로봇공학 : 서론

로봇공학 : James G. Keramas 저서, 이만형. 고경철. 노태정. 박희재. 부광석. 안병하. 이민철. 정원지. 제우성 공역, 사이텍미디어, 2000  (원서 : Robot Technology Fundamentals, Thomson Learning, 1999), Page 1~19

1. 자동화와 로봇

2. 역사적 배경

3. 로봇의 기술

4. 경제적 및 사회적 문제

5. 현재와 미래에의 응용

6. 요  약

1. 자동화와 로봇

로봇공학 (robotics) 의 분야는 공상과학 소설에 그 기원을 둔다. 로봇이라는 용어는 1921 년도에 체코에서 쓰여진 공상 희극의 영어 번역으로부터 유래되었다. 그것은 현대의 산업용 로봇 기술의 출현이 있기 40 년 전의 일이었다. 그리고 오늘날 로봇이란 컴퓨터에 의해 제어되는 매우 자동화된 기계적인 머니퓰레이터 (manipulator) 들을 의미한다.

자동화와 로봇은 기술적인 면에서 아주 밀접한 관련이 있다. 이들은 생산작업의 제어라는 측면에 있어서 깊은 연관성을 가지고 있다. 자동화의 정의를 산업적인 관점에서 보면 "기계적, 전기적/전자적, 그리고 컴퓨터 기반의 시스템을 생산공정의 제어를 위해 사용하는 기술" 로 이해할 수 있다. 이러한 기술의 예로서 이송 라인 (transfer lines) , 기계화된 조립기계, 피드백 제어 시스템, 수치적으로 제어되는 공작기계, 로봇 등을 들 수 있다. 따라서 로봇은 산업 자동화를 도와주는 기계적 장치의 하나로 볼 수 있다. 산업 자동화는 크게 3 가지 유형인 고정된 자동화 (fixed automation) , 프로그래머블 자동화 (programmable automation) , 그리고 유연 자동화 (flexible automation) 로 분류할 수 있다.

고정된 자동화 (fixed automation) 는 대량생산에 주로 사용되며, 저비용의 제품생산을 위해 특수한 장비를 설계하여 사용한다. 고정된 자동화의 좋은 예는 자동차 산업에서 볼 수 있다. 이곳에서도 고도로 통합화된 이송 라인이 트랜스미션의 부품과 엔진을 기계가공하기 위해서 사용된다. 고정된 자동화의 경제성은 단위 비용을 다른 생산 방법에 비하여 줄일 수 있다는 점에 있다. 그러나 고정된 자동화의 위험성은 초기의 투자 비용이 매우 높기 때문에 생산량이 예상보다 소량인 경우에는 단위 비용이 상대적으로 더 증가한다는 데 있다.

고정된 자동화의 또 다른 문제점은 오직 한 제품을 생산하기 위한 특별히 설계된 장비가 있어야 하고, 제품의 라이프 사이클 (life cycle) 이 끝난 후에는 그 장비가 쓸모가 없게 된다는 것이다. 그래서 짧은 라이프 사이클을 가진 제품은 고정된 자동화에서는 매우 비경제적이다.

프로그래머블 자동화 (programmable automation) 는 생산량이 상대적으로 작고 유사한 제품이 계속 만들어지는 경우에 사용된다. 이런 경우의 생산장비는 제품 형상의 변화에 적절히 대응할 수 있도록 설계되어야 한다. 이러한 장비의 적응력의 특징은 특정 생산품을 위해 특별히 준비된 명령어들의 프로그램을 적절히 사용함으로써 가능해진다. 이런 프로그램들이 생산장비에 입력되면, 생산장비는 그 생산품을 만들기 위한 특정한 시퀀스 (sequence) 의 작동을 수행한다. 경제적인 면에서 생각해 보면, 프로그래머블 자동화는 생산품이 다르다고 할지라도, 장비의 가격이 많은 다른 생산품에 분할되는 장점을 가지고 있다. 그리고 프로그래밍의 특징과 장비의 적응성으로 인하여, 다품종 소량의 생산품도 동일한 장비에서 생산될 수 있다. 고정된 자동화와 프로그래머블 자동화의 중간쯤의 개념으로 분류될 수 있는 유연 자동화라는 범주가 있다.

유연 자동화 (flexible automation) 는 단지 과거 25년 내지는 30년 정도부터 발전되어 왔다. 이러한 형태의 자동화는 소량 생산과 대량 생산의 중간쯤의 생산량 (mid-volume production) 에 가장 적합하다. 유연 자동화는 고정된 자동화와 프로그래머블 자동화가 가지고 있는 각각의 특징을 동시에 가지고 있다. 유연 자동화에 포함되는 개념으로 유연 생산 시스템 (FMS: flexible manufacturing system) 과 컴퓨터-통합 생산 시스템 (CIM: computer-integrated manufacturing) 이 있다. 유연 자동화는 동일한 제조 시스템에서 같은 시간에 부품들의 다른 조합으로 구성되는 다른 제품을 동시에 제조하기 위해서 반송장치 (material-handling) 와 저장장치에 의해 서로 연결되어 있는 워크스테이션 (workstations) 의 연결로 구성되어 있다. 중앙 컴퓨터는 유연 생산 시스템 내에서 발생하는 여러 가지 활동들을 각각제어하고, 부품들이 적절한 상황에 있도록 총괄한다. 또한 중앙 컴퓨터는 각각의 다른 상황에서 프로그램된 동작이 적절히 작동하도록 제어한다. 상기의 산업 자동화의 3 가지 유형과 육체 노동에 관해서 그림 1 에 예시되어 있다.

