진보되는 로봇 컨트롤러 기술… 그 진화의 끝은?

로봇의 두뇌 역할을 하는 로봇 컨트롤러는 모터를 제어한다는 개념에서 일반 모션 컨트롤러와 같지만, 극한의 환경에서 로봇이 정해진 절차대로 작업을 수행하기 위한 고도의 제어 기술이 동반된다는 점에서 많은 차이가 있다. 이러한 로봇 컨트롤러는 최근 로봇의 고급화 및 지능화로 더욱 진보된 제어 기술을 선보이며 로봇산업 발전의 또 다른 가능성을 심어주고 있다. 본지에서는 로봇 컨트롤러를 이해하고 제어 기술의 변화를 살펴봄으로써 미래 로봇산업의 경쟁력을 살펴보도록 한다.

 

 

로봇 컨트롤러의 이해

 

로봇 제어, 일반 모션 제어와 다르다?

 

일반 모션 제어와 로봇 제어는 대상 및 기능, 범위에 따라 차이가 있다.
모션 제어는 특정 작업 공정을 자동화하기 위한 장비의 구동 요소인 서보모터 또는 스텝모터의 모션, 즉 개별 축에 대한 위치, 속도, 토크를 제어하고, 다축간 보간(Interpolation) 제어 시에는 각 축의 피드백 위치를 상호 참고하여 스트로크의 간격에 따른 보정 정도만 이루어진다.
로봇 제어는 다양한 용도의 단위 작업을 자동화하기 위해 기구학적 구조 및 제어 축 수가 정해진 로봇 기구부(수직관절형, 직교좌표형, 스카라형, 델타형 등)의 운동, 시퀀스 및 모니터링 등의 기능을 사용자가 작성한 프로그램에 따라 제어하는 것으로, 로봇의 위치, 속도, 토크는 기본이고 비전 등 상대적으로 복잡한 제어기술이 더해진다.
더 나아가 로봇 제어는 인간과 로봇이 협업을 진행하는 환경에서 발생 가능한 안전(Safety) 문제 및 로봇의 작업 효율 증대를 위한 제어 기술이 포함된다. 예를 들어 양팔 조립 로봇을 제어하기 위해 다축 간 이벤트 동기 제어(Sync Control), 로봇 동작 중 축간 인터락 조건 체크, 제어 불능 시 안전하게 해당 로봇의 작업 중지, 로봇과 인간의 협업 시 작업자의 작업 공정 절차 누락에 대한 인지 가능한 기술 등으로, 제어 범위가 넓다.
또한 로봇 제어는 극한의 환경이나 특수 조건에서 로봇이 정해진 절차대로 작업을 수행하기 위한, 다양한 환경이 고려된 제어 기술도 동반되어야 한다.

 

 

로봇 컨트롤러의 구성 알기

 

로봇 컨트롤러는 다양한 작업 시 사용자가 유연하게 프로그램 할 수 있는 기능과 로봇 기구부의 운동, 시퀀스 및 모니터링 등 로봇을 이용한 작업 자동화의 전반적인 기능을 시스템으로 제공하는 것이 특징이라 할 수 있다. 
로봇 컨트롤러는 크게 모션 컨트롤러와 서보 드라이브로 나뉘며, 모션 컨트롤러는 메인 CPU를 통하여 로봇의 관절보간, 직선보간, 원호보간 등의 다양한 기능 및 원하는 목적의 작업을 수행하고 로봇 언어 해석기(Robot Language Interpreter), 관절각과 엔드이펙터 간의 위치 및 방향 변환을 위한 Forward/Inverse Kinematics, 로봇의 경로계획 발생을 위한 Trajectory Planning 등의 역할을 담당한다. 서보 드라이브는 모션 컨트롤러 등과 같은 상위 제어기로부터 지령을 받아 파워변환을 통하여 각 관절 서보 모터의 위치, 속도, 토크를 제어한다.

