Fortune Business Insight에 따르면, 미국의 스마트 제조 시장 규모는 연평균 11.9%씩 성장해 2023년 661억8000만 달러에서 2030년 1455억7000달러 규모로 증가할 것으로 기대된다. 인더스트리 4.0에 기반한 스마트 팩토리는 제품의 설계, 개발, 생산, 유통, 판매 및 물류 등 제조 공정의 모든 단계에 디지털 솔루션을 적용하는 것을 의미한다. 머신러닝, 인공 지능, 로봇 등을 활용해 제조 공정의 모든 단계에서 발생하는 데이터를 분석하고 스스로 조정해 나가는 지능형 생산 공장이다. 

또한, 실제 공정에 앞서 디지털트윈을 통해 가상공간에서의 시뮬레이션 시행으로 발생 가능한 문제점을 미리 파악하고 해결한 후 현실 제조 현장으로 투입되는 과정을 거친다. 이전의 공장 자동화는 단순히 생산라인에 사람 대신 기계를 도입하는 수준이었지만, 인더스트리 4.0은 기계들과 시스템이 서로 상호 연결돼 작업을 수행한다. 나아가 최근 유럽에서부터 논의가 시작된 인더스트리 5.0은 사람이 가장 중심에 놓이며 기계들이 사람과 작용하며 어떻게 사람을 위해 공존하고 협력할 수 있는가에 중점을 두고 있다.

사람이 중심되는 스마트 팩토리를 잘 표현할 수 있는 기술은 바로 휴머노이드 로봇이다. 기존의 생산현장에 배치된 산업용 로봇은 안전상의 이유로 사람과 격리된 상태에서 작업을 진행하지만 스마트 팩토리에서는 사람과 로봇이 함께 작업이 이뤄지며 사람을 위해 함께 일하는 휴머노이드 로봇들이 주목받고 있다. 미국의 투자 은행 골드만삭스는 휴머노이드 로봇시장이 2035년에는 1540억 달러 규모까지 성장할 것으로 전망하는 가운데 주요 자동차 업체들의 휴머노이드 로봇 개발과 도입이 활발하다.

<산업혁명의 변화 및 인더스트리 5.0>

[자료: Knowhow, Joanknecht]

자동차 제조업의 휴머노이드 로봇 개발 및 도입 활발

글로벌 자동차 기업, BMW는 미국 사우스캐롤라이나주 스파턴버그에 있는 자동차 공장에 로봇 스타트업 회사 피규어(Figure)가 개발한 휴머노이드 로봇을 도입할 예정이라고 올해 1월 발표했다. 이 공장에는 1만1000여 명의 직원이 근무하고 있으며 미국에서 판매되는 BMW 차량의 약 60%를 생산하고 있다. 이 곳에서는 이미 AI가 제조 작업을 하고 있는 산업용 로봇을 감독하는 스마트 팩토리를 운영 중이다. 예를 들어, AI 로봇이 용접용 기계가 올바른 위치에 정확하게 용접하는지를 확인하고 만약 불량이 발견되면, 사람의 개입 없이 용접 로봇에게 바로 수정하도록 지시한다. 

AI 도입으로 공장의 효율성과 생산량이 크게 향상됐고 연간 100만 달러 이상의 비용을 절감했다. 여기에 더해, 올해 중 공장에 배치될 휴머노이드 로봇 피규어는 훈련을 거쳐 부품 생산, 차체 판금 등 자동차 조립과 관련된 라인에 배치될 예정이다. 피규어는 약 170㎝의 키에 60㎏ 무게로 두 발로 보행이 가능하고 손을 사용해 기계를 조립할 수 있다. 5시간 작동 후 충전이 필요하지만, 충전시간 이외에는 휴식시간 필요 없이 지속적으로 일할 수 있다. 

피규어에 앞서 테슬라는 2021년에 휴머노이드 로봇 옵티머스를 선보였다. 테슬라의 옵티머스 로봇에는 테슬라 전기차에 적용되는 동일한 자율주행 기술이 적용돼 주변상황을 감지하고 스스로 움직이며 3차원 공간의 깊이도 인식할 수 있다. 이어 지난해 12월 자율적으로 빨래를 개는 모습으로 화제를 모은 옵티머스 2도 공개했다.

