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스마트공장

[테마] 국내 로봇기업들, 협동로봇의 날개를 펴다

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지난 9월 킨텍스에서 진행된 ’2017 로보월드’ 전시회에서는 국내 최대의 로봇 이벤트답게 폭넓은 이슈들을 제시했다. 특히 올해에는 협동로봇에 대한 관심이 더욱 높아진 가운데, 국내 로봇 전문기업들의 협동로봇 출시와 런칭이 이어져 새로운 협동로봇 국내 경쟁시대를 예고했다. [편집자 주]

두산로보틱스 - 2017 로보월드 부스

두산로보틱스 – 2017 로보월드 부스 (사진. 아이씨엔)

국내 최대규모의 로봇 이벤트인 ‘2017로보월드(국제로봇산업대전)’가 9월 13일부터 16일까지 일산 킨텍스 전시장에서 열렸다. 총 나흘간 일정으로 진행된 ‘2017 로보월드’는 산업통상자원부가 주최하고 한국로봇산업협회, 한국로봇산업진흥원, 제어로봇시스템학회가 공동 주관하는 국내 최대 로봇 전시회로 알려졌다. 올해 전시회에서는 ’스마트 인더스트리, 스마트 라이프!(Smart Industry, Smart Life!)’를 선포했다.

9월 13일 개막식에는 산업부 이승우 정책기획관을 비롯해 신현우 로봇산업협회 회장 등 국내 관계자들과 러시아 로봇협회 비탈리 네델스키 회장, 싱가폴 자동화협회 올리버 티엔 회장, 말레이시아 로봇협회 이쉬칸다르 회장, 프랑스 이노에코 캐서린 시몽 회장 등이 함께했다.

올해로 12회째를 맞는 로보월드는 국제로봇산업대전, 국제로봇콘테스트 & R-비즈 경진대회, 국제로봇기술포럼, 로봇 빅쇼(제품 시연회) 등 다채로운 행사가 준비됐다. 올해는 글로벌 모바일비전(GMV), 글로벌 소재부품산업대전(IMAC)도 함께 열려 전시장을 찾는 관람객들에게 풍성한 볼거리를 제공했다.

개막식에 이어 스위스 F&P로보틱스 프루 한스 루돌프(Fruh Hans Rudolf) 대표를 비롯해 한화테크윈 신현우 대표, 고려대 송재복 교수, 두산 로보틱스 장준현 CTO 등이 ‘4차 산업혁명 시대를 주도하는 스마트 제조(협동로봇) 발전 전망’을 주제로 기조 발표가 진행됐다. 일본 ZMP의 타니구치 히사시 대표는 자동운전기술의 응용에 대해, 국민대 김정하 교수가 무인차량기술의 미래에 대한 발표를 진행했다.

특히 올해 전시회에서도 협동로봇에 대한 관심은 출품업체, 참관객들 모두에게서 지대했다. 두산로보틱스가 이번 전시회에서 협동로봇 런칭이벤트를 대규모로 진행하며 협동로봇의 이슈 모으기에 집중했다. 한화테크윈도 최근 런칭한 자체개발 협동로봇을 더욱 업그레이드해서 내놓았다. LCD 이송로봇 전문기업인 로보스타도 양팔형 협동로봇을 선보였다. 뉴로메카도 협동로봇 ‘인디7’을 전시회를 통해 출시했다.

또한 가이텍코리아는 리씽크사의 협동로봇 ‘박스터’와 ‘소이어’를 선보였으며, 일진매카닉스는 테크맨로봇의 협동로봇 ‘TM-5’를 국내시장에 소개했다. 유니버설로봇, 스모키로보틱스, 콴타그룹 등의 협동로봇도 출품됐다.

한화테크윈 협동로봇

한화테크윈 협동로봇 (사진. 아이씨엔)

협동로봇으로 집중되는 이목

국제로봇연맹(IFR)에 따르면 세계 로봇시장은 글로벌 금융위기 이후 연평균 18% 내외 성장률을 기록하고 있다. 특히 산업용 로봇은 자동차와 전자산업계의 로봇 자동화 도입 확산에 따라 연평균 20%의 증가율을 보였다. 향후 4차산업혁명 시대의 본격 도래로 산업용 로봇과 서비스 로봇 등 로봇 시장이 크게 성장할 것으로 기대되고 있다. 특히 산업용 로봇 시장은 전통적인 산업용 로봇의 경량화 및 저가격화가 가속화되면서 협동 로봇 시장이 급부상할 전망이다.

산업용 로봇의 도입 실적을 나타내는 지표인 ‘로봇 밀도’를 보면 전 세계적으로 평균 로봇 밀도는 종업원 1만명당 로봇 69대에 달한다. 국가별로 보면 한국이 1만명당 로봇 531대를 보유하면서 현재 선두를 달리고 있으며, 싱가포르(398대)와 일본(305 대)이 뒤를 잇고 있다. 전세계 산업용 로봇 수출액의 국가별 비중은 일본이 앞선 기술력을 바탕으로 39.2를 차지하고 있으며 독일 15.4%, 미국 4.7%, 한국 4.3%, 중국 3.7% 등의 순으로 나타났다.

국제로봇연맹(IFR)이 출판한 ’2016 세계 로봇 보고서(World Robotics Report 2016)’에 따르면 아시아 기업들의 산업용 로봇 시장을 견인하고 있다. 2015년 한 해만도 아시아 지역 연간 로봇 판매량은 전년대비 19% 증가한 16만600대로 4년 연속 신기록을 이어갔다. 이 보고서에 따르면 중국은 세계에서 가장 큰 산업용 로봇 시장으로, 호주 및 뉴질랜드를 포함한 아시아 지역 전체 매출의 43%를 차지했다. 이어 우리나라가 24%, 일본이 22%를 차지하고 있다.