 

 

로봇 형태 및 용도에 따라 제어 방법이나 구조 달라

 

로봇 컨트롤러는 기본적으로 원점복귀, P2P(Point to Point), 상태 모니터링을 통한 제어 기술 등이 요구되며, 로봇 기구부의 구조에 따라서 기구학 부분이 다르게 처리된다.
예를 들어 직교좌표 로봇은 보통 2~3축으로 구성되며 작업 대상의 중량 등을 고려해 갠트리축 형태로 구성될 수 있어 다축간 직선보간(Linear Interpolation), 주행축(X)과 수직축(Z)의 연동작업을 포함한 간단한 픽앤플레이스(Pick & Place) 기술 등이 요구된다.
핸들러 또는 SMT 로봇은 헤드 및 핸들링 대상 셀의 개수에 따라 Z축이 상대적으로 많이 구성되며, 고속 핸들링 또는 SMT 작업을 위한 다축간 직선보간, 이송 중 변속 및 목표좌표 수정, Z축 Picking 작업 시(또는 고속 Press 작업 시) 목표지점 가까이에서 완충효과를 위한 Soft Landing 기법 등이 사용되어진다.
디스펜싱 로봇은 다양한 형태의 디스펜싱 또는 압착기에는 핸들러 로봇과 마찬가지로 다축간 직선보간 및 속도/위치 오버라이드 기술이 들어가며 추가적으로 자유 곡선 처리를 위한 PT(Position-Time)모션 등이 요구된다.
또한 로봇 컨트롤러는 로봇이 사용되는 용도(이송용, 조립용, 핸들링용, 팔레타이징용, 아크용접용, 스폿용접용 등)에 따라 프로그램 및 조작의 편의성을 위한 교시조작반과 프로그램 방식이 다르며, 로봇이 사용되는 환경에 따라서도 하드웨어적인 구조적 차이를 가져야 한다. 예를 들어 도장 작업 같이 가스에 의한 폭발 위험성이 존재하는 경우에는 방폭형 구조로 설계될 필요가 있고, 수분이 많이 존재하는 경우에는 방수 기능, 상온이 아닌 고온에서 사용해야 하는 경우는 방열 및 내열형 구조, 분진이 많은 경우에는 방진형 구조, 전기적인 노이즈가 많이 존재하는 경우는 내노이즈성 기능 등 구조적으로 달리 해야 한다.

 

 

로봇 메이커 전용 컨트롤러 & 범용성 가진 로봇 컨트롤러

 

로봇 메이커들은 자사의 로봇 전용으로 로봇 컨트롤러를 개발, 로봇과 하나의 시스템으로 구성해 공급하고 있다. 따라서 사용자는 로봇 컨트롤러의 하드웨어와 소프트웨어 부분에 대해서는 따로 신경 쓸 필요가 없고, 로봇 제어에 대한 특별한 전문 지식이 없어도 로봇을 쉽게 구동시킬 수 있다.
로봇 전용 컨트롤러는 로봇 몸체에 최적화되어 있어 신뢰성이 높으며 일반 컨트롤러가 대응할 수 없는 로봇 관련 퍼포먼스들이 많이 적용되어 있어 로봇 메이커들은 이러한 장점들을 고객들에게 부각시키고 있다.
한편 일반 모션 컨트롤러 기업에서도 로봇 컨트롤러를 개발해 전문성을 바탕으로 한 제어 기술로 틈새시장을 노리고 있다. 특히 이들은 사용자 개발 환경의 최적화를 위한 다양한 예제소스 및 솔루션을 제공하고 있으며, 로봇 컨트롤러의 성능을 높이기 위하여 주기적으로 제품을 업그레이드하는 등 제품 내구성 및 안정성을 높이기 위한 다양한 기술 확보에 각별히 신경 쓰고 있다.
이러한 범용성을 가진 로봇 컨트롤러는 반도체/LED 공정에 사용되는 WTR(Wafer Transfer Robot) 로봇, LCD 이송에 사용되는 LTR(LCD Transfer Robot) 로봇, 직교좌표 로봇, 핸들러 및 SMT 로봇, 디스펜싱 로봇 등 비교적 제어 범위가 높지 않은 로봇 제어에 주로 적용되며 가격 경쟁력으로 로봇 메이커들과는 다른 시장을 개척하고 있다.

