스마트 공장 로봇의 근간이 되는 혁신적 센서 기술
글/마크 도노반(Mark J. Donovan), ams AG
2017-09-26 오전 7:50:58
새로운 산업혁명이 우리 앞에 다가오고 있다. 인더스트리 4.0이라 불리는 이 거대한 물결은 앞선 세 번의 산업혁명과 마찬가지로 생산 방식을 근본적으로 변화시키며 전 세계 모든 이들에게 영향을 미칠 것이다.
인더스트리 4.0 및 그와 함께 일어나는 생산 방식의 변화는 스마트 공장(Smart Factory)이라고 하는 새로운 종류의 생산 공장을 등장시켰다. 스마트 공장의 중심에는 로봇이 있다. 생산성과 효율성을 높이기 위해 사람과 공생하며 함께 작업하는 자율적이고 협동하는 로봇이 공장 내에 광범위하게 사용된다. 새로운 종류의 로봇을 가능하게 하는 것은 새롭고 혁신적인 다양한 센서들이다. 이 센서들은 정교한 팔다리 움직임, 3D 비전, 그밖에 많은 감지 기술을 제공하면서 공장의 생산량과 품질을 크게 향상시킨다.
1960년대에 시작해 20세기 말까지 계속된 3차 산업혁명, 즉 인더스트리 3.0에서는 컴퓨터와 인터넷이 공장 안으로 도입되고, 최초의 산업용 로봇이 생산 컨베이어 벨트에 이용됐다. 특히 자동차 산업은 로봇팔 위주로 이러한 로봇 기술을 적극적으로 받아들였다. 로봇팔은 무거운 물건을 들어 올리고 조립 라인의 A 지점에서 B 지점으로 사물을 빠르게 옮기는 것은 물론, 용접과 같은 특정한 반복 작업을 수행할 수 있었다. 이와 동일한 혁명이 생산 공장과 창고 시설을 오가는 최초의 무인 운반차에도 도입됐지만, 이러한 초기의 제조용 로봇은 정밀성과 지능이 부족해 공장 작업장의 변화하는 환경에 대한 적응력은 떨어졌다.
3차 산업혁명에 이은 인더스트리 4.0은 새롭고 다양한 기술을 현대식 스마트 공장에 적용하고 이를 중앙 집중화된 컴퓨터 시스템을 중심으로 통합함으로써 생산 공장의 생산성과 품질을 향상시킬 뿐 아니라 비용을 낮추고 발전을 더욱 가속화한다. 공장의 모든 구성요소는 산업용 이더넷 네트워크 시스템을 통해 연결된다.
이처럼 새로운 생산 인프라를 통해 공장은 생산성을 극대화하는 데 필요한 조치를 기록하고 모니터링하면서 추진할 수 있다. 인더스트리 3.0에서는 제조용 로봇이 제한된 기능으로 인해 다른 기술의 부수적인 역할에 머물렀던 것과 달리, 4차 산업혁명에서는 로봇이 중심적 역할을 수행한다.
4차 산업혁명에서 자율적이고 협력적인 로봇들은 고도의 정밀성을 가지고 지극히 복잡한 작업을 수행한다. 여전히 제한적으로 인간의 도움이 필요하긴 하지만, 이제는 공장의 작업장에서 발생하는 변화에 적응할 수 있다. 뿐만 아니라 이들 로봇은 주변 환경에 대한 향상된 동체 감지 기능을 갖추고 있어, 보호 장벽 없이도 사람과 나란히 안전하게 작업할 수 있는 수준까지 발전했다.
인더스트리 4.0 로봇의 근간 기술
제어 및 통신 IC의 발전은 오늘날의 첨단 제조용 로봇을 실현하는 데 중요한 역할을 해왔다. 하지만 이처럼 현대적이고 정교하면서 자율적이고 협동적인 산업용 로봇의 중심에 있는 것은 새롭게 등장한 작고 저렴한 수많은 감지 기술들이다. 센서 기술은 궁극적으로 스마트 공장 로봇과 차기 산업혁명을 실현하는 기술이므로, 이 글에서는 센서 기술에 초점을 맞추어 자세히 살펴보기로 한다.
