센서 융합을 통해 작업 현장에서 효율적인 조작을 지원하는 방법

산업용 모바일 로봇(IMR)이라고도 하는 자율 이동 로봇(AMR)이 사람과 같은 공간에서 작업하는 사례가 늘면서, 내재된 여러 안전 위험에 반드시 대응해야 하는 상황입니다. 안전하고 효율적인 AMR 운영은 매우 중요하므로 단일 센서 기술에만 의존할 수는 없습니다.

다중 센서 융합(또는 간단히 '센서 융합')은 레이저 거리 측정(LIDAR), 카메라, 초음파 센서, 레이저 장애물 센서, 무선 주파수 식별(RFID) 등의 기술이 결합한 기능이며 내비게이션, 경로 계획, 충돌 방지, 재고 관리 및 물류 지원을 포함한 다양한 AMR 기능을 지원합니다. 센서 융합에는 주변 사람들에게 AMR의 존재를 알리는 기능도 포함됩니다.

AMR의 안전하고 효율적인 운영에 대한 필요성에 대응하고자, 미국표준협회(ANSI) 및 미국자동화협회(A3, 전 로봇산업협회(RIA))에서 ANSI/A3 R15.08 시리즈 표준을 개발하고 있습니다. 지금까지 기본 안전 요구 사항과 AMR을 사이트에 통합하는 데 중점을 둔 R15.08-1 및 R15.08-2가 공개되었습니다. 현재 개발 중인 R15.08-3은 AMR에 대한 안전 요건을 확대할 예정이며, 센서 융합 사용에 대해 더 구체적인 권장 사항을 포함하게 될 것입니다.

R15.08-3의 공개를 앞두고, 이 글에서는 IEC 61508, ISO 13849 및 IEC 62061과 같은 일반 산업 안전 표준과 IEC 61496 및 IEC 62998과 같은 사람 존재 감지를 위한 안전 요구 사항을 포함하여, 현재 AMR에 사용되는 기능 안전 요구 사항에 대한 간략한 개요를 시작으로 AMR의 안전 및 센서 융합과 관련된 현재 모범 사례를 검토합니다. 그런 다음 수많은 센서 기술을 구체화하는 일반적인 AMR 설계를 소개하고, 대표적인 디바이스를 소개하며, 내비게이션, 경로 계획, 위치 파악, 충돌 방지, 재고 관리/물류 지원과 같은 기능을 어떻게 지원하는지 살펴봅니다.

좋은 선택, 더 좋은 선택, 최고의 선택

AMR 설계자는 IEC 61508, ISO 13849, IEC 62061과 같은 범용 기능 안전 표준을 비롯하여 다양한 안전 표준을 고려해야 합니다. IEC 61496, IEC 62998, ANSI/A3 R15.08 계열 표준 등 사람의 존재 감지와 관련된 더욱 구체적인 안전 표준도 있습니다.

IEC 61496은 여러 센서 유형에 대한 지침을 제공합니다. 이 표준은 안전 무결성 수준(SIL)을 포함한 기계용 전기 감지 보호 장비(ESPE)의 설계, 통합, 검증을 위한 요구 사항을 지정하고 권장 사항을 제시하는 IEC 62061과 안전 성능 수준(PL)을 포함한 기계 및 제어 시스템의 안전 관련 부품의 안전을 규정하는 ISO 13849를 참조합니다(표 1).

표 1: IEC 61496에 지정된 유형별 ESPE의 안전 요구 사항 (표 출처: Analog Devices)

IEC 62998은 최신 표준이며 센서 융합 구현, 안전 시스템에서 인공 지능(AI) 사용, IEC 61496의 적용 범위를 벗어나서 움직이는 플랫폼에 장착된 센서 사용에 관한 지침을 포함한다는 점에서 더 나은 선택이 될 수 있습니다.

R15.08 Part 3이 발표되면 AMR 시스템 및 AMR 응용 분야 사용자를 위한 안전 요구 사항이 추가되므로 R15.08 계열을 최대한 활용할 수 있습니다. 센서 융합과 더욱 광범위한 AMR 안정성 테스트 및 검증이 주제에 포함될 수 있습니다.

센서 융합 기능

시설 매핑은 AMR 커미셔닝의 필수 요소입니다. 하지만 일회성 활동으로 끝나지 않습니다. 동시 정위 및 매핑(SLAM)(동기화된 정위 및 매핑이라고도 함)이라는 지속적인 공정의 일부이기도 합니다. 로봇의 위치를 추적하면서 특정 영역의 맵에서 변경 사항을 지속적으로 업데이트하는 공정입니다.

센서 융합은 SLAM을 지원하고 AMR을 안전하게 운영하기 위해 필요합니다. 모든 센서가 작동 환경과 관계없이 동일하게 작동하는 것은 아니며, 센서 기술에 따라 다양한 데이터 유형이 생성됩니다. 센서 융합 시스템은 AI를 사용하여 현지 작동 환경에 대한 정보(안개, 흐림, 습함, 주변 조명 밝기 등)를 병합할 수 있으며, 다양한 센서 기술의 출력을 결합해 더 의미 있는 결과를 얻을 수 있습니다.

