재구성 가능한 협동로봇 머신텐딩 시스템을 위한 ISO 21919 기반의 자산 관리 쉘 구현

Asset Administration Shell for Reconfigurable Cobot Machine Tending System using ISO 21919

[논문 저자 정보]

^1*김동준, ¹최민호, ¹문준혁, ²김민지, ^1,2#엄주명, ³이재학

¹경희대학교 인공지능학과, ²경희대학교 산업경영공학과, ³한국생산기술연구원

[연구 수행 배경]

현대의 제조업은 끊임없는 혁신과 발전을 하고 있다. 이러한 변화의 중심에서 머신텐딩 시스템의 역할이 더욱 중요해지고 있으며 숙련된 인력 부족이라는 현실적인 문제를 해결하고자 머신텐딩 시스템이 등장하였다. 머신텐딩 시스템은 공작기계의 효율적인 운영을 지원하기 위해서 재료의 로딩, 언로딩, 공구 교체 등의 작업을 자동으로 수행하는 로봇 시스템이다. 이러한 머신텐딩 시스템의 도입은 공장 운영의 유연성을 높이고, 생산 비용을 절감하며, 제조 공정의 안전성과 효율성을 향상시키는 데 기여한다.

이러한 머신텐딩 시스템의 보편적 적용과 효율적 운영을 위해 국제 표준인 ISO 21919가 주요한 역할을 하였다. 이 표준은 다양한 제조 환경에서 로봇과 공작기계 간의 통신에 대한 표준을 제시하여 시스템의 호환성과 통합성을 보장하고자 하였다. 현재 경희대학교 스마트 팩토리 연구실에서는 이러한 국제 표준을 국내 산업 환경에 맞게 적용하기 위한 KS화 작업을 진행하고 있다.

ISO 21919의 KS화 작업과 더불어, 이 표준에 기반한 머신텐딩 시스템의 실증 작업을 수행하기 위해서는 전문 기술과 경험이 필요한 상황이다. 이를 위해서 저희는 생산기술연구원과의 협업이 이루어졌다. 협업을 통해 실제 제조 환경에서 ISO 21919 표준에 기반한 머신텐딩 시스템의 적용 가능성을 검증하고 시스템의 성능과 안정성을 평가하고자 하였다.

[그림 1] 실증 작업을 위한 생산기술연구원의 테스트베드

[ 연구 요약 ]

현재 제조 산업 현장에서는 숙련된 전문 작업자가 항상 부족한 상황이다. 이러한 숙련된 전문 작업자의 부족으로 인해서 머신텐딩 시스템은 공작기계 산업에 빠르게 확산되는 스마트 팩토리 기술 중 하나이다.

[그림 2] 제조 산업 현장에서의 머신텐딩 시스템 (ISO 21919)

이러한 머신텐딩 시스템은 머신텐딩을 위한 로봇과 공작기계 간의 통신이 필수적이다. 그러나 로봇과 공작기계 간의 복잡한 통신을 안전하게 프로그래밍하기 위해서는 수많은 경험을 가지고 있는 전문 프로그래머가 필요한 상황이다. 그렇기에 본 연구에서는 다품종 소량화 되는 제조 환경에 대응하기 위해서 머신텐딩 국제 표준인 ISO 21919 통신 프로토콜 표준에 기반하여 손쉽게 재구성할 수 있는 협동 로봇 시스템을 제안하게 되었다.

[그림 3] 통합 및 표준화된 머신텐딩 시스템의 방향성과 산업 현장의 구조

기존의 협동 로봇을 프로그래밍하는 것과 다르게 새로운 머신텐딩 제조 셀의 구성에 맞추어 자산관리쉘(Asset Administration Shell, AAS)을 활용한 데이터의 중립적인 정보 표현을 활용하여서, 개별 프로그램의 별도 프로그래밍을 최소화하여 새로운 구성과 환경에 다양하게 적용할 수 있는 시스템을 개발하는 것을 목적으로 하였다. 이 시스템의 구조는 협동 로봇과 공작기계를 모두 포함하여, 모두 단일의 AutomationML 파일을 통해서 상호 연결되는 구조이다. 여기서 사용한 AutomationML은 개방형 표준으로 제공되는 플랜트 엔지니어링 정보의 저장 및 교환을 위한 XML 기반의 중립 데이터 형식으로, 서로 다른 분야에서 현대 엔지니어링 도구의 이기종 도구 환경을 상호 연결하는 것이 목표로 하기에 본 연구의 목적성과 부합하는 방식이었다.

[그림 4] XML 기반의 중립 데이터 형식인 AutomationML (AutomationML)

해당 파일은 필수 신호 시스템을 구조화하기 위해서 자산관리쉘로 작동하면서 시스템의 통합을 단순화하고 개별 파일의 재프로그래밍의 필요성을 대폭 줄일 수 있다. 특히, 기존의 머신텐딩 국제 표준인 ISO 21919 표준에서 다루지 않은 협동 로봇과의 안전 시나리오에 기반한 위험 감지 센서와의 통합과 사물인터넷 통신 프로토콜의 활용 방안을 개발하였다. 이렇게 개발된 시스템은 공작 기계와 머신텐딩 협동 로봇, 실시간 오프라인 프로그래밍, 작업자 인식을 위한 센서를 활용하여 작업자의 접근에 대응하는 프로토타입을 개발하여 제시한 협동 로봇 시나리오를 통한 대응을 검증하였다.

[ 수상 소감 ]

경희대학교 스마트 팩토리 연구실에서의 여정이 점차 성숙해지고 있습니다. 학부 연구생으로 출발해 이제는 석사 과정을 거치며 연구의 깊이와 폭을 넓혀가고 있습니다. 최근에는 CDE 학회에 두 번째로 참가하게 되었는데, 놀랍게도 수상을 하게 되어 기쁨과 감사함이 가득합니다. 이전 학회에서는 포스터 발표를 통해 연구 내용을 공유했었는데, 이번 학회에서는 구두 발표를 진행했습니다. 대규모의 공간에서 발표하는 것은 예상대로 긴장을 높였지만, 엄주명 교수님의 지도 아래에서 준비한 논문의 내용을 명확하게 전달할 수 있었습니다. 이번 연구는 제 석사 과정의 졸업 논문 주제로 선정되었습니다. 그만큼 연구의 의미와 중요성을 깊게 느낄 수 있었습니다. 학회에서 수상을 하며 다른 연구자들의 인정을 받은 것은 큰 자부심입니다. 이를 토대로 더 나은 연구로 발전시키기 위해 노력하고 싶습니다. 이번 경험을 통해 연구에 대한 열정과 헌신을 더욱 키워가고자 합니다.