협동로봇 편집하기

협동로봇은 인간을 대체하기 위한 로봇이 아닌, 인간과 함께 일하면서 작업 효율과 생산성을 극대화할 수 있는 로봇과 인간의 협력 모델을 의미한다. 기존 산업용 로봇은 로봇이 동작하는 동안 작업자의 안전을 고려하여 안전 펜스 등을 설치하여 로봇의 작업 영역에 인간 작업자의 접근을 철저하게 통제하는 로봇을 의미한다. 반면 협동로봇은 산업용 로봇과는 달리 인간과 공존할 뿐만 아니라 작업 혹은 임무 기획 및 수행 시 파트너로서 공생 관계를 형성하는 로봇을 의미한다.<ref> 이상형 선임연구원, 〈[http://webzine.koita.or.kr/201905-specialissue/Special-Issue-04-%EC%8A%A4%EB%A7%88%ED%8A%B8%EA%B3%B5%EC%9E%A5%EC%9D%84-%EC%9D%B4%EB%81%8C%EC%96%B4-%EA%B0%88-%ED%95%B5%EC%8B%AC-%EC%9A%94%EC%86%8C-%E2%80%9C%ED%98%91%EB%8F%99%EB%A1%9C%EB%B4%87%E2%80%9D Special Issue 04 - 스마트공장을 이끌어 갈 핵심 요소 “협동로봇”]〉, 《한국산업기술진흥협회》 </ref> 작업장 내에서 발생할 수 있는 위험 사고의 빈도를 감소시킬 수 있고, 비용을 낮출 수 있으며 노동력 부족 문제를 해결할 수 있어 활발하게 활용되고 있다.

협동로봇의 가장 큰 특징은 [[자동차]]의 [[파워트레인]](power train)에 해당하는 관절 모듈이다. 기존의 산업용 로봇에는 중실형 모터와 감속기가 직결되거나 또는 벨트로 오프셋된 채로 연결되어 동력을 전달하는 구조로 되어 있다. 그러나 협동로봇의 경우에는 중공형 모터와 중공형 하모닉 드라이브가 직결되는 구조를 가진다. 전기 모터는 고속, 저 토크(torque)의 특성을 갖는 반면에, 로봇의 동작은 저속, 고 토크를 필요로 하므로, 하모닉 드라이브와 같은 감속기를 사용하여 토크를 증폭하는 대신에 속도를 낮춘다. 관절 모듈에는 모터의 구동 및 제어를 위한 모터 드라이브와 모터의 회전 위치를 측정하기 위한 엔코더(encoder)가 내장된다. 대부분의 경우 모터 측에 증분형 엔코더, 링크 측에 절대형 엔코더가 설치되는데, 증분형 엔코더는 위치 제어용으로 사용되며, 절대형 엔코더는 전원이 꺼지는 경우에도 링크의 절대적인 위치 정보를 제공하는 데 사용된다. 일부 협동로봇에는 로봇 링크에 전달하는 토크를 측정하기 위한 토크 센서가 장착된다. 이 외에도 정상 동작 시에는 모터의 정지 상태를 유지하고, 비상 시에는 모터로부터의 동력을 차단하기 위해서 브레이크가 필수적으로 설치되어 있다. 모든 부품은 중앙에 구멍, 즉 중공을 가지는데, 이 중공을 통하여 배선이 지나가게 되므로 산업용 로봇과는 달리 배선이 로봇 밖으로 노출되지 않는다.

(capacitance, 전기 용량)의 변화를 측정하는 방식을 취하게 되므로, 전달 토크에 비례하여 적절히 변형이 발생하여야 한다. 이는 로봇의 강성, 즉 큰 토크가 가해지더라도 가능하면 변형이 되지 않아야 정밀도를 유지할 수 있다는 관찰에는 위배된다. 다시 말해 로봇의 강성을 크게 하기 위해서 로봇의 링크를 두껍게 설계하는데, 토크 센서는 이러한 증가시킨 강성을 저하시키는 방향으로 악영향을 주게 된다. 결론적으로, 토크 센서의 자체 강성이 커서 토크가 전달되더라도 센서의 변형이 거의 발생하지 않으면서도, 센서 분해능이 커서 토크를 정확히 측정하여야 하는 상충되는 조건을 만족시켜야 하므로, 토크 센서의 설계에는 고도의 기술이 수반되어야 한다. 그러므로 대부분의 협동로봇은 토크 센서를 장착하고 있지 않으며, 토크 센서 기술을 확보한 회사의 협동로봇 중 고급형에만 토크 센서가 장착되고 있다.

