안녕하세요~
할로파파입니다~ :)
오늘은 직접교시기술의 동향 및 전망에 대한 정보를 공유해 보도록 하겠습니다.
정보전달의 순서는
1. 기술의 개요
2. 기술동향
3. 시장 현황
4. 미래전망
5. 결론
순으로 진행하도록 하겠습니다.
1. 직접교시기술의 개요
1) 교시기술이란?
- 로봇 활용을 위해서는 사용자가 여러 가지 수단을 동원하여 사용자의 작업의도를 로봇이 이해할 수 있는 형태로 구현하여야 하며 이를 로봇의 교시작업이라 함
① 교시 기술은 ➊직접 프로그램을 작성하는 방법과 ➋티칭 팬던트를 사용하여 교시점을 입력하는 방식인 간접적으로 프로그램하는 방법이 있음
* 직접 프로그램방법과 비교하여 티칭 팬던트를 사용하는 방식이 비교적 쉽기는 하지만 실제 공정 자동화를 구현하기
위해서는 두 가지 방법 모두 전문성을 갖춘 엔지니어만이 가능한 방법임
② (직접 프로그램을 작성하는 방법) 가장 확실한 로봇 교시 방법이지만 과정이 매우 복잡할 뿐 아니라 로봇에 대한 기술적 이해가 충분한 엔지니어만 가능한 방법임
③ (티칭 팬던트를 이용하는 방법) 조그버튼을 이용하여 목표 경로점을 기억시키는 교시법으로, 시간 소모가 크고 제한적인 교시 동작만 가능하며, 전문가에 의해 자동화 공정 구성이 가능함
2) 직접교시기술이란?
- 이와 같이 로봇 교시작업이 로봇의 쉬운 사용성 확보에 매우 큰 걸림돌로 작용하기 때문에 직관적인 방법으로 로봇을 교시할 수 있는 수단을 개발하고자 하는 많은 시도들이 있어왔음. 가장 널리 사용되는 방법은 티칭 팬던트를 사용하는 대신 로봇의 말단을 잡고 밀거나 당기는 동작을 통하여 로봇을 직접 움직이고 경로점을 기억시키는 직접교시방법임
① 로봇을 직관적으로 교시하고자 하는 기술에는 협의의 직접교시 방법 이외에도 다이얼이나 버튼을 이용한 티칭장치, 3D 마우스, AR/VR을 이용한 티칭 보조 장치 등 매우 다양한 방식의 기술이 존재함. 이러한 다양한 직관적 교시 방법을 통칭하여 직접교시라 정의함
- 산업용 로봇의 운전은 매우 간단한 작업이라 할지라도 로봇 제작 회사에서 제공되는 로봇 언어를 통하여 프로그램 하거나 티칭 팬던트를 통해 반복경로를 결정해 주어야 하는 번거로움이 있음
① 작업자가 산업용 로봇을 편리하게 운전할 수 있도록 하려는 연구가 히라바야시 등에 의해서 수행되었으며, 유사한 연구들이 지속적으로 연구되어 근래의 많은 산업용 로봇들도 유사한 방법으로 직접교시의 기능을 구비하고 있음
② 초기의 직접교시 기술은 로봇의 말단을 직접 밀거나 당기는 방식으로 로봇을 직관적으로 운전하는 기술 중심으로 개발되었음. 이와 같이 허공에서 로봇의 말단을 직관적으로 운전하는 수단은 매우 다양하며 기술적으로 구현하기 쉬움
- 다양한 목적으로 이러한 직접교시기술을 적용하고자 하는 많은 시도들이 시작됨. 특히 유럽의 SMErobot 프로젝트에서는 로봇 머니퓰레이터의 사용을 단순화하여 중소규모 기업의 로봇 비전문가도 로봇을 쉽게 사용하게 만들 목적으로 직관적 교시의 응용 방법에 관한 활발한 연구가 진행됨
- 근래에 출시되는 거의 모든 협동로봇은 직접교시기능을 장착하여 사용 편의성에서 전통적인 산업로봇에 비해 크게 향상되어 시장에서 큰 관심을 받게 되었음. 이에 따라 많은 경우 직접교시 기능의 장착 유무를 협동로봇과 전통 제조로봇의 가장 큰 차이로 인식됨
2. 직접교시 기술동향
1) 직접교시기술의 분류
- 직접교시기술은 구현 수단에 따라 매우 광범위함. 따라서 기술 분류가 쉽지 않으나 본고에서는 핸드가이드(로봇 말단의 위치와 방향을 작업자가 손쉽게 움직일 수 있는 수단으로서의 직접교시) 방식의 직접교시기술을 2가지 관점에서 분류함. 직접교시기술은 구현하는 ➊제어 방식의 차이에 의한 분류와 ➋사용되는 센서의 차이에 의한 분류로 구분할 수 있음
