d라이브러리

메카트로닉스의 응용영역은 일상 생활에서 우주·군사분야에 이르기까지 무한히 넓혀지고 있다

한복을 곱게 입은 주부가 응접실에서 뜨개질을 하다가 '뽀삐야 커피 한잔'하고 이야기하니, 귀여운 꼬마 로보트가 '네' 하고 즉시 커피 한잔을 준비해다가 탁자위에 사뿐히 내려 놓는다. 이어서 그녀는 오늘 하루 뽀삐가 해야 할 집안청소라든가, 세탁물 처리, 그리고 부엌에 남은 식기들을 씻어 제자리에 정리해둘 것 등을 지시히고 하던일을 계속한다. 주방에는 TV가 달린 전자레인지, 말을 알아듣는 냉장고, 김치제조기, 식기건조기, 주스믹서 등이 하시라도 주부의 일손을 완벽하게 대신해 줄 수 있도록 갖추어져 있다.

그녀가 조그마한 휴대용 무선 조작기를 누르자, 오늘의 날씨와 교통사정 그리고 각종 쇼핑 정보들이 TV화면을 통해 나타난다. 여러가지 정보들을 종합하여 오늘하루의 외출 계획을 세운 다음, 익숙하게 컴퓨터 단말기 앞으로 간다. 어제까지의 송금잔고 등을 확인하고 은행의 자동결재에 대해 재확인을 해주고는, 홈쇼핑 목록에 품목 및 수량을 일일이 체크해 둔다. 부재중일 때에도 유사시엔 가까운 파출소, 소방서에 자동으로 연락이 갈 수 있도록 되어 있는 자동보안장치의 자동 레바를 점검한 후, 친구들과의 회합을 위해 외출을 한다. 이 주부가 조작하는, 컴퓨터 단말기로부터 심지어는 전기밥솥까지 어느 것하나 메카트로닉스(Mechatronics)제품이 아닌 것이 없다.

인공지능 자동차

한편 월요일 아침 일찍부터 출근한 그녀의 부군 A씨는 인기척 하나없이 기계소리만 괴괴한 공장안에 들어서면서 우선 전등불부터 켠다. 어둠속에서 묵묵히 일에만 열중인 기계들과 함께, 주말사이에 이들이 쉬지않고 만들어 놓은 제품들이 확 눈앞에 들어온다. A씨가 근무하고 있는 이 공장은 로보트에 의해서 무인 운전되고 있어서, A씨의 경우 주 3일만 출근하여 무인운전을 위한 준비작업과 마무리 작업만 해주면 된다. 나머지 공장 운전은 컴퓨터의 지시에 따라 로보트가 다 알아서 처리히도록 공장자동화(FA, Factory Automation)가 이루어져 있다.

차근차근 기계의 작동상태와 공구들을 점검하고, 일감들을 준비하여 제자리에 설치하고 나니 벌써 점심때가 다가온다. Y클럽에서 가족들과 함께 점심을 같이하기로 한 A씨는 곧 바로 차를 탄다. 운전석에 앉은 A씨가 차내 컴퓨터에 구두로 행선지를 지시하자, 화면에 행선지까지의 지도가 펼쳐지면서 목적지까지의 주요도로 교통사정이 화면 디스플레이와 함께 컴퓨터 합성음으로 알려진다. 원하는 경로와 주행속도 등을 컴퓨터에 지시한 A씨는 발차 지시를 한 후 위자뒤로 편안히 기대어 눈을 감는다. 연료 전지에 의해서 움직이는 A씨의 전기 승용차는 스르르 미끄러지듯이 저 혼자 조용히 출발한다. 매연 흔적은 찾아볼 수가 없다. 말끔히 단장된 공장 앞뜰을 지나자 공장문이 저절로 열리면서 A씨를 태운 차는 목적지를 향해서 쏜살같이 달린다. 달리는 도중 차내 컴퓨터는 시시각각 변하는 운행상태를 연속적으로 파악하고 제어하면서 차량의 안전운행에 만전을 기하고 있다.

