1. 산업용 로봇의 발전
자동차산업이나 전자기기산업 등에서 많은 산업용 로봇이 이용되고 있다. 현재 이용되고 있는 산업용 로봇의 대부분이 약 60년 전 미국에서 신청된 특허인 교시재생방식으로 제어된다. 그 후 이 기술이 일본에 도입되면서 1980년대에 일본 기업이 산업용 로봇을 다수 생산하여 세계 정상에 올라 ‘로봇왕국 일본’으로 불리는 시대를 만든 것이다. 현재는 수지성형, 프레스, 아크용접, 스폿용접, 도장, 기계가공, 연마·디버링, 조립, 입출하, 클린룸, 기타 등 폭넓게 활용되고 있다(일본로봇공헙회 산업용로봇사례집⁽¹⁾).
역사적으로 유럽과 미국에서는 ‘로봇’에 대한 인상이 그다지 좋지 않았다. 인간이 아닌 차가운 물체로 바라보는 시선 위에 종교상의 이유 때문에도 안이하게 도입하기에는 거부감이 컸다. 게다가 일본과는 달리 종신고용제도가 아니었기 때문에 “로봇에게 직장을 빼앗긴다” 라는 생각을 했을 것이다. 한편 개발도상국에서는 대부분 저렴한 인건비를 기반으로 하는 제조업이 비즈니스 모델이었기 때문에 로봇 도입의 생각은 할 수 없었다.
그러나 세계의 상황은 크게 달라졌다. 유럽 및 미국에서는 제조업을 포함하여 사람과 파트너로서의 로봇을 실현하고자 한다. 유럽의 산업용 로봇 메이커는 극히 탄탄하며, 많은 로봇을 생산·판매하고 있다. 미국 또한 제조업의 국내 회귀에 따른 고용창출에 로봇을 이용하려 한다. 게다가 개발도상국의 노동임금도 급격하게 상승하여, 많은 공장에 산업용 로봇이 도입되고 있다. 이렇듯 산업용 로봇은 세계 제조업에 널리 이용되고 있다. 비제조업의 예를 들어 서비스업에 이용을 목적으로 하는 로봇 또한 기본적으로 산업용 로봇기술을 이용하기에 그 범위가 지극히 넓다.

2. 현재의 산업용 로봇
현재 다수의 산업용 로봇기술은 기본적으로 NC가공(Numerical Control Machining) 기계와 동일하다. 다시 말해 각 구동부의 전동모터에는 인코더 등의 변위를 계측하는 센서가 장착되어있어 목표 위치로의 운동을 계산기 제어에 의해 실행한다. 목표 위치를 설정하기 위해 통상적으로 교시방식이 이용된다. 작업마다 교시자가 목표점에 로봇을 이동시켜, 로봇이 작업을 달성할 수 있도록 위치를 목표치로 교시한다. 한번 교시된 목표위치는 계산기 제어에 의해 로봇은 몇 번이라도 정확히 재현한다. 이러한 방식으로 고속·고정밀 운동을 실현하기 위해서는 다음 조건이 반드시 갖추어져야 한다.

2-1 강체 링크
기본적으로 관절각도계측으로 로봇 선수(손끝)의 목표위치를 실현하므로 링크를 강체화하여 굽힘에 의한 오차를 줄일 필요가 있다. 그래서 대부분의 산업용 로봇에 금속재료를 사용하여, 굽힘에 의한 변형을 최대한 줄이려 하고 있다.

2-2 고정밀 관절각도 계측
관절각도 오차가 선수의 정밀도에 큰 영향을 미치기 때문에, 관절 각도를 정밀하게 측정해야할 필요가 있다. 일반적으로 전동모터는 고속회전에서 저토크이기 때문에 높은 감속비의 기어 등이 사용된다. 모터의 회전 각도를 인코더 등으로 측정하면 감속 후의 로봇관절 각도는 감속비만큼 정밀화가 가능해진다. 높은 감속비의 기어에서는 정지마찰이 커지므로 로봇관절은 외력에 대비하여 굳어진다.

2-3 확정환경 이용에 한정
교시재생방식에서는 로봇의 작동 환경이 변동되지 않는 고정 상태를 상정한다. 예를 들어 파지해야 할 대상물은 로봇이 볼 때 항상 같은 위치와 자세를 유지해야 한다. 엔지니어는 항시, 로봇작업을 확정환경으로 정비할 필요가 있다.