센서 소자를 기능 및 기술별로 분류할 수 있습니다. AMR의 센서 융합 기능의 예는 다음과 같습니다(그림 1).

• 휠에 장착된 인코더 같은 거리 센서와 자이로스코프 및 가속도계를 사용하는 관성 측정 장치를 사용하면 더 쉽게 움직임을 측정하고 기준 위치 간 거리를 파악할 수 있습니다.
• 3차원(3D) 카메라, 3D LiDAR 같은 이미지 센서는 주변 물체를 식별하고 추적하는 데 사용됩니다.
• 통신 링크, 컴퓨팅 프로세서, 바코드 스캐너와 무선 주파수 식별(RFID) 디바이스 통신 링크, 컴퓨팅 프로세서, 물류 센서는 AMR을 시설 전반의 관리 시스템에 연결하고 외부 센서의 정보를 AMR의 센서 융합 시스템에 통합하여 성능을 향상합니다.
• 레이저 스캐너와 2차원(2D) LiDAR 같은 근접 센서는 AMR 근처에서 사람의 움직임을 비롯한 물체를 감지하고 추적합니다.

그림 1: AMR 센서 융합 설계에 사용되는 일반적인 센서 유형 및 관련 시스템 요소의 예 (이미지 출처: Qualcomm)

2D LiDAR, 3D LiDAR 및 초음파

2D LiDAR, 3D LiDAR 및 초음파는 AMR에서 SLAM과 안전을 지원하는 흔한 센서 기술입니다. 이러한 기술은 서로 차이점이 있기 때문에, 센서는 서로의 약점을 상호 보완하고 성능과 신뢰성을 높일 수 있습니다.

2D LiDAR는 단일 평면 레이저 조명을 사용하여 X 좌표와 Y 좌표 기준으로 물체를 식별합니다. 3D LiDAR는 다수의 레이저 빔을 사용하여 포인트 클라우드라고 하는 매우 상세한 주변 3D 형상을 생성합니다. 두 유형의 LiDAR는 모두 주변광 조건에 비교적 영향을 받지 않지만 감지 대상 물체가 레이저에서 방출되는 파장의 최소 반사율 임계값을 충족해야 합니다. 일반적으로 3D LiDAR는 반사율이 낮은 물체를 2D LiDAR보다 더 높은 신뢰도로 감지할 수 있습니다.

Seeed Technology의 HPS-3D160 3D LiDAR 센서는 고출력 850nm 적외선 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 방출기와 고감광성 CMOS를 통합합니다. 내장된 고성능 프로세서에는 필터링 및 보정 알고리즘이 포함되며 다수의 동시 LiDAR 작동을 지원할 수 있습니다. 이 센서는 센티미터 수준의 정확도로 최대 12m까지 측정할 수 있습니다.

2D LiDAR 솔루션이 필요한 경우 설계자는 SICK의 TIM781S-2174104를 사용할 수 있습니다. 이 센서는 270도 애퍼처 각도와 0.33도 각 분해능, 15Hz 스캔 주파수 특성을 가집니다. 안전 관련 작동 범위는 5m입니다(그림 2).

그림 2: 이 2D LiDAR 센서의 애퍼처 각도는 270도입니다. (이미지 출처: SICK)

초음파 센서는 LiDAR로 잘 감지되지 않는 유리와 같은 투과성 물질이나 빛을 흡수하는 물질을 정확히 감지할 수 있습니다. 또한 초음파 센서는 높은 먼지와 연기, 습도 및 기타 LiDAR를 방해할 수 있는 여러 조건에 의한 간섭에 덜 민감합니다. 하지만 초음파 센서는 주변 소음으로 인한 간섭에 민감하고 감지 범위가 LiDAR보다 제한적일 수 있습니다.

Senix의 TSPC-30S1-232 같은 초음파 센서는 AMR SLAM 및 안전 측면에서 LiDAR와 기타 센서를 보완할 수 있습니다. 위에서 설명한 2D LiDAR(5m) 및 3D LiDAR(12m)에 비해 짧은 3m의 최적 범위를 가집니다. 이 온도 보정형 초음파 센서는 환경 밀폐형 스테인리스강 인클로저 안에 있는 경우 IP68 등급입니다(그림 3).

그림 3: 최적 범위가 3m인 환경 밀폐형 초음파 센서 (이미지 출처: DigiKey)

센서 융합이란 보통 여러 이산 소자 센서를 사용하는 것을 지칭합니다. 하지만 다수의 센서가 단일 장치로 함께 패키징되기도 합니다.

3개의 센서를 하나로

AMR은 한 쌍의 카메라를 사용해 입체 이미지를 생성하는 시각 인식과 AI 및 ML 기반의 이미지 처리를 통해 배경을 확인하고 주변 물체를 식별할 수 있습니다. 스테레오 깊이 카메라, 별도의 컬러 카메라, IMU가 하나의 장치에 포함된 센서를 사용할 수 있습니다.