루프벤처스에 따르면 2025년까지 판매되는 산업용 로봇의 34%를 협업 로봇이 차지할 전망이다. 협동 로봇은 공장에서 사람들과 함께 안전하게 작업하도록 설계된 것으로 지난해는 전체 로봇 판매의 3%에 불과했다. 협동 로봇은 2만 5000달러에서 4만 5000달러 정도로 통상 10만 달러가 넘어가는 기존 산업용 로봇에 비해 저렴하다. 가격이 저렴해 중소기업들도 로봇 도입을 적극적으로 검토할 수 있다.
이처럼 협동 로봇 시장이 급성장할 것으로 예상되자 한화테크윈, 두산DRA 등 대기업들이 협동 로봇 시장에 적극 진출하고 있으며 푸른기술, 뉴로메카 등 신규 업체들이 속속 협동 로봇 시장에 가세하고 있는 상황이다.

유로메카 협동로봇 시연 장면

유로메카 협동로봇 시연 장면 (사진. 아이씨엔)

국내 로봇 중장기 로드맵 발표
이번 2017 로보월드에는 우리나라를 비롯해 16개국 150개사가 480부스 규모로 참여했다. 해외 업체들은 15개국에서 41개 부스를 마련했다. 전시회 품목은 제조용 로봇, 공장자동화, 협동로봇, 전문·개인 서비스 로봇, 의료·재활로봇, 무인기·드론, 3D프린팅, 로봇부품/SW 등이다.

시장창출로봇보급사업 홍보관에는 ㈜로보프린트의 그래픽 벽화로봇인 ‘아트봇(ARTBOT)’, SK텔레콤의 코딩 학습용 스마트 로봇 ‘알버트(Albert)’, 로보링크의 드론 교육 플랫폼인 ‘코드론’, 헬퍼로보텍의 농업용 파종로봇과 접목로봇, 코어벨의 무인반송로봇, 아이로의 ‘로봇물고기’, 로봇트로의 델타로봇, 바로텍시너지의 항공기 시뮬레이터, HMH의 재활훈련 로봇 ‘엑소워크(EXOWALK)’, 맨엔텔의 ‘체간안정화 재활로봇’, 큐렉소 인공관절 수술 로봇 ‘티솔루션 원(TSolution One)’ 등이 소개됐다.

이번 전시회는 글로벌 대표 로봇 전시회로서 위상을 강화했다. 전시회 기간동안 해외 초청 바이어 51개국 300명을 포함해 2천명의 바이어가 행사장을 방문해 활발한 상담 활동을 진행했다는 것이 주최측의 설명이다. 로봇산업협회는 코트라·킨텍스와 공동으로 합동 수출 상담회를 개최, 글로벌 상담 활동에서의 활력을 기대했다. 특히 전시기간중에 국내 로봇 연구개발 중장기 로드맵이 발표되어 업계의 관심을 집중시켰다.

전시회 기간동안에는 국제로봇경진대회와 R-비즈 챌린지가 14일부터 16일까지 진행됐다. 로봇 콘테스트에는 10여개 국가 약 5천여명의 참가자들이 자체 제작한 로봇을 들고 나와 경쟁을 펼쳤다. 에어스포츠 경진대회, 휴머노이드 로봇 스포츠대회, 지능형 SoC 로봇워, 창작 로봇 경진대회, 스팀컵(STEAM CUP), 교육용 로봇 창의대회 등도 열렸다. 이외에도 평창올림픽 스키 로봇 챌린지 홍보 부스 운영 등 VR 체험, 스킨 프린터 등 다양한 부대 행사가 마련됐다.©

오윤경 기자 news@icnweb.co.kr

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산업용사물인터넷

Industry 4.0과 수직 통신 구현 방안

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netIOT

4차 산업혁명이란 대량의 데이터와 넓은 대역폭 만을 의미하지는 않는다. Industry 4.0과 사물인터넷(IoT) 역시 개별 필드장치로부터 클라우드에 이르기까지 수직 통신을 필요로 한다. 이는 새로운 기술과 전혀 다른 통신 인프라처럼 들릴 수도 있지만, 기존 방식을 유지한 채 기능을 추가 탑재하는 방법도 있다. 그리고, 그 솔루션이 바로 OPC UA와 TSN에 있다.

글_ 한스 위르겐 힐셔 (Hans-Jurgen Hilscher), 아민 퓌어링거 (Armin Puhringer) / 힐셔(Hilscher Gesellschaft fur System Automation mbH)

netIOT

netIOT – Industry 4.0과 수직 통신 구현 방안

 

산업용 통신(Industrial communication)은 크게 두 가지 레벨에서 나란히 병존하며 실행된다. IT(Information Technologies)는 사무실에서 이더넷 기반의 LAN과 WLAN 네트워크를 통해 각종 서버, 데스크톱 컴퓨터 및 노트북 등을 연결한다. 반면, OT(Operational Technology)는 필드버스(Fieldbus)와 실시간 이더넷(Real-Time Ethernet) 시스템을 이용하여 필드 디바이스를 컨트롤러에 연결하고, 컨트롤러는 다시 산업용 이더넷을 통해서 SCADA 및 프로세스 제어 시스템과 통신한다.

