생산 효율성 향상: 로봇과 인간 팀이 안전과 시너지를 위해 협업하는 방법

효율적인 제조는 현장 인력, 장비, 소프트웨어의 조정된 시스템을 요구합니다. 이러한 시스템에는 제조업체가 로봇이 제공하는 신뢰성, 반복성, 유연성을 인식함에 따라 로봇 기술이 점점 더 포함됩니다. 국제로봇연맹에 따르면 전 세계 산업용 로봇 수는 2019년까지 약 260만 대로 증가해 2015년보다 약 100만 대 늘어날 전망입니다. 산업용 로봇의 약 70%가 자동차, 전기/전자, 금속 및 기계 산업에서 사용됩니다.

안전은 모든 제조 작업의 최우선 고려사항입니다. 산업용 로봇의 안전한 사용은 전통적으로 현장 인력과 로봇 간 설정된 거리 유지, 로봇 주변에 가드와 케이지 설치로 작업자 부상 방지를 요구해왔습니다. 인간과 로봇 간 더 가깝고 생산적인 상호작용을 목표로 하는 다양한 로봇, 소프트웨어, 구현 전략이 증가하고 있습니다.

이 관계 통제는 작업자가 잠재적 위험 구역으로 이동할 때 센서가 로봇 움직임을 중단시키는 것부터, 인간 작업자와 나란히 안전하게 작동하도록 설계된 완전 '협업' 로봇(코봇) 적용까지 다양합니다. 다양한 협업 모드로 제조업체는 로봇 시스템과 현장 인력의 전체 역량을 활용할 수 있습니다.

단순하고 위험하고 더러운 작업

미국의 숙련 노동자 부족이 협업 로봇 수요의 많은 부분을 견인합니다. 베테랑 현장 인력 은퇴와 제조 인력 유입이 충분치 않은 젊은 근로자로 인해 공장 소유주는 인력 부족에 직면해 있습니다.

이 기술 격차 해소를 위해 제조업체는 반복적이고/또는 위험한 작업에 로봇을 사용하고 작업자를 더 많은 사고와 기술이 필요한 일로 이동시키고 있습니다. "사람들이 재배치되는 것을 봅니다."라고 유니버설 로봇 USA(미시간주 앤아버) 서부 지역 영업 매니저 크레이그 토미타는 말했습니다. 완전 협업 로봇 제조사입니다.

토미타는 협업 로봇 구현이 상대적으로 단순하다고 말했습니다. 인간 규모 작업 범위에서 작동하며 기존 산업용 로봇에 필요한 가드가 필요하지 않기 때문입니다. 현장 재배치 필요 없고 공간 활용도 변하지 않습니다. "인간 운영자가 현재 작업하는 곳에 협업 로봇을 두기만 하면 됩니다."라고 그는 말하며, 협업 로봇이 안전하지만 위험 평가(시스템 내 모든 잠재적 위험 결정와 완화 방법 모색)가 필수적이라고 덧붙였습니다.

사용 편의성은 완전 협업 로봇의 핵심 속성입니다. 소형 협업 로봇의 역량이 소형 기존 로봇과 동등하지만, 협업 교육과 프로그래밍 요구사항은 최소화됩니다. "UR 시스템의 프로그래밍 용이성은 게임 체인저입니다."라고 토미타는 말했습니다. "예를 들어 로봇이 더 큰 제조 시스템에 통합되어야 할 때, 유니버설 장치는 휴대용 터치스크린으로 프로그래밍하고 실행할 수 있습니다. 필요한 경우 고급 사용자는 파이썬 같은 스크립팅 언어로 로봇을 프로그래밍할 수도 있습니다."

협업 로봇은 통합 비용이 진입 장벽이었던 소규모 공장에서도 쉽게 사용할 수 있습니다. "빙산처럼 로봇 부분만 물 위로 보입니다."라고 토미타는 말했습니다. "통합 과정이 물 아래 있습니다. 빙산 전체를 보면 정말 비쌉니다. 협업 로봇 비용은 표준 산업용 로봇과 비슷하지만 통합 비용은 훨씬 낮습니다."

로봇 활용은 인건비 절감에도 도움이 된다고 토미타는 말했습니다. "협업 로봇을 사용하는 기업들은 인건비가 감당 못 할 수준이어서 이전에는 견적낼 수 없던 일도 수주할 수 있게 됩니다."

