로봇을 뒷받침하는 요소: 인더스트리 4.0의 감지, 안전성, 제어

최신 산업 로보틱스 시스템은 진화하는 인공 지능(AI) 및 머신 러닝(ML) 기능, 매끄러운 상호 연결, 공장 현장에 걸쳐 확장 가능한 배포를 지원하기 위해 점점 더 정교해지는 인프라에 의존하고 있습니다. 이러한 시스템에는 고대역폭, 실시간 응답성, 엄격한 기능 안전 표준을 충족하는 센서, 안전 하드웨어, 회로 보호, 제어 부품이 필요합니다.

이 기사에서는 SICK의 센서 및 안전 솔루션과 Eaton의 산업 제어 부품이 안전한 모션 제어, 적응형 시스템 동작, 결정론적 의사 결정에 기여하는 방법에 중점을 두고 인더스트리 4.0 로보틱스를 뒷받침하는 기본 기술을 탐색합니다. 여기에서 다룰 주제에는 감지 아키텍처, 기계 안전 규정 준수, 결함 허용 제어 전략, 분산된 에지 자동화 네트워크 통합과 같은 탄력적인 지능형 자동화를 위한 주요 인에이블러가 포함됩니다.

동적 공장 환경을 위한 고급 감지 시스템

그림 1에 표시된 대로, 인더스트리 4.0 로봇은 고급 센서를 활용하여 공장 현장에서 안전하고 효율적인 작동을 제공합니다. 가변 조명, 공기 중의 입자, 기계 진동과 같은 열악한 조건에도 불구하고 이러한 센서는 인간, 이동 로봇, 빠르게 움직이는 조립 라인을 정확하게 추적하기 위해 실시간 데이터를 신속하게 처리해야 합니다.

그림 1: 다축 인더스트리 4.0 로봇 암은 통합 센서 및 실시간 피드백을 사용하여 신속하고 정밀한 작동을 제공합니다(이미지 출처: Igus).

로봇은 공간 인식과 밀리초 수준의 응답성을 지원하기 위해 다양한 센서 모달리티를 통합합니다. 센서 융합 알고리즘은 이러한 입력을 결합하여 로봇의 작동 환경에 대해 일관성 있는 실시간 모델을 생성합니다. 비전 시스템은 개체 감지 및 위치 파악을 관리하고, 안전 등급의 레이저 스캐너는 제한 영역에 대한 근접 위반을 모니터링합니다. 저지연 비행 시간(ToF) 센서는 3차원 공간 데이터를 캡처하여 반응적 경로 조정 및 상황 인식 동작을 실현할 수 있습니다.

로봇은 또한 내부 센서 및 접촉 기반 센서를 기반으로 모션 제어 및 상호 영향을 세부 조정합니다. 힘/토크 센서 및 리미트 스위치를 비롯한 촉각 센서는 그립, 조립, 유연한 작업을 위한 피드백을 제공합니다. 유도성, 정전 용량성, 초음파 근접 센서는 대개 ToF 시스템에 비해 짧은 거리에서 접촉 없이 주변 개체를 감지합니다. 인코더 및 전위차계는 정밀한 모션 계획을 위해 접합 위치 및 속도를 추적하며, 관성 측정 장치(IMU)는 방향 및 균형을 유지하기 위한 가속 및 각속도를 측정합니다. 마지막으로, 전기 센서는 모터 부하를 평가하고 결함을 감지하기 위해 전류 및 전압을 모니터링합니다.

산업 로보틱스를 위한 표준 기반 안전

인더스트리 4.0 로봇은 인간과 장비를 보호하기 위해 엄격한 국제 안전 표준을 준수해야 합니다. 3개의 주요 표준인 ISO 13849, IEC 62061, ISO 10218은 공장 현장의 로봇 시스템을 관리하기 위한 기능 및 제어 시스템 안전 요구 사항을 정의합니다.

ISO 13849는 안전 관련 제어 부품을 위한 설계 및 검증 기준에 대한 개요를 제공합니다. 이 표준은 위험 기반 방법론을 따르고 성능 레벨(PL)을 사용하여 위험 심각도, 노출 빈도, 회피 가능성을 기반으로 시스템 무결성을 분류합니다. IEC 62061은 전기, 전자, 프로그래밍 가능 제어 시스템의 기능 안전을 다루며, 필요한 위험 감소를 수량화하기 위해 안전 무결성 레벨(SIL)을 적용합니다. 이러한 표준은 안전 중시 응용 분야에서 감지 및 제어 기능을 설계, 구현, 검증해야 하는 방법을 정의합니다.

