산업용 로봇과 비전시스템의 결합, 혁신적이고 경제적인 솔루션 제공
Basler
비전 성능을 갖춘 기계와 로봇은 더 많은 성과를 내고 더욱 유연하게 사용될 수 있다. 로봇과 결합된 카메라 및 화상 처리 시스템은 어떤 애플리케이션에 활용될 수 있을까. 특히 주목해야 할 사항은 무엇일까.
1. 산업 분야의 로봇
일정한 정밀도와 속도를 지닌 로봇은 아무리 단조로운 작업이라도 피로감 없이 24시간 내내 매우 안정적으로 수행한다. 로봇은 이러한 기능을 통해 최근 수십 년간 다양한 산업 분야에서 매우 유용하고 경제적인 솔루션으로 인정받았으며 현재 전 세계에서 그 사용 빈도가 계속 증가하고 있다. 국제 로봇 연맹(IFR)의 세계 로봇 보고서(World Robotics Report)에 따르면 2018년에 전 세계적으로 판매된 로봇의 수는 422,000대이며 2020년에서 2022년 사이에 매년 12%의 높은 평균 성장률을 유지할 것으로 예상된다.
이처럼 유연한 처리 디바이스를 전 세계에서 가장 선도적으로 활용하는 국가는 싱가포르로 2018년에 직원 10,000명당 831대의 로봇이 사용되었다. 이 통계 자료에서 독일은 직원 10,000명당 338대의 로봇 밀도로 전 세계 3위라는 놀라운 순위를 차지했다. 따라서 로봇 공학은 고도화된 자동화 공정에서 중요한 역할을 하며, 특히 고임금 국가에서 그 종류와 관계없이 제품을 경제적으로 생산하기 위한 필수 요소이다.
2. 다양한 종류의 로봇
디자인, 크기, 힘 범위 및 정확도 등급은 다양하다. 이러한 다양성은 각각의 처리 디바이스가 개발된 매우 다양한 애플리케이션 분야를 통해 점차적으로 증가했다. 대표적인 산업용 애플리케이션의 예는 다음과 같다.
• 다양한 유형의 부품을 이동하는 데 사용되며 많은 경우에 사람이 수행하던 무거운 화물 운송이나 매우 빠르고 정확한 모션 시퀀스 복제 작업을 대신 수행하는 처리 로봇
• 팰릿 및 패키지를 자동으로 적재 캐리어에 배치하거나 캐리어에서 제거하는 팔레타이징 및 디팔레타이징 로봇
• 차체 용접을 위한 자동차 제조 작업에 널리 사용되는 스팟 또는 경로 용접용 용접 로봇
• 차량의 앞유리를 해당 본체 입구에 삽입하는 접착용 로봇
• 자동차 산업에서 자주 사용되는 페인팅 로봇
• 개별 제품을 조립하여 정의된 제품 또는 하위 시스템을 형성하는 조립 로봇
• 청소, 디버링, 테스트, 측정, 표시, 라벨링, 표면 처리 및 그 밖의 다양한 목적을 지닌 특정 작업 수행하도록 설계된 기타 로봇
또한 특수 유형의 로봇이 현재 몇 년 동안 산업계에서 개발되어 왔다. 협업 로봇(흔히 코봇이라고 함)이라고 불리는 이 로봇은 인간과 함께 작업하면서 복잡하거나 완전히 자동화되지 않은 작업을 수행하도록 특별히 설계되었다. 협업 로봇은 인간 동료와 밀접하게 협력해야 하기 때문에 함께 일하는 작업자에게 위해가 발생하지 않도록 이러한 유형의 로봇에 대한 특별한 보호 규정이 존재한다.
3. 운동학에 따른 분류
산업용 로봇은 운동학을 기준으로 여러 등급으로 구분할 수 있다. 갠트리 로봇은 갠트리 디자인으로 제작되며, 일반적으로 크기가 크고 특히 운송 작업에 적합하다. 연접식 팔 로봇(흔히 관절형 팔 로봇이라고 함)에는 직렬 축 배열이 있고 특히 복잡한 모션 시퀀스에 적합하다. 추가적인 구분은 일반적으로 최대 6개까지 제공되는 이용 가능 축의 수를 기초로 이뤄진다. 육각 로봇 및 델타 로봇을 포함하여 평행 축이 있는 로봇. 이 초경량 로봇은 주로 포장, 분류 및 조립 작업에 사용된다.
애플리케이션 분야에 따라 일반적으로 최대 20kg의 낮은 탑재량을 위해 설계된 듀얼 암 로봇 또는 SCARA 로봇(선택적 준수 어셈블리 로봇 팔)과 같은 다른 종류의 로봇 등급도 있다. 이 로봇들은 매우 높은 정밀도를 제공하며 작업 부품을 지정된 위치에서 어셈블리 위치로 옮겨 부품을 함께 조립하는 등의 업무를 수행한다.
