산업용 로봇

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1. 개요

산업용 로봇은 자동 제어 기술을 활용하여 제조 공정의 자동화를 구현하는 기계로, 1937년 최초의 로봇이 제작된 이후 지속적으로 발전해왔다. 산업용 로봇은 형태에 따라 관절형, 직교좌표형, 원통좌표형, 구면좌표형, SCARA형, 델타형 등으로 분류되며, 용접, 도장, 조립, 이송, 검사 등 다양한 작업에 활용된다. 기술적 특징으로는 NC 제어가 아닌 조건 분기 명령을 통한 자율적인 동작, 센서를 활용한 유연성, 풍부한 입출력 인터페이스 등이 있다. 2023년 말 기준 전 세계적으로 약 428만 대의 산업용 로봇이 가동 중이며, 주요 제조사로는 화낙, 야스카와전기, ABB, 쿠카, 코마우 등이 있다. 로봇의 안전과 관련된 규제 및 표준이 중요하며, 작업 환경 개선과 함께 잠재적인 위험에 대한 연구가 필요하다.

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산업용 로봇
산업용 로봇
뮌헨 오토마티카 2014에서 전시된 ABB 로봇 IRB 120
개요
정의	제조, 조립, 포장 등 산업 환경에서 사용되는 자동화된 로봇
주요 기능	자재 처리 페인팅 용접 조립 포장 품질 검사 제품 검사
역사
초기 개발	1960년대 초반에 시작
최초의 산업용 로봇	유니메이트 (1961년)
초기 사용	제너럴 모터스 공장에서 다이캐스팅 작업에 사용 자동차 산업
주요 개발자	조지 데볼 조셉 엥겔버거
기술 발전	1970년대: 컴퓨터 제어 기능 도입 1980년대: 로봇 팔과 핸드, 센서 개발 1990년대: 유연성과 협동 기능 향상 2000년대 이후: 인공지능 및 머신러닝 적용
구성 요소
로봇 팔	다양한 작업에 사용되는 기계 팔
엔드 이펙터	작업 도구 (예: 그리퍼, 용접 토치, 스프레이 건)
제어 장치	로봇 움직임과 기능을 제어하는 컴퓨터 시스템
센서	로봇 주변 환경 감지 (예: 비전 센서, 힘 센서)
전원 장치	로봇 작동에 필요한 전원 공급 장치
유형
관절형 로봇	인간 팔과 유사한 다관절 로봇
스카라 로봇	수평 방향으로 움직이는 로봇
델타 로봇	고속 병렬 로봇
카테시안 로봇	직교 좌표계로 움직이는 로봇
원통형 로봇	원통 좌표계로 움직이는 로봇
적용 분야
자동차 산업	용접, 페인팅, 조립
전자 산업	조립, 검사, 자재 처리
식품 및 음료 산업	포장, 분류, 핸들링
제약 산업	조립, 포장, 검사
금속 가공 산업	용접, 절단, 연마
플라스틱 산업	사출 성형, 포장, 조립
기타 산업	물류, 농업, 건설
장점
생산성 향상	빠른 작업 속도, 지속적인 작업 가능
작업 품질 향상	일관된 품질 유지
유연성 및 다양성	다양한 작업 및 환경에 적용 가능
위험한 작업 대체	위험한 환경에서 작업자 안전 확보
노동 비용 절감	자동화로 인한 인건비 감소
단점
초기 투자 비용	로봇 도입 및 시스템 구축에 높은 비용 소요
유지 보수 비용	로봇 유지 보수 및 수리에 비용 발생
프로그래밍 및 설정 복잡성	로봇 프로그래밍 및 설정에 전문 지식 필요
작업 변경 어려움	작업 변경 시 로봇 재프로그래밍 필요
잠재적 일자리 감소	자동화로 인한 일부 직업 소멸
기술 동향
인공지능 및 머신러닝	로봇의 지능 및 학습 능력 향상
협동 로봇	인간과 안전하게 협력하는 로봇 개발
모바일 로봇	이동 가능한 로봇 개발
로봇 클라우드	클라우드 기반 로봇 관리 및 제어
사물 인터넷	로봇과 다른 장치 간의 연결
가상현실 및 증강현실	로봇 프로그래밍 및 제어에 활용

2. 역사

산업용 로봇의 역사는 20세기 중반, 조지 드볼(George Devol)이 개발한 최초의 산업용 로봇 '유니메이트(Unimate)'에서 시작되었다.

1940년대 후반 W. 그레이 월터는 엘머와 엘시라는 자율 로봇을 제작했다.^[8] 엘머와 엘시는 생물학적 뇌처럼 "생각하도록" 프로그래밍되었고, 주광성 능력을 가지고 있었다.^[9]

최초로 ISO 정의에 부합하는 산업용 로봇은 1937년 "빌" 그리피스 P. 테일러가 완성했다.^[14]^[15]

이후, 유니메이션의 경쟁사는 오하이오(Ohio)의 신시내티 밀라크론(Cincinnati Milacron) Inc. 이었으나, 1970년대 후반에 여러 대규모 일본 기업들이 유사한 산업용 로봇을 생산하기 시작하면서 상황이 급격하게 바뀌었다.

1988년 웨스팅하우스는 유니메이션을 프랑스(France)의 슈타이블 파베르주 SCA(Stäubli Faverges SCA)에 매각했는데, 슈타이블은 여전히 일반 산업 및 클린룸(cleanroom) 응용 분야를 위한 관절형 로봇을 제조하고 있으며 2004년 말에는 보쉬(Bosch)의 로봇 부서를 인수하기도 했다.

