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중소기업 기술로드맵 조회결과

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인간 친화형 협동로봇
* 발행 년도 : 2017년
1. 기술로드맵

인간 친화형 협동로봇 기술로드맵

2. 개요
가. 정의 및 범위
  • 정의 : 인간 친화형 협동로봇이란 인간과 작업 공간을 공유하면서 인간과의 직접적인 상호작용을 위해 설계된 로봇으로, 안전하고 사용하기 쉬우며 유연하고 이동 설치가 용이하며 저가의 경량 플랫폼을 갖추고 인간이 어떤 작업을 성공적으로 수행할 수 있도록 도와주는 로봇을 의미
  • 범위 : 인간 친화형 협동로봇 기술은 기구 모듈 기술, 제어 기술, 인터페이스 기술, 작업 지능 기술, 안전 기술, 응용 및 평가 기술 등을 포함
나. 주요 제품

[ 제품분류 관점 기술범위 ]

제품분류 관점 기술범위
기술개발 테마제품분류 관점세부기술
인간 친화형 협동로봇 기구 모듈
  • 안전한 다자유도 경량 로봇 기구부 기술
  • 모터, 감속기, 센서, 브레이크 일체 저동력 액추에이터 모듈 기술
제어
  • 피드백 제어, 적응 제어, 유연 개방형 로봇 제어기 기술
  • 중력 보상, 역방향 기구학, 시뮬레이션 제어 기술
인터페이스
  • 사용자 친화형 교시 장치, 멀티모달 스마트 인터페이스 기술
  • 모션 학습 제어, 신속 설치 및 캘리브레이션 기술
작업 지능
  • 비전 시스템, 환경 정보 인식 및 물체 인식 지능 기술
  • 모델 변경에 대응 가능한 유연 작업 기술
안전
  • 인간-로봇 간 근접거리 모니터링, 작업 공간 감지 기술
  • 충돌 감지 및 충격량 최소화, 협동로봇 안전요구조건 적용 기술
응용 및 평가
  • 빈피킹, 비주얼 서보잉, 공정 적용 및 평가 기술
  • 인간 로봇 협동 작업 상황 위험도 평가 및 안전성 검증 기술

[ 공급망 관점 기술범위 ]

공급망 관점 기술범위
기술개발 테마공급망 관점세부기술
인간 친화형 협동로봇 부품 및 모듈
  • 유압 구동기, 공압 구동기, AC 서보 모터, DC 서보 모터
  • 하모닉 드라이브, RV 감속기, 유성기어, 볼스크류, 벨트, 케이블
  • 모터 제어기, 로봇 제어기, 통신 모듈, 카메라 모듈, 힘/토크 센서
  • 교시 장치(티칭 팬던트), 조이스틱, 스마트 디바이스 등
플랫폼
  • 6축/7축 수직다관절 로봇, 스카라(수평다관절) 로봇
  • 단팔/양팔 로봇, 페이로드별(5kg이하/10kg이하/10kg이상) 로봇
엔드이펙터
  • 공압식/전기식 그리퍼, 툴체인저, 클램프, 석션 컵
  • 너트런너, 용접 토치, 스프레이 건, 드릴 커터, 로봇 핸드 등
응용 서비스
  • 안전 시스템, 비전 시스템, 캘리브레이션, 지능 소프트웨어
  • 픽앤플레이스, 핸들링, 포장, 팔레트 적재, 조립
  • CNC, 머신 텐딩, 사출 성형, 접착 및 용접, 품질 검사 등
3. 시장현황 및 전망분석
가. 세계시장

제조업의 공정 자동화와 스마트 팩토리 확산과 함께 제조용 로봇의 수요는 지속적으로 확대될 것으로 전망되며, 기존 산업용 로봇 도입이 어려웠던 셀 공정이나 중소규모 수작업 라인에 적용 가능한 인간 친화형 협동로봇의 수요는 폭발적으로 증가할 것으로 예측

(단위: 백만달러,%)

로봇 분야의 세계 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
세계시장 176.7 286.4 449.5 705.5 1,072.2 1,737.7 58.0

* 출처 : Collaborative Robots Market by Payload Capacity, Industry, Application, and Geography ­ Global Forecast to 2023(Marketsandmarkets, 2017)

