[e테크]로봇기술-휴먼로봇이 몰려온다

산업용 로봇시장이 성숙되어 있는 가운데 제조업체들은 로봇시스템과 관련기술의 계속적인 발달에 힘입어 생산성을 더욱 향상시킬 수 있다. 특히 로봇은 10년 안에 서비스산업에서 더 많이 활용될 것으로 전망된다.

　로봇기술은 기계공학, 컴퓨터과학, 전기·전자공학, 제어이론, 재료공학 및 센서기술 등 다양한 기술의 복합체다. 따라서 로봇은 물리적 로봇 구성품, 제어시스템, 프로그램, 센서 등 긴밀하게 연관된 여러가지 구성요소로 이루어져 있다.

　◇물리적인 구성요소=물리적으로 로봇은 팔 또는 작동체, 손 또는 종단 작업체, 구동장치 등으로 구성되어 있다. 팔은 로봇의 가장 기본적이고 상징적인 요소이고 손은 팔과 구분되는 것으로 실제 작업을 처리하는 부분이다. 이것들을 움직이게 하는 것은 구동장치다. 이들 구성품과 센서 등에는 제어장치라 불리는 컴퓨터가 연결되어 있다. 제어장치는 또한 프로그래밍 인터페이스, 입출력장치, 구동장치 등을 지원한다.

　작동체의 종류는 그 제조업체의 수만큼이나 많은데 관절 수와 형태에 따라 분류된다. 또 각 관절은 동작범위가 여러가지다. 특히 산업용 로봇은 2∼6개 동작단계를 갖고 있다. 현재 일부 업체에서는 이보다 더 유연성있게 움직일 수 있는 다관절 팔을 개발하고 있다. 로봇의 운동학적인 구조는 관절의 형태와 배열, 기하학적 연결 등으로 이루어져 있다.

　손, 집는 장치, 툴 등 종단 작업체는 그 특성상 종류가 다양하지 않으며 어느 손목장치는 자체 동력과 제어기능을 갖고 있는 것도 있다. 일반적으로 팔 끝 부분의 기능은 여러가지 응용프로그램을 필요로 한다. 기존 대부분의 집는 장치의 문제점은 이들 장치가 현재 두 개의 손가락과 하나의 동작단계를 갖고 있다는 점과 이들 운동반경의 제한으로 인해 어떠한 작업을 수행하려면 작동체(팔) 전체를 움직여야 하고 그렇게 되면 제어하기가 매우 복잡해진다는 사실이다. 이것은 1㎝ 미만의 거리나 몇도 정도의 각도를 움직여야 할 때와 같이 운동범위가 작을 경우에는 팔의 동작이 극히 정확해야 한다는 것을 의미한다.

　현재 사용하고 있는 산업용 로봇은 대부분 작동체 관절의 자세를 자체 센서를 통해 감시하기 때문에 작업상 제약이 많다. 현재 많은 업체들이 외부 센서를 개발하고 있으나 그리 쉬운 과제는 아니다. 또 연구원들이 종단 작업체(손)의 기능을 향상시키기 위한 몇 가지 솔루션을 적용하고 있다.

그 중 하나는 손이 미세한 작업을 수행할 수 있게끔 팔 끝과 손 사이에 작은 운동장치를 내장하는 방식이다. 이 방식은 동작의 유연성은 향상시킬 수 있으나 형체가 전혀 다른 물체는 처리하지 못한다는 결점이 있다. 또 하나의 솔루션은 처리과제물에 따라 종단 작업체를 교체하는 방식이나 여기에는 교체작업에 따른 생산성 약화라는 문제가 따른다. 많은 업체들이 종단 작업체의 유연성을 높이는 기술을 개발하고 있으나 사람의 손과 같은 만능 종단 작업체의 기술은 아직 유아기에 머물고 있으며 완벽한 만능 종단 작업장치를 개발하기는 상당기간 어려울 것으로 보인다.