그림 1  로봇과 관련하여 생산량과 제품 변화에 대한 3 가지 형태의 자동화와 육체 노동의 비교

프로그래머를 자동화가 유연 자동화와 구별되는 특징 중의 하나는 한 프로그램으로 같은 종류의 제품을 생산한 후, 생산이 완료되었을 때 다른 프로그램을 다시 입력한 후 다른 종류의 제품을 같은 장치에서 생산한다는 것이다.

그러나 유연 자동화는 다른 제품이 같은 시간에 같은 장치에서 만들어질 수 있다. 이런 점은 순수한 의미의 프로그래머블 자동화에서는 불가능하였던 생산의 다양성을 부여하였다. 그리고 제어용 컴퓨터의 발달은 이러한 생산의 다양성을 가능하게 하는 중요한 요소 중 하나였다.

위에서 설명한 자동화의 3가지 유형 중에서 로봇은 프로그래머블 자동화와 가장 유사하다. Robotics Industries Association (RIA) 에서 규정한 산업용 로봇의 공식적인 정의는 다음과 같다.

산업용 로봇이란 다양한 작업을 수행하기 위해, 변경 가능한 계획된 운동 안에서 재료, 부품, 특별한 장치 등을 이동시키기에 적합하게 설계되었으며, 재 프로그래밍이 가능하고 다기능을 가진 머니플레이터를 의미한다.

비록 로봇들이 프로그래머블 자동화와 매우 유사하다고 할지라도 로봇들은 유연 자동화에서도 사용되고, 심지어 고정된 자동화에서도 사용된다.

이러한 자동화 시스템들은 몇 가지 기계들과 로봇들이 함께 작업하는 것으로 구성되고, 그리고 전형적으로 프로그램이 가능한 제어기나 컴퓨터에 의해 제어된다.

오늘날 인간과 산업용 로봇들의 유사함은 매우 적다. 즉, 산업용 로봇들은 인간과 유사한 외형을 가지고 있지도 않고, 인간과 유사한 행동을 하지도 않는다. 대신에 로봇은 하나 또는 여러 개의 팔들로 구성된 형상을 이루며, 거의 항상 고정된 위치에서 작업을 한다. 미래의 로봇들은 더욱 많은 감각 능력과 높은 지능과, 높은 수준의 수공 기술을 가지게 될 것이지만 인간과 비교해서 이동성의 정도는 제한될 것이다. 그러나 점점 더 인간과 유사한 능력을 가진 로봇이 개발되는 추세로 가고 있다는 것을 부인할 수는 없다.

2. 역사적 배경

로봇이라는 단어는 1921 년에 체코의 극작가  Karel Capek 의 연극 R.U.R (Rossum's Universal Robots) 에서 소개되었고, 체코의 단어로부터 유래된 로바타 (robota) 는 "노예"라는 의미를 가지고 있다. 이 소설은 로봇을 제조하기 위해 원형질과 유사한 화학적 물질을 개발한  Rossum 이라는 뛰어난 과학자와 그의 아들에 관한 이야기이다. 그들의 계획은 인간을 위해 로봇들이 유순하게 순종하며 모든 육체적인 노동을 하도록 하는 것이었다. 그러나 그들이 로봇을 향상시키면서 불필요한 부품들을 모두 제거한 후에 완성한 것은 통제가 되지 않고 인간에게 피해를 주는 로봇을 만들었다는 것이다.

비록 Capek 가 로봇이라는 단어를 소개했다 할지라도 로보틱스라는 용어는 1942년 3월에 첫 출판된 "Runaround" 라는 Isaac Asimov 의 공상과학 소설에서 새로 만들어졌다. 여기서 그는 로봇이 부정적인 면만 가지고 있는 것이 아니라 인간을 돕기 위한 긍정적인 측면도 함께 가지고 있다고 묘사했다. Asimov 는 그의 소설에서 다음과 같은 로봇 특성의 기본적인 3 가지 법칙을 설정했다.

1. 로봇은 인간을 다치게 해서는 안 되고, 게으름으로 인하여 인간에게 해가 되어 돌아와서도 안 된다.

2. 첫 번째 법칙과 상충되는 명령을 제외하고는 로봇은 인간에 의해 주어진 명령에 복종해야 한다.

3. 로봇은 첫째 법칙과 둘째 법칙에 상충되지 않는 한도 내에서 그 자신의 존재를 보호할 수 있다.

광의의 개념에서 Capek 의 로봇이라는 용어는 전자적, 기계적 도구에 의해서 또는 작업자에 의해서 직접적으로 조작되는 머니퓰레이터를 의미한다. 더욱 일반적인 개념에서의 산업용 로봇은 다음과 같이 ISO (International Standards Organization) 규정에 의해 기술된다.

몇 개의 자유도를 가지며, 도구, 작업물 및 검사장치 등을 설치할 수 있는 손목을 몇 개의 팔들로 구성된 기구부의 끝에 설치한 형상을 하고 있는 메커니즘으로 구성된 기계장치이다. 특히 그것의 제어장치를 사용해야 하며, 외부 환경과 상황에 적절히 대처할 수 있는 센싱장치 및 적응장치를 사용하여야 한다. 이러한 다목적 기계들은 일반적으로 반복적인 작업을 수행하기 위해서, 그리고 새로운 작업에 적절히 대처할 수 있도록 고안되었다.

