#7 🐰로봇: 3D프린팅, 기다려~ 앞으로 내가 널 많이 찾게 될거야.

2023. 9. 25.

🐰로봇: 3D프린팅, 기다려~ 앞으로 내가 널 많이 찾게 될거야.

2023 / 09 / 25 월요일

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Data 1. 로봇공학 분야에서 3D 프린팅을 많이 사용하는 이유를 살펴봤어요.

Data 2. 국내외 로봇산업 동향을 살펴보고 3D 프린팅을 활용한 로봇 부품 생산 시장의 성장 가능성을 예측해 봤어요.

Data 3. 로봇산업 발전을 위한 오픈소스 프로젝트와 국내 대기업들의 연구개발 사례를 알아봤어요.

✅개념

▶ 내가 로봇산업계 약방의 감초다! 3D 프린팅

3D 프린팅이 로봇산업에 도입된 가장 큰 이유는 기계적으로 복잡한 모양과 정밀한 부품을 가장 효율적으로 생산할 수 있는 도구이기 때문이에요.

하나의 로봇을 제작하기 위해서 거치는 수많은 과정들 속에 3D 프린팅은 약방의 감초 역할을 하고 있답니다. 전문가들은 로봇산업이 발전함에 따라 3D 프린팅 기술의 수요도 함께 늘어날 것이라고 전망하고 있어요.

🐰층층이: 로봇 제작 과정에서 3D 프린팅 기술이 어떻게 사용될까요?

시제품 제작

모든 분야가 마찬가지겠지만, 특히 로봇공학 분야에서는 본제품 생산 전에 오류를 발견하고 수정하는 작업이 굉장히 중요해요. 재료가 고가이기도 하고, 복잡하고 정밀한 기술이 들어가기 때문에 완제품 단계에서 완벽하게 수정하는것이 어렵거든요.

부품 제작

로봇의 사용 용도에 따라 다양한 재료와 부품이 사용돼요. 3D 프린팅을 사용하면 별도 가공이 필요한 부품도 손쉽게 출력해서 사용할 수 있어요. 부품의 정확도도 높고, 생산시간도 단축되기 때문에 재료 낭비를 최소화하고 설계 효율을 극대화할 수 있죠.

디자인의 다양화

3D 프린팅을 사용하면서 다양한 디자인과 복잡한 내부 설계도 가능해졌어요. 큰 덩어리를 깎아서 작업하지 않아도 되니 작업 과정에서 나오는 폐기물의 양도 줄어 환경보호까지 할 수 있답니다.

조립 단계의 최소화

로봇을 여러 부품으로 나누어 제작하면 운반이 쉬워져요. 그러면 주문형으로 제작하거나 빠른 설치를 하는 것이 가능해지고, 전도성 접착제 등 특수 첨가제를 추가해 제조하는 것들도 가능해요.

🤖기술동향

3D 프린팅 로봇 부품 시장은 성장 중!

로보틱스 기술의 발전 단계 ©KDI경제정보센터

빠르고, 비용이 저렴하면서 정확하기까지 해!

이미 3D 프린팅을 사용하고 있는 업계에선 모두가 입을 모아 말하는 장점이 있죠? 맞아요! 복잡하고 정교한 부품을 기존 제조방법 보다 더 정확하고, 빠르면서 비용도 저렴하게 제작할 수 있다는 점이에요. 로봇공학 분야에서도 이런 장점 때문에 3D 프린팅을 사용하기 시작했어요. 특히 나노미터 수준의 3D 프린팅 기술이 도입되면서 기존보다 더 작고, 가벼우면서 정밀한 로봇을 만들 수 있게 되었죠.

기존엔 어떤 로봇에 3D 프린팅 부품을 썼어?

자동차 산업 부품 사례가 대표적이에요. 3D 프린팅으로 경량화된 구성요소와 구조를 만들어 제조 공장의 로봇 시스템 무게를 줄이고 보다 정확한 움직임을 만들어냈어요. 자동차 산업 외에도 대량생산을 위한 단순 반복 로봇, 조립 로봇, 협동 로봇 등이 3D 프린팅 부품을 사용해 오고 있답니다.

