죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

반도체네트워크의 다양한 최신 기능을 사용하려면 이를 완전히 지원하는 최신 브라우저로 업그레이드 하셔야 합니다.
아래의 링크에서 브라우저를 업그레이드 하시기 바랍니다.

Internet Explorer 다운로드 | Chrome 다운로드

협업 로봇: 생산성과 안전성 모두 보장하는 회로 설계


PDF 다운로드



글/스티븐 키핑(Steven Keeping), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)


산업용 로봇은 공장에서 흔하게 발견된다. 반복적이고 많은 조립 라인 업무를 수행하는 인간 노동자를 효율적으로 대체할 수 있기 때문이다. 기계는 수년간 높은 정밀도가 필요한 업무를 계속 반복할 수 있으며 일상적인 관리 절차를 위해 작동을 중단할 뿐이다. 생산성이 향상되므로 높은 초기 자본투자에 대한 수익도 보장된다.
그러나 많은 종류의 부품들을 소량 조립하는 업무에서는 비교적 저가인 인간 노동자가 여전히 최선의 옵션이다. 인간은 손재주가 뛰어나고 유연하며, 기계가 멈출 수도 있는 문제를 해결할 수 있기 때문이다. 대형 산업용 로봇의 저가형 사촌격인 협업 로봇은 경량의 소형 기계장치로, 로봇의 장점과 인간의 자산을 결합할 수 있는 분야에 도입되고 있다. 그러나 협업 로봇은 인간과 작업 공간을 공유하기 때문에 생산성을 극대화하면서도 노동자들을 안전하게 보호하는 새로운 공학적 기술이 요구된다.

작업 공간 공유
협업 로봇은 조립할 부품 수는 감소하고 작업량은 증가하지만 완전 자동화를 도입할 수준에 이르지 못한 생산 환경에서 틈새 시장을 차지한다. 로봇이 부품을 집어서 운반하고, 일상적으로 반복되는 업무를 수행하는 반면, 인간은 까다로운 제작, 지적으로 어려운 과정을 담당할 수 있다.
협업 로봇은 기존 산업용 로봇에서 자연스럽게 확장된 형태가 아니다. 국제표준화기구 ISO는 산업용 로봇을 "자동으로 제어되고, 재프로그래밍 가능한 다목적 머니퓰레이터로, 3개 이상의 축으로 설계되어 산업 자동화 애플리케이션에 맞게 고정형 또는 휴대용으로 사용할 수 있는 기계장치"로 정의한다. 인간의 도움 없이 생산성을 최대화하려는 목적을 갖고 개발된 기계장치에 부합하는 설명이다.
1970년대 산업용 로봇이 도입될 때부터 규모가 큰 애플리케이션을 안전하게 자동화하기 위해 공장 내 작업장 일부를 사용할 것이 요구되었다는 점은 놀랍지 않다. 오늘날 노동자들은 기계장치에서 멀리 떨어져 배치되며, 기계장치들은 무거운 기계 부품들을 빠르게 이동시키면서 발생할 수 있는 위험한 상황을 만들지 않도록 금속 방벽 뒤에서 작동한다(그림 1). 기본적인 외부 센서 기술에 따라 인간이나 사물이 빔을 건너거나 방벽이 개방되어 스위치가 작동하면 산업용 로봇은 비상 정지된다. 또한 수리 또는 프로그램을 수정하기 위해 기술자가 의도적으로 로봇의 작동 범위 내로 진입하는 경우 기계장치는 팔을 안전 위치로 이동시키고 전원을 차단한다.