3. 현재 산업용 로봇의 문제점과 플라스틱 재료에 의한 해결
향후 로봇이 자동차, 전자제품 등의 제조업뿐만 아니라 일반제조업, 의료/복지, 농림수산업, 식품, 의복, 생활지원, 사회 인프라 점검 등에서 폭넓게 실용화되려면 기존 산업용 로봇의 하드웨어와 소프트웨어의 실현방법에 한정되지 않는 여러 가지 새로운 방법이 필요하다.
문제점은 크게 제어와 기구로 나뉜다. 제어에 관해서는 카메라, 촉각센서, 파워센서 등을 로봇에 탑재하고, 운동지능을 로봇에게 부여하는 것으로 해결을 기대할 수 있다⁽²⁾. 한편, 구조재료를 포함한 기구는, 현재의 금속재료와 고감속비 기어로는 고중량, 큰체적(점유공간), 뻣뻣한 관절 및 링크 등의 문제가 해결되지 않는다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 새로운 재료와 기구를 도입해야할 필요가 있다. 특히 인간과 기계적인 접촉이 상정되는 로봇은 종래의 로봇보다 극히 가볍고 유연한 로봇이 안전성을 확보하기 위해서 유용하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 금속재료를 중심으로 구성되어온 방침을 전환하고, 적극적으로 새로운 재료를 이용해야 할 시기가 오고 있다. 플라스틱 재료를 로봇에 적용하면, 기존보다 소형화, 경량화, 유연성, 저가격 등의 특징을 보유한 로봇의 실현을 기대할 수 있다.

4. 플라스틱에 의한 인플레터블 로봇의 시도
필자의 연구실에서는 상기의 금속재료로 고감속비 기어의 전동모터를 이용하는 로봇보다 작고, 가볍고, 유연한 새로운 로봇의 개발을 다양한 접근방법을 통해 진행하고 있다. 본 연구에서는 로봇 암의 소형화, 경량화, 유연화를 위해 공기압 구동을 이용한다. 공압 액추에이터를 대신한 고무액추에이터 등이 제안되었으나, 고무재료 사용 시에 다음의 과제가 따른다.

① 고무재료의 탄성은 액추에이터 자신의 변형에 힘을 필요로 하기 때문에 액추에이터로서 외력을 발생시키는 효율을 저하시킨다. 이 때문에 통상 300kPa 정도 이상의 공기압이 필요한 경우가 많다.
② 고무의 두께가 필요한 경우도 있고, 액추에이터를 포함한 기구부의 전 중량을 극단적으로 적게 하는 것이 곤란해지는 경우가 있다.

그래서 본 연구에서는 고무재료 대신 플라스틱재료의 시트를 이용한다. 구체적으로는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 시트를 사용한다. 공압 액추에이터를 실현하기 위해서 주머니(봉지) 모양의 구조를 제작하여, 내부를 가압함으로써 공기주머니의 변형을 만들어 낸다. 이것을 로봇의 액추에이터라고 보자. 플라스틱 시트는 고무재료만큼 신축성이 좋지 않으므로 이차원의 시트에서 삼차원의 주머니를 어떻게 형성하느냐가 한 가지 문제가 된다.
액추에이터를 공기압으로 구동하는 것으로 로봇의 관절을 유연하게 하는 것이 가능하다.  링크부의 강성을 높여 고중량이 되면 로봇의 경량화, 유연화는 달성할 수 없다. 그래서 링크부도 플라스틱 재료로 형성한다. 플라스틱 파이프를 신축자재로 피복시켜 링크부가 대상물과 충돌했을 때 충격을 완화시킬 수 있다. 
그러나 일반적으로 중량이 증가되는 경향이 있다. 그래서 본 연구에서는 공기압으로 플라스틱시트 주머니를 가압하는 인플레터블 구조의 링크를 이용한다. 인플레터블 링크는 전체를 극히 경량화 하는 것이 가능하며, 링크 자체가 유연하다. 게다가 내부의 공기를 제거하면 로봇 전체를 콤팩트화 하는 것도 가능해진다. 다음은 우리가 시험제작한 인플레터블 로봇을 소개한다.

5. 인플레터블 로봇 암(IR-Arm)
5-1 로봇시스템
본 연구실에서는 새로운 재료의 이용을 검토하여 플라스틱 시트의 인플레터블 구조를 이용함으로써 가볍고 유연한 로봇 암을 실현하고 있다. 고무재료보다 영률이 높은 플라스틱을 이용하여 필요한 강성을 달성하며 경량화를 도모하고 있다. 또한 폴리에틸렌과 폴리프로필렌 등의 시트에서 링크나 액추에이터의 삼차원 구조체를 제작하는 방법을 개발하고 있다^(3)~(5).
실현된 IR-Arm은 사람과 비슷한 크기와 가동범위를 갖으며, 운동부의 자체무게 약 500g 대비 최대 가반중량은 1㎏이다(사진1).

5-2 링크
인플레터블 링크구조로 직사각형의 주머니도 이용 가능하다. 사진 1의 로봇은 사진 2, 3과 같이 4개의 시트주머니를 합친 형태로 사용하고 있다. 사진 2와 같이 비가압 시에는 플랫한 상태로, 사진 3과 같이 가압 시에는 링크 단면이 정사각형이 되어 내부에 공동이 생긴다. 이 링크의 목적은 링크의 굽힘에 대한 강성을 높이기 위함과 링크내부에 액추에이터로 공기압튜브가 지나기 위함이다. 여기에서 시트의 접합은 열용착을 이용하고 있다. 링크 구조 자체의 내부압력도 제어 가능하도록 하기 위해 필요에 따라 링크강성의 제어나 로봇 전체의 콤팩트화가 가능하다.

