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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