가상과 현실을 넘나드는 Robot Simulation Software
로봇 시뮬레이션으로 최적의 로봇자동화 시스템을 구축하다!
최근 국내 로봇자동화 시스템은 로봇 시뮬레이션 소프트웨어를 이용해 생산라인 검토 및 검증을 수행하며 양산에 대한 안정화를 성공적으로 완료, 안정적이고 빠른 대응력을 갖춘 생산 체계를 더욱 완벽히 하고 있다. 이에 로봇 시뮬레이션 소프트웨어의 사용범위가 점점 넓어지고 있는데 이러한 추세에 따라 로봇 메이커들은 자사의 전용 시뮬레이션 소프트웨어들을 업그레이드시키며 이 시장을 공략하고 있고, 국내외 소프트웨어 회사들도 범용 시뮬레이션 소프트웨어로 그들만의 경쟁력을 내세우고 있다. 본문에서는 최신 로봇 시뮬레이션 소프트웨어의 기술 트렌드를 살펴봄으로써 이 시장에 대한 가능성을 점쳐보도록 하겠다.
로봇 시뮬레이션 정의
로봇과 떼려야 뗄 수 없는 관계, 로봇 시뮬레이션
시뮬레이션(Simulation)이란 현실 시스템을 반영해 필요한 결과를 도출하기 위한 목적으로 임의 모형에서 동적인 공정들을 모사하는 일련의 과정이다. 이는 분석을 통해 모델 수립이 어려운 시스템을 쉽게 이해할 수 있도록 하는 가장 적합한 도구 중의 하나로 평가받으며 다양한 산업에서 이용되고 있다.
로봇을 이용한 자동화 라인에서도 시뮬레이션은 빠지지 않고 등장한다. 왜냐하면 잘못된 설계로 인한 공정 라인의 정체나 유휴에 따른 손실이 없어야 하며, 로봇이 단시간에 효율적으로 움직이면서 다른 움직임과의 충돌이 없도록 배치하고 조정하는 것이 필요하기 때문이다. 따라서 시뮬레이션은 효과적인 로봇자동화 시스템을 구축하기 위한 필수 요건으로, 오래전부터 로봇과 떼려야 뗄 수 없는 관계로 자리 잡고 있는 것이다.
▲ 국내외 유수의 자동차 회사들은 신차 개발을 위한 양산 라인의 구축 기간을 줄이는 한편, 개발비용 절감, 품질의 향상을 위해서 로봇 시뮬레이션에 많은 시간과 비용을 투자하고 있는 상황이다. 사진. 현대중공업
자동차 생산라인에는 로봇 시뮬레이션이 필요해!
자동차 차체 라인에서는 양산을 위한 생산 준비를 위해 많은 작업을 수행한다. 각 공정별 생산 시나리오 및 레이아웃을 결정하고, 결정된 생산 시나리오에 맞는 장치들을 제작·구매하여 현장에 설치한 후, 이 생산 장치들을 구동시키는 프로그램(PLC, 로봇 작업 프로그램 등)들을 작성해 시운전을 해보는 것이다. 여기서 문제가 발생하면 생산 장치, 구동 프로그램 또는 작업 조건을 다시 제작하고 작성해 시운전을 되풀이 한다.
이는 차종과 차형이 바뀔 때마다 매번 같은 노력과 비용이 반복되는데, 시간에 쫓긴 나머지 양산 시스템이 최적화되지 못하는 경우도 있다. 또한 많은 생산 노하우 및 각종 데이터베이스(Database)가 엔지니어의 경험에 의존하고 있어 품질의 균일성과 생산기술 축적에 한계가 생긴다. 특히, 한 개의 차체 생산라인에 다수 차종들을 생산하는 체제에서는 단 기간 내에 효율적이고 안정화된 공법 설계 및 양산 라인의 구축은 더욱 힘들어지는 상황에 이르게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 각종 생산 공정에서의 문제점들을 사전에 평가·예측하여, 효율적인 생산 시나리오를 결정한 후, 장치들을 설계하고 수정·배치하며 작업량을 최적 분배하여, 최종적으로는 로봇 작업 프로그램의 생성/평가/수정 등을 가상환경 상에서 사전에 신속하게 수행할 수 있는 방법들이 생기기 시작했다.
