제조 현장의 로봇 지능과 안전성 강화

팬데믹이 조명한 제조업의 슬픈 진실: 사람은 아픈 존재다

코로나19는 제조업체들에게 값진 교훈을 주었습니다. 사람이 아프면 공작기계와 장비가 놀게 된다는 사실입니다. 물론 이미 알고 있던 사실이지만, 직원들이 점심시간과 휴가를 갖고, 차가 고장 나서 지각하거나, 옆 공장에서 시급 50센트 더 준다고 이직하는 등 다양한 이유로 공장 주인과 관리자들은 오랫동안 자동화 압박을 받아왔습니다. 이제 전 세계적 팬데믹 앞에서 그들은 자동화에 필사적으로 나서고 있습니다.

"미국은 수년간 숙련 노동력 부족에 시달려 왔지만, 인간 작업자에 대한 의존이 최근 들어 특히 어려워졌습니다."라고 위스콘신주 워케샤의 산업 자동화 공급업체 Acieta LLC의 마크 서머 영업 및 마케팅 부사장은 말했습니다. "수년간 '자동화를 고민 중인데 수익 개선에 어떻게 도움이 될지 알려달라'는 문의가 많았습니다. 하지만 코로나19 이후로는 '로봇이 필요하다. 어떻게 시작하나?'로 바뀌었습니다."

새로운 표준

이러한 변화에는 여러 이유가 있습니다. 바이러스 전파에 민감한 세상에서 기계 가공소와 금속 가공소를 생각해 보세요. 공작기계 간 거리가 멀어 사회적 거리두기는 문제가 안 될 수 있습니다. 하지만 점심시간에 직원들이 모여 주말 이야기를 나누거나 좋아하는 스포츠 팀 성적을 탓하며 모이면 어떨까요?

강제 마스크 착용이 직원 사기에 미치는 영향은 차치하고라도, 아크릴 칸막이, 출입구 체온 측정, 6피트 거리 유지 표지판 등은 어떨까요? 동료가 확진 판정을 받아 불가피하게 발생하는 셧다운은요? 운 좋게 백신이 빨리 개발되어 내년이면 2020년을 예외적 해로 넘길 수 있을지도 모릅니다. 하지만 백신이 나오지 않으면? 다음 팬데믹은요? 이런 질문들에 제조업체들은 고민했고, 많은 이들이 "이제 그만. 가능한 곳마다 자동화하자"라고 결심했습니다.

좋은 소식은 이게 그 어느 때보다 쉬워졌다는 점입니다. 서머는 사회적 거리두기로 동료 사이에 로봇을 배치할 공간이 더 생겼다고 지적했고, Acieta의 스티브 알렉산더 운영 부사장은 비전 시스템 등 첨단 기능이 로봇 비용과 유연성에 긍정적 영향을 미치고 있다고 덧붙였습니다.

"점점 더 많은 고객이 카메라를 사용해 팔레트, 선반, 컨베이어 위에 무작위로 놓인 부품의 위치를 파악합니다."라고 그는 말했습니다. "로봇이 방향을 결정하고 부품을 집어 올릴 수 있으며, 구멍 가공 여부나 바코드 같은 특징 존재 여부를 판단해 그에 따라 결정을 내립니다. 이는 지그 고정 장치의 필요성과 관련 비용을 줄여주며, 로봇 배치를 더 쉽게 만듭니다."

카메라로 선명하게 보기

Acieta의 가장 인기 있는 비전 시스템은 FANUC의 iRVision으로, 모든 FANUC 로봇에 옵션으로 제공됩니다. 하지만 서드파티 및 OEM 카메라가 거의 모든 브랜드, 연식의 로봇에 사용 가능합니다. 카메라를 어떻게 활용할지 결정하는 것이 비전 시스템 도입의 더 어려운 부분인 경우가 많습니다.

"분명히 엔지니어링이 필요합니다."라고 그는 말했습니다. "올바른 물리적 레이아웃, 시야각, 적절한 조명 등을 설정해야 합니다. 소프트웨어 측면에서는 카메라가 보는 것과 그 이미지가 작업과 어떻게 연관되는지 로봇에게 학습시켜야 합니다. 단순히 카메라를 볼트로 고정하는 것만큼 간단하지 않습니다."

이 분야에 정통한 사람은 FANUC America Corp.의 엔지니어링 매니저이자 로봇 비전 전문가인 데이브 브루스입니다. 그와 동료 그렉 뷜(FANUC의 자재 핸들링 부문 코봇 전문가 겸 수석 엔지니어)은 비전 시스템이 점점 더 대중화되고 성능이 향상되고 있지만, 사용에는 추가적인 준비가 필요하다고 경고했습니다.

"비전 기술은 최근 몇 년간 비약적으로 발전했습니다."라고 브루스는 말했습니다. "최근 3세대 컨트롤러에 탑재되었고, 그중 2세대부터 3D 비전(3DV)에 큰 투자를 했습니다. 매우 빠른 포인트 클라우드 기반 카메라로 로봇 주변 환경을 매핑합니다. 향후 몇 년간 산업용 및 협동 로봇 사용이 크게 늘어날 것으로 예상합니다."