나. 국내시장

국내 인간 친화형 협동로봇 시장규모는 2016년 기준 102.3억 원으로 추산되며, 연평균 성장률은 66.2%로 국내 시장의 고성장을 유지하여 2021년에는 1,206.8억 원 규모의 시장으로 성장할 것으로 예상

(단위: 억원,%)

인간 친화형 협동로봇 분야의 국내 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
국내시장 102.3 157.5 286.0 421.9 726.0 1206.8 66.2

* 출처 : Collaborative Robots Market - Global Forecast to 2022(MarketsandMarkets, 2016)

4.기술분석
가. 기술개발트렌드

연구 개발 동향

  • 안전한 인간 로봇 협동 작업 지원
  • 직관적인 교시 지원을 통한 쉬운 사용
  • 신기술과의 융합과 스마트제조 지원

인간 로봇 협동 작업 지원을 위한 안전 기술

  • 인간 친화형 협동로봇이 사람과 작업 영역을 공유하는 이상 접촉이나 충돌 등의 위험은 항상 있으므로 이를 충분히 고려하여 독자적인 안전 설계를 기반한 로봇 개발
  • Universal Robots은 인간과 안전하게 협력할 수 있는 양산 로봇으로는 최초로 인간 친화형 협동로봇을 출시하고 폭스바겐과 닛산 등의 생산라인에 투입
  • 협동로봇의 가반하중을 한정하는 이유는 대상물이 무거운 작업일수록 사람과 부딪혔을 때 위험성이 높아지기 때문으로 모터 출력이 크면 충돌시 발생하는 작은 힘을 검출하기 어려움
    · YASKAWA는 독자적인 분해능이 우수한 힘센서를 개발하여 가반하중 35kg의 협동로봇 CR-35iA를 제품화
  • 다수의 협동로봇이 사람과의 접촉 감지에 힘센서를 사용하고 있는데, Seiko Epson은 수정압전 방식의 힘센서를 개발함
    · 수정압전 방식은 기존의 정전용량식이나 Strain Gauge와 비교하여 강성이 높기 때문에 미세한 디바이스의 변형을 토대로 0.1N의 작은 힘을 검출할 수 있음
  • Liferobotics는 로봇에서 팔꿈치에 해당하는 부분을 제거하여 작업자가 로봇의 움직임을 예측하기 쉽도록 함
    · 로봇의 팔 시작부분과 지주 사이에 있는 신축부를 주름상자처럼 만들어 팔을 앞으로 뻗거나 뒤로 당기기 용이한 구조로 만들어 안전성을 향상

쉽고 편리한 사용을 위한 직관적인 교시 기술

  • 시스템 통합 업체에서 시스템을 구축하더라도 사용자가 간단히 티칭하거나 변경해야 하는 경우가 많으므로 대부분의 협동로봇이 암을 직접 움직여 동작 포인트를 지정하는 직접 교시 기능을 지원
  • Universal Robots은 누구나 사용할 수 있는 로봇을 컨셉으로 시스템 통합 업체에 의존하는 것이 아니라 사용자 스스로 티칭할 수 있다는 모토로 편리한 인터페이스 제공
  • FANUC은 핸드 가이드에서 직접 조작하거나 직접 티칭할 수 있는 엔드 이펙터 조이스틱 타입의 장치를 제공하여 빠른 시간 내에 셋업이 가능하도록 지원
  • ABB의 IRB 14100 협동로봇도 직관적인 운용과 직관적인 교시를 위해 손목 부분에 장착된 티칭 장치를 이용하여 임의의 위치로 가이드함으로써 프로그램을 완료할 수 있도록 인테페이스 지원
  • 대부분의 협동로봇 제조사들은 일반적인 작업자도 쉽고 편리하게 로봇을 티칭할 수 있도록 하는 교시 장치나 비프로그래밍 티칭 인터페이스 제공