AR(협업)-1.jpg

[그림 1] 안전 방벽 뒤에서 작동하는 산업용 로봇

협업 로봇의 속도, 힘, 정밀도를 최대화하는 것은 여전히 중요하지만 협업의 장점을 최대화하려면 인간과 로봇이 조화롭게 근무해야 한다. 또한 협업 로봇의 도입이 정당화되려면 로봇은 인간의 노동력보다 더 많은 비용이 들지 않아야 한다. 부품을 필요한 위치로 옮기고 순간 접착제를 바르는 로봇을 도입하더라도 인간 노동자가 2~3개 부품을 처리해야 한다면 이런 로봇은 가치가 없다. 하지만 생산성보다 더 중요한 점이 있다. 로봇은 인간 노동자가 어디에 위치하며 어떻게 움직이는지 지속적으로 파악해야 하며, (의도와 관계없이) 인간과 접촉했을 때 가해지는 힘을 인지하고 있어야 안전하게 함께 근무할 수 있다.

따라서 협업 로봇을 설계할 때 다음과 같은 주요 목표를 고려해야 한다.
• 인간 노동자와 안전하게 상호작용 및 민감한 조립 장치
• 로봇으로 작동하는 애플리케이션의 사용을 정당화할 수 있도록 비용 감소
• 인간의 근무 능력과 양립할 수 있는 속도로 작동하는 로봇
• 깨끗하고 소음이 적은 작동 방식
• 작고 가벼운 폼 팩터
• 비전문가 노동자가 부품 종류가 많은 생산에 대처할 수 있도록 간편하고 빠른 프로그래밍 지원


협업 로봇 시스템 설계에 필요한 지침

협업 로봇을 설계할 때 고려해야 할 주요 요인은 기계와 인간이 동일한 공간에서 작업한다는 사실과 관계 있다(그림 2). 로봇 설계자는 높은 효율성을 보장해야 하지만 함께 일하는 인간 노동자가 가끔 예측할 수 없는 방향으로 이동할 수 있음을 인지해야 하며, 로봇은 안전하게 반응할 수 있다는 점을 보장해야 한다. 로봇과 인간이 의도에 관계 없이 접촉했을 때 로봇이 과도한 힘을 인가하지 않도록 설계할 필요도 있다. 안전 장치가 중요한 요소가 아닌 산업용 로봇과 달리 협업 로봇은 원래 구조상 안전 장치가 보통 결합되어 있기 때문에 설계자는 더욱 복잡한 조건에 직면한다.

AR(협업)-2.jpg
[그림 2] 협업 로봇도 동료와 동일한 작업 공간을 공유한다.

다행히 로봇 설계에서 발생하는 이러한 난관은 협업 로봇에 대한 국제 안전 표준의 형태로 나타나며, 안전 표준은 일자리에서 로봇의 빠른 도입과 궤를 같이해 발전되어 왔다. 가령, 국제 표준화 기구(ISO)는 ISO 10218에서 협업 로봇 설계에 대한 지침을 일부 제공하며, 자체 작성한 기술 사양(TS)인 ISO/TS 15066은 협업 로봇의 안정성에 대한 사항을 집중적으로 다룬다. ISO/TS 15066은 속도와 힘 등 공정상 변수 제어와 관련해서 안정성과 관련된 제어 장치의 완전성이 중요하다는 점을 강조한다.(참고로 ISO/TS 15066은 표준 문서가 아니라 임의 문서이다. 그러나 향후 표준의 기초 자료로 활용될 것으로 예상된다.)

또한 ISO/TS 15066은 작업 공간에서 위험도 평가의 필요성을 설명하는 정보 등 협업 로봇 설계자가 이용할 수 있는 일반적인 정보도 제공한다. 가령, 아무리 뛰어난 로봇으로 설계되었더라도 머니퓰레이터를 가지고 날카로운 물체 주변을 회전한다면 안전한 로봇으로 인정될 수 없다. 다른 예를 들자면, 고정 물체때문에 작업 공간이 폐쇄되어 있다면 로봇이 움직이면서 인간 노동자가 사이에 끼어서 부상을 입을 수 있으므로 위험하다고 볼 수 있다.
ISO/TS 15066의 주요 절은 작업 공간의 설계, 로봇 작동의 설계, 로봇의 협업적 작동과 비협업적 작동의 변경을 다루고 있다. 특히 이 문서는 아래에 제시되었듯이 협업적 작동에 필요한 사항을 실현할 수 있도록 광범위하게 설명해서 앞서 언급된 설계상 목표를 충족하는 안전하고 효율적인 솔루션을 개발할 수 있도록 지원한다.


