Industry 4.0 운영에 AMR을 안전하고 효율적으로 통합하여 이점 극대화

Industry 4.0 운영에서 산업용 모바일 로봇이라고도 하는 자율 모바일 로봇(AMR)의 사용이 급증하면서 A3(Association for Advancing Automation)에서는 최근 미국 표준 협회(ANSI)와 함께 AMR 안전 표준의 2차 개정판인 ANSI/A3 R15.08-2를 발표했습니다. 이 개정판에서는 AMR이나 AMR 기업 차량을 현장에 통합, 구성 및 맞춤화하기 위한 요구 사항을 자세히 설명합니다. 필수 요구 사항으로 ANSI/ISO 12100 또는 ANSI B11.0에 따라 위험 평가를 수행해야 합니다. 이번 개정판은 AMR의 안전한 설계와 통합에 중점을 두었던 이전 개정판인 R15.08-1을 보완합니다.

R15.08 표준은 자율주행 산업용 차량(AGV)에 대한 이전 ANSI/산업용 트럭 표준 개발 기구(ITSDF) B56.5 안전 표준을 기반으로 합니다. R15.08 표준에서는 특정 기능과 특징의 유무에 따라 AMR을 세 가지 등급으로 분류합니다.

이 기사에서는 AMR과 AGV, 그리고 ANSI/ITSDF B56.5 및 국제 표준화 기구(ISO) 3691-4와 ANSI/A3 R15.08를 각각 간략하게 비교합니다. 그런 다음 ANSI/국제 표준화 기구(ISO) 12100 및 ANSI B11.0에 나타난 위험 평가 전략, AMR과의 관련성, R15.08-2에 통합된 방식을 검토합니다. 다음으로, R15.08-2에 정의된 AMR의 세 가지 등급을 살펴본 후, 마지막으로 매핑 및 커미셔닝 구현 방법, AMR 기업 차량 관리 방법, 시뮬레이션과 디지털 트윈을 사용하여 가상 커미셔닝의 새로운 기회를 모색하는 방법 등 AMR 통합을 위한 실질적인 고려 사항을 Omron Automation 및 Siemens의 예를 들어 설명합니다.

AGV는 미리 정해져 표시된 경로를 따라서만 이동할 수 있습니다. 독립적인 내비게이션 기능은 없습니다. 장애물을 만나면 멈춘 후 장애물이 제거될 때까지 기다렸다가 정해진 경로를 따라 진행합니다. AMR에는 독립적인 내비게이션 시스템이 포함되어 있으며 경로를 변경하고 장애물을 우회하여 이동할 수 있습니다(그림 1). 이러한 차이점 때문에 AGV는 안정적이고 변화가 없는 환경에 적합하고, AMR은 보다 유연하고 확장성 있게 배포할 수 있어 Industry 4.0 운영에 걸맞습니다.

그림 1: 장애물을 만났을 때, AMR(왼쪽)은 장애물 주변을 탐색하고 AGV(오른쪽)는 멈춥니다. (이미지 출처: Omron)

표준의 발전

일부 AMR 표준은 이전에 개발된 AGV 및 정적 로봇용 표준에서 발전했습니다. 예를 들어 EN 1525:1997은 AGV용으로 개발되었으며 이후 수정 없이 AMR에 적용되었습니다. 최신 ISO 3691-4 표준은 AGV를 다루며 AMR 전용 섹션이 있습니다.

ANSI/ITSDF B56.5는 자율주행 산업용 차량, 무인 자율주행 산업용 차량 및 유인 산업용 차량의 자동화 기능에 대한 안전 표준이며, AMR은 포함하지 않습니다. 최신 ANSI/RIA R15.08은 산업 환경에서 AMR을 사용하기 위한 안전 표준입니다. 이 표준은 정적 로봇 암을 안전하게 사용하기 위한 R15.06 표준을 기반으로 확장되었습니다.

다른 중요한 표준으로는 다양한 유형의 장비에 대한 안전 성능 수준(PL)을 정의하는 EN ISO 13849가 있습니다. PLa부터 PLe까지 5단계로 나뉘며, 단계가 높을수록 요구사항이 더 엄격해집니다. AGV 및 AMR 제조업체는 이중화 시스템 등을 사용하여 단일 오류 발생 시에도 지속적으로 안전한 작동을 보장하는 PLd 안전 수준에 도달해야 합니다.

ANSI/A3 R15.08-2에서는 AMR을 통합하고 배포할 때 위험 평가를 수행하도록 요구합니다. ISO 12100과 ANSI B11.0-2010의 위험 평가는 매우 유사하지만 동일하지는 않습니다. ISO 12100은 주문자 상표 부착 생산(OEM)을 대상으로 하는 반면, ANSI B11.0은 기계 및 최종 사용자 안전에 더 중점을 둡니다. 위험 평가의 기본 사항은 두 표준 모두 비슷합니다.