따라서 국내외 유수의 자동차 회사들은 신차 개발을 위한 양산 라인의 구축 기간을 줄이는 한편, 개발비용 절감, 품질의 향상을 위해서 로봇 시뮬레이션에 많은 시간과 비용을 투자하고 있는 상황이며, 차체 조립공정뿐만 아니라 도장, 금형, 프레스 등 자동차 생산을 위한 전 공장에 이를 적용하고 있다.
로봇 작업 프로그램을 위한 시뮬레이션, 오프라인 프로그래밍
앞에 언급한 것처럼 로봇자동화를 구축할 때는 생산시간 및 품질, 비용을 가장 최적화할 수 있는 설계 단계가 필요하다. 여기서 로봇의 움직임을 미리 결정하고 배치하는 시뮬레이션도 함께 수행된다.
로봇은 티칭펜던트를 이용해 로봇이 이동할 위치를 미리 저장해 놓은 다음 그에 상응하는 로봇의 관절(Joint)값을 구해 동작하는 방식으로 설계되어 있다. 로봇이 필요한 작업을 수행하기 위해서는 반드시 그에 상응하는 작업 프로그램이 있어야 하는데, 이러한 작업 프로그램을 만들어내기 위한 방법에는 온라인 프로그래밍과 오프라인 프로그래밍(Off-line Programming, OLP) 방법이 있다.
온라인 프로그래밍은 실제 로봇이 사용되는 환경에서 로봇 조작자가 로봇이 작업할 위치나 자세, 이동방법 등을 직접 티칭해가면서 작업 프로그램을 만드는 방식으로, 로봇의 작업 정밀도는 비교적 높지만 로봇 프로그래밍 시간이 많이 소요된다. 또한 교시 작업 중에는 생산을 할 수 없기 때문에 그만큼 경제적 손실이 커질 뿐만 아니라 로봇시스템의 작업 환경이 조금이라도 바뀔 경우에는 처음부터 다시 프로그래밍 작업을 해야 하는 단점이 있다.
이에 비해 오프라인 프로그래밍은 실제 작업물과 로봇을 사용하지 않고서도 컴퓨터상에 로봇시스템의 작업 환경을 구축하여 시뮬레이션을 통해 작업 프로그램을 만드는 방식이다.
이 방법은 처음에 로봇시스템의 작업 환경을 모델링하고 정의하는데 다소 많은 시간과 노력이 들어가는 단점이 있지만 기존 공정의 생산 장애를 최소화하면서 짧은 시간 내에 작업 프로그램을 만들어낼 수 있는 장점이 있다. 특히 로봇시스템의 작업 환경이 다소 바뀌더라도 이미 구축된 데이터베이스를 이용해 필요한 작업 프로그램을 신속하게 생성할 수 있을 뿐만 아니라 시뮬레이션을 통해 로봇 작업과 관련된 설계 정보와 생산 정보간의 오류 사항들을 사전에 예방할 수 있어 로봇 적용에 따른 비용 절감과 생산 준비 시간을 크게 단축시킬 수 있다. 따라서 오프라인 프로그래밍이 로봇의 작업 프로그램으로 많이 적용되고 있다.
전 세계 로봇 메이커들은 대부분 이러한 오프라인 프로그래밍을 위한 자사의 시뮬레이션 소프트웨어를 개발해 판매하고 있다. 그리고 일부 소프트웨어 회사에서도 범용의 로봇 시뮬레이션 소프트웨어들을 개발해 로봇자동화에 적용하고 있는 상황이다.