🐰층층이: 산업용 로봇은 대표적으로 어떤 것들이 있을까요?

휴머노이드

현시점에 가장 고도화된 기술이 구현된 로봇이에요. 인간과 같은 방식으로 움직이고 상호작용을 하는 로봇으로 의료, 숙박, 분야에서 사용되고 있어요.

무인화 로봇(AI기반)

사람의 개입이 필요하지 않는 상황에 배치되는 로봇이에요. 심해 탐사 및 해양 생태 작업에 사용되는 수중로봇, 태양광 패널을 청소하는 로봇, 창고에서 운송을 돕는 창고 로봇 등이 있어요.

사전 프로그래밍 로봇

자동차 공장에서 용접을 하는 로봇팔과 같이 통제된 환경에서 단일 목적을 수행하기 위해 개발된 로봇이에요. 이제는 로봇팔을 3D 프린터와 결합하여 3D 프린팅을 하는 도구로도 사용할 수 있고, 3D 프린터를 만들어 내는 데에도 사용할 수 있어요.

휴머노이드 로봇 ©Boston Dynamics

앞으로 더 사용할 수 있는 곳이 있어?

많은 연구원들이 휴머노이드 로봇을 더 심도 있게 개발 중이에요. 대표적으로 사람의 신체를 대신할 수 있는 보철물을 개발하고 있어요. 근육에 연결된 신경 신호에 반응하는 방법을 학습할 수 있도록 하거나 사용자의 체형에 꼭 맞으면서도 과도한 무게로 사람의 신체에 무리를 주면 안 되는 무릎, 다리 보조 장치 등을 정확하게 인쇄하는데 3D 프린팅이 큰 도움이 되고 있어요.

소프트 로봇 ©Possessed Photography

그리고 살아있는 유기체와 유사한 재료를 사용하여 로봇을 제작하는 소프트 로봇공학 분야에서도 3D 프린팅기술이 이용되고 있어요. SLA, 잉크젯, SLS, FDM 등 디양한 방식과 재료로 사람의 힘줄이나 근육의 행동을 실제에 가깝게 구현하기 위해 노력하고 있어요. 이런 연구개발 사례들로 미루어보았을 때 앞으로는 인공지능 기술을 적용한 로봇이 다양화될 거고, 로봇이 사람의 지능을 구현할 수 있는 단계까지 개발하기 위한 융합 부품들이 많이 생겨날 거예요.

전 세계에서 로봇기술을 개발하기 위해 노력하고 있어

우리나라를 포함해서 세계 주요 국가들은 저출산과 고령화 문제에 대응하고, 제조업의 경쟁력을 높이기 위해 로봇정책을 세우고 각 분야별로 개발에 전력을 다하고 있어요. 그만큼 앞으로 성장 가능성이 높은 분야라는 의미겠죠?

대한민국 '지능형 로봇 실행계획'

한국은 2008년에 체계적으로 일관성 있는 로봇산업 지원을 위해 '지능형 로봇 개발 및 보급 촉진법'을 제정했어요. 그리고 제조로봇 확대 보급, 4대 서비스 로봇 육성, 생태계 강화를 위해 지능형 로봇 실행 기본계획('19~'23)을 수립하고 매년 실행계획을 작성하고 있답니다. 2022년에 발표된 제3차 계획에서는 제조업을 중심으로 제조로봇을 확대 보급하고, 서비스 로봇 기술 개발과 함께 차세대 핵심 부품을 개발하는 데 초점을 두고 있어요. 특히 혁신 기술 개발 촉진 및 안전한 활용 환경 구축 지원을 위해 국산 핵심 부품 개발에 집중하고, 국산 부품 실증을 지원하고 있어요.