위험 평가

위험 평가는 위험을 허용 가능한 수준까지 낮추기 위해 고도로 구조화된 분석입니다. 완벽한 시스템이나 환경은 없으며, 내재적인 위험은 관리할 수는 있지만 제거할 수는 없다는 점을 인식하는 것입니다. 먼저 기계의 작동 한계를 결정하고 기계가 한계에 가깝게 또는 한계를 벗어나서 작동할 경우에 발생할 수 있는 위험을 파악합니다.

다음은 위험 예측으로, 각 위험 요소로 인한 피해의 심각성과 발생 확률을 살펴봅니다. 매우 심각하지만 발생 가능성이 낮은 위험 요소가 덜 심각하지만 발생 가능성이 높은 위험 요소와 비슷한 등급을 받을 수 있습니다. 식별된 모든 위험을 평가하고 순위를 매겨 위험을 줄이기 위한 노력의 우선순위를 정합니다. 위험 평가는 가장 심각한 위험을 식별하고 남은 위험이 허용 가능한 수준으로 낮아질 때까지 발생 가능성 및/또는 결과의 심각성을 줄이는 반복적인 프로세스입니다(그림 2).

그림 2: 주요 위험 평가 요소에는 위험 분석, 평가 및 감소가 포함됩니다. (이미지 출처: SICK)

AMR 등급

R15.08은 AMR을 세 가지 유형으로 분류합니다.

Type A: AMR 플랫폼에만 해당됩니다. AGV와 달리 Type A AMR은 환경 변화가 필요 없는 독립적인 시스템으로 작동할 수 있습니다. 배터리 관리 시스템, 충전기를 알아서 찾아 배터리를 충전하는 기능, 중앙 집중식 기업 차량 관리 소프트웨어와 통합하는 기능 등과 같은 선택적 기능이 포함될 수 있습니다. Type A AMR은 공장이나 창고에서 자재를 이동하는 데 가장 많이 사용됩니다.

Type B: 매니퓰레이터가 아닌 수동 또는 능동 부착물이 추가된 Type A AMR입니다(그림 3). 일반적으로 컨베이어, 롤러 테이블, 고정식 또는 이동식 토트, 리프팅 장치, 비전 시스템, 계량 스테이션 등이 부착됩니다. Type B AMR은 복잡한 물류 작업에 사용할 수 있습니다. 비전 시스템은 제품 검사 및 식별, 부품의 무게 측정(또는 개수 예측) 등에 사용할 수 있습니다.

그림 3: 롤러 테이블이 부착된 Type B AMR, 그리고 세 가지 유형의 AMR 모두에 공통으로 적용되는 일반 내비게이션 및 안전 시스템입니다. (이미지 출처: Omron)

Type C: 매니퓰레이터가 추가된 Type A AMR입니다. 매니퓰레이터는 세 개 이상의 이동 축을 가진 로봇 암일 수 있습니다. Type C AMR은 작업자와 함께 일하는 협업 로봇(코봇)으로 작동하도록 설계될 수 있습니다. 픽 앤 플레이스 작업을 수행하고, 복잡한 검사 업무를 완료하고, 농업 환경에서 수확 및 제초 작업 등을 수행하는 보조 기계가 될 수도 있습니다. 장소를 이동하면서 각 스테이션에서 다른 작업을 수행하도록 설계할 수도 있습니다.

조명 커미셔닝, 매핑, 추적

세 가지 유형의 AMR은 모두 배포를 간소화하도록 설계되었습니다. 광범위한 인프라 설치가 필요한 AGV에 비해 AMR은 배포를 위한 구성이 필요하지 않으며 프로그래밍 요구 사항도 최소화할 수 있습니다. 기본 커미셔닝은 4단계 프로세스입니다(그림 4).

• AMR은 필요한 소프트웨어가 모두 설치된 상태로 배송되며, 가장 먼저 배터리를 설치하고 충전해야 합니다.
• 매핑은 매우 중요하며 수동 또는 자동으로 구현할 수 있습니다. 수동 매핑의 경우 AMR이 환경을 파악할 수 있도록 기술자가 AMR을 제어해 시설 주변을 돌아다닙니다. 레이저 유도 AMR은 분당 최대 1,000평방피트를 자동으로 스캔하여 주변 지역의 모든 특징을 캡처한 맵을 생성하고 최종 맵을 중앙 컴퓨터에 무선으로 전송할 수 있습니다. 두 경우 모두 안전한 작동을 위해 가상 경로와 금지선을 사용하여 지도를 사용자 지정하고 여러 AMR 기업 차량에 공유할 수 있습니다.
• 목표 설정에는 픽업 및 드롭오프 위치 식별이 포함됩니다.
• 마지막 단계는 작업 할당이며 기업 내 다양한 AMR 차량 예약 및 조정, ERP(전사적 자원 관리), MES(제조 실행 시스템), WMS(창고 관리 시스템)와의 통합을 포함합니다.

그림 4: AMR은 전체 소프트웨어가 설치된 상태로 배송되므로 신속하게 커미셔닝하여 생산 환경에 통합할 수 있습니다. (이미지 출처: Omron)

레이저 스캐닝을 사용하여 시설을 매핑하는 것 외에도 일부 Omron AMR은 카메라를 사용하여 상단 조명의 위치를 감지한 후 표시합니다. 이는 '조명 맵'을 생성하고 표준 '현장 맵'에 오버레이합니다.

