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협업 로봇과 서비스 로봇인간에 의한, 인간을 위한, 인간보다 나은 - 서비스 로봇 ①
정환용 기자 | 승인 2018.07.12 17:44

[EPNC=정환용 기자] ‘로봇’(Robot)이란 개념은 1920년 체코의 작가 카렐 차페크(Karel Čapek)의 소설 ‘로섬의 만능 로봇’(Rossum’s Universal Robots)에서 처음 등장한다. 체코어로 노동을 뜻하는 ‘robota’에서 유래한 것으로 추정되는 이 단어는, 인간의 노동력을 대체하기 위해 만들어진 기계(로봇)가 반란을 일으켜 인간과 대치하는 장면을 통해 ‘생각하는 로봇’, 즉 인공지능에 대한 개념도 묘사하고 있다.

영화 속에서 주인공을 구하기 위해 달리는 것만이 로봇이 아니다. 1959년 최초로 산업에 이용할 수 있는 로봇이 개발된 이후, 폭넓은 분야에 걸쳐 인간이 할 일을 대신 하는 로봇의 비중이 점점 늘고 있다. 우리가 로봇이라 부르는 대부분의 산업용 로봇은, 차페크가 희곡에서 묘사했던 인간의 생김새와 달리 꼭 필요한 용도로서 구조적으로는 사람의 팔에 해당하는 역할을 맡아 하고 있다. 대부분의 자동차 회사의 제조 공정에는 사람보다 훨씬 많은 기계가 인간의 일을 대신 하는데, 반복 작업에 있어서의 정밀도와 피로도 면에서는 인간보다 나은 모습으로 각광을 받고 있다.

두 발로 걷거나 사람처럼 이동할 수 있는 로봇이 등장하기까지는 좀 더 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 현재 보스턴 다이내믹스를 비롯해 많은 기업들이 2족보행을 기반으로 하는 로봇을 개발하고 있는데, 2족보행의 복잡한 메커니즘으로 인해 아직은 기술 수준이 완전하지 않고, 두 발로 걷는 로봇이 어느 분야에서 인간을 대체할지에 대한 문제도 남아 있어 상용화까지는 갈 길이 멀다.

현실적으로 현재의 인간에게 가장 필요한 로봇은, 영화 ‘아이언 맨’에서 매번 찬밥 신세를 면치 못하면서도 2008년부터 꾸준히 영화에 등장하고 있는 로봇 팔이다. 인간의 작업을 도와주거나 함께 일하는 형태의 협업 로봇(Cooperation Robot), 나아가 인간에게 필요한 서비스를 자체 동작으로 제공할 수 있는 서비스 로봇(Service Robot)이, ‘로봇 팔’로 상용화된 현재의 기술에서 좀 더 개인적인 용도로 진화하는 길 중 하나다.

 

PART 1 협업 로봇과 서비스 로봇
PART 2 산업이 로봇에 바라는 점
PART 3 다양한 산업에서의 로봇 제품과 서비스

협업 로봇과 서비스 로봇
너는 닦고 조여, 나는 기름 칠 테니

산업을 포함한 모든 분야에서의 기술 발전은 인간의 편의를 더하기 위함이 가장 큰 목적이다. 같은 거리를 더 빨리 가기 위해 기차와 자동차, 항공기가 만들어졌고, 같은 제품을 더 적은 오차로 더 빨리, 더 많이 만들기 위해 마더 머신부터 각종 기계들이 만들어졌다. 이 가운데 첫 번째 목적이 일정부분 달성되면, 이후의 발전 방향은 여러 갈래로 나뉘게 된다. 자동차의 경우 안정적으로 180km/h 속도를 낼 수 있게 된 뒤에는 탑승자의 안전과 편의성, 부가기능, 인테리어 등 세부적인 부분으로 나뉘어 발전하고 있다.

기계도 마찬가지다. 단독주택을 짓는 과정을 예로 들면, 나무로 집을 짓던 예전에는 벌목부터 운반, 재단, 조립, 내부 장식까지 모든 과정이 사람의 손을 거쳐 이뤄졌다. 시간이 지나며 벌목은 전기톱, 운반은 기차, 재단은 공작기계가 일을 넘겨받았고, 집을 짓는 사람은 대들보를 올리고 자재를 조립해 완성하는 과정만 맡게 됐다. 지금은 땅을 다지는 일부터 시멘트와 벽돌 제조, 심지어 집안을 꾸미는 거의 모든 가구와 기기들을 사람 대신 기계가 만든다.

산업 분야에서의 로봇은 없으면 안 될 정도로 폭넓게 사용되고 있다. ‘공장’이라 부르는 거의 모든 현장에서 다양한 형태의 로봇이 인간을 대신해 일하고 있고, 향후 로봇이 담당하게 될 분야는 앞으로도 점점 많아지면서 인간의 직업을 위협할 예정이다. 최근에는 이 로봇들이 산업 현장에서 벗어나 인간에 좀 더 가까이 다가오고 있다. 인간을 대신하는 역할과 달리, 이 로봇들은 인간이 하는 일을 도와주거나 함께 진행하는 협동 형태의 작업을 가능케 한다.

 

하드웨어 < 소프트웨어
단순한 의문으로 ‘어떻게 하면 로봇 팔을 실제 생활에 활용할지’ 고민해 보자. 사무실이나 가정의 한 장소에 고정돼 있다거나 어떤 명령체계로 작동하는지 등 여러 세부적인 요소들이 필요하겠지만, 근본적으로 협업 로봇이 우리의 생활에 얼마나 도움이 될지 파악하는 것이 먼저다.

