제조용 로봇(산업용) 기술 및 시장 동향
2020-09-09
org.kosen.entty.User@71764432
윤정배(yoonjung)
1. 기술 개요[1~3]
로봇은 크게 기구부, 제어부 그리고 감각 인식부로 등으로 구분되고, 로봇을 구성하는 핵심기술은 작업 변화에 대응할 수 있는 센싱 기술, 다양한 환경에 로봇을 쉽게 적용할 수 있도록 해주는 티칭 기술 그리고 여러 종류의 말단장치 및 힘 센서 기술 등으로 구성된다.
1.1. 기구부
로봇의 동작 및 파지 등 작업 기능을 수행하는 부분으로 인간의 팔에 해당하는 매니퓰레이터(manipulator)와 힘의 전달 및 발생을 담당하는 구동부 등으로 구성된다.
매니퓰레이터는 인간의 해부학적 움직임과 유사하며, 대상물을 조작하기 위해 실제로 움직이는 팔과 손, 외부입력에 의해 움직임을 발생시키는 구동장치, 팔을 고정시키고 구동 부분과 동력원을 연결시키기 위한 프레임(몸체) 등으로 구성된다.
구동부는 로봇 액추에이터(actuator)를 중심으로 공압식, 유압식, 전기식 그리고 기계식으로 분류되고, 이중 출력은 작으나 제어성, 신뢰성이 우수하고 저렴한 가격의 장점을 가진 전기식 액추에이터가 가장 많이 사용되고 있고, 유압식은 출력이 높고 응답성이 우수하나 가격이 고가이며, 공압식은 소형으로 비교적 출력이 높고 가격도 저렴하지만 제어성, 응답성이 전기식이나 유압식에 비해 낮은 특성을 가지고 있다.
1.2. 제어부
기구부에 조작신호를 보내주어 움직임을 제어하는 동작제어기능과 작업내용을 정확하게 가르쳐주고 기억시켜 필요한 동작기능을 할 수 있도록 하는 교시기능으로 분류된다.
로봇제어기 기술은 기계/전기/전자/제어 등의 복합기술이 요구되는 분야로, 모터 구동부와 모터 제어기 그리고 로봇 몸체의 전제동작을 관절의 동작과 연관시켜 필요한 모터의 위치를 결정 하는 방법 등으로 구성된다.
1.3. 감각 인식부
로봇이 복잡한 작업을 수행하기 위해서는 인간과 같은 인식기기가 필요하며, 로봇의 팔, 손목 등의 위치 그리고 속도 또는 힘에 관한 상태를 알아내는 내계 계측기능(제어센서)과 외부대상물의 위치, 힘, 상대운동 그리고 음향을 파악하는 외계 계측기능(감각센서)으로 구성된다.
센서는 로봇이 주위 환경을 인식하고 인간과의 상호 작용이 가능하도록 필요한 정보를 획득하기 위해 사용되며, 주위 환경을 감지하는 기술은 크게 이동, 상황판단 그리고 인간과 상호작용 분야로 구분되고, 이동기능을 위해서는 위치 센서, 토크 센서 등이 사용되며, 상황판단은 위해서 촉각 센서 등이 사용되고, 인간과 상호 작용을 위해서는 청각 센서, 비전 센서 등이 사용되고 있다.
2. 기술 동향[1~3]
2.1. 조립용 로봇
2.1.1 티칭 펜던트
티칭 펜던트(teaching pendant)는 아이콘 및 타임라인 기반으로 프로그래밍이 가능하여 작업의 흐름을 직관적으로 확인할 수 있는 제어장치로, 기존 로봇의 경우 위치 정밀도가 가장 중요한 기술적 요소였으나, 조립용 로봇의 경우 위치 정밀도뿐만 아니라 힘/모멘트 제어 기능도 중요하게 되었다.
이러한 이유로 해외 선진업체들은 조립용 로봇에 힘/모멘트 제어 기능 탑재를 위해 많은 연구를 진행하고 있으며, 로봇이 제품을 삽입, 탈거 등의 작업 중 작업물과 로봇의 접촉상황에서 능숙한 작업자의 기술이 로봇의 운전에 적극적으로 반영될 수 있도록 관련 파라미터를 개발하고, 쉽게 튜닝할 수 있는 연구가 진행 중이다.
더불어 로봇의 구조를 사람의 신체와 비슷하게 설계하여 기존에 인간이 수행하던 작업들을 로봇이 수행할 수 있도록 하고 그리핑 파트(griping part)와 세팅 상태의 변화에 대응할 수 있는 센싱 기술 그리고 파트핸들링과 어셈블리 분야에서 로봇이 쉽게 적용할 수 있도록 해주는 티칭 기술의 개발에 많은 비용을 투자하고 있다.
2.1.2 셀 공정 로봇
전통산업에서의 제품 대량 생산라인은 컨베이어를 따라 반제품을 일정하게 이송시키며, 완제품으로 조립 해 나아가는 컨베이어 방식으로 정의할 수 있으나, 전기전자 제품 산업의 성장으로 셀 공정에 대한 관심이 높아지고 있다.