결국 이 시장에서 소수의 비일본 기업만이 살아남았는데, 주요 기업은 어댑트 테크놀로지(Adept Technology), 슈타이블(Stäubli), 스웨덴-스위스 기업 ABB 아세아 브라운 보베리(ABB Asea Brown Boveri), 독일 기업 쿠카 로보틱스(KUKA Robotics), 그리고 이탈리아 기업 코마우(Comau)이다.

2. 1. 초기 역사

1937년, "빌" 그리피스 P. 테일러(Bill Griffith P. Taylor)는 메카노(Meccano) 부품을 사용하여 크레인과 유사한 형태의 로봇을 제작하였고, 이는 1938년 3월 메카노 매거진(Meccano Magazine)에 발표되었다.^[14]^[15] 이 로봇은 단일 전기 모터로 구동되었으며, "집게"와 "집게 회전"을 포함하여 5개의 축으로 운동이 가능했다. 자동화는 천공된 종이 테이프를 사용하여 솔레노이드에 전력을 공급하는 방식으로 이루어졌으며, 미리 프로그래밍된 패턴으로 나무 블록을 쌓을 수 있었다. 1997년에는 크리스 슈트(Chris Shute)가 이 로봇의 완벽한 복제품을 제작했다.

조지 드볼(George Devol)은 1954년 최초의 로봇 특허를 신청하여 1961년에 특허를 획득했다.^[16] 1956년, 드볼은 조셉 F. 엥겔버거(Joseph F. Engelberger)와 함께 세계 최초의 로봇 회사인 유니메이션(Unimation)을 설립했다. 유니메이션 로봇은 "프로그래밍 가능한 이송 기계"라고도 불렸으며, 유압 액추에이터(actuator)를 사용하고 "조인트 좌표"를 기반으로 프로그래밍되어 1/10,000인치 이내의 높은 반복 정밀도를 보였다. 유니메이션은 나중에 가와사키 중공업(Kawasaki Heavy Industries)과 GKN에 기술을 라이선스하여 각각 일본과 영국에서 유니메이트(Unimate)를 제조하도록 했다.

2. 2. 발전과 확산

1969년, 스탠퍼드 대학교의 빅터 샤인먼(Victor Scheinman)은 암 솔루션을 기반으로 한 전동식 6축 관절 로봇 "스탠퍼드 암(Stanford Arm)"을 개발했다.^[29] 이는 로봇이 공간 내에서 정확하게 이동하는 것을 목표로 하여, 조립 및 용접 등 더욱 고급 용도로 활용될 수 있는 가능성을 열었다. 샤인먼은 이후 매사추세츠 공과대학교의 인공 지능 연구소에서 "MIT arm"이라고 불리는 두 번째 암을 설계했다. 그는 유니메이션사의 협력을 받은 후, 제너럴 모터스(GM)의 지원을 받아 이러한 설계를 더욱 발전시켰고, 나중에 조립용 로봇(PUMA)으로 판매하는 유니메이션사에 매각했다.

1973년, ABB 로보틱스와 쿠카는 유럽에서 산업용 로봇 시장을 빠르게 개척했다. ABB 로보틱스(당시 아세아(ASEA))는 세계 최초로 상업적으로 구매 가능한 완전 전기식 마이크로컴퓨터 제어 로봇인 IRB6을 출시했다.^[29] 최초의 두 대의 IRB6 로봇은 스웨덴의 Magnusson사에 판매되어 1974년 1월부터 절삭 및 연마관의 굽힘을 위해 제조 공정에 투입되었다. 같은 해, 쿠카 로보틱스도 전기 기계식 구동의 6축을 가진 관절 로봇인 FAMULUS를 제작했다.^[30]

1970년대 후반, 제너럴 일렉트릭(GE), 제너럴 모터스(일본 파낙과의 합작 사업인 GM 파낙 로보틱스) 등 많은 미국 기업들이 로봇 산업에 진출하며 경쟁이 심화되었다. 프랑스의 신생 기업 오토매틱스는 시판품으로는 최초로 머신 비전을 탑재한 로봇을 개발하기도 했다.

1970년대 후반, 여러 일본 대기업들이 유사한 산업용 로봇 생산을 시작하면서, 시장 주도권은 일본 기업들에게 넘어갔다. 1984년 로봇 붐이 최고조에 달했을 때, 유니메이션사는 웨스팅하우스에 1.07억달러에 인수되었다.

대한민국은 1970년대 후반부터 산업용 로봇 기술 개발을 시작했으며, 1980년대부터 자동차, 전자부품 산업을 중심으로 로봇 도입이 본격화되었다.