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◀ 전 세계 로봇 메이커들은 대부분 오프라인 프로그래밍을 위한 자사의 시뮬레이션 소프트웨어를 개발해 판매하고 있으며 일부 소프트웨어 회사에서도 범용의 로봇 시뮬레이션 소프트웨어들을 개발해 로봇자동화에 적용하고 있다. 사진. Siemens PLM Software |
로봇 전용 시뮬레이션 Vs. 범용 시뮬레이션
지금 어떤 로봇 시뮬레이션 소프트웨어를 쓰고 있습니까!
로봇 메이커들은 자사의 전용 로봇 시뮬레이션 소프트웨어(이하 전용 시뮬레이션)를 통해 최적화된 로봇의 움직임을 구현하고 있다.
가와사키의 ‘K-ROSET’은 가상의 티칭펜던트를 표시해 운영할 수 있게 구성되어 실제로 생산하지 않고도 로봇시스템을 한 눈에 경험해 볼 수 있어 훈련 및 교육현장에서도 유용하게 사용되고 있다.
나치 후지코시의 시뮬레이션 ‘FD on Desk’는 기존 시장에 많이 알려진 AX on Desk의 업그레이드 버전으로, 기존 시뮬레이션과는 다르게 FD제어장치 및 티칭펜던트 등 주변 하드웨어의 업그레이드가 눈에 띈다.
야스카와전기의 ‘MotoSim EG-VRC’는 자사 컨트롤러의 실제 프로그래밍 펜던트와 동일한 인터페이스 및 디스플레이를 제공해 실제 로봇과 동일한 방법으로 조작할 수 있는 특징이 있다.
현대중공업은 ‘HRSpace3’를 지속적으로 업그레이드하며 자동차 차체 용접, 핸들링, LCD 생산 공정에 꾸준히 사용했다. HRSpace3는 트리(Tree) 기반의 작업셀 설계 방식과 편리한 사용자 인터페이스를 제공한다.
화낙의 ‘FANUC ROBOGUIDE’는 현재 Version8까지 출시됐다. 이 최신 버전에는 3축 가속도 센서를 이용한 학습로봇 기능, 내장 PMC 지원 기능, 전원회생 기능, 간섭회피 프로그램 생성기능 등의 최신 기술을 적용했다.
ABB의 전용 시뮬레이션은 ‘RobotStudio’로, 현재 RS5.14버전까지 출시됐다. ABB 로봇 및 컨트롤러의 기능을 100% 구현해 소프트웨어만으로도 모든 옵션 및 기능을 프로젝트 초기단계에서 확인할 수 있다.
KUKA는 ‘KUKA.Sim’을 통해 3D 비주얼레이션 및 시뮬레이션에서부터 하중 설계, 로봇 및 시스템의 오프라인 프로그래밍에 이르기까지 다양하고 강력한 툴을 갖추고 있다.
각 로봇 메이커들의 전용 시뮬레이션은 대부분 그들 로봇에 가장 잘 맞는 제어 기법과 컨트롤러 정보가 그대로 녹아있기 때문에 정확하고 정밀한 티칭 구현이 가능하다. 따라서 오차범위가 적고 사이클 타임이 중요시되는 공정에는 대부분 전용 시뮬레이션이 사용되고 있다.
범용의 로봇 시뮬레이션 소프트웨어(이하 범용 시뮬레이션)에는 EM-Workplace(이전 RobCAD), Delmia(이전 IGRIP) 등이 있다. 이 제품들은 전 세계에서 인지도 높은 소프트웨어 회사들의 제품들로, 여전히 그 입지를 자랑하고 있다. 지금까지 이 두 소프트웨어가 국내 로봇자동화 생산라인에서 강세를 나타내고 있으며, 이 외에도 DMWorks, Workspace 등의 범용 시뮬레이션이 있다.
로봇 메이커가 말하는 전용 시뮬레이션 장점은?