<주요 휴머노이드 로봇 모델>

[자료: 각 사 홈페이지]

이외에도 포드는 미시간대학에 7500만 달러를 투자해 로봇연구소를 설립하고 어질리티로보틱스(Agility Robotics)와 협력해 직립보행 로봇 Digit을 선보였다. Digit은 가벼운 소재로 제작됐지만 최대 18㎏까지 물건을 들고 계단을 오르내릴 수 있으며, 어떤 지형에서도 자연스럽게 걸을 수 있다. 장애물이 있는 경우 피해 갈 수 있으며, 살짝 부딪히더라도 쉽게 넘어지지 않고 균형을 유지한다. 현재 Digit은 아마존 물류현장에 투입돼 작업을 진행하고 있다. 

혼다는 세계 최초의 이족보행 로봇 아시모를 개발했으나 최근에는 제조 현장에서 실용적으로 활용가능한 로봇을 개발해오고 있다. 특히, 사람의 손처럼 작동할 수 있는 기능에 중점을 둔 Push를 선보였다. 도요타 또한 2018년부터 소프트웨어 개발 자회사인 우븐 플래닛을 신설해 지속적으로 로봇 개발을 해오고 있다. 

우리 기업으로는 현대자동차가 싱가포르에 위치한 글로벌 혁신센터에서 로봇을 활용한 스마트 팩토리를 실현하고 있다. 무인 운반로봇과 자율이동 로봇뿐만 아니라 4족 보행 로봇 Spot이 근무하며 공장에서 생산되는 차량의 검수를 시행한다. 여러 제조업 가운데 자동차 제조사들은 로봇의 개발과 도입에 매우 활발해, 로봇 관련 대다수 특허를 보유하고 있는 기업은 대부분 자동차 업체이다.

<글로벌 로봇 공학 분야 특허 소유 기업>

[자료: Statista]

이처럼 자동차 산업에서 휴머노이드 로봇에 대한 관심이 높은 이유는 이미 산업용 로봇의 도입이 가장 활발한 제조 현장이 자동차 공장이기 때문이다. 전 세계 자동차 공장에서 사용하고 있는 산업용 로봇은 100만 대를 넘어서 전 세계 산업용 로봇의 3분의 1이 자동차 생산 공장에서 사용되고 있으며, 주요 자동차 생산 공장에는 사람 10명당 1대 이상의 산업용 로봇이 배치돼있다(자료: International Federation of Robotics). 

그럼에도 불구하고 자동차 생산라인에는 내장재 설치, 라벨 부착, 유리창 밀봉 등 산업용 기계가 대신할 수 없어 반드시 사람이 하고 있는 작업들이 있다. 민첩한 움직임으로 사람이 해야 하는 작업을 처리할 수 있는 로봇이 필요한데, 휴머노이드 로봇은 정교한 움직임으로 기존 산업용 로봇이 대체하기 어려운 작업에도 활용이 가능하기 때문에 휴머노이드 로봇에 대한 필요성이 높다.

전 세계적으로 문제가 되고 있는 노동력 부족과 임금인상의 문제 또한 자동자 제조사들이 휴머노이드 로봇에 눈을 돌리고 있는 원인 가운데 하나이다. 지난해 미국 소재의 자동차 3사(포드, 제너럴 모터즈, 스텔란티스)는 전미자동차노조(UWA)의 파업 이후, 향후 4년간 임금 25% 인상을 주된 내용으로 하는 노사협약을 체결했다. 이러한 인건비 상승에 부담을 갖게 된 기업들은 장기적 대응책으로 로봇의 도입을 가속화하고 있다. 

휴머노이드 로봇은 사람처럼 다양한 작업을 할 수 있고 충전 시간 이외에는 지속 작업시간이 길어 생산성을 높일 수 있으며, 장기적으로는 숙련된 기술자를 고용하는 비용보다 저렴하다는 장점을 가지고 있다. 아마존이 지난해 말부터 물류현장에서 테스트하고 있는 Digit의 현재 운영비용은 시간당 약 10~12달러지만, 추후에 로봇 생산량이 증가하면 시간당 2-3달러로 감소해 인건비보다 낮아질 것으로 예상된다. 

