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[기획] 2023년 표준공정 모델 기반 제조로봇 실증사업(3)3회-바이오 및 화학 분야 표준공정 모델
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승인 2023.02.13  13:39:57
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한국로봇산업진흥원(원장 손웅희)은 이달 8일 ‘2023년 제조로봇 선도보급 실증사업’ 지원 과제를 공고했다. 제조로봇 선도보급 실증사업은 기 개발된 표준공정모델의 실증보급을 통해 제조업체들의 디지털 전환을 가속화하고, 로봇산업의 경쟁력을 강화하는 데 목적을 두고 있다. 진흥원은 또한 항공, 선박, 바이오· 화학 분야를 대상으로 2023년 ‘제조로봇 플러스사업(R&D 연계형)’ 지원 과제를 공고했다. 제조로봇 플러스사업은 기 개발된 표준공정모델의 실증보급을 통해 제조업의 디지털 전환 및 신시장 창출을 촉진하는 데 목적을 두고 있다.

이에 한국생산기술연구원(원장 이낙규)은 2023년도 뿌리(금속/플라스틱) 분야 제조로봇 선도보급 실증사업과 바이오ㆍ화학분야 제조로봇 플러스 사업을 지원할 예정이다.

생산기술연구원은 금속/플라스틱 분야 4대 뿌리공정(용접, 주조, 가공, 표면처리)과 바이오ㆍ화학 분야 로봇 활용 표준공정모델 개발 및 컨설팅 지원을 통해 로봇 활용도가 높지 않고 제조 환경이 취약한 뿌리 및 바이오/화학 산업의 수작업 공정에 제조로봇 보급 및 확산을 도모하여 제조업 경쟁력을 강화한다는 계획이다. 생산기술연구원은 한국로봇산업진흥원의 ‘2023년 제조로봇 선도보급 실증사업’과 ‘제조로봇 플러스 사업’과 연계해 표준공정모델의 보급 확산을 추진할 계획이다.

2023년 제조로봇 실증사업과 제조로봇 플러스 사업에 선정된 컨소시엄은 2023년 4월 1일부터 11월까지 표준공정모델 실증을 위한 로봇시스템 도입을 추진하게 된다. 한국생산기술연구원은 뿌리분야와 바이오ㆍ화학 분야 수요 조사 및 공정 분석을 바탕으로 이미 뿌리(금속/플라스틱) 분야와 바이오ㆍ화학 분야 표준공정 모델을 개발 완료 했다. 이미 개발된 뿌리(금속/플라스틱) 분야와 바이오ㆍ화학 분야 표준공정 모델을 3회에 걸쳐 소개한다.

게재 순서

1회 뿌리(금속/플라스틱) 분야 표준공정모델(1)

2회 뿌리(금속/플라스틱) 분야 표준공정모델(2)

3회 바이오 및 화학 분야 표준공정 모델

바이오/화학 산업은 크게 바이오 진단, 바이오 제약/의료기기, 바이오 소재, 일반 화학 등 분야로 구분할 수 있다. 이 분야 제조공정은 기술집약적 지식기반 산업, 다품종 소량생산 시스템, 고부가가치 제조산업 등의 특징을 지니고 있다.

▲ 사업 개요

한국생산기술연구원(원장 이낙규)은 바이오/화학산업 제조공정 개선을 위해 수작업 공정을 분석해 업종별ㆍ공정별ㆍ자동화 수준별로 분류해 로봇 활용도를 극대화할 수 있는 제조로봇 활용 모델을 개발했다. 이렇게 해서 만들어진 표준공정모델이 바로 ▲[화학]고중량물[드럼/필름롤] 핸들링용 로봇 ▲[바이오] 바이오 소재_무게칭량 ▲[바이오] 바이오 제약_이적재공정 ▲[바이오] 바이오/의료기기_앰플 조립공정이다.

한국생산기술연구원은 표준공정모델을 바탕으로 제조로봇플러스 사업을 통해 바이오/화학 분야의 제조 로봇을 확산하고, 제조경쟁력을 강화하겠다는 전략이다.

