◆ 특집 ◆ 첨단 생산시스템용 산업용 로봇 기술
휴대폰 셀 생산 공정 적용을 위한 양팔 로봇 개발
Dual-arm Robot for Cell Production of Cellular Phone
도현민1,, 최태용1, 박찬훈1, 박동일1, 경진호1, 김계경2, 강상승2, 김중배2, 이재연2 Hyun Min Do1,, Taeyong Choi1, Chanhun Park1, Dong Il Park1, Jin Ho Kyung1,
Kye Kyung Kim2, Sang Seung Kang2, Joong Bae Kim2, and Jae Yeon Lee2
1 한국기계연구원 로봇메카트로닉스연구실 (Department of Robotics and Mechatronics, KIMM) 2 한국전자통신연구원 지능형인지기술연구부 (Intelligent Cognitive Technology Research Department, ETRI)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-42-868-7507 Manuscript received: 2013.7.10 / Accepted: 2013.7.30
Recently, the requirement of automation in the cell production system is increasing due to a decrease of skilled workers who are the key point of a cell production system. This paper proposes a dual-arm robot designed and implemented with consideration of being applied to a cell production line of cellular phone. A specification was derived from the analysis of production process and the consideration of configuration for human-robot cooperation. Design and implementation results of the proposed dual-arm robot were suggested and the feasibility was verified through the demonstration of the proposed robot in some of packaging job of cellular phone.
Key Words: Dual-arm Robot (양팔 로봇), Cell Production (셀 생산 공정), Cellular Phone Packaging (휴대폰 포장 작업) Flexible Manufacturing (유연 생산 시스템), Human-robot cooperation (인간-로봇 협업)
1. 서론
최근 많은 생산현장에 있어서 기존의 컨베이어 벨트 방식으로 대표되는 대량생산 시스템에서 소 수 작업자가 생산을 완결하는 셀 생산 구조로의 변화가 일어나고 있다. 이는 제품 군의 다양화에 따라서 대량생산 시스템에서 다품종 변량 생산 시 스템으로의 변화가 요구되고 있기 때문이다. 셀 생산 시스템에서는 소수의 작업자가 작업의 처음 부터 끝까지를 책임지고 완결하는 구조로 다품종 생산에 능동적으로 대처할 수 있고, 또한 자기 완 결형 생산구조로서 그 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 다만, 제품의 품질이 소수의 작업자 에 절대적으로 의존하기 때문에 생산자의 숙련도
가 매우 중요하다고 할 수 있다. 이렇게 생산자의 숙련도가 중요하기 때문에 품질의 일관성 및 생산 성 향상을 위해서 셀 생산 공정에서의 자동화가 요구되고 있고, 다품종 변량 생산에서 요구되는 다양한 작업에 대응할 수 있는 유연성이 중요하다.
이러한 유연성을 달성하기 위하여 꼭 필요한 부분 이 로봇이고, 이것이 자동화의 핵심이라고 할 수 있다. 또한 기존의 인간 작업자가 하던 작업 공간 에서 인간과 유사한 방식으로 작업을 하기 위해서 는 인간과 유사한 크기의 양팔로봇의 개발이 요구 된다.
기존 양팔로봇에 관한 연구는 산업용 및 서비 스용 로봇 등을 모두 포함하여 다양한 연구가 이 루어져 왔다.1-4 서비스용 로봇으로는 한국과학기술
동경대, 테크로벨리사 및 토요타사, 미국 Willow Garage사는 심부름, 집안 정리정돈 등의 가사지원 을 위해, 일본 동경대는 음식 준비 및 전달, 침대 생활 지원 등의 노인지원을 위한 양팔 로봇들을 다수 개발하였다. 또한 미국 NASA는 무인탐사를 위한 양팔 이동-조작 로봇 Robonaut를, 독일 DLR 은 산업현장에서의 작업은 물론 일반 가정 및 사 무실 환경에서도 사용할 수 있는 Justin을 개발하 였다. 산업용 로봇으로는 현재 판매되고 있는 대 표적인 양팔로봇으로 Yaskawa사의 Motoman5이 있 고, 국내에서는 한국기계연구원에서 자동차용 부 품 조립 용도로 중공 모터/감속기를 사용하여 가 반 중량 10kg의 로봇을 개발하였다. 하지만 실제 생산라인에 도입된 사례는 거의 알려진 바가 없다.