또 다른 기술은 힘 감지(force sensing)로, 로봇을 더 안전하고 유능하게 만듭니다. FANUC의 Force Control은 비전 제품과 결합해 디버링과 조립 작업에 자주 사용되며, 스마트 소프트웨어 지원 시 더 쉬워집니다. "Intelligent Deburr라는 제품도 있습니다."라고 뷜은 말했습니다. "부품의 CAD 도면을 업로드하면 소프트웨어가 디버링을 위한 최적의 모션 경로를 생성합니다. 이런 수준의 인공지능이 제조업체의 자동화 투자 ROI를 최대한 빠르게 달성하도록 돕습니다."

실시간 의사결정

로봇이 인류를 지배할까 두려워하는 사람이 아니라면, 결정론적 인공지능(AI)은 자동화 산업에서 가장 흥미로운 분야일 것입니다. AI 탑재 로봇이 더 유능할 뿐만 아니라 운영 비용도 훨씬 저렴하기 때문입니다.

"로봇 지속 비용의 40%가 프로그래밍에 있습니다."라고 보스턴 소재 Realtime Robotics Inc.의 제이슨 바튼 최고 상업 책임자는 말했습니다. "AI로 이 비용을 최대 70% 절감할 수 있습니다. Realtime Robotics는 로봇 프로그래밍 과정을 자동화해 A지점에서 B지점으로 이동하는 가장 효율적인 경로를 결정하고 그에 따른 프로그램을 생성합니다. 게다가 특정 조건 발생 시 프로그램을 동적으로 수정할 수 있는데, 이는 자율주행차가 시내를 주행하는 기술과 유사합니다."

"자동차와 전화기에 GPS가 없던 시절, 운전자는 낯선 장소로 가는 자세한 경로를 출력해 다녔습니다."라고 바튼은 말했습니다. "하지만 도로 폐쇄나 교통 체증이 발생하면 경로를 즉각 변경할 수 없어 곤란했습니다. 이것이 오늘날 로봇의 전통적인 프로그래밍 방식입니다. 로봇의 각 동작에 필요한 모든 웨이포인트를 개별적으로 프로그래밍해야 하며, 여러 로봇이 협업할 경우 조화롭게 작동하도록 각각 프로그래밍해야 합니다. 힘들고 시간 많이 드는 작업인데, 우리는 이를 없앨 수 있습니다."

주변 환경을 인식하는 자기 프로그래밍 로봇은 게임 체인저가 될 것입니다. Realtime Robotics가 미쓰비시 전자 오토메이션(Mitsubishi Electric Automation Inc.) 등 여러 로봇 제조사와 협력하는 이유입니다. 미쓰비시의 로봇 제품 매니저 아담 웰치는 이러한 정교한 3D 비전 시스템이 셀이나 작업 영역 내 모든 로봇이 현재 위치와 미래 위치를 공간적으로 인식하며 효율적으로 작동하도록 돕는다고 말했습니다.

위험 평가와 역량

"자동차, 식음료 등 고밀도 로봇 애플리케이션에 이 기술을 활용하고 있습니다."라고 웰치는 말했습니다. "시스템이 각 로봇의 역할과 책임을 직관적으로 이해하므로, 1번 로봇이 2번 로봇보다 우선순위를 갖는 등 계층을 생성합니다. 고도의 제조 공정도 고급 프로그래밍 없이 효율적으로 관리합니다."

물론 기존 프로그래밍 시스템과 안전 장비가 당장은 사라지지 않습니다. 미쓰비시 전자 오토메이션의 벤 세이건 비즈니스 개발 매니저는 MELFA SafePlus 솔루션이 다양한 안전 장비와 연동해 산업용 로봇 라인을 보완한다고 제안했습니다. 영역 스캐너, 라이트 커튼, 안전 매트 등이 이에 해당하며, 이들 피드백에 따라 로봇 속도를 줄이거나 동작을 제한합니다.

"큰 철창을 없애고 이런 시스템으로 대체하자"는 생각이 든다면, 그렇게 간단하지 않습니다. 업계 전문가들 모두 로봇 배치 전 위험 평가를 거쳐야 한다고 강조합니다. "협동 로봇(코봇)에도 마찬가지입니다."라고 그는 덧붙이며, 미쓰비시가 올가을 첫 코봇인 MELFA ASSISTA를 출시할 예정이라고 밝혔습니다. "제조업체는 셀 레이아웃, 공작기계, 컨베이어 및 기타 자재 핸들링 장비, 인간 개입 정도 등과 관련해 로봇 애플리케이션을 분석하는 것이 필수적입니다."라고 세이건은 말했습니다.

팬데믹이 가속화하는 자동화

조 캠벨은 더 많은 코봇 도입에 전적으로 동의합니다. Universal Robots USA Inc.의 시니어 매니저인 그는 제조업체들이 협동 로봇이든 산업용 로봇이든 가능한 한 빨리 로봇을 받아들여야 한다고 말했습니다. "팬데믹 전에도 상황은 명확했습니다."라고 그는 말했습니다. "최소 50만 개의 제조 일자리가 미충원 상태였습니다. 매일 1만 명 이상의 베이비붐 세대가 은퇴했고, 제조 인력의 27%가 55세 이상이었습니다. 마지막 근거는 밀레니얼 세대 등 젊은 층의 기술직 진입 의사가 역대 최저라는 점입니다."

