코로나19 기간 자동화 가속화: 트렌드, 유연성, 코봇의 부상

더 안전하고 빠르고 지능적인 솔루션이 팬데믹 속 산업 지원

제조 자동화를 향한 오랜 추세가 코로나19 팬데믹으로 이해당연히 가속화되었습니다. 위기 발생 약 1년 시점에서 장기적 영향을 묻기 좋은 시점입니다. 팬데믹이 자동화를 새로운 영역으로 밀어붙였나? 공급업체들이 자동화를 더 유연하게 만들었나? 구현이 더 쉬워졌나?

본질적으로 협동 로봇(코봇)은 전통적 로봇보다 구현이 더 쉽습니다. 코봇은 인간 동료와 작업 공간을 공유하도록 설계되어 일상적으로 가드가 필요 없고, 비교적 작고 점유된 공간에도 들어갈 수 있습니다(안전 위험 평가 확인 시). 설정도 더 쉽습니다. FANUC America Corp. 공인 시스템 통합업체 그룹 디렉터 딕 모틀리(Dick Motley)는 FANUC의 CRX 시리즈 코봇을 사용자가 팔을 직접 잡고 움직이며 부분적으로 가르칠 수 있다고 설명했습니다. 이는 "단순 애플리케이션 설정을 정말 직관적이고 간단하게 만듭니다. 빠르게 배치할 수 있는 로봇 자동화를 얻게 됩니다."라고 그는 말했습니다. "그리퍼와 로봇용 받침대, 로봇 엔드 이펙터 툴로 나가는 유틸리티를 쉽게 해결하는 다양한 주변기기 공급업체 생태계가 성장하고 있습니다."라고 덧붙였습니다.

나쁜 소식은 코봇이 느리다는 것입니다. 접촉 시 가할 힘을 제한하는 센서가 내장되어 있지만, "고속에서 안전 표준을 충족하기는 꽤 어렵습니다."라고 모틀리는 설명했습니다. "접촉 감지 시스템이 아무리 예민해도, 정말 빠르게 움직이는 것을 즉시 정지시키려 한다면 물리학을 거스르는 시도입니다." 그래서 코봇이 자동화 세상을 장악할 것 같고(코로나19 시대 판매가 폭발적), 그 적용성에는 한계가 있습니다.

모틀리는 고객 제조 라인 끝단의 "비교적 저속 팔레타이징 작업"을 코봇에 적합한 사례로 들었습니다. "분당 2~4케이스를 생산하는데, 이 제품들을 내려보내는 컨베이어 라인의 밀도가 놀랍습니다. 전통적 로봇 구현에 필요한 정지 거리 계산 등 모든 것을 위한 물리적 공간이 없었습니다. 유일한 자동화 옵션은 코봇을 투입하는 것이었습니다. … 충분히 느리게 가면 골판지 상자가 다치게 하진 않을 겁니다."

인간에게 안전하고 쉬운

이것이 전통적 로봇이 사람 근처에서 작동할 수 없거나, 설정이 매우 어렵다는 뜻은 아닙니다. 또는 날카롭거나 위험한 것을 다루는 저속 코봇이 가드 없이 작동할 수 있다는 뜻도 아닙니다. 이러한 우려를 해소하기 위해 FANUC 등 OEM들은 로봇의 "동작 범위나 속도를 제한"해 인간과의 간헐적 상호작용을 허용하는 시스템을 갖췄습니다. FANUC은 자사 안전 아키텍처를 "듀얼 체크 세이프티(Dual Check Safety)", 줄여서 DCS라 부릅니다. "로봇 한쪽에 '진입 금지' 구역을 설정해 운영자가 로봇이 회수할 부품 등을 적재하게 하고 싶을 수 있습니다. 소프트웨어 제약으로 로봇이 거길 가지 못하게 하고, 보통 라이트 커튼, 안전 매트, 스캐너로 강화합니다. 하지만 사람이 그 적재 구역을 떠나면 로봇은 즉시 최고 속도로 돌아옵니다."