셀 공정은 주로 전기전자 제품 제조에 많이 적용되고 있는 공정 유형으로, 선진 제조업체들은 다양한 제조로봇에 일정 수준이상의 작업 지능을 추가하여 불량이 다량으로 발생하는 공정이나, 많은 시간이 소요되는 인간 작업 공정에 로봇을 투입하기 위한 연구를 진행 중이다.
FANUC, ABB LTD., KUKA AG 등의 제조용 로봇 선진 제조업체들은 로봇 지능화의 기본 요소인 힘 센서, 비전 센서 그리고 고성능 로봇 컨트롤러 등을 자체 개발하여 조립용 로봇의 지능화를 추구하고 있다.
선진 업체에서 개발 중이거나 제품화된 대표적인 로봇 지능화 기술은 3D 센서를 활용한 빈 피킹(bin-picking) 기술, 힘 센서를 활용한 정밀 조립 기술, 고감도 충돌 감지 기술, 외력 감지를 통한 능동 대응 기술, 다중 로봇 동기 및 협조 작업을 위한 네트워크 기술 등으로 구성되고, 더불어 말단부의 힘 센서를 활용하여 기계 부품의 정밀 조립 작업을 수행하도록 하고, 이를 통해 고도의 숙련이 필요한 작업까지 로봇 작업이 가능하도록 시도하고 있다.
2.2. 협동 로봇
2016년 초 ISO/TS 15066 협동로봇 안전 요구조건이 확정되면서 그 동안 안전에 대한 위협 때문에 안전망 안에서만 작업하던 기존 로봇 시스템과 달리 ISO/TS 15066 인증을 받으면 사람과 제조용 로봇이 같은 공간에서 협동 작업을 할 수 있게 되었다.
특히 소형 IT 제품 생산라인의 자동화 수요에 대응하기 위한 인간과 함께 배치되어 작업할 수 있는 협동로봇의 개발을 통해, 사람이 작업하는 것이 효율적인 공정(주로 창의적 판단이 필요하거나, 현재의 로봇 기술로는 달성이 불가능한 자동화 공정 등)은 작업자가 직접 수작업으로 수행하고, 나머지 공정은 로봇이 수행하는 효율적인 협업화가 가능하다.
인간-로봇 협력생산은 최종 목적지인 완전 무인화에 도달하기 위해서 필수적으로 거쳐야 할 기술개발 단계임과 동시에 현실적인 솔루션이 될 수 있다.
한 대의 로봇에서 여러 대의 협력으로 로봇의 형상적 측면에서의 발전이 현 시점까지 이루어졌다면, 이 후에는 로봇의 단독생산에서 인간-로봇의 혼성 생산 공정으로의 발전이 이루어질 것으로 예상된다.
3. 산업 동향[4~7]
3.1. 산업 특징
2015년 기준 국내 로봇산업 관련 사업체 1,867개 중 중소기업이 95.8%(1,789개사)로 대부분을 차지하고 있으며, 로봇 매출 10억 원 미만 사업체가 64.5%로 절반 이상을 차지하고 있다.
국내에서 로봇 사업을 영위하는 업체의 경우, 영세성이 다른 국가보다 과도하게 높은 상황으로, 신기술 개발을 위한 R&D 투자 여력이 미흡함에 따라 정부 차원의 장기적이고 체계적인 연구개발 환경 조성 및 재원 조달/지원이 필요한 상황이다.
로봇산업의 활성화를 위해서는 미국, 일본, 독일 등과 마찬가지로 규제 개혁이 적극적으로 추진되어야 하며, 일본의 경우 로봇산업 활성화를 위해 로봇 활용에 장애가 되는 규제를 완화하는 등 로봇 배리어 프리(robot barrier-free) 사회 구축을 위한 제도정비를 추진하고 있다.
3.2. 국내 업체
국내 제조용 로봇 및 관련 부품 제조업체로는 한화테크윈, 로보스타, 로보테크, 유진로봇, 현대로보틱스, 고영테크놀러지, 디에스티로봇, 라온테크, 삼익티에이치케이, 로보티즈, 하이젠모터, 엔티로봇, 티이에스, 로봇밸리 등이 있다.
한화테크윈의 협동로봇 HCR-5는 스위블 핸들과 태블릿 타입의 티칭 펜던트가 함께 구성 되어 있으며, 예비 부품이 모듈형으로 설계되어 있어 제품 수명 주기에 따라 자체적으로 쉽게 수리할 수 있어 운영비를 절감할 수 있다는 장점이 있고, 하나의 컨트롤 박스(제어기)로 두 대의 로봇을 동시에 운영이 가능하기 때문에 제어기 관련 초기 투자 비용을 절감할 수 있으며, 작업 환경 조건에 따른 가상 안전 경계(virtual safety boundary)를 설정하여 충돌을 사전에 회피하고, 작은 충격을 감지하면 자동으로 정지하기 때문에 별도의 안전 펜스를 설치 하지 않고 협동 작업이 가능하다.
로보스타는 수요처의 제조 공장 및 작업 환경을 고려한 직각좌표 로봇, 리니어 로봇, 스카라 로봇, Picker 로봇, Servo Press 로봇, 수직 다관절 로봇, 데스크탑 로봇, ATM 로봇, Vaccum 로봇 그리고 반도체 제조공정용 이송 및 적재 로봇(SEMI TR, EFEM, LPM, Pre-Aligner) 등을 생산하여 판매 중이다.
