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산업용 로봇 최신 기술 동향 및 대응 방안박영제ㆍ성균관대 교수
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승인 2015.02.08  14:37:18
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전 세계의 경기 부진이 장기화 조짐을 보이는 가운데에서도 산업용 로봇 산업은 약간의 성장세를 나타내고 있다. 국내에서도 2013년 기준으로 보면, 대기업의 설비투자가 전년대비 10% 감소되었으나, 2013년의 국내 산업용 로봇 산업은 대기업의 설비투자 감소에도 불구하고 현상 유지 또는 약간 성장세를 보인 것으로 나타났다. 이 이유는 제조업의 특성인 생산성 향상에 로봇이 적절한 대안으로 부각되면서, 로봇 기술 발전에 힘입어 현장에서의 로봇화가 점진적으로 진행되고 있기 때문이다. 그리하여, 기존의 산업 현장에는 공압 부품을 활용한 단순 자동화가 많이 적용되었으나, 최근에는 생산성 향상과 품질 확보를 위해 고속, 고정도의 서보 모터를 채용한 로봇 시스템이 널리 보급되고 있는 현황이다.

세계 산업 동향을 보면, 중국이 그 동안 세계 공장의 역할을 했으나 최근에는 인건비 급등으로 인해 더 이상 제조원가를 맞출 수 없는 수준이 되었다. 그리하여, 중국에 투자했던 외국 기업들이 주로 동남아로 공장을 이전하고 있으나, 품질 등의 문제로 본국으로 다시 회귀하는 현상이 발생하고 있다. 이러한 회귀 현상이 가능하게 된 이면에는 로봇을 활용한 자동화와 무인화를 통해 원가 절감과 품질 향상의 생산성 확보가 가능했기 때문이다. 그리고, 나날이 발전하는 로봇 기술은 이러한 제조업계의 변화를 주도하고 있는 실정이다.

여기서는 산업용 로봇 최신 기술 동향을 살펴보고 이에 대한 우리의 대응 방안을 기술하고자 한다.

산업용 로봇 최신 기술 동향
산업용 로봇의 최신 기술 동향을 현장에서의 로봇화 관점에서 보면, 소형 고속화, 신뢰성 향상, 범용성 향상을 지향하고 있다. 로봇의 소형화를 통해 로봇 설치 면적을 절감하고, 고속화를 통해 생산성을 향상시키며, 로봇 부품의 신뢰성 향상과 로봇 고장의 예지 및 진단 기능을 향상시켜서 로봇의 신뢰성 향상을 시킨다. 그리고, 다부품대응 고속 3D비전 및 서보 핸드 시스템 구축 등을 통해 산업용 현장에서의 범용성을 향상시키고 있다.

산업용 로봇의 활용 관점에서 보면, 고속화, 설치면적 절감, 고신뢰성을 통한 고생산성 대응과, 복잡화와 다양화 작업 현장의 로봇화를 통한 다품종 변량 생산 대응을 지향하고 있으며, 이에 대한 산업용 로봇의 최신 기술 동향을 살펴보면 다음과 같다.

고생산성 대응과 관련하여, 로봇의 최적설계, 경량화, 동작성능 향상을 통한 고속화와 함께, 로봇의 고밀도 배치를 통해 로봇 설치 면적이 절감된다. 그리고, 요소 부품의 최적 설계와 보전을 고려한 설계를 통해 로봇 자체의 고신뢰성 향상과, 감속기 수명 예지, 그리스 교환 진단 등의 안정 가동을 위한 예방 보전 기능 향상이 구현되고 있다.

다품종 변량 생산 대응과 관련해서는 각종 센서기술이 발전되고 있다. 즉, 고속 CPU 처리 시각 센서 사용, 2D/3D 화상 처리, CAD 매칭과 관련한 눈 기술과, 6축 힘 센서 제어를 통한 고속 정확한 작업, 정밀 조립작업 자동화, 충돌 검지(안전성 확보)와 관련한 힘 기술과, 다기능 핸드, 가변 스트로크, 파지력 제어 기능과 관련한 손 기술과 안전 기술에 대해 많은 기술 발전이 이루어지고 있다.

