산업용 로봇: 주요 유형과 가장 널리 쓰이는 응용 분야
«강제 노동»은 1920년대에 처음 등장한 체코어 단어 «로봇»의 원래 뜻입니다. 그러나 산업용 로봇이 자동차 조립 공장의 생산 라인에 도입된 것은 1960년대에 이르러서였습니다.
과학적 관점에서 산업용 로봇은 «자동으로 제어되고, 재프로그래밍이 가능한, 다목적 매니퓰레이터로서, 세 개 이상의 축을 따라 프로그래밍되며, 산업 자동화 응용을 위해 고정식 또는 이동식으로 사용될 수 있는 장치»로 정의됩니다. 그러나 제조업에서는 산업용 로봇을 높은 정밀도가 요구되는 생산 작업에 필요한 위험하거나 반복적인 작업을 수행하는 작업자로 봅니다.
최초의 산업용 로봇 Unimate는 1961년 뉴저지주 이윙타운에 있는 General Motors 공장의 조립 라인에 투입되었습니다. 이 로봇은 자동화된 사출 성형 장치로, 생산 라인에서 뜨거운 도어 손잡이와 기타 자동차 부품을 냉각수 탱크에 담근 뒤, 최종 마무리와 연마를 위해 작업자에게 옮겼습니다.
산업용 로봇의 프로그래밍 기능은 주로 다양한 작업에 활용할 수 있게 해 주는 도구였을 뿐, 실제로 로봇에 지능을 부여하지는 않았습니다. 로봇은 단조롭고 위험한 작업을 수행했으며, 정확성과 반복성 때문에 사용되었습니다. 그 결과 국제로봇연맹 자료에 따르면 2010년 이후 자동차 산업이 산업용 로봇의 가장 중요한 소비처가 되었습니다.
산업용 로봇은 생산 현장에 등장한 이후 모든 산업에서 관련 작업 방식을 혁신했습니다. 실제로 산업용 로봇 시장의 성장세는 놀라울 정도입니다. 일부 전망에 따르면, 2027년까지 시장 규모는 660억 달러를 넘어설 것이며, 이 기간 연평균 성장률은 15.1%에 이를 것으로 예상됩니다.
역사적으로 널리 쓰인 산업용 로봇의 10가지 응용 분야
- 아크 용접. 1980년대에 일반화되었습니다. 로봇 용접으로 전환하는 주요 동력 중 하나는 작업자가 아크 화상과 유해 증기를 흡입하는 위험으로부터 보호받을 수 있다는 점입니다.
- 점 용접. 맞닿은 두 금속 표면을 접합하며, 접점에 높은 전류를 흘려 금속을 녹이고 매우 짧은 시간(약 10밀리초) 안에 용접 자국을 형성합니다.
- 자재 취급. 매니퓰레이터 로봇은 제품을 이동, 포장, 분류하는 데 사용됩니다. 또한 한 장비에서 다른 장비로 부품을 옮기는 기능도 자동화할 수 있습니다. 전통적으로 사람이 수행하던 직접 인건비가 줄어들고, 지루하고 위험한 대부분의 작업이 사라집니다.
- 기계 보조. 기계 보조를 위한 로봇 자동화는 장비가 작업을 수행하는 동안 가공용 원자재를 적재 및 하역하고 상태를 감시하는 과정입니다.
- 도장. 로봇 도장은 제품 품질과 균일성을 높이기 때문에 자동차 산업과 여러 다른 산업에서 사용됩니다. 재작업이 줄어 비용 절감 효과도 있습니다.
- 픽앤플레이스, 포장 및 팔레타이징. 대부분의 제품은 최종 출하 전에 여러 차례 처리됩니다. 로봇을 이용한 픽앤플레이스와 포장은 속도와 정확도를 높이고 생산 비용을 낮춥니다.
- 조립. 로봇은 제품을 꾸준히 조립하여 사람을 지루한 작업에서 해방시킵니다. 로봇은 생산성을 높이고 운영 비용을 줄여 줍니다.
- 기계식 절삭, 연삭, 디버링 및 연마. 로봇의 기동성이 높아지면서 그렇지 않으면 자동화하기 매우 어려운 생산 공정도 가능해졌습니다. 그 예로 무릎 및 엉덩이 관절과 같은 정형외과 임플란트 제작이 있습니다. 엉덩이 관절을 손으로 연마하는 데는 보통 45~90분이 걸리지만, 로봇은 같은 작업을 단 몇 분 만에 수행할 수 있습니다.
- 접착, 실링 및 코팅 재료. 실링 로봇은 다양한 구성의 로봇 매니퓰레이터로 만들어져, 모든 종류의 제품에 접착제를 도포할 수 있습니다. 이 응용의 핵심 장점은 최종 제품의 품질, 속도, 일관성을 높인다는 점입니다.
- 기타 공정. 검사, 워터젯 절단 또는 납땜용 로봇 등이 여기에 포함됩니다.