ISO 10218은 특히 산업 로봇에 이러한 원리를 적용합니다. 이 표준은 로봇 설계, 작업셀 레이아웃, 시스템 통합, 작동에 대한 안전 요구 사항을 다룹니다. 여기에는 비상 정지, 보호, 모션 모니터링을 위한 안전 관련 센서 사용이 포함됩니다. 이러한 부품은 지정된 성능 및 신뢰성 임계값을 충족해야 하며, 이는 대개 구조화된 테스트 및 검증을 통해 입증됩니다.

ISO 13849, IEC 62061, ISO 10218은 로봇 안전 표준의 핵심을 구성합니다. 전기적 안전에 대한 IEC 60204-1 및 인간-로봇 협업에 대한 ISO/TS 15066을 비롯한 추가 표준은 안전한 배포 및 통합을 위한 기본 프레임워크를 확장합니다.

인간-로봇 협업을 위한 통합 안전 시스템

공장 운영자들은 SICK 및 Eaton과 같은 제조업체의 안전 솔루션을 배포하여 기능 및 기계 안전 표준을 준수합니다. 예를 들어, SICK의 Safe EFI-Pro 시스템은 통합 센서, 컨트롤러, 액추에이터를 사용하여 부동 로봇 및 이동 로봇에 걸쳐 안전 기능에 대한 실시간 제어를 지원합니다. 그림 2에 표시된 대로, 이 시스템의 핵심 부품인 microScan 안전 레이저 스캐너를 사용하면 동적 환경에서 적응이 가능한, 상황별 모션 감지를 실현할 수 있습니다.

그림 2: SICK의 microScan3 안전 레이저 스캐너는 보호 영역을 모니터링하고 모션을 동적으로 감지하여 산업 환경에서 적응형 안전을 지원합니다(이미지 출처: SICK).

운영자들은 또한 SICK의 EOAS(End-of-Arm Safeguard)를 구현하여 로봇 툴 헤드 주변에 동적 보호 영역을 유지합니다. EOAS는 ToF 기술을 활용하여 110밀리초 미만의 응답 시간으로 안전한 비접촉 인간-로봇 협업을 실현합니다.

이러한 자동화 시스템을 보완하기 위해 SICK는 수동 및 주변 안전 부품을 제공합니다. ES21 비상 정지 스위치를 사용하면 비상 상황 동안 작업자가 기계를 신속하게 중단시킬 수 있으며, STR1 비접촉식 안전 스위치는 RFID 기술을 사용하여 변조 방지 보호 모니터링을 제공하여 높은 수준의 코딩 및 EN ISO 14119 준수를 지원합니다.

서지 및 전압 제어를 위한 보호 전략

조율된 로봇 안전 전략을 위해서는 모션 수준의 안전 보호 기능과 신뢰할 수 있는 전력 제어가 모두 필요합니다. Eaton의 과도 전압 억제기는 민감한 부품을 보호하기 위해 임시 서지 및 전압 스파이크를 제한합니다. 그림 3에 표시된 대로, FAZ-C10/2-NA와 같은 FAZ-NA 미니어처 회로 차단기는 과전류 이벤트로부터 제어 배선 및 보조 부품을 보호합니다.

그림 3: Eaton의 FAZ-C10/2-NA 미니어처 회로 차단기는 산업 자동화 시스템에서 과전류 이벤트로부터 제어 배선 및 보조 부품을 보호합니다(이미지 출처: Eaton).

전기 안전 및 시스템 무결성을 지원하기 위해 Eaton은 또한 장비 기능 및 작동 모드를 제어하는 광범위한 회로 보호 장치 및 수동 스위치(예: BP-SRR 로커, M22S-WKV-K11 선택기, BP-STE 토글)를 제공합니다.