모틀리는 "DCS 조정은 FANUC의 로보가이드(Roboguide) 오프라인 프로그래밍 환경 시뮬레이션 패키지에서 가능합니다. 로봇에 연결된 노트북으로, 또는 아이펜던트(iPendant)나 새로운 티칭 팬던트 태블릿 같은 사용자 인터페이스 장치로도 할 수 있습니다."라고 지적했습니다. 새로운 태블릿 기반 인터페이스는 특히 사용하기 쉽다고 모틀리는 말했습니다. "컴퓨터 언어와는 전혀 다른 완전히 새로운 프로그래밍 스타일입니다. 드래그 앤 드롭 아이콘 타임라인입니다."

프로메스(Promess Inc.), 미시간주 브라이튼의 존 라일(John Lytle) 애플리케이션 디렉터는 팬데믹이 자사 일렉트릭 프레스 워크스테이션에 추가 기능을 수행하게 하려는 노력을 가속화했다고 보고했습니다. 프로메스는 이미 유닛을 콤팩트하고 독립적으로 만들어 생산 라인 추가를 쉽게 했으며, 작업자 부상 방지용 통합 라이트 커튼을 장착했습니다. "조립을 감지로 자동화해 양품 여부를 판정하고, 어디서든 배치해 플랜트 변화에 적응할 수 있습니다." 프로메스는 부가 기능과 유닛이 공장 나머지와 통신할 수 있는 정보를 강화했습니다. 예를 들어 두 부품을 눌러 조립하고 측정된 힘과 이동 거리가 예상대로여 조립이 양호함을 확인하는 것 외에, 치수 측정도 수행해 그 정보를 전달할 수 있습니다. 이는 별도 게이징 스테이션을 불필요하게 만듭니다.

그러한 측정에는 카메라와/또는 레이저가 필요하며, 프로메스는 최종 사용자가 여전히 독립형 '플러그 앤 플레이' 유닛을 얻도록 기술을 통합합니다. 라일은 "우리는 최종 사용자에게 단순하게 만드는 데 집중합니다. 카메라 기술자, PLC 전문가, 고수준 통합업체 등이 필요한 큰 과학 프로젝트가 아닙니다. 여기 20명 소프트웨어 팀이 매일 그걸 쉽게 만들려 일합니다. 고객이 워크스테이션을 받으면 이미 셋업되어 있습니다. 파라미터만 입력하면 됩니다."라고 설명했습니다. 카메라는 부품 측정 이상도 가능합니다. 부품 방향 결정에도 쓰입니다. 이는 팔레트 위 여러 부품에서 자동 픽업 같은 더 복잡한 배치를 가능하게 합니다. 프로메스는 자동 부품 로드/언로드용 코봇도 통합했습니다. 라일이 보는 최종 결과는 전송 라인을 단순화하고 사회적 거리두기에 기여하며, 다른 장비에 데이터를 전송해 "인터넷이나 인트라넷을 통해 다음에 무엇을 할지 결정하게 하는" 다기능 워크스테이션입니다.

더 지능적이고 유연하게

ABB Robotics USA의 조 츄디(Joe Chudy) 제너럴 매니저에 따르면, "대소 설치를 막론하고 모든 산업이 공정에서 사람을 배제하는 방법을 찾고 있습니다." 팬데믹과 직접 연결될 수 있는 가장 큰 수요 증가는 의료 제조, 포장/물류, 식품 가공입니다. 후자 두 가지는 일관되지 않은 입력 앞에서 극한의 속도가 필요해 특히 어렵습니다. 츄디는 "아마존이 사람을 충분히 고용 못 하고 충분히 빨리 자동화 못 하는 건 공공연한 비밀입니다. 월마트와 그 분야 모두 마찬가지입니다. 하지만 집어 분류해야 할 품목의 양과 다양성이 AI(인공지능) 구현을 강제합니다."라고 말했습니다.

츄디는 식품 가공 산업도 큰 압박을 받아 자동화 혁신을 주도하고 있다고 말했습니다. 그는 육류 절단 및 포장이 인간이 일하기에 본질적으로 비참한 환경이며, 팬데믹이 고통만 더했다고 설명했습니다. 그리고 '단백질(단백질 산업이 자사 제품을 부르는 말)'은 조각마다 다릅니다. "우리가 닭 발골을 할 수 있을까? 날개로는 뭘 할 수 있을까? 그런 것들을 자문했습니다."라고 츄디는 회상했습니다.

