개발하였으며, 이의 반송로봇시스템을 실제의 오피스에서 실증 평가하고 실용 수준에서 안전하게 동작하는 것을 확인하였다.
환경정보 구조화기술을 UWB 측위시스템과 RFID를 활용한 환경정보 구조화 기술로 나누어 기술하였다. 
⊙ UWB 측위시스템
첫 번째로 ‘UWB 측위시스템’을 로봇에 탑재하여 설치 가능하도록 소형의 UWB의 무선 단말을 개발했다.
무선주파수는 3.4~4.8[GHZ], 무선출력은 -41.3[dBm/MHZ] 로봇 탑재단말에는 지향성 안테나와 수신부를 3채널을 설치함으로서 최대 20[m]의 통신거리를 확보하였다.
오피스에서는 로봇 주변에 사람들이 많이 모인 조건으로 측위 하였고, 차폐된 무선단말기에서는 천정 등에 반사된 반사파로 측거(피사체와의 거리를 측정)하기 때문에 측거값은 실제보다 길게 나타난다.
멀티패스(다중파전송로)가 발생하는 단말을 추정하여 측위계산에서 제거하는 알고리즘으로 직접 전송로가 차폐되어 멀티패스의 영향이 있는 환경에서도 고정도의 측위를 실현하였다.
⊙ RFID를 활용한 환경정보 구조화기술
‘RFID를 활용한 환경정보 구조화기술’은 RFID 태그 리더(TGU- RW462 : FUJITSU제)를 탑재한 로봇이 주행 중에 장애물 등에 첨부된 패시브형 RFID 테그의 위치를 추정하는 방식을 개발하였다.
DENKITSUSIN대학에서는 베이스의 정리(定理)를 상용한 RFID 테그 위치추정 알고리즘을 개발하여 위치오차 30[cm] 정도의 태그위치를 추정하는 것을 확인하였다. 이로써 로봇용 환경지도에 물건의 위치를 등록하는 작업을 자동화하는 가능성을 확인하였다.
최근 도, 시, 군 지역으로 확대되는 대규모의 오피스에서는 택배나 우편물, 카피 용지 등의 반송으로 오피스 내 물류코스트의 절감이 절실하다. 또한 작업자의 커뮤니케이션을 활성화하기 위해 테이블 위에 정보단말을 탑재하고 로봇 주위에서 논의나 회화가 될 수 있도록 디자인했다.
오피스 내를 자율 주행하도록 스테레오 카메라 또는 LRF(Laser Range Finder)등의 센서정보를 통합한 자기위치 추정 기능 및 장애물과의 충돌을 회피하는 주행제어를 실시하였다.
20[kg]의 화물을 탑재하고 최대속도 1.2[km/s]로 주행하는 기능을 가지고 있다.
개발된 반송용 로봇시스템을 사용하여 실증시험을 실시하였으며, 실제의 오피스 환경에서 UWB 측위시스템을 사용하여 로봇의 포지셔닝을 실행하여 목적지까지 자율 주행하여 반송작업을 하는 것을 확인하고 실용수준까지 안전 동작을 하는 것을 실증하였다.
한국과학기술정보연구원 (Reseat 프로그램) 마규하 전문연구위원
