작업 요구 사항 분석(이만형, 1999)
로봇(robot)의 어원은 체코 극작가 카렐 차펙(KAREL CAPEK)이 1920년에 발표한 최초의 로봇 드라마, ROSSUM’S UNIVIERSAL ROBOTS에서 등장한 robota이며, 이 단어는 체코 어로 ‘강제노동’을 뜻한다. 이는 사람이 로봇을 개발하는 첫 번째 목적이 사람을 대신 해서 위험하거나 유해한 환경에서 규격화된 작업을 장시간으로 정확하게 하는 것임을 의미한다.
산업용 로봇이 가장 많이 활용되고 있는 자동차 제조 공정에는 스폿(spot) 용접용 로봇, 아크(arc) 용접용 로봇, 도장(painting)용 로봇, 조립용 로봇, 핸들링용 로봇, 이·적재용 로봇, 부품 가공용 로봇, 검사용 로봇, 최종 조립용 로봇 등이 있다.
1세대 로봇이면서 계속해서 성능 향상 및 가격 하락이 이뤄지고 있는 산업용 로봇(Industrial Robot)은 제조공정에서 다음의 네 가지 분야 작업에 응용되고 있다.
• 자재취급: 부품배치, 적재 및 하역, 기계에 장착 및 탈착 등
• 공정처리: 용접, 도장, 절삭 및 디버링(deburring) 작업, 도포 작업 등
• 조립: 자재취급과 공구의 조종을 포함한 일괄 조립(batch assembly) 또는 적은 단위의 조립(low volume assembly)
• 검사: 촉각 게이지, 선형변위변환기(linear variable differential transformer), 로봇 비전 등을 이용해서 부품 또는 제품의 불량 여부 판정
제조공정의 네 가지 작업 분야에 대해 보다 상세히 설명하고 작업별 로봇 관련 요구 사항을 분석하면 다음과 같다.
1. 자재취급
로봇이 제조공정에서 자재나 부품을 취급하기 위해서는 다음의 기능들을 갖춰야 한다. 로봇은 자재를 안전하게 들어 올리고 정확한 위치에 놓을 수 있어야 하고, 자재를 취급하기 위한 충분한 힘·토크를 낼 수 있어야 하며, 작업의 사이클에 비하여 충분한 속도를낼 수 있어야 한다.
(1) 부품배치
로봇이 어떤 위치에서 1개의 부품을 들어 올려서 목적 위치에 정확히 놓는 작업을 의미하며 영어로 픽-플레이스(pick-and-place)라고 한다.
이 작업에는 들어 올릴 부품의 형상과 위치를 인식하기 위한 영상인식, 역기구학 계산, 정밀제어, 동작 정숙성이 필요하다.
(2) 적재 및 하역
로봇이 1개의 부품 또는 제품을 운반대 혹은 다른 부품 위에 적재(palletizing)하거나 또는 하나씩 차례로 하역 (depalletizing)하는 작업을 의미한다. 이 작업은 부품배치와 마찬가지로 적재 또는 하역할 부품이나 제품의 형상과 위치를 인식하기 위한 영상인식, 역기구학 계산이 필요하며, 무거운 부품이나 제품일 경우에는 큰 작업토크도 필요하다.
(3) 기계에 장착 및 탈착
로봇이 부품들을 생산 기계에 붙이거나 공급(loading)하는 작업을 장착이라고 하고 생산 기계로부터 작업 완성품을 떼어내거나 회수(unloading)하는 작업을 탈착이라고 한다. 장착 및 탈착의 예는 다이캐스팅, 플라스틱 사출, 단조, 프레스 작업 등이 있다. 이 작업에는 영상인식, 역기구학 계산과 더불어, 생산 기계와 로봇 간의 작업 사이클 시간의 차이를 고려할 수 있는 능력이 필요하다. 이를 위해서는 공정 전체를 담당하는 제어기가 있어야 하며, 제어기와 로봇 간에 유･무선 통신이 필요하다. 또 생산 기계의 작업이 진행되는 동안 로봇이 공급 또는 회수를 할 수 있도록 로봇의 작업 속도가 빨라야 한다.
2. 공정처리
공정처리 작업은 로봇이 주어진 부품이나 자재에 용접, 도장, 절삭 가공 및 디버링 (deburring, 버 제거), 도포 작업 등을 수행하는 것을 의미한다. 이 작업의 특징은 공정에 적합한 공구(tool)를 로봇의 말단부(end effector)에 설치해야 한다는 것이다.