◇[화학]고중량물[드럼/필름롤] 핸들링용 로봇

<개요>

고중량물의 핸들링이 요구되는 화학공정은 작업환경 개선 및 제조/가공장비로부터의 노동자의 안전성 확보가 시급한 분야다. 뿐만아니라 고중량물 핸들링으로 인한 근골격계 질환으로 노동자들의 건강과 안전에 위협이 되고 있어 시급한 개선이 필요하다.

▲화학제품 제조공정

따라서 고중량물을 핸들링하는 화학공정에서는 공정의 신뢰성 및 작업자의 안전을 확보하기 위해 고중량물 로봇공정 개발이 요구된다.

화학제품 제조 공정의 경우, 호퍼나 파이프를 통해 원료를 투입하기도 하지만 작업자가 직접 고중량의 액상 원료를 투입하는 공정을 병행해 사용하고 있다. 드럼포장 액상 원료의 경우 작업자가 200kg의 드럼을 바닥에 눕힌 후, 호이스트를 이용해 투입하는 방식을 사용하고 있다. 수작업으로 고중량 드럼 원료를 투입할 경우 ▲투입량의 휴먼 에러 발생 ▲고중량으로 인한 작업자의 안전성 저하/근골격계 질환 발생 우려가 높다.

화학수지 가공공정의 경우도 ▲필름가공기의 와인더에서 필름롤을 추출하여 이동/포장하는 공정 ▲ 후가공을 위해 고중량 필름롤을 다시 와인더에 장착하는 공정에서 고중량 필름으로 핸들링이 자유롭지 못하고, 작업자의 부상이 빈번하게 발생한다. 특히 수작업으로 고중량물 핸들링 시, 드럼원료 투입량에 휴먼 에러가 발생하고, 필름 롤에 가해지는 압력이 높아져 필름제품 표면에 불량이 발생하기도 한다.

<표준공정 모델>

‘고중량물을 핸들링할 수 있는 로봇공정 표준화모델’은 화학제품 생산시 고중량물 원료 화물(200kg 드럼)을 이송하고 투입하는 로봇을 도입해 공정 작업자의 근골격계 부담을 경감하고 2차사고를 방지하는 데 목적이 있다. 또한 화학제품 가공공정에서 고중량 필름롤(150kg~200kg)을 이송하고, 회전시키고, 세우고, 눕힐 수 있는 로봇을 도입해 작업자들의 안전을 확보하고, 고중량 제품의 불량률을 개선해야한다.

고중량 드럼 핸들링 공정은 드럼 포장된 200kg의 액상 원료를 반응기에 투입하는 공정이다. 구체적으로 고중량물 핸들링 로봇의 작업위치로 이동, 드럼의 그립, 이송 로봇내 상차, 상차 완료후 작업장소로의 이동, 이동 완료후 드럼 피킹, 피킹 후 액체원료 붓기(pouring), 드럼 회수 및 폐기장소로의 이동 공정이 필요하다.

고중량 필름 롤 핸들링 공정은 필름롤은 편리하게 세우고 눕힐 수 있는 공정이다. 무거운 필름의 표면을 손상시키지 않으면서 고중량 롤을 그립, 롤 회전 및 적재가 용이하도록 해야 한다.

합성수지 제조 공정 흐름도상 고중량 액체 드럼 핸들링 기술은 원료 투입과, 최종 검사 및 제품 포장 단계에서 로봇을 도입해 운영할 수 있다. 필름롤 제조공정 흐름도상 롤추출, 팔레트 적재, 출하 단계에서 로봇을 적용할 수 있다.

▲합성수지 제조공정 흐름도
▲필름롤 제조공정 흐름도

고중량 드럼 및 필름롤 핸들링 로봇의 시스템 구성은 ▲로봇팔(6자유도, 가반 하중 300kg) ▲그리퍼(페이로드 200kg) ▲이동로봇시스템(하중 1톤 이상) 등으로 구성된다.

▲ 표준공정모델 시스템 구성안
▲드럼 핸들링 공정 설계안
▲필름롤 공정 설계안

표준 공정 모델의 적용 대상을 살펴보면, 고중량 액체 드럼 핸들링 기술은 드럼에 담긴 액상 원료 소재를 화학물질 제조 공정에 사용하는 모든 화학기업에 적용 가능하다. 고중량 필름롤 핸들링 기술은 고분자수지를 이용한 다양한 필름 제조기업에 적용 가능하다.