레이저 정위에서는 현장의 환경 변화를 어느 정도는 허용할 수 있습니다. 예를 들어 팔레트 또는 롤링 카트의 위치가 수시로 바뀌는 하역장에서 80% 이상의 요소가 변경된다고 가정해 보겠습니다. 이 경우 레이저 정위는 덜 유용하며, 조명 맵을 추가하면 탐색의 신뢰성이 높아집니다. 또한 조명 맵을 사용하면 AMR이 대규모 시설의 넓은 공간을 더 쉽게 탐색할 수 있습니다.

로봇 기업 차량 관리

로봇 기업 차량을 효과적으로 관리하면 AMR 사용의 이점을 배로 늘릴 수 있습니다. 혼합된 유형의 AMR에 대한 중앙 집중식 제어와 조율된 운영을 지원하고 운영 효율을 극대화하는 데 필요한 데이터와 분석을 제공할 수 있습니다. AMR 기업 차량 관리 시스템의 일반적인 기능 몇 가지는 다음과 같습니다.

최적화된 작업 할당은 기업 내 각 로봇 차량의 기능, 현재 위치, 다음 할당의 예상 위치를 기반으로 합니다.

트래픽 관리에는 효율을 극대화하기 위한 픽업 및 드롭오프 위치와 시간 예약, 로봇에게 목적지 변경이나 새로운 장애물을 알리기, 로봇이 경로를 재계산하여 효율성과 안전을 극대화할 수 있도록 하는 기능이 포함됩니다.

충전 관리에서는 기업 내 각 로봇 차량의 배터리 충전 수준을 추적한 후 미리 충전하여 가동 시간을 극대화할 수 있습니다.

기업 차량 전반에 조율된 소프트웨어 업데이트를 사용하면 각 유형의 로봇에 최신 버전이 사용되도록 할 수 있습니다.

엔터프라이즈 통합은 기업 차량 관리 소프트웨어를 ERP, MES 및 WMS 시스템에 연결하여 실시간으로 기업 차량에 작업을 자동으로 할당 및 예약할 수 있도록 합니다.

가상 커미셔닝

디지털 트윈과 시뮬레이션 소프트웨어를 함께 사용하면 가상 커미셔닝이 가능합니다. 이 경우 디지털 트윈은 AMR을 가상으로 표현한 것입니다. 디지털 트윈을 사용하여 개별 AMR과 AMR 기업 차량의 성능을 가상으로 검증할 수 있습니다. 가상 커미셔닝에서는 로봇 공학 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 AMR의 디지털 트윈을 주변 환경의 디지털 트윈과 결합합니다(그림 5).

그림 5: AMR 디지털 트윈을 시뮬레이션된 공장 환경에 가상으로 삽입해 가상 커미셔닝을 수행할 수 있습니다. (이미지 출처: Siemens)

AMR 가상 커미셔닝은 여러 제조업체의 로봇 작동을 통합하고 조정하는 데에도 사용할 수 있습니다. 엔지니어는 가상 커미셔닝 프로세스 중에 여러 시나리오를 빠르고 효율적으로 생성하여 단일 AMR뿐만 아니라 전체 시스템의 적절한 기능을 검증할 수 있습니다.

디지털 트윈과 시뮬레이션을 통해 가상 안전 테스트 및 디버깅을 구현할 수도 있습니다. 가상 AMR은 다양한 우발 상황을 테스트하고 안전 프로토콜의 적절한 작동을 보장하기 위해 비정상적인 상황에 노출될 수 있습니다.

가상 디버깅을 구현하면 AMR 기업 차량을 빠르게 배포할 수 있습니다. 배포한 이후에 실제 AMR 기업 차량을 디버깅하려면 까다롭고 시간이 많이 걸립니다. 이 과정에서 작업이 중단되어 시설의 생산성에 부정적인 영향을 미칩니다. 가상 디버깅을 사용하면 작업이 중단되지 않으며, 사용자는 AMR이 실제 환경에서 예상대로 작동할 것이라는 확신을 가질 수 있습니다.

결론

다양한 Industry 4.0 시설에서 AMR 배포가 점점 더 보편화되고 있습니다. AMR 표준 환경은 AMR이나 AMR 기업 차량을 현장에 안전하고 효율적으로 통합, 구성, 맞춤화하기 위한 요구 사항을 해결하기 위해 진화하고 있습니다. 위험 평가 수행은 ANSI 및 ISO 표준에 따른 새로운 표준의 핵심 요구 사항입니다. 디지털 트윈과 시뮬레이션을 이용한 가상 커미셔닝의 등장으로 AMR 커미셔닝 도구도 진화하고 있습니다.

이 기사는 2부로 구성된 시리즈 중 1부이며, 안전, 위험 평가 및 커미셔닝에 관해 최근 발표된 AMR의 R15.08-2 표준의 영향에 초점을 두었습니다. 두 번째 기사는 현재 개발 중인 R15.08-3을 예상하여 작성되었으며, AMR의 센서 융합 주제를 다룰 것입니다.