또한 로봇을 이용한 셀 생산 공정의 자동화 측 면에서 지금까지 다양한 연구가 이루어져 왔으나, 대부분 싱글암 로봇의 한계로 인하여 본격적인 적 용이 이루어진 사례는 아직 알려진 바가 없다. 하 지만 그 필요성에 대해서는 많은 연구자들 사이에 공감대가 형성되어 있고 최근 들어 공정 적용을 목표로 하는 양팔로봇의 개발에 대한 다양한 연구 결과가 제시되고 있다. 특히 최근에 주목 받고 있 는 결과가 미국의 ABB사에서 발표한 FRIDA6라는 로봇과 역시 미국의 RethinkRobotics사에서 발표한 BAXTOR7라는 로봇이다. 두 로봇 모두 인간과 유 사한 크기의 양팔 로봇으로 인간과 동일한 공간에 서 작업이 가능하도록 필요한 안전 기능을 갖추고 있고, 또한 생산 라인 적용을 목표로 하고 있다.
다만 현재까지 FRIDA의 경우는 전시회에서 개념 모델만 발표한 수준이고, BAXTOR의 경우 상용화 하여 판매를 하고 있지만, 저가화를 목표로 하였 기 때문에 속도 및 정밀도 등 그 성능이 다소 부 족한 상태로 아직 생산라인에 본격적인 적용이 이 루어지지 못하고 있는 상태이다.
이에 본 논문에서는 셀 생산 라인, 특히 휴대 폰 생산 라인 적용을 목표로 하여 개발한 인간형 양팔 로봇의 개발 결과를 제시하고, 이에 필요한 다양한 요소 기술 및 공정 구현을 위한 시스템 통 합 기술에 대하여 전반적으로 기술하고자 한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 공정분
석을 토대로 한 양팔로봇 사양 도출 및 설계 결과 를 제시하고, 3장에서는 실제 제어기 구성을 포함 한 로봇 하드웨어 구현 및 테스트 결과를 제시한 다. 4장에서는 로봇 시스템에 필요한 요소 기술 및 이의 통합 기술을 설명하고, 휴대폰 포장 공정 구 현 결과를 5장에서 제시한다. 그리고 끝으로 6장 에서 결론 및 향후 계획을 기술한다.
2. 양팔로봇 사양 도출 및 설계 2.1 사양도출
본 절에서는 휴대폰 포장 작업의 분석을 통하 여 작업을 수행하기 위하여 필요한 양팔로봇의 사 양 도출 과정 및 도출된 사양을 근거로 한 로봇 설계과정을 기술하였다.
휴대폰 포장 작업은 크게 유닛박스 포장 작업 과 마스터박스 포장 작업으로 구분된다. 유닛박스 포장 작업은 휴대폰 및 각종 액세서리들을 유닛박 스에 담는 과정이고, 마스터박스 포장 작업은 포 장된 유닛박스를 모아서 마스터박스에 담는 작업 이다. 이러한 휴대폰 포장 작업을 수행할 수 있는 양팔 로봇을 설계하기 위해서는 로봇의 외형적 크 기 측면의 사양과 로봇이 작업이 가능하도록 하는 가반 중량 및 이에 따른 각 조인트의 필요 토크 등 동적인 사양을 산출하여야 한다. 이 두 가지 측면에서의 사양 도출을 진행하였다.
우선 외형적인 측면에서는 서론에서 기술하였듯 이 인간과 유사한 크기의 로봇을 개발할 경우, 기존 의 생산 라인을 그대로 활용할 수 있고, 또한 인간 작업자와 같은 작업공간에서 작업을 할 수 있는 장점이 있다. 이에 개발하고자 하는 양팔 로봇의 높이 및 팔 길이를 성인 남자와 유사하도록 선정 하였다. 한국인의 성인남자 평균 인체치수1를 참고 하여 로봇의 크기를 Table 1과 같이 선정하였다.