① (제어 방식의 차이에 의한 분류) 어드미턴스 제어방식과 임피던스 제어방식으로 구분 가능함. 이러한 분류에 포함되지 않는 독특한 방법들도 가능하나 대부분의 기업들에서는 이들 방법 중 하나를 채용하여 자사상품의 직접교시 솔루션에 적용하고 있음
② (사용되는 센서의 차이에 의한 분류) 6자유도 힘/모멘트센서를 사용하는 경우, 관절조인트에 축토크센서를 사용하는경우, 힘/모멘트센서나 축토크센서 등 외력을 측정하는 센서를 전혀 사용하지 않는 경우로 구분 가능함. 각각의 방식에 따라 사용자 의도 판단의 정확성, 로봇 제작의 난이도, 최종 제품의 가격 등에서 큰 차이를 보임
[표] 제어 방식에 따른 직접교시기술의 분류
| 구분 | 특징 |
| 어드미턴스 제어 방식 |
• 사용자는 자기의 의도를 로봇의 말단을 밀거나 당기는 형태로 로봇의 움직임에 대한 힘을 전달하는 방식으로 표현 • 로봇은 이러한 작업자의 의도가 반영된 힘을 측정*하고 이를 통해 사용자의 의도를 추정하고 이에 순응하도록 위치를 움직임 * 말단 힘센서, 축 토크센서 등이 사용되는 경우 혹은 추가 센서를 전혀 사용하지 않는 경우 등 다양한 방법이 존재 • 로봇은 입력으로 힘을 받아 위치로 출력하는 어드미턴스(Admittance) 개체로 동작하므로 넓은 의미의 어드미턴스 제어라 함 • 비교적 제어가 간단하지만 사용자 입력에 대한 로봇 반응의 민감도가 임피던스 제어 방식에 비해 떨어지는 경우가 많음 |
| 임피던스 제어 방식 |
• 외부에서 인가된 힘에 대하여 로봇이 가상의 스프링-매스-댐퍼 시스템과 같이 동작하도록 제어 • 사용자가 로봇을 밀거나 당겨서 로봇을 움직일 때 발생한 모션 크기에 따라 로봇은 임피던스 개체로서 힘을 출력하게 됨 • 어드미턴스 제어에 비해 로봇이 좀 더 부드럽게 반응하므로 인간과 로봇의 상호작용 구현에 더 효과적 • 동역학 기반 제어가 필요하고 로봇 관절의 마찰을 정밀하게 추정하여야 하는 등 기술적으로 난이도가 높음 |
| 직접 위치 입력 및 제어 방식 |
• 로봇을 직접 잡고 움직이는 인간의 작업 정밀도가 매우 낮은 수준이므로 원리적으로 정밀한 위치교시는 불가능 • 티칭 팬던트의 조그모션과 같이 로봇의 미세한 움직임을 정밀하게 지령하기 위해서 직접 위치를 입력하는 방식(버튼, 다이얼, 마우스 등) • 교시 과정중의 로봇 움직임이 연속적이지 않고 전체 경로를 교시하는데 많은 시간이 소모 • 어드미턴스 제어 방식 혹은 임피던스 제어방식과 혼합하여 사용되는 경우가 많음 |
- 직접교시를 구현하는 방식은 사용되는 센서에 의해서도 구분이 가능함. 민감한 센서를 사용할수록 직접교시의 감도가향상되고 교시과정에서 로봇 모션이 부드럽게 되지만, 전체 로봇 시스템의 제조단가가 증가하고 센서 오작동 등 고장의 가능성이 높아지므로 로봇 메이커마다 다른 방식을 선택하고 있음
[표] 사용되는 센서에 따른 직접교시기술의 분류
| 구분 | 특징 |
| 6자유도 힘모멘트 센서가 사용되는 경우 |
• 로봇 말단에 6자유도 힘모멘트 센서를 장착하는 것으로, 힘모멘트 센서의 비용이 매우 비싸 전체 시스템의 가격이 높아지는 문제가 있음 • 힘모멘트센서가 로봇의 말단에만 장착되어 있으므로 로봇의 나머지 부분에 인가되는 사용자 교시력을 감지하지 못하며, 힘모멘트센서 고유의 특징인 에이징과 신호 드리프팅으로 인하여 유지보수의 어려움이 있음 • 단가면에서는 불리하나 교시 정밀도를 높이고 범용성을 갖춘 교시 솔루션을 공급하고자 하는 기업들에서 주로 채택하는 방식임 |
| 축(관절) 토크센서가 사용되는 경우 |