Miller (1987) 에 따르면 로봇들은 1960 년대 초반에 산업분야에 소개되었다. 초기에 로봇은 한 시간의 작동비용이 대략 4 달러 정도로 사람의 한 시간 동안 일하는 비용보다 적었으며, 일의 완성도도 높았다. 그리고 대략적인 로봇의 수명은 8 년 정도였으며 평균적으로 대략 25,000 달러에 팔렸다.

기원적으로 로봇들은 독성이 강하거나 방사능을 함유한 물질을 다루는 작업, 용광로에 고온의 재료들을 집어넣거나 꺼내는 작업 또는 고온의 재료를 가공하는 작업 등과 같은 인간에게 유해한 작업환경에서 사용되었다. 경험적으로 보면, 4D (dull, dirty, dangerous, difficult) 와 4H (hot, heavy, hazardous, humble) 작업에 로봇이 주로 사용되었다.

1970 년에 약 200 대의 로봇이 미국의 제조공장에서 사용되었다. 이때 약 10 년 동안 로봇에게 할당된 작업은 주로 위험하고, 격렬하고, 반복적인 것이었고, 간단한 단일 입력명령에 응답하는 로봇이 필요하였다. 제어와 피드백 기술을 기본기술로 하는 지능은 낮지만 힘이 좋은 로봇이 요구되었다.

1970 년대 동안 생산력의 감소와 노동비의 증가로 인하여 상당한 양의 로봇을 사용하기 시작하였다. 많은 제어기술의 발달로 로봇의 기능성과 유연성이 이 시기에 향상되었으며, 처음으로 로봇이 자동차 산업에 도입되었다. 이 10 년 동안에 자동차 산업은 로봇 기술을 성장시키고 보편화시키는 데 가장 큰 공헌을 하였다. 그리고 로봇들의 평균가격은 약 45,000 달러로 증가하였으며, 수명은 대략 8년 정도이며, 시간당 작업비용은 약 5 달러로 증가했다. 그리고 이 시기의 자동차 산업에서 평균 노동비용은 산업용 로봇의 작업비용의 2 배였다.

1980년에는 미국에 약 4000대의 로봇들과 전세계적으로는 26,000대의 로봇들이 사용되었다. 1980년대 중반에 미국의 산업용 로봇의 수는 17,000대였다. 이 시기의 로봇의 평균가격은 약 60,000달러였고, 수명은 15년으로 증가했으며, 시간당 작업비용은 5.50 달러였다. 이에 반하여 노동비용은 시간당 14.50달러로 점점 올랐다.

1997 년 후반에는 RIA 의 평가에 의하면 약 84,000 대의 로봇이 미국 공장에서 사용되었고, 미국은 일본에 이어 세계 2 번째의 로봇 사용국이 되었다. NASA 의 로봇 프로그램 경영자인 Dave Lavery 에 따르면 오늘날 전세계적으로 약 650,000 대의 로봇이 사용되고 있다고 한다. 그리고 평균가격은 약 72,000 달러이고 수명은 17 년 이상이고, 자동차 산업에서의 시간당 평균임금인 24.00 달러와 비교할 때 로봇의 시간당 작업비용은 7.00 달러 정도였다. 그림 2 는 자동차 산업에서의 로봇의 비용과 노동임금의 증가된 추세를 보여준다.

그림 2  자동화 산업에 있어서 로봇과 노동자의 시간당 임금

지난 과거 10 여년 이상, 제한된 분야에 로봇을 적용하였기 때문에 소위 "자동화의 고립" 이라는 결과를 초래했다. 컴퓨터-통합 생산 시스템 (CIM) 및 유연 생산 시스템 (FMS) 과 같은 자동화 개념의 발전으로 인해 사용자들은 로봇과 기계들의 적절한 통합화를 통해서만 가장 잘된 자동화를 얻을 수 있다는 것을 배우게 되었고, 이것이 바로 작업셀 (workcell) 이다. 로봇에 관한 지식을 위해 필요로 하는 이런 통합화는 오늘날 자동화된 제조공정에 매우 중요한 개념 중에 하나이다.

로봇들은 작업과 봉사를 제공해야 하는 어떠한 산업에서도 사용될 수 있고, 힘든 일이나 지구력이 필요한 많은 작업에 쉽게 채택되어 사용될 수 있다.

생산력 증가, 생산비용 감소, 품질개선과 같은 사항들이 로봇의 발전에 공헌을 해왔고, 계속적으로 로봇을 질적인 면과 양적인 면에서 발전시킬 것이다.

1996 년의 전체 로봇에 대하여 응용분야의 비율을 그림 3 에서 보여주고 있다. 1993 에서 1997 년까지의 기간 동안의 미국의 회사로부터 선적된 로봇의 수량들이 그림 4 에 나타나 있다.

그림 3  1996 년도 주요 로봇의 응용분야  (자료 : RIA)

그림 4  1993 ~ 1997 년간 미국의 로봇 판매  (자료 : RIA)

생산 라인에서의 작업을 수행하기 위해 로봇을 선택하는 데는 2 가지 큰 이유가 있다.  (1) 노동비용 줄이기 위해서, 그리고  (2) 위험하고, 불쾌하고, 지루한 반복적인 작업을 수행하기 위해서이다.

컴퓨터를 이용한 제어기술이 적용된 로봇이 1970 년대 초반에 상업화되었으며, 1974 년에 처음으로 소형 컴퓨터로 제어되는 로봇이 출현하였다. 표 1 은 현재 로봇 기술과 관련된 개발과정을 연대순으로 보여주고 있다.

