협동 로봇의 통합 관절 모터 제어에 관한 연구

1.1 연구 배경

과학 기술의 급속한 발전과 함께,지능형 기능스마트 제조 기술은 지속적으로 발전하여 산업 발전의 주요 트렌드로 자리 잡고 있습니다. 예를 들어, 중국 정보산업부가 발표한 자료에 따르면 국내 스마트 제조 산업은 2023년에 11.6%라는 놀라운 성장률을 기록했는데, 이는 이 분야에 대한 국가의 지속적인 노력과 기술 혁신을 보여주는 증거입니다. 또한, 스마트 제조 기업들의 혁신 건수는 첨단 장비 제조, 고급 소재, 환경 기술 등 다양한 분야에 걸쳐 크게 증가하여 산업의 활력과 심오한 변화를 반영하고 있습니다. 이러한 추세는 전통적인 제조 생산 방식을 혁신했을 뿐만 아니라 산업 고도화를 가속화하여 효율성과 품질을 모두 향상시켰습니다. 자동화된 생산 라인과 산업용 로봇이 점차 인간의 노동력을 대체하고 있습니다.

발전과 함께지능형 제조 시대산업용 로봇의 고도로 자동화되고 지능적인 기술적 특징은 제조 산업에서 요구되는 높은 정밀도, 간편한 조작, 그리고 생산 공정의 유연성에 완벽하게 부합합니다. 이러한 특성으로 인해 산업용 로봇은 제조 분야에서 중요한 위치를 차지하게 되었으며, 산업 혁신과 업그레이드를 이끄는 핵심 동력으로 자리매김했습니다. 기계 대 기계 협업은 물론 인간 대 로봇 협업까지 가능한 산업용 로봇인 협동 로봇은 자율적인 동작과 협업 능력 덕분에 로봇 연구의 핵심 주제로 떠올랐으며, 미래 산업용 로봇 산업에서 주도적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 협동 로봇 기술에서 서보 모터의 성능 지표(토크 응답 속도, 토크 정확도, 위치 정밀도, 전력 소비, 온도 안정성 등)는 로봇의 동작 효율성, 안정성, 그리고 정확도를 직접적으로 좌우합니다. 로봇의 핵심 동력원인 서보 시스템의 성능은 동작 정밀도와 신뢰성에 매우 중요한 영향을 미칩니다. 특히, 관절 서보 모터는 위치 정밀도를 확보하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 우수한 관절 서보 모터는 복잡한 작업 중에도 정밀한 위치 지정과 안정적인 동작을 보장하여 작업 효율성을 높이고 오류를 최소화합니다.

제14차 로봇 산업 발전 5개년 계획은 지능형 통합 로봇 관절 연구 발전을 강조하며, 이러한 관절은 특히 협동 로봇에 적합합니다. 고도로 통합된 설계 개념을 통해 액추에이터, 센서 및 드라이버를 관절 자체에 직접 통합하여 각 관절을 독립적인 제어 장치로 만듭니다. 내부 구조 및 레이아웃을 최적화함으로써 분산 제어 아키텍처는 시스템 레벨 간 케이블 수를 크게 줄여 유지 보수 비용을 절감하고 전반적인 신뢰성을 향상시킵니다. 또한 모듈식 설계는 관절 교체 및 유지 보수를 용이하게 하여 협동 로봇의 시장 경쟁력을 크게 높입니다.

그만큼협업 로봇의 개념1996년에 처음 도입된 협업 로봇은 생산 라인에서 로봇과 인간 간의 협업 작업을 가능하게 함으로써 기존 로봇 공학에 혁명을 일으켰습니다. 이러한 협업 방식은 로봇의 효율성과 정밀성을 활용할 뿐만 아니라 인간의 지능과 유연성을 통합하여 작업 효율성과 유동성을 향상시킵니다. 기존 산업용 로봇과 비교했을 때, 협업 로봇은 뚜렷한 특징을 보이며 로봇 공학 분야에서 중요한 하위 범주로 자리매김했습니다. 물리적 구조와 제어 시스템 모두 상당한 변화를 거쳤습니다. 그림 1에 나타난 로봇 팔 구성과 같은 기존 산업용 로봇은 주로 팔레타이징, 자재 운반, 용접 및 레이저 절단 작업에 사용됩니다. 이러한 로봇은 높은 강성, 구조적 안정성 및 강력한 하중 지지력을 특징으로 하지만, 상대적으로 큰 크기와 질량, 상당한 관성, 유연성이 부족한 부피가 큰 설계, 그리고 고도의 민첩성을 요하는 조립 작업 수행의 어려움과 같은 한계도 가지고 있습니다. 또한, 상당한 관성 모멘텀과 고속 움직임은 작업 반경 내 작업자에게 상당한 안전 위험을 초래하므로 밀폐된 공간에서만 작동해야 합니다.