잠재적 애플리케이션은 활짝 열려 있습니다. "우리 협업 로봇의 애플리케이션 수와 종류는 아직 생각되지 않았습니다."라고 토미타는 말했습니다. "로봇은 저기 케이지 뒤에, 사람은 여기 있고, 둘은 결코 만나지 않는다는 생각에 너무 익숙해져 있습니다. 그게 변하고 있습니다."

유니버설 로봇은 3.3kg(7.26lb) 페이로드와 500mm(19.7인치) 작업 반경의 UR3부터 10kg(22lb) 페이로드와 1300mm(51.2인치) 작업 반경의 UR10까지 3가지 6축 협업 로봇 모델을 제공합니다.

일반적인 유니버설 로봇 고객은 클린로직스(캘리포니아주 산타클라리타)입니다. CO2를 세척, 냉각 및 기타 애플리케이션에 사용하는 제품을 개발합니다. 클린로직스 사장 데이비드 잭슨은 "절삭 구역에 스프레이를 분사해 절삭 공구 냉각을 위한 매우 깨끗하고 친환경적인 수단을 제공할 수 있습니다."라고 말했습니다. 단일 로봇이 다른 작업을 수행할 수 있다고 지적했습니다. 예를 들어 부품을 머시닝 센터에 놓은 다음 엔드이펙터 툴링을 교체해 냉각수를 공급합니다. "그래서 다중 작업 로봇과 완전 친환경, 린 솔루션이 됩니다. 이 소형 폼팩터 로봇에 매우 흥분됩니다."

협업 로봇이 인간과 안전하게 협업할 수 있는 능력은 운영을 구성해 시너지를 극대화하게 합니다. 예를 들어 로봇이 일련의 구성요소를 조립하는 동안 인간 작업자는 민첩성과 인지 지각이 필요한 미세 와이어 삽입을 수행합니다. 로봇은 포장, 팔레타이징, 조립, 픽앤플레이스 작업 등 반복성, 신뢰성, 정확성이 필요한 작업에 이상적입니다.

반복성과 정확성은 로봇 성능의 별개지만 관련된 측정값입니다. 반복성은 로봇이 주어진 위치로 반복해 돌아갈 수 있는 능력의 척도입니다. 다양한 협업 로봇의 주장 반복성은 약 ±0.02~±0.1mm(0.0008~0.004인치) 또는 그 이하 범위입니다.

반면 정확성은 로봇이 원하는 위치나 경로에 얼마나 가깝게 이동할 수 있는지 측정하며, 위치 정확도와 경로 정확도로 분류할 수 있습니다. 로봇이 위치로 이동해 정지하고 구멍을 뚫는 드릴링 같은 작업은 위치 정확도가 필요합니다. 레이저 절단이나 페인팅처럼 로봇이 포인트 사이를 이동하는 동안 공정이 이루어지는 작업에는 경로 정확도가 필요합니다.

애플리케이션이 협업 결정

일반적으로 현장 인력과 로봇의 나란히 활동은 소형 페이로드를 저속으로 처리하는 협업 로봇으로 달성됩니다. 일반적으로 1m/초(39.4ips) 부근입니다. 그러나 ABB(노스캐롤라이나주 캐리) 로봇 및 모션 사업부 조립 및 테스트 비즈니스 라인 매니저 니콜라스 데 카이저는 로봇이 운반하는 하중이나 이동 속도 자체가 안전한 협업 작동을 보장하지 않는다고 말했습니다. 매우 가볍지만 위험한 페이로드는 면도날이나 주삿바늘일 수 있습니다. 느리게 움직이지만 무거운 페이로드는 현장 인력에 압착 위험을 줄 수 있습니다. 중간 크기 페이로드를 중간 속도로 이동할 때 그리퍼 고장으로 페이로드가 공장 바닥으로 날아갈 수 있습니다.

로봇 시스템은 애플리케이션에 상대적으로만 협업적입니다. "작업이 위험하면 로봇이 아무리 협업적이어도 로봇 근처에 있고 싶지 않습니다."라고 데 카이저는 말하며, 어떤 애플리케이션에서도 완전한 솔루션 안전 평가가 필요하다고 덧붙였습니다. "표준을 읽으면 항상 협업 로봇이 아닌 협업 작업에 대해 이야기하고 있음을 알 수 있습니다."