협동로봇은 작업자와 동일 공간에서 동작하므로 만일의 충돌에 대비하여야 한다. 이러한 충돌은 로봇과 작업자 간에 발생하기도 하지만, 환경과 발생할 수도 있다. 정상 동작 시에는 각 관절에 모터로부터의 관절토크만 인가되지만, 충돌이 발생하는 경우에는 관절토크 외에도 외부토크도 함께 관절에 인가된다. 이러한 외부토크를 로봇의 동역학 모델과 토크 센서에서 측정한 토크 등에 기반하여 추정함으로써 충돌 여부를 판단하게 된다. 이때 예기치 않은 충돌인지 작업을 위한 의도적인 접촉인지를 판단하는 것이 쉽지 않다. 이러한 판단을 위해서, 접촉 시에 발생하는 힘의 주파수 분석을 통하여 고주파 성분이 많으면 충돌로, 저주파 성분이 많으면 정상적인 접촉으로 판단하기도 하지만, 이에 예외가 되는 경우도 있으므로 주의해야 한다.  

기존의 산업용 로봇은 로봇에게 작업을 교시하기 위해 주로 텍스트 위주의 프로그래밍에 많이 의존했었다. 이러한 전문적인 프로그래밍을 위해서는 로봇 엔지니어가 필요하며, 일반인이 이러한 프로그래밍을 하는 것은 매우 어려웠다. 자동차 공장과 같은 대기업에서는 다수의 로봇 엔지니어가 이러한 프로그래밍을 수행할 수 있지만, 중소기업의 경우 이를 위한 엔지니어를 항시 채용하고 있기는 어려우며, SI 업체의 도움을 받더라도 소품종 대량 생산이 아니라, 다품종 소량 생산이 필요한 환경에서는 로봇을 교시할 일이 자주 발생하게 된다. SI의 고비용을 고려한다면 이 또한 부담스러운 일이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 복잡하지 않은 작업은 로봇에 문외한인 사람도 쉽게 로봇에게 작업을 교시할 수 있다면 편리할 것이다. 가장 쉬운 교시 방법 중 하나는 로봇의 말단부를 손으로 잡고 로봇이 움직여야 되는 궤적이나 도달해야 하는 목표점 등을 직접 로봇에게 알려 주는 방법인데, 이를 직접 교시(direct teaching)라고 한다. 이를 위해서는 로봇이 작업자의 의도대로 쉽게 움직일 수 있어야 한다. 기존의 산업용 로봇은 로봇의 말단부에 장착한 힘/토크 센서로 작업자가 로봇에 가하는 힘의 크기와 방향을 감지하여 작업자가 원하는 방향으로 힘의 크기에 비례하는 속도로 작동한다. 협동로봇의 경우 이러한 방법 대신에 로봇의 모델에 기반하고, 로봇과 환경 간에 스프링 및 감쇠기 등의 임피던스가 있다고 가정하고, 이를 활용하는 방식으로 직접 교시를 수행한다. 즉, 임피던스 제어에 기반하여 직접 교시를 수행하는 방식이 많이 사용된다.  