<로봇 도입 기대효과>

고중량물 원료 화물을 이송하고 투입하는 반자동 유압로봇을 도입함으로써 공정 작업자의 근골격계 하중 부담을 경감하고 2차사고를 방지할 수 있다. 특히 바이오, 화학 분야 이외에도 200kg 액체원료 드럼의 경우 무게와 형상이 표준화되어 있으므로, 타 업체나 관련 산업계로 보급 및 확산 가능성이 크다. 현장 작업자의 부상 방지, 고중량 작업 대체 등 안전사고에 대한 발생 빈도를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

또한 고중량 원재료, 제작품 등 화물 운반에 반자동 고중량 이송 로봇을 도입함으로써 고중량 화물 작업을 진행하고 있는 공정 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 일 투입량, 개수, 시간 대비 자동화율을 개선할 수 있으며 현장 작업자의 부주의 및 비숙련도에 의한 제품의 손실 발생도 크게 줄일 수 있다.

◇[바이오] 바이오 소재_무게칭량

<개요>

바이오 소재의 무게 칭량은 바이오의약품 및 세포치료제 생산용 배양 배지 제조과정 중 가장 초기에 이뤄지는 공정으로, 가장 많은 시간을 차지한다.

분말배지 생산공정은 일반적으로 원재료 입고 – 무게측량 – 혼합(전처리) - 분쇄 – 혼합 (후처리) - 배출 공정으로 이뤄져 있다. 세포배양용 배지는 포도당, 아미노산, 비타민, 지방질, 무기질 등 50 여종 이상의 배지 성분을 혼합, 균질화, 제형화 과정을 거쳐 최종적으로 바이오의약품 수요 고객에게 공급해야한다. 무게 칭량 공정은 배지 생산 공정 중 가장 많은 시간이 소요되는 공정으로, 숙련자가 수작업으로 약 50여종의 파우더 무게를 칭량해야한다.

▲수작업 무게칭량 및 배지 혼합 공정

하지만 현재 공정은 원료 칭량 공정 정확도 확보, 인력과 생산 시간 확보에 어려움이 따른다. 50여종의 원료 칭량으로 인해 사람의 손으로 정확하게 측량하기가 어렵고, 작업자의 숙련도 차이에 따른 데이터 오차도 발생한다. 작업자가 동일한 자세로 최소 2시간 이상 반복 작업을 해야하기 때문에 작업자의 피로도가 높고, 숙련 작업자 수급 애로, 생산성 저하 등 문제가 생길 수 있다. 또한 오픈된 장소에서 반복적으로 무게칭량할 경우 오염 가능성이 있으며 미세한 분말이 날리면서 작업자의 건강을 해칠 수 있다.

<표준공정 모델>

표준 공정 모델은 무게칭량 공정의 문제점을 해결하기 위해 로봇 무게 측정 자동화 시스템 표준화 모델을 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 배지 원료 무게칭량을 위한 자동화 공정을 통해 시간을 단축하고 칭량오차를 최소화하는 공정개선 노력이 필요하다. 공정 자동화를 통해 불량률을 낮추고 생산성 향상을 위한 협업로봇이 적용된 시스템 개발이 요구된다. 제조하는 배지 무게 측정량은 미량, 소량, 중량 규모별로 구분할 필요가 있으며 많은 종류의 시료를 정확히 칭량할 수 있어야한다. 로봇자동화 시스템은 이송 로봇, 도싱 유닛(Dosing Unit) 거치대, 도싱 박스(Dosing Box) 거치대. 미량·소량·중량의 도싱 부스(Dosing Booth) 등으로 구성된다.

▲무게측량 로봇시스템
▲로봇 운영을 통한 Dosing 공정 설계안

향후 표준공정모델은 크린룸내 바이오 의약품 세포 배양배지 및 약제 제조, 바이오·화학·식품·화장품 제조 공정 등 무게 칭량이 필요한 분야에 적용할 수 있을 전망이다.

