로봇신문이 마련한 특집 기획 시리즈 ‘로봇실용화의 산실, 생기원 로봇그룹'의 두번째 순서는 로봇 그룹 산하 4개 연구단 가운데 실제 기업 생산 현장에 들어가는 로봇 핵심 기술을 연구하는 '중소제조로봇솔루션 연구단'이다. 이 연구단은 국내 중소기업 생산 공장에 꼭 필요한 로봇 기술을 개발하고, 기술 이전, 시장 활성화 등을 주도적으로 추진하고 있다. 국내 중소제조기업 로봇 도입과 로봇 플랫폼 확산에 선도적인 역할을 수행하고 있는 중소제조로봇 솔루션연구단의 주요 성과와 올해 중점 과제에 대해 살펴본다.

2)중소제조로봇솔루션 연구단

생기원 로봇그룹 산하 ‘중소제조 로봇솔루션연구단(단장 남경태)’은 제조산업 발전과 중소제조업의 경쟁력 강화를 위한 혁신적인 로봇 토탈 솔루션 개발을 핵심 목표로 삼고 있다.

▲중소로봇제조기업 경쟁력 강화를 위한 로봇토탈솔루션 개념

기술 개발 분야는 크게 △로봇 응용 부품 기술(소형 모터 드라이브, 소프트웨어 로봇제어기, 힘/토크 센서 교정기, 로봇 핸드/매니퓰레이터) △작업지능 제어기술(학습제어 기술, 3D형성/공간인식 기술, 힘제어 작업기술, 스마트 원격제어 기술) △이송로봇 자율주행 기술(공장용 자기위치인식 기술, 경로 생성 기술, 자율주행제어기술) △로봇공정 설계/운영기술(스마트HMI, 로봇공정 설계기술, 공정 모니터링/운영기술) 등 분야로 나눌 수 있다.

올해부터 생기원 로봇그룹은 로봇 엔지니어링 사업에 본격 뛰어든다. 남경태 중소제조 로봇솔루션연구단 단장은 “중소 제조업체들이 로봇 도입시 필요한 애로 기술을 확보하는데 많은 어려움을 겪고 있다"며 "SI 차원에서 중소제조기업들의 로봇 도입을 지원할 계획"이라고 밝혔다. 그동안 생기원은 중소제조 취약공정 개선 로봇보급 사업을 주도적으로 추진해왔는데 올해부터는 기존 사업을 확대해 로봇 활용 중소제조 공정혁신지원 사업을 본격 추진키로 하고 엔지니어링 사업에 참여하기로 했다.

▲ 중소제조 로봇 솔루션 연구센터 개념도

이를 위해 기계연구원과 협력해 로봇 도입 활용 기술지원을 위한 로봇엔지니어링 사업을 적극 추진한다. 로봇엔지니어링 컨설팅 서비스와 표준공정 모델 개발 사업 등이 주요 내용이다. 특히 제조 로봇 및 수요기업, 로봇 전문 연구소와 대학, 해외 로봇 전문연구기관 등과 연계해 산학연 협의체인 ‘중소제조 로봇솔루션 연구센터’를 설립할 계획이다. 일종의 가상 연구센터다.

▲ 실험실에서 병렬로봇과 각종 장비를 이용해 개발 제품을 테스트하고 있다.

▲ 실험실내 고속 모션 네트워크 성능 평가시스템

올해 연구단이 추진할 중요한 사업은 △중소제조 취약공정개선 로봇보급사업(2014년 5월 1일~2017년 4월 30일, 약 11.6억/년) △개방형 로봇 소프트웨어 제어기 기술 개발(2012년 6월 1일~2017년 5월 30일, 3.5억/년) △식음료 제조 로봇 시스템 기술 개발(2015년 월 1일~2019년 6월 30일, 3.5억/년) 등이다. 이들 과제를 통해 △중소제조기업의 취약공정에 필요한 제조 로봇 활용 자동화시스템의 보급 및 확산 지원 △생기원내 타그룹(IT융합공정, 생산시스템, 생산자동화, 마이크로나노그룹)과 협업을 통한 스마트공장 사업 참여 △중소제조 로봇 엔지니어링 센터 설립 기획(산,학,연,관의 로봇공정 선진화을 위한 협의체 구성) △중소제조로봇 주요 핵심기술 개발 및 기술이전(수요중심의 핵심 부품, 시스템, 공정 기술 개발) 등을 추진할 계획이다.

남경태 단장은 "그동안 국내 로봇업체에 서보모터, 리눅스 관련 기술을 이전해 국내 로봇산업의 기술 향상에 기여해왔다"고 소개했다.

