레이저 스캐너 응용 제품 비교

레이저(light amplifying by stimulated emission of radiation의 약어)는 코히어런트 광으로 구성된 하나 이상의 빔을 방출하는 전자 부품입니다. 코히어런트는 동일한 주파수 및 파형과 일정한 위상차로 구성된 전자파를 나타냅니다. 레이저는 다음과 같은 작업에 사용할 수 있습니다.

• 절단, 에칭, 용접, 슬라이싱 응용 제품 — 정밀 조각, 드릴링, 반도체 마감, 기계 재포장 및 (의료 분야)의 라식 시력 교정 수술 등
• 영상 및 투사 — 홀로그래픽, 다초점형광현미경, 고화질 측량(점구름 생성을 위해), 레이저 분광 등
• 데이터 전송 — 바코드 판독기 및 광섬유/DVD 기술 등
• 위치 지정 — 작업 셀 안전 시스템, 3D 인쇄, 광 감지 및 범위 지정(LiDAR) 시스템 등

레이저 스캔(스윕 또는 편향 레이저빔 어레이 사용)은 여러 응용 제품의 핵심입니다. 이 기사에서는 산업 자동화에 가장 일반적인 여러 레이저 스캔 응용 제품을 검토합니다.

가장 간단한 실례에서 레이저 신호는 점원으로 생성된 후 정밀하게 조정된 내부 미러에서의 반사에 의해 액티브 각도까지 스윕됩니다. 내부 광 감지기는 반사된 신호를 읽습니다. 레이저 빔의 투영 각도 및 비행 시간(ToF)이 알려져 있으므로 스캐너의 전자 부품은 반환된 신호를 사용하여 스캐너 범위 내에서 구조에 대한 자세한 맵을 생성할 수 있습니다.

개념상으로는 단순하지만 실제 세계에서 레이저 스캐닝 기술이 작동하도록 하기 위해 극복해야 하는 여러 개발 과제가 있었습니다. 더 어려운 문제는 주변 광의 변동, 플랫폼 이동, 일관된 출력을 위한 광원 보정, 일반적으로 산업 환경에서의 먼지를 견디는 것입니다.

이러한 기술적 과제에 대한 해결책이 발견되었습니다. 현재 가장 정교한 응용 제품은 일부는 360˚ 범위에서 3D 스캔을 사용하는 자율 지상 차량(AGV)의 응용 제품입니다. 오늘날에도 시트록 또는 플로어레벨링을 정밀하게 사용하기 위해 건축에 사용되는 셀프 레벨링 레이저 스캐너를 확인하는 것이 일반적입니다. 또 다른 레이저 스캐너 응용 제품은 측량사 트랜싯에 있습니다. 이는 토목 엔지니어가 도로 경사도를 밀리미터 단위로 계획하는 데 도움이 됩니다. 이는 레이저 스캐너의 실제 다목적성이 공장 현장에 있지만 특수 기능을 위해 특별히 제작된 레이저 스캔 장치의 예입니다.

산업 안전을 위한 레이저 스캐너

자동화에서 위험한 작업 셀을 보호하는 필수 레이저 스캐너 응용 제품을 고려해 보겠습니다. 기본 설치에서, 레이저 스캐너는 고정 위치에 배치되며, 레이저는 단일 평면을 스캔합니다. 이러한 스캐너는 안전 모니터링 시스템으로서의 기능을 수행하는 광 커튼입니다. 광 커튼은 잠재적으로 위험한 장비의 특정 부분을 보호하기 위해 배치되며 광선의 중단을 모니터링합니다. 중단이 발생할 경우 광 커튼은 중요 장비 일부의 작동 속도를 늦추거나 작동을 중지하고 경보 신호를 제공합니다.

스캐너를 배치해야 하며 빔 형상은 작업자의 잠재적 진입점을 모니터링할 수 있는 기능과 일치해야 합니다. 위에서 언급한 응답 모드에서 알 수 있듯이, 스캐너는 대개 다른 안전 장비(가드, 경보 및 차단 스위치)와 함께 사용되어 작업자가 장비에 접근할 때 해를 입지 않도록 합니다.

광학 스캔 기술이 존재하기 전에는 위험한 작업 셀을 보호하기 위해 기계적 인터록이 사용되었습니다. 유지 보수 기간 동안, 작업 셀에 대한 전기가 비활성화될 수 있으며 록아웃-태그아웃 절차가 시행될 수 있습니다. 인간은 신뢰할 수 없는 존재로 유명하며 사람들은 보호 장치를 건너뛰는 것으로 알려져 있습니다. 광학 인터록은 더 신뢰할 수 있습니다. 특히 하드리셋 또는 2작업자 패널과 함께 사용하여 단일 작업자가 재시작을 작동할 수 없도록 합니다. DigiKey 기사 “위험한 산업 작업 영역에서 작업자 안전을 위한 안전 레이저 스캐너 사용”에서 이에 대한 자세한 내용을 확인할 수 있습니다.