이러한 내일의 생활 모습은 허무맹랑한 공상도 아니고, 그렇다고 아주 먼 훗날의 이야기도 아니다. 무인공장, 무공해 엔진, 컴퓨터화 된 자동차 등이 메카트로닉스라는 첨단기술에 의해서 오늘날 이미 우리 주변에서 급속히 현실화 되어지고 있다.

'앨빈토플러'(Alvin Toffler)가 그의 저서 '제3의 물결'을 통해 정보화사회를 예측해준 것이 1980년이었다. 미래의 오피스상이라든가, 재택(在宅)근무의 세계를 소개하면서 사무자동화(OA, Office Automation)의 새로운 장을 열게 되었고, 현실적으로는 퍼스날컴퓨터(PC, Personal Computer)가 이 제3의 물결의 중심으로 부각되고 있다. 누구나 손쉽게 값싸게 살 수 있는 pc에 의해 사무실에서는 종이가 없어지고, 모든 사무적인 일은 책상위에 놓인 PC 또는 컴퓨터 단말기를 사용하여 처리하게 된다. 최근에는 국, 한, 영 혼용문을 쉽게 처리할 수 있는 워드프로세서 (Word Processor)기능의 추가로 PC는 우리에게 더욱 친근한 벗이 되어가고 있다. 컴퓨터 외에도 팩시밀리 복사기 전자칠판 화상정보처리시스템 등 OA 기기들 모두가 메카트로닉스가 펼쳐내는 문명의 이기들이다.

이처럼 공장에서 사무실, 가정에서 확산되는 새로운 생활상들이 메카트로닉스의 급속한 발전과 함게 가까운 미래에 실현될 문명의 이기들을 예고하고 있다.

2차대전 중의 군수산업에서 출발

수년전부터 메카트로닉스란 말이 국내에서 붐을 이루기 시작하여 기술자 사이에서뿐 아니라, 점차 대중화 되어 가면서 어느사이엔가 시대의 총아로 등장하여 확고한 지위를 획득하고 있다.

메카트로닉스의 어원이야 어찌 되었던 기계에다 전자공학의 최신 마이크로프로세서 기술을 유기적으로 결합시킴으로써 기계를 좀더 지능화 시키고, 자동화 시켜서 과거 힘만 세었지 우직하기 짝이 없던 기계들로 하여금 우리 인간 생활에 좀더 효율적으로 봉사할 수 있도록 하자는 것이 바로 메카트로닉스가 추구하는 목표인 것이다.

(그림1)은 메카트로닉스를 중심으로 해서 이 기술의 발달을 더욱 촉진시키는 제기술과의 상호 관련성과 메카트로닉스가 지향하고 있는 여러 응용 분야를 나타내고 있다. 즉 인간은 그 능력을 몇 배라도 확대해서 일을 효율적으로 수행하도록 도구나 기계를 만들어 왔다. 이렇게 만들어진 메카니즘에 최근에 급진전을 보이고 있는 전자 기술이 융합함으로써 더욱 능률화되고 자동화가 이루어지게 되자 그 활용은 인간 생활 전반에 널리 확산되기에 이르렀다.

이러한 메카트로닉스 기술은 사실 2차 대전 중 이미 미국, 독일 등지에서 군사목적으로 벌써 상당한 수준까지 개발되었다. 그러나 메타트로닉스 기술이 최근 급속하게 발전, 민수품에까지 널리 보급되어지고 있는 것은 마이크로일렉트로닉스 기술의 발달과 함께 정밀기계가공기술이 발달하면서 전자두뇌를 값싸게 기계에 내장할 수 있게 되었기 때문이다.

