프랭카, 산업용 로봇과 사람 사이의 벽을 허무는 로봇팔

기존의 어떤 로봇팔 보다 정확한 제어를 할 수 있고, 심지어 이를 통해 자신을 정확히 복제할 수 있는 로봇팔이 나타나면 어떨까요? 협동 로봇팔을 만드는 스타트업 프랑카 에미카에서 2017년 상반기부터 스스로 복제가능한 로봇팔 프랭카의 주문생산을 시작합니다.

Franka 로봇 팔

협동 로봇(collaborative Robot: cobot)이란 인간과 직접적인 상호 작용을 위해 설계된 로봇을 말합니다. 자율적으로 움직이는 로봇들과 달리 사람이 어떤 작업을 성공적으로 수행할 수 있도록 도와주는 역할을 하는 로봇입니다.

이 협동로봇은 로봇 시장에서 가장 빨리 성장하는 분야 중 하나입니다. 시장조사기관 마켓스앤마켓스는 협동 로봇 시장이 2016년 1억 달러(천 억원 규모)에서 5년 안에 33억 달러 규모로 성장할 것이라고 내다보았습니다.

협동 로봇이 인간과 함께 작업을 하는 예-독일의 kuka 사의 IIWA로봇

많은 산업 로봇 회사들이 독자적으로 협동 로봇을 만들기 위해 고군분투하고 있지만, 가장 혁신적인 디자인들은 주로 스타트업에서 만들어지고 있습니다. 대표적인 협동로봇 제조업체 Rethink Robotics에서는 두 개의 로봇 팔을 가진 Baxter나 Sawyer를 선보였고, 유니버셜 로봇은 매년 수천만대의 협동로봇을 판매하며 협동 로봇 시장을 주도하고 있습니다.

향후 5년 협동 로봇 시장의 성장세가 밝아 아직도 협동로봇 시장에 빈자리가 많이 있습니다. 독일 뮌헨에 위치한 스타트업 프랭카 에미카는 독자적인 기술로 이 협동로봇 시장 진출을 바라보고 있습니다.

프랭카 로봇팔

프랭카 에미카의 로봇팔 프랭카는 직접적인 물체 및 신체 접촉 조건에서 작업들을 수행하는 데 특화되어 있습니다. 7축(7개의 관절 축)으로 이루어져 있는 프랭카는 3kg이하의 중량을 옮길 수 있을 뿐 아니라, 80cm의 작업 반경 내에서 0.1mm 이내의 정확도를 가지고 있습니다. 이 덕분에 다른 협동 로봇과 비슷한 구조를 가지고 있지만, 수행할 수 있는 일은 더욱 다양합니다. 단순히 짐을 옮거나 조립을 하는 작업 뿐 아니라, 드릴로 구멍 뚫기, 드라이버로 나사 조이기, 버프 연마(금속 표면 연마) 등과 같은 비교적 세심한 조작이 필요한 작업까지 수행할 수 있습니다.

세밀하고도 복잡한 일련의 작업들을 수행할 수 있게 된 것은 프랭카가 토크 제어(Torque control) 방식을 적용했기 때문입니다. 토크 제어란 모터를 제어하는 방법 중 하나로, 속도를 제어(Velocity control)하는 방식과 달리 모터에 작용하는 토크를 조절하여 로봇의 움직임을 제어하는 방법입니다.

프랭카는 각각의 축에서 작용하는 힘을 스트레인 게이지(비틀림을 통해 작용하는 힘)로 모두 측정하고, 이를 통해 토크 제어를 진행합니다. 이 덕분에 각 축에서 매우 작은 충돌 또한 감지할 수 있도록 설계되었습니다. 다른 산업용 로봇들이 토크 제어를 하지 않아 다소 위험하다는 점을 고려하면, 프랭카의 설계는 사람과 로봇 사이 협업을 더욱 안전하게 진행할 수 있도록 하는 디딤돌이 될 수 있습니다.