• 6개의 회전축에 1자유도의 회전토크를 각각 장착하는 방식 • 각 축에 인가되는 토크를 모두 측정 가능하므로 로봇의 말단 부 뿐만 아니라 로봇의 전신에 인가되는 사용자 교시력을 모두 측정가능 • 사용자 입장에서 훨씬 직관적인 교시 시스템의 구현이 가능함 • 축토크센서의 개발 난이도가 높고, 6개의 축토크센서를 장착하여야 하므로 6자유도 힘모멘트 센서를 사용하는 경우에 비하여 제조원가가 상승 • 힘모멘트센서 고유의 특징인 에이징과 신호 드리프팅으로 인하여 유지보수의 어려움이 있음 |
| 힘모멘트 센서가 사용되지 않는 경우 |
• 로봇의 자중을 보상하고(중력보상) 관절의 마찰을 추정·보상하여(마찰력보상) 관절의 역기동성 (Back-drivability)이 보장되는 경우, 로봇의 유효관성을 추정하여 영향을 최소화하는 제어기를 구성하는 방법 • 제어기법 개발이 매우 어렵고 실제 구현된 시스템의 직접교시 감도는 힘센서를 사용하는 방식에 비해 현저히 둔감 • 센서를 사용하지 않으므로 제품 단가를 낮추고자 하는 기업들에서는 적극적으로 채용하는 방식임 |
2) 국내 기업의 직접교시 기술 동향
- 협동로봇 현황
① 직접교시기술은 협동로봇 제품군의 전유물은 아니지만 Universal Robot이 직접교시와 그래픽유저인터페이스(GUI) 기반의 티칭 팬던트로 큰 관심을 받으면서 협동로봇의 빼놓을 수 없는 기능이 되었음. 직접교시기술이 적용된 주요
협동로봇은 다음 표와 같음
[표] 직접교시기술이 적용된 국내 협동로봇
| 국산 | 뉴로메카 | 두사로보틱스 | 한화정밀기계 |
| 적용로봇 |  |
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| 가반하중 | 5~10Kg급 | 6~15Kg급 | 5~12Kg급 |
[표] 직접교시기술이 적용된 국외 협동로봇
| 외산 | UR | OMRON | KUKA | FANUC | Franka |
| 적용로봇 |  |
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| 가반하중 | 3~16 Kg급 | 5~14Kg급 | 7~14Kg급 | 4~35KG급 | 3Kg급 |
- 주요 기업의 직접교시기술 동향
① 시장에 출시된 협동로봇은 모두 직접교시기술이 적용되어있으며, GUI가 강화된 사용자 친화적 티칭 팬던트와 직접교시기술이 결합된 직관적 교시 가능 티칭 솔루션의 보유 여부가 제품의 경쟁력에 큰 영향을 미치고 있음
[표] 주요 기업의직접교시기술의 특징
| 구분 | 티칭팬던트 | 특징 |
| 뉴로메카 |  |
- 중력보상이 된 로봇 관절을 작업자가 구동하는 직접 교시지원(중력 연산의 오차와 더불어 관절에 작용하는 마찰력보상) - 임피던스 제어 기반 직접교시 (엔드이펙터에 부착된 6축 F/T센서를 이용하는 임피던스 제어 지원) - 엔드이펙터에 설정되는 탄성계수 등의 임피던스 인수들을 조절하여 자세는 고정시킨 채 위치만 바꾸거나, 특정 평면 운동에 구속된 운동만을 허용하는 등의 직접 교시가 가능 |
| 두산로보틱스 |  |
- 전체 관절에 토크 센서를 장착하여 부드러운 모션 생성이 가능하고 충격 감지에 신속히 반응할 뿐 아니라 직접교시에도 활용 - 별도의 티칭 팬던트 없이 직접교시 가능하도록 Cockpit 시스템 구현 (로봇 말단부에 부착된 버튼을 이용해 좌표 저장/ 티칭 모드 선택) - 일반적인 경로점의 직접교시 기능의 지원 뿐 아니라 다양한 작업(Pick, Place, Stacking, Screw, Insert 등)에 대한 원터치 형식의 직접교시 지원으로 복잡하고 정교한 작업의 교시데이터를 생성하는 강점 |