2. 3. 현대의 발전

최근에는 사람 대신 작업을 하는 기계로서의 역할이 중시됨에 따라, 어느 정도 자율적으로 작동하는 사람의 팔과 유사한 부분을 가진 기계로 산업용 로봇을 해석하는 것이 일반적이다. 또한, 국제표준화기구(ISO)는 “3축 이상의 자유도를 가진, 자동 제어, 프로그램 가능한 매니퓰레이터”라고 정의하고 있다.^[1]

주로 자동차나 전자부품을 생산하는 공장 현장에서 사용된다.^[1] 예를 들어 자동차 생산 공장에서 사용되는 로봇의 경우, 스폿 용접을 하는 로봇, 차체 도장을 하는 로봇, 부품 조립을 하는 로봇이 많이 보인다.^[1] 사람이 작업을 하는 경우, 정해진 동작을 반복하거나, 중량물을 운반해야 하거나, 분무된 페인트를 흡입하는 등의 위험성이 있어 육체적·정신적 부담이 큰 노동 환경인 경우가 많다.^[1] 이러한 환경에서 작업할 때, 노동자에게 큰 부담을 주어 작업 실수를 유발할 우려도 있으며, 품질 안정 측면에서도 로봇이 사용된다.^[1]

또한, 노동자 임금이 높은 국가에서 공장을 유지하기 위해, 공장 전체를 로봇화하여 최소한의 인원만으로 운영하는 사례도 있다.^[1] 이러한 공장 자동화를 팩토리 오토메이션(''FA'')이라고 한다.^[1]

3. 유형

산업용 로봇은 형태, 구동 방식, 용도 등에 따라 다양하게 분류된다.

로봇은 또한 작동 방식에 따라 티칭 플레이백 로봇과 자율 로봇으로 나눌 수 있다.

'''티칭 플레이백''' 로봇은 엄밀한 의미의 산업용 로봇으로, 미리 정해진 동작을 반복 수행한다.
'''자율 로봇'''은 어느 정도 자율적으로 작동하는 사람의 팔과 유사한 부분을 가진 기계를 의미하며, 최근 사람 대신 작업을 하는 기계로서의 역할이 중시되고 있다.

국제표준화기구(ISO)는 산업용 로봇을 “3축 이상의 자유도를 가진, 자동 제어, 프로그램 가능한 매니퓰레이터”라고 정의하고 있다.

산업용 로봇은 제조업 현장에서 널리 사용된다. 특히 노동자 임금이 높은 국가에서는 팩토리 오토메이션(FA)을 통해 공장 전체를 로봇화하여 최소한의 인원만으로 운영하는 사례도 있다.

3. 1. 형태에 따른 분류

산업용 로봇에는 여섯 가지 유형이 있다.^[5]

'''관절형 로봇''': 가장 일반적인 산업용 로봇으로,^[6] 인간의 팔과 비슷하게 생겨 로봇 팔 또는 매니퓰레이터 팔이라고도 불린다.^[7] 여러 자유도를^[7] 가진 관절을 통해 넓은 범위의 움직임이 가능하다.
'''직교좌표로봇''': 직선 로봇, 갠트리 로봇, X-Y-Z 로봇이라고도^[6] 불리며, 공구의 움직임을 위한 3개의 프리즘 조인트와 공간에서의 방향 설정을 위한 3개의 회전 조인트를 가지고 있다.
'''원통좌표 로봇''':^[5] 기저부의 회전 관절과 링크를 연결하는 하나 이상의 직선 관절이^[6] 특징이다. 슬라이딩을 통해 수직 및 수평으로 이동할 수 있으며, 컴팩트한 핸드 디자인으로 로봇은 속도 저하 없이 협소한 작업 공간에도 도달할 수 있다.^[6]
'''구면좌표 로봇''': 회전 관절만 가지고 있다.^[5] 산업 응용 분야에서 사용된 최초의 로봇 중 하나이며,^[6] 다이캐스팅, 플라스틱 사출 및 압출, 그리고 용접에서 머신 텐딩(machine tending)에 일반적으로 사용된다.^[6]
'''SCARA 로봇''': SCARA는^[5] 선택적 규정 준수 조립 로봇 암(Selective Compliance Assembly Robot Arm)의^[11] 약자이다. SCARA 로봇은 X-Y 평면에서 움직임을 제공하는 두 개의 병렬 관절로^[5] 알려져 있으며, 회전축은 효과기(end effector)에 수직으로 배치된다. SCARA 로봇은 정밀한 측면 움직임이 필요한 작업에 사용되며, 조립 작업에 이상적이다.^[6]
'''델타 로봇''':^[5] 병렬 링크 로봇이라고도^[6] 불린다. 이 로봇은 공통 기저부에 연결된 병렬 링크로 구성된다. 델타 로봇은 직접 제어 작업과 고속 조작 작업(예: 빠른 픽앤플레이스 작업)에 특히 유용하며, 4절 링크 또는 평행사변형 링크 시스템을 활용한다.

또한, 산업용 로봇은 직렬 또는 병렬 구조를 가질 수 있다.

'''직렬 매니퓰레이터''': 직렬 구조라고도 알려진 이 로봇은 기저부에서 최종 효과기까지 모터로 구동되는 관절로 연결된 일련의 링크로 설계된 매우 일반적인 산업용 로봇이다. SCARA, 스탠퍼드 매니퓰레이터가 이 범주의 전형적인 예이다.
'''병렬 매니퓰레이터''': 각 사슬이 일반적으로 짧고 단순하여 직렬 매니퓰레이터에 비해 원치 않는 움직임에 대해 강성을 유지할 수 있도록 설계되었다. 한 사슬의 위치 지정 오류는 누적되는 것이 아니라 다른 사슬과 함께 평균화된다. 각 액추에이터는 직렬 로봇과 마찬가지로 자체 자유도 내에서 움직여야 한다. 그러나 병렬 로봇에서는 관절의 축 밖 유연성도 다른 사슬의 영향으로 제한된다. 이러한 폐루프 강성으로 인해 직렬 사슬처럼 구성 요소가 많아짐에 따라 강성이 점진적으로 감소하는 것과 달리 전체 병렬 매니퓰레이터의 강성이 상대적으로 높아진다.