우주 개척의 첨병, 메카트로닉스

1981년 4월 12일 여명, 사상 최초의 우주 왕복선 콜롬비아호는 지구이륙 후 6초만에 시속 3만2천킬로미터의 무서운 속도로 우주궤도를 향하여 질주하고 있다. 왼쪽 조종석에서 까마득히 멀어져가는 지구촌을 내려다(혹은, 치켜다?)보고 있는 '존영'씨는 콜롬비아호의 기장. 그의 바른쪽에 자리잡은 '로버트 크립펜'씨는 조종사로 되어 있지만, 사실 이들은 지금 우주선의 단순한 승객에 불과하고, 콜롬비아호는 이륙 후 지금까지 우주선내의 관성항법 장치에 의해서 자동조종 되어지고 있는 것이다. 자이로스코프 및 가속도계 등 초정밀 기기들과 마이크로프로세서 등 집적전자회로의 정교한 복합체인 관성유도장치는 엄청난 로케트 추진력에 의해서 무서운 속도로 우주를 향하여 달리는 콜롬비아호의 비행 속도와 방향 및 현위치를 매초 25번씩이나 측정하면서 시시각각 변하는 비행상황에 신속히 대응하여 우주선의 비행을 안전하게 제어해 주고 있는 것이다. 이틀 후 우주궤도상에서 계획된 모든 시험을 마치고 지구로 귀환하는 우주선의 조종은 다시 콜롬비아 호의 전자두뇌에 맡겨지게 되는데, 기장 존 영씨가 직접 조종간을 쥐는 것은 지상 3천미터 고도로부터 착륙하기 까지의 마지막 80여초간의 비행에 불과했던 것이다.

이렇게 메카트로닉스 기술은 멀리는 우주개척의 첨병노릇을 할 뿐만 아니라 생산현장에서 최근 주목되고 있는 로보트를 탄생시켜 공장을 변모시켜 가고 있다. 그러면 메카트로닉스 기술의 결정체라 할 수있는 로보트의 세계를 잠시 들여다 보기로하자.

오일쇼크를 이겨낸 산업용 로보트

1973년 제1차 오일쇼크 이후 전 세계는 무절제하게 마구 쓰던 자원과 에너지의 소비를 극소화 시키는데 전력을 투구하게 되었다. 여기에 메카트로닉스 기술이 기계의 생산성을 대폭 향상시켜 줌으로써 문제해결의 큰 실마리를 가져다 주게 된 것이다. 특히 1978년 제2차 오일쇼크 이후 괄목할 것은 산업용 로보트의 대거 출현과 함께, 이들을 주축으로 한 공장의 자동화 지능화 무인화 추세이다.

로보트란 단어는 원래 체코의 극작가'카펙'(Capek)씨의 1920년 희곡 'Rossum's Universal'에서 처음 쓰여지게 되었는데, 카펙씨는 체코어의 Roboda(즉 '봉사한다''시중들다'라는 말)로부터 로보트란 신어를 만든 것이다. 컴퓨터에 의해 제어되는 전현대식 산업용 로보트는 1960년대 초반에 미국 유니메이션사의 '데블'(Devol)씨에 의해 처음 고안 되었지만, 한동안 미국 경영인들에게 외면당해 빛을 보지 못하다가 1967년 일본의 '가와사키'중공업이 이 로보트를 일본에 수입, 전파 시킴으로써 본격적으로 로보트시대가 열리게 되었다.

그 후 메카트로닉스 기술의 가속적 발전과 더불어 사회적인 제반 여건의 변화가 (그림2)생산현장에 로보트의 투입을 더욱 증대시키고 나아가서는 공장을 점차 자동화시켜(FA) 나가고 있다.

곤충형의 특수로보트도 개발

오늘날 전세계적으로 10만대 이상의 고급 산업용 로보트가 생산현장에서 일하고 있다고 알려져 있지만, 그 수는 매년 기하급수적으로 증가하고 있다. 산업용 로보트는 사람과는 달리 지칠줄도 모르고, 싫증낼줄도 모르며, 추우나 더우나 밤과 낮을 가리지 않고 부지런히 일만하는 성실한 일꾼이다. 이들은 단순 반복작업이나 위험한 작업에서 우리 인간을 대신해줄 뿐 아니라 일관성있는 작업으로 균일한 품질을 보장해 주기도 한다.

산업용 로보트는 (그림3)에서 보는 바와 같이 기계와 전자기술이 유기적으로 결합되어 만들어지는 복합시스템으로서, 인간으로부터 부여되는 임무를 외부작업 여건과 대응해 가면서 성실히 수행하도록 구성되어 있다.

