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표제지

국문초록

목차

제1장 서론 18

1.1. 연구의 배경과 목적 18

1.2. 연구방법 및 범위 22

제2장 협동로봇의 이해 24

2.1. 로봇의 이해 24

2.2. 로봇의 분야 및 분류별 특성 27

2.2.1. 로봇의 분야 27

2.2.2. 산업용 로봇의 분류별 특성 31

2.3. 협동로봇의 개념 및 이해 36

2.3.1. 협동로봇의 개요 36

2.3.2. 협동로봇의 구조 및 기능 39

2.3.3. 협동로봇의 특징 및 성장성 43

제3장 협동로봇의 동향 및 분석 45

3.1. 협동로봇 현황 45

3.1.1. 협동로봇의 시장 동향 45

3.1.2. 협동로봇의 기술 동향 47

3.1.3. 협동로봇 상용화 현황 51

3.2. 협동로봇의 디자인 분석 56

3.2.1. 협동로봇의 국내·외 디자인 사례 분석 56

3.2.2. 협동로봇의 디자인 경향 분석 71

3.2.3. 협동로봇의 디자인 경향별 요소 분석 79

3.2.4. 협동로봇의 기능적 요소 분석 91

제4장 협동로봇 디자인 개발 103

4.1. 협동로봇 디자인 방향성 및 컨셉(Concept) 도출 103

4.1.1. 협동로봇 디자인 방향성 및 컨셉(Concept) 도출 과정 103

4.1.2. 연구결과 종합 및 디자인적 요소 도출 (전문가 인터뷰) 106

4.1.3. 요소별 디자인 관점의 이미지 도출 (설문조사) 117

4.1.4. 협동로봇 디자인 방향성 및 컨셉(Concept) 도출 134

4.2. 협동로봇 디자인 구체화 137

4.2.1. 협동로봇 디자인 구체화 과정 137

4.2.2. 아이디어 시각화 (Rough Modeling) 140

4.2.3. 아이디어 평가 및 검증 (설문조사) 144

4.2.4. 협동로봇 기능적 요소 검토 및 디자인 고도화 (3D Modeling) 152

4.3. 최종 디자인 161

4.3.1. 최종 디자인 161

4.3.2. 프로토타입 제작 (Mock-up) 172

4.3.3. 시제품 제작 및 결과물 시연 173

제5장 결론 175

5.1. 결론 및 기대효과 175

5.2. 연구의 한계 및 향후 과제 181

참고문헌 182

부록 185

ABSTRACT 191

표목차

[표 1] 협동로봇 관련 선행연구 20

[표 2] 산업용 로봇 분야에 속하는 로봇의 예시 29

[표 3] 비산업용 로봇 분야에 속하는 로봇의 예시 30

[표 4] 산업용 로봇의 일반적 분류 32

[표 5] 제어 방식에 따른 분류 33

[표 6] 구조적 동작의 특성에 따른 분류 35

[표 7] 로봇 기구 기본 구성 41

[표 8] 산업용 로봇과 협동로봇 특징 비교 43

[표 9] 일본 메이저 3사의 기업 현황 49

[표 10] 디자인 경향에 따른 트랜드 및 차별화 전략 78

[표 12] 구조적 동작의 특성이 다른 로봇 비교 87

[표 13] 협동로봇 디자인 경향별 차별화 전략 및 요소 90

[표 14] 모듈의 결합 구조의 단점 개선 전략 95

[표 15] 모듈 캡의 결합 구조의 단점 개선 전략 96

[표 16] 방수 및 방진 기능 개선 전략 97

[표 17] 효과적인 LED 인지를 위한 개선 전략 98

[표 18] 협동로봇 기능적 요소 분석 및 전략 99

[표 19] 연구 결과에 따른 요소별 특징 키워드(Keyword) 106

[표 20] 전문가 인터뷰 질문 가이드 109