그림 1: 이 SX5 계열 안전 레이저 스캐너를 통해 OEM 또는 최종 사용자는 PC를 이용하여 최대 6개 안전 구역과 2개의 경고 구역을 정의할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner)

비행 시간(ToF) 기술에 대한 참고 사항: ToF를 사용하면 극좌표를 기반으로 하여 물체의 위치를 정확하게 매핑할 수 있습니다(광선의 각도와 관찰되는 영역에서 물체까지의 거리). 이 정보를 사용하여 해당 구역에 스캐너의 관측 가능 영역에 대한 맵을 만들 수 있습니다. 이는 협력 로봇(코봇)으로 작업하는 다음 특수 사례를 고려할 때 중요합니다.

코봇은 협력 활동에서 작업자와 함께 작동하도록 고안되었습니다. 이를 위해서는 근접성과 수반되는 위험이 필요합니다. 작업 공간 맵으로 프로그래밍된 스캐너는 동료의 위치와 이동에 따라 코봇에서 허용되는 이동을 제어할 수 있습니다. 이는 로봇 및 스캐너 시장에서 상당히 새로운 성장 영역이므로 새로운 응용 제품이 지속적으로 진화하고 있습니다.

AGV 및 위치 지정 작업을 위한 레이저 스캐너

이제 이동 플랫폼에서 ToF를 사용하는 레이저 스캐너에 기반한 광 감지 및 거리 측정(LiDAR)의 장점과 단점을 고려해 보겠습니다. 자율 주행 차량(AGV)에 사용되는 이러한 시스템은 AGV 위치의 내부 맵에 의존하여 모든 물체 감지에 맥락이 있도록 합니다. 이러한 기능을 동시 정위 및 매핑(SLAM)이라고 합니다. 이는 시스템 복잡성을 증가시키는데, 위치 확인 오류는 장애물 또는 목표물의 매핑 위치에 직접적인 영향을 주기 때문입니다. 로컬 트랜스폰더, 교육-프로그래밍 또는 작업장 내장 트랙 사용을 통해 이러한 문제를 완화시킬 수 있습니다.

그림 2: 산업 시설에 사용되는 AGV, 포크리프트, 로봇 및 기타 이동 장비에서의 사용을 위한 270° SEL-H05LPC 안전 레이저 스캐너. (이미지 출처: IDEC)

스캔 기술은 주변광의 변화에 따라 신호 대 잡음비(SNR)가 변동될 수 있습니다. 최악의 경우는 빛이 스캔 조명보다 몇 배 더 클 수 있는 최대 일광입니다. 소스 변조, 구조화된 스캔, 필터링과 함께 협대역 사용을 포함하여 여러 가능한 솔루션을 사용할 수 있습니다. 다행히, AGV는 대부분 조명 제어 창고에서 작동하므로 이러한 기술이 필요하지 않습니다. 외부에서 작동하도록 고안된 차량의 경우, 현재 솔루션에 대한 집중적인 연구가 진행되고 있습니다.

레이저 스캐너는 그 자체로 가시선 장치입니다. 즉, 바로 앞에 있는 보기로 제한됩니다. 줄 지어선 기둥을 정면으로 마주하는 경우 스캐너는 해당 행의 선두에 있는 기둥만 볼 수 있습니다. 범위 내에 추가 기둥이 있다는 가정 하에 스캐너가 이 추가 기능을 감지할 수 있으려면 원근을 변경해야 합니다.

모바일 장치에서 LiDAR은 매우 중요합니다. LiDAR이 다른 센서와 결합하여 창고 환경의 실시간 변화에 대응할 경우 특히 중요합니다. 여기서 LiDAR은 전달율을 높이고 인력 요구 사항을 줄이며 사고를 최소화하는 데 도움이 됩니다.

LiDAR 시스템에서 올바른 스캔 기능을 선택한다는 것은 이러한 측정에 대해 선형 범위, 각도 스캔 창, 선형 및 각도 해상도를 지정하는 것을 의미합니다. AGV의 작동 속도를 제한할 수 있는 대역폭 또는 업데이트율은 또 다른 중요 요소입니다. 마지막으로, 전력 소모는 재충전 사이의 시간을 설정하며 주어진 시간에 배치할 수 있는 장치 수를 설정합니다.