이 상황만으로도 자동화의 꾸준한 동력이 되어왔습니다. 여기에 전 세계적 팬데믹이 겹쳤습니다. 그 결과 모든 규모의 공장이 코봇과 로봇을 구매해 사회적 거리두기를 지키는 인간 인력 사이에 배치하며 팬데믹 이전 수준으로 생산을 회복하려 합니다. 이로 인해 가능한 한 리쇼어링(국내 복귀)을 원하는 움직임도 생겼고, 더 똑똑하고 유능한 로봇으로 저임금 노동 경쟁의 장을 평준화하려 합니다.

한 예로 Universal Robots의 ActiNav가 있습니다. 지난 4월 출시된 자율 빈 피킹(bin picking) 시스템입니다. 전자상거래 창고와 풀필먼트 센터의 빈 피커가 기본적으로 '집어 옮기기(pick and drop)' 솔루션인 반면, ActiNav는 '집어 놓기(pick and place)'라고 Universal Robots는 부릅니다. CNC 머신 텐딩에 충분히 정확하며, 매우 깊은 빈 안의 무작위 물체도 집어낼 만큼 똑똑합니다. 이 기능의 상당 부분은 또 다른 최초인 Photoneo Inc.의 고해상도 비전 시스템과 Universal Robots가 자체 개발한 소프트웨어 덕분입니다.

"이게 ActiNav의 진짜 마법입니다."라고 캠벨은 말했습니다. "전통적인 빈 피킹에서는 모든 시나리오를 프로그래밍해야 하는데, 작은 금속 부품으로 가득 찬 빈에서는 사실상 불가능합니다. ActiNav는 부품, 빈, 부품을 놓을 위치를 보여주면 소프트웨어가 나머지를 처리합니다. 완전히 새로운 부품 설정도 2~4시간이면 가능해, 기존 방식으로는 몇 달 걸리던 일을 단축합니다."

안전한 이동

캠벨에 따르면 코로나19는 제조업을 해외로 이전했을 때 벌어지는 일을 모두에게 보여주었습니다. "팬데믹이나 유사한 혼란만 발생하면 셧다운됩니다."라고 그는 말했습니다. "이 때문에 모든 기업이 업무를 국내로 되가져오려 하고, 지금 당장 제대로 하려 합니다. 하지만 노동력 부족으로 인해 유연하고 배치와 프로그래밍, 운영이 쉬우며, 적절한 안전 프로토콜 하에 인간과 함께 일할 수 있는 자동화만이 효과적입니다. 협동 로봇이 이 모든 조건을 충족합니다."

ABB Robotics U.S.의 조 츄디 부사장 겸 총괄 매니저도 업계의 자동화 요구를 들었지만, 그의 제안은 조금 다릅니다. "고객들은 로봇과 자동화 도입 가속화가 직원 건강 보호와 비즈니스 연속성 강화에 필수적이라고 말합니다."라고 그는 말했습니다. "대부분은 이제 글로벌화와 현지화의 균형을 바꿔 생산을 본국 근처로 가져오려는 '니어쇼어링(nearshoring)'을 원하며, 생산 유연성 증대와 공급망 복원력 강화를 원합니다."

이러한 요구를 충족하려면 사용자가 더 나은 결정을 내릴 수 있도록 돕는 직관적인 도구가 필요합니다. 그중 하나가 ABB의 SafeMove 소프트웨어 스위트입니다. 츄디에 따르면 적절한 안전 센서, 레이저 스캐너, 라이트 배리어가 갖춰진 경우, 운영자가 제한된 공간에서 로봇과 더 자유롭게 협업할 수 있으며 사실상 울타리가 필요 없습니다. 모든 산업용 ABB 로봇에 적용 가능하며, 구성 가능한 전자적 동작 감지 및 예방 조치로 사람이 접근하면 로봇의 속도, 동작, 위치를 제한해 '모든 로봇을 코봇으로 만듭니다'.

그는 또한 시뮬레이션과 오프라인 프로그래밍 소프트웨어의 필요성을 언급했는데, 그중 ABB의 RobotStudio가 있습니다. 첫 번째는 실제 생산 라인 방해 없이 가상 3D 환경에서 완전한 로봇 설치를 생성, 시뮬레이션, 테스트할 수 있게 해줍니다. "새 생산 라인을 더 빨리 설치하고, 커미셔닝 중 예기치 않은 문제 없이 풀 스피드로 가동할 수 있습니다. 오늘날의 다품종 소량 생산과 짧은 제품 수명 주기를 고려할 때 제조업체에 필수적인 역량입니다."라고 그는 말했습니다. "CAM 소프트웨어와 CNC 공작기계처럼, 오프라인 로봇 프로그래밍은 수동 프로그래밍 방식에서 발생하는 가동 중단 시간과 공장 현장 혼란을 없애줍니다."