하지만 Industry 4.0을 구현하기 위해서는 IT 및 OT 환경을 융합이 필요하다. 이 경우, RAMI 4.0(Reference Architectural Model Industry 4.0)은 IT와 OT가 융화된 완전한 모델로 통합하기 위해 미래형 산업용 통신 구조의 기반이 된다. 여기서 통신 계층이 중요한 역할을 하여, 물리적 필드 계층(physical field layer)과 상위 정보 계층(overlying information layer) 간에 연결 고리 역할을 한다. 이러한 레퍼런스 아키텍처의 목적 중 하나는 개별 필드장치에서 클라우드로 확장되는 일체의 통신 인프라 구축에 있다. 바로 여기에서 사물인터넷(IoT)의 산업계로의 진입이 이루어진다. IT와 OT의 통합에 따라, 시스템 역시 공간적 제한이 없는 셈이다.

이를 실현하기 위한 미래의 표준 기술로 OPC UA(OPC Unified Architecture)와 TSN(Time Sensitive Networking)이 부상하고 있다. 이러한 기술들은 기존의 통신 인프라를 매끄럽게 통합하고 새로운 애플리케이션을 구현할 수 있는 수직 통신을 가능하게 한다.

새로운 기능을 갖춘 검증된 기술

미래 산업용 통신은 상당히 높은 대역폭이 필요하기 때문에, 기가비트 이더넷을 사용해야 한다. 또한, Industry 4.0을 실현하기 위해서는 통신 인프라 역시 높은 수준의 서비스 품질을 제공해야만 한다. 바로 이러한 요구를 충족하는 것이 OPC UA TSN이다. TSN은 기존 이더넷 표준을 최적화하여 낮은 지연시간, 사이클 타임의 보장 및 신뢰성 향상 등을 충족시킨다. OPC UA는 버추얼 디스크립션(virtual description)을 통해 필드 디바이스에 대한 종단간 시맨틱(semantics)을 구현한다.

아울러, IEC 62948 표준은 무선 전송 지연과 신뢰성을 보장하기 위해 산업용 WLAN 영역에서 더욱 향상되고 있다. 양자 모두 일선 기계 및 생산 셀 레벨에서 실시간 통신에 필요하기 때문이다. OPC UA는 정보 모델의 추가를 통해 이전 디바이스 당 비트와 바이트를 해석하던 문제를 해결하며 정보 교환 및 검색을 위한 통신 인프라와 IEC 62443과 같은 최신 표준에 따른 보안 시스템을 제공한다.

그림 1. IT/클라우드로 전송하는 3가지 방법

그림 1. IT/클라우드로 전송하는 3가지 방법

 

기존 통신 환경과 신기술의 접목

이러한 TSN과 OPC UA를 결합함으로써 PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT 등의 기존 TCP/IP 기반 통신 네트워크와의 원활한 통합이 가능하게 되었다. 결국, TSN이 적용된 OPC UA는 이미 다양한 하드웨어와 소프트웨어 에코시스템 분야에서 전세계적으로 검증된 뛰어난 내구성의 이더넷 기술과 호환 가능하게 된다.

TSN 기능을 겸비한 실시간 이더넷(Real-Time Ethernet) 시스템을 구축함으로써 다양한 기계와 생산 단위의 컨트롤러 간의 직접적이고 동기화된 수평적 통신이 가능하며 이들 기능을 이용한 TCP/IP 인터넷 통신 덕분에 추가적인 수직 통신도 최초로 가능하게 되었다. 이는 기존의 로컬, 광역, 혹은 글로벌 기업 네트워크를 통해 생산 시스템의 개별 구성요소에 관한 정보를 제공할 수 있다.

OPC UA TSN을 적용함으로써, 기존 네트워크 구조를 통해 정보의 수직 또는 수평적 흐름이 가능하게 되고, 이는 지연시간의 최소화, 대역폭의 극대화 및 높은 수준의 서비스 품질은 물론 전반적으로 강력한 기능을 보장한다.

클라우드 연결: 현재의 표준화를 통한 미래 조명

독일 하터스하임(Hattersheim)에 있는 힐셔(Hilscher Gesellschaft fur Systemautomation)는 4차 산업혁명의 접근 방식과 핵심을 조기에 인식하여, 당사의 netIOT 통합 솔루션을 적용, 모든 필수 통신 시나리오 모델의 산업용 클라우드 통신에 필요한 기술을 개발하였다. 여기에는 다음의 3가지 핵심 시나리오가 있다:

1) 브라운필드 연결
많은 생산 설비의 핵심 과제는 제조 환경 내 다른 실시간 이더넷(Real-Time Ethernet) 데이터에 영향을 미치지 않으면서 추가 수직 정보를 클라우드/IT에 병행 전송하는 것이다. 이는 PROFINET이나 EtherNet/IP가 제공하는 비(非) 실시간 전송 채널을 통해 구현될 수 있다. 여기서 가능한 것이 바로 OPC UA통신이라고 할 수 있으며 에지-게이트웨이(edge gateway)가 이에 적합한데, 에지-게이트웨이의 OPC UA 서버는 시스템 토폴로지를 파악하여, 상위 수준의 IT/클라우드로 전송 가능한 정보 모델을 생성할 수 있다.

netIOT 에지 게이트웨이는 제조 네트워크와 IT 네트워크를 연결하고 이것을 다시 클라우드로 연결할 수 있다. 개별 사용자 그룹에 대한 관리 권한과 미리 정의된 기능을 제한할 수 있는 역할 관리와 같은 추가 기능도 실행 가능하다. 또 다른 특수 기능인 수동 모드는 에지 게이트웨이가 패킷 스니퍼(packet sniffer)와 같은 데이터에 부정적인 영향 없이, 즉, PLC를 변경하지 않고 데이터를 읽을 수 있다.