1 기술표준원이 2003~2004년까지 2년간 측정한 Size Korea (http://sizekorea.kats.go.kr)사업의 성인남자(25~39세) 한국 인의 평균 인체치수
Wrist length (joint 6~7) 100mm
Fig. 1 Asymmetric working range of each joint
Table 2 Required Torque
Joint# Max. Torque(Nm) Stall Torque(Nm)
1,2 120 60
3,4 70 30
5,6 25 11
동적인 사양을 도출하기 위하여 우선 필요 가 반 하중을 계산하였다. 작업 대상물로는 특정 휴 대폰 모델을 선정하였는데 생산되고 있는 대부분 의 휴대폰이 선정한 모델과 사양 측면에서 유사하 므로 일반적으로 적용이 가능하다고 할 수 있다.
휴대폰 유닛 박스의 무게가 약 500g이고 마스터 박스 포장을 위하여 유닛 박스 5개를 동시에 이송 한다고 가정할 경우 가반 하중은 약 2.5kg, 또한 작업툴의 중량을 약 2kg으로 가정할 경우 한 팔 가반 하중은 4.5kg 이상이 요구된다. 이에 한 팔 가반 하중을 5kg 이상으로 선정하였다. 이 경우 유닛 박스 포장에 필요한 각종 액세서리의 핸들링 및 유닛 박스의 핸들링 또한 가능하다. 그리고 각 조인트 구동속도를 결정하기 위하여 모션 분석 시 스템을 활용하여 실제 사람이 유닛 박스 포장 작 업시의 양팔 모션을 분석하였다. 포장 작업 수행 시에 환산된 조인트 앵글 속도 정보를 분석한 결 과 대부분 작업구간에서 150 degree/sec를 넘지 않 음을 확인하였다.
선정한 로봇의 팔 길이를 근거로 작업공간 해 석을 수행하였다. 양팔 로봇의 경우 양팔 작업이 가능한 공간이 매우 중요하므로, 양팔 작업공간에 영향을 주는 관절 회전각을 비대칭으로 설정하였 다. 대칭형으로 관절을 설계하면, 전후 원활한 동 작이 가능하나 양팔 작업 공간을 충분히 확보하기 힘든 단점이 있다. 비대칭 관절 회전각은 Fig. 1과 같다. 이 경우 확보된 양팔 작업공간은 가로 400 mm × 800 mm × 400 mm 정도로 필요한 휴대폰 포 장 작업을 수행하기에는 충분한 수준이다.
그리고 각 조인트의 구동부를 선정하기 위하여 동역학 시뮬레이션을 통하여 필요토크를 산출하였다.
가반 하중을 5kg으로 선정하였으므로 5kg 부하를
고려하여 시뮬레이션을 수행하였다. 가장 가혹한 상황을 고려하기 위하여 팔이 수평으로 최대한 뻗 은 상황에서 2, 4, 6축이 동시에 가속되면서 구동되 는 상황을 시뮬레이션 하여 Table 2와 같이 필요토 크를 산출하였다.
2.2 구동모듈 설계
앞 절에서 도출한 필요 토크를 만족시키도록 구동부품을 선정하고 중공형의 구동 모듈 설계를 수행하였다. 중공형 모듈은 그 구조의 간결성 및 유지보수의 편의성 등의 장점을 가진다. 이에 양 팔로봇의 대표적인 개발사례인 Yasakawa의 Motoman 시리즈도 중공형으로 개발이 되었고, 한 국기계연구원에서 개발했던 양팔로봇도 중공형을 채택하였다. 하지만 본 논문에서 제안하는 양팔로 봇은 인간과 유사한 크기를 목표로 하기 때문에 기존의 로봇에 비하여 구동모듈의 크기에 제약이 있다. 또한 충돌감지를 위하여 말단축을 제외한 모든 축에 조인트 토크 센서를 배치하였다. 이로 인하여 발생할 수 있는 토크 센서 및 감속기의 강 성으로 인한 출력단 변형을 정확히 측정하기 위하 여 이중 엔코더 구조를 제안하였다. 즉, 모터단 측 정을 위하여 상대치 엔코더를 사용하고, 출력단 측정을 위하여 절대 엔코더를 사용하였다. 이중 엔코더를 사용한 개념도는 Fig. 2와 같다. 또한 모 듈을 경량 박형으로 만들기 위하여 구동 모듈에 사용할 모터, 감속기, 엔코더 등의 부품을 최대한 경량/박형 제품을 선택하여 필요 사양을 만족할 수 있도록 구동 모듈을 설계하였다. 모듈에 대한 개념 설계도는 Fig. 3과 같다.