아마존은 75만 개 이상의 로봇을 현장에 투입해 사람과 함께 안전하게 작업할 수 있는지 테스트하고 있다. 안전성 테스트를 위해 현재는 단순노동을 주로 하고 있지만, 앞으로 사람과 함께 다양한 업무를 진행할 것으로 기대된다. 휴머노이드 로봇은 단순히 인력을 대신하는데 그치지 않고 사람들이 하기 힘들거나 위험한 업무를 채울 수 있어 사람의 근무환경을 개선하는 역할도 할 수 있다.

바이든 정부의 전기차 전환 가속화와 제조업 부흥 정책으로 미국 내 전기차 공장 시설이 늘고 있다. 전기차 도입 현장은 휴머노이드 로봇의 유연성이 매우 필요한 곳이다. 투자은행 골드만삭스에 의하면 전기차 전환으로 자동차 조립이 더이상 컨베이어 벨트와 고정된 중앙집중방식에서 벗어나 자율적 탈중앙화 방식(autonomous Decentralized Manufacturing)의 제조라인의 필요성이 재기됐다. 수요가 세분화되고 새로운 방식의 제조라인이 필요할 때 휴머노이드 로봇은 유연한 변화가 가능하다. 훈련을 통해서 여러가지 다른 업무에 사용될 수 있어 새로운 생산 라인의 출시를 가속화할 수 있고 무게와 크기 면에서 작업장소의 변화도 용이하다. 실제로 현대자동차의 싱가폴 공장에서는 직원과 로봇이 팀을 이루는 셀 방식의 새로운 생산 방식을 도입했다.

상용화 가능성이 높은 협동로봇

자동차 업체를 중심으로 휴머노이드 로봇의 개발과 도입이 시작되고 있으나 아직은 생산 비용이 높아 활발한 도입에 어려움이 있다. 현재까지는 산업용 로봇이 휴머노이드 로봇보다 더 저렴하고 안정성이 뛰어나다. 이에 제조 현장에서는 휴머노이드 로봇에 앞서 협동로봇을 우선적으로 도입하고 있는 추세이다. 코봇(Cobot, Collaborate Robot)이라고도 불리는 협동로봇은 말 그대로 사람과 협력해서 일하는 로봇이다. 산업용 로봇처럼 격리돼 일하지 않고 사람과 함께 일한다.

시장조사업체 Statista에 따르면, 2023년 전 세계 협동로봇의 시장 규모는 12억3000만 달러였으며 2024년에는 16억7200만 달러에 이를 것이고 2030년에는 76억6000만 달러까지 성장할 것으로 기대된다. 미국의 협동 로봇 시장 또한 빠르게 성장 중이며 그 규모는 2030년까지 13억2910만 달러에 달할 것으로 전망된다. 특히, 자동차 제조 분야는 협동로봇 시장에서 가장 빠르게 성장하고 있다(자료: Grand View Research).

<전 세계 협동로봇 시장 규모>

(단위: US$ 백만)

[자료: Statista]

협동로봇은 휴머노이드 로봇처럼 사람의 형태를 취하고 있지 않는 경우가 많으며, 사람의 업무를 대체하도록 설계되지 않았으나 자동화의 강점과 숙련된 직원의 장점을 결합해 생산 효율성과 품질 향상을 높일 수 있다. 협동로봇을 활용해서 위험하거나 단순한 작업, 빠른 속도와 정확성이나 정밀도가 요구되는 작업을 자동화하고 사람은 복잡하고 창의적인 작업을 함께 처리할 수 있는 것이다. 기존 산업용 로봇은 규모가 워낙 크기 때문에 안전을 위해 사람의 접근을 막고 작업을 진행하지만, 협동로봇은 상대적으로 크기도 작고 무게도 덜 나가며 첨단 센서와 비전 시스템을 갖추고 있어 함께 일하는 작업자를 감지하고 대응할 수 있다. 머신러닝과 AI의 발달로 협동로봇은 사람과의 상호 작용을 통해 학습할 수 있고 환경 변화에 적응하는 것도 가능해졌다. 또한, 클라우드 연결을 통해 데이터를 수집하고 분석하며 제조 현장의 다른 로봇이나 시스템과도 상호 작용이 가능하다. 