내장되어 있는 에지 서버는 실시간 이더넷(Real-Time Ethernet) 시스템 프로토콜을 파악하여, 비 주기적 서비스를 통해 디바이스를 식별하고 자산 관리용 클라우드에 이를 등록할 수 있다. 힐셔는 다중 클라우드 전략을 지향하며, IBM의 Bluemix, Microsoft Azure 및 SAP 클라우드 플랫폼과 제휴해 클라우드 플랫폼을 지원한다. 수집된 정보는 LAN 또는 IT/클라우드를 통해 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 에지 게이트웨이의 블루투스 및 WLAN 인터페이스를 통해 스마트폰, 태블릿, 노트북에서 애플리케이션을 사용할 수 있다.

2) 이기종 생산 설비
두 번째 시나리오는 다양한 컨트롤러와 이더넷 시스템으로 구성된 자동화 기계들로 이루어져 있는 생산시설이다. 이들 컨트롤러는 보통 시장에 안착된 실시간 시스템 (PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT 등) 중의 하나를 통해 필드장치들과 통신한다. 이들 컨트롤러가 이미 OPC UA 서버 및 방화벽 사양을 탑재한 경우, 사실상 클라우드로의 연결에는 전혀 문제가 없다. 다만, 이들 PLC 기반 컨트롤러는 대용량 데이터 전송에 적합하지 않을 수 있고, 클라우드로 추가 정보를 제공하려면 시퀀스 프로그래밍의 변경이 필요할 수도 있다. 그러나, 이 방법이 항상 가능한 것도 아니고 시스템 오퍼레이터가 허용하지 않는 경우도 많기 때문에 오퍼레이터의 재 프로그래밍이 가능한 기계 및 생산 설비의 경우 특별히 이 시나리오(OPC UA 서버 및 클라우드 연결기능을 부가한 PLC)가 적합하다고 할 수 있다.

기계설비 공급업체는 납품 전에 전송 가능한 정보의 범위를 사전에 정의하여 조정해 두는데, 바로 여기가Industry 4.0 애플리케이션용으로 검증된 실시간 통신시스템과 PLC의 상호작용이 위력을 발휘하는 부분이다.

3) 한계가 없는 그린필드
세 번째 시나리오는 OPC UA TSN을 사용하는 센서, 액추에이터 등 필드장치의 데이터를 직접 전송해야 하는 경우로, PLC는 여기서 아무런 역할을 하지 않는다. 디바이스 데이터는 TCP/IP 이더넷 인프라를 통해 직접 이용할 수 있는데, 이 경우 필드 디바이스에 OPC UA TSN이 내장되어 있어야 한다. 디바이스 공급자들은 차세대 디바이스 제품 개발 시, 항상 이 점을 염두에 두어야 한다. IO-Link와 같은 표준에서는 시맨틱 디스크립션(semantic description)의 이점은 살리면서 비용에 민감한 필드 디바이스를 연결할 수 있도록 하고 있다.

그림 2. 마이그레이션 경로로서의 netX SoC

그림 2. 마이그레이션 경로로서의 netX SoC

 

OPC UA TSN의 진가는 바로 여기에서 발휘된다: IT/클라우드에 이르는 수직 통신 덕분에 디바이스 제조사들이 기술 스택 하나만 사용하여 새로운 애플리케이션이나 사업 모델을 개발할 수 있게 되었다.

netIOT 에지 게이트웨이를 사용하면 위에서 설명한 시나리오들 뿐만 아니라 기존 컨트롤러에 실시간 이더넷(Real-time Ethernet) 시스템을 사용하는 것과 같은 새로운 설치 요구까지도 충족할 수 있다. 그리고 현장의 모든 사물인터넷(IoT) 통신을 통합하여 상위 레벨의 이더넷 네트워크에 맵핑할 수 있다. 이를 통해 기업의 MES나 ERP 시스템에서 디바이스 데이터를 직접 사용하여 분석 작업 및 시스템 유지 관리도 가능하다. 뿐만 아니라, 모바일 기기에서도 디바이스 데이터에 직접 접근할 수 있다.

Industry 4.0에 이르기까지 시스템의 공존 보장

힐셔는 제조 산업의 모든 표준 프로토콜에 대한 연결 솔루션에 대해 오랜 경험을 축적하고 있으며, 그 동안의 노하우가 집약된 제품이 바로 netX 칩이다. netX 칩의 경우 칩 상에서 통신과 펌웨어 애플리케이션을 확실하게 분리시켜 어느 디바이스든지 기존 시스템 환경으로 손쉽게 통합할 수 있기 때문에 하드웨어 제조사는 다른 기술 구현에 대해 염려할 필요가 없다. 필요한 프로토콜만 디바이스에 내장되어 있으면 되기 때문이다.

충분한 메모리와 그에 상응하는 기능들만 갖추고 있으면 소프트웨어를 이용하여 기존 솔루션을 OPC UA TSN으로 업그레이드할 수 있다. 전송 속도는 100Mb로 제한되지만 이 정도면 시간적으로 민감하지 않은 정보(non-time-critical information)를 전송하기에는 충분하다.

컨트롤러의 로드 없이도 TCP/IP 환경을 통해 디바이스에 접속이 가능한데, 자동화 시스템을 위해서 기존 인프라나 클라우드를 통해 데이터를 직접 관리할 수 있는 바로 이러한 방법이 미래의 Industry 4.0에서 요구되는 것이다.