자동차 조립작업의 경우, 일본에서 자체조립의 70%이상이 로보트에 의해 행해지고 있고, 우리나라의 대우 및 현대자동차의 차체 조립라인에도 이미 수십대씩의 로보트가 투입되어 인간과 어깨를 나란히 수행하고 있다. 로보트는 차체조립을 위하여 7백 군데가 넘는 곳을 일일히 찾아서 응접해 줄 뿐만아니라, 볼트를 체결해 주고, 모서리에 접착제도 발라 주며, 완성된 차에는 페인트까지 깨끗이 칠해준다. 작업 불량을 막기 위하여 촉각, 시각 등의 센서(Sensor)를 부착한 검사 로보트 들이 요소요소에 배치되어 있음은 물론이다.

텔레비젼 등 전자제품 생산공장에서는 정밀조립용 로보트가 전자기판에 자동으로 구멍을 뚫어주고, 수십가지의 전자제품을 하나하나 제자리를 찾아서 끼워줄 뿐만 아니라, 납땜과 검사 및 시험까지도 도맡아서 해주고 있다. 한편 원자력 발전소에서는 원자로의 점검이나 방사성 연료의 취급, 소진된 연료의 교체 등 위험한 작업에는 특수 로보트들이 사용되고 있다. 최근 일본 운수성에서는 발이 여섯개나 달린 곤충형의 특수 로보트 개발계획을 발표했는데,이는 수심 2백미터 까지의 바다속에서 해저위험작업을 수행하기 위한 것이다.

3차원적 거리감각 확보 가능

국내에서도 대우, 현대, 럭키그룹내 우수 기업의 기계가공공장, 전자조립공장, 프레스가공공장이나 플라스틱사출공장에서는 상당수의 로보트가 사용되고 있다. 뿐만아니라 대우중공업(주)의 자체 기술진에 의하여 개발된 관절형 용접 로보트 'NOVA10'은 국내 수요는 물론 미국, 영국 등 선진국에 대량 수출되어 호평을 받고있다.

자동차 조립용으로 현재 쓰여지고 있는 전형적인 용접로보트의 경우, 이들은 15만자 이상의 기억 용량과 초당 50만번 이상의 엄청난 계산능력을 가진 전자두뇌를 내장하고 있다. 그러나 이들은 전자 스위치에 의한 촉각과 레이저 광선이나 영상카메라(그림4)에 의한 초보적인 전자시각을 갖고 있기는 하지만, 3각 4각 원 등 비교적 단순한 2차원적 물체의 모양이나 크기정도 밖에는 아직 알아보지 못하고 있다. 최신 고급로보트 기종들은 어느정도의 3차원적인 거리감각까지도 가지기 시작했지만, 이러한 원근감지 장치의 가격은 현재 억대를 상회하고 있어 보편화 되지는 못하고 있다.

그러나 컴퓨터 기술의 발달과 함께 기술의 발전에 힘입어 앞으로 80년대 말까지는 로보트의 시각, 촉각, 청각 등의 성능과 로보트의 정보처리 능력이 대폭 강화됨으로써 상당한 수준의 인공지능을 갖춘 제3세대의 로보트가 출연하게 될 것이며(그림5), 2천년대에는 팔과 다리를 어느정도 사용하여 걸어다닐 수 있을 정도의 지능 로보트가 출현할 수 있을 것이다.

로보트가 만드는 로보트

1980년 11월 일본의 '파눅'(FANUC)사는 후지산 기슭에 로보트 제조공장을 신축했는데, 특이한 것은 이 공장이 로보트에 의해서 자동운전 된다는 사실이다. 공장을 찾은 필자에게 '이나바'사장은 이 공장의 생산성이 종업원 1인당 연 6억원에 이른다는 것이다. 이것은 우리나라의 현 수준에 비해 무려 20배가 넘는 생산성이다. 뿐만아니라 1982년에는 총 매출액 3억원중 1천억원의 이익을 남겼다니 과연 전세계 경영인의 선망의 대상이 아닐 수 없는 경영실적이다.