이처럼 스마트팩토리의 모든 기술이 협동로봇에 적용돼 안전하게 사람과 함께 작업할 수 있고 생산 공정에도 유연성을 발휘할 수 있다. 이러한 유연성은 제조 방식의 변화에도 영향을 미친다. 두산로보틱스의 협동로봇이 2023년 11월 현대자동차 그룹의 싱가포르 자동차 생산 컨베이어벨트에 직원 1명과 로봇이 팀을 이룬 셀 방식의 생산 방식을 도입했다. 협동로봇은 전기차 공장에 본격적으로 도입되면서 자동차 산업 생산방식이 다양해질 전망이다. 협동 로봇의 주요 제작업체로는 유니버셜로봇, ABB, Fanuc, KUKA로보틱스, TM로봇 등이 있다.

<협동 로봇 모델 및 자동차 제작현장 활용 모습>

[자료: ABB, KUKA, Universal Robot 홈페이지]

시사점 및 진출전략

살펴본 바와 같이 미국의 자동차 제조업은 사람을 중심으로 하는 스마트 팩토리로의 변화가 활발하고 이를 실현하기 위한 휴머노이드 로봇과 협동로봇을 적극적으로 개발하고 도입하고 있다. 생성형 AI의 개발로 로봇의 기능은 더욱 무한대로 늘어났으며 제조업에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 궁극적으로는 휴머노이드 로봇이 도입되겠으나 개발과 상용화에 많은 투자와 시간이 필요하기 때문에 협동로봇이 우선적으로 도입되고 있어 우리 기업들이 진출 및 수출에 주목해야 할 분야이다. 로봇을 제작하는 기업뿐만 아니라 로봇 제작과 관련된 액세서리 제조업과 소프트웨어 개발업체들의 추후 동반 수출 및 동반 진출에 대한 준비도 필요한 시점이다.

현재 물류관련 협동로봇을 제작해 미국에 수출하고 있는 R로보틱스사의 P 매니저는, KOTRA 애틀랜타 무역관과의 인터뷰에서 “이미 주요 진출 기업들이 자리를 잡은 미국 로봇 시장에서 우리 기업이 경쟁력을 갖추기 위해서는 차별된 기능을 탑재한 로봇들의 개발이 중요하다”라고 언급했다. 예를 들어 협동로봇에 높지 않은 비용으로 눈을 장착하고 사람을 인지하는 소프트웨어와 연결하는 것만으로도 차별성을 줄 수 있다.

지난해 10월 바이든 행정부는 전국의 중소 규모 시설의 스마트 제조를 지원하기 위해 2200만 달러를 지원받을 12개의 주 정부 운영 프로그램을 발표했다. 각 주 정부의 상세 프로그램 내용은 에너지부 Manufacturing and Energy Supply chain(MESC) State Manufacturing Leadership Program Selections에서 확인할 수 있다. 자본력과 전문 인력이 부족한 중소기업들이 주정부 도움으로 스마트팩토리 시스템 구축을 시작할 수 있도록 지원한다. 선정된 주에서는 3000개 이상의 중소기업이 스마트 제조 기술 및 고성능 컴퓨팅 리소스에 접근할 수 있도록 지원할 예정이며, 이를 위해 새로운 프로그램을 만들거나 기존의 주정부 운영 프로그램을 확장할 예정이다. 스마트 제조업과 관련해 미국 진출을 계획하고 있는 우리 기업에는 지원에 선정된 프로그램과 연계하는 방안도 하나의 기회가 될 수 있다.

자료: Automotive Logistics, Auto Desk, Department of Energy, Fortune Business Insight, Goldman Sachs, Grand View Research, Robotics Tomorrow, Statista, The Millk, Kotra 애틀랜타 무역관 자료 종합