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Nikkei Robotics_2024.3 Cool Study (p18-26)

컨테이너 하역 작업을 로봇으로 자동화
세이노 운수, 가와사키중공업의 자주식 암 ‘Vambo’ 제1호 유저

물류 대기업인 세이노운수는, 컨테이너에서 대량의 짐을 내리는 작업, 이른바 ‘디밴닝(Devanning)’ 작업을 로봇으로 자동화하는데 성공했다. 도입한 로봇은 가와사키중공업이 개발한 이동 매니퓰레이터형 하역 로봇 ‘Vambo’이다.

세이노운수는 Vambo의 첫번째 사용자이다. 첫번째 사용자여서 경험할 수 있었던 초기 버그에 대한 대처/개선 등을 거듭하며 본격 가동에 이르렀다. 기후현에 위치한 세이노운수의 ‘도미카 물류센터’에서 도입하고 있다. 도미카 물류센터가 취급하는 수천 품종(SKU)의 짐 중 약 60~70%를 로봇으로 하역할 수 있게 되는 등 의 큰 효과를 올리고 있다.

물류분야에서는 현재 인력 부족이 심각해지고 있다. 무거운 짐을 들거나 옮기는 작업은 힘들다. 특히 컨테이너에서 하역하는 작업은, 컨테이너 안으로 사람이 들어가 물건이 든 상자를 안고 컨테이너 밖으로 수십 미터를 걸어 운반해야 한다. 1개의 컨테이너에는 500개 정도의 짐이 들어가며, 모든 짐을 운반하기까지 5, 6명의 스태프가 작업해 2~2.5 시간이 걸린다.

컨테이너는 트레일러 헤드가 물류센터까지 운반해 와 버스(Berth)에 주차하는데, 기본적으로 옥외에 있기 때문에 여름에는 햇볕으로 인해 컨테이너 안이 고온이 된다. 물류센터도 공조가 가동되지 않는 경우도 있기 때문에 컨테이너 안에서 물류센터로 무거운 짐을 운반하는 작업은 부담이 크다.

특히 작업자의 노령화로 인해 세이노운수의 도미카 물류센터에서도 하역 작업을 하는 작업자가 60~70대가 중심이 되었다. 인재를 채용해도 오래 가지 못하고 그만두는 경우가 많다. 부담이 무거운 디밴닝 작업을 자동화하는 것이 긴급 과제가 되었다.

-- 난이도 높은 디밴닝 작업 --
이러한 디밴닝 작업은 이전부터 물류업계의 과제였다. 하지만 현재 디밴닝 작업을 자동화하는 시스템은 업계 내에 거의 보급되지 못했다. 물류센터 내에서 짐을 팔렛에 싣는 '팔렛타이징' 작업이나 팔렛에 실려 있는 짐을 내리는 '디팔렛타이징' 작업도 작업자에게는 부담이 큰 작업이다.

하지만 이들 작업은 이미 로봇 암 등을 이용한 자동화 제품이 시판되었고, 업계 내에서 어느 정도 보급되고 있는 것과는 대조적이다.

골판지 상자에 들어간 짐을 들어올려, 조금 떨어진 별도의 장소로 옮기는 기본 동작은 팔렛타이징/디팔렛타이징도 디밴닝도 공통적이지만 크게 다른 것은 짐을 들어올리는 스타트 지점 장소다. 팔렛타이징의 경우는 컨베이어 등에서 짐을 들어올리면 된다.

디팔렛타이징도 팔렛 위에 있는 짐을 들어올리기만 하면 된다. 모두 짐을 들어올리는 장소는 정적으로 고정할 수 있고, 거의 변하지 않는다. 즉, 통상의 산업용 로봇을 바닥에 고정해 설치하고 주위에 안전책을 둘러치면 이것들은 자동화할 수 있다.

이에 반해 디밴닝의 경우는 짐을 들어올리는 스타트 지점이 동적으로 변한다. 디밴닝이란 좁은 컨테이너 내에 꽉 차 있는 짐을 컨테이너 밖으로 내려놓는 작업이다. 짐을 하나하나 밖으로 옮기면 컨테이너 내부의 짐은 점점 줄어들기 때문에 짐을 들어올려야 하는 장소도 점차 컨테이너 안쪽으로 이동해 간다.