한 메이저 로봇기업 관계자에 따르면 기본적으로 범용 시뮬레이션 툴은 모든 메이커 로봇에 대한 물리적인 정보(예를 들면 로봇의 3D모델)들을 포함하고 있으나 로봇에 내장된 제어 기법 및 컨트롤러 정보는 갖고 있지 않아 정확한 시뮬레이션이 어렵다고 한다. 이것이 범용 시뮬레이션과 자사의 컨트롤러 정보가 내장되어 있는 전용 시뮬레이션의 가장 큰 차이점이라는 것.
물론 이러한 점을 개선하기 위해서 범용 시뮬레이션 기업들은 각 로봇 메이커에서 판매하는 RCS(Robot Controller System) 모듈을 소프트웨어에 내장해 로봇제어의 정확성을 기하고 있다. 하지만 가격이 매우 고가이고, 이 또한 대부분 제한 옵션에 한해 판매되어 실제 업무에 사용하기에는 여러 제약이 많으며, 메이커 로봇 특유의 기능 및 특성에 대한 반영이 부족하다는 것이 로봇기업 관계자의 설명이다. 때문에 범용 시뮬레이션 툴 사용에 있어서는 숙련된 엔지니어가 필요하다.
전용 시뮬레이션은 가장 최신의 로봇과 내장된 소프트웨어의 옵션을 마음대로 조합하여 사용할 수 있으며, 초보적인 교육에 의한 전문적인 프로젝트 검토가 가능하다.
사용법 또한 매우 쉽게 직관적으로 구성되어 있어 검토 시간을 단축시킬 수 있고, 검토 결과에 대한 신뢰성이 범용 시뮬레이션 툴보다 높다는 것이 강점이다. 최근에는 범용 시뮬레이션에서만 가능했던 로봇 및 주변기기와의 동시작업이 가능해짐으로써 전용 시뮬레이션에 대한 신뢰성이 더욱 높아진 상태다.
소프트웨어 회사가 말하는 범용 시뮬레이션 장점은?
전용 시뮬레이션은 메이커 로봇에 대한 작업 프로그램의 정확성이 범용 시뮬레이션보다 높지만 로봇 외에 컨베이어, 프레스 등의 주변 설비를 모두 포함한 자동화 라인 시뮬레이션은 아직 미숙하다는 것이 소프트웨어 회사들의 입장이다.
범용 시뮬레이션은 앞서 언급한 RCS만 추가하면 모든 메이커 로봇에 대한 기본적인 시뮬레이션이 가능하다는 장점이 있다.
실제로 로봇자동화 생산라인에는 한 메이커 로봇만 들어가는 것이 아니기 때문에 여러 종류의 로봇들을 모두 포함할 수 있는 소프트웨어가 필요하다. 따라서 국내 자동차 메이커 생산 공정은 전체 라인을 작업 프로그램 할 수 있는 범용 시뮬레이션이 많이 쓰이고 있는 것이 사실이다.
이 밖에도 범용 시뮬레이션에는 용접, 조립, 도장 등의 다양한 어플리케이션을 위한 프로그램으로 고객들이 만족할만한 서비스를 제공하고 있다.
고객들에게 가장 최적의 로봇 시뮬레이션 공급!
전용 시뮬레이션과 범용 시뮬레이션은 각각 장점과 단점을 가지고 있다. 하지만 가장 중요한 것은 소비자의 공정에 가장 알맞은 시뮬레이션을 제공해야 한다는 것이다.
일각에서는 전용과 범용 모두 좀 더 넓은 제조 영역에서 그 자체의 가치를 향상시키기 위해서는 아직 부족한 점이 많다는 의견이 있다. 시뮬레이션 모델링 업무 자체가 하나의 새로운 부담으로 다가오거나 기업의 입장에서 시뮬레이션 소프트웨어의 가격이 너무 높기 때문에 이 시스템을 도입하고 싶어도 비용적인 측면에서 벽에 부딪치는 일이 빈번하게 발생한다는 것이다. 또한 제조의 핵심이 되는 작업자의 동작 분석에 대해서도 보수적이고 방어적인 관점으로 인해 체계적인 관리가 곤란한 문제점도 제기된다.