그림 3. 디바이스에서 디지털 트윈에 이르는 수직 통합

그림 3. 디바이스에서 디지털 트윈에 이르는 수직 통합

 

클라우드 서비스를 지원하는 게이트웨이를 통한 데이터의 사내 보유

제조 설비의 가장 중요한 요구 중 하나는 모든 디바이스, 기계, 시스템의 가동을 극대화하는 것이다. 이를 위해서 중요한 것은 예방적 유지보수(predictive maintenance)다. 자산 관리 시스템과 연계해서, 예비 부품 요청 및 서비스 주문과 같은 비즈니스 프로세스를 직접 할 수 있다. 또한, 정기 유지보수를 통해서 잠재적인 문제들을 미리 해결하다 보면 추후에 높은 생산성 달성 및 시스템 다운타임 최소화가 가능하다. 필드버스 표준화 및 필드 디바이스용 OPC UA 정보 모델부터 관리 셸(administration shell)의 표준화에 이르기까지 수직적 종단간 시맨틱 디스크립션의 기반을 형성하게 된다.

또한 결함을 미리 감지할 수 있는 특정 알고리즘이 내장형 도커(Docker) 프레임 워크를 통해 데이터에 직접 액세스가 가능하다. 이는 에지 게이트웨이에서 직접 결함을 예측할 수 있음을 의미한다. 데이터를 평가하기 위해서 고가의 별도 인프라를 구축할 필요가 없으며, 주요 공정 데이터가 시스템에 남아 있다는 것이 또 다른 이점이다.

Industry 4.0 도전과제 충족

OPC UA TSN은 다년간 현장에서 검증된 필드버스 기술을 구현하는 마이그레이션의 첩경을 제공하는 한편 수직 통신에서 전혀 새로운 애플리케이션의 구현을 가능하게 한다.

 

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성공사례

사람과 로봇의 콜라보레이션

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B&R 인간-로봇 콜라보페이션

인간과 로봇이 서로 손잡고 완벽한 조화를 이루며 협력하는 것은 인간의 오랜 꿈 중 하나이다. 인간의 세밀한 운동 기능과 경험으로부터 학습하는 능력은 유연성 측면에서 인간에게 우세한 반면에, 로봇은 꾸준한 품질과 반복성으로 지루하고 힘든 작업을 다루는 능력이 있다. 양쪽 세계의 장점을 조합한다면 기존 프로세스를 최적화하거나 전혀 새로운 프로세스를 탄생시키는 데 도움이 될 수 있다. EngRoTec는 자동차 뒷문 조립을 보여주는 그의 데모 셀(demo cell)에서 중(重)부하 로봇의 어려운 환경 하에서도 인간-로봇 협력(humanrobot collaboration: HRC)이 단순한 희망사항을 넘어서 훨씬 더 중요하다는 것을 입증한다.

B&R 인간-로봇 콜라보레이션

그림 1. 뒷문 문짝은 모든 공차를 감안하는 다중 센서 시스템에 의해 측정된다. 위치가 계산되고 그에 따라 로봇이 조정된다.

지금 이 장면은 보기만해도 인상적이다.

길이가 2.7미터에 달하고 최대 용량이 220킬로그램인 로봇이 자동차의 뒷문 문짝 전체를 장착 치구로 운반하고 있고, 그러는 동안 EngRoTec 엔지니어인 Sebastian Filk는 그의 워크스테이션의 경계를 표시하는 적색 LED 스트립 뒤에서 이것을 바라보고 있다. 만약 그가 경계선을 넘어서 발걸음을 옮긴다면, 로봇은 그의 인간 조작자가 위험에 빠지지 않도록 수밀리 초 이내에 작동을 정지하거나 충분히 감소된 속도로 작업을 지속할 것이다. Filk의 “강철로 만들어진 작업 동료”가 정지하면, 전등은 즉시 녹색으로 바뀌고 그는 안전하게 진입할 수 있다. 조작자는 두 개의 경첩을 고정시킨 후 다시 그 구역을 벗어나서 작업 프로세스를 마치도록 터미널 옆에 있는 버튼을 누른다. 그러면 로봇은 미리 조립된 문짝을 차체로 옮기고 레이저에 의해 유도되는 정밀도로 문짝을 제자리에 위치시킨다. 다시 한 번 녹색 전등이 켜져 작업물이 제자리에 배치되었고 안전하게 현장에 진입할 수 있음을 Filk에게 알려준다. 그가 문짝을 차체에 나사로 조일 때, 컨트롤러는 이미 바쁘게 ERP 시스템에 품질 데이터를 전송하고 다음 작업물을 요청한다. Industry 4.0에 의해 구상되는 가까운 장래에, 이러한 종류의 친밀한 팀워크는 머지 않아 정상적인 모습이 될 것이다.

로봇은 이제 서비스 제공자

집안 일 도우미와 보건 의료 서비스 로봇이 신문 헤드라인을 장식한지는 꽤 오래되었다. 직접적인 인간-로봇 협력은 작은 부품의 조립과 취급에 상당히 적합하다. 로봇은 머리 위 높은 곳의 작업이나 인간 공학적으로 바람직하지 않은 위치에서 작업을 수행해야 하는 작업자들에게는 환영할만한 업무 경감을 제공해준다. 이러한 유형의 적용에는 이동되는 질량이 작고 구동 장치가 인간에게 위험을 가져오지 않은 만큼 낮은 속도와 힘으로 움직이는 경량 로봇들이 관련된다.

중부하 로봇의 세계에서는 상황이 상당히 다르다. 안전 셀 내에서 작업하는 수백 대의 로봇이 자동차 차체 전체를 함께 용접하는 자동차 제조 분야에는 수 많은 적용 사례가 있다. “대부분의 적용 사례는 지금 이러한 조건 하에서 자동화될 수 있습니다.” EngRoTec 상무 이사 Marc Burzlaff는 설명한다. “장래의 관건은 사람을 프로세스에 포함시키고 로봇의 장점과 함께 인간의 지능을 조합하는 것입니다.” 결과는 보다 효과적이고 유연한 생산 프로세스와 조작자를 위해 향상된 작업 조건이 될 것이다. “Industry 4.0과 대량 맞춤화의 도래와 함께, 이러한 장점은 더 큰 의미를 갖게 될 것입니다.” Burzlaff는 말한다.

