로봇 협업자: 글로벌 인재 부족 시대 생산 간소화

높은 시장 역동성, 글로벌화로 인한 경쟁 심화, 인구통계적 변화와 숙련 노동자 부족 증가는 독일 생산 기업에 큰 장벽이다. 이 변화는 가치 사슬 마지막 고리인 조립 공정에 특히 큰 영향을 미친다.

이 변화에 대응하는 한 접근법은 소위 인간-로봇 협업(HRC, Human-Robot Collaboration) 활용이다. 하지만 HRC 시스템은 여전히 계획 복잡성으로 인해 비용과 인력 양면에서 고비용과 연관된다. 다양한 산업의 기업이 광범위한 애플리케이션 경계 조건(제품 복잡성, 변종, 수량 등)에서 협업 조립 워크스테이션을 구축·도입할 수 있는 단순하고 유연한 방법론이 필요하다.

연구 프로젝트 세이프메이트(SafeMate)

독일 연방 교육연구부(BMBF) '내일 생산·서비스·노동을 위한 혁신' 프로그램 지원으로 진행된 세이프메이트(SafeMate) 연구 프로젝트에서 협업 조립 작업장 도입·설계 전략과 개념이 개발됐다. 초점은 직원들이 높은 혜택을 인지하는 안전하고 수용 가능한 작업장이었다. 레인지(Lenze), 루프트한자 스카이 셰프(Lufthansa Sky Chefs), 밀레(Miele), 젠하이저(Sennheiser) 등 저명 독일 기업과 함께 데트몰트(Detmold) 소재 바이드뮐러(Weidmüller)도 이 연구 프로젝트 참여했다.

바이드뮐러 그룹(Weidmüller Group)은 글로벌 플레이어로 전기 연결 기술과 전자 분야 전문이다. 고객과 함께 제품, 솔루션, 서비스로 스마트 인더스트리얼 커넥티비티와 산업용 사물인터넷(IIoT) 디지털 트랜스포메이션을 이끈다.

바이드뮐러 제품은 주로 기계 엔지니어링, 공정 산업, 발전·재생에너지, 운송 기술, 빌딩 인프라, 기기 제조 분야에서 활약한다. 회사는 오래전부터 인더스트리 4.0 주제에 관여해왔으며, 세이프메이트 외 다른 연구 협업도 수행 중이다.

모든 게 수작업이던 시절

최근까지 바이드뮐러에서 전자기계 부품 조립 공정은 조립 워크스테이션에서 직원들에 의해 완전히 수작업으로 수행됐다.

세이프메이트 일환으로, 바이드뮐러 공정 엔지니어 토비아스 슈투케(Tobias Stuke) 팀이 주도한 잠재 분석을 통해 인간과 기계가 수행하는 개별 작업을 파악하고 작업 최적 분업을 도출했다. 로봇이 배치 공정의 단조롭고 반복적이며 힘 많이 드는 작업을 피로 없이 일관된 정확도로 수행함이 밝혀졌다. 반면 인간은 작은 부품을 더미나 상자에서 집어 크기별로 인지·분류하는 특수 기술, 올바른 공급과 후속 검사 공정에서 로봇보다 우월하다.

이러한 발견 바탕으로 기존 수작업 조립 공정을 인간-로봇 협업(HRC) 활용해 부분 자동화하는 초기 세이프메이트 파일럿 애플리케이션으로 구현했다. 결과는 인간과 로봇이 병렬로 작업하는 하이브리드 조립 워크스테이션이었다. 단조롭고 힘 많이 드는 작업은 로봇이, 인지적으로 까다로운 작업은 인간이 수행한다.

인간-로봇 협업

협업 로보틱스에서 인간과 로봇은 한 작업장에서 손발 맞춰 일한다. 민감한 제어 기술로 로봇이 보호 울타리 없이 인간 가까이서 작업한다. 애플리케이션은 위험이 충분히 최소화됐는지 검증 필요하며, 이는 튀프(TÜV), 전문 협회, 외부 서비스 제공자, 또는 통합업체 자율적으로 힘·압력 측정을 통해 수행 가능하다. 엔드오암 툴(그리퍼 등)도 같은 방식으로 검증 가능하다.

