힘·토크 제어로 진화하는 산업용 로봇
로봇은 사전에 입력된 경로를 정밀하게 반복할 수 있지만, 부품 편차나 위치 오차, 툴 마모가 발생하는 작업에서는 단순 반복 동작만으로 한계가 있다. 힘· 토크(Force/Torque) 제어는 로봇이 작업 중 발생하는 힘을 감지하고, 이를 바탕으로 경로와 자세를 미세하게 보정하도록 돕는 기술이다. 이 기사는 MWES가 공개한 백서 「The Force/Torque System: In Depth Robotic Capabilities」를 바탕으로, ‘KUKA.ForceTorqueControl’을 예로 들어 힘·토크 제어의 구성과 작동 방식, 정밀 조립·연마·제품 테스트 분야의 적용 가능성을 정리했다.
로봇 자동화의 한계를 보완하는 힘·토크 제어
산업용 로봇은 사전에 입력된 경로를 빠르고 정밀하게 반복 수행하는 데강점이 있다. 그러나 모든 제조 공정이 동일한 조건에서 반복되는 것은 아니다. 부품의 위치가 미세하게 달라지거나, 공차로 인해 삽입 각도가 어긋나거나, 툴 마모로 접촉 조건이 변하는 경우 로봇은 단순한 위치 제어만으로 안정적인 작업을 수행하기 어렵다.
이때 필요한 것이 힘·토크 제어다. 힘·토크 제어는 로봇 말단부에서 발생 하는 힘과 비틀림을 감지하고, 이를 바탕으로 로봇의 경로와 자세를 미세하게 보정하는 기술이다. 작업 중 접촉 상태를 감지한다는 점에서 로봇에 일종의 ‘촉각’을 부여하는 기술로 볼 수 있다.
대표적으로 KUKA.ForceTorqueControl(쿠카 포스 토크 컨트롤)은 이러한 기능을 구현하는 하드웨어·소프트웨어 패키지다. 여기서 KUKA 시스 템은 힘·토크 제어를 실제 로봇 애플리케이션에 적용하는 구체적인 구현 사례로 제시된다. 이 패키지는 로봇이 사전에 정해진 지점 간 이동을 반복하는 데 그치지 않고, 작업 중 발생하는 힘의 변화를 감지해 민감한 애플리케이션에 대응할 수 있도록 한다.
사람은 부품을 조립하거나 물체를 정렬할 때 촉각을 활용해 자연스럽게 힘과 방향을 조절한다. 열쇠를 열쇠 구멍에 맞추거나, 어두운 곳에서 스위치를 찾거나, 연필을 누르는 힘을 조절하는 동작도 모두 촉각에 의존 한다. 제조 현장의 정밀 조립도 마찬가지다. 여러 부품을 정확히 맞춰 삽 입해야 하는 작업에서는 위치뿐 아니라 접촉 힘과 각도 변화까지 함께 판단해야 한다.
힘·토크 제어는 이러한 판단 과정을 로봇 작업에 적용한 다. 로봇은 센서가 감지한 힘과 토크 값을 기반으로 경로와 자세를 조정하며, 이를 통해 정밀 조립, 삽입, 연마와 같이 접촉 조건이 중요한 공정에 대응할 수 있다.
힘·토크 센서와 경로 보정의 작동 방식
힘·토크 제어 시스템은 로봇 말단부에 장착된 힘·토크 센서를 통해 작업 중 발생하는 힘을 측정한다. 백서에서는 ATI 힘·토크 센서를 예로 들며, 이 센서가 로봇 암 끝단의 툴이나 부품에 작용하는 힘을 X, Y, Z 방향으로 측정한다고 설명한다. 또한 각 축을 기준으로 발생하는 비틀림도 함께 감지하는데, 이 비틀림이 토크다.
제조 현장에서 힘과 토크는 하나의 방향으로만 발생하지 않는다. 접촉, 삽입, 정렬, 연마 작업에서는 여러 방향의 힘이 동시에 작용하는 경우가 많다. 따라서 힘·토크 센서는 세 방향의 힘과 세 방향의 토크를 함께 측정해 로봇이 작업 중 접촉 상태를 판단할 수 있도록 한다.
센서에서 측정된 값은 디지털 신호로 변환된 뒤 로봇 컨트롤러로 전달된다. 백서에 따르면 KUKA 시스템에서는 측정 주기를 사용자가 4ms 또는 12ms로 설정할 수 있으며, KUKA RSI(Robot Sensor Interface)를 통해 로봇이 움직 이는 동안에도 센서 데이터를 고속으로 수집할 수 있다.
수집된 힘·토크 값은 힘·토크 제어 애플리케이션 소프트웨어에서 활용된다. 이 소프트웨어는 로봇 컨트롤러에서 실행되며, 사전에 프로그램된 경로를 작업 조건에 맞춰 미세하게 보정한다. 보정 방식은 수행하려는 공정에 따라 달라 지며, 로봇 프로그래머는 애플리케이션에 적합한 알고리즘을 선택할 수 있다.
접촉 작업에서 힘을 기준으로 로봇 경로 보정
연마·광택 공정에서는 로봇이 표면에 접촉한 상태에서 특정 방향으로 일정한 힘을 유지하는 것이 중요하다. 힘이 일정하게 유지되지 않으면 표면 처리 품질이 흔들릴 수 있기 때문에, 소프트웨어는 원하는 방향의 힘 값을 유지하도록 로봇 위치를 보정한다.