| 한화정밀기계 |  |
- 작업자는 손으로 로봇을 움직여 프로그래밍하는 핸드가이드 티칭과 로봇의 이동 경로를 직접 입력할 수 있는 패스 레코딩을 사용하여 더 직관적으로 로봇 교시 가능 - 핸드가이딩 형태의 직접교시와 연동되는 Rodi(HCR 소프트웨어)는 직관적인 UI로 각 명령어가 아이콘으로 구성되어 간단한 클릭만으로 프로그래밍이 가능하며 비디오 에디터 프로그램 구조로 작업별 소요시간 정보를 직관적으로 전달하여 공정 설계 시 매우 편리함 |
| UR |  |
- UR사는 UR+라는 독특한 개방형 솔루션 공급체계를 가지고 있음. UR+를 통해 직접교시의 빈피킹 응용기술인 ActiNav 공급 - ActiNav는 비전 프로세싱, 충돌 없는 모션계획, 자율주행 실시간 로봇제어 등을 동기식으로 처리해 일반적으로 빈 피킹(bin picking) 애플리케이션과 관련된 복잡성 및 위험성을 제거함. 이를 통해 소규모 및 대규모 생산시설에서 랜덤 빈 피킹 구성에 적용되는 시간을 단축 - ActiNav는 UR5e, UR10e, e-시리즈 협동로봇, UR+ 구성요소, 사용자 정의 엔드 이펙터, 응용 프로그램 스페시픽 프레임, 고정장치 등과 연결되어 작동 가능함(사용자의 필요에 따라 3D센서 선택옵션을 비롯해 자율동작모듈, 액티나브 UR캡 사용자 인터페이스 소프트웨어가 추가로 제공됨) |
| KUKA |  |
- Ready2pilot로 불리는 산업용 로봇의 직접교시 장치를 개발. KUKA의 거의 모든 라인업에 적용 가능(세계최초의 산업용 무선연결 교시장치로 KUKA의 산업용 로봇의 누적된 경험과 티칭장치 노하우가 집적됨) - 로봇 말단부에 위치한 입력장치(6D 마우스)를 이용해 핸드가이드형태의 직접교시를 할 수 있으며 정밀 위치 기반의 교시를 직관적이면서도 매우 정교하게 수행할 수 있음 - 정밀도가 높은 용접작업부터 낮은 팔레타이징까지, 소형 로봇에서 대형 로봇에 이르기까지 Ready2pilot을 사용하면 다양한 요구 사항을 간단하게 마스터 할 수 있음 |
| FANUC |  |
- Fanuc이 제공하는 직접교시 기술은 KUKA의 Ready2pilot와 유사한 방식으로 구성된 직접교시 장치를 공급하며 이를 로봇의 말단부에 부착함. 말단부에 위치한 입력장치에는 사용자의 의도를 파악할 수 있는 힘센서와 티칭모드, 조그모션 등을 설정할 수 있는 기능버튼 및 비상정지 스위치가 장착됨. 힘센서를 통해 로봇 말단의 위치와 자세에 대한 직접교시가 가능하도록 함 - 사용자로부터 인가된 힘을 입력으로 하여 포지션을 출력하는 전형적인 어드미턴스 직접교시 제어방식으로 다른 제품의 직접교시 솔루션에 비해 상당히 투박하나 큰 가반하중(35kg)의 로봇에도 저렴한 비용으로 직접교시 기술을 적용할 수 있다는 장점이 있음 |
| Franka |  |
- Panda(Franka Emika의 협동로봇)는 중력과 마찰을 보정하여 인지한 무게를 최대 60 배까지 줄여 핸드가이드 형태의 교시 모드를 제공하여 매우 부드러운 교시 모션 생성 (로봇의 7개 관절 내부에 설치된 토크센서를 이용하여 매우 민감한 센싱 및 반응이 가능하여 교시 상황에 따라 로봇의 반응을 부드럽거나 단단하게 변경) - 다양하게 구비된 말단장치에 따라 로봇 앱 선택이 가능하여 시스템 전체의 복잡성을 통합하고 피킹, 삽입 및 나사 체결과 같은 전형적인 생산공정에 적용 가능. - 연구 용도를 목적으로 하는 고객을 위해 C++ 작업환경 뿐 아니라 ROS와 호환성을 제공(Franka Control Interface)하여 매우 효과적으로 사용자의 목적에 맞추어 추가 기능 구현 |
3) 국내 기술개발 동향