ABB는 작업자와 로봇의 안전한 공존을 위해 두 가지 접근법을 취합니다. 소형 부품 조립 같은 진정한 협업 애플리케이션은 일반적으로 회사의 테이블 마운트 듀얼암 유미 로봇으로 충족될 수 있습니다. 38kg(84lb) 로봇의 리치는 599mm(24인치)이고 팔당 페이로드 500kg(1.1lb)입니다. 인간 규모 영역을 차지하며 현장 인력과 안전하게 나란히 작동합니다.

반면 ABB는 신중한 프로그래밍과 안전 모니터링 소프트웨어를 결합한 이중 시스템으로 대형 표준 산업용 로봇의 안전한 작동을 지원합니다. 로봇이 안전한 작동 범위로 프로그래밍된 후, ABB의 세이프무브2 안전 인증 로봇 모니터링 소프트웨어가 안전한 속도 제한, 정지 모니터링, 축 범위, 위치 및 방향 감독을 포함해 로봇 활동을 모니터링함으로써 이중 안전 보호를 제공합니다. 소프트웨어는 로봇 컨트롤러에 통합되며, 설정 시간 절약과 더 큰 생산성 촉진, 총 투자 비용 절감을 가능하게 한다고 데 카이저는 말했습니다.

야스카와 모토만의 키네틱 티치 시스템은 ISO 표준 10218-1과 10218-2에 설명된 핸드 가이딩 모드 인간/로봇 상호작용의 예입니다.

내장형 적응 제어

로봇 협업의 또 다른 형태는 장인의 기술과 경험을 위험 구역에서 작동하는 로봇 능력과 결합합니다. 용접은 일반적으로 사용자 친화적 작업이 아닙니다. 야스카와 아메리카(오하이오주 마이애미즈버그) 모토만 로봇 사업부 열 사업 개발 디렉터 제인 마이클은 "오늘날 시장에서 협업이란 로봇과 운영자 구역이 겹치는 것을 의미합니다. 그들은 밀접하게 함께 작업합니다. 용접 환경에서 그런 의미의 협업이 적용되는 것을 본 적이 없습니다."라고 말했습니다.

로봇 용접이 엄밀히 말해 협업적이라고 할 수는 없지만, 숙련된 용접공과 로봇 간의 협업 형태가 일관된 성능을 지원합니다. 용접 로봇 실행이 지나치게 어려운 것은 아닙니다. "로봇 프로그래밍과 실행은 쉽습니다."라고 마이클은 말했습니다. "모토만에서는 키네틱 티치라는 시스템이 있어 토치를 잡고 로봇을 원하는 경로로 이동시키고, 그 경로를 기록하면 바로 시작할 수 있습니다." 그러나 그는 용접 지식 없이 용접 로봇을 실행하는 것은 언더컷이나 번스루 같은 돌발적 용접 결함 발생 시 "오르막 전투"라고 덧붙였습니다.

그런 경우 숙련된 용접공이 로봇 동작을 조정해 문제를 극복할 수 있습니다. 레이저나 기타 센서를 사용한 적응 제어 시스템은 기본 심 트래킹에 사용할 수 있지만, 대다수 용접 시스템은 그런 시스템 없이 출하됩니다. "인간 용접공은 내가 내장형 적응 제어라고 부르는 것을 가지고 있습니다."라고 마이클은 말했습니다.

운영 복잡성과 볼륨 역량에 따라 로봇 셀은 다양한 자동화와 안전 시스템 형태를 가집니다. 모토만의 아크월드 단일 스테이션 C30 셀은 소형 부품의 저용량 단일 피스 가공용입니다. 셀 도어가 열려 운영자가 용접물을 셀 내 포지셔너에 적재할 수 있게 하면 로봇은 비상 정지 모드입니다. 운영자가 셀을 떠나면 도어가 내려오고 용접이 진행됩니다. 반면 모토만의 대용량 대형 부품 6000 시리즈 기계는 관람차처럼 부품 고정구를 인덱싱하는 포지셔너를 가지며 여러 로봇이 내부에서 어셈블리를 용접하는 동안 외부에서 적재할 수 있습니다.

용접 기업은 다른 제조 부문과 유사한 노동력 부족에 직면합니다. 미국 노동통계국 기반으로 미국 용접 협회는 2020년까지 미국 내 용접공 부족이 29만 명에 이를 것으로 추정합니다. 마이클은 선진적 용접 공급업체들이 직업 학교와 커리어 센터와 협력해 용접공 커리큘럼을 만들고 있다고 말했습니다. 예를 들어 모토만은 고교와 성인 용접 교육용 용접 STEM 프로그램과 매칭 커리큘럼을 만들었습니다.