(1) 용접
용접에는 두 장의 얇은 금속판을 접촉점에서 녹여서 접합하는 점용접(spot welding)과 경로를 따라서 연속적으로 녹여서 접합하는 아크용접(arc welding)이 있다. 점용접 작업에는 공압 또는 모터로 제어되는 무거운 용접총(spot gun)이 로봇에 장착 되므로 큰 적재하중 능력을 갖춰야 하며, 용접 지점간(point-to-point) 제어 기능이 중요하다. 아크용접 작업에는 연속 경로제어 능력이 중요하다.
(2) 도장
현재 많이 사용되는 도장(painting) 방식으로는 분무 도장(air spray painting), 스프레이 도장(airless spray painting), 정전기 도장(electrostatic painting), 정전기 분말도장 (electrostatic powder painting) 등이 있다. 이 중에서 분무 도장은 도료를 압축 공기와 함께 물품에 뿌리며 도장하는 방법으로, 작업 능률이 좋고 넓은 부분에 균일하게 도장할 수 있다. 분무 도장은 인체 건강에 유해한 대표적인 작업이므로, 로봇을 적용하면 작업환경과 생산성을 크게 향상시킬 수있다. 로봇은 분무 도장에서 요구되는 부드러운 작업 순서를 달성할 수 있도록 연속 경로 제어 능력이 필요하다.
(3) 절삭가공 및 디버링
절삭가공이란 만들고자 하는 제품보다 경도가 큰 공구를 사용하여 공작물로부터 칩 (chip)을 깎아서 원하는 형상을 만들어내는 작업을 의미하며, CNC(computer numerical control)를 이용한 선반(공작물을 회전시키면서 공구로 가공) 작업, 밀링(공구가 회전하 면서 공작물 가공) 작업, 드릴링(공작물에 회전하는 드릴을 눌러대어 구멍 뚫기) 작업 등이 있다. 로봇이 절삭가공을 수행하기 위해서는 위치와 자세를 동시에 제어하고 고강성을 유지 하면서 고정밀도를 충족시켜야한다. 디버링이란 절단이나 절삭 등의 모든 가공 공정 후 필연적으로 발생하는 날카로운 부분이나 작은 조각인 버(burr)를 제거하는 작업을 의미한다. 디버링 작업을 위해서는 로봇과 작업면 간의 상호작용력(interaction force) 제어가 중요하다.
(4) 도포
도포란 점착제나 도료를 대상 제품의 표면에 균일하게 바르는 작업을 의미하며, LNG(liquid natural gas) 탱크의 단열 판넬에 에폭시 접착제를 도포하거나, 자동차 부품에 접착제를 도포하거나, 신발 제조 공정에서 신발 갑피의 모양을 고려하여 점착제를 최적의 경로로 바르는 작업 등을 예로 들 수 있다. 신발 제조 공정의 경우 신발 갑피의 모양을 고려하여 점착제 도포용 경로점을 생성하는 방법과 경로점들을 연결한 유클리디안 거리가 최소가 되도록 경로를 최적화하는 방법 등이 필요하다.
3. 조립
조립은 부품들을 체결 및 해체하여 제품을 만드는 작업으로서 전통적으로 노동 집약적인 산업이다. 조립은 반복적이고 지루한 작업이지만 일반적으로 그 내용이 조립제품에 따라 방대하고 복잡하다. 또 인쇄회로기판 조립과 같이 정밀한 작업 수행 시 반복 정밀도가 높아야 한다. 로봇으로 조립작업을 하기 위한 고려사항으로는 로봇의 말단장치가 부품들을 쉽게 들어 올리고 조립할 수 있도록 하는 것이다. 최근에는 인간과 로봇이 함께 조립을 할 수 있는 협동로봇(collaborative robot) 기술이 개발되고 있으며 복잡한 조립 작업을 수행하기 위한 양팔 로봇 기술이 대두되고 있다.
4. 검사
검사 작업에서는 부품이 움직이거나 검사용 장치가 움직이며 부품 또는 제품의 불량여부를 판단하며, 고도의 정밀성을 요구한다. 검사 로봇 중 비파괴검사 로봇은 초음파를 이용하여 강관, 강재 수문, 선박, 압력 용기 등의 용접 부위의 합격 여부, 부식 결함 등을 원격·자동으로 검사할 수 있어, 기존에 사람이 접근하기 힘든 곳에서 정교하게 안전진단을 할 수 있다.
로봇 성능 스펙 도출
로봇의 주요 설계 사양은 가반 하중(pay load), 최대 속도(max speed), 위치 반복 정밀도 (pose repeatability), 작업 영역(work space) 등이다. 로봇 성능 시험은 ISO 9283에 의거하여 [그림 1]과 같은 측정 시스템으로 다양한 항목을 시험한다. 공간상의 위치 측정을 위해서는 광학식 거리 측정 시스템을 사용하거나, 레이저 센서를 이용한 거리 측정 시스템을 사용한다.