- 티칭 정밀도 향상 기술 : 티칭 정보 압축 및 보정 기술
① 일반적으로 직접교시는 경로점을 교시 및 저장하고 재현시에는 기억된 경로점을 통과(직선, 원호 등)하도록 제어됨. 그러나 많은 경우 경로점의 교시로는 부족하며 전체 경로(궤적)를 교시하고 재현해야 할 필요성이 있음. 대부분의 협동로봇에서는 이러한 기능이 존재하지 않음
② 이러한 문제를 해결하기 위하여 한국기계연구원과 한양대학교는 궤적 전체를 교시하기 위해 교시된 궤적 데이터를 정보의 소실 없이 압축하고 재현시 재 구성할 수 있는 기술과, 사용자가 로봇의 말단을 잡고 직접 교시작업을 수행할 경우 사용자의 경로 교시 모션에는 매우 많은 외란이 포함되어 있으므로 이를 배제함으로써 교시위치오차와 재현 위치오차를 최소화하기 위한 기술을 개발함
- 양팔로봇의 직접교시 기술 개발
① 산업용 로봇은 수직다관절형태의 6축 또는 7축의 단팔 로봇이며 협동로봇의 경우도 동일함. 그러나 근래에 들어 인간작업자에 의해 구현되는 수작업의 일부를 로봇으로 대체하고자 하는 노력들이 있으며 이를 위해 양팔로봇이 개발되고 있음
② 양팔로봇은 2가지 모드로 동작하는데 하나는 양팔의 독립동작 모드, 또 하나는 양팔의 협조동작 모드임. 양팔의 독립동작 모드에서는 각각의 팔은 하나의 7축 로봇팔과 같이 동작하므로 기존의 단일팔용 직접교시 기술을 적용하는데 문제가 없음. 그러나 양팔동작 모드에서는 두 팔이 동기되어 동작하여 하나의 물체를 핸들링하게 되어 있으므로 양팔의 유기적인 움직임을 동시에 정확히 교시하여야 하므로 기존의 직접교시 방법은 적용이 불가능함. 따라서 사용자는 한팔을 교시하고 로봇은 사용자의 교시명령과는 무관하게 스스로 두 팔의 동기동작 관계를 유지하도록 제어하는 형태의 새로운 직접교시기술이 연구되었음
- 범용의 산업용 로봇에 적용 가능한 직접교시 기술 개발
① 협동로봇의 큰 특징 2가지는 협업 안전성과 직접교시에 의한 사용편의성임. 근래에 협동로봇이 크게 각광받으면서 직접교시기술에 대한 관심이 크게 증가함. 그러나 직접교시는 협동로봇의 전유물이 아니며 기존의 산업용 로봇에도 매우 유용한 기술임
② 협동로봇과 달리 일반적인 산업용 로봇은 로봇의 개발단계에서 직접교시 기능이 고려되어 있지 않음. 따라서 직접교시기능을 부가하기 위해서는 개발단계부터 다시 시작하여야 하므로 많은 기업들이 직접교시 기능을 포기함
③ 이러한 이유로 한국기계연구원에서는 기존의 산업용 로봇의 말단에 부착하면 직접교시 기능이 부가되는 “산업용 로봇 직접교시 장치”를 개발함. 이 창치를 산업용 로봇의 말단에 부착하면 티칭 팬던트가 로봇의 말단에 부착된 효과가 발생하여 어드미턴스제어나 임피던스제어가 불가능한 기존의 위치제어기반 산업용 로봇도 직접교시기능을 간단히 구현할 수 있음
4) 국외 기술개발 동향
- 중소기업에서 활용 가능한 로봇을 위한 직접교시기술 : SMErobot 기술
① 유럽의 SMErobot 프로젝트를 통해서 로봇 머니퓰레이터의 사용을 단순화할 목적(로봇 비전문가의 로봇 사용가능성
증가 목적)으로 직관적 교시의 응용 방법에 관한 활발한 연구가 진행됨
② 작업장은 작업물이 컨베이어 벨트 상에서 지속적으로 흘러가는 Automatic area, 작업자가 조립작업을 진행하는Assembly area, 그리고 두 영역 사이의 Transfer area로 나눠짐
③ 로봇 머니퓰레이터는 Automatic area의 컨베이어 벨트 상에서 지속적으로 공급되는 기어박스를 들어올려서 Transfer area를 지나서 Assembly area로 자동으로 운반해 옴. 이후, 작업자는 직접교시 작업의 시작을 알리는 버튼을 눌러서 자동운전 모드에서 직접교시모드로 변환함.