안전 등급에 따라 작업자 확인 후 중단

안전 등급에 따라 작업자 확인 후 중단은 전력 공급을 중단하지 않고 로봇 작동을 중단시키는 방법으로, 인간 노동자가 협업 공간에 진입했을 때 발동된다. 로봇과 인간이 동시에 움직이지 않는다는 전제로 시스템이 설계되어 로봇이 작업 공간에서 무거운 부분을 빠르게 움직이는 경우에 주로 적용된다.
수동 모드가 시작되기 전까지 로봇은 작업자가 확인되면 작동을 중단해야 한다. 인간 노동자는 수동 모드에서 로봇 팔과 직접 접촉하며 수작업으로 로봇 팔을 이동시킬 수 있다. 이러한 작동 방식은 리프트 어시스트 또는 변동성이 높은 '도구' 애플리케이션에 적용된다.


속도 및 분리 모니터링

로봇에 센서를 부착해서 인간 노동자가 얼마나 가깝게 위치하는지 모니터링 할 수 있어 동일한 작업 공간에서 로봇과 인간이 동시에 움직일 수 있다. 따라서 가장 협업 로봇 방식에 가깝다. 거리가 먼 경우 로봇은 중간 수준의 속도로 계속 작동하지만 거리가 가까워질수록 로봇은 속도를 줄인다. 인간과 거리가 매우 가까운 경우 작업자 확인 후 작동한다.


동력과 힘 제한

동력과 힘 제한 성능은 협업 로봇(또는 제조용 부품)과 인간이 협업 공간에서 함께 근무하는 과정에서 의도적이든 의도하지 않든 접촉이 발생할 수 있는 애플리케이션에 적용된다. 로봇의 머니퓰레이터와 고정된 물건 사이에 인간의 신체가 끼는 것처럼 고정된 힘과 유사하게 접촉이 발생할 수 있으며, 인간이 뒷걸음질 칠 수 있는 곳에서 인간의 신체에 부딪히는 식으로 과도적으로 접촉이 발생할 수도 있다.