<로봇 도입 기대효과>

수동으로 작업자가 원료를 칭량하던 방식에 비해 생산자동화 프로그램이 지시한 정확한 원료와 양을 계량하는 로봇 자동화 시스템이 도입되면 많은 종류의 시료를 정확하게 칭량할 수 있어 제조 소요시간 절감 및 오류 최소화를 꾀할 수 있다. 분진 발생 최소화로 작업 환경이 개선되고 작업자의 안전도가 높아진다. 배지 자동화 생산으로 원가절감, 배지 안전성 확보도 가능해진다. 로봇 무게 칭량 시스템은 향후 바이오의약품 및 세포치료제 등 산업의 핵심 원동력으로 자리잡을 수 있을 것으로 기대된다.

◇[바이오] 바이오 제약_이적재공정

<개요>

바이오/의료기기의 약품은 액제, 고형제, 분체로 타블렛, 캡슐 연고 등으로 만들어지고 1차 포장, 번들 또는 2차 포장, 박스 포장, 팔레타이징 순으로 포장된다. 바이오 제약은 GMP(우수의약품제조.관리규정)에 맞게 건설된 공장에서 제품을 생산하므로 건축비와 관리비가 많이 들어 넉넉한 작업공간을 갖추지 못한 경우가 많다. 기획된 신설 공장이 아니라면 대부분 포장공간이 협소하다. 이같은 공장 환경이 로봇자동화의 걸림돌로 작용하고 있다.

작업 공정을 살펴보면 작업자가 엔드라인에서 박스제함 제품을 입수해, 라벨 부착 작업을 하고 테이핑과 팔레타이징 작업으로 마무리한다. 박스제함은 생산이 시작되기 전에 미리 제함해서 포장라인 주변에 쌓아놓고 포장 작업 준비를 해야 한다. 비좁은 작업 공간에서 작업을 해야하기 때문에 작업자의 집중도와 효율이 떨어질 수밖에 없다.

▲바이오제약 박스 포장 공정-Aggregation

작업자 입장에선 높은 강도의 수작업으로 근골격계에 문제가 생기고, 생산속도가 낮아 작업 시간이 매우 적다. 3D작업 기피 등으로 인력 수급에도 어려움이 따른다. 생산속도가 느리고 작업내용이 다양해 입수량, 공정누락 등도 발생한다.

<표준공정 모델>

표준공정 모델은 박스 포장 공정상에서 라인의 규격이 다른 박스를 랜덤제함기로 제함하는 공정이다. 랜덤제함기는 여러 라인에서 필요로 하는 박스를 한 곳에서 제함하여 공급하므로 협소한 기존의 공간에도 박스 포장 자동화가 가능하도록 하고 현장의 동선을 원활하게 하는 데 목적이 있다.

표준공정 모델의 시스템 구성은 로봇(가반하중 20kg 이상의 수직 다관절 로봇), 그리퍼(페이로드 10kg 이하), 제어반, 랜덤제함 장치(AMR 연결 장치), 메가진 등으로 이뤄져 있다.

▲랜덤제함기 공정 설계안
▲표준공정모델 시스템 구성안

<로봇 도입 기대효과>

표준공정 모델의 도입으로 바이오의료기기 업계는 고비용 공간인 GMP 시설의 효율적인 사용이 가능해진다. 각 라인에 설치할 박스제함기를 한 곳에 설치함으로써 제함박스와 제품이 담긴 박스의 이송을 AMR을 이용해 간편하게 수행할 수 있다. 이밖에 ▷생산 관리의 체계화로 시간당 업무 능률 향상 ▷공정 소요 시간, 불량 개선을 통한 제조 원가 경재력 확보 ▷불량 예방 설계를 통한 품질의식 향상 ▷ 현장 작업자의 근무조건 향상 및 고용 안정 ▷고객 만족도(품질, 납기) 및 신뢰도 향상 등을 꾀할 수 있다.

◇[바이오] 바이오/의료기기_앰플 조립공정

<개요>

바이오/의료기기 제작 공정은 크게 자재 입고/출고, 수입검사, CNC 공정, 표면처리, 탈지, 조립, 포장공정, 멸균공정, 이송공정, 제품검사, 제품 출하로 이뤄진다. 특히 의료기기의 공정은 의료기기의 적합성에 중요하게 좌우하는 공정으로 매우 까다로운 심사를 요구한다. 사람의 생명 또는 건강에 직·간접적으로 영향을 미치기 때문에 높은 수준의 품질 관리가 필요하다.