신기술의 융합과 스마트 제조 지원

  • 머신러닝, 딥러닝 등 인공지능 기술의 도입, 가상현실 및 증강현실을 통한 원격 로봇 제어와 제조 공정 트레이닝, 빅데이터 및 산업용 사물인터넷 적용으로 스마트 제조 지원 경향 나타남
  • DENSO WAVE는 가상현실 기술과 딥러닝 기술을 기반으로 VR HMD와 모션센서장치를 가진 사용자의 조정에 의해 양팔 멀티모달 AI 로봇을 제어할 수 있는 기술 시연
  • ABB는 RoboStudio + Virtual Reality 컨셉으로 가상현실을 이용한 자동화 방안을 제시
    · VR HMD를 착용하고 가상의 환경에서 신발 제작 시연
  • 3D 비전을 이용한 빈피킹, 비주얼 서보 카메라를 이용한 고속 트래킹, 2D 비전과 인공지능 기술을 이용한 물체 인식 및 파지 동작의 티칭리스화 등 다양한 신기술을 협동로봇에 적용 시도

사람과 유사한 양팔 로봇으로 접근

  • 일부 로봇 제조사는 사람과 유사한 동작을 목표로 2개의 암을 가진 양팔 협동로봇을 개발
    · 양팔형은 단팔형에 비해 팔이 차지하는 설치 면적이 작아도 되므로 활용방법에 따라서 공간 절약이 가능
  • ABB는 양팔 협동로봇 IRB 14000 YuMi를 출시
    · YuMi는 비전시스템, 그리퍼, 터치 반응 기술을 채택한 양팔 로봇으로 유연하고 민첩한 작업 환경을 요구하는 애플리케이션에 적합
  • Rethink Robotics는 SEA 구동기를 기반으로 제작한 양팔형 협동로봇 Baxter를 출시
    · 별도의 프로그래밍 작업이나 통합 작업 없이도 사용가능하도록 제공
  • KAWADA는 휴머노이드형 양팔로봇 NEXTAGE의 보급을 위해 GLORY, THK, HITACHI 등의 업체와 제휴해 다양한 제조 현장에 적용하기 위한 협력 강화

산업 현장 적용에서의 유연성 확대

  • 인간 친화형 협동로봇은 다품종 소량생산에 대한 대응이나 작업내용의 변경 또는 활용방법이 변해도 적용할 수 있다는 장점을 가지며, 향후 보다 높은 유연성과 확장성 요구에 대응 필요
  • Rethink Robotics의 Sawyer는 제어 소프트웨어를 업데이트함으로써 로봇의 기능을 수시로 확충하고 있음
    · 2017년 3월에는 암 말단부 카메라로 작업의 방향을 인식하여 피킹하는 기능이나 로봇의 동작에 관한 데이터를 실시간으로 출력하는 기능 등을 추가함
  • Kawasaki Heavy Industries와 duAro와 ABB의 YuMi 두 협동로봇의 협업 적용 등을 통해, 다양한 공정 적용 사례 연구와 협동로봇의 안전 문제에 대한 협력 강화
5.핵심요소기술 선정

[ 인간 친화형 협동로봇의 핵심요소기술 ]

분류핵심요소기술개요
  기구   다자유도 로봇 기구 기술 다축 관절에 의한 자유도 증가를 통한 좁은 공간에서 작업 가능 및 넓은 작업 반경 확보 기술
  경량 로봇 기구 기술 강하고 가벼운 소재와 외부 충격량 감소 설계, 로봇 기구의 포터블 기능 및 안전성 향상 기술
    제어   유연 개방형 로봇 제어기기 기술 모션 제어 기능과 티칭 팬던트 기능을 내재한 스케일러블 제어기와 유연 구조 이식성을 가지는 개방형 소프트웨어 기술
사용자 친화적 교시 인터페이스 쉽고 직관적인 사용자 친화형 교시 장치 기술 및 멀티모달 휴먼 인터페이스 기술
    안전   작업 안전 공간 감지 기술 인간과 로봇 간의 근접 거리 모니터링 및 작업 공간 분류에 따른 로봇 구동 제어 기술
충돌 감지 및 충격량 최소화 기술 접촉 또는 비접촉 충돌 감지 및 대응, 충격력 예측 및 최소화 알고리즘 기술
  협동로봇 안전요구조건 적용 국제 표준(ISO 10218-1, ISO/TS 15066, ISO 13849-1 PLd)을 충족하는 안전 협동로봇 개발