조선소 로봇 개발현황 및 탑재형 제어기 개발
세계 1위 조선국으로 도약한 국내 조선업계가 최근 중국 등 후발 국가들의 거센 추격에 직면하고 있다. 차별화 전략을 위해서는 생산성 향상 및 고부가가치 선박 건조가 중요하며, 근골격계 질환 및 작업환경 개선이라는 삶의 질 향상 요구도 대두되고 있다. 당면한 문제를 해결하기 위한 방안으로 로봇 적용이 확대되고 있다. 이러한 현 동향에 따라 본문에서는 최근까지의 조선소 내 로봇을 적용한 기술개발 현황과 제어기 개발에 대해 소개하고자 한다.
1. 조선분야 로봇 개발현황
21세기 전략 제품으로 고부가가치 선박인 LNG선, 시추선, 여객선 및 해양플랜트의 건조를 위해 조선업계는 지속적 성장과 경쟁력 제고에 노력을 기울이고 있다. 조선분야 로봇은 크게 선박건조에 필수적으로 요구되는 절단, 용접 및 가공 등의 제조로봇과 수중청소 로봇 등과 같은 서비스로봇, 미래 해양시대를 열어가기 위한 해양자원개발 및 탐사를 위한 고부가가치 수중로봇 등으로, 다양하고 광범위한 조선분야 로봇연구가 현재 진행 중이다. 그림 1을 통해 산업용 로봇 중 그간 조선업종의 활황으로 조선분야의 로봇 수요가 꾸준하게 증가하고, 이에 따라 조선분야의 로봇 경쟁력 및 시장매력도도 높음을 알 수 있다.
<그림1>_기능별, 로봇군별 시장경쟁력 대비 매력도
조선소 내 로봇 적용이 증가하는 이유는 고부가가치선종의 수주 증가와 납품기한 단축으로 인한 생산성 향상 및 품질확보가 요구되기 때문이다. 선박은 주문형 상품으로 수주후 설계, 블록제작, 탑재, 시운전에 이르기까지 단기간에 진행되어야 한다. 이러한 이유로 생산성이 중요한데 특히 블록 제작 및 도크의 탑재에서 로봇을 적용한 생산자동화기술이 매우 중요하다. 현재 조선소 생산현장에 적용되는 로봇을 살펴보면, 선박 블록 제작에 주로 적용되는 절단 및 용접 로봇의 활용도가 높다. 후판, H-Beam, 형강부재 절단용 초정밀 로봇과 아크, TIG/MIG 및 레이저 용접 로봇이 사용된다.
<그림2>_조선소내 선박 건조 흐름에 따른 로봇 현황
<그림3>_선박건조 시 적용되는 다양한 로봇 제품 현황
또한 선박 부재 가공을 위한 열가공 및 열곡직 작업의 로봇 자동화가 요구된다. 선박 블록 제작공정에서의 로봇은 대부분이 고정형 로봇인 반면, 도크 내 블록 탑재 후의 작업에 대해서는 이동형 로봇을 적용해 작업이 수행된다. 고소차 또는 자주형 외판/배관 용접로봇, 외판 전처리용 블라스팅 로봇, 외판 청소, 도장, 검사 로봇 등이 주로 적용되고 있다. 그림 3은 조선소 내에서 주로 사용되고 있는 고정식 로봇 및 이동식 로봇의 개발사례이다. 이러한 로봇 시스템 개발 시 필요한 기술로는, 다관절 및 이동형 로봇의 설계기술, 핵심 기능 구현이 가능한 제어기 개발기술, 서보시스템 제어기술, 비전시스템 개발을 위한 광학설계 기술, 센서 설계 및 운영기술, 소음 차폐 및 회피기술, 통합 성능평가 기술 등이 요구된다.
조선용 로봇은 열악한 조건(협소, 고소, 고온, 진동, 분진 등)에서 정밀한 작업을 수행해야 하므로 견고하고 경량화된 제품개발이 필수적이다. 또한 로봇 생산성 및 작업성을 극대화하려면 기존 현장 작업과의 적절한 협업을 고려한 운영시스템의 안정화도 중요하다. 그림 4는 선박 건조 시 사용처에 따라 필요한 로봇 제품군을 나타내었다.