Fig. 2 Concept diagram of dual encoder in actuator module
Fig. 3 Design of actuator module
Fig. 4 Actuator module of each joint
3. 양팔로봇 구현 및 성능 검증 3.1 양팔로봇 시스템 구현
본 절에서는 경량 고출력 사양으로 설계된 구 동모듈을 기반으로 한 양팔로봇 시스템 구현에 관 하여 기술한다.
양팔로봇 시스템을 구현하기 위하여 앞 절에서 기술한 구동모듈을 제작하였다. 각 모듈의 사양에 따라서 1,2축용 모듈, 3,4축용 모듈, 5,6축용 모듈 그리고 7축용 모듈 4가지의 모듈이 제작되었으며 조립 완료된 모듈의 형상은 Fig. 4와 같다. 또한 로 봇 링크와 결합하기 전에 각각의 구동 모듈에 대 한 성능평가를 수행하였고 각 모듈별로 부하테스 트를 수행하여 성능을 검증하였다. 그 결과 모두 목표 사양을 만족함을 확인할 수 있었다.
개발로봇은 중공형의 모듈구조로 설계되었기 때문에 용이하게 조립이 가능하다. 한 팔은 7 자 유도를 가지며 6개의 링크와 7개의 모듈로 구성되 어 있고 (Fig. 5) 각 축의 모터를 구동하기 위한 드 라이버는 링크내부에 배치하여 배선을 간단하게 하였다. 따라서 로봇 외부에서 공급되어야 하는
것은 전원선 및 모터 드라이브를 제어하기 위한 통신선 뿐이다. 케이블은 중공형 모듈을 통과하여 배치되므로 최적의 단면적으로 구성된 케이블을 선정하였고 또한 노이즈 차페를 위한 쉴드 케이블 을 적용하였다.
3.2 제어기 구성
개발 로봇은 중공형 구동 모듈을 채택하고 있 으므로 중공을 통과하는 케이블을 최소화하고자 하였다. 이를 위하여 모터 드라이브를 링크 내부 에 배치하였고 Host PC와 모터 드라이브간의 연결 을 EtherCAT 통신을 이용하여 데이지 체인 방식으 로 구현하였다. 따라서 로봇에 공급해 주어야 하 는 것은 모터 및 드라이브 구동 전원과 EtherCAT 통신 라인만으로 구성이 되고 이것이 중공형 구동 모듈의 중공부를 통하여 연결이 된다. 이러한 제 약조건을 만족하도록 크기면에서 장점을 가지고 있는 ELMO사의 Gold Whistle 시리즈로 구성하였다.
EtherCAT 기반으로 로봇을 제어하기 위해서는 Host PC측에 마스터부가 구현이 되어 각 구동부의 슬레이브 노드를 연결할 수 있어야 한다. 본 논문 에서는 Simlab사에서 개발한 솔루션인 Realtime Roboitcs 프레임을 사용하여 마스터부를 구축하였 다. 제어 방식은 상위에서 제어 알고리즘을 구성 하여 필요 토크 지령을 계산하여 모터 드라이브로
Fig. 5 Assembly of links and actuator modules
보내도록 설계하였다. 모터 드라이브를 전류제어 모드로 사용하기 위해서는 빠른 응답속도가 요구 되는데 EtherCAT을 활용하여 구축한 시스템에서 14축을 제어하는데 있어 1kHz이상의 제어 주기를 확보할 수 있었다. 조인트 공간상에서 PID 제어기 를 구축하였고 전체 구조는 Fig. 6과 같다.