오늘날 시장에 있는 여러 AGV는 LiDAR을 사용하여 공장 또는 자동화 창고 환경에서 길을 찾습니다. (이미지 출처: Gettyimages)

AGV의 LiDAR을 위한 전기 및 기계 고려 사항

LiDAR은 계속적으로 진화하고 있으며 대개 자율 주행 시장에서 구동됩니다. 결과적으로 역량, 기능, 기준 가격이 다양합니다. 이는 또한 실장 또는 연결 표준이 아직 생겨나지 않았음을 의미합니다. 응용 제품에서 AGV 사용을 고려할 때의 프로세스는 기존 제품을 시스템 요구 사항에 맞추고 거기에서 물리적 구조를 지정하는 것입니다. 여러 회사에서 시스템 엔지니어링을 실행하며 완전한 또는 맞춤형 LiDAR 시스템을 제공합니다. 요구 사항에 따라, 사전 엔지니어링된 솔루션은 더욱 최적화된 솔루션을 향한 시작점에 불과할 수 있습니다.

NIST(National Institute of Standards and Technology)는 AGV에 대한 안전 표준을 설정하는 데 앞장서 왔습니다. 현재 이는 주로 다음을 비롯한 충돌 문제에 초점을 두고 있습니다.

• 접이식 범퍼: 구형 모델 대부분에서의 의도는 범퍼에 힘 감지 기능을 포함시키고 장애물에 부딪힐 경우 정지시켜 접촉력을 제한하는 것입니다.
• 비접촉식 방법: 최신 AGV는 장애물을 감지하여 충돌을 일으키지 않고 정지해야 합니다. 인간의 형태에 근사한 테스트 형태가 사용되었지만 향후 테스트를 위해 인간과 더욱 유사한 형태와 포즈가 제안되었습니다.
• 갑작스러운 장애물: 안전 구역 내에서 예상하지 못한 장애물의 출현. AGV는 비상 정지를 수행해야 하지만 충돌 회피는 필요하지 않습니다.
• 가려진 장애물 예측: 이러한 장애물에는 장비 또는 AGV 주행 경로에 가까이 있는 사람이 포함됩니다. AGV 주행 경로에서 공간거리가 0.5m 미만인 지정된 저속 구역이 있어야 합니다.

향후 AGV 사용을 예상하여, 로봇 안전 표준으로 작업하여 AGV 베이스에 고정된 로봇 팔 사용과 관련된 테스트 방법 개발을 시작하고 있습니다.

LiDAR의 주요 트렌드 중 하나는 성능 저하 없이 LiDAR의 크기, 무게 및 비용을 줄이는 것입니다. 지난 10년 동안 진전이 이루어지면서 이러한 속성이 크게 감소하고 있습니다. 앞에서 설명된 SLAM 또는 국부화가 점점 더 관심을 받고 있습니다. 이상적인 솔루션을 통해 AGV는 어디서나 시작하여 자신이 운영하는 세계에 대한 자체적인 내부 맵을 개발할 수 있습니다. 이러한 작동은 LiDAR과 GPS, 휠 속도 센서 및 카메라를 포함한 다른 센서 유형의 통합에 의존합니다.

데이터 통신을 위한 레이저 스캐너

선형 바코드 판독기의 개념은 간단합니다. 선과 공백의 조합은 다음과 같은 방법으로 직접 읽을 수 있는 일종의 모스 부호를 만듭니다.

• 바코드에서 반사되는 광을 스캐너에서 측정
• 반사되는 주변광 측정

응용 제품에 따라 전 세계적으로 정기적으로 사용되는 9가지의 선형 바코드 변형체가 있습니다. 레이저 스캐너는 바코드 스캔의 표준이지만 바코드가 반드시 레이저 광원의 정밀도를 필요로 하는 것은 아닙니다(아래에 일부 예외 사항이 언급되어 있음). 대부분의 경우 바코드 내용의 판독 및 변형은 모두 스캐너 내에서 수행됩니다. 일반적으로 바코드 스캐너는 디코딩 값을 데이터베이스에 바로 전달합니다.

바코드 레이저의 고해상도를 요구하는 몇 개의 영역이 있습니다. 공간이 제한된 장소의 경우 표준 바코드 줄은 더 좁은 물리적 표준으로 유지됩니다. 이와 같은 경우 고해상도 판독기가 필요하며 레이저 스캐너가 매우 효율적입니다. 바코드가 더 멀리 떨어져 있는 경우(예: 창고의 선반에 있음) 유사한 상황이 발생하여 코드의 각도 크기를 효과적으로 줄입니다.