기계로서 로봇의 주된 목적은 동작을 제어하는 것이다. 만약 로봇이 움직이지 않는다면 로봇이 아니다. 모든 로봇적인 설계는 원하는 작업의 수행을 위해서 정밀하고 지능화된 로봇의 운동을 제어하는 것에 초점이 있다. 비록 현재 로봇의 주된 사용이 자동차 제조공정에 머무른다 할지라도, 다양한 응용분야에서의 로봇의 사용은 증가하고 있다.

3. 로봇의 기술

로봇은 관절 있는 연결부로 조립된 기계이다. 그래서 로봇들은 프로그램 가능한 제어기와 정밀 액추에이터 (actuator) 의 구동에 의해서 원하는 위치에 분명하게 도달할 수 있고 다양한 일을 수행할 수 있다.

표 1 최신 로봇 기술에 관한 연대순으로의 발달 상황

로봇은 단순한 것에서부터 컴퓨터, 센서 등의 추가적인 장치들을 부가함으로써 매우 복잡하고 지능화된 것들이 있다. 그림 5 에는 로봇 시스템 설계에 적용 가능한 구성 요소들의 예를 보여주고 있다.

그림 5  로봇 시스템 구성의 개략도

현재 로봇은 수백 개의 다양한 형태와 모델들이 있다. 이러한 로봇들은 형태, 크기, 속도, 적재하중 등의 특징이 다양하여, 다양한 응용분야에서 사용이 가능하다. 따라서 요구되는 작업에 적합한 로봇을 선택하는 데 주의를 기울여야 한다. 로봇들을 분류하는 방법 중의 하나는 그들의 응용분야에 의한 분류이다. 일반적인 분류에 의한 로봇의 종류에는 산업용, 연구용, 이동용, 군사용, 안전용, 봉사용, 취미용, 가정용 및 개인용 로봇이 있다. 그림 6 에 산업용 로봇의 일반적인 기하학적 형상과 작동 파라미터가 예로서 도시되어 있다.

그림 6  Cincinnati Milacron T³ 산업용 로봇의 기하학적 형상 및 작동 파라미터

지난 30년 동안 로봇 분야는 마이크로전자, 컴퓨터 과학의 진보 등의 영향을 받아 발전하였으며, 전기적, 유체역학적 서보 시스템의 설계를 향상시키는 데 공헌을 하였다.

산업은 계속해서 성장하고 팽창한다. 현재, 미국에는 대략 30개 정도의 로봇 제조업체가 있고 전세계적으로는 500 개 이상의 제조업체가 있다. 이 산업분야의 연장 성장 비율은 매년 35퍼센트 정도이고 계속적인 시장의 확장이 기대된다. RIA 는 1998 년 동안 팔린 양이 20 억 달러 정도의 규모로 예측하였고, 2000년에는 약 70억 달러 이상이 될 것으로 예측하였다. 점 용접 (spot-welding) 분야는 여전히 오늘날 로봇의 가장 큰 응용분야로 되어 있다.

많은 제조업체가 있고, 이들 업체들은 경쟁력을 갖추기 위해서 특별한 산업이나 응용분야에 자사 제품의 중점을 두면서 개발하기 시작하고 있다. 이러한 접근방법은 이 분야의 기술적인 진보를 가속화시킬 것이고, 특정 분야에서의 로봇의 능력을 향상시키게 될 것이다. 최근에는 로봇 제조업체가 센서 융합에 더욱더 많은 관점을 가지고 있다. 점점 더 많은 로봇들이 규격화되고 있으며, 시각센서, 촉각센서 및 fuzzy 제어기 등과 같은 옵션 선택사양을 제시하며 팔리고 있다.

더욱더 지능화된 로봇들은 그와 같은 노력들의 결과이다. 로봇 제조업체는 더 많은 데이터를 처리하고, 데이터를 더 빨리 처리하기를 위해서, 즉 로봇의 "IQ" 를 올리기 위해 컴퓨터 산업의 발전과 향상된 컴퓨터 능력을 적극 로봇 제작에 반영할 것이다.

로봇 운동에 동력을 공급하기 위해 AC 전기 서보 시스템을 활용하는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 이런 추세는 CAD/CAM 통합과 함께 로봇 기술의 당연한 발전 방향으로 생각되고 있다.

컴퓨터 그래픽 기술은 제조 접근법과 방법을 실제로 구현해 보기 이전에 분석하기 위한 "시뮬레이션" 을 할 수 있도록 급속히 발전하고 있다. 모든 CAD/CAM 기술의 효과를 실현하기 위해 필수적인 요소인, "오프라인" 프로그래밍은 현재 제공되고 있다. 각각의 로봇 모델마다 프로그래밍 언어가 달라서 생긴 비효율적인 점을 없애기 위해 "범용 로봇 제어기 (universal robot controller) " 가 마침내 1998 년 시장에 선보였다.

이것은 모든 공장의 제어기를 대신하여 사용될 수 있으며 자동화에 있어서 불필요한 비호환성의 문제를 해결할 것이다.

로봇의 이동성 확보는 로봇의 운동에 필요한 자유도를 줄 것이며, 사용자는 제조현장에서 로봇의 고유한 유연성을 충분히 활용할 수 있을 것이다.

그리고 만약 다음의 조건들이 만족된다면 가까운 미래에 로봇 가격이 파괴적으로 인하될 것이라고 기대된다:

• 더 소수의 제조업자들이 더 큰 시장에 로봇을 공급한다.
• 진보된 기술의 대량생산 방법으로 로봇을 제조한다.