<그림4>_선박건조 시 사용되는 로봇 제품 현황
2. 이동형 로봇 제어기 개발 현황
최근 선박의 생산성 향상을 위해 주요 작업인 절단, 용접, 도장 전처리 분야에서 자동화가 많이 이루어졌으며, 특히 최근 이동로봇을 적용한 생산 자동화가 주류이다. 선박은 이중선체(Double Hull) 구조로 블록 단위 제작과 이를 도크(Dock)에서 통합하는 작업으로 진행되는데, 협소한 공간에서의 반복 작업이 많아 로봇을 적용한 생산자동화 시 로봇의 이동성을 고려한 경량화 및 제어기, 케이블 등의 취급 편이성이 작업 생산성에 중요한 부분이다. 본문에서는 이동형 로봇에 탑재돼 운영되는 임베디드 제어기 개발현황 및 적용사례를 소개하고자 한다.
가. 로봇 탑재형 제어기 개발의 필요성
조선소 내 이동형 로봇의 수요가 증가하고, 전자부품의 고기능화 및 다양화로 인해 많은 제어기의 기술발전이 가능하다. 보통 임베디드 시스템 개발을 언급할 때 특별한 하드웨어를 제어하는 시스템으로 다른 시스템에 의존하지 않고 내부 마이크로프로세서가 있어 특정 작업과 기능만을 수행하도록 설계되어 있는 시스템을 말한다. 상용 제어기는 부피로 인한 로봇 내 탑재가 어려워 로봇과 별도로 설치해 사용하는데 긴 케이블(보통 50m 내외)을 주로 사용하기 때문에 케이블 자체의 무게로 인한 산업재해의 위험 및 작업준비의 불편함, 시간의 소요 등이 발생한다.
<그림 5>_조선소 내 선체 블라스팅용 로봇 작업 사진
또한 작업장 내 케이블의 손상이 자주 발생해 유지보수에 많은 시간이 소요되는 것이 현실이다. 그림 5에서는 조선소 내 블록 간 용접선 블라스팅용 로봇 본체와 제어기간의 연결 상태를 볼 수 있다. 도크 내 선박 제조 시 좁은 공간 및 높은 장소에서의 단순 반복 작업의 생산성을 향상시키기 위해 최근 모바일로봇이 많이 적용되고 있다. 선박 선저면, 수직면 및 곡면에 부착해 주행할 수 있어 용접, 청소, 검사 및 도장작업등에 투입이 가능하며, 이러한 소형 로봇의 제어를 위해 배선 길이 문제가 없는 로봇 탑재형 임베디드 제어기의 개발이 필요하다.
<그림 6>_임베디드 로봇 제어기 모듈별 개발 사양
나. 로봇 탑재형 제어기 개발사양
로봇 탑재형 임베디드 제어기를 구성하는 개별 보드들은 TI DSP를 적용해 개발했으며, 실시간 제어특성을 고려해 펌웨어를 구현했다. 제어기를 구성하는 개별 모듈들은 모바일로봇에 적합한 기능을 구현하게 설계 되었을 뿐만 아니라 크기를 소형화, 모듈화해 설계했다. 제어모듈은 비전기능이 포함된 CPU 보드, 8축 모션 보드, AC 서보드라이브 모듈(400W 및 750W single/dual), 전원/입출력 모듈로 구성돼 있으며, 모듈간의 통신은 표준 이더넷기반으로 구성해 모바일 로봇의 제어 시 확장성을 고려했다. 그림 6은 개발한 탑재형 제어기를 구성하는 주요 보드에 대한 개략적인 사양을 나타낸다.