한편 자동차 부품 생산업체인 일본의 '오에무'공업사의 경우를 보면 최근 용접용 로보트 한대를 자동차 도어 용접라인에 도입한 결과, 종전 4명의 작업자가 하루 2백50대분씩의 문짝을 생산하던 것을 작업자를 2명으로 줄였는데도 하루 5백62대분씩을 생산할 수 있게 되어 약 5배의 비약적인 생산성 향상을 이룰 수 있었다. 뿐만 아니라 사람과는 달리 로보트는 작업량과 품질이 거의 변함없이 균일 하므로 매시간 시간 생산량을 거의 정확하게 사전에 예측할 수 있을 뿐만 아니라, 제품의 모델을 자유자제로 혼합 생산할 수 있어서 생산관리가 대폭 수월해졌고 재고량을 대폭 줄일 수가 있었다.

이렇게 엄청난 생산성 향상은 물론 로보트가 24시간 연속작업이 가능해서일 뿐만 아니라, 로보트의 작업 속도가 사람보다도 훨씬 더 빠르고, 작업중 비생산적인 시간 낭비가 로보트의 경우 최소화할 수 있기 때문이다.

자동차 전자 제어

메카트로닉스 운용의 또 다른 중요한 예로서 자동차의 전자화를 들 수 있다. 70년대 후반 제2차 오일쇼크 이후, 자동차의 연료비용을 대폭적으로 개선하고 동시에 환경에 유해한 자동차 배기개스를 줄이기 위해서 자동차 엔진의 점화시기, 연료 공급량, 연료 공급압력, 공기 혼합률 등이 마이크로프로세서에 의해서 자동적으로 제어되기 시작하였다.

1976년 미국의 '제너럴 모터'(GM)에서 MISAR(Microprocessored Sensing and Automatic Regulation) 점화시기 제어장치가 개발되어 엔진의 점화시기를 엔진의 속도, 진공 및 온도에 따라 적절히 조절하여 자동차가 가장 효율이 좋은 상태에서 운전되도록 하였으며, 이어서 엔진의 공전 회수를 엔진의 온도 및 부하조건에 따라서 최적으로 제어해 주기에 이르렀고, 뿐만 아니라 각 바퀴에 걸리는 제동력을 마이크로프로세서에 의해서 개별적으로 제어해줌으로써 얼음판 위에서 제동시 자동차가 옆으로 미끄러지는 것을 자동으로 방지해 줄 수있게 되었다.

우리나라만 하더라도 대우, 현대에서 86년도에 개발한 기종에 일부 전자화가 이미 이루어져 미래의 전자화 자동차를 예고하고 있다. 예로서 대우자동차의 르망의 경우, MSTS(Microprocessor Spark Timing System)을 사용해서 엔진의 속도, 부압, 온도 등 엔진 상태에 따라 최상의 차량 성능을 유지할 수 있는 점화시기를 차량에 내장된 컴퓨터가 지시함으로써 연료의 소비가 최소화되도록 하고 있을뿐 아니라, 액정표기 방식의 전자식 계기판을 사용함으로써 각종 경고 및 표시등이 그래픽과 디지탈로 표시되므로 운전상황을 한 눈에 종합적으로 체크할 수 있도록 되어 있다.

미래의 종합산업

한편, 공작기계용 수치제어 장치(NC)가 1952년 미국에서 개발된 이후, 선반 밀링반 보링반 등 공장내의 공작기계들이 점진적으로 수치제어 장치에 의해서 그 조작이 자동화 되어져 왔으며, 80년대 부터는 컴퓨터 기술의 확산 보급으로 공장내의 기타 생산장비 및 관리시스템까지도 메카트로닉스 기술에 의해서 자동화 되어져 가고 있다. 즉 메카트로닉스 발전의 기술에 따라 제품의 설계 가공 검사 조립 이송 및 저장 등의 생산 활동 뿐 아니라 공장내 생산시스템의 종합관리는 물론이고, 수주 및 출하까지도 컴퓨터에 의해 자동으로 처리되는 이른바 종합 공장 자동화가 바야흐로 이루어지고 있다.