5-3 액추에이터
액추에이터는 사진 4에서 볼 수 있듯이 여러 개의 주머니를 연결한 구조이다. 사진 중 우측의 공압 튜브로부터 압축공기가 충진되어 주머니가 팽창함으로써 관절의 토크가 된다. 액추에이터의 중량은 약 3~5g으로 사용압력은 80kPa 정도로 구동한다.

5-4 관절부
상기의 액추에이터는 사진 5의 플라스틱 관절부에 의해 인플레터블 링크와 접속된다. 이 관절부의 역할은 액추에이터 파워전달 방향을 일치시켜, 파워전달효율을 상향시키기 위함이다. 사진 6의 관절부는 3D프린터로 제작되었으며, 재료는 ABS수지이다. 관절부의 한쪽 중량은 32g이며, 관절부 1세트의 중량은 64g이다.

5-5 운동제어
본 로봇처럼 링크가 쉽게 변형하는 로봇은 로봇의 각 관절 각도를 정확하게 측정하여 링크 각도에 따라 선수를 제어하려해도 링크의 굴곡 등에 의해 정확한 선수위치 결정이 어렵다.
그래서 본 연구에서는 위치제어에 있어 우리 연구실에서 제안하고 있는 상대위치 오차기반의 시각 피드백 제어법을 적용한다⁽⁶⁾. 3자유도의 로봇 암이 유연한 구조임에도 불구하고 선수위치 정밀도 1㎜ 이하를 실현했다.

6. 향후전개
6-1 본 로봇의 성능향상
폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 플라스틱 시트를 이용한 경량의 유연한 로봇 암을 제작했다. 경량화 및 유연화는 사람과의 기계적 접촉을 상정해도 이용 가능할만한 성능을 얻었다고 생각한다. 앞으로는 500g정도의 대상물을 파지하고, 충분한 작업속도를 유지하며, 필요한 정밀도로 위치결정이 가능하도록 기술개발을 실시할 예정이다. 즉, 위치결정 정밀도와 운동속도에 있어서 기존의 산업용 로봇을 따라잡을 수 있을지가 과제이다. 이미 사진 7과 같이 픽 앤 플레이스 작업을 원통형상의 대상물로 한정하여 실현하고 있다. 이 경우, 픽  포인트와 플레이스 포인트의 위치결정은 비주얼 피드백 제어를 하고 있다.

6-2 향후의 응용 예
본 로봇은 플라스틱 시트를 이용한 인플레터블 구조를 위해 기존의 금속제 로봇 암과 비교하여 여러 가지 다른 성질을 갖는다. 인플레터블 구조의 성질과 플라스틱의 성질로 나누어, 향후 이용가능성은 다음과 같이 요약된다.

(1) 인플레터블 구조(유연화/경량화/대형화/컴팩트화)의 특징 이용
? 사람이나 물건과의 기계적 접촉 작업용 로봇(사진 8)
건강기기, 복지기기 등 사람과 직접 접촉하는 작업에 적합. 또한 제조업이나 농립수산업에서 사람과 작업공간을 공유하는 경우에도 쉽게 이용 가능하다.
? 엔터테인먼트용 로봇
판매촉진용, 이벤트용, 엔터테인먼트 등에서 이미 인플레터블 구조는 이용되고 있다. 본 방식을 이용하면 움직이는 엔터테인먼트용 로봇이 실현 가능하며, 대형화 또한 사람과의 안정성을 고려해도 비교적 용이하다.
? 협애한 공간 검사용 롱 로봇
경량이므로 캔틸레버 구조라도 자중의 영향을 받지 않는 특성을 이용한다. 좁은 공간에서(발전소, 항공기 내부 등)의 보수 점검에 적합하다. 콤팩트하기 때문에 로봇의 투입구가 작은 경우에도 대응이 가능하다. 유연성 때문에 대상물/구조물과의 기계적인 접촉 시에도 데미지를 주지 않을 것으로 상정된다.
? 우주 로봇
경량이며, 로켓 발사 시에는 체적을 적게 할 수 있는 특징에 적합하다.
 
(2) 모든 플라스틱의 특징 이용
? MRI 등의 자기장 환경 작업용 로봇
자기장 이용 측정 등에 영향이 적기 때문에, MRI 환경에서도 이용 가능하다.
? 식품 등 물 세척 요구 작업용 로봇
위생 면에서 자주 세척이 요구되는 경우에 적합하다.
? 저가 로봇
저가 로봇의 실현이 가능하므로, 가격의 이유로 로봇을 이용할 수 없는 경우에도 로봇의 도입이 가능하다.

필자소개
가와무라 사다오 - 리츠메이칸대학 이공학부 로보틱스학과 교수