때로는 주변 광만으로는 막대와 공간 사이의 대비가 충분하지 않을 수 있습니다. 이런 경우, 레이저와 같은 알려진 광원은 코드를 밝히고 쉽게 판독할 수 있도록 하는 데 적합합니다.

식품점을 자주 찾는 소비자조차도 셀프 계산대에 있는 휴대용 스캐너에 익숙합니다. 바코드 스캔은 무수한 방향으로 표시될 수 있으므로 이러한 설정의 스캐너는 교차하는 레이저 스캔 라인으로 구성된 타이트한 매트릭스를 생성해야 합니다. 이렇게 하면 바코드가 어떻게 표시되든지 상관없이 적어도 하나의 스캔 라인이 전체 코드를 가로챌 수 있습니다.

그림 4: 이MIKROE-2913 바코드 스캐너 기판은 다양한 프로토콜을 준수하는 1D 및 2D 바코드를 판독할 수 있습니다. 여기에는 마이크로 USB 포트가 포함되어 있어 독립형 장치로서 작동하거나 다른 기판과 함께 작동할 수 있습니다. (이미지 출처: MikroElektronika)

바코드 2D 스캐너: 2차원(2D) 코드는 위에서 설명한 선형 코드와는 다릅니다. 바코드 2D 스캐너는 높은 정보 밀도, 오류 검사, 가독성(손상 시에도)으로 인해 인기가 높아졌습니다. 2D 바코드의 복잡성은 레이저 스캐너에 사용하기에 적합하지 않으며 디코딩을 위해 카메라가 필요함을 의미합니다. 대부분의 소비자들이 대부분의 스마트폰에서 손쉽게 판독할 수 있는 퀵 리스폰스(QR) 코드에 익숙하지만 일반적으로 4가지 유형의 2D 바코드가 사용되고 있습니다.

기계 제조업체와 최종 사용자가 바코드 및 스캐너 옵션을 평가할 때 고려해야 할 세 가지 주요 측면이 있습니다.

1. 어디에서 스캐너가 사용됩니까? 창고 재고 관리, 제조 라인에서의 생산 부품 추적 또는 POS 사용을 위한 것입니까?
2. 얼마나 많은 데이터가 필요하며 바코드에 배치하기 위해 품목에 사용 가능한 물리적 공간은 얼마입니까?
3. 바코드가 어떤 표면에 인쇄되며 해당 표면은 어떤 인쇄 해상도를 유지할 수 있습니까?

이 세 가지 질문에 대한 답을 얻은 후에는, 선택할 수 있는 실행 가능한 대안이 많이 있어야 합니다.

그림 5: Brady Corporation의 이 코드 판독기 950(CR950) 바코드 레이저 스캐너는 보다 쉽게 스캔할 수 있도록 광역 이미지 센서를 제공합니다. 그 결과 빛이 나는 표면에서도 1D 및 2D 바코드를 전방향으로 판독할 수 있습니다. (이미지 출처: Brady Corporation)

기타 판독기 및 카메라 기반 대안: 바코드 스캐너에 대한 대부분의 변형 제품은 위에서 다루었습니다. 특히 언급할 만한 것은 일부 바코드 스캐너는 반사광을 감지하기 위한 전자 결합 소자(CCD) 감지기 행과 함께, 코드를 비추기 위한 긴 LED 행을 사용한다는 것입니다. 이를 LED 판독기라고 합니다.

2D 코드를 효과적으로 빠르게 판독할 수 있도록 특별히 설계 및 구성된 카메라 시스템도 있습니다.

레이저 스캐너 응용 제품에 대한 결론

1960년 레이저가 발명된 이후 레이저 기반 장치 및 사용에 대한 확산은 놀라울 정도였습니다. 바코드가 레이저보다 11년 앞서 있지만 정보를 읽기 위해 코히어런트 광 스캔을 사용하는 것이 최적의 표준이 되었습니다. 레이저 기반 위치 추적 및 감지 스캔은 또한 산업 환경에서 유용한 솔루션이 되었습니다. 시스템을 처음부터 설계하든 기존 프로세스를 보강하든, 레이저 스캔 접근 방식을 일부 변형하면 대부분의 산업 제조 또는 추적 응용 제품에 가치가 있을 가능성이 높습니다. 기술의 발전 정도를 고려할 때, 현재 정확한 구성을 사용할 수 없다면 곧 적절한 구성이 나타날 가능성이 높습니다.