로터리 인코더 위치 센서
산업용 로봇 팔의 기본적인 요건 중 하나는 2차원 또는 3차원에서 빠르고 정밀하게 움직일 수 있어야 한다는 것이다. 이를 위해 로봇 팔은 여러 개의 분절과 관절을 필요로 하며, 물체를 쥐고 들어올리기 위한 말단장치가 필요하다. 이러한 특성은 현대적이고 자율적이면서 협동하는 오늘날의 로봇과 유사하지만, 현대의 로봇은 종종 하나 이상의 팔을 가지고 있으며, 점점 더 많은 종류의 로봇이 다리 또는 바퀴 달린 받침대 위에 놓인 몸체를 이용해 이동한다. 뿐만 아니라 이들 대부분은 목 위에서 움직이고 회전하는 머리를 갖고 있다.
최초의 산업용 로봇 팔이든 오늘날의 현대적인 산업용 로봇이든 팔이나 다리 또는 머리가 있고, 그러한 팔다리가 움직일 수 있으려면 로봇의 각 관절에 모터와 기어 메커니즘이 필요하다. 또한 각각의 모터/기어 메커니즘에서 모터 정류 피드백(Motor Commutation Feeback)과 로터리 관절 기어 위치를 제공하려면 하나 또는 두 개의 인코더 위치 센서가 필요하다.
이전 방식의 산업용 로봇은 주로 리졸버에 사용돼 로봇 관절과 기어에 대한 로터리 위치 정보를 제공했지만, 오늘날의 스마트 공장 로봇에는 일반적으로 자기 로터리 위치 센서(Magnetic Rotary Position Sensor)가 사용된다. ams의 AS5047P와 같은 자기 로터리 위치 센서는 모터 정류 피드백과 기어 위치에 대한 매우 높은 정밀도의 위치 정보를 제공하며, 생산 설비에서 흔히 볼 수 있듯이 자기적 잡음이 존재하는(Magnetically Noisy) 환경을 포함해 열악한 환경에 사용하기에 이상적이다. 뿐만 아니라 자기 위치 센서는 리졸버에 비해 매우 적은 전력을 소모하고, 극히 작고 가벼울 뿐 아니라 훨씬 저렴하다.
동체 감지 센서
동체 감지(Presense Sensing) 또는 공간 감지(Spatial Sensing)는 스마트 공장 로봇이 안전하고 빠르게 작업을 수행하는 데 핵심적인 역할을 한다. 비전 감지는 공간 감지와 관련해 피라미드의 꼭대기에 있다. 비전 감지는 로봇이 안전하고 신뢰할 수 있게 작업을 수행하고, 물체를 식별하고 이동하면서 장애를 피할 수 있게 하는 데 매우 중요하다.
스마트 공장 로봇의 비전 감지에는 2D 및 3D 디지털 카메라를 위한 CMOS 기반 이미지 센서와 LIDAR(Light Imaging, Detection And Ranging)를 포함해 다양한 종류의 기술이 사용된다. 산업용 로봇 업계에서는 가격이 비교적 저렴하다는 이유 때문에 지난 수년 동안 2D 카메라를 이용해 왔다.
최근 2D 카메라 기술이 소형화뿐 아니라 이미지 품질 향상과 관련해 많은 발전을 이룬 덕분에, 오늘날의 스마트 공장 로봇은 더욱 효과적이고 우수한 비전 능력을 갖추고 더 복잡한 작업을 수행할 수 있게 됐다. 일례로 ams의 CMOS 이미지 센서 디바이스는 매우 높은 분해능을 통해 조명이 약한 상황에서도 뛰어난 동적 범위를 제공하며, 우수한 동영상 녹화 품질을 위해 최대 8K의 프레임 레이트를 지원한다.
또한 광학 3D 비전 스테레오 카메라와 LIDAR 센서 기술이 스마트 공장 로봇에 통합되면서 주변 환경에 대한 동적인 3차원 맵을 생성할 수 있게 됐다. 이 3D 이미징은 로봇이 향상된 정밀도와 안전성으로 동작하고 움직일 수 있게 하며, 앞에 놓인 장애물을 피하고, 물체를 집어 옮기는 것과 같은 주요 작업을 보다 우수하게 수행할 수 있게 해준다.
3D 비전 스테레오 센서는 2개의 전통적인 2D 비디오 카메라를 로봇에 서로 다른 각도로 배치하여 실행하거나, 이와 유사하게 LIDAR 같은 레이저 스캐너를 이용할 수도 있다. LIDAR는 고해상의 3D 매핑 기능을 제공하지만, 아직은 가격이 매우 비싸다. 하지만 LIDAR 가격은 점차 떨어지고 있으며, 많은 업체들이 보다 저렴한 LIDAR 솔루션을 공급하겠다고 발표하고 있다.