4. 물건을 쥐는 그리퍼 로봇
오브젝트에 대한 인터페이스 역할을 하는 그리퍼 로봇이 물체를 움직이기 위해서는 먼저 물건을 쥐어야 한다. 로봇이 다양한 애플리케이션 분야에서 처리하는 물체의 다양한 모양, 크기 및 무게는 당연히 그에 맞는 다양한 그립 시스템과 기본적인 물리적 원리를 필요로 한다. 기계식 그리퍼는 두 개의 손가락이 있는 단순한 평행 또는 각도 그리퍼를 포함하여 거의 그 수를 헤아릴 수 없을 만큼 많은 버전과 많은 수의 그리핑 구성 요소가 포함된 모델 형태로 존재한다.
자기 그리퍼는 자기 인력을 사용하여 강자성 물체를 단단히 고정시킵니다. 이 종류의 그리퍼는 많은 경우 압축 공기 또는 진공에 의해 활성화되는 영구 자석을 토대로 작동하고 비교적 작은 크기와 높은 유지력을 특징으로 한다. 이러한 그리퍼 유형을 사용하기 위한 전제 조건은 매끄러운 물체 표면과 공기의 투입을 최대한 방지할 수 있는 재료이며, 이 요소들은 쥐어진 오브젝트를 처리 디바이스로 안전하게 집어 들고 이동하는 도중에 오브젝트를 놓치지 않도록 한다.
5. 복잡한 프로그래밍
정확하게 원하는 위치로 원하는 속도로 이동하고 가공 또는 그리핑 작업을 수행하기 위해서는 사용자가 이러한 로봇 컨트롤러를 프로그래밍 해야한다. 로봇 컨트롤러는 사용자가 원하는 모션 프로필을 보다 쉽게 만들 수 있게 해주는 다양한 프로그래밍 언어를 통해 액세스 될 수 있다.
로봇 프로그래밍에서 오프라인과 온라인 방법은 기본적으로 구분된다. 오프라인 프로그래밍의 경우, 텍스트 기반 방법에서 3D 시뮬레이션에 이르기까지 다양한 접근 방식이 있으며, 환경을 고려하고 인근 시스템과의 충돌 우려를 제거하면서 로봇, 컨트롤러 및 원하는 모션 시퀀스를 최대한 정확하게 가상으로 매핑한다는 목표를 가지고 있다. 프로그래밍될 로봇이 아직 시스템의 최종 위치에 통합되지 않은 상태이다.
온라인 방법은 오프라인 방법과 달리 로봇을 프로그래밍하거나 조정해야 할 경우 공장 또는 생산 프로세스를 중단해야 한다. 공장에서 로봇을 직접 프로그래밍하는 가장 일반적인 방법은 여전히 조작 단말기를 사용하여 원하는 이동 및 위치를 가르치는 것이다. 그러나 개별 포지션에 대한 접근 속도가 느리고 저장을 확인해야하기 때문에 이 절차에는 비교적 오랜 시간이 소요된다. 이러한 설정 절차가 진행되는 도중에는 관련 시스템 부품의 생산 프로세스를 중단해야 한다.
로봇 프로그래밍의 추세는 이러한 비생산적인 시간을 최소화하기 위해 지난 수년간 가상 방법과 적합한 시뮬레이션 도구를 지향해 왔다. 또한 로봇 프로그래밍 도구가 점점 더 단순해지고 있으며, 이 분야에서 근무한 경험이 많지 않은 직원이라도 이를 운영할 수 있는 사례가 점점 더 늘어날 수 있다.
슈투트가르트에 소재한 drag and bot GmbH의 drag & bot과 같은 새로운 소프트웨어 제품은 그래픽 프로그래밍 인터페이스에 의존하기 때문에 시운전이 훨씬 쉬워진다. 또한, 인공 지능과 결합한 현재의 추세는 로봇 공학에도 영향을 미쳐 이미 로봇이 특정 한계 내에서 스스로 결정을 내리고 예상치 못한 상황을 자체적으로 해결하기 위해 거의 독립적으로 행동할 수 있다.
6. 시각의 힘으로 효율성 강화
최신 산업용 로봇에는 일반적으로 여러 개의 센서가 설치되어 있다(예: 로봇이 잡은 부품의 존재를 감지). 그러나 기존 센서에서 파악된 데이터는 제한된 정보만을 제공한다. 이에 반해, 로봇은 화상 처리 기능을 제공하고 이를 사용하여 훨씬 더 자세한 정보를 인식하고 평가할 수 있다는 점에서 명백한 이점을 지닙니다.