미국의 '로보틱스 로드맵'과 '국가 로보틱스 이니셔티브(NRI)'

세계 최고 수준의 로봇 기술을 보유한 미국은 빠르게 변화하는 로봇 산업의 흐름에 따라 유연하게 로봇 관련 정책을 바꾸고, 연구개발 인프라 구축에 힘쓰고 있어요. 특히 2020년에 발표된 제4차 로보틱스 로드맵은 제조업, 의료, 헬스케어, 서비스업, 우주, 군사 총 6가지 분야별로 재료와 기술적 솔루션 연구, 인력 훈련 등에 대한 구체적인 계획을 포함하고 있어요. 그리고 로봇산업 육성 정책인 'NRI'는 협동 로봇을 포함한 산업용 로봇의 개발과 사용을 촉진하기 위해 재정 지원을 아끼지 않고 있어요.

EU, 연구기금 지원 제도 '호라이즌 2020'

유럽연합은 로봇을 차세대 핵심 전략사업으로 선정했어요. 2021년부터 7년간 총 955억 유로를 투입해 인공지능 및 로봇을 연구개발함으로써 지속가능한 개발에 기여하겠다는 목표를 설정했어요.

일본의 'Society 5.0'

일본은 화낙, 야스카와, 가와사키 등 세계적으로 유명한 산업용 로봇 제조업체를 보유한 국가에요. 일본은 4차 산업혁명 기술을 활용하여 생활 및 산업, 경제활동, 행정과 인프라, 지역 커뮤니티와 중소기업, 인재 등 5개 분야에서 사회 문제와 이슈를 해결하겠다고 했어요. 특히 이중 인재 분야는 기존에 사람들이 해오던 단순 작업을 로봇이 대신하고 일상 속에서도 로봇을 활용하기 위해 노력하고 있어요.

중국의 '로봇산업 육성 종합 정책'

2021년 12월 발표한 5개년 로봇 발전 계획에서 연평균 로봇 산업의 성장률을 20% 이상 달성하겠다고 했어요. 그러기 위해 산업 혁신역량 향상, 산업 발전 기반 강화, 첨단 제품 공급 확대, 응용 범위 확대, 산업 조직 구조 최적화까지 5개 핵심 과제를 수립했어요. 중국은 규모가 큰 내수시장을 기반으로 첨단 기술 제조 강국으로 도약하기 위해 준비 중이에요.

©KDI경제정보센터

ⓒFormlabs

세계 로봇 시장이 성장하면 로봇 부품의 수요도 증가할 거야

로봇 부품 기술은 완제품 로봇의 성능과 디자인적인 요소, 수익적인 부분까지 좌우하는 핵심 요소에요. 4차 산업혁명의 신기술인 AI, 5G 등이 로봇 기술에 접목되면서 세계 각국은 핵심부품과 SW 개발 기술 확보를 위해 노력하고 있어요. 로봇의 부품은 크게 로봇의 이동, 상황 판단 등 지능 기술의 완성도를 높이는 센서, 로봇을 제어하거나 움직이게 하는 장치인 구동기, 로봇을 제어하고 운용하는 제어기 3가지로 나뉘어요.

<로봇 부품 및 부분품 기술 개발 트렌드>

센서 개발 방향

- 센서 인터페이스 표준화

- 기계적 힘 토크 센싱의 개선 및 소형화

- 3D 센서의 분해능 등 성능 향상

- 멀티 모달 센서의 개발

- 다이내믹 레인지 및 적용 환경 확대

구동기 개발 방향

- 출력밀도 및 에너지 효율의 향상

- 고해상도 정밀 구동(수술 분야 등)

- 이론적 토크 소스에 가까운 구동기

- 다양한 가변 감성 및 소프트 구동 기술

제어기 개발 방향

- 로봇에 특화된 통신프로토콜

- 적응형/자가 보정형 제어기

- 고 수준의 공정 및 상위 제어기 구현

- 동적인 안정 제어 및 센싱 통합

- 인간 협업 로봇 제어기

©기술보증기금

🔌장비

Formlabs Fuse1+30W로 제조한

음식 배달 로봇

Form3+ⓒFormlabs

6개월 만에 완성된 배달 로봇 대량생산 솔루션

홍콩에 본사를 둔 음식 배달, 소독, 검사 로봇 시스템 회사 Savewo는 6개월 내로 Rice Robotics를 만들기 위해 Fuse1+30W으로 제품의 설계부터 생산까지 진행 했어요. 특히, 이번 프로젝트에서 주목할 점은 반복 설계와 기능 테스트, 최종 실행 로봇의 사용 구성 요소에 이르기까지 개발의 모든 단계에서 SLS 프린터를 활용했다는 거예요.