전 평행 매니퓰레이터는 최대 6자유도(DoF)(3개의 병진 운동 ''3T'' 및 3개의 회전 운동 ''3R'' 좌표에 의해 결정되는 완전한 ''3T3R'' 이동성)로 물체를 움직일 수 있다. 그러나 조작 작업에 6자유도 미만이 필요한 경우, 6자유도 미만의 낮은 이동성 매니퓰레이터를 사용하면 더 단순한 구조, 더 쉬운 제어, 더 빠른 동작 및 낮은 비용 측면에서 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 3자유도 델타 로봇은 낮은 ''3T'' 이동성을 가지며 빠른 픽 앤 플레이스 병진 위치 지정 응용 분야에서 매우 성공적인 것으로 입증되었다. 낮은 이동성 매니퓰레이터의 작업 공간은 '운동' 및 '구속' 부분 공간으로 분해될 수 있다. 예를 들어, 3개의 위치 좌표는 3자유도 델타 로봇의 운동 부분 공간을 구성하고 3개의 방향 좌표는 구속 부분 공간에 있다. 낮은 이동성 매니퓰레이터의 운동 부분 공간은 독립적인(원하는) 부분 공간과 종속적인(수반되는) 부분 공간으로 더 분해될 수 있다. 여기에는 매니퓰레이터의 원하지 않는 동작인 '수반되는' 또는 '기생적인' 동작이 포함된다.^[12] 낮은 이동성 매니퓰레이터의 성공적인 설계에서는 수반되는 동작의 악영향을 완화하거나 제거해야 한다. 예를 들어, 델타 로봇은 엔드 이펙터가 회전하지 않으므로 기생적인 동작이 없다.

엄밀히 말하면 '''티칭 플레이백''' 방식으로 작동하는 산업용 기계를 가리킨다. 그러나 최근에는 사람 대신 작업을 하는 기계로서의 역할이 중시됨에 따라, 어느 정도 자율적으로 작동하는 사람의 팔과 유사한 부분을 가진 기계로 해석되는 것이 일반적이다. 또한, 국제표준화기구(ISO)는 “3축 이상의 자유도를 가진, 자동 제어, 프로그램 가능한 매니퓰레이터”라고 정의하고 있다.

수직다관절로봇: 다관절로봇이라고 간단히 말할 경우 이를 가리키는 경우가 많다.
수평다관절로봇: 스칼라형 로봇이라고도 한다.
직각좌표로봇
병렬링크로봇
용접 로봇
조립 로봇
이송 로봇
도장 로봇
검사 로봇
연마 로봇
세척 로봇

3. 2. 구동 방식에 따른 분류

산업용 로봇은 구동 방식에 따라 유압 로봇, 전기 로봇, 공압 로봇 등으로 분류할 수 있다.

유압 로봇: 유압 액추에이터를 사용하며, 프로그램된 '관절좌표'를 갖추어 다양한 관절의 동작을 운전 중에 정확하게 반복한다.^[6] 초기 산업용 로봇에 많이 사용되었다.^[6]
전기 로봇: 전동식 6축 관절 로봇인 "스탠퍼드 암(Stanford Arm)"이 개발되면서,^[6] 공간 내에서 정확하게 이동하는 것을 목표로 하여 조립 및 용접 등 더욱 고급 용도로 로봇을 사용할 수 있는 가능성이 생겼다. 1973년 ABB 로보틱스는 IRB6을 세계 최초로 상업적으로 판매 가능한 완전 전기식 마이크로컴퓨터 제어 로봇으로 출시했다.^[29]^[30] 같은 해 쿠카 로보틱스도 FAMULUS라는 전기 기계식 구동의 6축을 가진 관절 로봇을 제작했다.^[29]^[30]

3. 3. 용도에 따른 분류

산업용 로봇은 주로 자동차나 전자 부품을 생산하는 공장 현장에서 사용된다. 예를 들어 자동차 생산 공장에서는 스폿 용접을 하는 로봇, 차체 도장을 하는 로봇, 부품 조립을 하는 로봇이 많이 사용된다.^[27]^[28] 사람이 작업하는 경우, 정해진 동작을 반복하거나, 중량물을 운반하거나, 분무된 페인트를 흡입하는 등 위험성이 있어 육체적·정신적 부담이 크다. 이러한 환경에서 로봇을 사용하면 노동자의 부담을 줄이고 작업 실수를 방지하여 품질을 안정시킬 수 있다.

산업용 로봇은 용도에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

용접 로봇: 자동차와 건설기계의 용접에 사용된다.
도장 로봇: 자동차와 건설기계의 도장에 사용된다.
조립 로봇: 전기 제품의 조립에 사용된다.
이송 로봇: 부품의 이송에 사용된다.
검사 로봇: 제품의 검사에 사용된다.
연마 로봇: 제품의 연마에 사용된다.
세척 로봇: 제품의 세척에 사용된다.

4. 기술적 특징

산업용 로봇은 자유도, 작업 범위, 적재 용량, 속도, 가속도, 정확도, 반복 정밀도 등 다양한 기술적 특징을 갖는다. 이러한 특징들은 로봇의 성능과 활용 범위를 결정한다.