이에 대한 해결 방안으로 최근 메이저 로봇기업들은 자사의 전용 시뮬레이션뿐만 아니라 범용 시뮬레이션을 제공하는 소프트웨어 회사와 협력해 가장 최적의 작업 프로그램을 공급하고 있다. 고객들에게 선택의 폭을 넓힘으로써 안정적인 매출을 올리고 있는 것이다.
또한 지속적인 업그레이드를 통해 시뮬레이션 문제점들을 보완하고 있으며, 대기업뿐만 아니라 중소기업에서도 쉽게 사용할 수 있는 시뮬레이션 소프트웨어를 제공하도록 노력하고 있다.
▶ 최근 로봇 시뮬레이션은 로봇 대수의 제한이 없어질 정도로 성능이 좋아지고 있다. 단순한 프로젝트의 시뮬레이션뿐만 아니라 동시에 여러 대의 로봇 구현도 가능해진 것이다. 사진. 이지로보틱스
로봇 시뮬레이션 최신 기술 트렌드
로봇 작업의 오차를 보상하는 캘리브레이션 기술
전용 시뮬레이션 및 범용 시뮬레이션으로 오프라인 프로그래밍 방법을 이용해 작업 프로그램을 생성하더라도 그 작업 프로그램이 실제 로봇, 실제 작업환경이 아니고 가상적인 모사이기 때문에 컴퓨터상에서 이상이 없이 잘 작동되었던 로봇 프로그램이 실제상황에서는 충돌이 일어나거나 원하는 위치와 큰 차이가 있는 위치로 로봇이 이동할 수 있다.
현장에서 사용되려면 결국 로봇의 절대위치 정밀도가 생산 공정에서 요구하는 작업정밀도를 만족시켜야 하는데 이러한 오차를 보상해주는 과정이 바로 캘리브레이션(Calibration)이다.
캘리브레이션은 실제 로봇시스템에 대한 보다 정확한 수학적 모델 파라미터 값과 작업 대상물에 대한 형상 정보를 알아내어 로봇의 절대위치 정밀도를 향상시켜주는 일련의 과정이다. 여기서 구한 모델 파라미터 값들은 오프라인 프로그래밍 시스템에서 로봇시스템을 모델링하고 기구학적 관계를 구축하는데 이용된다.
이러한 로봇 캘리브레이션을 전문으로 하는 회사들이 있다. 미국의 Dynalog사나 국내 이지로보틱스가 대표적인 회사로 꼽힌다. 특히 이지로보틱스는 국내 자동차 메이커들의 생산라인에서 이 캘리브레이션에 대한 레퍼런스를 보유하며 회사의 인지도를 높이고 있다.
로봇 시뮬레이션은 쓰기 편해야 한다!
최근 로봇 시뮬레이션 기술적 트렌드는 ‘사용자 중심의 환경 구축’이다.
ABB는 RobotStudio를 끊임없이 업그레이드시키며 현재는 5.14버전까지 출시했다. 2.xx~4.xx버전이 기능을 중심으로 한 실무 엔지니어 기반의 버전이었다면, 5.xx버전부터는 진정한 사용자 중심의 환경을 구현하게 됐다는 것이 회사 측의 설명이다. 기존 4.xx 이하의 버전에서도 실제의 환경과 동일한 구현을 했지만 작동법이 좀 난해하고 안정적이지 못했던 부분이 있었으나 버전5를 기점으로 사용자 친화적인 쉬운 인터페이스 및 로봇시스템 및 주변 장비들을 쉽게 구성할 수 있도록 변화를 시도했다는 것이다.