전자기계 부품 조립용 새 하이브리드 워크스테이션에 덴마크 로봇 제조사 유니버설 로봇(Universal Robots, UR) 코봇(cobot)을 직원 옆에 배치해 함께 일하게 했다. 먼저 직원이 커넥터 요소 조립. 그 후 코봇이 전기 접점 프레스 끼우기, 커넥터 하우징 결합, 연결 접점 나사 조임을 수행. 협업 로봇 활용과 그에 따른 조립 공정 중간 단계·대기 시간 감소로 하이브리드 워크스테이션 전체 생산성 향상. 이 부분 자동화 초점은 기계 조작자의 시간 소모적 단조로운 중간 단계 부담 경감과 인간-로봇 간 균형 잡힌 분업 달성이다.

짐머 HRC 그리퍼 장착 코봇

적합한 로봇 선택 외에 워크스테이션 설계 일환으로 적합한 그리퍼도 필요했다. 그리핑 기술은 모든 로봇 애플리케이션의 기본 요소이기 때문이다. 독일 라이나우(Rheinau) 소재 그리퍼 전문 짐머 그룹(Zimmer Group) HRC-02 그리퍼가 비교적 빠르게 낙점됐다. 짐머 그룹은 현재 세계 최대 HRC 그리퍼 포트폴리오를 보유한다. 선택된 그리퍼는 안전하고 선택된 UR 로봇과 완벽 조화된다.

MRK(인간-로봇 협업) 용도로 특수 설계된 HRC-02 완전 전동 서보 그리퍼는 날카로운 모서리 없고 모든 면이 둥근 형태로 우발적 걸림 사실상 불가능. 또한 유연 조정 가능한 스트로크와 파지력으로 기존 그리퍼보다 훨씬 민감하게 파지 가능.

이 기능들과 검증된 산업 설계가 본 프로젝트 최대 안전을 제공한다. 짐머 그룹 모든 HRC 그리퍼는 ISO/TS 15066(HRC 표준) 보호 원칙 높은 요건 충족, BG/DGUV 인증 획득.

쉬운 프로그래밍

바이드뮐러 세이프메이트 프로젝트에서 또 다른 초점은 새 하이브리드 워크스테이션에서 UR 코봇을 효율적이고 유연하게 활용하는 것이었다. 따라서 로봇 쉬운 조작에도 주의 기울였다.

코봇 조작 용이성은 HRC-02 그리퍼와 결합돼 특히 설득력 있었다. 짐머 그룹 모든 그리퍼가 UR 경량 로봇과 완벽 작동하는 건 우연 아니다. UR+ 파트너로서 짐머 그룹은 현재 UR+ 웹사이트에서 가장 큰 UR 호환 그리퍼 포트폴리오를 전시 중.

이전엔 정교한 프로그래밍 작업과 복잡한 프로그래밍 기술 필요했지만, 유니버설 로봇 코봇과 짐머 그리퍼는 매우 쉽게 조작된다. 직관적으로 설계된 로봇 컨트롤 패널(스마트폰 앱과 유사)로 직접 제어·프로그래밍한다.

생산성·만족도 증대

바이드뮐러 기계 엔지니어링 부서 코봇 파일럿 활용으로 효율성과 유연성 새 가능성 열렸다.

이 새 하이브리드 분업과 지능형 로봇·그리퍼의 쉬운 조작·설치로 전자 제조사는 증가하는 숙련 노동자 부족과 글로벌 경쟁에 좀 더 대응할 수 있게 됐다. 생산성 증가 외에도 인체공학적 작업장 최적화, 직원 전반적 업무 부담 경감 등 중요한 비금전적 성공도 있었다.

예: 접점 요소 프레스 끼우기('래칭') 같은 힘 많이 드는 작업, 단조로운 작업을 로봇에 넘겼다. 이 높은 직원 수용성은 참여적 구현 프로세스 덕분이었다. 즉, 직원들이 작업장 변화 과정 초부터 참여했다.

"짐머 그룹 그리퍼 선정 기준 중 기술적 특징 외에, 그리퍼가 이미 HRC 시스템에 대한 테스트·인증된 안전을 갖추고 있어 우리 그리핑 기술 프로젝트에서 '안전 쪽'에 이미 서 있었다는 점이 특히 중요했다. 말 그대로 진정한 의미에서."라고 슈투케는 말했다.

직원이 협업 작업으로 혜택 보는 게 회사엔 특히 중요하다. 코봇과 그리퍼는 부담 경감을 위해 존재한다.