설계상 안전에 관한 난관

비용, 크기, 복잡도를 제한하기 위해 사양을 일부 변경하기도 하는 협업 로봇 설계자는 일부 시스템에 적용되는 기존 산업용 로봇 기술을 적용하면서도 앞서 설명한 작업 방식을 실행할 수도 있다. 가령, 작업자 확인 후 작동 방식은 기존 산업용 로봇에 이미 사용 중인 기술로, 인간이 작업 공간에 진입하는 경우 비상 정지 명령을 내리는 안전 방벽을 사용한다.
기존의 산업용 로봇은 인간이 작업 구역에 강제로 진입하는 경우 완전히 작동이 중단된다. 이러한 점에서 속도 및 분리 모니터링을 구현하려면 새로운 설계 기법이 필요하다. 반면, 협업 로봇은 인간과 작업 공간을 공유하는 상황에서 속도가 감소하지만 계속해서 움직이며, 인간과 거리가 가까워서 작업자 확인 후 작동 기능이 실시되기 전까지 움직인다. 이러한 시스템을 실행시키는 데 필수 조건은 로봇의 제어 시스템에 센서를 집적시켜서 속도 감소가 필요한 경우 폐쇄 루프 피드백 기술로 모터 반응을 빠르게 만드는 것이다.
그러나 설계에서 최대 난관은 동력과 힘을 제한하는 일이다. 산업용 로봇은 부하 용량과 속도에 초점을 맞춰 설계되기 때문에 설계자는 산업용 로봇에서 배울 사항이 거의 없다. ISO/TS 15066 부속서는 통증 역치에 대한 준정적하중과 과도력을 제한하도록 제안했을 뿐만 아니라 인간의 부상 역치에 대해서도 소량, 가역적, 비가역적으로 제한할 것을 제안했다. 과도력은 준정적하중보다 최대 2배 높게 발생할 수 있다. 상대적으로 짧은 시간 내에서 발생하며 인간이 뒤로 물러설 수 있기 때문이다.
통증 역치와 부상 역치에 대한 연구 활동이 계속 진행되고 있지만 현재 지침에서는 작업자 확인 후 작동 모드에서 로봇의 속도를 250mm/s 미만, 동력을 150N 미만으로 감소시켜서 인간이 갇히는 위험을 낮추도록 권장한다. 물론 과도력은 이것보다 최대 2배 높게 발생할 수 있지만 500ms 이상 시간 동안 인가되면 안된다.
하지만 이러한 역치를 준수하는 것은 어려운 일이다. 가령, 무게가 2kg인 로봇 팔이 0.5kg 짐을 1m/s 속도로 움직인다고 가정했을 때, 의도하지 않은 접촉이 발생했을 경우 파쇄력을 150N 미만으로 제한하려면 60m/s2의 속도로 감속해야 한다. 이런 경우 로봇 팔은 8mm를 이동할 것이며 협업 작동 환경에 적합한 수준이다. 하지만 동일한 로봇 팔이 3kg 짐을 움직인다고 가정했을 때, 파쇄력을 150N 미만으로 제한하려면 19m/s2의 속도로 감속해야 하고, 이 과정에서 27mm만큼 이동했을 것이다(충전재를 이용하면 수용할 수 있는 수준이다). 이렇게 가정해 보면 로봇 설계자는 협업 로봇으로 발생하는 동력에 변화를 주고 페이로드와 이동 속도에 변화를 줘야 한다는 것을 알 수 있다.
ISO의 지침은 아래와 같은 항목도 제시한다.

• 로봇에서 조임 및 압착 지점을 제거
• 로봇의 관성과 질량 감소
• 로봇이 빠르게 멈출 수 있도록 로봇이 고정된 표면에 접근할 때 속도 감소
• 접촉 지점의 표면 증대
• 인간이 갇히는 지점을 제한하고 과도적 충돌이 발생하는 경우 뒷걸음질할 수 있도록 작업 공간을 구성


사례 연구: 협업 로봇 관절

협업 로봇의 설계에서 겪는 큰 난관은 머니퓰레이터에 가해지는 힘에 대해 빠르게 반응할 수 있도록 가볍고 크기가 작은 관절을 제작하는 일이다.
소형 로봇에는 하모닉 기어가 애용된다. 기존 메시 기어보다 관절 크기와 중량을 작게 설계할 수 있기 때문이다(그림 3). 그러나 하모닉 기어는 입력과 출력 사이에서 굴곡을 만들어 동작을 전달하기 때문에 메시 기어와 비교했을 때 관절의 회전 강도가 낮다.

AR(협업)-3.jpg

[그림 3] 소형 로봇은 하모닉 기어를 이용해서 크기와 중량을 줄인다.

