머신 비전과 로보틱스의 시너지: 차세대 자동화를 위한 완벽한 결합

다음 '환상의 짝꿍(dynamic duo)'은 인간을 전혀 포함하지 않을지도 모릅니다. "머신 비전과 로봇은 완벽한 결혼입니다." ABB 로보틱스(오번 힐스, MI)의 비전 시스템 글로벌 제품 매니저 클라스 벵트손(Klas Bengtsson)은 말했습니다. 이는 새로운 이야기가 아닙니다. 비전과 로보틱스는 수년간 함께해 왔습니다. 하지만 다른 결혼과 달리, 이 결혼은 머신 비전이 역량을 확장하고 새로운 애플리케이션을 찾으며 번창하고 있습니다. 과거의 '완벽한' 결혼은 로봇을 가이드하는 것이었습니다. 하지만 새로운 애플리케이션(좋은 결혼의 자녀처럼)은 부품 검사, 바코드나 QR 코드 판독을 통한 추적성 확보, 부품 포장 및 언패킹의 새로운 방식 찾기 등을 포함합니다.

모든 것은 머신 비전이 제공하는 유연성으로 귀결됩니다. "비전은 많은 로봇 애플리케이션의 역량을 강화하는 데 도움을 주었습니다." 그는 말했습니다.

로봇을 유연하게 가이드해야 할 필요성은 많은 산업에서 제품 다양성 증가와 리드 타임 단축 요구에 의해 주도되었습니다. 왜 유연성이 그렇게 중요할까요? "로봇 자동화를 하드코딩하면, 제품이나 생산 라인의 무언가가 바뀔 때마다 프로그램을 변경해야 합니다." 벵트손은 말했습니다. 이는 하드코딩된 로봇 가이드 프로그램이 부품을 안정적으로 픽업, 연마 또는 가공할 수 있도록 정밀 지그나 부품 배치 방식을 변경해야 함을 의미합니다. 비용이 누적됩니다.

머신 비전은 로봇이 부품의 변형과 방향을 '볼' 수 있게 하여 이러한 비용을 억제합니다. 3D 스캐닝 센서는 훨씬 더 많은 새로운 애플리케이션을 열고 있습니다. 벵트손은 "15년 전 질문은 '왜 머신 비전을 사용하는가?'였습니다. 오늘날의 질문은 '왜 안 사용하는가?'입니다."라고 말했습니다.

인간과 로봇의 협업

리싱크 로보틱스(Rethink Robotics, 보스턴)는 2008년 설립된 협동 로봇(코봇) 제조사입니다. 주력 제품은 소이어(Sawyer)입니다. "우리의 소이어 로봇과 같은 코봇은 인간 규모의 반복적이고 지루한 작업을 수행하는 데 가장 적합합니다." 제품 매니저 마이크 페어(Mike Fair)는 말했습니다. 이는 인간이 수행하는, 똑같이 지루하고 반복적인 작업인 제품이나 움직임을 복제하는 것을 의미합니다.

"포장, 머신 텐딩, 라인 적재 및 하역, 검사, 인쇄 회로 기판 테스트 등이 이러한 애플리케이션에 포함됩니다." 그는 말했습니다. CNC 머신에 자재를 투입하는 작업도 또 다른 애플리케이션으로, CNC 머신에 부품을 넣고, 사이클을 돌리고, 가공이 끝날 때까지 기다렸다가 부품을 빼내는 인간을 대체합니다.

리싱크는 머신 비전을 매우 신뢰하여 각 소이어의 손목에 카메라를 내장했습니다. "내장된 비전 시스템은 우리 코봇을 더 빠르고 쉽게 배치할 수 있게 하며, 일반적인 머신 비전 시스템의 번거롭고 비용이 많이 드는 통합 시간을 제거합니다. 우리는 해당 비전 시스템을 쉽게 배치할 수 있도록 소프트웨어를 추가했습니다." 페어는 말했습니다. ATX West 2018 전시회에서 그는 기자조차 몇 분 만에 간단한 작업을 프로그래밍할 수 있음을 시연했습니다. QR 코드처럼 보이는 코드 스티커와 결합하여, 그들의 소프트웨어는 로봇이 워크셀의 가변성에 적응하도록 위치를 잡도록 돕습니다. 이는 또한 소이어 로봇을 작업에서 작업으로, 위치에서 위치로 이동하는 것을 용이하게 합니다.