부품 삽입 작업에서도 힘·토크 제어는 중요한 역할을 한다. 부품과 구멍의 공차가 작거나 맞춤이 매우 정밀한 경우, 단순한 위치 제어만으로는 삽입 과정 에서 걸림이나 오정렬이 발생할 수 있다. 이때 시스템은 삽입 방향에서 발생 하는 불필요한 저항력을 줄이기 위해 나머지 두 방향의 경로를 조정한다.
또한 토크 값은 삽입 각도가 올바른지 판단하는 지표가 될 수 있다. 높은 토크가 감지되면 부품이 기울어진 상태로 삽입되고 있음을 의미할 수 있으며, 이 경우 각도 보정이 필요하다. 측면 하중, 즉 삽입 방향이 아닌 옆 방향으로 발생하는 힘은 부품 간 위치 정렬이 어긋났는지를 보여주는 신호로 활용될 수 있다. 이러한 경로와 자세 보정은 애플리케이션 소프트웨 어를 통해 수행되며, 공정 조건에 따라 다양한 파라미 터를 설정해 맞춤형 로봇 작업으로 구현할 수 있다.
▲ 힘·토크 소프트웨어는 로봇 작업 중 발생하는 힘과 토크 값을 그래프로 표시해 공정 상태와 이상 여부를 확인할 수 있도록 한다.
실시간 모니터링과 공정 피드백
KUKA 로봇에서는 힘·토크 값을 실시간으로 모니터 링할 수 있다. 힘·토크 제어 애플리케이션이 실행되는 동안 센서가 감지한 힘과 토크 값은 화면에 그래프로 표시된다. 이를 통해 작업 중 발생하는 접촉 상태를 확인하고, 공정 이상이나 오정렬 문제를 진단할 수있다.
이러한 실시간 데이터는 공정 튜닝에도 활용된다. 작업 조건을 조정하면 그 결과를 즉시 확인할 수 있기 때문에, 로봇 경로와 힘 제어 조건을 보다 정밀하게 최적화할 수있다. 또한 RSI 인터페이스 소프트웨어를 통해 힘 데이터를 기록해 이후 재생하거나, 원격 컴퓨터 시스템으로 전송해 실시간 데이터 수집·분석에 활용할 수도 있다.
센서가 감지한 힘이 설정된 허용 범위를 벗어나는 경우, 시스템은 이를 이상 상태로 판단하고 알람을 발생시킬 수 있다. 이 기능은 공정 품질 관리와 장비 보호 측면에서도 활용할 수 있다.
▲ 티치 펜던트에서 힘·토크 애플리케이션을 설정하는 화면. 작업 조건에 맞춰 힘·토크 제어 파라미터를 조정할 수 있다.
단계적 검증을 통한 공정 적용
힘·토크 제어가 특정 애플리케이션에 적합한지 판단하기 위해 서는 단계적인 검증 과정이 필요하다. 먼저 개념 검증(Proof of Concept, PoC) 프로젝트를 통해 해당 작업에서 힘·토크 제어가 실제로 효과를 낼 수 있는지 확인할 수 있다.
PoC 결과가 최종 사용자의 요구를 충족한다면, 이를 실제 생산 공정에 적용할 수 있는 프로세스로 발전시킬 수 있다. 이 과정에 서는 작업 대상의 공차, 접촉 조건, 요구 힘 값, 반복 정밀도, 사이클 타임 등을 함께 검토해 공장 환경에 맞는 자동화 공정으로 통합하게 된다.
정밀 접촉 공정으로 확장되는 로봇 애플리케이션
힘·토크 제어는 정밀한 부품 정렬과 접촉 제어가 필요한 공정에서 활용될 수 있다. 대표적으로 밸브 헤드에 밸브를 삽입하는 작업, 밸브 슬리브에 스풀을 조립하는 작업, 기어박스나 모터 조립 과정에서 샤프트를 베어링 하우징에 정렬하는 작업 등이 있다. 이외에도 주조품의 정밀 연삭·버핑 공정처럼 일정한 접촉 힘을 유지해야 하는 작업이나, 장치를 작동시키는 데 필요한 힘을 측정해 합격·불합격을 판정하는 제품 테스트에도 적용할 수 있다.
결국 힘·토크 제어의 핵심은 로봇이 단순히 정해진 위치로 이동 하는 것을 넘어, 작업 중 발생하는 힘의 변화를 감지하고 이에 맞춰 경로와 자세를 조정하도록 하는 데 있다. 이를 통해 로봇은 부품 편차, 위치 오차, 접촉 조건 변화가 발생하는 공정에서도 보다 안정적으로 작업을 수행할 수 있다.
정밀 조립, 삽입, 연마, 검사와 같은 공정에서는 위치 정밀도만으로 해결하기 어려운 문제가 많다. 힘·토크 제어는 이러한 작업에 필요한 접촉 감지와 피드백 제어를 제공함으로써, 로봇 자동화의 적용 범위를 민감한 제조 공정으로 확장하는 기술로 볼 수 있다.
자료제공: MWES(www.mwes.com)