[표 21] 인터뷰 대상자 파악 결과 110

[표 22] 키워드 관련 질의에 대한 답변 115

[표 23] 전문가 인터뷰를 통한 키워드(Keyword) 도출 117

[표 24] '일체형인' 키워드의 이미지 118

[표 25] '부드러운' 키워드의 이미지 118

[표 26] '심플한' 키워드의 이미지 119

[표 27] '안정적인' 키워드의 이미지 119

[표 28] '자유로운' 키워드의 이미지 120

[표 29] '모듈성' 키워드의 이미지 120

[표 30] '직관적인' 키워드의 이미지 121

[표 31] '무채색의' 키워드의 이미지 121

[표 32] '포인트 색상' 키워드의 이미지 122

[표 33] 형태적 요소 키워드별 연상 이미지 128

[표 34] 구조적 요소 키워드별 연상 이미지 131

[표 35] 색상 요소 키워드별 연상 이미지 133

[표 36] 디자인 컨셉(Concept) 설명 137

[표 37] 설문조사 평가 항목 144

[표 38] 형태적 요소에 대한 평가 결과 146

[표 39] 구조적 요소에 대한 평가 결과 147

[표 40] 색상 요소에 대한 평가 결과 148

[표 41] 디자인 적합도 종합 평가 결과 150

[표 42] 모듈의 결합 구조의 적용 방안 153

[표 43] 방수 및 방진 기능의 적용 방안 156

[표 44] LED 기능의 적용 방안 159

[표 45] 디자인 요소에 따른 협동로봇 디자인 결과물 상세 설명 162

[표 46] 기능적 요소에 따른 협동로봇 디자인 결과물 상세 설명 163

[표 47] 적용 가능한 그리퍼(Gripper) 예시 167

[표 48] 연구를 통해 개선된 디자인 요소와 기능적 요소 179

그림목차

[그림 1] 연구의 배경 및 목적 22

[그림 2] 연구방법 및 범위 23

[그림 3] 인간과 로봇 비교 24

[그림 4] R.U.R (Rosuum's Universal Robots) 25

[그림 5] 유니메이트 로봇(Unimate Robot) 26

[그림 6] COBOT의 개념 및 용어가 접목된 최초의 미국 특허 37

[그림 7] 협동로봇의 기본 구조 39

[그림 8] 협동로봇의 기능 42

[그림 9] 서비스업에 적용된 협동로봇 44

[그림 10] 산업용 로봇의 가동 현황 45

[그림 11] 2019 산업용 로봇 설치 현황 46

[그림 12] 기존 산업용 로봇과 협동로봇 설치 현황 47

[그림 13] UR+ 주요 사례 50

[그림 14] KUKA의 iiWA(왼쪽), ABB의 YUMI(오른쪽) 50

[그림 15] 아트리아 스칸다비아(Artria Scandinavia)의 협동로봇 활용 예시 52

[그림 16] 의료산업에서의 협동로봇 활용 예시 53

[그림 17] 카페 봇봇봇(Cafe BOTBOTBOT)에 활용 중인 협동로봇 54

[그림 18] ABB 유미(Yumi) 협동로봇 56

[그림 19] Kuka LBR iiwa 협동로봇 58

[그림 20] Universal Robots의 UR-e 시리즈 60

[그림 21] Sawyer사의 협동로봇 62

[그림 22] Franka Emika사의 협동로봇 63

[그림 23] Yaskawa사의 협동로봇 HC10DT 64

[그림 24] Automata사의 협동로봇 EVA 65

[그림 25] DLR사의 경량화 협동로봇 SARA 66

[그림 26] Staubli사의 협동로봇 TX2touch-60 67