실제로는 로봇 기술의 미래는 흥미롭다. 우리는 로봇이 공장 밖으로 이동하여 가정이나 사무실로 들어가게 되는 것을 상상할 수 있다. 가정의 로봇은 전자적 애완동물의 형태로 나타날 것이며 곧 집에서 유용한 일을 할 수 있도록 능력을 개발할 것이다. 모든 로봇의 감지 능력은 엄청나게 향상될 것이다. 길 게 보면, 로봇은 영화와 공상과학 소설에서 서술되는 것과 같은 능력들을 지니게 될 것이다. 에너지와 상품에 대해서 우리의 요구가 증가하고, 이를 충족시키기 위해서 자기 재생 (self-reproducing) 공장이 달이나 다른 행성에 지어질 것이다. 의료용 로봇은 "6백만불의 사나이" 와 "초인적인 여성" 을 생산할 수 있을 것이다. 흥미로운 변화는 로봇이 인류가 꿈꾸는 도우미가 되는 방향으로 간다는 것이다.

끝으로 현재와 미래의 로봇의 응용은 보다 더 인간을 닮은 로봇이 제공되는 방향으로 접근하여 지구촌의 경제와 인간의 삶을 윤택하게 할 것이다.

4. 경제적 및 사회적 문제

로봇이 "4D 직업" (dull 지루한, dirty 더러운, dangerous 위험한, difficult 어려운) 이라 불리는 일에서 인간을 해방시켜 줄 수 있다는 것은 확실히 진실임에도 불구하고, 제조 공장의 관리자는 지극히 "이해 타산" 을 고려하여 로봇을 선택한다. 1980 년 Carnegie Mellon 대학 로봇 연구소의 로봇 사용자에 대한 조사 결과를 보면, 로봇을 선택하는 주된 이유는 인건비를 줄이기 위해서임을 알 수 있다. 표 2 를 보면 인간에 비해 로봇이 얼마나 많은 잠재적인 이득이 있는지를 알 수 있지만, 그렇다고 해서 로봇이 경제적으로 이득이 없다면, 로봇은 팔리지도 생산 라인에 이용되지도 않을 것이다. 이 절에서는 로봇이 얼마나 쉽게 경제적으로 자본 경비에 이득이 되는지 증명하기 위한 몇 개의 간단한 예를 간략히 보여준다. 그러나 이것은 이 책 범위 밖의 내용인 세밀한 경제 이론을 설명하기 위한 의도는 아니다.

표 2 로봇을 사용하는 이유

오늘날, 하나의 산업 로봇의 가격은 약 5 천 달러에서 쉽게 10 만 달러를 넘는다. 여기에 로봇의 작업공간 내에 사용되는 관련된 도구와 비품의 가격 및 모든 설치 비용이 추가되어야 한다. 전체 시스템 비용의 약 55% 는 로봇 가격이고, 30% 는 추가되는 도구 가격, 약 15% 는 설치 비용이다. 만약 전체 10 만 달러의 시스템이 있다면 다음과 같이 설명될 수 있다.

• 재료를 다루는 로봇        55,000달러
• 도구와 비품                  30,000달러
• 설치                           15,000달러

이런 정도의 로봇의 가격은 현재 미국에서 팔리고 있는 로봇의 평균 가격에 해당된다는 것에 주목할 필요가 있다. 여기서 도구와 비품의 가격은 기술개발 비용을 포함하고 있다.

이러한 로봇의 경제성을 판단하기 위하여, 우리는 노동비와 로봇 자체의 작업비를 알 필요가 있다.

1995 년, 자동차 노동비는 2 차적인 이득을 포함하여 어림잡아 시간당 17 달러를 벌어들였다. 게다가, MIT의 Draper 연구소는 로봇을 하루에 16 시간 (즉, 하루에 2 교대) 작동시키는 데 시간당 약 6 달러가 들고 수명은 약 6 달러가 들고 수명은 약 8 년이라고 추정했다. (다른 자료를 보면, 시간당 2달러라고 하였지만, 많은 로봇 제조업체들은 어림잡은 값을 사용한다.) 노동자들은 정상적으로 일년에 약 2 천 시간 일하기 때문에 (50 주 동안 주당 40 시간) , 인건비와 로봇 비용의 시간당 차이 ($17~$6) 은 11 달러로 이는 연간 약 22,000 달러를 절약할 수 있다. 이와 같이, 원래의 로봇 비용을 다 보충하는 데는 약 2.8년이 걸린다 ($55,000/$22,000) . 이 이후에는, 사용자는 매년 22,000 달러를 "버는" 것이고, 좀더 정확히 말하자면, 흑자를 기록할 것이다. 만약 하루에 2 교대를 한다면, 원금 회수시간은 단지 1.4 년이 걸릴 것이고, 이 이후에, 연간 44,000 달러의 흑자를 기록할 것이다.

확실히, 이 분석은 통화의 가치와 인건비 증가 같은 모든 경계적인 요소를 고려하지 않은, 너무나도 단순한 계산이다. 그럼에도 불구하고, 이 분석은 로봇이 경제적으로 유용하다는 것을 다소 쉽게 우리가 알 수 있도록 해준다. 이제, 법인세, 감가 상각액, 특정 과정에서 재료를 줄임으로의 절약비용 같은 요소를 모두 고려하여 어느 정도 세밀한 분석을 해보자. 원금 회수기간 Y 는 다음의 수식에 의해서 계산이 된다.