높은 안전도가 요구되는 중부하 로봇

동일한 물리적 공간에서 인간과 로봇이 일하고 움직이는 상황에서, 둘 사이의 접촉은 불가피하고 경우에 따라 의도적일 수 있다. 부상 위험성이 높기 때문에 조작자의 안전은 1차적인 고려사항이 된다. 이를 수행함에 있어서 적용 가능한 지침은 표준 DIN EN ISO 10218 및 ISO/TS 15066에서 찾아볼 수 있다. 특정 작업에 대해 요구되는 안전 이격거리를 최대 이동 속도 및 작업 공간 감시 요건과 함께 도출할 수 있다. 사용되는 안전 기술에 대한 요구는 상응하는 수준으로 높다.

그림 2. openROBOTICS, B&R 제어와 모션 기술, openSAFETY 광 커튼 및 SafeROBOTICS 기술 패키지를 조합하면 250 밀리 초의 안전 응답 시간이 달성된다.

그림 2. openROBOTICS, B&R 제어와 모션 기술, openSAFETY 광 커튼 및 SafeROBOTICS 기술 패키지를 조합하면 250 밀리 초의 안전 응답 시간이 달성된다.

Burzlaff는 자동차 업계에서 다수의 HRC 프로젝트를 수행해왔기 때문에 전체 안전 사슬의 응답 시간은 HRC 적용의 성공에서 성패를 가름하는 요인이 될 수 있다는 것을 알고 있다. “만약 안전 응답시간을 350에서 400 밀리초 미만으로 확보할 수 있다면 안전 이격거리를 현재의 최첨단 기술과 비교하여 최대 50%까지 줄일 수 있습니다.” 그는 설명한다. 이것은 전체적인 기기 점유 면적을 감소시킨다. 작업자는 짧은 이동거리와 보다 인간 공학적으로 설계된 크스테이션으로부터 편익을 누린다.

종래의 MRC 솔루션은 자체의 제어 시스템을 갖는 표준 로봇과 별도의 셀 제어 장치 및 안전 기술을 기반으로 한다. 시스템들 사이의 수많은 안전 파라미터와 통신의 분산 방식 관리에는 막대한 양의 개발 작업이 요구된다. “그러한 수준의 복잡도에서 500밀리초 미만의 응답 시간을 달성하는 것은 불가능합니다.” Burzlaff는 말한다.

openROBOTICS는 가능성 있어 EngRoTec는 2015년에 로봇의 지원을 받고 공차가 최적화된 뒷문 문짝 장착을 가능하게 하는 AI 로봇 제어 시스템을 개발하였다. 현장에서 입증되고 업계 협회의 승인을 받은 어플리케이션이 새로운 HRC 데모 셀에서 추가로 개발되어 왔다. “당사 고객을 위해 비용 효율적인 방식으로 이러한 시나리오를 실현 가능하도록 하는 것이 우리 잡업의 주요 핵심이었습니다.” Burzlaff는 말한다. “이를 가능하게 하기 위해 우리는 자동화 솔루션을 기본부터 모두 재평가해야 했습니다.”

EngRoTec 엔지니어들은 심층 시장 조사 후에 자유로이 설정 가능한 제어 기술에 의해 보강된 Comau 로봇을 사용하기로 결정하였다. 이 협력의 결과는 openROBOTICS라고 불리며 이러한 유형의 로봇이 전체 시스템에 밀접하게 통합되는 것을 허용한다. “Comau에서 자체의 로봇 제어 장치를 제외시킨 결과 자동화 기술의 복잡성이 현저히 줄어들었습니다. 게다가 제어, 모션 및 안전 기술에 이용된 B&R 기술과 SafeROBOTICS 기술 패키지는 엔지니어링 비용뿐만 아니라 안전 응답 시간을 극적으로 감소시켰습니다.” Comau의 로봇 판매와 마케팅 책임자인 Tobias Daniel은 말한다.

SafeROBOTICS와 함께 표준을 설정하는 B&R

이러한 솔루션은 실제로 시스템 공급자로서 의 B&R의 역할을 강화시킨다. 제어, 모션 및 통합 안전 기술을 자유로이 선택하고 구성할 수 있다. 실시간 이더넷 POWERLINK 및 openSAFETY의 수행과 B&R의 Automation Studio를 이용하여 모든 엔지니어링을 완성할 수 있는 능력은 EngRoTec의 개발자들의 마음을 사로잡았다. B&R은 또한 일련의 기술 패키지를 제공함으로써 그들의 엔지니어링 작업을 지원한다.

B&R 인간-로봇 콜라보페이션

그림 3. 바닥의 LED 스트립은 작업물 경계를 보여주고 언제 진입하는 것이 안전한 지를 표시한다.

그러한 패키지 중 하나인 SafeROBOTICS는 광범위한 상이한 작업을 위해 HRC 어플리케이션을 구현하는 데 이용될 수 있는 여러 가지 중요한 기능을 수행한다. 예를 들어, 복수의 플랜지, 연결부, 감시 및 공구 중심 지점 그리고 공간의 어느 곳에든 배치되는 20개까지의 직육면체나 평면을 동시에 안전 감시하고 실시간으로 재구성하는 것이 가능하다. 구성을 용이하게 하기 위해 이 데이터를 직접 시뮬레이션 툴로부터 적용할 수 있다.