[그림 27] Fanuc사의 협동로봇 CRX-10iA 68

[그림 28] Kawasaki사의 협동로봇 RS007N / RS007L 69

[그림 29] Denso Robotics사의 협동로봇 Cobotta 70

[그림 30] 협동로봇 포지셔닝 맵(Positioning Map) 71

[그림 31] 협동로봇 포지셔닝 맵(Positioning Map)에 따른 방향성 72

[그림 32] 협동로봇 출시연도별 분석 73

[그림 33] 구조에 따른 협동로봇 분석 74

[그림 34] 구조 분석에 따른 협동로봇 방향 75

[그림 35] Base Color에 따른 협동로봇 분석 76

[그림 36] 협동로봇 디자인 경향별 요소 분석 과정 80

[그림 37] 핵심 기업(KUKA) 로봇 구성 및 특징 분석 81

[그림 38] 핵심 기업(Rethinks Robotics) 로봇 구성 및 특징 분석 82

[그림 39] 핵심 기업(Denso Wave) 로봇 구성 및 특징 분석 83

[그림 40] 핵심 기업 협동로봇의 기능적 요소 분석 91

[그림 41] 핵심 기업 협동로봇 편의 및 안전 요소 93

[그림 42] 협동로봇 모듈(Module)의 조립 및 분해 요소 94

[그림 43] 협동로봇 디자인, 기능적 요소에 따른 차별화 전략 및 방안 102

[그림 44] 협동로봇 디자인 방향성 및 컨셉(Concept) 도출 과정 105

[그림 45] 키워드 '일체형인'의 연상 이미지 설문 결과 123

[그림 46] 키워드 '부드러운'의 연상 이미지 설문 결과 124

[그림 47] 키워드 '심플한'의 연상 이미지 설문 결과 124

[그림 48] 키워드 '안정적인'의 연상 이미지 설문 결과 125

[그림 49] 키워드 '자유로운'의 연상 이미지 설문 결과 125

[그림 50] 키워드 '모듈성'의 연상 이미지 설문 결과 126

[그림 51] 키워드 '직관적인'의 연상 이미지 설문 결과 126

[그림 52] 키워드 '무채색의'의 연상 이미지 설문 결과 127

[그림 53] 키워드 '포인트 색상'의 연상 이미지 설문 결과 127

[그림 54] 협동로봇 요소별 특징에 따른 디자인 방향성 135

[그림 55] 협동로봇 디자인 컨셉(Concept) 도출 136

[그림 56] 협동로봇 디자인 구체화 과정 139

[그림 57] 협동로봇 디자인 Rough Modeling A시안 140

[그림 58] 협동로봇 디자인 Rough Modeling B시안 141

[그림 59] 협동로봇 디자인 Rough Modeling C시안 142

[그림 60] 협동로봇 디자인 Rough Modeling D시안 143

[그림 61] 디자인 적합성 평가를 위한 설문대상자 조사 145

[그림 62] 디자인 적합도를 통한 시안 선정 151

[그림 63] 디자인 3D Modeling 과정 152

[그림 64] 원형 절단형 캡에 대한 검토 사항 154

[그림 65] 좌우 반파팅형 캡에 대한 검토 사항 154

[그림 66] 상하 반파팅형 캡에 대한 검토 사항 155

[그림 67] 연결부 방수 및 방진 요소 검토 사항 157

[그림 68] 모듈 캡 방수 및 방진 요소 검토 사항 158

[그림 69] LED 요소 검토 사항 160

[그림 70] 협동로봇 최종디자인 결과물(1) 164

[그림 71] 협동로봇 최종디자인 결과물(2) 165

[그림 72] 최종 디자인의 디자인 요소 및 기능적 요소 166