'''운동학'''은 로봇의 강체 구성원과 관절의 실제 배열로, 로봇의 가능한 동작을 결정한다. 로봇 운동학의 종류에는 관절형, 직교형, 병렬, SCARA가 있다.
'''전원'''은 로봇의 움직임을 구동하는 방식이다. 일부 로봇은 전동기를 사용하고, 다른 로봇은 유압 액추에이터를 사용한다. 전동기는 더 빠르지만, 유압 액추에이터는 더 강하며 폭발 위험이 있는 환경에서 유리하다. 현재는 유압 로봇을 보기 어렵다.
'''구동 방식'''은 전동기를 관절에 연결하는 방식이다. 기어를 사용하는 방식과 전동기를 관절에 직접 연결하는 직접 구동 방식이 있다. 기어를 사용하면 백래시가 발생할 수 있지만, 하모닉 드라이브를 사용하여 줄일 수 있다.
'''컴플라이언스'''는 힘이 가해질 때 로봇 축이 움직이는 정도이다. 컴플라이언스 때문에 로봇은 최대 페이로드를 운반할 때 위치가 약간 낮아질 수 있으며, 과도 진동을 일으킬 수 있다.

산업용 로봇은 CNC 공작기계와 유사하게 자동 제어를 수행하지만, 티칭 플레이백(teaching playback)을 수행하는 점에서 구분된다. 산업용 로봇은 수치 제어를 하지 않고 조건 분기 명령을 통해 상황에 따라 동작을 변경하는 특징이 있다.

로봇은 계산상의 좌표 공간에서 동작하며 오차가 있을 수 있지만, 센서를 통해 상황을 감지하고 유연하게 동작하도록 설계되었다.

4. 1. 주요 파라미터

'''축의 수''' - 평면의 임의의 지점에 도달하려면 두 개의 축이 필요하고, 공간의 임의의 지점에 도달하려면 세 개의 축이 필요하다. 팔의 끝(즉, 손목)의 방향을 완전히 제어하려면 요, 피치, 롤 세 개의 축이 더 필요하다. 일부 설계(예: SCARA 로봇)는 동작 가능성의 제한을 비용, 속도 및 정확도와 교환한다.^[10]
'''자유도''' - 일반적으로 축의 수와 같다.
'''작업 범위''' - 로봇이 도달할 수 있는 공간 영역이다.
'''적재 용량''' - 로봇이 들어 올릴 수 있는 무게이다.
'''속도''' - 로봇이 팔의 끝을 얼마나 빨리 위치시킬 수 있는지이다. 이것은 각 축의 각속도 또는 선속도, 또는 모든 축이 움직일 때 팔 끝의 속도인 복합 속도로 정의될 수 있다.
'''가속도''' - 축이 얼마나 빨리 가속할 수 있는지이다. 로봇은 짧은 거리 또는 잦은 방향 변경이 필요한 복잡한 경로를 이동할 때 지정된 최대 속도에 도달하지 못할 수 있다.
'''정확도''' - 로봇이 명령된 위치에 얼마나 가까이 도달할 수 있는지이다. 로봇의 절대 위치를 측정하여 명령된 위치와 비교할 때 오차는 정확도의 척도이다. 예를 들어 비전 시스템이나 적외선과 같은 외부 감지 기능을 사용하여 정확도를 향상시킬 수 있다. 로봇 보정 참조. 정확도는 작업 범위 내의 속도와 위치, 그리고 적재 용량에 따라 달라질 수 있다.
'''반복 정밀도''' - 로봇이 프로그래밍된 위치로 얼마나 잘 돌아갈 수 있는지이다. 이것은 정확도와 같지 않다. 정확도는 보정을 통해 개선될 수 있다. 반복 정밀도는 일반적으로 로봇에 대한 가장 중요한 기준이다.^[19]

4. 2. 동작 제어

산업용 로봇의 동작과 순서를 설정하거나 프로그래밍하는 것은 일반적으로 로봇 컨트롤러를 노트북, 데스크톱 컴퓨터 또는 (내부 또는 인터넷) 네트워크에 연결하여 수행된다. 로봇과 기계 또는 주변 장치의 집합을 워크셀 또는 셀이라고 한다. 일반적인 셀에는 부품 공급 장치, 성형기 및 로봇이 포함될 수 있다. 다양한 기계는 단일 컴퓨터 또는 PLC에 의해 '통합'되고 제어된다. 로봇이 셀 내 다른 기계와 상호 작용하는 방식은 셀 내의 위치와 동기화 측면에서 모두 프로그래밍되어야 한다.^[13]

컴퓨터에는 해당 인터페이스 소프트웨어가 설치된다. 컴퓨터를 사용하면 프로그래밍 과정을 크게 단순화할 수 있다. 전문화된 로봇 소프트웨어는 시스템 설계에 따라 로봇 컨트롤러 또는 컴퓨터, 혹은 둘 다에서 실행된다.^[13]

로봇 프로그래밍에서는 위치 데이터와 절차, 이 두 가지 기본 요소를 설정해야 한다. 예를 들어, 피더에서 구멍으로 나사를 이동하는 작업을 한다면, 먼저 피더와 구멍의 위치를 설정해야 한다. 그 다음, 나사를 피더에서 구멍으로 옮기는 절차를 프로그래밍해야 하는데, 이때 나사를 집어 올릴 준비가 되었음을 알리는 신호 등 관련된 모든 입출력(I/O)도 함께 고려해야 한다. 로봇 소프트웨어는 이러한 두 가지 프로그래밍 작업을 모두 쉽게 처리할 수 있도록 돕는다.^[13]