SafeROBOTICS는 또한 로봇의 공구 중심 지점(tool center point: TCP)의 이동을 감시하고 로봇의 안전한 위치 결정, 속도 및 방향을 보장하는 안전 모션 제어 기능도 포함한다. 이러한 기능이 없다면 HRC 어플리케이션은 구현하기 어렵거나 불가능할 것이다.

이들을 이용하면 안전 어플리케이션의 응답 시간이 극적으로 감축될 수 있다. “이 어플리케이션에서 우리들은 레이저 스캐너가 작업물이 위치를 침범한 것을 검출한 때부터 구동 장치가 안전하게 차단될 때까지 안전한 320밀리초의 반응 시간을 달성하였습니다.” B&R 독일의 상무이사인 Markus Sandhofner는 지적한다.

이러한 성과는 추가적으로 EngRoTec의 전문지식으로부터 도움을 받았다. 이 회사는 지능형의 데이터베이스 지원 소프트웨어와 컨트롤러 설계를 통해 많은 하드웨어와 그 밖의 기기의 필요성을 제거할 수 있었다. 높아지는 생산성과 낮아지는 작업 부하 Burzlaff는 특히 감소된 안전 이격거리와 제어 캐비닛 점유 면적에서 고객에 대한 편익을 확인하였다. 극적으로 감소된 공간 요건은 작업자들이 커버해야 할 거리의 측면에서 생산 라인 작업자들에게 현저한 개선을 가져다 준다.

EngRoTec 데모 셀의 경우에 이것은 15% 더 작은 바닥 점유 면적, 40% 줄어든 이동 거리 및 7%의 순환 시간 축소를 의미한다. “만약 더 많은 데이터베이스 기반 작업을 수행하고 openSAFETY 광 커튼을 사용함으로써 하드웨어를 추가로 감축한다면, 응답 시간을 70밀리초 더 줄일 가능성이 있습니다. 이들은 조립 라인에서 인간-로봇 협력을 위한 거대한 진전입니다.” Burzlaff는 자신 있게 말한다. 이러한 기술을 더욱 발전시키는 것이 추구할 가치가 있는 일이라는 것은 감히 확언할 수 있을 것이다.

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디지털화는 개별 고객 맞춤형 제조를 위한 핵심기술을 제공한다

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안스가 크리벳(Ansgar Kriwet) 훼스토(Festo AG & Co. KG) 글로벌 세일즈 사업부 사장

안스가 크리벳(Ansgar Kriwet), 훼스토 글로벌 세일즈 사업부 사장

글로벌 시장은 기업 프로세스의 속도 향상과 최종 소비자를 위한 다양한 개별 맞춤형 옵션과 같은 2가지 핵심 사항을 제조기업에 요구하고 있다. 디지털화(Digitalisation)는 이러한 요구 사항을 충족시키는데 필요한 핵심 기술을 제공한다. 정보 통신 기술이 기존의 산업 기계와 융합하여 사이버-물리 시스템(CPS)을 만들어낸다. 훼스토(Festo)는 디지털화의 중요성을 강조하는 새로운 조직을 구성하여 시대의 움직임에 발맞춘 개발을 진행하고 있다.

제품의 개별 맞춤형 디자인에 대한 소비자의 요구는 현재 완전히 새로운 제품 세계를 일으키고 있다. 디지털화는 고객과 제조업체 간 양방향 교류의 공간을 열고 있으며 신속한 소프트웨어 개발은 기계 및 플랜트 건설을 위한 하드웨어 개발의 원동력이 된다. 이와 동시에 빠르게 성장하는 세계 인구를 수용하기 위해서는 비용 효율적 생산과 신속 제조가 가능한 대량 생산 제품이 필요하다. 이렇게 복잡한 생산 환경과 빠른 개발 속도는 큰 도전 과제이다.

안스가 크리벳(Ansgar Kriwet) 훼스토(Festo AG & Co. KG) 글로벌 세일즈 사업부 사장

안스가 크리벳(Ansgar Kriwet) 훼스토(Festo AG & Co. KG) 글로벌 세일즈 사업부 사장

안스가 크리벳(Ansgar Kriwet) 훼스토(Festo AG & Co. KG) 글로벌 세일즈 사업부 사장은 “공장자동화 및 프로세스 오토메이션을 위한 자동화 솔루션의 선도 업체로서 훼스토의 입지를 면밀히 검토하고 분석했다. 우리는 한편으로 기존의 구조, 제품 및 프로세스를 개발해야 하지만, 다른 한편으로는 완전히 새로운 기술, 제품 및 솔루션이 필요하다.”라고 말한다.

자동화의 진화와 혁명
고도로 자동화된 생산만이 꾸준히 성장하는 세계 인구들이 요구하는 제품을 공급하는 것이 가능하다. 글로벌 시장에서 소비자의 요구는 개발 현황에 따라 매우 다양하며 시장은 빠른 대응 속도를 요구한다. 안스가 크리벳 사장은 “디지털화는 훼스토 내의 프로세스를 가속화하여 고객을 보다 신속하게 지원한다. 훼스토의 디지털 확장 제품은 머신 설계 프로세스부터 서비스까지 고객의 프로세스를 가속화한다.” 라고 밝힌다.

제품의 대량 생산 외에도 점점 더 개별 맞춤형 제품으로 변화 발전하면서 생산 환경의 유연성에 대한 요구가 늘고 있다. 소비자는 자동차, 시계, 안경 등의 웨어러블 제품부터 맞춤형 의약품 조제까지 제품을 스스로 설계하고 구성하려고 한다. 이 모든 것은 디지털화로 가능하다.