작업 장소는 컨테이너 안이기 때문에 컨테이너 바닥에 로봇을 고정해 설치할 수 없다. 디밴닝 작업의 막바지에는 20피트(약 6m) 컨테이너나 40피트(약 21m) 컨테이너의 가장 안쪽에서 짐을 들어올려야 한다. 컨테이너 내부의 짐이 줄어든다는 것은 로봇 기술적인 관점에서 보면, 짐을 들어올려야 하는 장소가 계속해서 변한다는 의미다.

게다가 바닥도 콘크리트 바닥처럼 견고하지 못하고, 주위가 금속으로 된 벽으로 둘러싸여 있다는 것은 보통 방법으로는 해결하기 어려운 환경인 것이다. 짐이 컨테이너 천장까지 쌓여 있기 때문에 위에서 짐을 흡착해 들어올릴 수도 없다. 즉, 디밴닝에는 팔렛타이징/디팔렛타이징 기술이 그대로는 통용되지 않는다.

이러한 디밴닝을 어떻게 자동화할까? 필요한 것은 주로 2종류의 작업이다. (1) 좁은 컨테이너 공간 안에서 상하좌우 가득 쌓인 짐을 앞으로 당기면서 개별적으로 꺼내는 작업, (2) 끌어당긴 짐을 수 십 미터 정도 후방으로 운반해 컨테이너 밖으로 내보내는 작업이다.

현재 업계에는 주로 2개 방식의 제품이 등장했다. 하나는 (1)과 (2)의 작업을 별개 장치로 독립적으로 시행하는 방식, 다른 하나는 (1)과 (2)를 같은 장치로 시행하는 방식이다.

전자의 경우, (1)의 작업에는 일반적인 6축 수직 다관절 로봇 암이나 직교형 로봇 등을 사용한다. 그것들로 컨테이너에 쌓인 짐을 앞으로 당기고, 그 다음에 통상의 컨베이어 등에 짐을 올리고 후방으로 운반한다. 짐을 들어올리는 장소가 바뀌는 문제에 대해서는 로봇을 AGV(자율이동대차)에 싣는 방식 등으로 대처한다.

후자의 경우, 후방으로 짐을 운반하는 컨베이어 자체를 기다란 로봇 암처럼 사용한다. 컨베이어를 캔틸레버(Cantilever, 외팔보)와 같은 구조로 해서, 근본에 2축 액추에이터를 설치해 캔틸레버 끝이 상하 좌우로 움직이도록 한다. 이 선단부를 컨테이너 내에 집어넣어 짐을 앞으로 끌어당긴다.

선단부에는 짐을 앞으로 끌어당기기 위한 흡인 노즐 등을 장착, 끌어당긴 짐은 그대로 컨베이어에 실어 후방으로 보낸다. 캔틸레버를 2축으로 움직이기만 해서는 깊이(Depth) 방향의 움직임에 대처하지 못하기 때문에 컨베이어 자체에 어떤 신축(伸縮) 구조를 만들어 3축 동작을 확보하거나 컨베이어 자체를 AGV에 싣거나 한다.

전자의 방식에 대해서는 가와사키중공업이나 미국 Honeywell International 등이 전개하고 있다. 후자의 방식은 미국 Bastian Solutions나 일본의 Mujin 등이 전개하고 있다. 후자는 긴 캔틸레버를 한쪽에서만 지지해야 하기 때문에 비교적 대형 장치가 많다.

--2019년부터 검토 시작 --
세이노운수는 2019년 무렵부터 디밴닝 자동화 검토에 착수했다. 당초에는 네덜란드 Copal Development의 장치를 도입하는 것을 검토했었다. Copal의 장치는 구조적으로 전자의 방식에 가깝고, 로봇 부분은 직교형으로 되어있다.