Form3+ⓒFormlabs

디자인 자유도와 빠른 제작 속도

Fuse1+30W 프린터에는 자체 지지형 파우더 베드가 있어 오버행, 언더컷, 내부 채널 등 기존 제조 방법을 비싸고 어렵게 만드는 구조를 쉽게 구현할 수 있어요. 복잡한 부품을 3D 프린팅함으로써 하룻밤 사이에 수정 사항을 적용하거나, 혁신적이고 유기적인 디자인을 통해 로봇 구성 요소의 범위와 기능을 확장할 수 있었다고 해요. Savewo는 현재 Fuse 1+ 30W SLS 프린터 4대와 Fuse Sift 후처리 스테이션을 갖춰놓고 매주 50대의 Rice Robotics을 생산하기에 충분한 부품을 생산하고 있어요.

Form3+ⓒFormlabs

Formlabs Form3+로 제조한

Pick and Place Robot의 그리퍼 브래킷

Form3+ⓒFormlabs

복합재 제조를 도와주는 협동 로봇 : Pick and Place Robot

복합 재료는 직조된 섬유 가닥 위에 부품이 어떻게 배치되느냐에 따라 강도가 달라지기 때문에 일반적으로 엔지니어가 직접 탄소 섬유 시트를 내려놓는데요, 이 과정에서 사람의 상호작용으로 인해 약간의 차이가 발생할 수 있어요. 결과적으로 아주 작은 오차로 인해 부품 결함이 발생해서 사용하지 못하게 되기도 하죠.

그래서 폼랩의 복합재 기술자 Williams은 재료 낭비를 줄이고 프로세스의 속도와 정확성을 높이기 위해Pick and Place Robot을 설계했어요.

Form3+ⓒFormlabs

로봇 부품, 3D 프린팅을 통해 빠르고 다양하게 제작 할 수 있어

로봇이 탄소 섬유 시트를 들고 내려놓기 위해서는 압축 공기 그리퍼가 필요한데요, 그리퍼를 고정하기 위해 처음 사용했던 알루미늄 L 브래킷은 사용 기간이 길어지자 연결부 주위가 구부러지기 시작했어요. Williams은 탄력성을 적절히 갖춘 브래킷을 설계하기 위해 5번의 시제품을 제작했고, 그 결과 내구성이 뛰어나면서도 탄력도 더해진 수지 브래킷을 완성했어요.

Form3+ⓒFormlabs

비용효율적인 산업용 3D프린터 Form3_로 고품질의 기능 시제품과 최종 부품을 최단 시간내에 출력하세요.
소재마다 출력 설정을 정밀 조정하여 고속출력은 물론 출력물이 가볍게 분리되는 light-touch 보조물을 경험해보세요.

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EOS P110의 산업용 로봇 부품 및

그립 시스템 제작

경량화된 그리퍼 도구 ⓒEOS

비용 효율적이며 가벼운 로봇용 End-of-Arm 제작

미국의 식품 포장 기계 솔루션 회사인 Langen Group은 EOS P110을 이용해 크래커 포장 로봇의 진공 그리퍼 도구를 설계했어요. 크래커 포장 로봇의 설계에서 가장 중요한 것은 무게 중심이에요. 속도를 최대로 유지하기 위해서는 제품의 무게를 크래커 1.5kg를 포함하여 2kg 미만으로 맞춰야 했기 때문에 경량화된 그리퍼를 제작하는 데엔 3D 프린팅이 가장 적합한 방법이었어요.

