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자동차 최종 조립 공정의 자동화를 위한 로봇의 혁신 기술
ABB

자동차 산업은 최근 수십 년 동안 프레스 차체 공장, 도장 및 엔진 변속기 조립등의 프로세스를 자동화했다. 그러나 최종 조립 분야는 자동화에 있어 여전히 큰 도전과제이다. 그 이유는 케이블 플러깅, 휠 조립 및 설치 영역이 매우 복잡하기 때문이다. ABB 로봇 및 시각적 트레킹 기술 발전으로 이러한 파일럿 애플리케이션도 자동화를 가능하게 하고 있다. 본문에서 설명하는 기술은 자동 유도 차량을 기반으로 한 물류 사업과 같이 불안정한 목표에 초점을 맞춘 분야에도 적용 가능할 것으로 예상된다.
  사실 자동차 최종 조립은 자동화가 불가능한 것으로 간주되었다. 따라서 이 분야의 구성 요소들은 자동화 기능을 염두에 두고 고안되거나 설계되지 않았다. 그 결과 오늘날의 자동차 최종 조립 라인은 여전히 사람을 의존하고 있다. 차체 공장 용접과 같은 영역에서 자동화된 라인은 ‘정지 및 이동’ 모드로 셀의 자동화를 용이하게 한다. 반면에 수동으로 작동하는 라인은 다양한 컨베이어 유형 또는 AGV로 차체를 운반하면서 천천히 지속적으로 이동한다.
  공장과 창고에서 사용되는 이러한 시스템은 바닥에 표시된 선이나 전선위를 움직이거나 탐색을 위한 전파, 비전 카메라, 자석 또는 레이저를 사용한다. 운송 매체가 컨베이어 시스템이든 AGV이든 관계없이 약 100mm/s의 중간 속도로 이동이 이뤄지므로 작업자는 조립 작업을 수행할 수 있다.
  그러나, 로봇의 경우 이러한 환경에서 어려운 과제를 제시한다. 우선, 차량 운송 시스템은 불규칙한 경향이 있는 반면 바닥이 고르지 않아 흔들림과 진동이 발생할 수 있다. 따라서 로봇이 그러한 환경에서 인간의 행동을 모방하려면 인공 시각을 갖추어야한다. 현재의 비전 시스템은 조립 작업을 위한 대상 위치를 찾기 위해 정적 위치 캡처를 기반으로 한다. 이 경우 차체가 선을 따라 움직이기 때문에 추가적인 기능이 필요하다.



움직임, 불규칙성 및 진동 등에 대처하기위한 비전 트레킹으로, 로봇은 초당 20-50 범위의 캡처 빈도로 이미지 시퀀스에 지속적으로 자신의 움직임을 조정할 수 있도록 설계되었다. 비전 트레킹은 비전 센서에서 추출한 피드백 정보를 사용하여 움직임과 진동을 보정하는 Visual Servoing이라는 기술을 기반으로 한다.
  여기서는 기존 로봇처럼 프로그래밍된 경로를 따라 이동하는 대신 비전 센서에서 제공하는 정보에 따라 로봇이 이동한다. ABB 로봇의 EGM(External Guided Motion) 기능은 4ms마다 안내 입력을 업데이트 할 수 있으므로 매우 빠른 응답이 가능하다.
  EGM 외에도 ABB 로봇은 힘-토크 센서인 ABB Integrated Force Control을 사용한다. 이 기술을 통해 로봇은 차체와의 접촉으로 인한 힘-토크 입력을 기반으로 움직임을 조정할 수 있다. 센서는 일반적으로 도구와 로봇의 손목 사이에 설치된다. Visual Servoing과 컴플라이언스 메커니즘의 조합은 서로 다른 센서 소스에서 오는 데이터를 실시간으로 결합한다.
  이러한 기술 발전에 따라 최종 조립 프로세스에 자동화를 고려해 볼 수 있다. 앞서 설명된 바는 다음 작업으로 요약될 수 있다.



