인간과 로봇의 협조형 셀 생산조립 시스템 개발
“로봇 셀 생산시스템에 대한 요구 높아지고 있다”
생산시스템 기술에 의한 기업경영 효율혁신이 요구되고 있다. 이를 위해 낭비가 없는 제품생산을 어떻게 실천하는가 하는 것이 앞으로의 검토 과제가 된다. 생산 시스템의 정보화에 대해서는 효율적인 생산관리의 계획과 운영을 위해 시스템화 기술이나 최적화 기술, 그리고 시뮬레이션 기술 등을 이용한 대처방안이 강구되고 있다. 일본에서는 이를 위해 생산 시스템의 고도화에 대해 가공기술이나 계측기술, 공작기계, 로봇 셀, 인간-기계 상호작용기술 등에 관한 연구를 추진하고 있다.
생산시스템의 정보화
정보통신기술의 발달을 기초로 하여 제조 현장에서 정보통신 기기의 도입과 상호 네트워크화, 제품 발주나 자원조달 시스템의 네트워크화에 의한 생산 시스템 환경의 유비쿼터스가 실현됨에 따라 생산 시스템은 고도로 정보화되고 있다. 일본 정밀공학회 총합생산시스템(IMS; Integrated Manufacturing System) 전문위원회에서도 이러한 생산 시스템 환경의 정보화를 전제로 하여 여러 가지 연구 활동을 수행하고 있다.
고객이 제시한 주문 납기를 준수하면서 가능한 한 작업준비 변경시간 단축을 지향하여 납기 준수와 작업준비 변경시간 최소화의 두 가지 목적의 최적화 문제를 제기하고 있는 것이다. 이에 따라 납기 준수에 유효한 ATCS(Apparent Tardiness Cost with Setups) 룰과 작업준비 변경시간 최소화에 유효한 SIMSET(Similar Setup) 룰의 무게를 유전적 알고리즘(GA; Genetic Algorithm)에 의해 조정하고 바꿈으로써 두 가지 목적의 최적화 문제를 해결하는 수법이 제안되었다.
JIT(Just In Time) 생산방식에 있어서 다품종 조립계획 문제에서는 부품재고량을 감소시키기 위해 조립에 이용되는 부품의 소비속도를 일정하게 유지하는 방법이 많았으나 제안수법에서는 더욱이 부품의 구입비용에도 착안하여 부품가격과 조립시간을 고려한 목적 추적법이라고 불리는 새로운 휴리스틱(Heuristic)을 제안하고 있다.
홀로닉(Holonic) 생산 시스템은 홀론(Holon)이라고 불리는 자율요소로서 구성되는 자율분산형 생산 시스템이다. 이 연구에서는 모든 홀론 및 코디네이션 홀론의 의사결정 기준을 이용하지 않고 생산 시스템의 장래 상태를 예측하여 개개의 홀론 목적함수의 관점에서 적절한 계획을 생성할 수 있는 새로운 실시간 계획을 제안하고 있다.
생물지향형 생산 시스템의 하나로서 자기조직형 생산 시스템이 제안되어 실시간 계획 등에 적용됨으로써 그 유효성이 확인되었다. 그러나 시스템을 구성하는 각 에이전트는 시스템 전체의 정보를 이용하지 않기 때문에 부분 경쟁이 생길 수도 있으므로 최적성의 관점에서는 바람직하지 못하다.
인간과 로봇의 협조형 셀 생산조립 시스템 개발
제조업에서 높은 생산성을 확보하면서 다품종 소량생산에 대응하도록 인간이 담당할 작업을 효과적으로 지원하는 여러 가지 형태의 셀 생산조립 시스템이 이제까지 제안되어 왔다. 고임금 국가에서 충분한 국제 경쟁력을 유지하려면 인간은 인간이 아니면 할 수 없는 고부가가치를 창출할 수 있는 작업에 전념하고, 그 이외의 부수적인 작업은 로봇 등에 의해 자동화하는 것이 바람직하다고 이야기한다.