적은 부품으로 조립이 쉬움
약 일주일 정도의 빠른 End 부품 생산 기간
기존 금속 그리퍼에 비해 4배의 파워 500g 라이트 그리퍼

P110 ⓒEOS

금속 적층 제조 솔루션의 독일 PBF

▶ EOS 사이트 바로가기

🧐서팀장: 안녕하세요 HDC 서팀장입니다. 세계 로봇 시장이 급 속도로 성장함에 따라 로봇 부품 시장도 함께 커지고 있습니다. 로봇산업의 발전을 위해 오픈소스 프로젝트도 활발히 진행되고 있으니 앞으로 3D 프린팅을 활용한 로봇 부품 시장의 성장도 기대됩니다.

4족 보행 로봇 개발 오픈소스 프로젝트 ODRI

로봇산업분야에서 오픈소스로 기술을 연구하는 사례가 많아지고 있습니다. 개발 파일이 오픈소스로 공개되면 누구나 자유롭게 확인하고, 수정해서 배포할 수 있어 기술 발전에 큰 도움이 되죠.

ODRI(Open Dynamic Robot Initiative)는 3D 프린팅된 부품과 기성 부품을 사용하여 저렴하게 4족 보행 로봇을 개발하는 대표적인 오픈소스 개발 프로젝트입니다. 2021년 ODRI는 로봇 개를 변형하여 2.2kg의 Solo를 개발했어요. 과거 제어기를 통해서만 움직일 수 있었던 로봇과 비교하면 Wi-Fi 기술의 적용은 엄청난 기술의 발전이었고, 프로그래밍 옵션을 통해 동작을 맞춤 설정할 수 있다는것도 놀라운 성과였습니다.

우리나라에도 있어! 2족, 4족 보행 로봇

2021년 현대자동차는 미국의 로봇 제조사 보스턴 다이내믹스를 인수했습니다. 보스턴다이내믹스의 인간형 2족 보행 로봇 아틀라스는 무거운 물건을 들어 올리거나 뛰는 등 휴머노이드 로봇의 기술력을 보여주었습니다. 아틀라스와 대표적으로 소개되는 로봇이 하나 더 있죠? 바로 4족 보행 순찰 로봇 스팟입니다. 스팟은 인공지능 기반 로봇으로 자율주행, 원격운영 등의 기능을 갖추고 있습니다. 국내에서 작업자 관리, 위험지역 순찰, 시설물 점검 등에 활용되고 있으며, 최근 세종시의 이응다리를 이용하는 시민들의 안전을 도모하기 위해 투입되어 우리 일상에 한층 더 가까워졌습니다.

레인보우로보틱스의 4족 보행 로봇 RBQ-3

레인보우로보틱스는 국내 최초로 협동 로봇, 이족/사족 보행 로봇 플랫폼을 갖춘 기업입니다. 특히 액츄에이터, 브레이크, 컨트롤러 등 주요 부품을 자체 개발할 수 있는 핵심기술을 보유한 글로벌 경쟁력을 갖춘 기업입니다. 덕분에 협동 로봇 개발 및 양산을 빨리할 수 있다는 강점도 가지고 있죠. 레인보우로보틱스는 2024년까지 충격을 받아도 넘어지지 않고 계속 걸을 수 있는 능력을 갖춘 4족 보행 로봇 RBQ-3을 상용화할 계획이라고 합니다.

그리고 또 다른 협동 로봇 시리즈죠. RB-N SERIES입니다. 이 로봇은 전 세계 최초로 NSF 식품위생안전 인증을 받았습니다. 특수 목적용 식품 가공 처리기기 및 관련 부품 안정성 인증(NSF-ANSI169), NSF 제품 생산시설 적격 판정을 받아 인체에 무해하며 치킨 튀기기, 찌개 조리, 국수 삶기, 음료제조 등 새로운 비즈니스 창출에 많은 기여를 하고 있습니다.