산업용 로봇의 5가지 주요 유형
국제로봇연맹에 따르면 산업용 로봇의 유형은 다섯 가지보다 많지만, 가장 일반적인 유형은 기계 구조에 따라 분류할 수 있으며 또 그렇게 분류하는 것이 바람직합니다:
- 직교 좌표 로봇은 데카르트 좌표계(X, Y, Z)를 사용해 세 개의 선형 축을 따라 작동합니다. 즉, 위아래, 안팎, 좌우로 움직이기 위해 세 개의 슬라이딩 조인트를 사용합니다. 직교 좌표 로봇은 가장 많이 사용되는 산업용 로봇으로, 보통 CNC 공작기계나 3D 프린팅에 쓰입니다.
- SCARA 로봇은 선택적 순응 조립 로봇 팔(SCARA) 방식의 로봇으로, 평면에서 유연성을 제공하는 두 개의 평행한 회전 조인트를 갖고 있습니다. SCARA 로봇은 보통 조립에 사용되며 좌우 이동에 특화되어 있습니다.
- 관절형 로봇은 2개에서 10개(또는 그 이상)의 관절을 가지며, 회전 조인트를 통해 기저부에 연결됩니다. 사람의 팔을 닮은 이 로봇은 보통 포장, 도장, 금속 주조 및 기타 산업 응용에 사용됩니다.
- 델타 로봇은 거미를 닮은 로봇으로, 식품, 제약, 전자 산업의 생산에 널리 쓰이며 공통된 기저부에 연결되어 있습니다. 델타 로봇은 고속에서의 정밀도 덕분에 보통 빠른 집기 및 놓기 작업에 사용됩니다.
- 원통 좌표 로봇은 좁은 공간에 적합한 소형 로봇으로 알려져 있으며, 회전 운동을 위한 최소 하나의 회전 조인트와 직선 운동을 위한 직동 조인트를 갖추고 있습니다. 원통 좌표 로봇의 일반적인 응용으로는 단순 조립, 사출 성형, 기계 적재 및 하역 등이 있습니다.
산업용 로봇과 그 응용의 미래
역사적으로는 위에서 언급한 응용 분야와 로봇 유형이 가장 흔했을 수 있지만, 오늘날의 로봇은 기계 구조에 대한 의존도가 낮아지고 있습니다. 이들은 데이터 수집기입니다. 초기 세대의 로봇은 자신만의 독립된 공간에 분리되어 있어야 했지만, 오늘날에는 인력의 일부로 통합될 수 있습니다.
과거에는 로봇에게 보통 고정된 장소에서 매우 특정한 작업을 수행하도록 요청했습니다. 그러나 오늘날 산업용 로봇의 협업 응용은 그 형태와 기능에 영향을 주는 친환경 센서 덕분에 빠르게 발전하고 있습니다. 이제 이러한 협업 산업용 로봇, 즉 코봇은 공장 작업자와 함께 일하며 사람이 하는 일의 일부만 수행합니다.
센서가 보급되면서 로봇은 사람과 함께 작업하고 주변 환경에 대한 정보를 기록할 수 있게 되었습니다. 그 결과 생산 과정의 모든 단계에서 데이터를 수집해 전체를 통제하고 상세히 분석함으로써 앞으로 더 나은 결정을 내릴 수 있습니다.
로봇 기술의 발전 덕분에 공장에서 쓰던 로봇을 이동 가능하고 자율적인 로봇으로 바꿔 소매업처럼 완전히 새로운 분야에도 적용할 수 있게 되었습니다. 2019년 Ahold Delhaize가 매장 운영 개선을 위해 개발된 Badger Technologies 로봇을 선보이면서, 자율 주행 로봇이 식료품점에 본격적으로 등장했습니다. 다수의 센서, 내비게이션 시스템, 카메라를 갖춘 이 로봇은 직원과 고객과 함께 통로를 이동하며 엎질러진 액체 같은 위험한 바닥 상태를 점검합니다. 동시에 부족하거나 잘못 산정되었거나 부적절한 주문 재고를 기록합니다.
농업 등 다른 산업에서는 드론이 들판을 조사해 작물의 결함을 찾아낼 수 있습니다. 드론은 수분 및 건조 수준을 분석해 농산물의 익음 정도를 판단할 수 있습니다. 이동형 로봇과 드론은 석유·가스 파이프라인과 전력 송전 시스템을 감시하며 정기 점검을 수행하고 정비가 필요한 징후를 찾아내, 정비팀이 효율적으로 출동하도록 돕습니다.
본질적으로 로봇은 여전히 직원들이 좋아하지 않는 일상적이고 단조롭고 힘든 작업을 수행하면서, 동시에 업무 개선에 귀중한 데이터를 제공합니다. 센서와 기타 최신 기술이 없다면 이는 불가능했을 것입니다. 물론 인공지능은 이러한 장치를 만드는 데 핵심 요소입니다. AI는 로봇 공학의 가능성을 바꿔 놓겠지만, 그렇게 되려면 최소 10년은 더 걸릴 것입니다.
산업용 로봇 분야의 성공은 지수에 달려 있습니다. 이는 로봇과 인접한 산업의 지수적 기술 곡선을 활용해 도입을 촉진합니다. 이처럼 다른 산업에 기술 혁신을 전파하기는 어렵지만, '외부' 산업의 기술을 받아들이면 가능성은 무한해집니다.
