[첨단 헬로티]

토크센서는 정밀도 우수, 전류센서는 가격 저렴

협동로봇 기업들, 소비자 니즈 맞춰 전략 개선 중

협동로봇은 겉으로는 비슷하게 보인다. 6개 정도의 관절과 사람 팔의 1.5배 정도의 길이(약 600 ~ 1300mm)와 두께. 물론 가반중량과 작업 반경에 따라 크기는 달라진다. (일반적으로 가반중량 3kg, 5kg, 10kg, 12kg 정도로 나눠진다. 최근 유니버설로봇은 16kg 가반중량의 제품을 새롭게 선보이기도 했다.)

하지만 하드웨어나 소프트웨어 부분에서 분명한 차이점은 있다. 그 가운데 협동로봇의 품질을 결정하는 요소 중 하나는 감지 센서다. 감지 센서는 사람이나 장애물 등 외부 요소와 부딪혔을 때 이를 감지하고 자동으로 정지하는 등 그에 따른 동작을 할 수 있도록 해주는 센서다.

협동로봇 기업들도 감지 센서 선택 여부에 맞춰 가격 정책 및 판매 전략을 구성한다. 현재 협동로봇은 크게 2가지, 토크센서 또는 전류센서를 적용하고 있다.

정밀도 측면에서는 토크센서가 더 높은 수준의 성능을 발휘한다. 가격 측면에서는 전류센서 방식을 적용하는 게 이익이다. 단순히 성능과 가격, 두 측면만으로 두 센서를 구별하기는 힘들다. 이번 호에는 두 센서의 차이가 무엇인지, 협동로봇 기업들은 센서 적용에 있어 어떤 전략을 짜는지 살펴본다.

토크센서와 전류센서는 무엇?

센서는 로봇의 상태(관절의 회전각, 주행위치 및 가속도 등)를 피드백하기 위하여 사용되는 한편, 외부환경(접촉상태 또는 물체와의 거리 등)을 파악해 상호작용하기 위하여 사용되기도 한다.

▲(오른쪽부터)로보티큐(Robotiq)의 토크센서 FT300과 ATI 토크센서 Mini45   <사진 출처 : 각 사 홈페이지>

▪ 토크센서 – 토크센서(F/T센서, Force and Torque Sensor)는 스트레인 게이지를 이용하여 물체의 무게나 동작 중에 발생하는 힘 또는 토크를 측정한다. 힘이 가해지면 뒤틀리는 특성을 가지고 있으며 뒤틀림에 비례하여 게이지에 흐르는 전류가 변화한다.

이러한 특성을 이용하여 힘과 토크의 3차원 벡터를 측정한다.

센서는 힘을 전달하기 위한 금속판으로 덮여있으며 금속판은 센서 중앙의 구조와 연결되어 6개의 스트레인 게이지에 힘을 전달한다. 금속판에 접촉이 발생하고 접촉력이 스트레인 게이지에 전달되면 6개의 게이지들에 대한 뒤틀림의 정도가 총 6개의 변수로 나타나고, 이 값이 교정된 강성 매트릭스(Calibration stiffness matrix)와 곱해져서 최종적으로 3축에 대한 힘과 토크를 측정하게 된다.

토크센서는 로봇 팔 힘 제어가 필요한 산업용 로봇에 사용되며, 협동로봇을 비롯해 힘/토크 계측 장비, 의료용 계측장비, 차량 및 로봇의 주행성능 평가 등 산업군 및 연구용으로 다양한 분야에 사용된다.

▲협동로봇(유니버설로봇)에 로보티큐의 토크센서를 장착해 연마 작업을 하고 있는 모습

▪ 전류센서 - 전류센서 방식은 전류 데이터를 기반으로 외부 충격을 판단한다. 전류센서는 모터에 일정한 전류(Electric Current) 값을 주는 도중 외부 충격으로 모터 운동에 제약이 걸릴 경우 더 큰 전류값이 주어진다.

