[첨단 헬로티]

일본에서는 제조업 분야에서 로봇을 활용한 노동 생산성의 향상이 달성된 경위가 있다. 그러나 서비스 산업 분야에서는 아직도 그 대부분의 작업을 인력에 의존하는 노동집약형 산업으로, 인력 부족·후계자 부족이라는 과제에 대응하기 위해서도 로봇을 적극적으로 활용하는 것이 요구되고 있다. 우리 그룹에서는 노동집약형 산업의 인력 부족 문제를 해결하기 위해 사회 실장을 위한 로봇 시스템 '로보틱스 솔루션'을 제창하고 있으며, 지금까지 통조림 제조 공정의 정량 충전 작업용 로봇 시스템 구축 등을 해왔다.

도매·소매업 혹은 숙박업이나 음식업 등에서는 사람이기 때문에 제공 가능한 서비스도 존재하지만, 그 한편으로 사람이 아니어도 가능한 단순 작업도 많이 존재한다. 예를 들면 Amazon에서는 상품 창고 내의 전자동화에 착수하고 있으며, 개별로 관리된 많은 상품군에서 주문에 따라 대상 상품을 로봇이 자동 반송한다. 이처럼 백야드의 대상품 작업은 반송이 그 대부분을 차지하고 있으며, 이 작업을 자동화할 수 있으면 사람은 반송된 상품의 체크나 대인 업무에 집중하는 것이 가능해진다.

소매업의 대표격이 되는 편의점은 전국에 거대한 체인 점포망을 가지고, 널리 획일적인 서비스를 제공하고 있다. 그 서비스 내용은 크게 나누면, 접객을 중심으로 한 대인 서비스와 입하한 상품의 백야드 보관과 선반 진열을 중심으로 한 대상품 작업이 된다.

최근에는 '계산대 옆'에서 제공되는 핫 스낵이나 커피 제공을 위한 준비 등도 있어, 점원에게 요구되는 작업량은 다방면에 걸쳐 있기 때문에 대인 서비스에 집중하고 육체적인 부담 경감·작업량 절감을 위해서도 대상품 작업의 자동화에 대한 기대가 높아지고 있다. 이러한 배경에서 우리들은 대상품 작업 중 상품 선반 진열에 주목해, 로봇 시스템에 의한 자동화에 대응하기로 했다.

로봇 시스템의 구성

1. 설계 요구

선반 진열 작업의 시행을 실시하는데 있어 각종 조건은 다음과 같이 정했다. 점포 내는 대개 바둑판 모양처럼 선반이 배치되어 있으며, 선반과 선반 사이는 대략 1700mm 정도의 간격으로 되어 있는 것으로 하고, 대상 상품은 진열 개수가 많은 주먹밥, 도시락, 드링크 3종류로 했다. 그림 1 (A)에 주먹밥, (B)에 드링크, (C)에 도시락의 외관을, 표 1에 제원을 나타냈다.

앞에서 말한 조건을 근거로 상품 진열을 자동적으로 하는 로봇 시스템에 우리는 이하의 3가지 설계 요구를 설정했다.

 

· 상품 가치를 손상하지 않고 진열을 달성 

· 형상, 크기, 재질이 다른 다양한 상품의 파지․반송이 가능 

· 기존 상품이나 인프라로 변경을 가하지 않고도 도입이 가능

이상의 요구를 만족시키는 로봇 시스템의 최소 구성은 ‘대상물을 광의로 파지 가능한 핸드를 가지고 있다’, ‘대상물을 반송 가능한 암을 가지고 있다’, 및 ‘대상물을 탑재한 컨테이너와 핸드가 있는 암부를 반송 가능한 이동기구를 가지고 있다’로 설정, 그림 2에 나타낸 로봇 시스템 ‘Kylin(기린)’을 구축했다. 또한, Kylin의 제원은 표 2에 나타낸 것과 같다.