로봇, IoT

클라우드 컴퓨팅과 사물인터넷이 로봇, 사용자, 로봇 제조업체 간 협업을 촉진합니다. 제조업체는 로봇 가동 시간을 정기적으로 모니터링해 생산성을 문서화한다고 화낙 아메리카(미시간주 로체스터 힐스) 로봇 공급업체 재료 결합 부문 총괄 매니저 마크 셔를러는 말했습니다. "하지만 그것 이상입니다. 우리는 인터넷을 사용해 로봇에서 데이터를 수집하고 제조업체가 가동 시간을 개선하도록 돕습니다."

화낙은 협업 및 표준 산업용 로봇을 모두 제공합니다. 로봇이 수집하는 데이터를 완전히 활용하기 위해 회사는 로봇 기계적 작동과 유지보수 상태에 관한 중요 정보를 감지하고 분석하는 제로 다운타임(ZDT) 진단 애플리케이션을 개발했습니다. 예를 들어 제조업체 시설의 로봇에 설치된 ZDT는 특정 축에 문제를 나타낼 수 있는 토크 레벨 증가를 겪는 로봇을 감지할 수 있습니다. 클라우드 기술을 통해 ZDT 애플리케이션은 운영 정보를 화낙 데이터 센터로 전송해 분석합니다. 중요 문제는 로봇 사용자의 지정된 스마트 기기에 알림 전송을 트리거합니다.

동시에 화낙 문제 해결에 필요한 부품 가용성을 확인합니다. 데이터는 사이클 타임 개선, 에너지 소비 감소, 더 나은 유지보수로 로봇 수명 연장 등 로봇 시스템 최적화에도 사용될 수 있습니다.

자동화 유연성

모리스 그룹(노스캐롤라이나주 샬럿) 모리스-사우스 사업부 동부 지역 영업 매니저 제프 에스테스(전 오쿠마 아메리카 THINC 파트너 디렉터)는 대용량 자동차 산업이 수십 년간 자동화 도입을 주도해왔다고 말했습니다. 오늘날 소량 생산 제조업체는 자동화가 제공하는 신뢰성과 예측 가능성을 원하지만, 한 생산 로트에서 다른 로트로 빠른 전환을 가능하게 하는 유연성도 원합니다. 이를 위해 로봇 기술은 공장이 프로그래밍 세부사항과 엔드이펙터를 빠르게 변경할 수 있게 합니다.

에스테스는 공작기계 로봇 자동화가 단순히 부품 적재와 하역만 포함하지 않는다고 지적했습니다. "핵심은 어떻게 무인 또는 최소 인원 운영을 달성하느냐입니다."라고 그는 말했습니다. 완전 자동화 셀에서 공작기계, 로봇, 게이지, 비전 시스템, 자재 취급 장비 등 수많은 요소가 결합돼 '인간 상호작용 없이 기본 결정을 내리며 계속 가동하고 부품을 만들 수 있는 폐루프 운영'을 만듭니다. 셀의 다중 요소는 개별 작업에 대한 정보를 생성하지만, "서로 협업하기 전까지는 그저 정보 조각일 뿐입니다." 통합업체는 셀 요소를 선택하고 배치하며 기능을 조정합니다.

일부 공작기계 공급업체는 턴키 시스템 제공을 위해 내부 통합 역량을 유지합니다. 메소드 머신 툴스(매사추세츠주 서드버리)는 미국에 30명 이상의 자동화 엔지니어를 두고 있으며 설계, 제어, 전기/기계, 시스템 통합, 현장 서비스/설치 인력도 보유합니다. 공작기계 공급업체와 시스템 통합업체 활동을 보완해 메소드는 최근 노스캐롤라이나주 샬럿 시설에 자동화 및 통합 센터를 추가했습니다. 자동화 전문가와 시스템 통합 엔지니어가 장비와 역량에 대한 고객 상담을 제공합니다. 셀 정의와 구축부터 런오프 수행까지. 새로운 10,000ft²(929m²) 시설의 초점은 "고객을 위한 맞춤형 포괄적 솔루션 제공"이라고 메소드 자동화 매니저 존 루시어는 말했습니다.