◇주요 확보 기술

▲재조합 및 유연한 구조의 개방형 SW 로봇제어기(ARIA) 기술

연구단은 'RS오토메이션(주)'과 공동으로 유럽 'IEC 61131-3' 표준에 부합하는 제어기를 개발하고 있다. 남경태 단장은 "중소업체들이 로봇 플랫폼을 도입하는데 가장 큰 애로를 겪는 부분이 바로 제어기"라며 제어기 개발의 의미를 설명했다. 생기원이 개발한 제어기는 제어기내에 PLC 기능을 통합했다는 점에 있다. 최근 부각하고 있는 유럽의 'OPC UA'도 지원하는 방향으로 개발이 이뤄지고 있다.

▲ 로봇제어기 개념과 통합 환경에 관한 개념도

국내외 산업현장에서는 대부분 고가의 모션 컨트롤 하드웨어 플랫폼으로 자동화 시스템을 구축하고 있다. 생기원 중소제조로봇 솔루션 연구단은 IEC 61131-3 기준에 부합하는 ARIA (Advanced Robot Control for Industrial Automation ) 로봇 모션 제어기를 개발했다.

ARIA 제어기는 IEC61131-3을 지원하는 실시간 런타임엔진에서 PLCopen표준 모션과 로봇모션을 구성하여, 다양한 H/W플랫폼에 적용할 수 있는 PLC와 로봇제어기를 통합한 소프트웨어 로봇 제어기 플랫폼이다. 이 제어기를 이용하여 기술적으로 다양한 하드웨어 플랫폼에 이식 가능하고 넓은 범위의 로봇 및 모션제어 응용에 적용 가능한 국제 표준 S/W 로봇 제어기로 개방형 로봇 제어기의 핵심기술 확보가 가능하다. 또 공정자동화 솔루션을 위한 핵심 제어 부품 기술 확보로 중소제조 장비의 기술 경쟁력 향상, 표준화된 제어기 기술을 통한 해외 수출 효과 등을 꾀할수 있을 것으로 기대된다. 실제 중소기업의 상용 로봇 플랫폼에 적용하여 기능 및 성능을 검증하고 있으며, 이미 직교좌표, SCARA/수직다관절 로봇에 기본 기능 테스트를 완료했다. 내년 5월까지 병렬로봇에 적용할 예정이다.

▲고온/방수 기능의 식음료 핸들링 및 포장용 고속동작 로봇제어시스템

제빵, 제과, 음료, 가공식품과 같은 식음료 공정의 자동화를 위해, 식음료 제조환경에 엄격한 위생환경 조건을 만족하고, 고온/방수 기능을 갖는 식음료 핸들링 및 포장용 고속 동작 로봇 및 통합 환경 적용을 목표로 하는 기술이다.

국내외 선진사 장비는 대부분 고가의 모션 컨트롤 하드웨어 플랫폼으로 자동화 시스템을 구축하고 있으며 모션 제어를 위해 회사별 특정 하드웨어 플랫폼에 의존하기 때문에 현재 자동화 산업계에서는 표준화된 개방형 모션 컨트롤러와 소프트웨어의 중요성이 부각되고 있다.

생기원이 개발 중인 기술은 식음료 로봇자동화시스템에서 통합 제어 및 운영시스템 개발을 담당하고 있으며, 머신제어와 비전 검사를 통합한 제어 솔루션은 '내셔널 인스트루먼트(National Instrument)'사의 산업용 임베디드 플랫폼인 'CompactRIO'를 기반으로 다축의 '이더캣(EtherCAT)' 모션 제어와 비전 검사, HMI 그리고 각종 산업용 입출력 I/O를 통합으로 관리할 수 있다. 사용자는 직관적인 UI를 통해 'Pick & Place' 등 로봇 운영 시나리오를 설정을 사용자가 빠르게 현장에 적용할 수 있다. 실시간 생산 현황 및 이력 관리, 생산라인 이상 발생에 대한 모니터링 가능한 시스템 운영 SW도 개발 중에 있다.

▲병렬형 메커니즘 기반 기술을 활용 오감융합형 체감/훈련용 스포츠(승마, 요트) 시뮬레이터

병렬 메커니즘 기반의 범용 다축 모션플랫폼과 교환식 스포츠 모듈(통합 6축 이상, 승마, 요트)을 이용하여 사용자가 보다 실감적으로 체험 및 훈련을 위한 오감 융합형 스포츠 시뮬레이터 이다. 현재 수요기업인 ㈜유도스타자동화에서 제품화 진행 중으로 한국생산기술연구원에서는 실감 표현을 위한 하이브리드 메커니즘(병렬+직렬)의 해석 기술과 다양한 스포츠의 적용을 위한 사용자 반응형 모션 제어 기술 등을 개발했다.