산업용 로봇은 적용 대상에 적합하게 기술이 발전하고 있다. 적용 대상으로는 기존의 자동차와 전자 산업 등과 같은 일반적인 로봇 적용 현장과 대량 소비를 필요로 하는 음식품을 포함한 일상 생활용품과 의약 제조 현장이 있으며, 최근에는 무인 반송과 무인 조립 등을 포함한 공장 자동화를 위해 자율형 양팔 로봇 및 모바일 로봇의 적용이 증가하고 있다.

우선, 기존의 로봇 적용 현장의 경우에 스팟 용접용 로봇의 예를 들어보고자 한다. 일본의 경우에는, 설비 비용 최소화, 로봇 설치 수 삭감, 라인 길이 단축 등의 고객의 요구에 대응하여, 로봇의 고밀도 배치와 동작범위 확대를 통한 소형화와 아울러, 최적 제어, 고속 성능, 진동 저감을 통한 고속화 기술로 사이클 타임을 40% 단축시켰고 유지보수성을 향상시켰다. 그리고 작업현장에서 고밀도 배치를 통해 로봇설치 면적을 줄여나가는 노력도 기울이고 있는데, 이러한 것은 소형화에 따른 추세라고 보인다. 예를 들면 기존에 로봇을 3대 설치하여 작업을 하고 있었다면 소형화를 통해 4대를 설치하는 것이며, 동작범위를 확대시키는 것과 같은 경우가 이에 속한다. 그리고, 최적제어, 고속성능, 진동저감과 같은 노력을 통해 고속화를 추구하여 사이클 타임을 최대 40%까지 단축시켜 생산성을 높이는 노력도 최근 일본 제조업용 로봇기술 동향중 하나라고 볼 수 있다.

유럽의 경우에는, 자동차 제조업체의 요구사항을 반영한 로봇 신제품을 출시하고 있는데, 로봇 설치 면적을 줄일 수 있게 소형화하고, 종래 기종에 비해 속도를 5% 정도 향상시켰다. 고 신뢰성 확보를 위해 무고장주기(MTBF: Mean Time Between Failure)를 40만 시간으로 확대시키고 비용절감을 위해 보수 점검 시간 및 전력 소비량을 각각 연간 15% 줄였다. 그리고 제조라인의 범용성 향상을 위해 제조라인의 유연성, 최대 6개 차종까지 복수차종에 대응할 수 있게 하였고, 확장성을 향상하였으며, 프로그래밍 및 티칭을 간소화하여 편리성과 로봇설치 기간을 단축시키고 있다.

일상 생활용품 제조 현장의 경우에는, 병렬 로봇과 비주얼 서보잉 서보잉 기술을 활용하여 고속 정밀한 작업이 가능하여 다양하게 적용되고 병렬 로봇 시스템의 보급이 급진적으로 진행되고 있다. 그리고, 손목 3축을 포함한 6축 및 롱 암(Long Arm) 병렬 로봇이 개발되어 고정밀 동작과 동작 영역 확대가 가능해져서 병렬 로봇 시스템이 일반 제조업 현장에서도 새로운 제조용 로봇 시스템으로 각광받고 있다.

자율형 로봇 적용 현장의 경우에는, 기존의 무인 반송 로봇과 함께 양팔 모바일 로봇 시스템이 적용되면서 무인 공장 실현을 위해 나아가고 있다. 특히 전자 제조 현장에서는 전자 부품 및 제품의 이송 및 적재에 양팔 모바일 로봇 시스템의 활용이 증가하고 있으며, 소형 부품 조립 솔루션을 제시하고 있다고 볼 수 있다. 양팔 모바일 로봇 시스템에 필요한 요소 기술인 소형 경량화 양팔 로봇과 모바일 관련 기술들은 서비스 로봇 기술로부터 이전된 기술로서, 서비스 로봇 기술이 산업용 로봇 기술과 융합된 좋은 예라고 할 수 있다. 그리고, 기어박스 조립과 같은 고정밀 부품 조립에 힘 센서를 채용한 손을 장착한 양팔 로봇 시스템을 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그리고, 유럽에서는 작업장의 이동을 통한 유연 작업을 위해 이동용 로봇 기술을 활용한 모바일 작업장 관련 연구도 수행하고 있는 실정이다.