ISO 9283의 로봇 성능 측정 항목은 다음과 같다.
1. 자세 특성 시험
(1) 자세 정밀도/반복성(pose accuracy/repeatability)
로봇의 위치 결정 정밀도 및 반복 정밀도 평가. [그림 2]의 ISO 규정점 P1에서 출발 하여 P5→P4→P3→P2→P1 순서로 연속으로 움직이도록 프로그래밍하고 각 점에서 위치 측정
(2) 거리 정밀도/반복성(distance accuracy/repeatability)
Off-Line, MDI(manual data input) 대응능력 평가. ISO 규정점 P4에서 출발하여 P2와 P4를 왕복하도록 프로그램하고 각 점에서 위치 측정
(3) 다방향 자세 편차(multi-directional pose deviation)
접근 방향에 따른 정밀도 평가. ISO 규정점 P1 → P2 → P4 순서로 움직이도록 프로그램 하고 각 점에서 200mm씩 떨어진 x, y, z축 좌표에서 위치 측정
(4) 안정화 시간(stabilization time)
목표점에서 위치결정 시간 평가. 진폭 한계를 ±0.1mm로 규정하고 규정치 이내로 들때까지의 시간 측정
(5) 오버슛(overshoot)
목표점에서 벗어난 편차 평가. ISO 규정점 P1에서 출발하여 P5 → P4 → P3 → P2 → P1
순서로 연속으로 움직이도록 프로그래밍하고 각 점에서 편차 측정 자세 편차(pose drift): 시간에 따른 정밀도 천이 평가. 주전원을 인가한 후 8시간 웜업 (warmup) 상태를 지속하며 10분 간격으로 ISO P1점에서 위치 측정
2. 경로 특성 시험 (1) 직선경로 정밀도/반복성(linear path accuracy/repeatability)
직선을 이루는 두 점을 교시(teaching)하고 직선동작과 반복동작이 이뤄지도록 프로그 램을 만든 후 교시된 경로와 실제 경로를 비교하여 측정
(2) 곡선경로 정밀도/반복성(circular path accuracy/repeatability)
원호를 이루는 두 점을 교시(teaching)하고 원호 보간(interpolation) 시험을 위한 프로그 램을 만든 후 교시된 경로와 실제 경로를 비교하여 측정
(3) 경로 속도 정밀도/반복성(path velocity accuracy/repeatability)
작업영역 내에서 등속·변속 구간이 있는 속도 프로파일을 포함하여 P4에서 출발하여 P2와 P4를 충분히 왕복하도록 프로그래밍하고 각 점에서 위치 측정
(4) 코너링 특성(cornering characteristics)
P5와 P2의 중간을 의미하는 P52에서 출발하여 P52 → P2 → P23, P23 → P3 → P34, P34→ P4 → P45, P45 → P5 → P52 를 연속하여 움직이도록 프로그램을 만든 후 각 점(P1, P2, P3, P4)에서 3회씩 측정
3. 최소 위치정립 시간 시험
로봇이 위치정립(positioning) 시 동특성을 평가하기 위한 목적이며, 측정점 P1에서 X, Y, Z 방향으로 동일한 거리만큼 떨어진 10개의 점(이동점) D1~D10을 정해 D1(P1) → D2 → D3→ D4 → D5 → D6 → D7 → D8 → D9 → D10 → D1(P1) 순서로 연속 동작하도록 프로그램을 만든 후 왕복 운동에 걸리는 시간 측정
작업지능 소프트웨어 목표 사양 선정
작업을 수행할 로봇의 동작을 시뮬레이션 할 수 있는 소프트웨어에는 여러 가지가 있다. 대표적인 것으로 ROS(robot operating system)의 MoveIt!, PETER CORKE가 MATLAB으로 구현한 오픈소스인 Robotics Toolbox(http://www.petercorke.com/RVC/top/toolboxes), SimLab 의 Robotics Lab 등이 있다. 소프트웨어의 목표 사양을 정할 때 작업을 수행할 로봇에 대해 다음의 사양을 고려해야 한다.
• 로봇의 종류와 구조, 형상수치 선정
• 로봇의 인식 기능 선정
• 로봇의 자율화 지수(자율성) 선정
• 로봇의 성능 지수 선정
1. 로봇의 종류와 구조 선정
목표 작업을 수행하기 위한 로봇이 정해져 있을 경우 작업에 필요한 가반 하중, 최대 속도, 위치 반복 정밀도, 작업 영역을 만족하는지 확인한다. 로봇이 정해지지 않은 경우 <표 1>을 참조하여 적절한 로봇의 구조와 이동 수단을 가진 로봇의 종류를 선택하고, 관절과 링크의 기구학적 구조를 설계한다.