통하여 실제 원하는 로봇 동작이 수행되는지를 검토할 수 있다. 이와 같이 시뮬레이션에서 별 문제가 없으면, 실제 로봇에서 구현하게 된다.  

|+ 국내외 주요 협동로봇 제품 및 주요사양

협동로봇은 산업용 로봇, 즉 제조용 로봇의 한 부류이다. 2010년경에 협동로봇이 처음 시장에 출시된 이후에 산업용 로봇과는 다른 수요층을 형성하면서 기존 산업용 로봇과는 다른 시장을 형성하기도 하였지만, 기본적으로는 기존 산업용 로봇을 대체하는 수요도 있다. 협동로봇 시장에 앞서, 먼저 매년 산업용 로봇의 설치 대수는 2010년부터 2020년까지 꾸준하게 증가하고 있다. 2017년과 2018년에 폭발적으로 설치 대수가 증가하다가 2019년도에 성장세가 다소 둔화되었고, 2020년에는 코로나 사태로 인한 전 세계적인 불황으로 설치 대수가 정체되었다. 그러나 여전히 최근 평균 40만 대 정도가 전 세계적으로 새로 설치되고 있다. 이는 시장 규모로는 132억 달러(약 15조 원)에 달하며, 매년 8.5%씩 증가하고 있다. 이 중에서 [[중국]] 공장에 설치되는 산업용 로봇의 대수가 전체의 44%에 달하며, 이는 [[유럽]]과 [[미국]] 전체에 설치되는 대수보다도 크다. [[대한민국]]도 2020년에 3만 800대의 산업용 로봇이 새로 설치되었으며, 이는 세계 4위에 해당한다. 2020년에 코로나 충격으로 전 세계적으로 로봇 설치 대수가 줄어들었음에도 불구하고, 중국의 경우 20%가 증가하였다는 점이 특이하다. 2020년의 통계를 보면 산업용 로봇 38만 4천 대, 협동로봇 2만 5천 대가 생산되었으므로 협동로봇은 산업용 로봇의 6.5% 정도에 불과하다. 그러나 협동로봇 시장은 매년 20%씩 증가하고 있어서, 매년 8% 정도 성장하는 산업용 로봇에 비해서 가파르게 시장 규모가 증가하고 있으므로, 전체 산업용 로봇에서 차지하는 비중도 크게 증가할 것으로 예상된다.  

세계 최대의 로봇 소비국인 [[중국]]은 '중국 제조 2025'의 10대 핵심 산업 중 하나로 '고정밀 수치제어 및 로봇'을 채택했다. 중국 정부는 공격적인 로봇 산업 정책을 펴고 있는데, 로본 산업 발전 5개년 계획에 따르면 2020년까지 로봇 내수시장 점유율을 2배 수준인 50%까지 높일 계획으로, 2045년까지 세계 1위 제조강국을 목표로 하고 있다. 중국은 2013년부터 세계 최대의 로봇 소비 국가가 되었으며, 중국 내 인건비 상승 등으로 로봇에 대한 수요가 급격히 증가하고 있으므로, 향후 특별한 일이 없는 한 세계 최대의 로봇 시장을 유지할 전망이다. 중국의 과학기술부는 로봇산업 발전계획(2016-2020, 5개년 계획)의 구체화를 위한 '스마트 로봇 프로젝트 가이드'를 2017년에 발표하였다. 중국의 여러 지역에서는 중국산 로봇을 구입한 기업에게 보조금을 지급하여 중국산 로봇의 구입을 장려하고 있다. 로봇 생산 기업과 로봇을 도입하는 제조기업 모두에게 정책적, 재무적인 혜택을 제공하고 있다. 예를 들어, [[광둥성]]의 불산시에서는 중국산 로봇을 구입한 기업에게 1대당 1만 위안(170만 원)을 지급한다. 2014년 기준으로 로봇 수입 비중이 62%로 주로 [[독일]], 일본, 한국의 로봇을 수입하고 있지만, 중국의 가전업체 [[메이디그룹]](Midea Group)이 2016년에 독일 쿠카를 인수하고, 중국의 로봇기업들이 질적 및 양적으로 비약적으로 발전하고 있다. 특히 하모닉 드라이브 생산기업인 리더드라이브는 몇 년 사이에 높은 품질의 하모닉 드라이브를 출시하여 국내에서도 시장 점유율을 높이고 있다.

 

=== 산업계 동향 ===