▲실외 자율주행 기술

한국생산기술연구원에서 개발한 무인주행 골프카트는 자석을 사용한 위치인식 방법을 사용하고 있다. 차량이 지나가는 길에 몇 미터 간격으로 자석을 심어놓고 차량의 하부에 장착된 자기장 감지 센서(홀센서를 일렬로 배열한 어레이 형태의 센서)를 사용해 차량이 달리는 도중 자석이 감지된 위치를 찾는다.

차량을 기준으로 자석의 위치를 알게 되고 전역 좌표계에서 자석의 위치를 알고 있다면 차량의 위치를 계산할 수 있다. 자석 매립 공사가 유도선 매립에 비해 시공이 쉽고 유지보수 비용이 적은 편이며, 페인트로 따로 표시를 하지 않으면 아스팔트와 거의 구분이 되지 않는 특징을 갖고 있다.

▲ 생기원이 개발한 자율주행 골프 카트

▲실제 제조환경에서 인간 작업 모습 관찰에 의한 로봇판단 지능 기술

제조현장에서 인간 작업 모습 관찰을 통해 작업을 이해하고 스스로 작업을 계획하고 수행할 수 있는 로봇판단지능 기술을 개발하는 것이다. 정확도 90% 이상을 목표로 하고 있다.

작업 환경이 변하고 대상 작업이 변경되더라도 안정적으로 작업을 이해하는 방법을 개발하기위해 많은 데이터의 축적, 활용 및 학습을 통해 상황과 대상에 적합한 모델을 찾아내야하는 과제다. 인간 작업자의 행동 관찰과 작업지시서로부터 로봇이 수행할 행동 정보를 정의하고 CAD 정보를 활용해 정밀하게 계획된 동작을 보장해줌으로서 정밀성과 작업 생산성을 모두 만족하는 로봇작업 계획 및 로봇제어 운용기술을 개발하고 있다.

서울대(박종우 교수), 카이스트(권인소 교수), 성대(이석한 교수), 한양대(서일홍 교수), 엔티로봇, 큐빅테크 등이 참여한다. 과제 기간은 2014년 7월부터 2019년 6월까지이며 정부 예산 100억원이 투입될 예정이다.

▲헥사포드 병렬 로봇을 이용한 힘/토크 센서 교정 시스템 개발

힘/토크 센서 제조 및 유지관리에 필수장비인 센서 교정시스템을 여러 방향의 힘과 모멘트를 동시에 부가하는데 용이하고 3차원 공간에서 정밀한 제어가 가능한 헥사포드 방식의 병렬 로봇을 이용해 개발하고 있다. 기존 방식은 힘/토크센서 교정 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 이 기술의 개발로 측정 정밀/정확도가 높은 센서 교정장치를 이용해 센서 교정/생산 시간을 줄일수 있다. 힘/토크 센서 생산 유지 효율성이 증대될 수 있다.

▲모터 드라이브, 이더캣(EtherCAT) 마스터 & 슬레이브

모터 기반 로봇시스템에선 고전압의 AC모터와 저전압의 DC모터가 주로 사용된다. 산업용 로봇에선 주로 고전압의 AC모터가 사용되고 있으며 최근 인간과 협업할 수 있는 로봇이 개발되면서 저전압 DC모터 수요가 늘어나고 있다. AC모터를 위한 드라이브의 경우 이미 많이 사용되고 있기 때문에 저렴한 가격으로 많은 국내 업체들이 개발해 판매하고 있다. 하지만 DC모터는 대부분 고가의 외산 제품을 사용하고 있다. 생기원은 국내 업체를 대상으로 DC모터 드라이브 개발에 필요한 기술을 이전했다.

생기원 로봇그룹은 또한 리눅스 기반 실시간 시스템 분야의 기술도 개발해 국내 업체에 이전했다. 오픈소스의 경우 매뉴얼이 부족하고 기술 지원이 제대로 이뤄지지 않아 소프트웨어 인력이 부족한 영세 중소기업에서 활용하는게 쉽지 않다. 로봇그룹은 리눅스 기반 오픈소스를 이용한 실시간 구축 방법에 대한 매뉴얼과 소프트웨어 구조 활용 방법, 수직 다관절 제어 알고리즘에 관한 기술을 개발해 국내 업체에 이전했다.