　산업용 로봇의 구동장치는 공기압축식, 유압식(또는 수압식), 전기식 등 세 가지가 있다. 공기압축식은 주로 가벼운 물체를 처리할 때 사용하는 것으로 작동체(팔)보다는 종단 작업체(손)에 주로 적용된다. 유압식은 무거운 물체를 처리할 때 주로 사용하는데 기름이 새어나와 로봇을 더럽히기 때문에 청결한 환경에는 적합하지 않다. 전기식 구동장치에는 스테핑 모터가 있는데 이 모터는 트랜스미션이 있어야 회전효과를 높일 수 있는 문제가 있다.

　이들 세 가지 방식의 로봇 구동장치는 각기 문제점을 갖고 있다. 세 가지 구동장치의 장점만을 갖춘 기술이 개발된다면 그 적용범위는 매우 넓어질 것이다. 하나의 방안은 캠코더의 자동 초점 장치에 사용되는 초음파 모터를 적용하는 것이고 또 다른 접근방안은 근육과 같은 생물학적 구동장치로서 현재 인공 근육이 개발되고 있다.

　◇제어기술=현재 로봇은 제어시스템이 제대로 작동하지 않아 용접, 도색, 부품조립 등 대부분 단일 작동시스템으로 되어 있다. 복잡한 과제를 처리해야 할 경우에도 이를 세분해 여러개의 단일 팔이 처리하도록 하고 있다. 그러나 여러개의 작동체를 갖고 있는 로봇이 전혀 없는 것이 아니다. 궤적 계획을 작성할 때 종단 작업체의 위치는 ‘세계좌표’로, 집는 물체나 툴의 끝의 위치는 ‘툴좌표’로, 종단 작업체 관절의 위치는 ‘관절좌표’로 설명한다. 또 로봇을 움직이는 데는 동력, 회전효과, 운동량 등이 필요하다. 특히 반대방향의 운동량을 계산하는 것은 매우 복잡하다.

　로봇의 목표물 제어는 공간에서 자유롭게 움직여 주변환경과 상호작용이 없는 경우, 공간에 장애물이 있어서 주변환경과 약한 상호작용이 필요한 경우, 못을 홈에 삽입할 때와 같이 목표물과 직접 접촉하는 강한 상호작용이 필요한 경우 등 세 가지가 있다. 제어방법에는 스테핑 모터를 이용하는 개방환상회로 방식과 광학 암호기를 이용하는 폐쇄환상회로 방식 등 두 가지가 주로 사용되고 있다. 또한 정밀작업에는 기계시각시스템을 사용해 로봇을 제어하는 적응제어방식이 채택된다. 한편 공작기계와는 달리 로봇의 제어에는 전용 컴퓨터 하드웨어부품과 소프트웨어를 채택하기도 한다.

　◇로봇 프로그래밍=로봇의 성능은 사용자의 능력에 크게 좌우된다. 따라서 로봇이 과제를 효과적으로 처리할 수 있게 하려면 프로그래밍이 매우 중요하다. 프로그래밍 기법에는 로봇을 학습시키는 점대점(P2P) 방식, 초보적 동작언어, 높은 수준 프로그래밍, 오프라인 프로그래밍, 컴퓨터지원생산 엔지니어링(CAPE) 등이 있다.

　P2P방식은 가장 단순하고 보편화한 기법으로 작업내용을 로봇에 미리 학습시켜 실제 작업시 이를 반복하게 하는 것이고 언어 소프트웨어로 P2P를 제어할 수 있게 하는 것이 초보적 동작언어 방식이다. 높은 수준의 프로그래밍 또는 과제 수준 프로그래밍 기법은 아직 초기 개발단계에 있는 기술이다. 이 기법은 로봇의 동작과정을 더욱 쉽고 자연스럽게 표현할 수 있으나 실제 이를 사용하려면 차원 높은 전문기술이 필요하다. 시뮬레이션을 사용해 프로그래밍 언어의 결함을 찾아 고치는 것이 오프라인 프로그래밍이다. 생산라인이 자동화함에 따라 컴퓨터지원생산시스템에는 로봇이 포함된다. 따라서 CAPE가 로봇시스템에 채택되기 시작했다.