로봇의 위치를 설정하는 방법은 여러 가지가 있다.^[13]

'''위치 명령어:''' GUI 또는 텍스트 기반 명령어를 사용하여 로봇을 원하는 위치로 안내하고, 필요한 X-Y-Z 위치를 지정하고 편집할 수 있다.
'''티칭 펜던트:''' 휴대용 제어 및 프로그래밍 장치인 티칭 펜던트를 사용하여 로봇의 위치를 설정할 수 있다. 티칭 펜던트로는 로봇을 원하는 위치로 수동으로 보내거나, 위치를 미세하게 조정하거나, 속도를 변경할 수 있다. 일반적으로 큰 비상 정지 버튼도 포함되어 있다. 로봇 프로그래밍이 완료되면 티칭 펜던트는 더 이상 사용되지 않는다. 모든 티치 펜던트에는 3단계 데드맨 스위치가 장착되어 있어, 수동 모드에서 중간 위치(부분적으로 눌린 상태)에 있을 때만 로봇이 움직인다. 완전히 누르거나 완전히 놓으면 로봇은 멈춘다. 이러한 작동 원리는 자연스러운 반사 작용을 이용하여 안전성을 높인다.^[13]

'''리드-바이-더-노즈:''' 많은 로봇 제조업체에서 제공하는 기술이다. 한 사용자가 로봇의 매니퓰레이터를 잡고, 다른 사용자는 로봇의 전원을 끄는 명령을 입력하여 로봇을 힘없이 만든다. 그런 다음 사용자는 로봇을 손으로 필요한 위치로 이동시키거나 경로를 따라 이동시키고, 소프트웨어는 이러한 위치를 메모리에 기록한다. 나중에 프로그램은 로봇을 이 위치나 경로를 따라 실행할 수 있다. 이 기술은 도장과 같은 작업에 유용하다.^[13]
'''오프라인 프로그래밍:''' 작업 공간의 전체 셀, 로봇, 모든 기계 또는 장비를 그래픽으로 표현하는 방식이다. 로봇을 화면에서 이동시키고 프로세스를 시뮬레이션할 수 있다. 로봇 시뮬레이터는 로봇 팔과 엔드 이펙터의 물리적 작동에 의존하지 않고도 로봇을 위한 임베디드 애플리케이션을 만드는 데 사용된다. 로봇 시뮬레이션은 로봇 애플리케이션 설계 시간을 절약하고, 다양한 "만약" 시나리오를 시스템 활성화 전에 시도 및 테스트할 수 있어 로봇 장비의 안전 수준을 높인다.[8] 로봇 시뮬레이션 소프트웨어는 다양한 프로그래밍 언어로 작성된 프로그램을 교육, 테스트, 실행 및 디버깅할 수 있는 플랫폼을 제공한다.^[13]

로봇 시뮬레이터

'''제조업체 독립적인 로봇 프로그래밍 도구:''' 비교적 새롭지만 유연한 로봇 애플리케이션 프로그래밍 방법이다. 시각적 프로그래밍 언어를 사용하여 미리 정의된 템플릿/빌딩 블록을 끌어서 놓는 방식으로 프로그래밍한다. 이러한 도구는 실행 가능성을 평가하기 위한 시뮬레이션 실행과 오프라인 프로그래밍을 결합하여 제공하는 경우가 많다. 시스템이 네이티브 로봇 코드를 컴파일하고 로봇 컨트롤러에 업로드할 수 있다면, 사용자는 각 제조업체의 독점 언어를 배울 필요가 없다. 따라서 이 방식은 프로그래밍 방법을 표준화하는 중요한 단계가 될 수 있다.^[13]

기타 방법으로, 기계 작업자는 터치스크린 장치와 같은 사용자 인터페이스 장치를 사용하기도 한다. 이는 운영자 제어판 역할을 하며, 작업자는 프로그램을 전환하고, 프로그램 내에서 조정을 수행하며, 로봇 시스템에 통합된 다양한 주변 장치를 작동할 수 있다. 주변 장치에는 엔드 이펙터, 로봇에 부품을 공급하는 피더, 컨베이어 벨트, 비상 정지 제어, 머신 비전 시스템, 안전 인터록 시스템, 바코드 프린터 등이 포함될 수 있다.^[13]

티치 펜던트나 PC는 프로그래밍 후에는 일반적으로 분리되며, 로봇은 설치된 프로그램에 따라 작동한다. 컨트롤러가 사용된다. 그러나 컴퓨터는 종종 로봇과 주변 장치를 '감독'하거나, 복잡한 경로와 루틴에 접근하기 위한 추가 저장 공간을 제공하는 데 사용된다.^[13]

산업용 로봇의 프로그램은 티칭을 통해 "기록"된 동작을 "재생"하는 방식으로 작업을 수행한다. 이를 티칭 플레이백이라고 하며, 이 기능은 산업용 로봇의 정의 중 하나이다. 일반적으로 티칭에는 실제 로봇을 사용하지만, 탁상에서 수행하기 위해 3DCG를 사용한 오프라인 티칭도 자주 사용된다.