                        (식 1)

여기서

Y ＝    대차가 0 이 되는 데 필요한 연수

P ＝    로봇의 가격 ＝ $55,000

A ＝    도구와 비품 가격 ＝ $30,000

I ＝     설치 비용 ＝ $15,000

C ＝    투자 세금 (10 % 로 가정) ＝ $10,000

L ＝    2 차적인 이득을 포함한, 시간당 인건비 ＝ $17

M ＝    시간당 절약하는 재료비 ＝ $1

O ＝    로봇 시스템을 작동하고 유지하는 비용 ＝ $6

H ＝    연간 1 교대가 일하는 시간 ＝ 2,000

D ＝    8년을 수명으로 하고 직선의 방법 (straight-line method) 을 이용한, 연간 감가상각액과 $10,000 에 대한 매각금 (salvage) ＝ ($100,000-$10,000) /8 ＝ $11,250

TR ＝   40 % (＝ 0.4) 로 가정한 법인 세금

이 수치들을 식에 대입하면 2 교대 작업으로 했을 경우 원금 회수기간이 2.7 년이 걸린다. 개개의 자본 지출이 보증되는지 안 되는지 결정하는 데 종종 이용되는 또 다른 경제적인 척도는 투자에 대한 수익 (ROI: return on investment) 이다.

                                        (식 2)

위에 정의된 용어를 이용하면, 다음과 같이 표현된다.

                                 (식 3)

위 식의 예에서 사용된 수치를 이용하면, 1 교대에 대하여 ROI 는 단지 14.2 % 밖에 안 된다. 그러나 로봇이 하루에 2 교대로 작동하면, 이 수치는 놀랍게도 40.8 % 로 증가한다. 오늘날 빌린 돈의 9 % 이율과 비교해 보면, 1 교대 또는 그 이상으로 로봇 응용을 사용하면 좋은 투자임을 알 수 있다. 인건비와 로봇 비용에 관해 가정을 다르게 한다면, 매우 다른 결과를 얻을 수 있다는 것을 아는 것이 매우 중요하다. 예를 들어, 시스템을 작동하고 유지하는 데 시간당 2 달러가 든다고 하면, 상대적으로 1 교대와 2 교대의 ROI 는 23.1 % 와 58.6 % 가 된다.

여기서 하나의 중요한 점을 지적하고자 한다. 이런 수치적인 비교는 로봇을 사용함으로써 얻을 수 있는 높은 품질과 이로부터 발생하는 경제적인 이익을 고려하지 않은 단순한 비교라는 것이다.

위에서 설명한 예제의 중요한 결론은 로봇이 경제적인 면에서 많은 유용성이 있다는 것을 명확히 보여준다는 것이다. 그러나 노동자에 대해선 어떠한가? 산업 현장에 이 장치들을 사용함으로 노동자에게 미치는 영향은 무엇인가?

산업 현장에 자동화를 도입함으로 야기되는 문제는 새로운 것이 아니다. 물어볼 것도 없이, 로봇과 제조 자동화의 주된 목적은 공정을 더 효율적으로 만들기 위한 것이다.

일반적으로 로봇은 인건비 절약 측면에서 유용하기 때문에 이전에 인간 노동자에 의해 행해졌던 일을 로봇이 한다는 것을 의미한다. 또한 이제까지 인간 노동자가 고용되지 않는 새로운 공정에서 로봇을 이용한다는 것은 한 명 또는 그 이상의 인간 노동자가 그 일에 고용되지 않을 것이라는 것을 의미한다. 대치되는 비율도 1 대 1 이 아니다. 로봇은 인간이 일하는 속도와 같거나 더 빠르게 작업하며 하루에 3 교대 분량의 작업이 가능하며, 일주에 7 일 계속 일할 수 있고 이는 4 명의 노동자에 해당되는 분량의 일이다. 유지를 위한 가동 휴지시간을 고려한다고 할지라도, 로봇은 한 명 이상의 노동자를 대신할 수 있다.

물론, 더 높은 효율성을 얻는다는 것 이외에도 로봇과 제조 자동화를 택하는 다른 많은 이유가 있다. 품질을 향상시키고, 안정성을 높이고, 지루하고 피곤하고 짜증나는 작업을 인간을 대신해서 한다는 것들은 모두 가치 있는 목적이다. 그러나 이러한 것들이 노동자의 생계를 희생시킬 가치가 있는가? 그러나 다른 면에서 말하면, 자동화를 하지 않으면, 모든 산업에서의 모든 직업이 회사의 경쟁력 상실로 인해 회사와 함께 없어질 수도 있다. 생산력 향상으로 인해서 발생하는 이익은 어떠한 이익보다도 크며, 이러한 이익의 발생이 없다면 회사는 살아남을 수 없을 것이다.

우리가 더 큰 상황을 보고 세계 곳곳의 노동자의 수를 포함하여 생각한다면, 의심할 것도 없이 자동화가 일정한 생산 수준을 지탱하는 데 필요한 일자의 수를 줄이고 있다는 것을 알 수 있다. 그러나 자동화는 현실적으로 존재하고 있기 때문에, 어떤 회사도 이를 이용하지 않는다면, 거의 대부분 망할 것이고 회사의 모든 일이 없어질 것이다. 그러므로, 자동화 없이, 외국의 낮은 인건비의 노동자를 고용하는 산업에 대해 미국 같은 국가의 산업은 살아남을 수 없을 것이다.