ABB와 같이 로봇 메이커들은 기존의 전문가 영역에서 실제 사용자 중심으로 시뮬레이션을 업그레이드하고 있다. 실제로 많은 개발 툴들이 기존에는 사용이 매우 어렵고 일반적인 지식으로는 검토가 어려웠던 점이 있었으나 최근 들어서는 누구나 사용하기 쉽고 검토기간도 짧도록 사용자 인터페이스로 변화의 움직임이 일고 있는 것이다.
또한 기능상의 부분에서는 통합적인 환경구현이 가능해졌다. 기존에는 부분적인 혹은 제한적인 검토만이 가능했는데, 현재 혹은 앞으로의 추세는 통합적인 설비의 검토가 가능함으로써, 기업 내에 비전문적인 Functional Manager들도 부분적으로 사용하고 결과에 대한 검토 및 이해, 더 나아가서는 승인하는데 있어서 좋은 자료로 활용할 수 있는 툴로 진화해야 한다.
이 밖에도 최근 로봇 시뮬레이션들은 기존에 로봇 자체 기능에만 중점을 둔 것에 비해 트랙모션, 7축 그리퍼 등과 같은 부가장비에 대한 시뮬레이션 지원도 강력해져 이러한 다양한 업그레이드로 고객 만족을 실현한 프로그램을 제공하고 있다.
로봇의 개수가 많아져 부하가 걸리는 일, 이제는 No!
이전 오프라인 프로그래밍은 하나의 컴퓨터에서 실행되는 응용프로그램으로 되어 있으며 시뮬레이션 대상이 되는 작업장의 규모에 대한 확장성이 좋지 않은 구조를 가지고 있었다. 따라서 시뮬레이션 대상이 되는 작업장에 포함되는 로봇의 개수가 크게 증가하게 되면 이와 비례하여 시뮬레이션 시스템에 걸리는 부하가 증가하게 된다.
이로 인해 시뮬레이션 진행상황을 실시간에 맞추어 화면에 출력하지 못하게 되는 경우가 발생하게 되고 실시간보다 많이 늦어지게 될 경우 화면을 통해 출력되는 로봇의 움직임을 제대로 확인하기가 어려웠다. 이 때문에 동일한 시뮬레이션을 여러 번 수행해야 하는 경우도 발생했다.
최근 로봇 시뮬레이션은 로봇 대수의 제한이 없어질 정도로 성능이 좋아지고 있다. 단순한 프로젝트의 시뮬레이션뿐만 아니라 동시에 여러 대의 로봇 구현도 가능해진 것이다.
로봇 시뮬레이션 제안
로봇 시뮬레이션 기술적 노하우로 경쟁력 키우기
오프라인 프로그래밍을 위한 전용 및 범용의 각종 로봇 시뮬레이션들은 이미 1980년대 중반부터 등장하여 사용되어 왔으나, 실제 생산 현장에 적용되는 시점은 그리 오래되지 못했다. 가상과 현실의 차이를 극복하기 위한 많은 소프트웨어 기술들이 요구됐기 때문이다.
하지만 현장에서 신뢰성을 바탕으로 한 끊임없는 기술 개발로 이러한 차이를 극복했고, 현재는 대상 공정의 작업 조건과 특성을 정확히 분석해 그 시나리오에 알맞은 효율적인 가상 생산 공정으로 점점 로봇 시뮬레이션이 각광받고 있다.
이러한 시점에서 로봇 시뮬레이션 관련 기업들은 많은 산업 현장에서의 기술적인 노하우를 키우고 최근 기술 트렌드를 반영한 다양한 어플리케이션과 고객 만족의 시뮬레이션 기법으로 이 시장에서 경쟁력을 갖춰야 하겠다.
<발 췌>
* 차체 조립라인을 위한 효율적 가상생산/OLP 및 적용사례(범진환)
* 협업 명세서를 활용한 다중 로봇의 OLP기반 협업 시뮬레이션 기법(이명준)
* 자동차 산업의 로봇자동화를 위한 컴퓨터 소프트웨어 응용(문민정)