단백질 형태의 불일치를 감안할 때, 이 과제 해결엔 스마트 카메라 시스템과 AI가 필요해 로봇 그리퍼를 방향 조정했습니다. "절단 시 단백질 손실을 제한해 빠른 투자 회수도 가능합니다."라고 츄디는 덧붙였습니다. "물 칼이나 다른 기술로 이 물질을 최대한 가깝게 자르는 데 쓰는 비전 기술이 큰일입니다. 단백질이 로봇에 어떻게 제시되는지, 비전 시스템을 어디에 둘지, 어떻게 방향을 잡을지 모든 게 애플리케이션에 반영됩니다."

장기적으로 츄디는 이러한 과제들에 의해 주도된 AI 발전이 금속 절삭 분야에도 적용될 것이라 생각합니다. 예를 들어 AI 향상으로 랜덤 빈 피킹(random bin picking) 능력이 개선되고 있으며, 디팔레타이징과 일부 물류 작업도 마찬가지라고 그는 관찰했습니다. "획득 시간이 랜덤 빈 피킹에서 진짜 중요합니다. 부품을 얼마나 빨리 찾나? 얼마나 빨리 가서 집나? 물류 시장도 똑같습니다." 츄디는 속도가 중요하며, 부품을 집기 위해 필요한 이미지 데이터 볼륨 처리가 지금까지 그런 애플리케이션을 제한했다고 말했습니다. "[이제] 기술이 성장하고 더 강해지고 유지보수 부담이 줄어들면서 이 시장에서 그런 애플리케이션이 번성하는 것을 봅니다."라고 츄디는 말했습니다.

그는 고정구 없는 용접(fixtureless welding)과 스마트 용접도 연구 중이라고 말했습니다. "카메라에 부품과 조각을 제시하면 어떻게 용접할지, 공차는 얼마인지, 갭을 측정하고, 전통적 프로그래머가 할 모든 일을 결정합니다. 랩에서는 잘 작동하지만 아직 생산에 적용하진 않았습니다."

비전 기술이 이 시스템들의 핵심입니다. 츄디 말대로 이는 "금속 업계 많은 사람들을 불안하게 만들곤 했습니다." 비전 시스템이 과거엔 설치와 유지보수에 전문 기술자를 필요로 했기 때문입니다. "이제 هذه 새로운 애플리케이션들은 스스로 모니터링할 수 있습니다."

모틀리도 비전 기술을 엄청난 이네이블러로 꼽으며 구현이 더 쉬워졌다고 말했습니다. "로봇에 눈을 주어 환경에 적응하게 하면, 애플리케이션 셋업 비용 절감, 체인지오버 시간 단축, 교체 부품 감소, 유연성 향상, 신뢰성 증대, 공정 내 검사 등 모든 종류의 것을 가능하게 합니다." 그는 FANUC의 새로운 3D 비전 기술인 3DV가 "다재다능하고 콤팩트한 센서로 로봇의 엔드 이펙터 툴링에 쉽게 내장될 수 있다. 로봇이 말 그대로 눈을 들고 다니게 되는 셈이지 고정 센서만 있는 게 아니다. 고정 센서도 여전히 자리가 있습니다."라고 덧붙였습니다. 3D 포인트 클라우드는 평면 2D 이미지보다 로봇에 훨씬 더 많은 정보를 제공합니다. 앞에 있는 것에 대한 더 많은 정보로 "로봇 제어기가 다음에 무엇을 할지를 더 잘 결정할 수 있게 됩니다."