그림 1. 기존 산업용 로봇 팔과 협동 로봇

협동 로봇은 인간과 공유 공간에서 동시에 작업할 수 있도록 하며, 협업 영역 내에서 근거리 상호작용을 용이하게 합니다. 기존 로봇 팔과 비교했을 때, 협동 로봇은 일반적으로 말단 작용기에서 최대 20kg의 하중을 견딜 수 있으며, 작업 범위는 인간 팔의 도달 거리와 유사합니다. 복잡한 전달 메커니즘을 필요로 하는 기존 산업용 로봇 팔에 비해 구조가 단순하면서도, 민감한 힘 피드백, 경량의 유연성, 그리고 뛰어난 인지 능력을 제공합니다. 이러한 특징 덕분에 인간과의 상호작용 중 힘을 동적으로 조절하여 과도한 힘을 가해 손상을 효과적으로 방지할 수 있습니다. 결과적으로, 협동 로봇은 기존의 안전 장벽 없이도 인간과 안전하게 협력하여 작업을 완료할 수 있습니다.

협동 로봇은 인간과 직접 접촉하는 작업을 수행하므로 안전은 인간-로봇 협업에서 필수적인 요구 사항입니다. 작업자의 부상을 방지하기 위해서는 전류 제어, 토크 제어, 접촉 센서, 충돌 감지 등의 기술적 조치를 통해 작동 출력과 회전 토크를 엄격하게 제어하는 ​​것이 필수적입니다. 로봇의 지능형 구동 제어 시스템 또한 안전 관리를 위해 더욱 최적화되어야 하며, 동적 계산 및 관측기 기반 모델링을 통해 적응형의 원활한 제어가 가능해야 합니다.

최근 국제로봇연맹(IFR)의 연구에 따르면, 미래 로봇 개발은 주로 단순성, 사용 편의성, 유연성, 그리고 안전한 협업이라는 방향으로 나아갈 것으로 예상됩니다. 산업용 로봇은 점차 높은 수준의 자동화와 지능화를 달성할 것이며, 사용자 친화적인 설계는 운영 장벽을 낮춰 더 많은 기업이 로봇 기술을 손쉽게 활용하여 생산 효율성을 향상시킬 수 있도록 할 것입니다. 또한, 유연성과 안전한 협업 기능을 갖춘 설계는 로봇이 다양하고 복잡한 생산 환경에 더욱 잘 적응할 수 있도록 하여 인간과 로봇의 협업을 촉진하고 산업 생산의 지능적이고 효율적인 발전을 더욱 가속화할 것입니다.

그림 2: 협동 로봇의 작업 영역

1.2 연구의 중요성

현재 협동 로봇 시장에서는 광범위한 작동 범위와 유연성 덕분에 7자유도 로봇이 선호됩니다. 이러한 로봇은 중복된 자유도를 제공하여 산업 자동화 및 스마트 제조에 더 큰 잠재력을 제공합니다. 각 자유도는 로봇 관절을 통해 구현되며, 이는 로봇 성능을 결정하는 중요한 요소입니다. FANUC, ABB, Yaskawa, KUKA 등 주요 4대 제조업체는 기존 산업용 로봇 팔에 각기 다른 동력 전달 시스템을 사용하지만, 기본적으로 서보 모터와 베벨 기어, 스퍼 기어 또는 동기 벨트를 조합하여 관절에 회전 동력을 전달하는 방식을 채택하고 있습니다. 이러한 동력 전달 방식은 로봇 관절의 크기를 제한합니다. 높은 정밀도를 달성하는 것은 가능하지만, 소형화는 여전히 어려운 과제입니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 기존 산업용 로봇은 모터 서보 드라이브를 수용하는 외부 제어 캐비닛이 필요하며, 각 모터와 캐비닛을 연결하는 수많은 배선으로 인해 제어 시스템의 유연한 배치가 제한됩니다.