유니버설 로봇 USA(Universal Robots USA Inc., UR; 앤아버, MI)도 협동 로봇에 전념하고 있습니다. 3~10kg 페이로드 범위의 세 로봇은 서드파티 제공업체의 '생태계(ecosystem)' 내에서 작동합니다. 유니버설 로봇+(Universal Robots+)이라는 무료 개발자 프로그램을 제공하여 엔드 이펙터, 비전 시스템, 기타 주변기기의 서드파티 제공업체가 자사 코봇과 플러그앤플레이 가능한 애드온을 개발할 수 있게 합니다.

회사 웹사이트에는 픽 앤 플레이스, CNC 머신 자동화, 포장 및 팔레타이징, 조립, 나사 체결, 머신 텐딩에 적합한 생태계 내 6가지 비전 옵션이 표시됩니다. 2D 및 3D 스캐너 모두 사용 가능합니다. 여러 로봇 모션 제어 및 시뮬레이션 소프트웨어 패키지도 제공됩니다.

통합, 사용 편의성

머신 비전이 유용하려면 접근 가능해야 하며, 이는 UR 생태계의 중요한 요소입니다. 예를 들어, 그들의 서드파티 패키지 중 하나는 3D 인포테크(3D Infotech)가 제공하는 유니버설 메트롤로지 오토메이션(Universal Metrology Automation)입니다. 이는 모션 제어 시스템, 3D 스캐너, 검사 소프트웨어를 통합하여 구성 가능한 자동화된 계측 솔루션을 만듭니다. 다른 프로그램들은 온라인 또는 오프라인 프로그래밍, 로봇 시뮬레이션 소프트웨어, 모니터링 기능을 제공합니다.

"오늘날 로봇과 비전 시스템의 통합이 훨씬 나아졌습니다." 에이펙스 모션 컨트롤(Apex Motion Control, 서리, BC)의 사장 롭 안토니데스(Rob Antonides)는 말했습니다. 에이펙스는 UR의 생태계 접근 방식을 최대한 활용한 통합업체입니다. "과거에는 비전 시스템과 로봇 컨트롤러를 억지로 짜맞춰야 했지만, 오늘날에는 이더넷 IP나 어떤 종류의 네트워킹을 통해서든 더 심리스한 플러그앤플레이가 가능합니다. 20년 전에는 비전 가이드 로봇 시스템과 통신을 설정하는 데 일주일이 걸렸지만, 오늘은 15~20분이면 됩니다."

머신 비전은 에이펙스에게 특히 유용했습니다. 자동화한 작업에는 케이크 장식 등 다양한 제빵 작업이 포함됩니다. "비전 시스템을 사용하면 제품의 불일치와 완벽하지 않은 프레젠테이션 및 위치를 다룰 수 있습니다. 3D 센서로 케이크 표면을 매핑하여 빠르고 쉽게 장식할 수 있습니다." 안토니데스는 말했습니다.

파나소닉(FANUC)도 쉬운 통합을 강조합니다. "작년 말에 통합 로봇 비전 기능을 갖춘 완전히 새로운 컨트롤러를 출시했습니다." 파나소닉 아메리카(FANUC America Corp., 로체스터 힐스, MI)의 스태프 엔지니어-지능형 로보틱스/머신 비전 데이비드 데초(David Dechow)는 설명했습니다. "파나소닉에서는 모든 비전 시스템이 이제 컨트롤러에 내장되어 있습니다." 파나소닉은 로봇 가이드 시스템에서 비전을 옵션으로 제공한 최초의 로봇 회사 중 하나였으며, 30년 전부터 시작했습니다.

데초는 머신 비전 기업들이 로봇과의 더 쉬운 인터페이스 개발에 집중해 왔다고 관찰했습니다. "비전 공급업체들이 이 시장을 눈에 띄게 지원하고 있습니다." 그는 말했습니다. "협업을 작동시키기 위한 무거운 작업은 비전 측면에 있습니다. 로봇은 한 점을 기대합니다. 비결은 머신 비전을 사용하여 올바른 점을 찾고, 머신 비전 시스템의 좌표계를 로봇의 좌표계에 병합하는 것입니다." 그는 다른 인터뷰이들과 마찬가지로 머신 비전이 많은 자동화 작업에서 비교할 수 없는 유연성을 제공한다는 데 동의했습니다. 오늘날 비용/편익 비율은 정밀 지그와 하드코딩보다 비전에 유리해지기 시작했다고 그는 말했습니다.