로보테크는 국내/외에 공장 자동화 Total Solution을 제공하고 있고, 직교좌표 로봇, 스카라 로봇, 겐트리 로봇, 수직다관절 로봇, 로봇 컨트롤러, 모션 컨트롤러, 서보 드라이버, 그리퍼, 스위블 등 100여 종에 달하는 주변기기 및 각종 라인 시스템을 개발/공급 중이며, 축적된 기술력을 바탕으로 전 제품을 표준화, 규격화한 Building Block System은 각 부품 및 설비공정을 블록화하여 설계자가 쉽고 빠르게 완성품을 제조할 수 있어, 조립, 가공, 용접, 물류, 검사라인 등 모든 라인공정에 적용될 수 있다.
현대로보틱스는 국내 제조용 로봇 시장 점유율 1위 업체로, 다양한 용량의 아크 용접 로봇, 핸들링 로봇, 실링 로봇, 이송/적재용 로봇 등을 생산하여 판매 중이며, LCD/반도체 제조공정에 사용되는 클린용 로봇을 제조 하여 국내/외 시장에 공급하고 있다.
3.3. 해외 업체
해외 제조용 로봇 시장을 주도하는 업체는 Fanuc(일본), ABB LTD.(Asea Brown Boveri, 스위스), Yaskawa Electric Corporation(일본), Kawasaki Heavy Industries(일본), Kuka AG(독일), DENSO(일본), Nachi-Fujikoshi(일본), Mitsubishi Electronic(일본), YAMAHA Robotics(일본) 그리고 ComauS.p.A(이탈리아) 등이 있다.
Market&Markets의 조사에 따르면, 2016년 기준 세계 제조용 로봇 시장에서 일본 Fanuc이 시장점유율 20.43%로 1위 업체이며, 스위스 ABB LTD. 18.73%, 일본 Yaskawa Electric Corporation 15.33%, 일본 Kawasaki Heavy Industries 8.51%, 독일 Kuka AG 8.51% 그리고 일본 DENSO 6.81% 순으로 구성되어있다.
대체적으로 세계 시장 점유율이 높은 상위권 업체일수록 기술개발에 대한 투자비용이 크고, 취급하는 로봇의 종류가 많아 다양한 전방산업으로부터의 매출 시현이 가능하며, 기존 재래식 생산/개발 공정에 얽매이지 않고, 타 산업분야와의 기술 융합을 통한 신기술 창출을 장려하고 있으며, 새로운 시장 진출을 위해 해당 지역의 선도 업체와 M&A, 기술 파트너 협약 등의 방법을 통해 영업망을 확대해 나가는 사업 추진 형태를 보이고 있다.
Fanuc은 주로 전기전자 부품 제조 산업, 식품 및 음료 제조 산업, 제약 산업, 자동차 조립산업에 최적화된 제조용 로봇 및 자동화 설비를 생산하고 있으며, 세계 46개국에 240여개의 대리점 및 기술센터를 운영 중에 있다.
ABB LTD.는 공장 자동화 및 제조용 로봇 분야 기술에 있어 세계 선두업체로, 기술 개발을 위해 막대한 비용을 투자하고 있으며, 주로 자동차 조립산업, 금속/플라스틱 가공 산업, 식품 및 음료 산업, 화학/제약 산업에서 요구하는 각종 자동화 설비 및 로봇을 제조하고 있다.
Yaskawa Electric Corporation은 반도체 및 액정 제조 산업에서 사용되는 아크 용접 자동화 로봇, 스팟 용접 자동화 로봇, 자동차 도장용 로봇, 자동차 부품 조립용 로봇 제품 개발에 집중하고 있고, Kawasaki Heavy Industries는 용접 로봇, 팔레타이징 로봇, 도장 로봇 등을 중심으로 기술 개발 및 제품 제조가 이루어지고 있다.
4. 시장 동향[8~10]
4.1. 국내 시장
국내 조립용 로봇 시장은 2011년 3,140억 원에서 연평균 26.79% 성장하여 2015년 8,116억 원을 시현하였으며, 연평균 7.46%의 성장률을 보이면서 2020년에는 1조 1,629억 원의 시장 규모를 형성할 것으로 전망된다.
또한 각종 산업 제품의 구조가 복잡해지고, 다양한 부품들이 좁은 공간에 밀집되어 조립되어가는 추세이기 때문에, 3D 비전시스템으로 위지 보정이 가능하고, 정밀 계측 센서를 통해 실시간 작업 정확도 측정이 가능한 고부가가치 장비 수요가 증가할 것으로 예상된다.
더불어 로봇 제어기술의 발전으로 조립용 로봇의 작업 정밀도가 고도화될수록 조립용 로봇이 적용되는 수요 산업 범위가 넓어질 것이며, 이에 따라 조립용 로봇은 국내 제조용 로봇 중 가장 큰 시장 비중을 유지할 것으로 전망된다.
국내 협동 로봇 시장은 2016년 92.8억 원에서 연평균 88.7% 성장하여 2018년 330.3억 원 규모이며, 2018년 이후 연평균 57.1% 성장하여 2024년에는 4,957.7억 원의 시장규모를 형성할 것으로 전망된다.