비전 시스템과 결합되고 평가된 카메라 이미지를 기본으로 사용하는 로봇은 예기치 못한 상황에 유연하게 대응할 수 있는 의사 결정 기능이 매우 뛰어나다. 로봇을 사용할 경우 잘못된 움직임으로 인해 작업 부품이나 기타자동화 장치가 손상되는 사고가 발생해 작업 비용과 다운 타임이 길어질 수 있다. 이러한 사고 상황에서도 카메라 시스템은 로봇이 통합된 시스템의 신뢰성을 높이는 데 기여한다.
시각을 지닌 로봇은 이처럼 바람직하지 않은 상황을 방지하는 것 외에도 수많은 이점을 제공한다. 평가된 이미지 데이터를 사용하여 로봇의 움직임을 정확하게 제어할 수 있기 때문에 더욱 유연한 프로세스가 가능해집니다. 로봇이 어떠한 구성 요소를 픽업하도록 설계된 위치에 해당 구성 요소가 정확히 도달하지 않는다면 화상 처리 기능 없이는 정의된 위치에서 부품을 잡는 것과 같은 간단한 작업조차 실패할 수 있다.
대부분의 경우 이러한 상황은 비전 시스템을 통해 기능이 향상된 로봇 시스템에는 문제가 되지 않다. 카메라는 정확하게 배치되지 않은 구성 요소의 이미지를 가져와 후속 이미지 분석 작업에서 해당 이미지와 정해진 위치와의 편차를 계산한 다음, 2D 또는 3D 형태의 수정된 픽업 좌표를 로봇의 제어 시스템에 전달한다. 프로세스에 따라 한계값이 달라지는 작업에서 이 방법을 사용하면 구성 요소를 안정적으로 픽업할 수 있다.
7. 산업용 로봇 작업과 박스 안의 그립
많은 제조회사에는 지속적으로 반복되는 작업이 있다. 여기에는 픽업, 포지셔닝 및 가공 공정 수행 후 후속 작업물 배치 등이 포함된다. 산업용 로봇 작업(pick & place)이라는 용어는 부품을 픽업하고 이후에 배치하는 의미로 널리 사용된다. 특수 처리 장비 또는 적절한 로봇을 사용하면 최대한의 정밀도와 경제성으로 이러한 활동을 피로감 없이 안전하게 수행할 수 있다. 집어야 할 부품의 위치가 항상 정확히 고정되어 있지 않을 경우, 산업용 로봇 작업을 위한 로봇과 비전 시스템의 결합은 매우 강력한 성능을 제공한다. 비전 시스템은 픽업할 부품의 위치 편차를 감지하여 이 정보를 로봇 컨트롤러에 전달한다.
이를 바탕으로 해당 로봇이 수정된 픽업 위치에 접근하여 부품을 안전하게 쥐고 다음 처리 단계로 전달하는 작업이 보다 쉽게 진행된다. 구성 요소를 집어 올리는 작업에서 가장 중요한 원칙은 해당 요소를 집어 상자 안에 넣는 것이다. 로봇을 통해 컨테이너 안에 무질서하게 놓인 수많은 부품 중에서 해당 부품을 집기 위해서는 정교한 비전시스템이 필요하다. 비전 시스템은 다음에 집을 수 있는 구성 요소를 감지하고 정확한 3D 위치를 판단하며 이 정보를 로봇에 전달한다. 현재 기술 상태에서는 이미지 처리를 사용하지 않으면 이 작업을 수행할 수 없는 경우가 많다.
8. 올바른 비전 시스템의 설정의 중요성
특정 애플리케이션 분야에서 로봇과 최적으로 결합할 수 있는 화상처리 시스템의 종류는 여러 요인에 따라 달라집니다. 기본 요소 중 하나는 시스템에서 카메라의 위치를 결정하는 것이다. 예를 들어 카메라를 로봇 셀 위에 영구적으로 설치(오프 암(off-arm))하거나 로봇 팔에 직접 부착(“온 암(on-arm))할 수 있다. 두 번째 시나리오에서 로봇의 시각 감지는 해당 동작 또는 그리퍼와 매우 가까운 위치에서 사용할 수 있지만, 로봇의 움직임을 위해 카메라 무게가 최대한 가벼워야 하고 가속 및 진동 측면에서 매우 견고해야 한다. 또한 케이블 라우팅이 정확히 설계되고 해당 로봇에 적합해야 한다.