④ 자동운전 모드에서 협력모드로 변환되면 로봇은 사용자의 지시에 의해서만 운전됨. 작업자는 머니퓰레이터 상에 부착된 핸들을 잡고 로봇을 직접적으로 교시하여 로봇 말단에 부착된 기어박스의 위치와 방향을 원하는 대로 조절할 수 있음. 기어박스가 원하는 대로 자세를 잡으면 작업자는 기어박스에 조립작업을 수행하며, 이때 로봇은 정지 상태를 유지하며 작업물의 자중을 지지함. 조립작업이 완료되면 머니퓰레이터는 기어박스를 Automatic area로 다시 운반하여 컨베이어 벨트 상에 올려둠으로써 다음 공정으로 움직여 가도록 함
⑤ 안전을 위하여 Automatic area, Transfer area에는 작업자가 들어갈 수 없으며 조립을 위한 인간과 로봇의 협력 작업은 Assembly area에서만 허용됨
- Teaching by Demonstration (TbD) 기술 : 직접교시와 AR 기술의 결합
① 대부분의 직접교시 기술은 로봇의 말단에 사용자가 물리적인 힘을 인가함으로써 사용자의 의도를 전달하고, 의도를 이해한 로봇은 사용자의 의도에 적합한 궤적명령을 수행함. 그러나 많은 로봇 응용 공정에서 이와 같은 물리적 힘 전달에 의한 의도전달은 한계가 있어 작업에 대한 직접 데모를 통해 로봇이 작업자의 의도를 이해하도록 하고자 노력하고 있음
② 이와 같은 이유로 Cornell대학에서는 AR기술을 이용하여 작업자가 기존의 방식보다 더 풍부한 교시 정보를 생산하고 이를 로봇이 이해하는 기술을 개발함. 사용자는 AR기능이 탑재된 고글을 장착함으로써 로봇이 이해하는 정보와 동일한 정보를 공유할 수 있으며, 여기에서 3D 프린팅을 위한 보조 정보를 생산함. 로봇은 이 정보를 이해하고 작업자의 가이드에 맞추어 원하는 형상의 3D 프린팅을 수행하게 됨. 본 연구의 응용분야는 3D 프린팅 분야에 한정되어 있으나 AR기술이 적용되면 기존 직접교시기술에 비해 훨씬 다양한 분야에서 효과적인 직관교시 수단이 구현 가능함을 보여주고 있음
- 조립작업의 직접교시
① 기존의 산업용 로봇은 조금만 작업이 복잡해도 숙련된 소프트웨어 엔지니어에 의한 프로그래밍이 필수임. 특히 조립과 같이 난이도가 극히 높은 작업은 이러한 경향이 더욱 강함. 이 때문에 조립작업 자동화의 기술적 난이도는 별도로 하더라도 조립작업의 교시는 또 다른 기술적 난관이 됨
② 이러한 이유로 스웨덴의 Lund 대학에서는 시연을 통한 로봇 학습(LfD)과 시연을 통한 로봇 프로그래밍(PbD, 모방학습이라고도 함)을 적용하여 조립작업을 수동으로 프로그래밍하지 않고도 로봇이 자동으로 작업을 계획/수행 할 수 있는 티칭기술을 위한 새로운 패러다임을 연구함. 아직 연구의 극히 초기 단계이나 매우 중요한 방법론임
3. 직접교시기술 시장 현황
1) 시장규모 및 전망
- 직접교시기술은 단독의 시장을 가지고 있지 않으며, 직접교시기술의 대부분은 협동로봇에 적용되므로 직접교시 기술의 시장 전망을 협동로봇의 시장규모와 전망으로 대체함이 타당함
① 협동로봇 시장규모는 현재의 산업용 로봇 시장규모에 비해 매우 작으나 매우 높은 성장률을 보이고 있음. 협동로봇 시장은 2015년까지 제조로봇의 1%에 불과하지만, 2025년까지 37% 규모(92.1억불)로 성장할 것으로 기대됨
② 협동로봇의 성장세는 가히 폭발적이며 이에 따라 협동로봇에서 요구되는 직접교시기술의 수요도 비례하여 증가할 것으로 예상됨
③ 직접교시 기술은 로봇이 사용편의성 개선이라는 목적에서 출발한 기술이므로 현재는 협동로봇 위주로 직접교시 기능이 요구되고 있으나 향후에는 범용 제조로봇 대부분에도 직접교시기술이 탑재될 것으로 예상됨
4. 직접교시기술의 미래전망