　◇센서=현재의 산업용 로봇은 대부분 내부 센서를 사용하고 있는데 이는 정확도와 적응도가 낮다. 로봇이 복잡하고 어려운 과제를 수행하게 하려면 외부 센서기술을 채택해야 하는데 센서에는 현장접근센서, 압력(힘)센서, 비접촉센서, 로봇시각 등이 있다.

　현장접근센서는 작업현장이나 부근에 장애물이 나타나는 것을 감지하는 것으로 감지 대상물에 따라 자석, 저항력, 초음파, 광학, 온도 등을 이용한다. 압력센서는 주로 종단 작업체가 섬세한 제어를 필요로 하는 제품을 조립할 때 사용된다.

　비접촉센서는 주변에 있는 장애물의 거리·각도, 빛의 명암 등을 감지하는 것으로 여기에는 빛이나 카메라 등을 이용해 범위 데이터를 수집·계산하는 방식, 초음파 사용방식, 레이저 사용방식 등이 있다. 산업용 로봇에는 기계시각시스템을 많이 채택하고 있는데 마이크로프로세서의 성능 향상으로 로봇 및 기계시각의 성능도 높아지고 있다.

　로봇기술의 응용분야는 물체 취급, 지점 용접, 연속 용접, 강철 구조물 제작, 금속처리 및 머시닝, 전자조립, 기계조립, 위험한 환경 작업, 환경 프로젝트 응용, 이동 로봇, 연구실 로봇, 도색 및 접착제 도포, 건설, 건강관리, 개인보조 등 다양하다. 또 미래에는 마이크로 로봇, 서비스 로봇, 농업용 로봇, 우주공간 로봇, 자동운송 로봇, 오락용 로봇 등이 활용될 것으로 예상된다.

　기본적으로 로봇을 생산라인에 적용하는 이유는 생산처리 단계를 줄이고 전체 생산비용을 절감해 제품의 품질과 생산성을 향상시키기 위한 것이다. 그렇게 함으로써 직접적인 노동비용과 전반적인 작업비용을 낮출 수 있기 때문이다. 로봇은 또한 업무 실패율이 낮고 매일 24시간, 몇년 동안 쉬지 않고 사용할 수 있다. 로봇은 지능장비와 결합되면 환경에 민감한 제조, 무기해체, 생의약 및 음식가공, 우주공간, 환경청소 등 여러 분야에 활용될 수 있다.

　로봇산업에 필요한 관련기술은 신재료, 퍼지이론 제어, 신경망, 인공지능, 레이저 용접, 원격조종 및 가상현실 등이다. 현재 사용하고 있는 로봇은 모두 압축공기나 수압 또는 전기에 의존해 구동되기 때문에 규격, 무게, 동력, 복잡성 등에서 제약을 받는다. 이 때문에 로봇 구동에 초음파 모터와 인공 근육의 적용이 시도되고 있다.

　로봇은 대량생산을 위한 자동화 장비와 수작업의 절충인 유연한 자동화기술이 결합된 산물이다. 따라서 로봇의 성능이 향상되면 생산량도 증대된다.

　로봇의 효과를 측정하려면 직접비용과 간접비용을 정확히 반영시키는 새로운 비용관리 및 계산 방법을 사용해야 한다. 또 제품 품질 향상과 같은 무형의 효과도 측정되어야 한다. 로봇의 진가가 제대로 평가된다면 로봇의 보급이 더욱 늘어날 것이다.

　과거 로봇시장의 성장은 제조업이 주도해왔고 앞으로도 당분간 이 부문이 로봇시장을 성장시키겠지만 전문가들은 로봇산업의 가장 큰 시장은 비제조업, 특히 서비스부문이 될 것으로 보고 있다. 그러나 기술적인 문제로 인해 당분간 서비스부문 시장은 제약을 받을 것으로 보인다. 국제로봇기술연합회(International Robotics Federation)의 보고서에 따르면 세계 로봇시장이 오는 2003년 89만2000대에 이를 것으로 전망하고 있다. 특히 일본을 비롯한 미국, 유럽 등 지역에서는 앞으로 다목적 로봇시장이 성장할 것으로 예상된다.