일본과 같은 저출산 고령화 사회에서는 숙련된 작업자 수의 증가를 기대할 수 없기 때문에 초보 작업자일지라도 빈번하게 변경되는 작업내용에 대해 단시간에 기능을 습득하고, 또한 신뢰성이 높은 작업을 수케 하는 지원기술의 확립이 요망된다. 그래서 NEDO 주관으로 2006년부터 5년간의 프로젝트로 출발한 전략적 선단요소기술 개발프로젝트에서는 작업자와 로봇이 효과적으로 협동 작업을 하는 셀 생산조립 시스템의 구축을 목표로 하여 로봇이 작업자를 물리적, 정보적으로 지원함으로써 높은 생산성을 유지하고, 또한 다품종 소량생산에 알맞은 비용 경쟁력을 가진 시스템을 실현하려고 한다.
이 시스템을 개발하기 위해서는 작업 지원기술, 작업정보 제시기술, 그리고 안전 관리기술의 3가지 요소기술이 필요하다. 작업 지원기술 면에서 볼 때 셀 생산조립의 이점 중 하나는 대량 생산형 라인 생산과 비교하여 생산품종이나 생산량의 변동에 맞추어 유연하게 배치 변경을 할 수 있다는 점이며, 여기서 언급하는 셀 생산에 있어서도 그 특징을 겸비할 필요가 있다. 이를 위해 전후좌우, 회전이동이 자유로운 자주기구를 가진 양팔 로봇 암을 탑재한 로봇을 개발하였다.
이 이동배분 협조 로봇은 로봇 암으로 필요한 부품을 잡고 작업자에게 공급하는 부품을 고정하기 위한 지그가 되는 물리지원과 레이저 포인터와 협동 작업을 하여 부품의 부착 위치를 지시하는 정보를 지원한다. 이에 따라 물리지원으로는 작업자에 의한 지그 교체작업을 줄임으로써 작업효율을 향상시키고, 또한 정보지원에 의해 초보 작업자라도 작업 미스를 완전히 배제할 수 있게 된다.
인간과 로봇의 협조형 셀 생산조립 시스템 개발 프로젝트에서는 작업정보 제시기술로서 조립지원 시스템인 MASS(Multi-modal Assembly Support System)을 개발하였다. 이 시스템은 작업 교시지원 MASTER(Multi-modal Assembly Skill TransfER)와 작업 정보지원 MAISER(Multi-modal Assembly Information SuppotER)로 구성되어 있다.
먼저 MASTER는 작업자에 장착된 컬러 마크를 IP(Internet Protocol) 카메라로 검출함으로써 작업자의 위치와 자세를 측정하는 시스템과 여러 가지 생리지표를 활용하여 작업자의 심적 부담을 검출하는 바이틀 사인 모터로 구성된다. 다음으로 MAISER에서는 취득한 해석 데이터로부터 작업분석, 작업정보를 데이터베이스에 저장하고 동화상, 정지화상, 텍스트, 음성 등을 멀티미디어를 이용하여 작업자에게 알기 쉬운 형태로 정보를 제시한다.
이 프로젝트에서는 안전 관리기술로서 작업자와 로봇의 동작영역이 분리가 가능한 경우에는 광 커튼으로 양자의 동작영역을 분리하고, 양자가 영역을 동시에 공유하는 협조작업일 경우에는 광 커튼을 무효화하는 대신에 로봇 암의 동작제한 및 IP 카메라에 의한 작업자 감시에 의해 안전을 확보하는 다중계의 기능 안전대책을 개발하였다. 로봇 암의 동작제한은 2개의 CPU를 가지는 로봇제어장치와 소프트웨어로서 동작속도와 동작영역을 이중 감시하여 신뢰성이 높은 안전대책을 수립하였다.
이 프로젝트에서는 인간과 로봇의 협조형 셀 생산조립 시스템의 요소기술을 개발하여 인간만으로 이루어지는 종래의 셀 생산조립방식보다도 고생산성으로 비용경쟁력을 가진 시스템을 확립할 수 있게 하였다.
* 자료 : 한국과학기술정보연구원 이순요 전문연구위원(9826@reseat.re.kr)