대량 생산에 적합한 표준 제품은 여전히 중요하며 훼스토의 성공은 고객의 성공과 함께 할 때만 달성될 수 있다고 강조한다. 안스가 크리벳 사장은 이와 관련하여 “제조 비용 절감과 자원 보존은 지속적인 부가 가치를 창출하는 혁신 요소다”라고 언급한다. 그러므로 훼스토는 대량 생산품 보다 신속하고 단순화된 생산을 위한 신제품 개발에 혁신적인 힘을 우선적으로 집중하고 있다. 그리고 동시에 훼스토는 Industry 4.0의 이점을 활용하기 위해 회사 내에서 디지털 보급률을 높이고 있다.

훼스토의 진화는 또한 독일과 같은 고임금 국가에서 지속 가능한 부가가치를 보장하기 위해 인프라에 투자하고 있다는 것을 의미한다. “훼스토는 독일 슈투트가르트 인근 션하우젠에 현대적인 생산 라인을 설립했다. 이 설비는 모듈형 구조 덕분에 자동 대량 생산과 함께 소량 배치의 유연한 생산을 위한 최적화된 시스템을 구현했다.”고 밝힌다. 훼스토는 자체 공장에서 훼스토 제품을 사용하여 제품을 제조하기 때문에 훼스토는 자사 제품이 일상적으로 사용되는 방식을 정확히 알고 있다.

이러한 모든 개발에도 불구하고 관심의 중심에는 사람이 있다. 로봇은 작업자의 부담을 덜어주고 협업팀을 구성할 수 있는 곳이면 어디서든 사용된다. 작업자들은 통합형 러닝 팩토리 및 트레이닝 스테이션에서 미래의 생산에 필요한 새로운 기술을 습득할 수 있다.

훼스토의 하이브리드 및 디지털 전략
미래로의 도약은 진화만으로는 달성될 수 없다. 생존을 위해서는 근본적인 새로운 개념을 제품에 도입해야 한다. 따라서 훼스토는 혁신적인 신제품은 어떤 형태이어야 하는지 스스로에게 질문했다. “어떻게 광범위의 머신이 지능형 사이버-물리 시스템으로 이전될 수 있는가? 우리는 어떻게 생산성을 높이고 공급망을 가속화 할 수 있는가? 이 새로운 제품이 앞으로 추가로 제공할 수 있는 부가가치 및 부가가치 모델은 무엇인가? 기존 작업 중에 머신에 새로운 작업을 부여할 수 있는 방법은 무엇인가? 작업자는 머신과 어떻게 더 나은 커뮤니케이션이 가능하며 머신을 어떻게 다용도로 활용할 수 있을까?”

“스마트 폰이 10 년 전 이동 통신 시장을 바꾼 것처럼 Festo 모션 터미널도 자동화 기술을 근본적으로 뒤엎으며 자동화 기술에 혁명을 일으킬 것으로 기대하고 있다. 소프트웨어 앱과 새로운 기능 통합형 방법으로 하나의 하드웨어만으로 다양한 기능을 수행하기 때문에 전체 가치 사슬을 단순화하며 이 앱은 10개 이상의 개별 컴포넌트를 대체할 수 있다.”

훼스토 플러그 앤 프로듀스.

제조공장은 더이상 컴퓨터 센터없이는 존재하지 않을 수 없게 됐다. 플러그 앤 프로듀스.

피에조 기술, 통합형 스트로크 및 압력 센서, 모션 앱을 통한 제어 기능은 기계 및 플랜트 제조업체에게 완전히 새로운 시각을 제시한다. Festo 모션 터미널에 탑재된 역학, 전자 공학 및 소프트웨어의 융합으로 공압 제품을 진정한 Industry 4.0 컴포넌트로서의 기능과 유연한 생산을 가능하게 한다. 새로운 포맷으로의 공압 기능의 변화 및 적용은 앱을 통한 파라미터 변경으로 제어된다. 제어, 진단 및 자체 학습 작업을 위한 통합 지능형 센서로 인해 추가 컴포넌트가 필요하지 않다.

고객과의 협력 방식 또한 빠르게 변화하고 있다. 기존의 판매 채널과 함께 온라인 제품 카탈로그와 같은 고객의 온라인 매체 사용이 증가하고 있다. 훼스토는 여기에서 “디지털 고객 여정(Digital customer journey)”에 대해 말한다. 이 온라인 카탈로그는 CAD 도구를 사용한 엔지니어링 프로세스부터 제품 선택, 구성, 가상 초기화, 전체 제품 수명주기에 걸친 모니터링까지 모든 고객과의 접점을 디지털 형태로 보여준다.

“디지털화 덕분에 고객은 가상 시스템으로 생산 시스템을 설계, 시뮬레이션 및 운영할 수 있다. 따라서 사전에 시스템 모듈이 원하는대로 작동하는지 여부를 미리 알 수 있다. 유연한 생산 환경으로 발생하는 복잡성은 통합 정보를 통해 제어할 수 있다.”라고 안스가 크리벳 사장은 말한다. 시스템 작동 중에 수집된 데이터는 프로세스 및 머신 상태에 대한 완전히 새로운 통찰력을 제공한다.

클라우드 어플리케이션은 리소스 데이터를 실시간으로 유의미한 정보로 처리한다. 예방 보전은 장비 가동 중단 및 생산 손실의 위험을 줄인다. 온도 곡선, 압축 공기 소모량, 마모 데이터 또는 혼합 비율 및 누기 위치 확인은 작업자에게 열려진 다양한 가능성 중 일부 사례다. 프로세스의 ‘기계 메모리’가 생성됨으로 인해 최적의 구성 및 파라미터화를 위한 기초가 제공된다.

오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr

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