 

 

 

로봇 컨트롤러의 변화

 

로봇 컨트롤러의 변신은 무죄

 

로봇은 지금까지 사용자가 미리 작업을 동작시켜 교시함으로써 그 작업의 순서, 위치 및 기타 정보를 기억시켜 이를 재생함으로써 작업을 반복할 수 있는 티칭 데이터의 플레이백 제어(Playback Control)를 근간으로 발전해 왔다.
따라서 로봇 컨트롤러도 기본적으로 이러한 로봇 작업순서의 기억을 효율적으로, 또는 로봇 작업 순서의 교시를 어떻게 용이하면서도 정확하게 수행할 수 있는지에 초점이 맞춰졌다. 이러한 방법들은 로봇 언어와 이 언어를 실행하여 로봇의 동작을 수행하게 하는 컨트롤러라는 형태로 오늘날에 이르렀다.
초기에는 로봇 컨트롤러의 모션 제어 구조, 기능 및 기술의 한계로 인해 로봇의 기구부 구조나 형태 선택에 제한이 많았다. 하지만 날이 갈수록 제어기술의 고급화 및 성능 향상으로 로봇 기구부의 구조나 형태의 선택이 자유로워 넓은 작업 공간의 확보, 작업의 유연성 향상, 이동 작업의 고속화와 고정밀화가 가능하게 됐다.
또한 주제어기와 서보드라이버간의 통신 기술도 로봇 컨트롤러의 다축화, 통신 케이블의 슬림화, 주제어기와 서보드라이버간의 원격화, 그리고 서보드라이버의 실시간 파라미터 변경 가능 등 유연하게 발전되기 시작했다. 최근에는 IT 기술을 접목하여 제어기의 확장성과 유연성을 향상한 지능형 로봇응용제어 기술 개발도 활발히 진행되고 있다.

 

 

로봇 컨트롤러 기술을 높이기 위한 로봇기업들의 노력 

 

로봇 컨트롤러는 과거에 비해 속도 및 제어적인 면에서 발전을 거듭하며 신뢰성과 안정성 면에서도 계속 발전하고 있다.
로봇 메이커들은 로봇이 주변 환경을 스스로 판단해 동작을 수행할 수 있는 많은 부가기능들을 로봇 컨트롤러에 적용하여 로봇의 지각, 인식 능력을 향상시키고 있다. 예를 들어 로봇 시스템 구성에 있어 비전을 포함한 전체적인 하나의 시스템을 고객들에게 제공하는 방향으로 발전하고 있다. 또한 기존의 로봇 1대를 구동하는 형태에서 로봇의 멀티제어 개념으로 발전하고 있고, 로봇 컨트롤러의 콤팩트화로 사용자들의 편의성과 공간 활용도를 대폭 높이고 있다.
한편 모션 컨트롤러 기업들은 현실적이며 실질적인 독자적 제어기술을 제공, 제품의 형태 또한 사용자 공정에 최적화시켜 고객의 제어설비 경쟁력을 높이는 방향으로 기술 개발이 이루어지고 있다. 또한 하이엔드급의 로봇 컨트롤러에서만 볼 수 있었던 기능이나, 외산 컨트롤러에서의 전유물이라고 생각했던 고급 기술들을 지원할 수 있도록 로봇 컨트롤러의 일반화, 보편화를 위해 노력 중이다.
이처럼 로봇기업들은 로봇 컨트롤러에 대한 기술적 요구가 증대됨에 따라 최종적으로 로봇을 움직이게 하는 로봇 컨트롤러의 기술적 향상을 위한 고민을 끊임없이 하고 있다. 이러한 노력으로 진보되고 있는 로봇 컨트롤러는 앞으로 또 다른 변신을 예고하고 있어 미래 로봇산업 발전에 많은 영향을 미칠 것으로 기대된다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 진보되는 로봇 컨트롤러 기술… 그 진화의 끝은?