4차 산업 혁명으로 인하여 제조용 로봇은 최근 많은 관심을 받고 있으며, 그중 특히 “협동 로봇”에 대한 관심이 최근 매우 높아지고 있습니다. 세계적인 협동 로봇 제조 업체로 알려져 있는 덴마크의 Universal Robot 사를 필두로 국내에서도 두산 및 한화 그룹에서 막대한 예산을 투자하여 협동 로봇을 개발하는 등 미래 사업을 위한 신기술로 많은 주목을 받고 있습니다. 하지만 대부분의 사람들은 단순히 협동 로봇이 새로운 기술이며 대기업 등에서 새롭게 시작하니 전망이 있는 기술이라는 정도에 대한 이해만 하고 있으며, 협동 로봇이 정확히 무엇이며, 어떠한 원리로 작동하고, 어떠한 산업 군에 사용이 가능한지에 대한 이해도가 매우 부족합니다. 매번 국내에서 전시회를 할 때마다 소비자들로부터 반복되는 질문과 각종 정부 기관 및 투자 업체와 미팅 시마다 반복되는 대화 내용들은 본질적으로 협동 로봇에 대한 이해가 부족하기 때문에 발생하는 것이며, 이러한 이유로 협동 로봇에 대한 “허와 실”을 이번 기회를 통하여 보다 명확하게 알리고자 합니다.
협동 로봇 cobot [1] 또는 co-robot [2] (협동 로봇)는 사람과 같은 공간에서 작업하면서 사람과 물리적으로 상호작용할 수 있는 로봇이다. [3] 이러한 특징은 2010년 10월까지 대부분의 산업용 로봇이 사람과는 독립된 공간에서 작동하도록 설계된 점과 대조되는 점이다. (출처 : 위키피디아)
구글에서 협동 로봇을 검색하면 위와 같은 정의를 볼 수 있습니다. 가장 먼저 나오는 말은 사람과 물리적으로 상호작용을 한다는 것이며, 두 번째는 대부분의 산업용 로봇이 사람과 독립된 공간에서 작동하는 것과 대조된다는 점입니다. 즉, 협동 로봇은 사람과 독립된 공간에서 작동하는 산업용 로봇과는 다르게 사람과 같은 공간에서 작업하는 로봇이라고 정의하고 있습니다. 그렇다면 협동 로봇을 보다 명확하게 이해하기 위해서는 대조군인 산업용 로봇을 먼저 이해할 필요가 있습니다.
산업용 로봇의 정의 (출처 : 구글 검색)
우리가 흔히 “산업용 로봇”이라고 부르는 것은 보통 관절 형태의 로봇암 (Robot Arm)을 의미하며 학술적으로는 로봇 조작기 (Robot Manipulator)라고 부릅니다. 로봇 조작기는 위 그림에서 보는 것처럼 관절과 링크로 이루어진 연쇄 구조물로 정의하고 됩니다. 즉, 여러 개의 관절을 링크로 연쇄적으로 연결한 구조물로써 이러한 이유로 다관절(多關節) 로봇이라고 부르기도 합니다. 여기서 중요한 것은 링크와 관절의 역할입니다. 링크는 구조적으로 관절을 연결하고 있는 구조물이며 특별한 움직임을 담당하지는 않으며 관절의 회전을 다른 링크에 전달하기 위한 역할로써 사용이 됩니다. 즉, 로봇이 어떻게 움직이는지는 전적으로 관절이 어떻게 회전하는가에 따라 결정이 된다고 볼 수 있습니다.