AI: 자세 추정과 판별

비전, 데이터, 로봇에 대한 논의는 자연스럽게 시야를 가진 로봇에 인공지능(AI)이 얼마나 유용할지라는 질문으로 이어집니다. 데초는 AI가 로봇 가이드에는 특히 적용하기 어렵다는 점을 지적했습니다. "AI 학습은 분류와 구별에는 매우 뛰어나지만, 이산 분석(discrete analysis)에는 좋지 않습니다." 그는 설명했습니다. 로봇은 이산적인 점으로 이동해야 합니다. 계측 시스템과 결합하면 이산적인 기하학적 양을 측정합니다. "배울 것이 없습니다." 그는 말했습니다.

하지만 여기서 끝나지 않습니다. 가이드에 적용되지 않더라도 AI가 가치를 제공하는 로봇 작업이 있습니다. "예를 들어, 배경에서 물체를 식별하고 분류하여 로봇이 작업할 물체를 결정하는 것, 로봇 가이드와 결합하면 좋은 하이브리드 애플리케이션이 될 것입니다." 그는 말했습니다. 또 다른 영역은 픽 앤 그립 최적화입니다. "공간에서 팔의 이상적인 방향과 접근 경로를 찾는 것은 결정론적이라기보다 학습 영역에 속합니다. 좋은 방향도 많고 나쁜 방향도 많습니다." 그는 설명했습니다. "AI는 부품이 배치와 크기 면에서 무작위적이고 균질하지 않을 때 특히 유용합니다."

덴소 프로덕츠 앤 서비스 아메리카(Denso Products and Services Americas Inc., 롱비치, CA)의 피터 카발로(Peter Cavallo)는 비전 시스템 역량의 실질적 증가가 현실이며 로봇 애플리케이션의 새로운 기회를 열었다고 동의했습니다. "가장 단순한 형태로 [비전]은 부품이나 물체를 찾아 작업합니다. 지금 우리가 보는 가장 복잡한 형태에서는 물체를 보고, 해석하고, 인식하며, 부품이나 로봇을 움직이지 않고도 다른 구성이나 위치에서 그 부품이 무엇인지 볼 수 있습니다."

그는 3D 스캐닝을 특히 중요한 발전으로 보며, 빈 피킹(bin picking) 같은 이전에는 어려웠던 작업을 간단하게 만든다고 말했습니다. 덴소의 최신 시스템은 구조광 비전 시스템을 사용하여 CMOS 디텍터로 3D를 봅니다.

로봇 공학에 AI를 적용하는 그의 견해는 더 넓은 시스템 맥락에 기반합니다. "차세대 로봇으로 이동하면서 딥러닝 같은 것들에 들어가기 시작하는데, 여기서 비전은 전체 시스템의 일부가 됩니다." 그는 설명했습니다. "도쿄 로봇 쇼에서 28 자유도를 가진 시스템에 두 개의 로봇 핸드가 샐러드를 만드는 딥러닝을 시연했습니다." 왜 산업 사용자들이 감동해야 할까요? 로봇은 미리 제공된 지식만 사용하여 상추, 과일, 채소를 선택했습니다. "우리는 로봇을 프로그래밍하지 않았습니다. 대신 우리가 원하는 것을 말했습니다." 그는 말했습니다. 공장 현장에 존재할 비정형 작업의 수를 생각해 보십시오. 그런 자동화에 이상적일 것입니다.

대기업만의 것이 아닙니다

머신 비전, 통합, 소프트웨어, 심지어 AI까지 생각하면 이 수준의 로봇 자동화는 포춘 500대 기업만의 것이라고 생각할 수 있습니다. 그렇지 않습니다. "오늘날 비전 비용이 합리적이기 때문에 중소기업에도 매우 적용 가능합니다. 과거 5만~10만 달러였던 것이 이제는 5천 달러 미만입니다. 주저할 이유가 없습니다." 카발로는 말했습니다.