회전 강도가 부족하면 협업 로봇 설계자는 설계에 어려움을 겪는다. 모터 전류의 변화를 통해 인간과 로봇 사이에서 발생하는 충격을 감지하는 방식이 선호되기 때문이다. 다시 말해 충격으로 발생하는 힘에 비례해서 모터 토크가 변화하는 원리를 이용하는 것이다. 하지만 강도가 부족하면 모터 토크에 영향을 미치기 전에 관절에서 느슨한 부분을 힘이 수거한다. 그 결과 컨트롤러가 모터 전류의 증가를 감지하기 직전에 시차가 발생하고 머니퓰레이터의 속도 감소, 작동 중단 또는 역으로 작동시키는 방식으로 충격에 대응할 수 있다. 이렇게 시차가 발생하면 같이 근무하는 인간은 권장되는 500ms 이상의 과도 충격 시간에 노출되고 최대 충격은 300N에 이를 수 있다.
기계적으로 볼 때 더 큰 하모닉 기어를 이용하면 강도가 증가하지만 이는 로봇 관절의 크기와 중량이 증가로 이어진다. 대안으로는 이중 고분해능 엔코더와 소프트웨어 알고리즘을 이용하는 것이다. 이러한 해결책은 비용 증가는 소폭에 그치지만 관절의 크기는 증가하지 않으며 중량도 증가하지 않을 것이다.
관절의 입출력 쪽에 엔코더를 배치하면 강도가 부족해서 로봇의 실제 위치와 프로그래밍 된 위치 사이에서 발생한 회전도의 편차가 실시간 측정되어 컨트롤러에 전달될 것이다. 그러면 컨트롤러는 오차에 대한 첫 번째 보정 지시를 빠르게 처리할 수 있어서 시스템에서 느슨한 부분이 제거되고 머니퓰레이터에 대한 의도적 또는 비의도적 충격은 모터 토크의 증가를 통해 즉각 감지된다.


결론

로봇의 근육이 인간의 재주와 문제 해결 기술에 결합되면서 생산성이 급격하게 상승했다. 이 덕분에 인간과 함께 근무하는 작업 공간에서 협업 로봇의 비중이 확대되고 있다. 공장 관리자들은 최근에 어셈블리 애플리케이션의 숫자를 이해하기 시작했다. 현재 인간의 노동만으로 수행되었던 작업이 협업 로봇으로 대체될 수 있는 것이다. 그렇기 때문에 협업 로봇이 가져올 충격은 증가할 것으로 예측되며, 2025년 무렵에는 오늘날 산업용 로봇 전체와 비슷한 수준까지 성장할 것이다.
그러나 로봇 기술에 대해 단정짓기는 아직 시기상조이며, 엔지니어들은 산업용 로봇을 설계하는 데 사용되는 설계 기법 중 일부만 협업 로봇에도 제대로 적용 가능하다는 것을 학습하고 있다. 협업 로봇이 업무 수행에 필요한 속도, 정확도, 부하 처리 성능을 갖춘 상태에서도 인간 주변에서 안전하게 작동하게 만들려면 새로운 설계 방법론을 마련해야 한다.
협업 로봇의 설계는 갓 시작한 분야로, 그만큼 기준으로 삼을 지침도 거의 없는 실정이다. 그러나 1세대 모델이 작업 공간에 배치되기 시작하는 것과 동시에 협업 로봇에 필요한 국제 안전 기준이 마련되고 있다. ISO 10218 표준은 협업 로봇에 대한 구체적인 지침을 제시하는 반면, ISO/TS 15066은 협업 작동에 대한 안전 매개 변수를 설정했다. 부품 공급사들은 전자기술과 센서에 첨단 기계적 조립 기술을 결합해서 매일 협업 로봇의 의무, 작동, 상호작용에 대해 발생하는 요구를 충족하도록 특별히 설계된 관절 등 새로운 필수 부품들을 만들고 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>


PDF 다운로드

개인정보보호법 제15조에 의한 수집/이용 동의 규정과 관련하여 아래와 같이 PDF 다운로드를 위한 개인정보 수집 및 이용에 동의하십니까? 동의를 거부할 수 있으며, 동의 거부 시 다운로드 하실 수 없습니다.

이메일을 입력하면,
(1) 신규참여자 : 성명/전화번호/회사명/분야를 입력할 수 있는 입력란이 나타납니다.
(2) 기참여자 : 이메일 입력만으로 다운로드가 가능합니다.

×

회원 정보 수정



* 가입시 이메일만 입력하신 회원은 이름란을 비워두시면 됩니다.