또한 국제로봇연맹(IFR)(2018)에 따르면 우리나라는 로봇 보유량 세계 4위 국가이며, 로봇 밀도 세계 1위를 기록한 국가로서, 국내시장에서 로봇 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.
더불어 국내 로봇산업은 “지능형 로봇 개발 및 보급 촉진법”을 제정하고 R&D, 실증, 보급 등 체계적 로봇산업 육성정책을 추진해 왔으나, 현시점 고위험/고강도 등 작업환경이 열악한 제조현장(뿌리, 섬유, 식/음료)에서는 로봇 활용도가 높지 않은 것으로 조사됨에 따라 폭넓은 로봇 활용 및 정착을 위한 개선노력이 요구되고 있는 등, 로봇 산업의 전반적 경쟁력은 취약한 상황이다.
4.2. 해외 시장
세계 제조용 로봇 시장 규모는 2013년 98.37억 달러에서 연평균 10.26% 증가하여 2015년 118.49억 달러를 시현하였으며, 연평균 10.09%의 성장률을 보이면서 2020년에는 191.64억 달러의 시장 규모를 형성 할 것으로 전망된다.
유럽 제조용 로봇 시장 규모는 2013년 22.17억 달러에서 연평균 5.56% 증가하여 2015년 24.65억 달러를 시현하였으며, 연평균 5.74%의 성장률을 보이면서 2020년에는 32.58억 달러의 시장 규모를 형성할 것으로 전망된다.
아시아태평양 제조용 로봇 시장 규모는 2013년 55.52억 달러에서 연평균 14.05% 증가하여 2015년 71.11억 달러를 시현하였으며, 연평균 12.7%의 성장률을 보이면서 2020년에는 129.26억 달러의 시장 규모를 형성할 것으로 전망된다.
또한 아시아태평양 지역의 제조용 로봇 시장은 세계 시장의 약 62.5%를 차지하고 있는 가장 큰 시장으로, 아시아태평양 시장의 성장은 중국에서의 제조용 로봇 수요 증가에 기인한 것으로 판단된다.
북미 제조용 로봇 시장 규모는 2013년 18.74억 달러에서 연평균 2.71% 증가하여 2015년 19.92억 달러를 시현하였으며, 연평균 3.54%의 성장률을 보이면서 2020년에는 23.71억 달러의 시장 규모를 형성할 것으로 전망된다.
또한 북미 제조용 로봇 시장은 세계 제조용 로봇 시장의 약 15%를 차지하고 있으며, 완성차 조립 및 자동차 부품 제조 산업에서 절반 이상의 수요가 발생하고, 금속 재료 가공 산업이 그 뒤를 이을 것으로 예상된다.
세계 협동 로봇 시장은 2016년 195백만 달러 규모에서 연평균 67% 성장하여 2018년 544 백만 달러 규모의 시장을 형성했으며, 2018년 이후 연평균 48.7%의 성장률로 성장하여 2024년에는 5,871백만 달러의 시장규모를 형성할 것으로 전망된다.
해외 로봇제조업체들은 연구/개발에 대한 투자 확대 및 관련 업체와의 M&A/파트너쉽 체결을 통해 영업망을 넓히고 있으며, 로봇 개발 역량을 통해 다양한 전방산업으로부터 매출을 시현하고 있으며, 제조용 로봇 수요 증가에 따라 전 세계적으로 매니퓰레이터, 제어기, 센서, 구동기, 모터 등의 로봇 관련 시장이 지속적으로 확대될 전망된다.
5. 주안점
제조용 로봇 산업은 전기/전자, 기계 설계, 소재 가공, 기계 제어 등의 다양한 기술 및 높은 수준의 기술이 요구되는 진입 장벽이 높은 종합 장치 산업이며, 제조업체의 인건비 부담 증가, 고령화, 저출산 등 가용 노동인력 감소현상 지속에 따라 조선, 자동차 등 조립 산업을 중심으로 제조용 로봇의 도입은 지속적으로 증가할 것으로 전망된다.
국내 제조용 로봇 산업의 약점을 분석하면 다음과 같다.
국내 제조용 로봇 산업의 위협요인을 분석하면 다음과 같다.
References
1. 제조용 로봇. 한국신용정보원, 2017.
2. 협동 로봇. 한국신용정보원, 2020.
3. 지능형 로봇의 최신 기술 및 표준동향. KATS 기술보고서, 2017.
4. 지능형 로봇의 동향 및 전망. 석왕현(ETRI), 2017.
5. 협동로봇 산업 동향. 융합연구정책센터, 2018.
6. 산업용 로봇 시장 동향과 대응. 한국기계연구원, 2017.
7. 글로벌 로봇산업 시장동향 및 진출방안. KOTRA, 2018.
8. Industrial Robotics Market by Type (Articulated, Cartesian, SCARA, Parallel, Collaborative Robots), Industry (Automotive, Electrical & Electronics, Metals & Machinery, Pharmaceuticals & Cosmetics), and Geography - Global Forecast to 2023. MarketsandMarkets, 2017.