관건은 하드웨어보다 소프트웨어에 있다. 이미 오차율 0.1% 이내의 정확도를 자랑하는 로봇 팔은 상용화돼 있다. 그러나 우리에게 필요한 것은 단순반복 작업을 위한 것이 아니라 여러 활용 방면에서 우리에게 도움을 줄 수 있는 복합 요소를 갖춘 서비스 로봇이다. 자동차 제조공장의 대부분 공정에서 로봇이 일하고 있는 것은, 인간의 편의와 더불어 인간보다 정확하게 일할 수 있기 때문이다. 하드웨어의 기능과 성능이 뛰어난 것만으로는 불가능하고, 로봇 팔의 모든 움직임에 대한 제어가 필요하다. 0.5초에 한 번씩 A 라인과 B 라인을 오가며 직경 5mm의 작은 부품을 정확한 위치에 부착하는 것은, 이를 정확히 움직이도록 만들어 주는 컨트롤러, 그리고 사용자에게 완벽에 가까운 권한을 줄 수 있는 소프트웨어가 필요하다.

국내 의료계에서 활용도가 높은 수술용 로봇 팔은, 사용자의 움직임과 정확히 일치하는 기계적 움직임도 중요하지만 그렇게 움직이도록 제어할 수 있는 운영체제 또한 중요하다. 로봇 팔을 앞으로 1cm 이동시키기 위해 명령을 내릴 때, 운영체제는 로봇 팔이 3차원의 공간에서 어느 방향을 ‘앞’으로 인식하고 명령을 따를지 제어한다. 의료용 제품을 비롯해 다양한 분야의 로봇 팔에 적용되는 각종 센서, 액추에이터 등이 표준화되고 이것이 ‘ROS’(Robot Operation System)과 같은 오픈소스 소프트웨어처럼 정립되면, 로보틱스 분야에서 새로운 거대 소프트웨어 시장이 형성될 가능성도 충분하다.

 

협업 로봇의 핵심, 매니퓰레이터
인간을 도와주는 협업 로봇의 핵심은 인간의 팔과 유사한 동작을 제공하는 기계 장치 ‘매니퓰레이터’(Manipulator)다. 주요 기능은 팔 끝에서 공구가 원하는 작업을 할 수 있도록 특별한 로봇의 동작을 제공하는 것이다. 로봇의 움직임은 일반적으로 팔과 몸체(어깨와 팔꿈치) 운동, 손목관절 운동의 2가지 종류로 나눌 수 있다.

2가지 동작과 연관된 각각의 관절 운동도 자유도로 언급될 수 있다. 미국의 공학자 제임스 케라마스(James G Keramas)는 저서 ‘로봇 공학 서론’(Robot Technology Fundamentals, 1999)을 통해 ‘로봇 팔은 전후, 좌우, 상하 등의 운동을 통해 3축 공간에서 임의의 지점에 도달할 수 있어야 한다. 가장 간단한 방법은 이런 운동을 기하학적으로 규명해 다양한 운동 형태를 좌표계에서 풀어내는 것’이라고 정의했다.

매니퓰레이터가 가지는 각 축은 1개의 자유도와 같다. 전형적으로 산업용 로봇은 4~6자유도를 갖는다. 손목 관절은 피치(pitch), 요(yaw), 롤(roll) 운동에 의해 특정한 방위를 가지고 공간에 위치할 수 있다. 피치, 요, 롤의 관절들은 방위 좌표축(Orientation Axis)이라고 부른다. 또한, 매니퓰레이터가 구부리고 미끄러지고 회전하는 점들은 관절 또는 위치 좌표축(Position Axis)으로 불린다.

매니퓰레이터는 링크, 기어, 액추에이터, 피드백 기구 등의 기계적 장치를 사용해 실행된다. 기준 좌표계(World Coordinate System)는 절대적인 기준 좌표계로, 매니퓰레이터 내에 고정된 위치로 인식된다. x축의 매니퓰레이터가 안쪽과 바깥쪽으로 이동하고, y축 운동은 옆 방향, z축은 아래위로 이동한다. 매니퓰레이터의 기계적 설계는 그 작업 영역과 운동 특성에 직접적으로 관계가 있다.[표 1]

[표 1] 로봇 매니퓰레이터의 각 구조별 장점과 단점.

매니퓰레이터는 설치된 작업장에서 지점 사이를 이동하는 데 있어 다음 4가지 종류의 운동 유형을 보인다. 이 유형에 따라 적용할 수 있는 범위와 규모, 목적이 모두 달라진다.

직교 좌표형 로봇은 무역항에서 컨테이너 박스를 옮기는 거대한 크레인을 상상하면 된다. 이 로봇은 설치 범위의 내부에서 반복적으로 상하 운동을 하기에 적합하다. 로봇에 이동성을 부여해 적용 범위를 늘리기도 한다.

원통 좌표형 로봇은 중심축에서 360도 회전할 수 있고, 팔의 범위만큼 작동 범위가 늘어난다. 공간 효율적으로 자재를 조달해야 하는 건설 현장에서 많이 보이는 타워크레인이 대표적인 예시다.

▲원통 좌표형의 확장 형태에 가까운 구 좌표형 로봇은, 반구 형태의 작업 범위로 직교형이나 원통형보다 접근 범위가 넓다. 그러나 중심에서 원형으로 움직이는 만큼 수직∙수평 운동은 어렵다.

관절 좌표형 로봇은 수직과 수평 운동을 모두 할 수 있어, 사실상 설치된 장소에서 거의 모든 방향으로 팔을 전개할 수 있다. 다만 팔에 적용되는 관절의 효율적 배치와 움직임 제어가 어렵고, 최대 하중이나 동작의 정확도를 예측하기 어렵다.

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정환용 기자  hyjeong@epnc.co.kr

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