1) 협동로봇과 조립로봇의 결합 : 직접교시 기술의 새로운 수요
- 단순반복·대량생산을 수행하는 대기업 중심의 전통적인 산업로봇 시장의 성장 속도에 비해 소품종·변량생산과 인간-로봇 공동생산에 적합한 협동로봇 시장의 성장이 훨씬 더 크게 예측되고 있음. 협동로봇은 더 안전하고, 더 사용이 편리하고, 더 빠른 시간에 셋업 가능하도록 발전해 나갈 것임
- 전통제조로봇과는 달리 협동로봇은 Pick&Place 작업과 같이 자유공간상에서의 이송과 관련한 공정을 넘어서 로봇이 작업물과 변화무쌍한 접촉력을 교환하면서 최종 작업이 완성되는 조립공정(기어·엔진 등 기계 장치의 조립과 커넥터·볼트·케이블 등 IT/전자 장치의 조립 등)의 자동화에 적용 가능한 로봇기술로 발전해 나갈 것임
① 자동차 제조라인과 달리 전기전자, 물류 등 신규 자동화 수요는 공정의 표준화가 어렵고 작업의 난이도가 매우 높으며 생산라인의 수명이 매우 짧아 기존 제조로봇의 적용이 매우 어려움. 전자제품 생산라인 중 조립과 관련된 약 70%의
공정은 완전히 수작업에 의존하고 있어 조립공정의 자동화 요구는 매우 높으며 차세대 산업용 로봇 시장을 이끌어갈 주요 동력원임
[표] A사 생산라인의 인원구성의 예
| 제품 | 전체 인원 | 조립 인원 | 검사 | 기타 | 생산 공정의 특징 |
| 냉장고 | 275명 | 151명 | 17명 | 107명 | - 생산라인의 변경이 잦아 생산라인의 유연성확보가 매우 중요 - 조립 등 고난도 공정 비율이 높음 - 이러한 이유로 자동화 비율이 매우 낮음 (조립/검사관련 공정은 거의 수작업) |
| 에어컨 | 54명 | 29명 | 6명 | 19명 | |
| Car Audio | 80명 | 48명 | 28명 | 4명 | |
| 모바일 IT | 26명 | 19명 | 7명 | - |
- 이와 같이 협동로봇과 조립로봇은 완전히 별도의 기술을 추구하며 발전하고 있는 제품군이지만 조립공정 자동화에 적용 가능한 협동로봇으로 병합되어 발전할 것으로 예상됨
① Pick&Place 공정의 교시 위주로 개발되는 직접교시 기술은 복잡도가 극히 높은 공정을 어떻게 효과적으로 교시할 것이냐가 관건임
② 현재의 티칭 기술로는 이러한 복잡하고 다양할 뿐만 아니라 작업도중에 로봇과 공통의 공간에서 접촉하는 상황을 고려한 범용적인 로봇 티칭방법은 존재하지 않음
- 향후 제조로봇의 시장 지배력을 확보하기 위해서는 조립과 같은 고난도 작업의 효과적 티칭기술의 구현이 매우 중요하므로 대부분의 로봇 메이커는 고난이도 작업 티칭 기술 확보를 위해 매진할 것으로 예상됨 (볼팅, 드릴링, 삽입 등 기초 작업 단위의 조립 동작에 대한 티칭과 같이 저수준의 단위 조립공정 티칭 솔루션은 가까운 미래에 상용화 될 것으로 예상되며 조립작업에 대한 범용적인 티칭기술은 장기간의 기술개발이 요구됨)
2) 직접 교시기술의 범용화 및 모듈화
- 제어기, 그리퍼, 비전 등과 마찬가지로 티칭장치도 독립적인 제품(모듈)으로 성장할 가능성이 높으며, 이 경우 티칭장치는 범용성을 갖추어야 하므로 직접교시기술의 표준화(혹은 주요 메이커들과의 완벽한 호환성 구현)는 불가피함
① 산업로봇에서 로봇제어기 및 주변장치 기술은 아직 제조사별로 독립적으로 개발되고 있어 표준화가 이루어지고 있지 않음. 다만 판매량에서 압도적 상위를 점하고 있는 소수의 제조로봇 제조업체들의 인터페이스와 호환되도록 SI업체 및 주변장치 업체들이 지원하고 있으나 여전히 장비 사이의 융합에 큰 걸림돌로 작용하고 있음
② 협동로봇에서 이와 같은 비표준화 인터페이스의 상황은 더욱 열악함. 직접교시를 비롯한 교시솔루션기술은 로봇 제조 기업별로 별도 사양으로 개발되고 있으며 로봇기업 사이의 상호 호환성은 전혀 고려되고 있지 않음