Intel RealSense D455 RealSense 깊이 카메라 같은 스테레오 깊이 카메라는 알려진 기준선 간격으로 분리된 두 대의 카메라를 사용하여 깊이를 감지하고 물체까지의 거리를 계산합니다. 정밀도의 핵심 중 하나는 까다로운 산업 환경에서도 카메라 간의 정확한 분리 거리를 보장하는 견고한 강철 프레임워크를 사용하는 것입니다. 깊이 감지 알고리즘의 정확도는 두 카메라 사이의 정확한 간격을 파악하는 데 달려 있습니다.

예를 들어 82635DSD455MP 깊이 카메라는 AMR 및 유사 플랫폼에 최적화되고 카메라 사이의 거리를 95mm로 확장했습니다(그림 4). 따라서 깊이 계산 알고리즘이 4m에서 추정 오차를 2% 미만으로 줄일 수 있습니다.

그림 4: 이 모듈에는 95mm 간격으로 분리된 스테레오 깊이 카메라, 별도의 컬러 카메라, IMU가 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

또한 D455 깊이 카메라에는 별도의 컬러(RGB) 카메라가 있습니다. RGB 카메라에서 초당 최대 90프레임(깊이 이미저 시야각(FOV)과 일치)을 촬영할 수 있는 글로벌 셔터는 컬러 이미지와 깊이 이미지 사이의 관련성을 개선하고 주변 환경을 파악하는 능력을 향상합니다. D455 깊이 카메라는 자유도가 6도인 IMU를 통합하여 깊이 계산 알고리즘에 AMR의 동작 속도를 포함하고 동적 깊이 감지 추정치를 생성할 수 있습니다.

조명 및 사운드

AMR 주변의 사람들을 위한 깜박이는 조명과 경고음은 AMR 안전에 중요한 역할을 합니다. 조명은 보통 AMR 측면에 광 타워 또는 광 스트립 형태로 제공되며, 로봇이 의도한 동작을 사람들에게 더 효과적으로 전달합니다. 또한 배터리 충전, 로드 또는 언로드 활동, 새로운 방향 전환 의도(예: 자동차의 방향 지시등), 비상 상황 등의 상태를 표시하기도 합니다.

조명 색상, 깜박임 속도 또는 경보음에 대한 표준은 없습니다. 이러한 기능은 AMR 제조업체마다 다를 수 있으며 AMR이 작동하는 시설의 특정 활동을 반영하여 개발되는 경우가 많습니다. 광 스트립에 경고음 메커니즘이 내장되는 경우도 있습니다. 예를 들어 Banner Engineering의 TLF100PDLBGYRAQP 모델에는 14개의 선택 가능한 신호음과 볼륨 제어 기능이 있는 밀폐형 청각 요소가 포함되어 있습니다(그림 5).

그림 5: 이 광 바 신호 표시기에는 밀폐형 청각 요소(상단 검은색 원)가 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

물류 지원

AMR은 더 큰 시스템의 일부로 운영되며, ERP(전사적 자원 관리), MES(제조 실행 시스템) 또는 WMS(창고 관리 시스템) 소프트웨어와 통합해야 하는 경우가 많습니다. 바코드 및 RFID 판독기 같은 센서와 결합된 AMR의 통신 모듈을 통해 AMR을 엔터프라이즈 시스템에 견고하게 융합할 수 있습니다.

바코드 판독기가 필요한 설계자는 레이블의 1D 및 2D 바코드 또는 DPM(Direct Part Mark) 바코드를 디코딩할 수 있는 Omron의 V430-F000W12M-SRP를 사용할 수 있습니다. 이 모듈에는 가변 거리 자동 초점, 광각 렌즈, 120만 화소 센서, 내장 조명, 고속 처리 기능이 포함됩니다.

DLP Design의 DLP-RFID2는 고주파(HF) RFID 트랜스폰더 태그에서 읽고 쓰기 위한 경제적인 콤팩트 모듈입니다. 또한 한 번에 최대 15개 태그의 고유 식별자(UDI)를 판독할 수 있으며 내부 또는 외부 안테나를 사용하도록 구성할 수 있습니다. 작동 온도 범위는 0°C ~ +70°C이므로, Industry 4.0 제조 및 물류 시설에서 사용하기에 적합합니다.

결론

센서 융합은 AMR에서 SLAM과 안전을 지원하기 위한 중요한 도구입니다. 센서 융합과 보다 광범위한 AMR 안정성 테스트 및 검증에 대한 레퍼런스가 포함될 수 있는 R15.08-3을 고대하며, 이번 기사에서는 AMR에서 센서 융합을 구현하기 위한 몇 가지 최신 표준 및 모범 사례를 살펴보았습니다. 이 기사는 2부로 구성된 시리즈의 2부에 해당합니다. 1부에서는 Industry 4.0 운영에 AMR을 안전하고 효율적으로 통합하여 이점을 극대화하는 방법을 검토했습니다.