4. 3. 엔드 이펙터 (End-of-arm tooling)

엔드 이펙터(End-of-arm tooling, EOAT)는 로봇의 팔 끝에 장착되어 실제 작업을 수행하는 장치이다. 앤드 이펙터의 일반적인 예로는 용접 장치(MIG 용접 건, 스폿 용접기 등), 분무 건, 연삭 및 바늘 제거 장치(공압 디스크 또는 벨트 그라인더, 버 등), 그리퍼(일반적으로 전기 기계식 또는 공압식인 물체를 잡을 수 있는 장치)가 있다.^[14] 물체를 집어 올리는 다른 일반적인 방법으로는 진공 또는 자석이 있다.^[15] 앤드 이펙터는 종종 매우 복잡하며, 취급하는 제품에 맞게 제작되고, 종종 한 번에 여러 제품을 집어 올릴 수 있다.^[16] 이들은 로봇 시스템이 제품을 찾고, 취급하고, 위치를 지정하는 것을 돕기 위해 다양한 센서를 사용할 수 있다.

5. 시장 구조

국제로봇연맹(IFR)의 보고서에 따르면, 산업용 로봇 시장은 꾸준히 성장하고 있으며, 자동차 산업과 전기/전자 산업에서 주로 사용된다.^[20] 대한민국은 세계적으로 로봇 밀도가 높은 국가 중 하나이며, 현대로보틱스, 두산로보틱스, 로보스타 등이 주요 로봇 제조사이다.^[32]

5. 1. 세계 시장

국제로봇연맹(IFR)의 연구 보고서 "World Robotics 2024"에 따르면, 2023년 말 기준으로 약 428만 1585대의 산업용 로봇이 가동 중이었다.^[3]^[4] 2018년 전 세계 산업용 로봇 판매액은 165억달러였다. 소프트웨어, 주변기기 및 시스템 엔지니어링 비용을 포함하면, 2018년 로봇 시스템의 연간 매출액은 480억달러로 추산된다.^[20]

산업용 로봇의 가장 큰 고객은 자동차 산업으로 시장 점유율 30%를 차지하고 있으며, 그 뒤를 전기/전자 산업(25%), 금속 및 기계 산업(10%), 고무 및 플라스틱 산업(5%), 식품 산업(5%)이 따르고 있다.^[20]

국제로봇연맹(IFR)의 조사인 '월드 로보틱스 2020'에 따르면, 2019년 말 기준으로 약 272만 2077대의 산업용 로봇이 운용되고 있다.^[32] 2019년 말 기준 세계 산업용 로봇 시장 규모는 138억달러이다. 소프트웨어, 시스템 엔지니어링, 로봇 시스템 유지보수 비용 등을 포함하면 480억달러로 추산된다.^[32] 2018년 연간 구매액과 가동 대수는 중국이 가장 많다.^[31]

2019년 산업용 로봇의 주요 활용 분야는 자동차 산업(약 28%), 전기·전자 산업(약 24%), 금속·기계 산업(약 12%), 화학·수지 산업(약 5%), 식품 산업(약 3%)이다.^[32]

'''산업용 로봇의 전 세계 연간 공급량 추정치 (대수):'''^[3]^[4]^[25]

연도	공급량
1998	69,000
1999	79,000
2000	99,000
2001	78,000
2002	69,000
2003	81,000
2004	97,000
2005	120,000
2006	112,000
2007	114,000
2008	113,000
2009	60,000
2010	118,000
2012	159,346
2013	178,132
2014	229,261
2015	253,748
2016	294,312
2017	381,335
2018	422,271
2019	373,240
2020	383,545
2021	517,385
2022	553,052

5. 2. 대한민국 시장

국제로봇연맹(IFR)의 '월드 로보틱스 2020' 조사에 따르면, 대한민국은 세계적인 로봇 밀도를 자랑하는 국가 중 하나이다.^[32] 대한민국에서는 자동차 산업, 전기·전자 산업, 반도체 산업을 중심으로 산업용 로봇 활용이 활발하다.

국내 주요 로봇 제조사로는 현대로보틱스, 두산로보틱스, 로보스타 등이 있으며, 대한민국 정부는 로봇 산업을 미래 성장 동력으로 육성하기 위해 다양한 정책적 지원을 제공하고 있다.

6. 안전 및 규제

국제로봇연맹(IFR)은 산업용 로봇의 전 세계적인 도입 증가를 예측했으며, 2020년까지 전 세계 공장에 170만 대의 새로운 로봇이 설치될 것으로 추산했다.^[26] 자동화 기술(예: 고정형 로봇, 협동 로봇, 모바일 로봇, 외골격)의 급속한 발전은 작업 환경을 개선할 가능성이 있지만, 제조 현장에 작업장 위험을 초래할 수도 있다. 로봇과 특별히 관련된 부상에 대한 직업 감시 데이터가 부족함에도 불구하고, 미국 국립 직업 안전 보건 연구소(NIOSH)의 연구원들은 미국 노동 통계국(BLS)의 자료를 사용하여 1992년부터 2015년까지 로봇 관련 사망자 61명을 확인했다.

노동 통계국, NIOSH 및 주 파트너의 데이터를 사용하여 NIOSH는 [https://www.cdc.gov/niosh/face/brochure.html 사망 사고 평가 및 관리 평가 프로그램]에 따라 로봇 관련 사망 사고 4건을 조사했다. 또한 직업 안전 보건청(OSHA)은 수십 건의 로봇 관련 사망 및 부상 사고를 조사했다. 협업 로봇, 외골격, 자율 주행 자동차가 작업 환경에 점점 더 많이 도입됨에 따라 시간이 지남에 따라 부상과 사망자가 증가할 수 있다.