매니퓰레이터 구조에 따른 로봇들을 작업 좌표계 관점에서 비교하면 다음 페이지의 [그림 3]과 같다. 제조공정의 네 가지 작업 분야에 공통적으로 사용될 수 있는 로봇은 매니퓰레이터 구조상 수직관절형 로봇이며 이동 수단에 따른 분류에 의하면 고정형 로봇이다. 각 작업 분야별로 적절한 구조를 갖춘 로봇 종류를 예시하면 다음과 같다.
(1) 자재취급
- 부품배치: 직각좌표형 로봇, 원통좌표형 로봇, 수평관절형 로봇, 병렬 로봇
- 적재 및 하역: 원통좌표형 로봇, 수평관절형 로봇, 바퀴형 로봇
- 기계 장착 및 탈착: 원통좌표형 로봇
(2) 공정처리
- 용접·도장: 수직관절형 로봇, 극좌표형 로봇 - 절삭가공 및 디버링: 직각좌표형 로봇 - 도포: 직각좌표형 로봇
(3) 조립
- 직각좌표형 로봇, 원통좌표형 로봇, 수평관절형 로봇
(4) 검사
- 직각좌표형 로봇, 수평관절형 로봇, 바퀴형 로봇
[그림 3] 매니퓰레이터 로봇 구조 비교
2. 작업별 로봇 인식 기능 도출
앞에서 나열한 제조공정의 네 가지 작업 분야에서 관련된 로봇 인식 기능(시각, 청각, 촉각, 토크 측정, 거리 측정) 중 카메라를 이용한 시각 기능은 기본적으로 필요하며 추가적 으로 필요한 인식 기능은 다음과 같다.
(1) 자재취급
적재 및 하역, 기계에 장착 및 탈착: 거리 측정
(2) 공정처리
용접·절삭가공 및 디버링·도포: 촉각, 토크 측정
(3) 조립
촉각, 토크 측정, 거리 측정
3. 자율화 지수 선정
앞에서 로봇의 종류와 구조, 인식 기능이 선정되었으면 로봇의 자율화(autonomy) 지수를 선정한다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서는 ALFUS(autonomy levels for unmanned systems)를 표준으로 제정하여 임무의 복잡도, 환경의 복잡도, 인간-로봇 상호작용(human robot interaction, HRI) 정도에 따라 [그림 4]처럼 시스템의 자율화 지수를 0(완전 수동식)에서 10(완전 자율화) 사이로 정의하였다.
제조공정의 네 가지 작업 분야를 임무의 복잡도, 환경의 복잡도, 인간-로봇 상호작용 정도 관점에서 상중하를 분류하면 다음과 같다.
(1) 임무의 복잡도
- 상: 조립 - 중: 자재취급 - 하: 공정처리, 검사
(2) 환경의 복잡도
- 상: 자재취급 - 중: 조립, 공정처리 - 하: 검사
(3) 인간-로봇 상호작용 정도
- 상: 조립 - 중: 자재취급, 검사 - 하: 공정처리
4. 작업별 로봇 성능 스펙 도출
제조공정의 네 가지 작업 분야에서 관련된 로봇 성능 스펙을 도출하면 다음과 같다.
(1) 자재취급
- 부품배치: 자세/거리의 정밀도/반복성, 다방향 자세 편차, 안정화 시간, 오버슛
- 적재 및 하역: 자세/거리/경로의 정밀도/반복성, 다방향 자세 편차, 안정화 시간
- 기계에 장착 및 탈착: 자세/속도의 정밀도/반복성, 안정화 시간
(2) 공정처리
- 용접: 점용접의 경우 자세/거리의 정밀도/반복성, 아크용접의 경우 경로 정밀도/반복 성, 오버슛
- 도장: 경로 정밀도/반복성
- 절삭가공 및 디버링: 자세/거리/속도의 정밀도/반복성, 힘 제어
- 도포: 경로 정밀도/반복성
(3) 조립
- 자세 및 거리 정밀도/반복성, 다방향 자세 편차, 안정화 시간, 오버슛
(4) 검사
- 자세 및 거리 정밀도/반복성, 다방향 자세 편차, 안정화 시간
5. 로봇 작업지능 소프트웨어 목표 사양 선정
앞의 과정에 따라 작업지능 소프트웨어의 목표 사양을 선정한다.
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