센서는 안전한 자동화를 위해 어떻게 자재를 움직일까?

지상 무인화 증가로 감지 시스템과 제어 필요

자동화되고 통합된 시스템은 자재 취급(Materials Handling)과 같은 산업에서 더 효율적이고 비용 절약적인 솔루션을 제공한다.

이러한 애플리케이션에서 지상 무인기(automated guided vehicles 이하 AGVs)의 증가는 더 안전하고 신뢰할 수 있는 감지 시스템과 제어의 필요성을 이끈다. 이렇게 기술의 발전은 결국 로봇의 지능을 자극한다.

4차 산업혁명은 스마트 제조 및 유통 시설에서의 첫 번째 물결로 지상 무인기(automated guided vehicles 이하 AGVs) 의 새로운 세대를 가능하게 한다. 이 혁명은 기능 안전과 작업장 사고 감소에 관해서 항상 새로운 사고 방식을 요구하고 감지와 제어 제조 업체에 대한 새로운 도전을 선보인다.

자재 처리 생태계에 AGVs의 적용

AGVs를 재료 처리 생태계에 적응은 놀라운 일이 아니다. 하지만 4차 산업혁명과 상호 연결된 작업 공간의 증가로 인해 모든 것이 변화하고 있다. AGVs는 전 세계 재료 처리 기기 시장의 약 10 %를 차지하고 있다. AGVs의 미래는 분명 적응성이 뛰어나고 설계에 미리 프로그램 되지 않은 상황에서도 반응하게 해주는 지능 기반 능력을 갖춘 자동화 시스템이 될 것으로 전망된다. 공장, 산업 시설, 소매점, 창고 등에서 사용하는 자율 차량은 4가지 고유한 형태로 분류할 수 있다. 첫째 포크리프트 트럭 (수평 및 수직 이동), 둘째, 팰렛 리프트 트럭 (수평만), 셋째, 견인 차량, 넷째, 단위 적재 캐리어 (컨베이어에서 조립 라인으로 중량 화물을 운송)이다. 오늘날 대부분 AGVs는 자재 취급과 포장 물류를 자동화하기 위해 인력과 기계가 함께 작동하도록 설계된다. 일부 회사에서는 로봇 팔을 추가해 원하는 개체를 선택하고 작업자는 완전히 배제함으로써 자동화 수준을 한 단계 높이고 있다.

이것이 산업이 나아가는 방향이지만 현재 개체 인식과 파악은 아직 완전히 해결되지 않는 문제이다. 그렇다면 제조 및 물류 시설이 AGVs 기반 솔루션으로 점차 전환되는 이유는 무엇일까? 그 이유 중 하나는 장기적으로 AGVs가 인간이 제어하는 물질을 다루는 장비보다 더 효율적이고 경제적이라는 것이 이미 입증됐다. 게다가 AGVs는 운영자 오류의 문제를 제거하기 때문에 본질적으로 더 안전하다. 그러나 필요한 초기 자본 투자의 높은 수준을 포함하며 모든 부지가 그러한 시스템을 수용할 수 없다는 것이다. AGVs를 선택하는데 가장 큰 장애물은 일관된 표준을 설정, 비교, 측정할 수 있는 단일 탐색 기술이 아직 없다는 것이다.

네비게이션 기술

시중에는 다양한 유형의 네비게이션 기술이 있지만 (와이어, 광학, 스팟) 이제 경로를 고정하고 공간을 잘 정의해야 한다. AGV 앞에서 장애물이 감지되면 일단 멈추고 문제를 해결할 때까지 기다린 후 다시 시작된다.

레이저 안내

네비게이션은 주변 벽에 위치한 반사기를 통해 삼각 측량으로 차량의 정확한 위치를 결정해 차량이 움직일 수 있도록 하는 전자 눈과 유사하다. 필요한 레이저 유도 기술의 장점은 자기 유도 시스템과 같은 바닥 작업이 필요 없다. 또한 소프트웨어 업데이트를 통해 쉽게 경로를 변경하여 회사 물류의 유연성을 극대화시킬 수 있다. Vehiches(VGVs)는 속도 혹은 레이저 센서 등의 다른 센서와 더불어 광학 센서를 사용해 탐색하며 차량 내 소프트웨어는 운행 환경에서 효과적으로 3D 지도를 설계한다. 이 기술을 사용하면 차량을 자동 혹은 수동 모드로 작동시켜 유연성을 극대화할 수 있다. 자연 네비게이션 기술을 기반으로 한 AGV는 반사기나 기록기를 필요로 하지 않기 때문에 설치 시간이 단축되고 기존 시스템에 쉽게 통합돼 전류에 미치는 영향을 최소화한다. 이러한 네비게이션 방향에서는 라이다(Light Detection And Ranging 이하 LiDAR )가 주요 기술로 사용된다.