2. 핸드부 구성

앞에서 말한 ‘상품 가치를 손상하지 않는다’, ‘기존의 상품이나 인프라에 변경을 가하지 않고 도입 가능하다’의 2가지를 달성하기 위해 상품을 파지하는 핸드부에는 비접촉식 흡착패드(COP-60, 주식회사 묘토쿠)를 사용했다. 비접촉식 흡착패드는 베르누이의 정리에 의해 비접촉 반송을 가능하게 하고 있으며, 그 원리의 간략도를 그림 3에 나타냈다. 비접촉식 흡착패드에 의해 흡착력은 크게 취할 수 없지만, 상품 형상에 좌우되지 않고 상품의 파지가 가능하며, 흡착 흔적을 남기지 않고 또한 그리퍼식 핸드의 오동작 등에 의한 상품의 파손(압궤 등)이 생기지 않는다. 

핸드부는 피치와 요의 2자유도를 갖는 것으로, 컨테이너에서 선반으로 반송하는 데 있어 대상물의 자세 변화를 가능하게 했다. 핸드부 개관을 그림 4에 나타냈으며, 그 제원은 표 3에 나타냈다.

3. 암부 구성

대상이 되는 상품은 컨테이너 내에서 핸드부에 의해 파지해, 소정의 선반 위치(상․중․하단, 선반 오른쪽․중앙․왼쪽부 등)에 반송시킬 필요가 있다. Kylin은 3개의 직동 실린더를 조합한 직교 좌표형 로봇 구성을 취함으로써 이것을 달성한다. 로봇 좌표계에 대해 각 축 방향의 동작은 직동형 전동 액추에이터(X축 : LEFS40B-700B(액추에이터), LECPANDLEFS40RB-700(드라이버) ; Y축 : LEFS40B-600B(액추에이터), LECPANDLEFS40RB-600(드라이버) ; 및 Z축 : LEFS40B800B(액추에이터), LECPANDLEFS40RB–800 (드라이버) ; 모두 SMC 주식회사)를 이용했다.

4. 이동기구부 구성

편의점 각사에서 이용되는 선반은 서로 독립적이어도 체인 점포의 인프라는 통일되어 있다. 따라서 장래에 로봇 시스템의 도입을 도모하는 데 있어 점포 내의 인프라를 변경하지 않고 점포와는 독립된 로봇 시스템의 구성이 바람직하다고 판단했다. 또한, 점포 내의 선반과 선반 사이(대략 1700mm 정도)를 이동 가능한 이동기구를 가지고 있을 필요가 있다.

한편, 점포 내는 2차원 평면으로 구성되어 있는 것을 가정하면, 협소 공간 내의 전방향 이동이 가능한 옴니휠을 이용한 이동기구(메카넘 대차, 주식회사 토사덴시)가 유용하다고 판단됐다.

5. 시스템 구성

앞에서 말한 기능을 고려해 구축한 시스템 구성도를 그림 5에 나타냈다. PC 상의 LabVIEW를 이용해 모든 액추에이터에 지령값을 보내고 있다. 또한, 만일에 대비해 기체의 모든 액추에이터에 전원 공급을 끊는 비상 정지 스위치를 탑재하고 있다.

Kylin에 의한 선반 진열 작업의 시행

설계 요구에서 말했듯이, 동일한 체인의 편의점 점내는 대체로 획일화된 인프라로 되어 있기 때문에 상품을 배치하는 선반의 위치나 형상, 선반의 어느 위치에 상품을 배치할지 등도 획일화되어 있다. 그렇기 때문에 Kylin에 의한 선반 진열 작업은 각 상품을 선반에 미리 정한 순서로 진열하도록 시퀀스화하고, 이 시퀀스를 Kylin의 제어계에 내장함으로써 정형 작업을 신속하게 할 수 있는 것을 목표로 했다.

선반 진열 작업에 있어 로봇 시스템은 기체 상의 컨테이너에서 상품을 들어 올려 선반에 진열을 한다. 컨테이너 내의 상품 위치, 자세는 고정함으로써 이미 알고 있는 조건으로 했다. 각 상품은 3개씩 진열하는 것으로 하고, 동일 종류 3개의 선반 진열 작업을 마친 후에 다음 상품의 선반 진열 작업을 하는 것으로 해 드링크, 주먹밥, 도시락 순으로 했다. 이하에 각 상품에 관련된 시퀀스를 나타낸다.