하지만 실제 바이오/의료기기 제작 현장에선 수작업 조립 방식으로 인한 품질 편차 문제, 작업자의 높은 이직률과 작업자 변경에 따른 계획 수립의 어려움, 작업자의 제품 불량 발견 누락 등 제품의 품질 저하, 고객 불만에 따른 제품 회수 및 교환 비용의 증가 등 문제가 발생하고 있다.

▲치과용 임플란트 제품의 생산공정 흐름도
▲절삭가공용 치과 도제 생산 전체 공정 흐름도

따라서 ▷작업자나 관리자가 일으키는 착오, 혼동 등 실수 최소화 ▷세균이나 이물질에 의한 의료기기 오염방지 ▷검증되지 않은 원자재 사용 방지 및 공정변수로 인한 품질 변화 최소화 ▷일정 수준 이상의 품질을 보증할 수 있는 체계 유지 등을 자동화 추진시 고려해야 한다. 특히 바이오 의료기기 생산 공정은 밸리데이션 등의 국제규격을 고려해 검사/조립/세부포장/레이블/멸균/이송공정에 대해 현장에서 실제 적용이 가능한 로봇시스템의 인라인 자동화시스템 표준화 모델을 수립해야한다.

<표준공정 모델>

바이오/의료기기 앰플 조립에 관한 표준공정 모델은 바이오/의료기기 조립 공정 밸리데이션에 대한 GMP 국제의료기기 지침서를 반영해야 한다. 이를 바탕으로 검사/조립, 포장/라벨링/이송공정/멸균 과정에서 활용할 수 있는 협업 로봇 기반의 인라인자동화시스템 표준화 모델을 도출했다. 조립 공정 밸리데이션을 수행하기 위한 세부적인 프로토콜은 공정의 유효성이 적합하게 확인되었음을 보증하는 데 필수적이다. 따라서 IQ, OQ, PQ 세 단계에서 공정 및 제품의 요구 사항에 근거하여 로봇의 자동화 구현이 가능해야 한다.

생산기술연구원은 표준공정 모델을 위해 ▷치과용 임플란트 고정체(Fixture) 부품 생산 공정 ▷절삭가공용 치과 도제 생산 공정 ▷석션 튜브 생산 공정 ▷물티슈 생산 공정 등을 분석했다.

▲물티슈 생산 전체 공정 흐름도

이 같은 공정 분석을 통해 개선 요구 사항을 도출했다. 즉, 바이오 의료기기 부품의 앰플 조립을 위한 이송/조립 공정의 자동화 개발을 통해 불량률을 줄이고 빠른 생산성 확보를 위한 다축 로봇이 적용된 시스템 개발이 필요하다는 점을 인식했다. 이를 위해 앰플 조립 공정 설계안, 절삭 가공용 치과 도제 생산 공정설계안, 석션 튜브 조립 공정 설계안, 물티슈 캡 조립 공정 설계안을 마련하고 시스템 구성을 제안했다.

표준공정모델 시스템은 로봇(가반 하중 4~7kg의 6축 수직 다관절 로봇), 그리퍼(페이로드 1kg), 제어반, 인덱스 장치, 제품 공급 피더장치, 압입 및 검사 장치, 비전시스템(30만 화소) 등으로 구성되었다.

▲표준공정모델 시스템 구성안

<로봇 도입 기대 효과>

로봇 도입을 통해 유연한 다품종 소량 생산시스템을 구축하면 작업성을 개선하고, 불필요한 작업을 없애 생산성을 제고할 수 있다. 특히 로봇시스템의 공정 표준화를 도모함으로써 다양한 고객사의 요구에 유연하게 대처할 수 있는 맞춤형 시스템의 구축이 가능해질 전망이다.

이 밖에 ▷생산 관리의 체계화로 시간당 업무 능률 향상 ▷공정 소요 시간, 불량 개선을 통한 제조 원가 경쟁력 확보 ▷ 불량 예방 설계를 통한 품질의식 향상 ▷생산 현장에서 발생하는 실수들을 파악하여 품질 불량 개선 ▷체계화된 공정 관리로 현장 작업자의 근무조건 향상 및 고용 안정 ▷ 고객 만족도(품질, 납기) 및 신뢰도 향상 등 효과를 꾀할 수 있을 것으로 기대된다.