우리의 대응 방안
국내도 현재 일부 제조업의 회귀 현상이 나타나고 있으며, 기존의 국내 제조 현장도 인력난과 생산성 향상을 위한 로봇 적용의 필요성을 인지하고 있다. 그러나, 국내 로봇 수요의 반 이상이 외국산이 점거하고 있으며 중소 제조업체들은 자금난으로 인해 로봇 설치를 엄두도 못내는 실정이다.

이를 해결하기 위해서는, 우선 국내 제조 기업들의 로봇 요구사항을 조사하고, 이를 적극 반영하여 로봇 개발 및 보급에 적극 투자해야 할 것이다. 제조 현장에서 필요로 하고 수요가 많은 로봇을 우선적으로 개발 과제화하고 지원하며, 로봇 자동화를 원하는 기업체들을 대상으로 로봇 보급 사업 및 자금 지원 사업을 수행해야 할 것이다. 그리고, 기술력이 우수한 로봇 개발 기업과 학교 및 연구소를 지정하여 외국 수준의 로봇 기술 개발을 목표로 집중적으로 지원하고, 로봇 이론과 병행한 실무 로봇 기술을 교육시켜 산업체와 연구소에서 필요로 하는 우수한 로봇 인력을 양성해야 할 것이다.

이를 위해, 로봇 개발 업무를 체계적으로 수행한 경험과 지식을 갖춘 전문가들을 중심으로 제조업용 로봇 발전을 위한 실무 위원회를 구성하고, 로봇 전반에 대한 개발, 양산 및 교육을 총망라한 로드맵 작성과 아울러 실행 계획을 세워야 한다. 지금 현재의 시급한 산업용 로봇 기술 개발을 위해 산업별로 분류한 로봇 및 시스템에 대해 연간 10기종씩 선정하여 연간 200억원 규모로 1~2년 단기로 집중 투자하여, 국내에서의 국산 로봇 점유율을 높이고 중국과의 협업을 통해 중국 시장에의 적극적인 진출도 모색하며 동남아를 비롯한 외국으로의 수출도 가능토록 하는 것도 하나의 방안이 될 것이다. 현재, 중국뿐만 아니라 태국을 포함한 동남아의 일부 중소기업에서는 제조업용 로봇을 도입하여 국내보다도 더 생산성이 높은 실정이다. 그리고, 3~5년의 중기간 동안 설계, 제어, 센서, 공정 등과 관련한 제조업용 로봇의 핵심 기술과 제품 및 시스템을 개발하여 선진국 수준의 로봇 및 시스템을 확보하는 방안도 생각해봐야 할 시점이다. 현재, 제조업용 로봇 기술에 있어서는, 중국은 한국에 90% 이상 육박했으나, 한국은 선진국 대비 80% 이하 수준에서 계속 떨어지고 있음을 간과하지 말아야 할 것이다.

현재, 로봇 시범사업을 통해 국내에서 개발한 제조업용 로봇의 보급에 큰 역할을 담당하고 있다. 그러나, 매년 예산 부족으로 인해 정부 출연 금액이 감소하고 있어서 안타까운 실정이다. 오히려 성과가 미흡한 타 부처의 로봇 시범사업의 예산을 줄이고 여기서 남은 금액을 성과가 우수한 산업부 산하의 제조업용 로봇 및 부품의 시범사업으로 할당하여, 현재의 공정 단위의 시범사업 규모를 생산 라인 규모로 확대하여 산업체의 갈증을 채워줄 필요가 있다고 본다.

그 동안의 산업용 로봇에 대한 투자 결핍을 만회하기 위해서라도 이제 더 이상 산업용 로봇에 투자를 아끼지 말아야 할 시점이다. 주변의 일본과 중국의 최근의 로봇 투자에 대해 적극적으로 대응하기 위해서는 우리도 산업용 로봇에 대해 제대로 발전 전략을 수립하고, 국내의 전 산업계의 종사자들과 로봇 관계자들과의 교류를 더욱 활성화하여, 진정으로 산업체가 요구하는 로봇 및 시스템 확보를 위해 체계적이고 지속적인 기술 개발과 사업화에 더욱 박차를 가해야 할 것이다. 이제, 산업체에서의 로봇 적용은 선택이 아닌 생존을 위한 필수가 되고 있음을 명심해야 할 때이다. 실사구시를 항상 염두에 두며...박영제 ∙ 성균관대학교 산학협력단 겸 공과대학 교수

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