9. Industry 4.0 Market by Technology (Industrial Robotics, Cyber Security, Internet of Things, 3D Printing, Advanced Human-Machine Interface, Big Data, Augmented Reality & Virtual Reality, Artificial Intelligence), Vertical, Region: Global Forecast to 2022. MarketsandMarkets, 2017.
10. Industrial Robotics Market-Global Forecast To 2024. MarketsandMarkets, 2019.
로봇은 크게 기구부, 제어부 그리고 감각 인식부로 등으로 구분되고, 로봇을 구성하는 핵심기술은 작업 변화에 대응할 수 있는 센싱 기술, 다양한 환경에 로봇을 쉽게 적용할 수 있도록 해주는 티칭 기술 그리고 여러 종류의 말단장치 및 힘 센서 기술 등으로 구성된다.
1.1. 기구부
로봇의 동작 및 파지 등 작업 기능을 수행하는 부분으로 인간의 팔에 해당하는 매니퓰레이터(manipulator)와 힘의 전달 및 발생을 담당하는 구동부 등으로 구성된다.
매니퓰레이터는 인간의 해부학적 움직임과 유사하며, 대상물을 조작하기 위해 실제로 움직이는 팔과 손, 외부입력에 의해 움직임을 발생시키는 구동장치, 팔을 고정시키고 구동 부분과 동력원을 연결시키기 위한 프레임(몸체) 등으로 구성된다.
구동부는 로봇 액추에이터(actuator)를 중심으로 공압식, 유압식, 전기식 그리고 기계식으로 분류되고, 이중 출력은 작으나 제어성, 신뢰성이 우수하고 저렴한 가격의 장점을 가진 전기식 액추에이터가 가장 많이 사용되고 있고, 유압식은 출력이 높고 응답성이 우수하나 가격이 고가이며, 공압식은 소형으로 비교적 출력이 높고 가격도 저렴하지만 제어성, 응답성이 전기식이나 유압식에 비해 낮은 특성을 가지고 있다.
1.2. 제어부
기구부에 조작신호를 보내주어 움직임을 제어하는 동작제어기능과 작업내용을 정확하게 가르쳐주고 기억시켜 필요한 동작기능을 할 수 있도록 하는 교시기능으로 분류된다.
로봇제어기 기술은 기계/전기/전자/제어 등의 복합기술이 요구되는 분야로, 모터 구동부와 모터 제어기 그리고 로봇 몸체의 전제동작을 관절의 동작과 연관시켜 필요한 모터의 위치를 결정 하는 방법 등으로 구성된다.
1.3. 감각 인식부
로봇이 복잡한 작업을 수행하기 위해서는 인간과 같은 인식기기가 필요하며, 로봇의 팔, 손목 등의 위치 그리고 속도 또는 힘에 관한 상태를 알아내는 내계 계측기능(제어센서)과 외부대상물의 위치, 힘, 상대운동 그리고 음향을 파악하는 외계 계측기능(감각센서)으로 구성된다.
센서는 로봇이 주위 환경을 인식하고 인간과의 상호 작용이 가능하도록 필요한 정보를 획득하기 위해 사용되며, 주위 환경을 감지하는 기술은 크게 이동, 상황판단 그리고 인간과 상호작용 분야로 구분되고, 이동기능을 위해서는 위치 센서, 토크 센서 등이 사용되며, 상황판단은 위해서 촉각 센서 등이 사용되고, 인간과 상호 작용을 위해서는 청각 센서, 비전 센서 등이 사용되고 있다.
2. 기술 동향[1~3]
2.1. 조립용 로봇
2.1.1 티칭 펜던트
티칭 펜던트(teaching pendant)는 아이콘 및 타임라인 기반으로 프로그래밍이 가능하여 작업의 흐름을 직관적으로 확인할 수 있는 제어장치로, 기존 로봇의 경우 위치 정밀도가 가장 중요한 기술적 요소였으나, 조립용 로봇의 경우 위치 정밀도뿐만 아니라 힘/모멘트 제어 기능도 중요하게 되었다.
이러한 이유로 해외 선진업체들은 조립용 로봇에 힘/모멘트 제어 기능 탑재를 위해 많은 연구를 진행하고 있으며, 로봇이 제품을 삽입, 탈거 등의 작업 중 작업물과 로봇의 접촉상황에서 능숙한 작업자의 기술이 로봇의 운전에 적극적으로 반영될 수 있도록 관련 파라미터를 개발하고, 쉽게 튜닝할 수 있는 연구가 진행 중이다.
더불어 로봇의 구조를 사람의 신체와 비슷하게 설계하여 기존에 인간이 수행하던 작업들을 로봇이 수행할 수 있도록 하고 그리핑 파트(griping part)와 세팅 상태의 변화에 대응할 수 있는 센싱 기술 그리고 파트핸들링과 어셈블리 분야에서 로봇이 쉽게 적용할 수 있도록 해주는 티칭 기술의 개발에 많은 비용을 투자하고 있다.
2.1.2 셀 공정 로봇
전통산업에서의 제품 대량 생산라인은 컨베이어를 따라 반제품을 일정하게 이송시키며, 완제품으로 조립 해 나아가는 컨베이어 방식으로 정의할 수 있으나, 전기전자 제품 산업의 성장으로 셀 공정에 대한 관심이 높아지고 있다.