<인터뷰> 한국생산기술연구원 이동목 박사

▲바이오/화학분야 표준공정 모델의 도입과 로봇 실증 사업의 의미에 대해 말씀해주십시오

바이오/화학분야는 거대분자 특성과 복잡성에 영향을 줄 수 있는 원료와 장비, 그리고 전체 프로세스의 변화에 대한 경직성 때문에 원료․소재․장비 및 인력 등의 대체를 제한하는 트렌드가 전통적으로 자리잡고 있습니다. 게다가 소수의 다국적 기업이 시장을 독점하는 경향이 뚜렷해 수요자와 공급자 간에 강력하게 연계된 시장 구조적 특징을 보이고 있습니다.

전통적 장비 및 전통적 기술에 대한 종속적 구조를 탈피하고 원료와 부품의 수급이 원활하게 유지되면서 원가 절감을 통한 가격 경쟁력을 확보하는 방향으로 제조 프로세스를 구성할 필요성이 높아지고 있습니다. 특히 대량제조 중심의 바이오시밀러산업과 위탁제조 중심의 바이오의약산업, 신약개발 중심의 생명공학산업 등이 상호발전적 혁신을 이루기 위해선 바이오화학산업 전반적인 체질 개선이 필요합니다.

▲바이오/화학분야 표준공정 모델 개발 현황, 향후 추진 계획은

1차년도(2021)에는 의약품 포장공정, 의료기기 포장공정, 화학용기 포장공정에 대한 표준공정모델이 개발됐고, 2차년도(2022)에는 바이오소재 무게칭량 이송공정, 의료기기 조립 및 검사공정, 의약품 이적재 공정, 고중량 화학소재 이적재 공정 등이 개발됐습니다. 3차년도(2023)에는 바이오진단 전처리공정, 세포배양액 교체 공정 등이 개발될 예정입니다.

▲바이오/화학 분야 표준공정 모델 기반 로봇 실증 사업의 기대 효과는

바이오/화학기업과 로봇기업간의 협업을 통한 혁신문화 활성화, 4차 산업혁명에 부응할 수 있는 바이오/화학기업의 일하는 방식 혁신, 제조 현장 일자리의 양질화와 최종 제품의 안전성 확보 관련 분야 전문가 양성, 언택트 기술을 활용한 무인화 공정 활성화, 수요・공급기업의 신규 매출 창출 및 동반성장에 기여할 수 있는 공공서비스 모델 개발 등을 기대하고 있습니다.

▲ 바이오화학 분야의 표준 공정 모델과 로봇 활용이 업계 전반에 확산될 수 있는 방안은

국내에서 성공적으로 개발된 바이오화학분야 표준공정 모델을 홍보하고, 사용자 접근성을 해소할 수 있는 산업화 실증 인프라를 강화해 사용자 중심으로 제품의 우수성과 활용성을 검증해야합니다. 또한 사용자 의견을 반영한 차세대 로봇 활용 제조생산의 확산이 요구됩니다.

▲사업을 추진하는 과정에서 보람이 있었다면

그동안 수작업에 의존하던 바이오/화학 수작업 제조공정을 획기적으로 개선함으로써 바이오/화학공정 로봇 솔루션을 확보한 것에 대해 자부심과 긍지를 갖고 있습니다. 특히 표준공정 모델의 개발과 실증을 통한 바이오 화학분야 수요기업과 로봇 SI기업의 긴밀한 협력체계 구축하고 안정적으로 제품을 생산하게 돼 보람을 느낍니다.

▲바이오/화학 분야 로봇 자동화 시스템 도입에 대해 제안하고 싶은 것이 있다면

정부와 민간의 투자가 연구분야에 집중되어 있고, 상대적으로 생산제조 및 장비에 대한 투자가 미흡합니다. 관련 기술역량이 취약하고, 바이오화학 생산 공정 단계 및 국내 기술 수준을 고려하지 않은 단발성 투자에 그치고 있는 것이 아쉬운 점입니다. 내수 시장 확보와 해외시장 진출을 위한 정부 차원의 단계별 추진 전략 및 투자우선순위 등 지원 정책도 필요하다고 봅니다.

장길수  ksjang@irobotnews.com

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