로봇은 이를 알고리즘으로 ‘사람이나 장애물 등 외부 충격이 가해졌다’라고 파악해 멈추거나 우회하는 등의 사전 지시조건을 수행한다. 실제 센서가 있는 것은 아니다.

토크센서와 전류센서의 차이점

▪ 정밀한 작업은 토크센서 - 정밀성을 필요로 하는 경우라면 토크센서를 적용해야 한다. 토크센서가 탑재된 협동로봇의 경우 0.1mm 반복 정밀도를 가진다. 때문에 단순히 물건을 옮기는 수준을 넘어 일반 협동로봇에서 보다 정밀함을 요구하는 용접, 조립작업, 드라이버로 나사 돌리기, 금속표면 연마 등 비교적 섬세한 작업까지 원활히 수행할 수 있다.

▲오므론TM(omron TM) 협동로봇이 카오디오의 볼트를 체결하는 모습  <사진 출처 : 오므론 홈페이지>

▪ 가격 우선이면 전류센서 – 문제는 가격이다. 당연한 얘기지만 전류센서 방식의 협동로봇은 토크센서 비용이 절감된다. 어떤 토크센서를 적용했는가에 따라 가격 차이가 있지만 평균적으로 1,000만원 이상의 가격 차이가 난다.

업계 관계자에 따르면 실제 토크센서 가격은 개당 60만 ~ 70만원 정도 하지만 센서 장착에 따른 부수적인 요소도 있으며, 로봇 업체의 제품 전략에 따른 가격 정책도 반영된 가격 차이라 할 수 있다.

한 예로, 유니버설로봇의 경우 토크센서(UR-e시리즈 이전 모델)를 적용하지 않았음에도 4,000만원 초반대의 가격으로, 이는 해당 기업의 제품을 포함한 전반적인 솔루션에 대한 가격 정책이 서로 다름을 보여준다.

하지만 유니버설로봇을 제외하면 전반적으로 토크센서 대신 전류센서 방식을 적용한 제품들이 상대적으로 저렴한 것은 사실이다.

▪ 둔감성 – 전류센서 방식은 외부 충격 인식에 대한 둔감성이 존재한다. 모터에 흐르는 전류값이 정방향일 경우 정상적 수준으로 인식을 하지만 측면에서 충격이 가해지는 경우 둔감한 반응을 보인다는 것이 업계 관계자의 설명이다.

어떤 방식이 효과적일까?

토크센서와 전류센서 중 어떤 방식을 선택하는가는 기업 전략의 문제다.

하이투자증권에서 발표한 ‘Evolution of Robot Industries : From Factory to Human Lives’ 보고서를 보면, 토크센서에 대해 기업마다 관점이 다르다고 말한다. 몇 개 안 되는 어플리케이션을 위해 각 조인트마다 센서를 넣어서 제품 가격이 높아지면 사실상 협동로봇의 취지가 사라진다는 접근이 있는가 하면, 토크센서를 넣으면 세밀한 힘까지 감지할 수 있기 때문에 협동로봇임에도 고난이도 작업을 할 수 있고 자동으로 무게나 중력 방향을 추정하는 기능을 제공하는 등 차별화가 된다는 의견도 있다.

협동로봇 시장 초기 쿠카, 화낙(FANUC), ABB, 야스카와, 가와사키사업용 로봇 전문 기업들이 모든 관절마다 토크센서가 적용된 고성능 협동로봇을 출시했다. 그만큼 비쌌다. 반면 유니버설로봇은 고성능 전략보다는 다양한 분야에서 사용할 수 있고, 사용자 접근성을 좋게 하는 전략으로 제품을 출시했다.

현재는 산업용 로봇 기업들의 협동로봇의 경우 의료용 로봇과 같이 가격보다는 정밀성이 우선되는 산업 분야를 주로 공략하고 있다. 반면 유니버설로봇을 비롯해 이후 이 시장에 뛰어든 기업들은 다양한 분야, 다양한 규모의 사업장 등에 사용되고 있다.