3.3 성능 검증
개발 로봇의 성능을 검증하기 위하여 반복정밀 도 및 암 말단의 선속도를 측정하였다. 반복정밀 도는 10회의 동일한 3점 경로를 동작하여, 매회 도달한 위치를 레이저 트랙커로 측정하였다. 양팔 로봇이기 때문에 오른팔, 왼팔을 각각 측정하였고 이 때 최대오차는 각각 0.0807mm와 0.0895mm로
±0.1mm 이하임을 확인할 수 있었다.
또한 말단의 선속도는 팔의 회전 동작 시 시간 에 대한 말단의 위치를 측정하였는데, 레이저 트 랙커의 수신부를 양팔로봇의 암 말단에 부착하고, 팔의 회전 동작을 수행하여 3ms 마다 측정된 X, Y, Z 좌표를 이용하여 말단의 선속도를 계산하였 다. 선속도 측정결과 1m/sec 이상임을 확인할 수 있었다.
4. 시스템 통합 4.1 핵심 요소 기술
본 논문에서 목표로 하고 있는 휴대폰 포장 공
정을 구현하기 위해서는 다양한 핵심 요소 기술이 필요하다. 우선 휴대폰 액세서리 및 유닛 박스를 식별하고 위치를 파악할 수 있는 인식 기술이 요 구된다. 휴대폰 액세서리는 배터리, USB 케이블, 이어폰 등 여러 종류가 있으며 그 형태도 비닐 포 장이 되어 있는 것, 유연 케이블 형태의 것 등 다 양한 형태가 있어 하나의 동일한 알고리즘으로 인 식하는 것에 어려움이 있다. 우선 포장해야 할 액 세서리의 ID 정보를 받아서 필요한 종류의 액세서 리인지 식별과정을 통하여 찾아야 한다. 그리고 해당 액세서리의 위치 및 자세를 인식하여 로봇 제어기로 그 정보를 전달하여야 한다. 물체 인식 을 위하여 영상정보를 사용하였는데 비닐 포장된 물체의 인식률을 높이기 위하여 배면광을 사용하 였다. Fig. 7은 배면광을 이용한 물체 영역 검출 결 과를 보여주고 있다.
두 번째로 인식 과정을 통하여 해당 액세서리 의 위치 및 자세 정보를 전달받으면, 현재 로봇 암의 자세로부터 액세서리의 위치까지 이동하는 경로, 그리고 액세서리의 위치로부터 유닛 박스까 지 이동하는 경로를 구하는 경로계획 기술이 필요 하다. 경로계획은 두 단계로 구분될 수 있는데, 로 봇의 움직임 이전에 사전에 대상 물체의 기준위치 간에 이동할 수 있는 경로를 구하는 오프라인 경 로 계획과 실제 물체 위치의 정보를 인식 시스템 쪽에서 받아서 이에 맞게 경로를 수정하는 온라인 Fig. 6 Overall structure of controller
Fig. 7 Detection of target object using back light
Fig. 8 Flow of overall system operation
Fig. 9 Description of job using robot language
경로 계획으로 나눌 수 있다. 특히 온라인 경로계 획은 작업속도에 영향을 주기 때문에 실시간성이 매우 중요하다고 할 수 있다. 그리고 경로계획을 통하여 산출된 경로점이 구해지면 경로를 보간하 고 경로를 추종할 수 있도록 각 조인트의 구동기 를 제어하는 제어 기술이 요구된다. 본 논문에서 는 경로 계획 시 관절공간에서의 경로가 산출되므 로 각 조인트 단에서 경로를 보간하여 이를 추종 하는 제어가 이루어진다. 전체적인 시스템 제어 알고리즘의 흐름은 Fig. 8과 같고 이를 로봇 언어 로 기술한 파일은 Fig. 9와 같다.