1. 라인 이동 트레킹
이것은 정적인 환경(pseudo-static environment.)을 도출하기 위해 조립 라인의 주요 움직임을 트레킹 하는 것을 의미한다. 로봇은 컨베이어 트레킹 기능을 사용하여 컨베이어 시스템에서 부품을 트레킹 한다. 이는 컨베이어 움직임에 기계적으로 연결된 인코더를 사용하는 것을 기반으로 한다. 그러나 AGV를 타고 이동하는 차체의 경우 이러한 트레킹은 기계적 조정으로 인해 구현하기가 쉽지 않다.
  이 문제에 대한 ABB의 솔루션은 AprilTag 또는 AGV에 Visual Servoing 기술을 적용하는 것이다. AprilTag 장점은 설치가 간편할 뿐만 아니라 훨씬 강력하다는 것이다. 미시간 대학에서 개발한 AprilTags는 개념적으로 QR 코드와 유사한 2차원 바코드이다.
  차이점은 AprilTags는 적은 양의 데이터를 처리하도록 설계되어 감지하기 쉽고 정확도가 향상되며 컴퓨터 처리 속도가 빨라진다는 것이다. 반면에 시각적 트레킹은 바닥에 장착된 카메라를 사용하거나 로봇 자체가 선형 축에 장착된 경우 로봇 발에 카메라를 사용한다.
  ABB 제품 포트폴리오에서 ‘트랙 모션’이라고도 하는 로봇 선형 축은 로봇의 도달 범위를 확장하는 데 사용되는 선형 서보 제어 장치를 사용한다. 로봇 선형 축은 부품 또는 구성품과 차체 사이의 상당한 접촉 시간을 요하는 조립 공정에 필요하다. 이 기술은 AGV에서 로봇 움직임을 트레킹 하는데 국한되지 않고 컨베이어에서도 사용할 수 있다.



2. 표적 트레킹 로봇
이 정적 환경이 달성된 후에도 로봇은 어셈블리 목표에 도달하기 위해 잔류 공차, 불규칙성 및 진동에 대처해야한다. 이 경우 로봇 도구에 카메라가 장착된다. 로봇은 툴의 힘-토크 컨트롤러(FTC를 통해 카메라의 상대적 위치를 알고 있으므로 목표 위치에 초점을 맞출 수 있다.
  AprilTags 기반 라인 이동 추적과 달리, 카메라는 추적된 차체의 이미지에 초점을 맞춘다. 이러 상황에서 AprilTags는 장착 및 제거에 필요한 복잡성이 추가되지 않는다. 차체가 고속으로 움직일 때 시각적 특징을 트레킹 하는 것은 특히 조명의 다양한 색상 및 변화에 대처해야 하기 때문에 어려운 일이다. 로봇은 실시간 비전을 사용하여 표적을 트레킹 한다.



3. 물리적 상호 작용
표적이 식별되면 물리적 접촉이 시작되고 로봇은 시각 및 힘-토크 센서 입력의 조합을 따라 조립 작업을 수행한다. 즉, 손목과 툴 사이에 설치된 힘 제어 센서가 제공하는 피드백을 사용하여 시각적 트레킹을 유지하고 규정을 준수하며 행동한다.
  비전 센서와 힘-토크 센서의 조합은 조립 공정을 성공적으로 수행하기위한 핵심이다. 일부 애플리케이션의 경우 2단계와 3단계에서 사용한 기술이 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어, 작업이 다운 스트림 스테이션에서 수동 작업으로 이어질 때 완벽한 정확도가 필요하지 않을 수 있다. 또다른 경우에는 기존 컨베이어 트레킹을 사용하기 때문에 1단계를 건너 뛸 수 있다.

전망
미래에는 목표물을 조립할 수 있는 새로운 개념이 구현되어 이동 라인에서 조립 작업을 할 필요가 없어질 수 있다. 예를 들어, 쉽게 자동화할 수 있는 셀을 stop & go 모드에서 하위 라인으로 그룹화 할 수도 있다.
  이동 라인의 조립 자동화는 단기 및 중기적으로 계속 요구될 것이다. 현재는 자동차 최종 조립의 애플리케이션 요구에서 비롯됐지만 위에서 설명한 기술이 완전히 개발되면 AGV와 관련된 물류와 같이 불안정한 목표에 초점을 맞춘 다른 분야에도 적용할 수 있을 것이다.

자료 제공: ABB(www.ABB.com)


  기자 : 편집부 
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  날짜 : 2022-01

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