이 로봇을 사람이 조작하여 하역을 하는 타입이었다. “도입 직전까지 갔지만 코로나19의 영향으로 벤더가 사업을 그만두었다”(이번 도입을 주도한 세이노 홀딩스 로지스틱사업부의 요시무라(吉村) 과장).

그 후에 디밴닝에서 짐을 후방으로 운반하는 메이키코우(Meikikou)의 지원 장치 ‘Devander’를 2022년 3월에 도입. 이 장치는 짐을 꺼내는 작업 자체는 사람이 해야 하지만 사람이 탈 수 있는 승강식 작업대가 붙어 있어 높은 곳의 짐을 꺼내기 쉽다.

승강대 바로 옆에 컨베이어가 있어 꺼낸 짐은 바로 거기에 실으면 되기 때문에 사람이 걸어서 이동할 필요가 없어진다. 세이노운수 입장에서는 효율화가 긴급한 과제였기 때문에 Copal의 안건이 중지된 후에 메이키코우의 이 노동 절약형 장치를 도입한 것 같다.

그렇다고는 해도 최종적인 목표는 어디까지 디밴닝의 자동화다. Copal의 안건 이후에도 조사를 계속하던 가운데 2022년 3월에 열린 ‘국제로봇전시회’를 세이노운수의 요시무라 과장과 간부들이 시찰하는 중에 가와사키중공업이 전시하고 있던 Vambo를 보고, 짐을 옆으로 꺼내는 동작이 자연스러워 성공할 것 같다고 직감했다고 한다.

그 후에 실제로 현장에서 테스트한 결과, “해결해야 할 과제는 다소 있었지만 일본 업체에서 향후 개선이나 서포트도 기대할 수 있을 것 같다”라고 판단하고 도입을 결정. 2024년 3월부터 가동했다. 또한 자동화 검토 과정에서는 2019년 무렵에 일본의 벤처기업 벤더와도 의견을 나눴지만 구체화하지는 않았다고 한다.

-- DCM의 짐을 취급 --
세이노운수의 도미카물류센터는 대형 홈센터 체인점 DCM의 짐을 취급하고 있다. 해외에서 컨테이너로 운반해 온 짐을 여기에 보관, 중부지역의 DCM 점포에 출하하는 역할을 담당한다. 2500~3000SKU의 품종을 다루고 있어, 하루에 수십 개의 컨테이너가 들어오는 대규모 물류센터다.

현재의 Vambo는 도미카물류센터에서 취급하는 모든 품종을 취급할 수는 없기 때문에 입고 예정의 컨테이너 납품서를 사전에 확인하고, Vambo로 대응할 수 있는 품종이 실려 있는 컨테이너에만 Vambo를 할당한다.

Vambo로 디밴닝할 때는 2시간 정도의 시간이 필요한데, 그 동안에 드라이버가 대기하며 기다리는 것은 비효율적이다. 컨테이너의 경우, 트레일러 헤드와 분리하면 드라이버는 트레일러 헤드만 있는 상태에서 다른 업무를 할 수 있다. 도미카물류센터에서도 밤 동안에 컨테이너를 운반해서 분리하고, 낮 동안에 트레일러 헤드가 없는 상태에서 디밴닝하는 경우가 많다고 한다.

컨테이너를 분리하지 않고 드라이버가 대기하고 있으면 단시간에 작업을 마쳐야 하기 때문에 그 때는 Vambo는 사용하지 않고 앞에서 말한 Devander 등을 사용해 작업자가 하역 작업을 한다.

Vambo가 가동하고 있는 현장의 레이아웃을 살펴보자. 센터 안의 바닥 높이는 버스(Berth)에 세운 컨테이너의 바닥 높이와 거의 맞도록 돼 있어, 옥외에 있는 컨테이너에는 그대로 사람이 들어갈 수 있다. 다만 미묘한 단차가 있기 때문에 그 갭을 해소하는 승강식 슬로프를 컨테이너 앞에 두도록 한다.