Eaton의 Power-NTC 돌입 전류 제한기(ICL)와 리셋 가능 PTC 퓨즈는 전원 인가 및 결함 발생 시 높은 돌입 전류로부터 회로를 보호하는 데 도움을 줍니다. TJD 열 퓨즈와 같은 열 보호 장치는 밀접하게 통합된 로봇 시스템에서 열이 과도하게 축적되어 위험하게 되는 상황을 방지하기 위해 전류 흐름을 차단하는 방식으로 중요한 안전층을 추가합니다.

결함 허용 및 분산 제어 시스템

공장 로보틱스 시스템은 센서 고장, 액추에이터 오작동 또는 네트워크 장애가 발생할 경우 안전한 작동 연속성을 유지해야 합니다. 제조업체는 분산된 결함 감지, 분리, 회복(FDIR) 아키텍처에 의존하여 다운타임을 최소화하고 시스템 복원력 향상시킵니다. 여러 노드에 걸쳐 제어 논리를 분산시키고 국소적 결함 대응을 활성화함으로써 FDIR은 개별 부품 고장의 영향을 줄이고 장애가 더 확장되지 않도록 방지하는 데 도움을 줍니다.

이러한 결함 허용 전략은 실시간 진단 및 내장된 이중화를 통합한 분산 제어 시스템을 통해 구현됩니다. 분산 제어 시스템은 통합 진단 기능을 사용하여 중요 부품의 상태 및 성능을 연속적으로 모니터링합니다. 이중화 센서 및 통신 경로는 주요 시스템에서 고장이 발생할 경우 제어 무결성을 유지하고, 오류 처리 루틴은 제어된 종료 또는 정의된 안전 상태로의 전환을 가능하게 합니다.

FDIR 및 Flexi Soft 안전 컨트롤러

이러한 전략은 SICK의 Flexi Soft 안전 컨트롤러로 강조됩니다. 그림 4에 표시된 대로, Flexi Soft는 특정 시스템 요구 사항을 처리하도록 설계된 모듈식 확장과 구성 가능한 기능을 통해 분산형 안전 논리를 활성화함으로써 FDIR 기반의 인더스트리 4.0 로보틱스를 지원합니다.

그림 4: SICK의 Flexi Soft 안전 컨트롤러는 결함 허용, 분산 제어를 위한 분산형 안전 논리 및 모듈식 확장을 가능하게 합니다(이미지 출처: SICK).

인코더, 압력 트랜스듀서, 광전 센서, 머신 비전 카메라(예: Ranger3)를 포함한 SICK의 산업용 센서는 분산된 로봇 시스템에 걸쳐 중요한 피드백을 제공합니다. 주요 제어점에 통합된 이러한 센서는 실시간 모니터링, 동적 포지셔닝, 개체 감지, 시스템 수준 진단을 지원합니다. 이는 분산된 환경에서 조기 결함 감지, 국소적 대응, 연속된 작동을 활성화합니다.

보다 스마트한 자동화를 위한 에지 기반 감지 및 모니터링

인더스트리 4.0 로보틱스는 점점 더 에지 수준의 감지 및 모니터링을 활용하여 시스템 통찰력, 응답성, 자율성을 향상시킵니다. 모든 데이터를 중앙 집중식 플랫폼으로 전송하여 처리하는 대신, 고급 로봇 시스템은 이제 센서 또는 장치 수준의 에지에 더 가까운 위치에서 주요 분석을 수행합니다. 이를 통해 결함을 더 빠르게 감지하고, 보다 효율적인 의사 결정을 내리며, 네트워크 중단 동안 향상된 복원력을 실현할 수 있습니다.

산업용 카메라 및 회로와 같은 에지 지원 장치는 국소적 지능을 제어 논리 이상으로 확장합니다. 이러한 장치는 실시간 환경 및 작동 데이터를 캡처하여 안전, 품질, 업타임에 영향을 주는 조건에 대해 기계 수준의 가시성을 제공합니다. 이러한 플랫폼은 대기 시간을 줄여주고 대역폭 요구 사항을 완화하며 분산된 로봇 시스템에 걸쳐 조율을 향상시킵니다.

에지 컴퓨팅 및 임베디드 지능

이 에지 기반 전략은 인더스트리 4.0 로보틱스를 위한 에지 레벨 이미지 캡처 및 분석을 제공하는, SICK의 SensingCAM SEC100과 같은 제품에 반영되어 있습니다. 그림 5에 표시된 바와 같이 이 제품은 개체 인식, 처리 모니터링, 품질 검사를 위한 고해상도 스트리밍 및 이벤트 트리거 비디오 녹화를 제공합니다.