셀 공정은 주로 전기전자 제품 제조에 많이 적용되고 있는 공정 유형으로, 선진 제조업체들은 다양한 제조로봇에 일정 수준이상의 작업 지능을 추가하여 불량이 다량으로 발생하는 공정이나, 많은 시간이 소요되는 인간 작업 공정에 로봇을 투입하기 위한 연구를 진행 중이다.
FANUC, ABB LTD., KUKA AG 등의 제조용 로봇 선진 제조업체들은 로봇 지능화의 기본 요소인 힘 센서, 비전 센서 그리고 고성능 로봇 컨트롤러 등을 자체 개발하여 조립용 로봇의 지능화를 추구하고 있다.
선진 업체에서 개발 중이거나 제품화된 대표적인 로봇 지능화 기술은 3D 센서를 활용한 빈 피킹(bin-picking) 기술, 힘 센서를 활용한 정밀 조립 기술, 고감도 충돌 감지 기술, 외력 감지를 통한 능동 대응 기술, 다중 로봇 동기 및 협조 작업을 위한 네트워크 기술 등으로 구성되고, 더불어 말단부의 힘 센서를 활용하여 기계 부품의 정밀 조립 작업을 수행하도록 하고, 이를 통해 고도의 숙련이 필요한 작업까지 로봇 작업이 가능하도록 시도하고 있다.
2.2. 협동 로봇
2016년 초 ISO/TS 15066 협동로봇 안전 요구조건이 확정되면서 그 동안 안전에 대한 위협 때문에 안전망 안에서만 작업하던 기존 로봇 시스템과 달리 ISO/TS 15066 인증을 받으면 사람과 제조용 로봇이 같은 공간에서 협동 작업을 할 수 있게 되었다.
특히 소형 IT 제품 생산라인의 자동화 수요에 대응하기 위한 인간과 함께 배치되어 작업할 수 있는 협동로봇의 개발을 통해, 사람이 작업하는 것이 효율적인 공정(주로 창의적 판단이 필요하거나, 현재의 로봇 기술로는 달성이 불가능한 자동화 공정 등)은 작업자가 직접 수작업으로 수행하고, 나머지 공정은 로봇이 수행하는 효율적인 협업화가 가능하다.
인간-로봇 협력생산은 최종 목적지인 완전 무인화에 도달하기 위해서 필수적으로 거쳐야 할 기술개발 단계임과 동시에 현실적인 솔루션이 될 수 있다.
한 대의 로봇에서 여러 대의 협력으로 로봇의 형상적 측면에서의 발전이 현 시점까지 이루어졌다면, 이 후에는 로봇의 단독생산에서 인간-로봇의 혼성 생산 공정으로의 발전이 이루어질 것으로 예상된다.
3. 산업 동향[4~7]
3.1. 산업 특징
2015년 기준 국내 로봇산업 관련 사업체 1,867개 중 중소기업이 95.8%(1,789개사)로 대부분을 차지하고 있으며, 로봇 매출 10억 원 미만 사업체가 64.5%로 절반 이상을 차지하고 있다.
국내에서 로봇 사업을 영위하는 업체의 경우, 영세성이 다른 국가보다 과도하게 높은 상황으로, 신기술 개발을 위한 R&D 투자 여력이 미흡함에 따라 정부 차원의 장기적이고 체계적인 연구개발 환경 조성 및 재원 조달/지원이 필요한 상황이다.
로봇산업의 활성화를 위해서는 미국, 일본, 독일 등과 마찬가지로 규제 개혁이 적극적으로 추진되어야 하며, 일본의 경우 로봇산업 활성화를 위해 로봇 활용에 장애가 되는 규제를 완화하는 등 로봇 배리어 프리(robot barrier-free) 사회 구축을 위한 제도정비를 추진하고 있다.
3.2. 국내 업체
국내 제조용 로봇 및 관련 부품 제조업체로는 한화테크윈, 로보스타, 로보테크, 유진로봇, 현대로보틱스, 고영테크놀러지, 디에스티로봇, 라온테크, 삼익티에이치케이, 로보티즈, 하이젠모터, 엔티로봇, 티이에스, 로봇밸리 등이 있다.
한화테크윈의 협동로봇 HCR-5는 스위블 핸들과 태블릿 타입의 티칭 펜던트가 함께 구성 되어 있으며, 예비 부품이 모듈형으로 설계되어 있어 제품 수명 주기에 따라 자체적으로 쉽게 수리할 수 있어 운영비를 절감할 수 있다는 장점이 있고, 하나의 컨트롤 박스(제어기)로 두 대의 로봇을 동시에 운영이 가능하기 때문에 제어기 관련 초기 투자 비용을 절감할 수 있으며, 작업 환경 조건에 따른 가상 안전 경계(virtual safety boundary)를 설정하여 충돌을 사전에 회피하고, 작은 충격을 감지하면 자동으로 정지하기 때문에 별도의 안전 펜스를 설치 하지 않고 협동 작업이 가능하다.