③ 그러나 점차 협동로봇의 생태계가 그 형태를 잡아감에 따라 UR의 UR+에서 잘 나타나듯이, 로봇기업과 제어기 기업, 그리퍼 기업, 비전솔루션 기업 등이 서로 협조체제를 갖추어야만 시장지배력을 강화할 수 있으므로 부가 장치의 모듈화 추세는 강화될 것으로 예상됨
5. 결론
1) 향후 직접교시기술 R&D 방향
- 고난이도작업(조립작업)용 직접교시기술 확보 : 직접교시기술을 통한 (협동)로봇제어기 기술우위 획득
① 중국 로봇기업들이 급성장하여 군소 제조로봇 메이커가 급격히 증가하고 있음. 따라서 우리나라 로봇기업이 높은 인건비에도 불구하고 중국에 비해 기술적 우위를 점하기 위해서는 로봇 제어기 기술에서 확실한 기술격차 확보가 매우 중요함. 이를 위해서는 직접교시 기술에서의 기술우위 확보가 매우 중요함
② 현재의 로봇기술로 자동화가 가능한 거의 모든 공정은 자동화되어 있는 상태이므로 향후 로봇에 의한 자동화 수요(특히 고부가가치의 자동화 수요)는 조립 공정(케이블 핸들링 공정 포함) 자동화 등 현재의 제조로봇으로는 적용이 불가능한 수요가 이끌어 갈 것임
③ 현재 국내 협동로봇을 중심으로 기업이 개발하고 있는 교시기술은 로봇 말단의 위치·방향의 경로점 직접교시인데 단순한 형태이면서도 광범위하게 사용되는 교시방법이기는 하나 조립작업과 같은 복잡공정(고난이도공정)의 교시에는 적합하지 않음. 따라서 이들 고난이도 공정에 적용 가능한 직접교시기술의 개발이 매우 중요함
- 차세대 직접교시기술 개발 필요 : AR/VR기술과 융합된 직접교시기술 획득
① 현재의 직접교시기술은 작업자와 로봇의 물리적 접촉을 통해 작업자의 의사를 전달하는 방식이 주류를 이루고 있음. 이는 비교적 기술적 난이도가 낮고 구현 비용이 비교적 저렴하여 최종 생산된 협동로봇 시스템의 가격경쟁력에 영향을 주지 않기 때문임. 그러나 직접교시의 목적은 사용자의 의도를 로봇에 전달하는 것인데 로봇과 작업자의 물리적 접촉 패턴만으로는 복잡한 의도를 파악해 내는데 근원적으로 한계가 있음
② AR/VR 기술은 로봇 사용자의 다양한 작업의도를 더욱 효과적으로 전달하는 수단이 될 수 있을 뿐 아니라 근래에 급격히 기술개발이 이루어지고 있으므로 비교적 짧은 기간에 직접교시기술과의 융합이 가능함. 더욱이 점차 공정이 다양화되고 복잡화됨에 따라 사용편의성 뿐 아니라 얼마나 다양하고 복잡한 공정에 적용 가능한가(공정의 범용성) 가 시장 경쟁력의 주요 요인으로 작용할 것이므로 AR/VR기술을 적용한 새로운 형태의 직접교시 기술 개발이 매우 중요함
③ AR/VR기술과 융합된 직접교시기술은 로봇에 통합된 기능으로서의 직접교시 기술을 넘어 그리퍼, 힘모멘트 센서 등과 같이 완전히 독립된 제품군으로 자리 잡기에 월등히 유리함. 따라서 로봇 매출 규모에서 일본 등 선발 기업에 비해 불리한 위치에 있는 우리기업들에게는 훌륭한 대안이 될 수 있을 것으로 사료됨
협동로봇의 적용범위 확대를 위해 직접교시기술 개발이 필요한 시점입니다. 자동화에 적용되는 로봇의 사용자 친화적 티칭 솔루션 보유 여부가 협동로봇의 경쟁력의 큰 영향을 미친다고 합니다.
특히나 작업의 난이도가 높아 자동화를 하지 못하고 수작업으로만 수행하는 고난이도 작업에도 적용이 가능한 협동로봇이 발전해 가고 있는 시점에서 직접교시기술은 더욱 중요할 것 같습니다.
로봇을 자동화하기 위해 우리가 원하는 작업을 티칭하는 기술, 이 또한 기업의 경쟁력이라고 할 수 있겠네요.
오늘도 유익한 정보가 되셨길 바랍니다.
감사합니다. ^^
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