미국 '알렌브래들리'(Allen-Bradly) 사의 전자부품 자동조립 공장에서 실제로 운영되고 있는 CIM(Computer Integrated Maun-facturing)의 실례를 보자. 세계 각 지역 판매 대리점의 터미날을 통해 들어온 수주정보를 생산공장에서 분석 종합하여, 제조 판매 및 재무의 종합계획을 수립한다. 매일 아침 5시에 이 중앙컴퓨터는 공장내의 지역제어장치(Area Controller)에 작업명령을 내리고 다시 각 제조 그룹별 마스터 콘트롤러에 생산기종 및 수량, 부품 공급계획 등 생산에 필요한 세부지시를 하달한다. 마스터콘트롤러는 다시 각단위 기계에게 작업수행에 필요한 정보 및 세부작업지시를 보내고, 각 작업기계들은 수십개의 PC(Programmable Controller)를 중심으로 시퀸스(Sequence)별로 일사불란하게 작업을 수행하는 한편, 수백개의 센서로부터의 피드백 정보는 생산시스템 전체가 한치의 오차도 없이 가동되도록 하여, 매일의 생산 과업을 완수하게 된다.

1천5백평의공간에 1천5백만달러를 투입한 이 자동 조립 라인 에서는 1백 25종류에 달하는 콘텍터 및 릴레이를 매시간당 6백개씩, 불과 4~5명 만의 인원으로 생산해내고 있다. 국내에서도 자동생산설비의 하나인 FMS(Flexible Manufacturing System)가 도입 설치되면서부터 메카트로닉스가 만들어 내는 자동생산 시스템이 이제 우리앞에 현실로 전개 되고 있다. 이러한 자동생산에 필요한 주요 메카트로닉스 설비로는 산업용 컴퓨터, 자동설계 및 생산용컴퓨터(CAD/CAM), 공작 기계 및 제어장치, 산업용로보트등을 들 수 있으며 이들의 세계 시장규모도 연평균 2%이상 성장하여 90년대말에는 메카트로닉스 설비를 중심으로 한 공장자동화 사업이 새로운 종합산업으로 정착될 전망이다.(표1).

국내 메카트로닉스 산업의 미래

국내 주요 기업체는 물론 정부에서도 메카트로닉스 기술개발에 상당한 관심을 보이고 있어, 이 분야의 국내 연구활동이 최근 상당히 활성화 되고 있다. 예로서 대우중공업 금성사 삼성정밀 등은 한국형 산업용 로보트 개발사업을 한국기계연구소의 주도 아래 공동으로 수행하고 있으며, 공작기계협회는 국내 관련 4사와 함께 합작회사를 만들어 NC장치의 공동개발 공급을 추진하고 있고, 1986년 10월에는 대한기계학회, 대한전자공학회 등 국내 5개 학회가 공동으로 제1회 '한국자동제어학술대회'를 개최하여 메카트로닉스기술의 산학 유대관계를 심화시킴으로써 이 분야 기술 개발을 더욱 촉진하는 계기가 되었다. 또 다른 예로서 대우중공업 기술연구소에서는 과학기술처의 지원을 얻어 고출력 레이저광선을 이용한 특수 금속가공기계를 연세대학교, 한국과학기술원 연구팀과 공동으로 개발한 바 있다.

한편 한국과학기술원을 주축으로 국내 각 대학 및 정부출연 연구기관에서도 메카트로닉스 기술의 첨단 응용분야인 공장의 자동화, 제품 설계 및 가공단계의 전산화, OA기기의 개발 및 생산에 필요한 기초기술의 개발 등이 활발하게 이루어지고 있다. 산업용 로보트등 첨단 메카트로닉스 제품들이 국내에서 개발되어 지고, 이러한 메카트로닉스 제품들이 점차적으로 국내 산업현장에 확산되면서 국내 산업체의 생산성과 작업자의 복지가 대폭 향상될 전망이며, 사무실과 가정에서도 보다 효율적인 업무 환경과 안락한 생활방식이 급진적으로 보급될 것으로 기대된다.