로보스타는 수요처의 제조 공장 및 작업 환경을 고려한 직각좌표 로봇, 리니어 로봇, 스카라 로봇, Picker 로봇, Servo Press 로봇, 수직 다관절 로봇, 데스크탑 로봇, ATM 로봇, Vaccum 로봇 그리고 반도체 제조공정용 이송 및 적재 로봇(SEMI TR, EFEM, LPM, Pre-Aligner) 등을 생산하여 판매 중이다.
로보테크는 국내/외에 공장 자동화 Total Solution을 제공하고 있고, 직교좌표 로봇, 스카라 로봇, 겐트리 로봇, 수직다관절 로봇, 로봇 컨트롤러, 모션 컨트롤러, 서보 드라이버, 그리퍼, 스위블 등 100여 종에 달하는 주변기기 및 각종 라인 시스템을 개발/공급 중이며, 축적된 기술력을 바탕으로 전 제품을 표준화, 규격화한 Building Block System은 각 부품 및 설비공정을 블록화하여 설계자가 쉽고 빠르게 완성품을 제조할 수 있어, 조립, 가공, 용접, 물류, 검사라인 등 모든 라인공정에 적용될 수 있다.
현대로보틱스는 국내 제조용 로봇 시장 점유율 1위 업체로, 다양한 용량의 아크 용접 로봇, 핸들링 로봇, 실링 로봇, 이송/적재용 로봇 등을 생산하여 판매 중이며, LCD/반도체 제조공정에 사용되는 클린용 로봇을 제조 하여 국내/외 시장에 공급하고 있다.
3.3. 해외 업체
해외 제조용 로봇 시장을 주도하는 업체는 Fanuc(일본), ABB LTD.(Asea Brown Boveri, 스위스), Yaskawa Electric Corporation(일본), Kawasaki Heavy Industries(일본), Kuka AG(독일), DENSO(일본), Nachi-Fujikoshi(일본), Mitsubishi Electronic(일본), YAMAHA Robotics(일본) 그리고 ComauS.p.A(이탈리아) 등이 있다.
Market&Markets의 조사에 따르면, 2016년 기준 세계 제조용 로봇 시장에서 일본 Fanuc이 시장점유율 20.43%로 1위 업체이며, 스위스 ABB LTD. 18.73%, 일본 Yaskawa Electric Corporation 15.33%, 일본 Kawasaki Heavy Industries 8.51%, 독일 Kuka AG 8.51% 그리고 일본 DENSO 6.81% 순으로 구성되어있다.
대체적으로 세계 시장 점유율이 높은 상위권 업체일수록 기술개발에 대한 투자비용이 크고, 취급하는 로봇의 종류가 많아 다양한 전방산업으로부터의 매출 시현이 가능하며, 기존 재래식 생산/개발 공정에 얽매이지 않고, 타 산업분야와의 기술 융합을 통한 신기술 창출을 장려하고 있으며, 새로운 시장 진출을 위해 해당 지역의 선도 업체와 M&A, 기술 파트너 협약 등의 방법을 통해 영업망을 확대해 나가는 사업 추진 형태를 보이고 있다.
Fanuc은 주로 전기전자 부품 제조 산업, 식품 및 음료 제조 산업, 제약 산업, 자동차 조립산업에 최적화된 제조용 로봇 및 자동화 설비를 생산하고 있으며, 세계 46개국에 240여개의 대리점 및 기술센터를 운영 중에 있다.
ABB LTD.는 공장 자동화 및 제조용 로봇 분야 기술에 있어 세계 선두업체로, 기술 개발을 위해 막대한 비용을 투자하고 있으며, 주로 자동차 조립산업, 금속/플라스틱 가공 산업, 식품 및 음료 산업, 화학/제약 산업에서 요구하는 각종 자동화 설비 및 로봇을 제조하고 있다.
Yaskawa Electric Corporation은 반도체 및 액정 제조 산업에서 사용되는 아크 용접 자동화 로봇, 스팟 용접 자동화 로봇, 자동차 도장용 로봇, 자동차 부품 조립용 로봇 제품 개발에 집중하고 있고, Kawasaki Heavy Industries는 용접 로봇, 팔레타이징 로봇, 도장 로봇 등을 중심으로 기술 개발 및 제품 제조가 이루어지고 있다.
4. 시장 동향[8~10]
4.1. 국내 시장
국내 조립용 로봇 시장은 2011년 3,140억 원에서 연평균 26.79% 성장하여 2015년 8,116억 원을 시현하였으며, 연평균 7.46%의 성장률을 보이면서 2020년에는 1조 1,629억 원의 시장 규모를 형성할 것으로 전망된다.
또한 각종 산업 제품의 구조가 복잡해지고, 다양한 부품들이 좁은 공간에 밀집되어 조립되어가는 추세이기 때문에, 3D 비전시스템으로 위지 보정이 가능하고, 정밀 계측 센서를 통해 실시간 작업 정확도 측정이 가능한 고부가가치 장비 수요가 증가할 것으로 예상된다.
더불어 로봇 제어기술의 발전으로 조립용 로봇의 작업 정밀도가 고도화될수록 조립용 로봇이 적용되는 수요 산업 범위가 넓어질 것이며, 이에 따라 조립용 로봇은 국내 제조용 로봇 중 가장 큰 시장 비중을 유지할 것으로 전망된다.