그림 5: SICK의 SensingCAM SEC100은 에지 수준의 이미지 캡처 및 분석을 제공하여 로봇 감시 응용 분야에서 실시간 모니터링 및 시각적 진단을 가능하게 합니다(이미지 출처: SICK).

산업용 카메라는 블라인드 스폿 및 동적 검사 영역에 대한 실시간 가시성을 실현하며, 트리거 이벤트 이전 및 이후에 이미지 데이터를 캡처하는 방식으로 근본 원인 분석을 지원합니다.

SEC100은 기존 머신 비전 시스템과 손쉽게 통합되며 중앙 집중식 리소스에 과부하가 걸리지 않도록 하면서 연속적인 모니터링을 지원합니다. 또한 포장 검증 및 부품 조립 추적과 같은 품질 문서화를 위한 시각적 기록을 생성합니다. 기계 수준에 임베디드된 SEC100은 시각 지능을 작동점 가까이에서 구현합니다.

국소적 처리 및 실시간 통찰로의 전환은 설비 수준의 에너지 모니터링으로 확장되고 있습니다. 그림 6에 표시된 바와 같이 Eaton의 PXBCM-DISP-6-XV 터치스크린 디스플레이는 Power Xpert 브랜치 회로 모니터와 연결되어 패널 수준의 전압, 전류, 전력 데이터에 대한 실시간 시각화를 제공합니다.

그림 6: Eaton의 PXBCM-DISP-6-XV 터치스크린 디스플레이는 전압, 전류, 전력 데이터에 대한 패널 수준의 실시간 시각화를 제공하여 예지보전 및 에너지 최적화를 지원합니다(이미지 출처: Eaton).

로봇 작업 셀을 비롯한 산업용 시스템에서 사용되므로 작업자가 이상을 식별하고 결함을 감지하며 에너지 사용을 최적화하는 데 도움이 됩니다. 이 디스플레이는 회로 수준의 진단 기능에 대한 현장 액세스를 가능하게 하여 예지보전을 지원하고 작동 가시성을 향상시킵니다.

인더스트리 4.0 로보틱스를 위한 시스템 수준의 전략

안전하고 효율적인 작동을 위해 인더스트리 4.0 로봇 시스템은 감지, 안전, 제어, 네트워킹을 통합하는 배포 전략을 필요로 합니다. 센서 및 안전 부품은 엄격한 표준을 충족하면서 분산된 환경에 걸쳐 적응형 보호 및 실시간 응답성을 실현해야 합니다. 다양한 공장 시스템에서 일정한 성능을 유지하려면 상호 작동성 및 확장 가능성을 보장하기 위해 개방형 표준 및 다중 프로토콜 통신을 기반으로 합니다.

제어 부품은 감시 시스템과의 안전한 저지연 연결을 통해 에지에서 많은 양의 데이터를 처리해야 합니다. 분산된 노드에 걸쳐 처리와 피드백을 조정하려면 정밀한 동기화와 타이밍이 필요합니다. 결정론적 프로토콜, 저지터 신호 경로, 시간 인식 제어 루프는 동적 조건에서 예측 가능한 동작을 유지하는 데 도움을 줍니다. 결함 허용 아키텍처는 안전한 고장 대체 상태와 연속적인 작동을 지원하며, 국소적 제어와 중앙 집중식 감독을 결합하는 시스템은 유연하고 재구성이 가능한 제조 프로세스를 가능하게 합니다.

요약

센서 융합 및 기능 안전부터 에지 컴퓨팅 및 결함 허용 제어에 이르기까지, 인더스트리 4.0 로보틱스는 복잡한 환경에서 안전하고, 신뢰할 수 있으며, 빠르게 대응하는 작동을 보장하는, 밀접하게 통합된 시스템을 기반으로 합니다. SICK 및 Eaton과 같은 DigiKey 협력 제조업체에서 제공하는 솔루션은 감지, 전력 보호, 제어 인프라를 통합하는 데 도움을 주어, 확장 가능한 배포, 표준 준수, 적응형 성능을 실현합니다.