로봇 암의 관절 구조
로봇 임의 관절의 구조를 살펴보면 보통 “감속기”라는 부품과 “서보모터”라는 부품으로 이루어져 있습니다. 감속기는 서보모터의 빠르고 낮은 힘의 회전을 느리고 높은 힘의 회전으로 변환해주는 일종의 동력 변환 장치입니다. 모터는 빠르게 회전하지만 모터에 연결된 링크와 같은 부품들을 회전시키기에는 힘이 부족합니다. 따라서 로봇이 움직이기 위해서는 모터의 속도를 늦춰주는 대신 힘을 키워주는 변환이 필요하며 이 역할을 감속기라는 부품이 담당하고 있습니다. 서보모터는 특정 명령(위치, 속도, 힘)을 추종하기 위한 전반적 시스템 전부를 의미하며, 일반적으로 전자기력에 의하여 전기 에너지를 운동 에너지로 바꿔주는 전동기(Motor), 회전축의 회전 각도를 계측하는 센서인 인코더(Encoder), 그리고 명령을 받아 모터의 값이 명령받은 값을 추종하도록 제어를 해주는 구동기(Driver) 3개의 부품이 1개의 서보모터 모듈을 구성하고 있습니다. 앞서 설명한 바와 같이 로봇 임의 움직임은 관절이 어떻게 회전하는가에 따라 결정이 되며 결국 서보모터가 어떻게 회전하는가에 따라 움직임이 결정된다고 볼 수 있습니다. 그리고 이 서보모터가 어떻게 움직여야 하는지를 계산해주는 역할을 하는 부품을 “모션 제어기”라고 합니다. 모션 제어기는 로봇이 적절하게 움직일 수 있도록 실시간으로 로봇의 관절이 가져야 할 값들을 계산한 뒤 해당 값들을 서보모터가 추종하도록 서보모터에 전송하는 일종의 계산기라고 볼 수 있습니다. 실시간으로 계산된 값들을 서보모터에 전달하게 되면 서보모터의 구동기가 해당 명령 값을 추종하도록 전동기를 제어하며 로봇이 구동하게 됩니다. 이 3가지 부품이 없으면 로봇 맘에 대한 성립이 불가능하기 때문에 일반적으로 감속기, 서보모터, 모션 제어기 3가지 부품을 로봇 임의 3대 핵심 부품이라고 합니다. 그렇다면 협동 로봇은 어떻게 구성되어 있을까요? 협동 로봇도 일반적인 산업용 로봇(로봇 조작기/Robot Manipulator)과 같이 개념적으로는 관절과 링크로 구성된 연쇄 구조물로 볼 수 있습니다. 그리고, 여기서 링크는 마찬가지로 관절을 연결하고 있는 구조물이며 특별한 동작을 하지는 않습니다. 즉, 일반적인 산업용 로봇과 완전하게 동일한 개념의 구조입니다. 그렇다면 협동 로봇의 관절은 산업용 로봇 임의 관절과 다를까요? 아래 그림은 덴마크 Universal Robot 사의 로봇 제품의 관절 부분을 분해한 사진입니다.
덴마크의 협동 로봇 Universal Robot의 관절 분해도
얼핏 보면 앞서 설명한 산업용 로봇의 관절에 사용된 감속기 및 서보모터와 비교하여 더 복잡해 보이지만, 사실 내부에 들어가 있는 기능은 완전히 동일합니다. 다만 산업용 로봇의 관절이 감속기와 서보모터(모듈)로 구성되어 있는 반면, 협동 로봇의 관절은 전동기, 인코더, 구동기와 같은 감속기와 서보모터의 부분적 요소들이 각각의 독립적인 부품으로 존재하며, 이러한 부품들 모두를 합쳐 관절 모듈을 구성하고 있습니다. 즉, 구조적으로는 산업용 로봇의 관절과 완전히 동일한 구조로 볼 수 있습니다. 이렇게 산업용 로봇과 협동 로봇은 구조적으로 완전히 동일함에도 불구하고 그 정의를 다르게 하고 있습니다. 그렇다면 무엇이 다르기에 협동 로봇과 산업용 로봇을 구분하는 것일까요? 바로 모션 제어기가 다르며, 정확히는 모션 제어기가 서보모터를 제어하는 방법이 다르다고 할 수 있습니다. 앞서 서보모터는 특정 명령(위치, 속도, 힘)을 추종하며 움직이는 부품이라고 설명을 하였으며, 로봇이 적절하게 움직일 수 있는 값을 모션 제어기라는 부품이 실시간으로 계산하여 서보모터에 명령을 내리면, 서보모터가 해당 값을 추종하며 회전하여 결과적으로 로봇이 움직일 수 있게 된다고 하였습니다. 여기서 모션 제어기는 서보모터에 여러 가지 방식으로 명령을 내릴 수 있습니다. 서보모터가 특정 위치(각도)를 추종하도록 할 수도 있고, 특정 힘(토크)를 추정하게 할 수도 있습니다. 일반적으로 산업용 로봇과 협동 로봇은 이 두 가지 부분에서 가장 큰 차이가 있습니다. 어떻게 차이가 있는지는 다음 번 포스팅에서 자세히 설명하도록 하겠습니다. - 간단요약 - 협동로봇과 산업용 로봇의 하드웨어 구성요소는 동일하다
2019.11.04