Franka 로봇 팔

이러한 토크 제어는 세밀한 로봇의 모델링 혹은 로봇을 설계하는 데 있어서 필수적인 요소입니다. 토크 제어를 위해서는 실제 힘 측정을 해야 하기에, 미미한 영향을 끼칠 것이라 생각되는 요소(축 사이 발생하는 마찰력, 로봇의 움직임을 통해 발생하는 진동 혹은 로봇 축들의 탄성 등)들도 모두 고려해 주어야 합니다. 토크 제어가 실제 힘을 측정하여 실시간으로 피드백을 주어야 하기 때문입니다. 이 때문에 로봇이 수행하는 작업 전반에서 토크 제어 방식이 작용하게 되며, 작업 도중 사람과 충돌이 일어나더라도 사람이 다치는 일이 없도록 만들 수 있게 됩니다.

보통 이러한 토크 제어 방식은 고가의 연구용 모델에서만 가능했으나, 프랭카는 다른 상용화된 협동 로봇보다 훨씬 저렴한 가격으로 그 경쟁력을 유지합니다. 현재 프랭카 에미카의 웹사이트에서는 로봇 본체와 소프트웨어를 각각 9900유로와 400유로로 사전 구매할 수 있습니다.

Rethink Robotics의 Sawyer가 3500만원대(19,000달러)이고, 최다 판매량을 자랑하는 유니버스 로봇 사의 UR5 모델이 4200만원 대(35,000달러)임을 고려하면 1300만원 정도의 프랭카 로봇 팔은 상당히 합리적인 가격인 것을 알 수 있습니다.

Franka 로봇 팔은 산업용 로봇인만큼 여러 대의 로봇을 클라우드로 한번에 손쉽게 조종할 수 있습니다.

프랭카는 복잡한 프로그래밍 없이도 다양한 작업들을 수행할 수 있도록, 블록화된 작업 수행 인터페이스를 만들어 비전문가도 쉽게 이용할 수 있도록 하였습니다. 게다가 클라우드 서비스도 제공해 각자의 수행 작업을 공유하여 다른 프랭카 로봇 팔에 손쉽게 적용할 수도 있습니다.

프랭카로 비트를 가르치고 재생하는 영상

무엇보다 프랭카 에미카 사의 프랭카 로봇팔이 가진 최대 강점은 ‘복제’가 가능하다는 점일 것입니다. 위 동영상에서 볼 수 있듯이 프랭카를 통해 또다른 프랭카를 제작할 수 있습니다. 프랭크 에미카의 Sami Haddadin은 현재까지 프랭카 제작 공정 중 80%는 프랭카를 통해 수행될 수 있다고 합니다. 아직까지 로봇만의 힘으로 로봇을 제작하는 건 무리지만, 100% 자동으로 프랑카를 통해 프랑카를 제작하는 것을 목표로 하고 있다고 합니다.

프랭카로 프랭카 로봇 팔을 만드는 모습

공장에서 흔히 쓰이는 여러 산업용 로봇들이 일상 생활에 사용되지 못하는 가장 큰 이유는 로봇의 안전성이 보장되지 않기 때문입니다. 프랭카 에미카는 토크 제어를 통한 안전성을 통해 이 문제를 해결했습니다. 게다가 토크 제어를 통해 로봇팔이 더욱 정밀한 작업을 할 수 있게 되어, 스스로 복제가 가능하게 되었습니다.

이처럼 최근 많은 로봇 회사들은 토크 제어를 통해 기존 속도 제어를 기반으로 한 로봇보다 더 정밀한 조종이 가능한 로봇을 만들고 있습니다. 플랭카는 아마 토크 제어를 기반으로 한 가장 정밀한 로봇팔로 성장하지 않을까 기대됩니다. 이와 함께 점점 더 많은 로봇 스타트업들이 협동 로봇팔 제어에 뛰어들고 있어 완전한 공장의 자동화도 얼마남지 않은 것 같습니다.

 

참고기사

Franka: A Robot Arm That’s Safe, Low Cost, and Can Replicate Itself
Franka Emika 홈페이지

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