한편, 2D 비디오 카메라 기반의 3D 스테레오 센서 솔루션은 여전히 비용 효율적인 3D 매핑 솔루션으로, 강력한 잠재력을 갖고 있는 것으로 보인다. 어떤 기술이 승자가 될지는 시간이 지나야 알게 되겠지만, 미래의 스마트 공장 로봇에서는 두 가지 기술이 모두 이용될 가능성이 크다.
이 밖에 스마트 공장 로봇에는 동체 감지를 위해 초음파 센서가 광범위하게 사용된다. 자동차에서 운전자 지원을 위해 사용되는 경우와 마찬가지로 스마트 공장 로봇에 이용되는 초음파 센서는 가까운 주변의 장애물을 탐지해 벽이나 물체, 다른 로봇이나 사람과 부딪히지 않도록 방지하는 데 사용된다. 이들 센서는 주요한 기능적인 작업을 수행하는 로봇에도 활용할 수 있다. 이와 같이 초음파 센서는 근거리 내비게이션과 장애물 회피에 중요한 역할을 함으로써, 궁극적으로 전반적인 로봇 성능과 안전을 향상시킨다.
초음파 센서는 약 1 cm에서 2~3m 정도의 제한된 범위를 가지며, 최대 방향 원추각은 약 30°다. 초음파 센서는 비교적 저렴하고 가까운 범위에서는 정확도가 높지만, 범위와 측정 각도가 증가하면 정확도가 떨어진다. 또 온도와 압력 변화에 민감하며, 동일한 주파수로 튜닝된 초음파 센서를 사용하는 다른 로봇이 근처에 있으면 서로 간섭하기 쉽다. 하지만 다른 동체 감지 센서와 함께 사용하면 유용하고 신뢰할 수 있는 위치 정보를 제공할 수 있다.
자기 위치 센서는 로봇의 비전 감지 시스템에서 공간 인식 역할을 담당한다. 자기 위치 센서는 주로 로봇 비전 애플리케이션에 필수적인 줌 및 이미지 안정화를 위한 정밀 카메라 제어를 구현하는 데 사용된다.
힘 토크 센서
힘 토크 센서(Force Torque Sensor)는 오늘날의 스마트 공장 로봇에 사용되는 또 다른 주요 센서 기술이다. 원래 힘 토크 센서는 주로 물체를 집어 옮기는 로봇의 동작을 돕기 위해 산업용 로봇의 말단 부위인 로봇의 ‘손’에 탑재됐다. 이 센서는 압력 또는 힘의 정확한 양을 말단 부위인 그리퍼(Gripper)에 인가하도록 함으로써 물체를 쥐고 잡을 때 실수로 부수거나 떨어뜨리지 않도록 한다.
힘 토크 센서는 오늘날의 스마트 공장 로봇에서도 여전히 동일한 기능을 수행하지만, 요즘은 로봇의 팔이나 다리, 몸체와 같은 다른 부위에도 사용된다. 이러한 특정 힘 토크 센서는 팔다리의 속도 움직임을 모니터링하고 장애물을 감지할 뿐 아니라 로봇의 CPU에 안전 경보를 전달하는 데 사용된다. 예컨대 로봇 팔이 어떤 물체에 부딪혀 갑작스레 예기치 않은 힘이 발생했을 때 로봇팔에 있는 힘 토크 센서가 그 힘을 감지하면, 이를 제어하는 안전 소프트웨어가 로봇 팔의 동작을 정지시켜 원래 위치로 돌아가게 한다.
힘 토크 센서는 비전, 초음파, LIDAR와 같은 동체 감지 센서뿐 아니라 환경 센서와 같은 다른 안전 모니터링 센서와 함께 작동하면서 전체적인 안전 영역 모니터링 기능을 제공한다.
결론적으로 요약하면, 이러한 새로운 혁신적인 센서 기술로 인해 오늘날의 스마트 공장 로봇은 보다 독립적이고 안전하게 동작할 수 있게 됐다. 컴퓨팅 성능과 소프트웨어의 비약적인 발전 덕분에 스마트 공장 로봇은 이러한 새로운 센서 기술과 함께 다양한 종류의 생산 애플리케이션을 지원하는 데 손쉽게 적용할 수 있게 됐을 뿐 아니라 3차 산업혁명 시대의 로봇보다 더 정확하고 빠르게 작업을 수행할 수 있다. 마지막으로, 오늘날의 스마트 공장 로봇은 더욱 다양한 생산 환경에서 인간과 함께 협력하면서 보다 독립적으로 작업할 수 있다.