그림 3. 전통적인 산업용 로봇 및 제어 캐비닛

산업용 로봇 팔의 기존 관절 구조가 협동 로봇의 요구 사항을 더 이상 충족할 수 없게 됨에 따라, 이러한 관절들은 기존의 동력 전달 메커니즘을 버리고 새로운 설계 철학을 채택하게 되었습니다. 이 접근 방식은 컨트롤러, 서보 드라이버 및 모터를 관절 자체에 통합하고 기본 전기 연결도 내부에 구현함으로써 경량화, 저전압화 및 고집적 시스템을 구현하는 데 중점을 둡니다. 외부로 노출되는 제어 인터페이스는 최소화되어 외부 배선이 간소화되고 설계 복잡성이 감소합니다. 이러한 설계를 통합 관절이라고 합니다.

현재 협동 로봇 관절 개발 요구 사항 및 추세를 고려할 때, 경량, 저전압, 고집적, 고성능 통합 협동 로봇 관절을 설계하는 것이 특히 중요합니다. 이러한 통합 관절은 액추에이터, 컨트롤러, 드라이버, 센서 등 관절 움직임에 필요한 모든 필수 구성 요소를 통합하고 독립적인 모듈로 작동할 수 있습니다. 간단한 전원 및 제어 버스를 통해 메인 컨트롤러 또는 다른 모듈에 연결하면, 이러한 고집적이면서도 저결합 설계는 협동 로봇의 확장성을 크게 향상시킵니다. 이러한 통합 모듈형 관절을 적절한 크기의 로봇 팔 및 엔드 이펙터와 결합함으로써 다양한 요구 사항에 맞춘 협동 로봇을 손쉽게 조립할 수 있습니다.

그림 4. 모듈형 연결부의 개략도

협동 로봇용 통합 관절 및 서보 제어 시스템에 대한 연구는 협동 로봇 기술 발전에 매우 중요한 의미를 지닙니다. 이러한 통합 관절의 핵심 기술은 저음 감속기와 관절 모터 구동 제어 시스템, 그리고 이에 상응하는 제어 알고리즘이라는 두 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd.는 협동 로봇용 관절 모터 구동 제어 시스템 연구에 집중하여 관절 모터 구동 및 제어 메커니즘에 대한 심층적인 연구를 진행하고 있습니다. 당사는 자율성, 지능형 의사 결정, 정교한 동작 수행, 정밀 제어와 같은 핵심 기능을 통합하여 협동 로봇 관절의 유연하고 안정적인 제어를 가능하게 하는 고지능형 통합 로봇 관절 모터 제품 시리즈를 개발하고 있으며, 이를 통해 스마트 장비 개발의 요구를 충족하고 있습니다.

2. 국내외 연구 현황

1956년, 미국의 물리학자 조 엥겔버거와 발명가 조지 데볼은 유니메이션이라는 로봇 회사를 설립했고, 이 회사는 1959년에 세계 최초의 산업용 로봇인 유니메이트를 개발하는 데 성공했습니다.

제너럴 모터스(GM)는 1961년 뉴저지 공장에 최초로 산업 생산에 로봇을 도입했습니다. 1969년에는 일본 유니메이션(Unimation)에서 로봇을 도입했고, 이후 가와사키 중공업(Kawasaki Heavy Industries)과 영국 쿠카이(KUKAI Corporation)에 각각 로봇 제조 기술을 라이선스하여 일본과 영국에서 로봇 생산에 활용했습니다. 일본 자동차 산업의 발전과 함께 생산 현장에서 로봇이 인간 노동력을 대체하는 사례가 늘어나면서 로봇의 실용성이 입증되었습니다. 이에 따라 일본은 산업용 로봇 개발에 더욱 집중해 왔습니다. 로봇 기술 도입의 선구자인 가와사키 중공업을 시작으로, 파낙(FANUC), 야스카와(Yaskawa)와 같은 세계적인 로봇 기업들이 등장하면서 일본은 세계 최고 수준의 로봇 기술을 보유한 국가 중 하나로 자리매김했습니다.

1973년, 독일 회사 쿠카(KUKA)는 유니메이트(Unimate) 로봇을 개량하여 전기 모터로 구동되는 최초의 6자유도 로봇인 파물루스(Famulus)를 개발했습니다. 1974년, 스웨덴의 종합 전기 회사인 ASEA(ABB의 전신)는 마이크로프로세서로 제어되는 세계 최초의 완전 전기 로봇인 IRB 6를 개발하여 로봇 지능을 획기적으로 향상시켰습니다. 1978년, 미국의 유니메이션(Unimation)사는 제너럴 모터스(GM)의 조립 라인에 자사의 푸마(PUMA) 산업용 로봇을 광범위하게 배치하여 산업용 로봇의 실용성과 가치를 더욱 입증하고 산업용 로봇 기술의 완전한 성숙을 이루었으며, 이후 기술 발전을 위한 견고한 토대를 마련했습니다.