다. 모션보드 개발
상위 제어기에서 내린 명령을 해석해 위치, 속도 정보를 서보드라이버 보드에 전달하는데 모션 칩은 8축을 지원하는 Gyopal X7083을 사용해 150×100mm 크기의 모션보드를 개발했다. 개발한 모션 보드는 Host Controller와는 이더넷으로 연결되고, 하위, 즉 서보드라이버와는 CAN 통신으로 연결되어 있다. 상위 제어기에서 내린 명령뿐만 아니라 상위 제어기에서 서보드라이버의 상태나 중요 변수 등도 실시간으로 모션보드에서 취합해 상위 제어기로 전달할 수 있다. 또한, 로봇의 현재 상태도 전용 디스플레이를 이용해 표시할 수 있다. 아울러 개발한 모션 보드는 상위 제어기의 명령을 해석해 서보드라이브를 단순히 제어할 뿐만 아니라 프로세서를 탑재하고 있어 독립 구동도 가능하다. 모션 보드에는 고성능 DSP를 탑재했고 로봇이 가지고 있는 각종 센서의 물리값 획득 및 접점, 통신(CAN, RS232, RS485, Ethernet) 등을 포함해 외부에 별도의 전용 I/O 장치가 필요 없어 공간적으로 유리하다.
<그림 7>_8축 모션보드 내부 구성도
라. 서보드라이버 개발
임베디드 제어기에서 로봇 구동부 제어는 가장 중요한 부분으로 제어변수로는 속도, 전류, 토크의 최적제어가 가능하게 제어루프를 구현했으며, 서보드라이버의 제어루프 다이어그램은 그림 8과 같다.
<그림 8>_서보드라이버 제어루프 다이어그램
<그림 9>_서보드라이버 소형화 전후의 구성 비교
서보드라이버 보드 개발 시 대상 서보모터 타입은 제어성과 내환경성이 좋은 PMSM(Permanent Magnetic Synchronous Motor)을 선택했는데, 임베디드 제어기의 특성상 서보 드라이버의 소형화를 위해 기존 상용 제품에 있는 전원장치와 설정장치 등을 배제하고 여러 서보드라이버가 이를 공통으로 사용하는 방식으로 설계했다.
PMSM의 위치 결정용 엔코더도 배선량과 유지?보수의 편의성으로 17비트 프로토콜 타입 엔코더를 사용했다. 개발 대상모터는 17비트 프로토콜 방식의 엔코더를 사용하는 Tamagawa Seiki사의 AC 서보모터 400/750W 2종을 대상으로 개발했다. PMSM 서보드라이버는 소형화를 하는 동시에 안정성에 역점을 두고 설계했는데 소형화를 위해 전원 모듈을 통합 설계하고 발열부인 Intelligent Power Module(IPM)의 하부에 별도로 배치했으며, 드라이버의 제어부를 하나의 칩으로, 또한 배선을 줄이기 위해 접점 신호를 통신으로 설계했다. 그림 9는 소형화 전후의 구성 비교를 나타낸다. 그림 10은 서보드라이버의 하드웨어 구조로 크게 제어부에는 TMS320F2811을 중심으로 전원, 상위제어기와의 통신 및 접점, 위치 결정 센서, 전압, 전류 센서가 연결된다. 구동부는 Intelligent Power Module(IPM)을 중심으로 Gate Driver, 모터 출력 부분, 돌입 전류 방지 회로 등을 포함하고 있다.
3. 결 론
본문에서는 조선분야 로봇 개발 현황 및 로봇 탑재형 제어기 개발 현황에 대해 기술했다. 조선소 내 블록 제작공정의 생산성 향상 및 품질확보를 위해 절단, 용접작업 등에 고정형 로봇이 개발됐으며, 도크 내 블라스팅, 청소, 도장, 검사 작업 등의 자동화에는 이동형 로봇의 개발이 진행됐다.이동형 로봇의 경우 긴 케이블로 인한 작업지장을 예방하기 위해 로봇 본체에 탑재가 가능한 소형 임베디드 제어기를 개발했다. 모션보드는 8축을 지원하며, 서보드라이버는 17비트 프로토콜 방식의 엔코더를 사용하는 Tamagawa Seiki사 서보모터(400/750W AC)를 대상으로 개발했다.