조종 제어 구성

AGVs에서 조종 제어를 제공하기 위해 다양한 구성을 사용할 수 있다. 특정 차량과 애플리케이션에 가장 적합한 방법을 결정하기 위해 보통 설계의 용이성, 조종과 주행능력, 제한된 구역에서 탐색할 수 있는 능력, 차량의 전체적 비용 4가지 요소가 고려된다. 주어진 용도의 성능과 비용 사이에 적절한 절충점을 찾기 위해서는 적절한 조종 제어 장치를 선택하는 것이 기본이다. AGVs 조종 제어에 있어 가장 일반적으로 사용되는 세가지 설정은 3륜, 차동 장치, 4륜구성이다. 3륜 구성은 리프트 트럭 AGVs의 가장 일반적인 솔루션이다.

그것들은 비교적 구현하기 쉽고 매우 정확한 통제를 제공한다. 흔히 이 설계는 인코더를 사용해 차량 이동을 결정하는 하나의 마스터 바퀴의 속도와 방향을 감지하고 측정한다. 차동 장치 구성은 몇몇 제한에도 불구하고 차량 중심을 회전할 수 있기 때문에 장치 부하 캐리어와 견인 차량 AGVs에 널리 사용되는 솔루션이다. 조종 제어는 단일 모터와 인코더가 각 바퀴에 사용되는 두개의 제어된 바퀴에서 앞으로 혹은 뒤로 서로 다른 속도를 사용해 이루어진다. 4륜 바퀴 구성은 어떤 방향으로든 360도 이동이 가능하기 때문에 기동성이 가장 뛰어나 장치 부하 캐리어에 이상적인 솔루션이다. 차량을 옆으로 또는 접는 동작으로 조종할 수 있기 때문에 좁고 어려운 공간에서 보다 정확하게 이동할 수 있다. 조종 제어 장치와 인코더와 센서와 같이 수반되는 움직임 제어 구성 요소가 필요한 바퀴가 더 많기 때문에 이러한 유형의 구성이 가장 복잡하다.

센서를 사용한 안전한 자동화

네비게이션과 조종 기술이 함께하면 AGVs의 주변과 작동에 대한 중요한 피드백을 제공하는 광범위한 센서가 따라온다. LiDAR 과 카메라와 같은 네비게이션에 사용되는 센서와 인코더와 같은 지상 속도와 방향을 제어하는 센서는 정확하고 안전한 작동을 보장하는데 매우 중요하다.

정확한 AGVs방향을 위한 LiDAR

AGVs 설계에서 가장 최근 혁신 중 하나는 LiDAR 기술의 사용이다. 레이더와 마찬가지로 LiDAR은 레이저 빔을 사용하여 물체 범위와 3D 형상을 정확하게 측정하며 동시에 차선 표시와 같은 것들을 탐지하는데 도움을 주는 강도 데이터를 제공한다. 예를 들어 카메라 기반 솔루션은 갑작스러운 진동, 낮은 빛 또는 먼지가 발생학 쉬운 환경에서 어려움을 겪을 수 있는 반면 LiDAR 시스템은 보다 안정적인 것으로 입증됐다. 다른 탐색 접근 방식과 비교할 때 반사기, RFID 혹은 네비게이션 기록과 같은 외부 표적은 필요하지 않다. 이와 같이 위치 측정 및 지도표시뿐만 아니라 충돌을 방지하고 하중이 적절하고 안전하게 결합되고 배치되도록 하기 위해 이상적이다.

전통적으로 LiDAR 센서는 비용이 많이 들며 기계적 스캐닝 설계를 기반으로 해왔다. 하지만 LiDAR 기술은 계속 발전하고 있으며 새로운 솔리드 스테이트 솔루션은 전력 소모가 적고 보다 광범위한 범위에서 고해상도를 제공한다. 차세대 LiDAR 센서는 기계식 모델보다 신뢰성이 높을뿐만 아니라 가격도 저렴하다. 여러 개의 소형 솔리드 스테이트 LiDAR 센서를 배열에 장착함으로써 필요에 따라 정지해 있거나 움직이는 물체를 감지하고 추적할 수 있는 라이브 3D 주변 시야를 생성한다. 자연 조종 (비전과 레이저 가이드 구성요소를 포함하는 기술)에 기반한 완벽하게 적합한 최신 LiDAR 솔루션은 시스템 유연성에 있어 최대 높은 해상도를 제공한다. 관심 영역과 스캔 패턴은 필요에 따라 구성할 수 있으며 소형 모듈식 설계를 통해 타사의 성능 처리 하드웨어와 소프트웨어를 통합할 수 있다.

인코더는 속도와 방향 감지

넓은 범위의 AGVs에서의 네비게이션 기술로부터 오는 데이터를 대응해 지상 속도와 방향을 제어하기 위해 높은 정밀도와 안전 등급의 암호기를 사용하는 경우가 많다. 산업용 애플리케이션에서 기계와 시스템에 대한 위험을 최소화하거나 제거하기 위해 인코더와 같은 구성 요소는 산업 표준 성능과 안전 수준에 따라 인증될 수 있다.