40년이 넘는 산업용 로봇 개발 역사 동안 기술은 끊임없이 발전해 왔습니다. 그러나 안전상의 이유로 로봇은 일반적으로 특정 작업대에 고정되어 안전 난간으로 격리되어 인간과 같은 공간에서 나란히 작업하는 것이 어려웠습니다. 이러한 전통적인 구성은 인간과 로봇의 협업을 제한하여 진정으로 효율적인 공동 작업을 달성하기 어렵게 만듭니다. 수많은 시도와 연구에도 불구하고 안전한 인간-로봇 협업을 실현하는 것은 산업용 로봇 분야에서 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다.

협업 로봇이라는 개념이 본격적으로 도입된 것은 2005년이 되어서였습니다. 유럽연합(EU)의 지원을 받은 주요 프로젝트에서 ABB, KUKA, Reis, Comau, Gudel 등 유수의 산업용 로봇 기업들이 참여하여 중소기업을 위해 특별히 설계된 저렴하고 소형이며 유연한 로봇을 공동 개발했습니다. 이 프로젝트는 노동력 아웃소싱에 대한 의존도를 줄이는 것을 목표로 했으며, 인간과 로봇의 협업 가능성을 명확히 보여주면서 협업 로봇이라는 개념의 토대를 마련했습니다.

초창기 협동 로봇은 기존 산업용 로봇을 변형하거나 응용한 것에 불과했으며, 설계 철학이나 작동 방식은 근본적으로 바뀌지 않았습니다. 2005년 설립된 유니버설 로봇(Universal Robots)은 인간 작업자와 안전하게 함께 작업할 수 있는 협동 로봇 개발에 전념해 왔습니다. 2009년, 유니버설 로봇은 세계 최초의 협동 로봇인 UR5를 출시하며 협동 로봇 시대의 서막을 열었습니다. 이후 리싱크(Rethink)는 양팔 로봇인 박스터(Baxter)와 새로운 단팔 로봇인 소이어(Sawyer)를 선보이며 협동 로봇을 산업용 로봇 분야에서 인정받는 기술로 자리매김하게 했습니다. 이러한 발전은 미래 산업 자동화 및 지능형 기술 개발에 새로운 통찰력과 방향을 제시하고 있습니다.

그림 5: UR5 로봇과 소이어 백스터 로봇

중국과학원 선양자동화연구소 산하 시아순 로봇회사는 2015년 11월 산업박람회에서 중국의 첨단 기술 수준을 대표하는 7축 유연 협동 로봇을 최초로 선보였습니다. 이후 루오시(Luoshi)와 아오보(Aobo) 등 여러 국산 협동 로봇 모델들이 점차 인정을 받아왔습니다.

로봇 관절과 관련하여 협동 로봇 관절과 기존의 중장비 산업용 로봇 관절의 가장 큰 차이점은 "유연성"에 있습니다. 이러한 유연성은 낮은 기계적 강성, 감소된 관성, 그리고 토크 감지 능력으로 나타납니다. 현재 협동 로봇 팔에 사용되는 관절 유연성은 주로 정밀한 위치 제어와 토크 제어에서 비롯됩니다.

그림 6. 협동 로봇의 통합 관절의 일반적인 구조

최근 연구 동향을 살펴보면 중국의 로봇 개발은 미국이나 일본과 같은 국가들에 비해 늦게 시작되었음을 알 수 있습니다. 협동 로봇 연구는 여전히 국제적인 수준에 비해 크게 뒤처져 있으며, 주요 병목 현상은 저감 장치와 관절 모터 구동 제어 시스템에 있습니다. 국내 협동 로봇은 특히 제어 정밀도와 지능형 제어 측면에서 관절 제어 능력 향상에 상당한 여지가 있습니다. 더욱이, 세계 로봇 연구 동향은 안전성, 유연성, 그리고 지능이 기술 발전의 주요 특징으로 부상하고 있음을 보여줍니다. 로봇 관절은 고도로 통합된 구동 제어 시스템과 향상된 지능을 향해 진화하고 있습니다. 협동 로봇 관절은 기존의 중앙 집중식 제어에서 분산형 구동 제어 아키텍처로 전환되었지만, 현재는 모터 구동 동작만 수행할 뿐 자율적인 인지, 지능적인 의사 결정, 정교한 동작 수행 능력이 부족하여 상대적으로 낮은 수준의 지능을 보이고 있습니다. 지능형 로봇 시스템에 대한 수요는 앞으로도 크게 증가할 잠재력을 가지고 있습니다.