[그림 73] 커피를 들 수 있는 그리퍼(Gripper)를 적용한 예시 168

[그림 74] 자동화 공정에서 활용되는 협동로봇 예시 169

[그림 75] 카페에서 활용되는 협동로봇의 예시 170

[그림 76] 음식점(치킨집)에서 활용되는 협동로봇의 예시 171

[그림 77] 협동로봇 디자인 프로토타입 제작 과정(Mock-up) 172

[그림 78] 협동로봇 디자인 구성도 173

[그림 79] 협동로봇 시제품 제작 과정 174

[그림 80] 협동로봇 시제품 결과물 174

[그림 81] 기존의 협동로봇과 본 연구의 협동로봇 사용목적 비교 176

초록보기

 4차 산업혁명 시대에 이르러 최첨단 기술들이 로봇 기술과 융합하여 새로운 패러다임을 구축하는 추세를 보이며 발전하는 경향을 보인다. 자동화 공정에서 주로 활용되던 산업용 로봇에 최첨단 기술들을 접목하여 개발된 협동로봇은 사람과의 협업에 초점을 두고 있다. 사람과의 협업에 중점을 둔 협동로봇은 최근 들어 우리의 일상생활 속에서도 다양한 모습으로 찾아볼 수 있다. 최근에는 치킨집에서 치킨을 튀기거나 커피를 내리는 등 협동로봇은 우리의 곁에서 눈에 띄게 영역을 확장해 나가고 있다.

기술 융합으로 인해 로봇은 기존 산업용 로봇에서 벗어나 사람과 협업을 중점으로 사용되는 협동로봇에 대한 연구와 발전이 이뤄지고 있지만, 아직 기존 산업용 로봇의 틀에서 벗어나지 못하고 있는 것이 사실이고 사람과 로봇이 공존하는 공간에서의 필요 요소에 관한 연구가 부족한 것이 현실이다.

이에 본 연구는 사람과 로봇이 협업하는 일상 공간에서 공존하는 데 필요로 되는 디자인적 요소들을 조사 및 파악하고 이를 토대로 사람과의 협업에 최적화된 협동로봇을 개발하고자 한다. 구체적인 연구 방법은 다음과 같다.

첫째, 문헌조사를 통해 기존 로봇의 분야와 협동로봇의 근원인 산업용 로봇의 분류별 특성을 조사하였고, 협동로봇의 개념 및 이해를 위한 조사와 협동로봇의 성장성에 대해 알아보았다.

둘째, 현재 협동로봇의 현황을 알아보기 위해 문헌을 참고하여 협동로봇의 시장 및 기술 동향과 상용화 현황을 조사하였다.

셋째, 국내·외 협동로봇 개발 사례에 대해 알아보고 협동로봇의 디자인 경향을 바탕으로 디자인 요소 및 개발 시 필요한 협동로봇의 기능적 요소에 대해 분석하고 디자인 개발 방향성을 제시하였다.

넷째, 제시된 방향성을 기반으로 도출되는 키워드 및 이미지를 통해 디자인 컨셉을 도출하고, 도출된 컨셉에 맞는 협동로봇 디자인을 Rough하게 표현하여 시각화하였다.

다섯째, 시각화한 협동로봇 디자인이 도출된 컨셉 및 방향성에 적합한지 검증하기 위해 설문조사를 통해 진행하였다.

여섯째, 설문을 통해 검증된 협동로봇 디자인 시안에 대해 앞서 분석한 협동로봇의 기능적 요소를 전문가 조언을 토대로 적용하여 디자인 고도화를 진행하였고 이를 토대로 최종 디자인을 도출하고 Mock-up 및 시제품 제작을 진행하였다.

마지막으로 최종 디자인 제안을 통해 얻을 수 있는 기대효과와 본 연구를 진행하면서 부족했던 부분에 대해 알아보고 연구의 한계점을 파악하였다.

본 연구는 사람과 로봇이 협업하는데 필요한 디자인적 요소들을 분석하여 협동로봇에 접목해 로보사피엔스 시대에 걸맞은 협동로봇을 개발하고 이에 따라 자동화 공정에서뿐만 아니라 주변 일상생활 공간에서도 하루빨리 로봇과 사람이 함께 협업하여 생활하는 시대가 오기를 기대한다.

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