1. 드링크의 선반 진열 작업 시퀀스

① 컨테이너 내 소정의 위치에 배치된 드링크의 윗뚜껑 부분까지 흡착패드를 이동시킨다

② 2개의 흡착패드 밸브를 열고, 드링크를 2개 동시에 흡착한다

③ 컨테이너 내에서 핸드를 들어올려 진열하고 싶은 선반의 높이까지 드링크를 들어 올린다

④ 핸드를 선반의 내부까지 침입시켜 밸브를 닫고 드링크를 옮긴다

⑤ 핸드를 선반에서 빼낸다

⑥ 모든 드링크를 다 진열할 때까지 ①로 되돌아가 위의 동작을 반복한다

2. 주먹밥의 선반 진열 작업 시퀀스

① 컨테이너 내 소정의 위치에 라벨을 윗방향으로 쓰러뜨려 배치된 주먹밥의 중앙 부분까지 흡착패드를 이동시킨다 

② 흡착패드의 밸브를 열고, 주먹밥 1개를 흡착한다 

③ 컨테이너 내에서 핸드를 들어 올려 진열하고 싶은 선반의 높이까지 주먹밥을 들어 올린다

④ 핸드를 선반의 내부까지 침입시키고, 흡착패드를 90도 피치 회전시켜 주먹밥을 세운다

⑤ 밸브를 닫고 주먹밥을 옮긴다 

⑥ 핸드를 선반에서 빼낸다 

⑦ 모든 주먹밥을 다 진열할 때까지 ①로 되돌아가 위의 동작을 반복한다

3. 도시락의 선반 진열 작업 시퀀스

① 컨테이너 내 소정의 위치에 배치된 도시락의 뚜껑 부분까지 흡착패드를 이동시킨다 

② 도시락은 중량이 있으므로(대략 500g), 2개의 흡착패드를 이용해 1개의 도시락을 흡착한다 

③ 컨테이너 내에서 핸드를 들어올려 진열하고 싶은 선반의 높이까지 도시락을 들어 올린다

④ 핸드를 선반의 내부까지 침입시켜 밸브를 닫고 도시락을 옮긴다 

⑤ 핸드를 선반에서 빼낸다 

⑥ 모든 도시락을 다 진열할 때까지 ①로 되돌아가 위의 동작을 반복한다

시행 결과와 앞으로의 전망

그림 6에 이 시퀀스에 기초한 Kylin에 의한 선반 진열 작업의 시행 결과를 나타냈다. (Ⅰ)는 작업 개시 시의 모습이다. 이어서 (II)에서는 선반 앞으로 이동을 하고, (III), (IV), (V)는 각각 드링크, 주먹밥, 도시락의 진열을 마쳤을 때의 모습이다. (VI)은 모든 진열 작업을 끝냈을 때의 모습이다. 

메카넘 대차는 0.2[m/s]의 속도로 이동하고, 암부는 50[mm/s]로 동작시켰다. 드링크, 주먹밥, 도시락을 각각 3개씩 진열 완료하는 데에 걸린 시간은 드링크가 1분, 주먹밥이 1분 20초, 도시락이 2분 10초였다.

이 결과로부터 모든 상품을 소정의 선반에 진열할 수 있었다고 판단된다.

그러나 이 시퀀스는 오픈 루프 제어로 실시했기 때문에 선반의 앞까지 기체가 이동할 때에 바퀴가 헛돌거나, 혹은 어떤 외란을 받음으로써 미리 정한 정지 위치에 맞지 않아 상품을 진열할 때에도 소정 위치에 맞지 않을 가능성이 남아있다. 이 점은 Kylin에 자기 위치 추정 기능을 실장하거나 혹은 선반과 Kylin의 상대적인 위치 추정 기능을 실장해, 원하는 위치까지 정확하게 기체를 이동시킴으로써 해결할 수 있을 것이다.

한편, 도시락은 신상품 개발 사이클이 짧기 때문에 메뉴 변경에 따른 도시락 내의 중심 밸런스 영향을 받지 않는 핸드부 구성이나, 그 외의 상품 형상에 따른 시퀀스의 확립도 필요한데 이들은 앞으로의 과제로 하고 싶다.

佐藤 亘, 이와테대학 대학원 종합과학연구과

三好 扶, 이와테대학 이공학부 부속 소프트패스이공학종합연구센터