AGVs 애플리케이션의 경우 시스템에서 가장 높은 안전 수준을 허용하는 안전 무결성 기준 (Safety Integrity Level, 이하 SIL) 3 구성요소가 이상적이다. SIL 3 등급 인코더는 안전 등급이 낮은 인코더보다 비쌀 수 있지만 시스템 장애가 발생할 위험을 크게 줄인다. 이 경우 창고를 탐색하는 AGVs의 비용이 많이 드는 손상이나 부상을 방지한다. SIL2 혹은 그보다 더 낮은 등급의 인코더를 사용하면 특정 응용 프로그램에 허용되는 위험 수준을 달성하기 위해 추가 인코더가 필요할 수 있다. 추가 구성 요소의 필요성은 시스템의 복잡성과 비용을 가중시키며 자동화/자율 주행 차량의 공간 제한 설계에 심각한 문제가 될 수 있다.

Dire-wire 센서는 적절한 돛대 높이 보장

앞에서 언급한 센서와 기능은 모든 범위의 AGVs 애플리케이션에서 광범위하게 사용된다. 특별히 포크 리프트 트럭과 팰렛 리프트 트럭 AGVs에 초점을 맞춘다면 몇가지 다른 센서도 고려해야한다. 이러한 애플리케이션에서는 안전하고 제어된 작동을 보장하기 위해 추가 인코더와 위치 센서가 필요하다 추진식 리프트 트럭에는 돛대 높이 (혹은 포크 높이) 제어를 고려할 수 있으나 리프트 트럭 AGVs에서는 필수가 된다. 다양한 높이에서 물건을 안전하게 제거하거나 보관하고 오버 헤드 품목과의 충돌을 방지하기 위해서는 리프트 트럭의 돛대나 포크 높이를 조절하는 것이 중요하다.

업계에서는 케이블 변환기, 문자열 전위차계, 선형 위치 문자열 냄비, 문자열 인코더로도 알려진 그리기 와이어 센서를 사용해 돛대의 정확한 선형 위치 피드백을 제공하는데 사용된다. 이러한 구성 요소는 유연한 케이블, 스프링-장착 스풀과 센서 (증분, 절대, 아날로그 혹은 전위적 출력을 가진 광학 인코더 또는 경우에 따라 홀 효과 센서)는 습하고 더럽고 야외 환경에 이상적이다. 또한 위치 센서타입은 다양한 팰렛 사이즈에서 자동화된 선-설치된 횡방향 포크 움직임을 감지하는데 AGVs가 사용된다.

회전 홀 효과 센서는 부하 분산 방지

회전 홀 효과 센서는 리프트 트럭 AGVs에서 포크 기울기 제어와 같은 다양한 기능에 사용된다. 돛대 하단에 배치된 이 센서는 포크의 기울기를 보정하고 제어하고 하중이 넘치지 않도록 하는 기능을 제공한다. 또한 전기 구동식 가위형 리프트 테이블을 AGVs에 통합해 정적 고정 장치를 차량에 올리거나 내리고 사람간의 상호 작용을 위해 배치한다. AGVs에서 다른 센서가 사용된다. 압력 센서는 포크 리프트의 하중을 제어하는데 사용되며 로드 셀은 단위 적재 캐리어에서 같은 기능으로 사용된다. 자기 네비게이션 시스템에서는 자기 테이프를 따라 추적 안내를 위한 특정 센서가 사용된다. 자기 센서는 테이프의 중앙에서 얼마나 떨어져 있는지 측정하고 정보를 모터 제어기가 제공한다.

관성 이동에 의해 유도된 AGVs은 트랜스폰더를 사용해 차량이 이동하고 있는지 확인하고 자이로스코프를 사용해 차량 방향의 최소 변화를 감지한다. 리프트 트럭 애플리케이션에서는 AGVs가 충돌하지 않도록 하고 팔레트 재료를 안전하게 로드하고 언로드하기 위해 소형 광전자 센서는 금속 새시 뿐만 아니라 좁은 포크 콘 끝에 통합된다. 자재 취급 분야는 감지, 제어 기술과 자동화된 브리지 차량의 증가와 증가를 다루는 설계자, 제조 업체와 엔지니어에게 가장 중요한 분야 중 하나로 새롭고 더욱 정교한 감지 솔루션은 개발을 가속화한다.

인간과 기계의 상호작용이 증가함에 따라 자재 취급의 시계는 ‘안전’ 상태를 유지하며 이는 센서와 제어 제조 업체가 꾸준히 혁신과 탁월성의 기준을 높이며 비용과 사이즈를 감소하는 것을 의미한다.

자재 취급 장비 설계자, 제조 업체와 운영자들이 보다 높은 효율성과 성능을 추구함에 따라 오늘날의 새로운 감지 기술은 빠르게 발전하고 있다.

출처 : Sensata(www.sensata.com)