20 세기 초기에, 자동차는 오늘날의 개인 비행기처럼 터무니없이 비싼 사치품이었다. 그러나 Henry Ford 의 조립 라인과 Detroit-style 의 자동화 방식으로 인해 보통의 사람들이 자동차를 가질 수 있게 되었고 1920 년대에는 자동차에 대한 커다란 수요가 발생하였다. 이에 따라 사람들은 자동차와 그에 관련된 산업에 의해 생겨난 수백만의 직업에 고용되었다. 오늘날 컴퓨터 산업과 같은 곳에서의 자동화의 비약적인 전진은 다른 종류의 상품의 판매량을 증가시키고 동시에 더 많은 직업을 창조하여 사람들 삶의 질을 향상시키고 있다.

5. 현재와 미래에의 응용

로봇 응용 분야는 디지털 컴퓨터의 발전과 더불어 이루어졌다. 컴퓨터가 처음 개발되었을 때, 컴퓨터는 사람들이 수행하였던 작업들을 대신하였다. 이 새로운 장치는 어떤 일을 수행하는 데 있어서 더욱 빠르고 심지어는 사람이 수행하는 것보다도 더욱 믿을 수 있는 결과를 얻게 해준다는 데 의심이 없었다. 그러나 세월이 흐름에 따라 예전에는 과도한 인력과 시간을 요구하기 때문에 불가능하였던 작업들이 이제는 실행가능한 작업들로 바뀌게 된 것은 디지털 컴퓨터의 기술의 발전에 의한 것으로 인식되고 있다.

1960 년대에는 컴퓨터가 회계직원과 같은 사무직 노동자 (white-collar jobs) 의 수를 감소시킬지도 모른다는 두려움이 있었다. 그러나 컴퓨터는 컴퓨터 오퍼레이터, 컴퓨터 프로그래머, 그리고 시스템 분석가와 같은 새로운 직업을 창출하여 사무직 노동자의 직업의 수를 오히려 증가시켰다. 보다 많은 정보를 생성시키는 것이 가능해짐에 따라 우리 사회가 원하는 정보도 점점 증가하고 있다. 현재 1990 년대에, 로봇이 육체노동자 직업 (blue-collar jobs) 을 감소시킬지도 모른다는 두려움이 있다. 하지만, 로봇이 전체적으로 많이 사용됨에 따라 로봇 관리자, 로봇 프로그래머, 로봇 설치가, 로봇 수리공과 같은 새로운 직업을 창출할 것이다.

지금 현재는 머니퓰레이터, 조인터, 구동장치, 그리퍼 등이 새로운 형태로 개발 중에 있다. 일본의 연구원들은 인간의 손과 같은 새로운 구동장치를 형상기억 합금 (shapememory alloy) 을 이용하여 실험하고 있다. 이들은 형상기억 합금 (니켈과 티타늄으로 구성된) 으로 만들어진 전신을 사용하고 있다.

오늘날에는 로봇은 판단력 및 상황 결정력이 거의 없으며 감지능력이 매우 부족한 상태이다. 따라서 아직은 매우 복잡한 일을 수행할 수는 없다. 로봇이 Star Wars와 Star Trek의 영화에서 보여지는 것처럼 발전하기 위해서는 인공지능, 음성인식과 시각, 접촉센서 등의 영역에서의 한계를 극복하여야 한다. 다수의 연구가 이 분야에서 이루어지고 있으며, 오늘날 실험실에서만 이루어지고 있는 이러한 연구들이 로봇에 적용될 수 있을 정도로 가격이 낮아질 수가 있다면 그것은 단지 시간 문제일 뿐이다.

미래의 로봇에 대한 수요가 지금 제기된다면, 로봇은 더욱 빨리 발전할 것이다. 정부가 군대와 우주 프로그램을 통하여 개발을 지원한다면, 이러한 지원은 로봇의 연구와 개발에 있어서 중요한 힘이 될 것이다. 이것은 국가가 전자공학과 컴퓨터의 발전에 책임을 져야 되는 것과 같은 논리이다. 오늘날 원자 에너지 협회는 발전된 핵 원자로를 위해 로봇 연구를 후원하고 있다. 이런 분야에서의 로봇은 극도의 고온과 습도 및 복사열 속에서 작업을 할 수 있어야 하고, 장애물을 넘어오를 수 있어야 한다. 군대에서는 인간의 능력을 보다 더 효율적인 곳에 사용하기 위해서 군 인원의 보족을 메울 수 있는 전투용 로봇을 만들기를 희망하고 있다.

로봇은 현재의 발전 단계에서도 더 많은 응용분야에서 사용되고 있다. 로봇은 이미 뇌수술, 창문 닦이, 실험실 기술자, 의료용 응용분야에서 성공적으로 이용되고 있다. 가장 새로운 것 중 하나는 ABC 방송국에서 1988 년 2 월 22 일에 공영 뉴스보도의 TV 카메라에 로봇을 이용한 것이다. 이것은 단 한 사람의 원격 제어에 의해 먼 거리에 있는 카메라를 조작할 수 있다는 것을 보여주었다.

요리사, 가정부, 집사 또는 정원사 자동화 로봇이 실현되려면 아직 많은 연구가 필요하다. 그러나 만약 누가 높은 가격을 지불할 의도가 있다고 한다면, 운전사 로봇을 오늘날의 기술로 만들 수도 있다. 도시의 교통 혼잡을 안전하게 피하기 위해 필요한 항법 컴퓨터와 센서는 지금도 구매가 가능하다. 컴퓨터와 결합함에 따라, 로봇은 새로운 삶의 방식으로 보이는 방향으로 발전하고 있다.