국내 협동 로봇 시장은 2016년 92.8억 원에서 연평균 88.7% 성장하여 2018년 330.3억 원 규모이며, 2018년 이후 연평균 57.1% 성장하여 2024년에는 4,957.7억 원의 시장규모를 형성할 것으로 전망된다.
또한 국제로봇연맹(IFR)(2018)에 따르면 우리나라는 로봇 보유량 세계 4위 국가이며, 로봇 밀도 세계 1위를 기록한 국가로서, 국내시장에서 로봇 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.
더불어 국내 로봇산업은 “지능형 로봇 개발 및 보급 촉진법”을 제정하고 R&D, 실증, 보급 등 체계적 로봇산업 육성정책을 추진해 왔으나, 현시점 고위험/고강도 등 작업환경이 열악한 제조현장(뿌리, 섬유, 식/음료)에서는 로봇 활용도가 높지 않은 것으로 조사됨에 따라 폭넓은 로봇 활용 및 정착을 위한 개선노력이 요구되고 있는 등, 로봇 산업의 전반적 경쟁력은 취약한 상황이다.
4.2. 해외 시장
세계 제조용 로봇 시장 규모는 2013년 98.37억 달러에서 연평균 10.26% 증가하여 2015년 118.49억 달러를 시현하였으며, 연평균 10.09%의 성장률을 보이면서 2020년에는 191.64억 달러의 시장 규모를 형성 할 것으로 전망된다.
유럽 제조용 로봇 시장 규모는 2013년 22.17억 달러에서 연평균 5.56% 증가하여 2015년 24.65억 달러를 시현하였으며, 연평균 5.74%의 성장률을 보이면서 2020년에는 32.58억 달러의 시장 규모를 형성할 것으로 전망된다.
아시아태평양 제조용 로봇 시장 규모는 2013년 55.52억 달러에서 연평균 14.05% 증가하여 2015년 71.11억 달러를 시현하였으며, 연평균 12.7%의 성장률을 보이면서 2020년에는 129.26억 달러의 시장 규모를 형성할 것으로 전망된다.
또한 아시아태평양 지역의 제조용 로봇 시장은 세계 시장의 약 62.5%를 차지하고 있는 가장 큰 시장으로, 아시아태평양 시장의 성장은 중국에서의 제조용 로봇 수요 증가에 기인한 것으로 판단된다.
북미 제조용 로봇 시장 규모는 2013년 18.74억 달러에서 연평균 2.71% 증가하여 2015년 19.92억 달러를 시현하였으며, 연평균 3.54%의 성장률을 보이면서 2020년에는 23.71억 달러의 시장 규모를 형성할 것으로 전망된다.
또한 북미 제조용 로봇 시장은 세계 제조용 로봇 시장의 약 15%를 차지하고 있으며, 완성차 조립 및 자동차 부품 제조 산업에서 절반 이상의 수요가 발생하고, 금속 재료 가공 산업이 그 뒤를 이을 것으로 예상된다.
세계 협동 로봇 시장은 2016년 195백만 달러 규모에서 연평균 67% 성장하여 2018년 544 백만 달러 규모의 시장을 형성했으며, 2018년 이후 연평균 48.7%의 성장률로 성장하여 2024년에는 5,871백만 달러의 시장규모를 형성할 것으로 전망된다.
해외 로봇제조업체들은 연구/개발에 대한 투자 확대 및 관련 업체와의 M&A/파트너쉽 체결을 통해 영업망을 넓히고 있으며, 로봇 개발 역량을 통해 다양한 전방산업으로부터 매출을 시현하고 있으며, 제조용 로봇 수요 증가에 따라 전 세계적으로 매니퓰레이터, 제어기, 센서, 구동기, 모터 등의 로봇 관련 시장이 지속적으로 확대될 전망된다.
5. 주안점
제조용 로봇 산업은 전기/전자, 기계 설계, 소재 가공, 기계 제어 등의 다양한 기술 및 높은 수준의 기술이 요구되는 진입 장벽이 높은 종합 장치 산업이며, 제조업체의 인건비 부담 증가, 고령화, 저출산 등 가용 노동인력 감소현상 지속에 따라 조선, 자동차 등 조립 산업을 중심으로 제조용 로봇의 도입은 지속적으로 증가할 것으로 전망된다.
국내 제조용 로봇 산업의 약점을 분석하면 다음과 같다.
- 핵심 부품소재를 해외로부터 대부분 수입
- 제조용 로봇 제조업체가 대다수 중소기업 형태로 규모의 경제를 실현하기 힘듦
- 규모가 큰 국내 자동차, 조선, 반도체 및 디스플레이 산업의 경우, 공정 자동화 비율이 높아 내수 시장은 이미 포화 상태
국내 제조용 로봇 산업의 위협요인을 분석하면 다음과 같다.
- 중국의 대량생산 공정용 로봇 기술 수준의 급격한 상승 및 자국 시장에 대한 대규모 투자 진행
- 일본, 유럽의 양산기술 고도화에 따른 고성능 제품 가격 하락
- 선진업체와 국내업체 간 기술격차 존재 및 핵심 기술 특허 선점
References
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