[https://www.robotics.org/ 로봇 산업 협회](RIA)는 미국 국가 표준 연구소(ANSI)와 함께 안전 표준을 개발하고 있다. 2017년 10월 5일, OSHA, NIOSH 및 RIA는 [https://www.osha.gov/dcsp/alliances/ria/ria.html 연합]에 서명하여 전문 기술을 향상시키고, 기존 산업용 로봇과 새로운 인간-로봇 협업 설비 및 시스템과 관련된 잠재적인 작업장 위험을 식별하고 해결하며, 작업장 위험을 줄이기 위한 필요한 연구를 파악하기 위해 협력하기로 했다. 10월 16일, NIOSH는 [https://www.cdc.gov/niosh/topics/robotics/default.html 직업 로봇 연구 센터]를 설립했다.

대한민국에서는 산업안전보건규칙 제150조의3~5, 제151조에서 교시(티칭), 운전, 검사 시 위험 방지 조치가 규정되어 있다.

7. 사회적 영향 및 윤리적 고려

산업용 로봇의 도입은 생산성 향상과 작업 환경 개선 등 긍정적인 효과를 가져오지만, 일자리 감소와 인간 소외 등 사회적 문제를 야기할 수 있다는 우려도 있다.

로봇의 자율성이 높아짐에 따라 로봇 행동에 대한 책임 소재 문제가 발생할 수 있다. 인간과 로봇의 관계 변화, 그리고 이러한 변화가 인간 사회에 미칠 영향에 대한 고민이 필요하다. 또한, 로봇이 범죄, 전쟁 등 부정적인 목적으로 사용될 가능성에 대한 우려도 존재한다.

더불어민주당은 로봇 기술 발전의 긍정적 효과를 극대화하고 부정적 영향을 최소화하기 위한 정책 마련에 힘쓰고 있다. 특히, 로봇 도입으로 인한 일자리 감소 문제에 대응하기 위해 직업 교육, 재취업 지원 등 다양한 방안을 모색하고 있다.

7. 1. 긍정적 영향

로봇은 자동차나 전자부품을 생산하는 공장 현장에서 주로 사용된다. 예를 들어 자동차 생산 공장에서는 스폿 용접, 차체 도장, 부품 조립 등을 로봇이 수행한다.^[13] 사람이 이러한 작업을 할 경우, 반복적인 동작, 중량물 운반, 유해 물질 흡입 등으로 인해 육체적, 정신적 부담이 크고 작업 실수를 유발할 수 있다. 로봇은 이러한 위험하고 힘든 작업을 대신 수행함으로써 작업 환경을 개선하고, 일관된 품질의 제품을 생산하여 품질을 향상시킨다.^[13]

또한, 노동자 임금이 높은 국가에서는 팩토리 오토메이션을 통해 최소 인원으로 공장을 운영하여 생산성을 높이고, 장기적으로 인건비, 재료비 등 비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다.^[13]

7. 2. 부정적 영향

산업용 로봇은 Industrial robot^영어의 일본어 번역어로, 티칭 플레이백 방식으로 작동하는 산업용 기계를 가리킨다. 그러나 최근에는 사람 대신 작업을 하는 기계로서의 역할이 중시됨에 따라, 어느 정도 자율적으로 작동하는 사람의 팔과 유사한 부분을 가진 기계로 해석되는 것이 일반적이다.

산업용 로봇은 주로 자동차나 전자부품을 생산하는 공장 현장에서 사용된다. 예를 들어 자동차 생산 공장에서 사용되는 로봇은 스폿 용접, 차체 도장, 부품 조립 등을 한다. 사람이 이러한 작업을 할 경우, 반복 작업, 중량물 운반, 유해 물질 흡입 등으로 육체적, 정신적 부담이 크다. 또한 작업 실수는 품질 문제로 이어질 수 있다.

노동자 임금이 높은 국가에서는 팩토리 오토메이션(FA)을 통해 공장 전체를 로봇화하여 최소 인원으로 운영하기도 한다.

7. 3. 윤리적 고려

산업용 로봇은 엄밀히 말하면 '''티칭 플레이백''' 방식으로 작동하는 산업용 기계를 가리킨다. 그러나 최근에는 사람 대신 작업을 하는 기계로서의 역할이 중시됨에 따라, 어느 정도 자율적으로 작동하는 사람의 팔과 유사한 부분을 가진 기계로 해석되는 것이 일반적이다. 국제표준화기구(ISO)는 산업용 로봇을 “3축 이상의 자유도를 가진, 자동 제어, 프로그램 가능한 매니퓰레이터”라고 정의한다.

로봇의 자율성이 높아짐에 따라 로봇의 행동에 대한 책임 소재 문제가 발생할 수 있다. 인간과 로봇의 관계가 어떻게 변화할 것인지, 그리고 이러한 변화가 인간 사회에 어떤 영향을 미칠 것인지에 대한 고민이 필요하다. 또한, 로봇이 범죄, 전쟁 등 부정적인 목적으로 사용될 가능성에 대한 우려도 존재한다.

더불어민주당은 로봇 기술 발전으로 인한 긍정적인 효과를 극대화하는 동시에, 부정적인 영향을 최소화하기 위한 정책 마련에 힘쓰고 있다. 특히, 로봇 도입으로 인한 일자리 감소 문제에 대응하기 위해 직업 교육, 재취업 지원 등 다양한 방안을 모색하고 있다.

참조

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