▲2019 한국산업대전(10월22일~25일, 킨텍스)에서 두산로보틱스가 협동로봇 ‘A시리즈’를 선보였다.  <사진 출처 : 두산로보틱스>

 - 정밀성 더 높이거나 혹은 가격 낮추거나

전략이 아이러니하다. 어떤 기업은 정밀성을 더 높이기 위해 토크센서를 뒤늦게 적용하고, 어떤 기업은 가격을 낮추기 위해 토크센서를 적용 수를 줄이고 있다. 목적은 소비자 만족이다. 가격 부담을 낮춰 사용자들의 접근성을 높이면서 성능에 대한 부족함을 채우고자 하는 것이다.

6개 관절 모두에 토크센서를 적용했던 두산로보틱스는 전류센서 방식의 협동로봇 ‘A시리즈(A0509, A0509s, A0912, A0912s)를 새롭게 선보였다. 기존 M시리즈가 성능 중심의 프리미엄 제품이라면 A시리즈는 구매 접근성을 높이 보급형 제품이다.

두산로보틱스의 제품 홍보자료를 보면, A시리즈는 전류센서 방식이 가지는 충돌 감지 한계성을 보완하기 위해 딥러닝 기술이 적용된 ‘인텔리전트 세이프티’ 기능이 탑재돼 있다고 나와 있다.

유니버설로봇은 반대의 전략을 펼치고 있다. 지난 8월 발표한 협동로봇 e시리즈는 하드웨어 및 소프트웨어 기술을 한층 개선시켰다. 그 중 하나가 마지막 관절에 토크센서를 장착한 것. 이 센서는 모듈 형태로 추가 장착할 수 있는 개념으로 미국 ATI사의 토크센서 ‘Axia80’을 적용했다.

유니버설로봇 관계자는 “F/T센서를 적용함으로써 기존에 할 수 없었거나 정밀도가 부족했던 작업들이 가능하게 됐다. 이를 통해 작업 가능 범위가 더욱 폭넓어졌다”고 설명했다.

이 외에 관절 모터 움직임에 대한 안전성, 하우징 등의 하드웨어가 개선됐으며, SW는 사용자 편의성 향상에 초점을 맞춰 개선되었다. 제품 라인업은 기존과 동일하게 가반 중량에 따라 UR3e(3kg), UR5e(5kg), UR10e(10kg)이다. 가격은 기존 제품 대비 10 ~ 15% 상승했다고 한다.

하지만 반드시 토크센서가 가격을 결정하는 요소는 아니다. 독일의 협동로봇 기업 ‘프랭카 에미카(FRANKA EMIKA)’의 경우 7개 관절의 협동로봇을 만들었는데, 관절 모두에 토크센서를 적용했음에도 불구하고 가격이 1,300만원대다. 협동로봇의 가격이 단순히 하드웨어적인 부분만 고려해 책정하는 것도 아니고 토크센서 외에 모터, 엔코더, 감속기 등 가격 요소를 결정하는 요소가 많지만, 이를 반영한다고 해도 협동로봇 시장의 평균 가격대와 큰 차이를 보이는 것은 사실이다.

▲프랭카 에미카의 협동로봇 ‘판다(Panda)’  <사진 출처 : 프랭카 에미카>

결국, 토크센서 가격 내려갈 것

시장은 대부분 상향평준화 된다. 협동로봇 시장에서도 나중에는 대다수 기업들이 토크센서를 적용할 것이라고 업계 관계자는 말한다. 이유는 현재 토크센서 가격이 점차 낮아지고 있고, 로보티큐(ROBOTIQ, 캐나다), ATI(미국) 등 토크센서 기업들이 모듈 형태로 제품을 선보이고 있어서 기업 입장에서 적용이 비교적 용이해 질 것이기 때문이다.

무엇보다 현재로써는 외부 감지, 정밀한 작업 등의 민감성 부분이 알고리즘 즉, 전류센서 방식으로 대체하기에는 분명 한계가 있다는 것이다.