인공지능이 아직 초기 단계임에도 불구하고, 그것은 이미 커다란 가능성을 로봇에 부여하고 있다. 자기 재생 장치 (self-reproducing machine) 개발을 시작하고 있다. Robert A. Freitas 는 자기 복제 공장이 21 세기 초에 실현된다는 전망에 대해 기사를 썼다. 이 공장은 달에 설치되어 있고, 태양력에 의해 작동되며, 달에서 채취한 원자재를 이용하여 그것을 재생한 다음 태양전지를 제조한다. 그러면 이를 가까운 태양동력의 발전소 인공위성에 수송하며 이 인공위성은 전기동력으로 지구에 보낸다. NASA 는 이 과정에 따른 4 부분의 프로그램을 제안했다. 여기서, 첫 번째 부분은 다른 로봇을 조립하는 로봇에 대한 것이고 4 번째 부분은 축구장 크기의 자기 재생 공장에 대한 것이다.

로봇은 현재 다양한 주제를 가르치기 위한 교육상의 도구로 사용된다. 마음의 상처로 인해 어른들을 믿지 못하며 말을 걸지 못하는 학대 받은 아이들에게 전시 로봇은 매우 유용한 일을 한다. 또한 부끄러워 하는 아이들에게도 매우 유용하다. Big Trak 탱은 숫자를 이용하기보다는 움직임을 이용하기 때문에, 아이들이 더 쉽게 이해하게 만든다. 또한 교육용 로봇은 산업용 로봇의 프로그래밍 응용을 가르치는 데도 이용된다.

미래는 과거와 현재의 사건과 함께 우리의 상상에 의해 좌우된다. 예술, 소설, 과학, 문학, 영화, 아이들 장난감 등은 상상의 주요한 성과들이다.

컴퓨터 메모리 장치는 기능과 스피드 면에서 4 배의 효과를 주었고 그 가격은 3 년마다 반으로 줄고 있다. 오늘날의 개인용 컴퓨터는 더 많은 메모리를 가지며 5 년 전의 본체 컴퓨터보다도 더 빠르다.

Jules Verne 는 19 세기 중반부터 20 세기까지 많은 기계 발명품을 예견했다. Hugo Gernbeck 은 19 세기 초에, 레이더와 태양 에너지 장치를 포함한 20 세기 후반의 많은 전기장치를 예견했다.

10 년 전 정도의 최근에, 미국 성인 인구의 50 % 가 이유 없는 컴퓨터 두려움증인 cyberphobia 를 앓았다. 그러나, 아이들은 컴퓨터와 함께 자라났기 때문에 컴퓨터를 두려워 하지 않는다. 만약 로봇이 광범위하게 장난감으로 이용된다면, 로봇에 대한 아이들의 태도 또한 컴퓨터와 마찬가지일 것이다. 그러나, 로봇에 의해 단순한 노동을 하는 직업을 잃은 사람들에 대한 단기적인 문제는 발생할 것이다. 그들 중 몇몇은 더 흥미롭고 보람 있는 직업을 찾을 것이고, 몇몇 사람들은 일찍 퇴임할지 모르고, 그리고 또 다른 사람들은 회사나 정부 비용으로 재교육이 필요할 것이다. 그러나, 새로운 세대의 사람은 이 분야를 노동의 분야로 생각하지 않기 때문에 조만간 이 문제는 사라질 것이다.

6. 요  약

자동화와 로봇은 기술적인 면에서 아주 밀접한 관련이 있다. 이들은 생산 작업의 제어라는 측면와 사용이라는 측면에 있어서 깊은 연관성을 가지고 있다. 로보틱스 (로봇을 연구하는 것) 는 산업 자동화의 한 형태이다. 산업 자동화에는 3 가지 형태가 있다. 고정된 자동화는 대량 생산을 위해 사용되며, 단일 제품의 생산을 위해서 값비싼 특별한 장비가 사용된다. 유연 자동화는 중간 정도의 생산량을 위해 사용되며, 동일한 시간에 동일한 장치에서 다른 제품을 생산하기 위한 공정제어를 위해 중앙 컴퓨터가 사용된다.

프로그래머블 자동화 (programmable automation) 는 프로그램의 제어에 의해서 작업을 하며, 소량 생산을 위해 사용된다. 유사한 제품들을 동시에 생산하는 공정이다. 하나의 배치 (batch) 공정이 완료되면 장비는 다음 배치 공정을 위해 재 프로그래밍된다.

비록 로봇들이 프로그래머블 자동화와 매우 유사하다고 할지라도 로봇들은 유연 자동화 (flexible automation) 에서도 사용되고, 심지어 고정된 자동화에서도 사용된다.

현재 산업용 로봇의 개발에 관한 과정이 연대순으로 표 1 에 나타나 있다.

생산 라인에서의 작업을 수행하기 위해 로봇을 선택하는 데 2 가지 큰 이유는  (1) 노동비용을 줄이기 위해서, 그리고  (2) 위험하고, 불쾌하고, 지루한 반복적인 작업을 수행하기 위해서이다.

로봇은 지속적으로 반복적인 작업을 수행할 수 있으며, 인간이 수행하기에는 불쾌한 작업을 수행할 수 있으며, 또한 별도의 휴식시간 없이 오랜 시간 작업을 수행할 수 있다.

자동화와 로봇이 없이는 우리의 산업이 경쟁력을 잃게 될 수도 있다. 자동화는 단위 비용을 줄이고 판매량을 증가시킴과 동시에 다른 제품을 생산하기 위한 일자리를 더 만들고 우리의 삶을 더욱 윤택하게 해준다.

끝으로, 현재와 미래의 로봇 분야는 더욱더 인간과 같은 능력을 가진 로봇이 우리에게 제공되는 경향으로 갈 것이다.