볼 수 있는 로봇을 개발하기에 앞서 우리는 전통적인 산업용 카메라 또는 소위 지능형 카메라(스마트 카메라)가 작업에 더 적합한 선택인지의 대한 근본적인 질문에 답을 찾아야 한다. 스마트 카메라의 경우 캡처된 이미지가 카메라 하우징 에서 직접 분석되는 반면, 산업용 카메라는 이미지를 PC 시스템으로 전송하여 분석할 수 있으며 일반적으로 지능형 카메라에 비해 화상 처리의 정밀도와 속도가 뛰어나다. 두 아키텍처 모두 장단점이 있으므로 작업에 필요한 정밀도, 프로세스 및 이동 속도, 산업 환경 유형과 그에 따라 요구되는 비전 시스템의 보호 등급, 로봇의 하중 지지 능력, 선호되는 통신 인터페이스 또는 그 외에 영향을 미치는 추가 조건 등의 기준이 개별 애플리케이션에 최적 솔루션을 제공하는 화상 처리 시스템을 종합적으로 결정하게 된다.
그러나 카메라가 로봇 공학에서 비전 시스템의 성공 여부를 결정하는 유일한 요소는 아니다. 해당 작업에 맞게 조정된 조명이 있어야만 카메라가 필요한 수준의 품질로 이미지를 기록하고 이를 안정적으로 분석할 수 있다. 광학은 이미지 캡처 작업에서 중요한 역할을 한다. 오프 암 아키텍처가 설치된 로봇 비전 애플리케이션에서 반드시 유의해야 할 사항은 진동과 가속으로 인해 조리개와 같은 구성 요소의 설정값이 변경되지 않도록 하는 것이다. 작동 거리가 자주 바뀌는 경우에는 자동 초점 렌즈가 편리한 솔루션이 될 수 있다.
특히 온 암(on-arm) 애플리케이션의 경우에는 비전 시스템의 케이블 연결도 전체 시스템의 안정성에 중요한 영향을 미친다. 로봇의 지속적인 움직임으로 인해 비틀림 및 굽힘에 대해 저항력을 지닌 특정 케이블 또는 드래그 체인을 사용하여 통신이 항상 올바르게 작동하도록 해야 한다.
9. 손쉬운 로봇 비전
시각을 지닌 로봇을 위한 최적의 비전 하드웨어를 선택하는 것과 함께 소프트웨어 역시 이러한 종류의 시스템을 경제적으로 성공시키는 데 중요한 역할을 한다.
일반적으로 로봇, 상황에 따라 필요할 수 있는 그리퍼, 카메라, 그리고 때에 따라서는 조명 시스템도 자체적인 컨트롤에 의해 작동한다. 관련된 모든 하위 시스템을 효과적으로 통합, 프로그래밍 및 제어하는 것은 물론 통신이 모든 수준에서 원활히 작동하도록 보장하려면 정교한 설계가 필요하다. 대체로 그러한 시스템을 구현하는 데 드는 총 비용은 개발 기간에 따라 달라집니다. 결과적으로 이용 가능한 소프트웨어와 호환 가능한 프로그래밍 도구를 사용하여 최소한의 노력으로 복잡한 작업을 수행할 수 있는지 여부가 가장 중요한 요인이다.
화상 처리 구성 요소를 제조하는 업체 중 일부는 로봇과 화상 처리를 결합하여 얻을 수 있는 가능성을 이미 몇 년 전에 인식했다. 사용자가 이 두 자동화 부문의 상호 작용을 보다 쉽게 누릴 수 있도록 하기위해, 이제 두 세계를 연결하는 소프트웨어 접근 방식을 사용할 수 있다.
Basler는 이와 관련해 새로운 분야를 개척했으며 이미 오픈 소스 프로젝트 ROS(로봇 운영 체제)를 위한 다양한 카메라 드라이버를 개발했다. 여기에는 다양한 로봇 애플리케이션 개발을 지원하고 다양한 로봇 플랫폼을 위한 개발 도구, 알고리즘 및 드라이버를 제공하는 소프트웨어 라이브러리 및 도구가 포함된다. ROS는 수많은 실행 파일을 병행 처리하고 기존 시스템간에 동 기화 또는 비동기화 방식으로 이 파일을 교환할 수 있다.
실제로 이 데이터는 센서 쿼리에서 생성되며 처리 후 특정 로봇 동작을 시작하는 데 사용된다. Basler는 ROS 호환 카메라 드라이버를 통해 사용자가 로봇 애플리케이션에서 GigE 및 USB 3.0 카메라를 쉽게 사용할 수 있도록 한다.
10. 산업 분야를 위한 기회
시각을 지닌 로봇을 구현하는 것은 쉬운 일이 아니다. 그러나 로봇의 높은 안정성, 정밀도 및 일관성, 그리고 시각이라는 새로운 감각의 결합을 통해 얻을 수 있는 강력한 가능성들은 많은 경우에 이러한 노력을 정당화한다.
그 결과 로봇 비전은 규모와 관계없이 많은 기업들의 제조 과정에서 필수적인 구성 요소로 자리 잡았으며, 수많은 산업용 애플리케이션 분야에서 혁신적이고 유연하며 경제적인 솔루션을 제공한다.
자료 제공: Basler(www.baslerweb.com)