금속 제조에서

포장과 단백질 핸들링은 일반적인 금속 가공 애플리케이션과 많이 다릅니다. 그래서 패스트ems(Fastems LLC) 오하이오주 웨스트 체스터의 데이브 수이카(Dave Suica) 사장이 설명했듯 그리퍼 기술이 변하고 있습니다. "서보 제어 그리퍼로 전환하기 시작했습니다. 많은 부품이 변형 가능합니다. 일반 파워 그리퍼는 마찰 계수를 극복해 부품을 들어 올리는 데 필요한 것보다 너무 많은 힘을 가할 수 있습니다. 서보 제어로 위치를 정한 뒤 가하는 압력에 오버라이드를 둡니다." 더 일반적으로 수이카는 사람들이 "하이엔드" 자동화로 향하고 있다고 말했습니다. 수동으로 그리퍼를 교체해 작업을 전환할 필요 없는 자동화입니다. "스마트 자동화와 자동 그리퍼 교체, PLC 대신 컴퓨터 제어로 다이내믹하게 만들 수 있습니다. 사람 없이 파트 A에서 B, C로 전환 가능합니다. 72시간 자율 가동하는 시스템도 있습니다."

패스트ems는 대형 유연 제조 시스템(FMS)으로 가장 유명하지만, 로봇과 팔레트 핸들링 구성 전체를 다룹니다. 수이카는 팬데믹으로 일부 기업이 특정 제품을 빠르게 리쇼어링하려고 단일 기계를 구매해 자동화하게 됐다고 말했습니다. 하지만 패스트ems가 대형 FMS를 납품하든 단일 기계용 로봇을 납품하든, "여전히 풀 라인 제조 관리 소프트웨어를 갖추고 있습니다."라고 수이카는 말했습니다. "여전히 스케줄링이 있고, 다른 시간에 다른 부품을 가동하는 용량이 있습니다." 패스트ems는 기업의 ERP 시스템과 통합해 예측 및 동적 스케줄링을 자랑합니다. "ERP 시스템이 요구사항을 변경하면, 어떤 부품을 언제 만들지 시퀀스를 자동으로 변경해 재고 축적 없이 흐름을 유지합니다."

포장과 조립 과제로 돌아가, 모틀리는 FANUC의 자동차 뿌리가 잘 기여했다고 말했습니다. "차체 도장 전 실란트 비드를 도포해 밀봉하고, 로봇 동작과 매우 타이트하게 조정해 빠르게 가도 실란트 비드에 얇은 부분이 생기지 않게… 느리게 코너를 돌면 두껍게 쌓이지 않게… 하는 능력이 직접 조립 작업에서 접착제 디스펜싱에 기여했습니다."

원격 제어, HTML5로 이동

팬데믹으로 인한 자동화 증가와 사회적 거리두기는 원격 모니터링 역량의 필요성을 부각시켰습니다. 원격 모니터링은 새로운 게 아니며, 거의 모든 제어, 자동화, 기계 제조사가 그런 솔루션을 제공합니다. 하지만 Fagor Automation-USA, 일리노이주 엘크 그로브 빌리지는 HTML5 기반 제어 아키텍처 출시를 앞당겨 한발 더 나아갔습니다. 북미 총괄 매니저 하쉬 비브라(Harsh Bibra)에 따르면 HTML5는 브라우저 기반일 뿐만 아니라 "여러 브라우저에서 일관됩니다. 누군가는 아이폰, 다른 이는 구글 기기, 또 다른 이는 윈도우 10 노트북을 쓸 수 있습니다. 기계에 HTML5 기반 인터페이스가 있으면 모두 비슷한 방식으로 같은 것을 봅니다. HTML5가 기계를 플랫폼 독립적으로 만듭니다."

HTML5는 비즈니스 인텔리전스에 대한 더 나은 모바일 접근도 제공한다고 비브라는 말했습니다. 지오로케이션(geolocation)도 함께. 지오로케이션으로 원격 연결을 특정 위치의 기기로 제한해 보안을 강화할 수 있습니다. 예를 들어 직원의 집으로만 원격 연결을 제한해 폰을 잃어버렸을 때 다른 곳에서의 접근을 차단할 수 있습니다. 게다가 비브라는 "HTML5는 한계가 없습니다. 작성하는 로직의 힘이나 만드는 인간-기계 인터페이스의 힘에 따라, 상대방에게 N차원의 자유를 제공할 수 있습니다."라고 덧붙였습니다. 즉 원격 연결이 단순 모니터링을 넘어 사이클 스타트/스톱 같은 기계 명령 입력도 가능하게 합니다. 달리 말해 원격 제어가 궁극의 사회적 거리두기입니다.