4.2 통합 프레임워크
상기의 다양한 요소 기술을 효율적으로 통합하 기 위해서는EtherCAT8 통신을 통하여 각 축의 모 터 드라이브(EtherCAT 슬레이브 노드)에 명령을 전달할 수 있도록 하는 EtherCAT Master 부를 포함 하여 다양한 알고리즘을 통합할 수 있는 소프트웨 어 프레임워크가 필수적으로 요구된다. 본 논문에 서 제안하는 소프트웨어 프레임워크는 SimLab사에 서 개발한 RealtimeRoboitcs를 근간으로 하여, 실시 간성이 요구되는 EtherCAT 통신부는 실시간 OS인 RTX상에 구현하였고, 제어 알고리즘 연산부는 윈 도 OS상에서 구현하였다. 또한 인지 알고리즘 연 산부 및 사용자 인터페이스부와는 TCP/IP 통신을 통하여 연동하였다. 전체 구조는 Fig. 10과 같다.
5. 휴대폰 포장 공정 구현
본 절에서는 개발로봇을 활용하여 휴대폰 포장 공정 중 유닛 박스 포장 공정을 구현한 결과를 제 시한다. 유닛 박스 포장 공정은 여러 종류의 액세 서리를 유닛 박스에 담고 덮개를 덮는 과정을 포 함한다. 이를 위하여 특정 대상 모델을 선정하고
그 중 작업 대상 액세서리를 선정하였다. 다양한 휴대폰 액세서리 중 크기 및 형태의 다양성을 고 려하여 4종류의 액세서리를 선정하였는데, 배터리, USB케이블, 휴대용 크래들, 이어폰이다. 이 때 작 업 시나리오는 위의 Fig. 11과 같다.
상기 시나리오를 개발 로봇을 활용하여 구현하 였다. 작업대는 컨베이어를 가정하여 제작하였고, 액세서리는 컨베이어의 앞쪽에 배치하였다. 실제 작 업환경과는 차이가 있겠지만, 타당성 검증을 위하여 액세서리를 하나씩 테이블에 올려놓고 양팔을 활용 하여 한 팔이 하나씩의 액세서리를 핸들링하도록 하였다. 전체적인 구현 결과는 Fig. 12와 같다.
SUCTION(0,1) // gripping
DA_CP_LMOV(XYZ0,XYZ2, 0.5) //motion
…
Fig. 10 Overall structure of control framework
Fig. 11 Task sequence of packaging job
Job
Ready
Pick (charging
cradle &
battery)
Place (charging
cradle)
Place (battery)
Pick (USB cable)
Place (USB cable)
Pick (earphone)
Place (earphone)
Fig. 12 Experiments for cellular phone packaging
6. 결론 및 향후 계획
본 논문에서는 휴대폰 포장 작업용 셀 공정 적 용이 가능한 양팔로봇을 제안하였다. 인간과 동일 한 작업공간에서 작업할 수 있는 로봇 개발이라는
최근 연구 경향 및 포장 작업 공정 분석에 근거하 여 사양을 도출하였고 양팔로봇 설계 및 제작을 진행하였다. 또한 실제 휴대폰 포장 작업을 구현 하여 성능을 입증함으로써 개발결과의 타당성을 검증할 수 있었다.
추후 공정 적용 과정에서 발생할 수 있는 문제 점들을 분석하여 개발 로봇의 보완을 수행하고 테 스트 공정이 아닌 실 생산공정과 동일한 공정에 적용하여 그 결과를 제시할 예정이다.
후 기
본 논문은 산업통상자원부가 출연하고 한국산 업기술평가관리원에서 위탁 시행한 산업융합원천 기술개발사업[과제번호:10038660]의 지원으로 수행 되었습니다.
참고문헌
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3. Park, C. and Park, K. “Design and kinematics analysis of the dual arm robot manipulator for precision assembly,” IEEE Int. Conf. on Industrial Informatics, pp. 430-435, 2008.
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IEEE Int. Conf. on Automation Science and Engineering, pp. 1067-1070, 2012.
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www.motoman.com/products/robots/assembly-robots.
php
6. ABB, “Dual-arm concept robot,” http://www.abb.
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7. Rethink Robotics, “Baxter’s Capabilities,” http://
www.rethinkrobotics.com/index.php/products/baxter/
8. EtherCAT Technoogy Group, http://www.ethercat.
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