Vambo는 이 슬로프를 올라 컨테이너 안에 진입한다. Vambo는 AGV를 개발하는 나카니시금속공업과 가와사키중공업이 공동 개발한 것으로, AGV도 자율적으로 움직이도록 되어 있다.

Vambo의 로봇 암은 가와사키중공업의 가반 질량 80kg의 ‘RS080N’으로, 그 옆에는 신축식 컨베이어가 붙어 있다. AGV는 내장된 배터리로 구동하지만 로봇 암은 교류전원으로 구동한다. 암을 구동하기 위한 전원선은 신축식 컨베이어에 따라 배선되어 있다.

컨베이어는 물류센터 내부까지 연결돼 있고, 후방으로 운반돼 온 짐은 품종별로 작업자가 팔렛에 옮겨(팔렛타이징) 센터 안에서 보관한다. 또한 장기적으로는 팔렛타이징에 대해서도 자동화할 계획이지만 팔렛타이징용 로봇은 바닥에 고정하는 것이 많아 안전책도 필요하다. 때문에 AGV가 부착돼 있고 자율이동이 가능한 Vambo와 어떻게 접속할지는 별도로 검토할 필요가 있다.

짐을 앞으로 끌어당기기 위한 Vambo의 핸드는 상당히 거대하다. 지게차의 포크와 같은 부분과 흡인 노즐로 구성된다. 흡인 노즐은 포크 위에서 깊이 방향으로 이동하도록 돼 있다. 짐을 흡인할 때는 포크 끝 부근까지 노즐이 이동해, 총 36개의 흡인 노즐로 골판지 상자의 측면을 흡인해 앞으로 끌어당긴다. 어느 정도 앞으로 끌어당기면 짐을 포크 위에 실어 그 무게를 포크로 지탱하도록 한다.

그 후에 노즐을 포크 뒤로 이동시켜 짐을 포크 안까지 확실하게 싣는다. 짐을 컨베이어로 옮길 때는 노즐로 밀어내듯이 해서 싣는다. 그리고 포크에는 두께가 있기 때문에 컨테이너의 가장 밑에 있는 짐을 꺼낼 때는 노즐을 이용해 조금 위쪽으로 짐을 띄운 후에 포크에 싣는다. 1시간에 300개 이상의 짐을 디밴닝할 수 있다. 짐은 최대 30kg까지 대응하고 있다.

세이노운수에 따르면 도입 당초의 Vambo는 에러가 발생해 멈추는 일도 종종 있었다고 한다. Vambo는 대응할 수 있는 크기, 무게 범위 내의 짐이라도 파지하지 못하는 경우가 있다. 디밴닝에서는 모든 짐이 정연한 형태로 탑재된다는 보장이 없다. 높게 쌓인 짐이 앞으로 기울어져 있기도 하고, 다른 크기의 짐이 혼재돼 있어 측면이 울퉁불퉁한 경우도 있다.

또한 컨테이너 안에 어떤 품종이 실려 있는지는 납품서를 통해 사전에 파악할 수 있지만 그것들이 어떤 순서로 배치돼 있는지는 사전에 정보가 없어 컨테이너가 도착한 후에 열어보기 전에는 알 수 없다. 이런 이유로 Vambo를 가동시켜도 대응하지 못하는 품종이 실려 있거나 짐을 혼잡하게 쌓아서 파지하지 못하는 경우가 있다.

2023년 3월에 도입한 이래 가와사키중공업은 에러 정보를 수집해, 짐을 인식하는 소프트웨어를 개선하고, 재학습시키는 등 지속적으로 개량해 왔다. 2023년 연말에는 핸드의 하드웨어 자체도 새 버전으로 업데이트했다. 도입 당시와 비교하면 에러 발생은 대폭으로 줄었다고 한다.

다만 지금도 에러는 완전히 제로가 아니기 때문에 현장에는 감시원을 배치해, 에러로 인해 Vambo의 빨간 램프가 점멸하면 사람이 대처하도록 하고 있다. 모든 짐을 작업원이 들어서 옮겨야 하는 상황과 비교하면 부담은 크게 줄었다고 할 수 있다.

 -- 끝 --

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