통합적 자동화

협업 로봇 같은 기술이 제조업체의 자동화 사고방식을 바꾸고 있습니다. 에스테스는 자동화 시스템이 생성하고 수집하는 데이터의 힘을 활용할 것을 제조업체에 권장합니다.

데이터 분석은 제품 품질, 툴 관리, 자재 흐름, 물류 등 생산의 다른 측면에도 기여할 수 있습니다. 로봇 기술 구현 시 제조업체는 "더 통합적인 접근"을 취해야 한다고 에스테스는 말했습니다. "'기계 적재/하역에서 사람 한 명 구하는 것 외에 이 로봇으로 IoT나 인더스트리 4.0 관련 일을 더 할 수 있을까?'라고 자문해야 합니다." 로봇과 자동화 시스템은 저평가된 역량을 가지고 있다고 그는 말했습니다. "우리 같은 OEM 공급업체도 매일 얼마나 더 역량 있게 만들 수 있는지 배우고 있습니다."

무엇이 로봇을 협업적으로 만드는가?

'협업 로보틱스'라는 용어는 로봇 동작이 인간 작업자를 수용하도록 제어되는 모든 상황을 설명하는 데 자주 사용됩니다. 현실적으로 작업자와 로봇 간 가능한 관계는 로봇과 애플리케이션에 따라 널리 다릅니다.

ISO 표준 10218-1과 10218-2 '산업용 로봇 애플리케이션 안전 표준'이 2011년 발행되었습니다. 안전한 설계, 보호 조치, 산업용 로봇 적용 요건을 나열합니다. 표준은 현장 인력과 로봇 간 안전 관련 상호작용의 네 가지 모드를 정의합니다.

한 모드는 안전 모니터링 정지 수행 능력입니다. 센서가 로봇 주변 예정 구역을 모니터링하고 인간이 그 구역에 진입하면 로봇 움직임이 정지합니다. 인간 개입이 최소일 때 이 수준의 안전 모니터링은 만족스럽지만, 빈번한 중단은 생산성을 감소시킬 수 있습니다. 두 번째 모드는 핸드 가이딩으로, 운영자가 로봇 팔을 잡고 원하는 경로의 원하는 포인트로 이동시키며 티칭 펜던트로 포인트를 기록해 로봇이 원하는 경로를 따르도록 가르칩니다. 로봇의 힘 토크 센서가 운영자의 수동 가이드를 인식합니다. 센서는 안전 시스템으로 작동하지 않으며, 티칭 모드 밖에서는 로봇이 인간과 안전한 상호작용을 보장하기 위해 다른 장치나 시스템을 갖춰야 합니다.

속도 및 분리 모니터링 모드에서 비전 시스템이 로봇 주변 지정된 안전 구역 내 인간을 감지합니다. 로봇과 인간 간 거리가 줄어들면 로봇이 점차 감속하고, 특정 거리에서 로봇 움직임이 정지합니다. 그런 다음 인간이 안전 구역을 벗어나면 로봇이 정상 속도로 작업을 재개합니다. 이 점진적 안전 모드는 작업자 개입이 있어도 생산성 유지에 도움이 됩니다.

네 번째 협업 모드는 로봇과 인간의 나란히 활동을 가능하게 하고 보호 가드와 케이지 필요성을 없앱니다. 설명된 로봇을 파워 및 포스 리미팅 로봇이라고 합니다. 센서가 작업자 접촉으로 생성된 것과 같은 로봇에 비정상적인 힘을 감지하면 로봇이 즉시 감속, 정지 또는 후진합니다. 이 로봇들은 일반적으로 기존 산업용 로봇보다 작고 덜 강력하며, 끼임 부상 방지를 위해 둥근 형태와 밀폐된 관절을 가집니다.

2016년 ISO는 ISO 표준 10218-1 & 2에 세부사항과 명확화를 추가하는 기술 규격 ISO/TS 15066을 발행했습니다. TS 15066은 인간과 로봇이 동시에 작업을 수행할 수 있는 협업 작업공간에서 인간과 직접 상호작용하도록 설계된 로봇을 협업 로봇으로 정의합니다. 규격은 로봇이 인간에게 통증이나 부상을 주지 않고 가할 수 있는 힘의 양을 정의합니다. 힘 수준은 인체 특정 부위 충격 테스트로 결정되었습니다. 여전히 수행 중인 작업과 특정 애플리케이션에 관여하는 부품과 도구의 위험 평가를 수행해 절대적 안전을 보장하는 것이 중요합니다.