엡손 아메리카(Epson America Inc., 카슨, CA)의 제품 매니저 릭 브룩셔(Rick Brookshire)도 로봇 자동화가 중소기업(SME)에 이상적이라고 동의했습니다. "50대, 100대, 심지어 1000대의 로봇을 구매하는 대기업 고객 외에도, 1대, 2대, 3대의 로봇을 구매하는 많은 소규모 고객이 있습니다." 그는 말했습니다. 엡손은 고정밀 시계 제작의 자체 필요성에서 로봇 사업을 성장시킨 고정밀 작업에 최적화된 소형 로봇을 전문으로 합니다. "우리의 모든 로봇은 통합 비전 가이드와 함께 제공되며, 이 기능은 수용이 증가하고 있습니다. 또한 점점 더 신뢰할 수 있게 되고 있습니다. 사람들이 더 기꺼이 사용합니다."

이 기사에서 인터뷰한 다른 사람들처럼, 그는 단순성이 필수적이라고 믿습니다. 특히 중소기업의 요구를 충족하는 데 있어 그렇습니다. 엡손 비전 가이드(Epson Vision Guide) 프로그램은 객체 기반의 포인트 앤 클릭 GUI 인터페이스를 사용하여 개발자가 애플리케이션을 빠르게 개발할 수 있게 한다고 회사 측은 설명합니다. 이상적인 비전 가이드 로봇 애플리케이션은 부품이 합리적인 공차 내에서 잘 위치하지 않거나 일관된 방식으로 제시될 수 없는 경우이지만, 엡손 로봇이 제공하는 정밀도는 또 다른 사용 영역을 엽니다.

공차는 더 엄격해지고 있습니다. 부품은 더 작아지고 있습니다. 정밀 배치는 점점 더 어려워지고 있습니다. "이것이 엡손과 같은 정밀 로봇이 도울 수 있는 부분입니다." 그는 말했습니다. "이는 점점 더 많은 소규모 기업에서 일어나고 있습니다. 그리고 이 로봇들은 사용이 너무 쉬워져서 많은 고객이 직접 통합을 수행합니다." 로봇은 직경 0.7mm 미만의 나사도 배치합니다. 인력이 고령화됨에 따라 이는 중요한 요소가 될 수 있습니다.

어플라이드 매뉴팩처링 테크놀로지스(AMT, 오리온, MI)의 영업 부사장 제임스 쿠퍼(James Cooper)는 자동차 제조 산업 경험을 바탕으로 독특한 관점을 가지고 있습니다. AMT는 비전 가이드 로봇 시스템을 전문으로 하는 시스템 통합업체입니다. 트랜스미션 케이스처럼 복잡한 시스템을 가진 다품종 부품이 보편화되고 있습니다. 트랜스미션 케이스는 많은 구멍과 복잡한 표면을 가진 큰 물체로, 비전에는 이상적이지만 정밀 하드 지그에는 비용이 많이 듭니다. "로트 크기도 작아지고 변경 주기도 잦아지고 있습니다. 그래서 로봇 가이드 비전 시스템이 많은 애플리케이션에서 매우 중요해지고 있습니다." 그는 3D 비전 시스템의 성장, 특히 빈 및 토트 피킹 애플리케이션에서의 성장을 언급했습니다.

가이드를 넘어섭니다. "품질 검사는 이상적인 애플리케이션으로, 구멍 및 기타 특징의 유무 확인이나 부품이 제대로 조립되었는지 판단하는 것입니다." 그는 말했습니다. 또 다른 풍부한 분야는 계측 검사입니다. "우리는 헥사곤(Hexagon)과 파트너십을 맺고 협동 로봇 기반으로 고객 제품을 검사하는 시스템을 구축했습니다. 이는 과거 온도 제어실에서 CMM으로 수행되었습니다. 수년간 제조업체들은 생산 현장에서 이를 수행하길 원했습니다. 이제 가딩이 필요 없는 완전한 휴대용 시스템으로, 생산 기계에서 바로 초도품 검사 애플리케이션에 이상적입니다."

그는 이러한 애플리케이션이 중소기업에서 성장하고 있다고 동의했습니다. 또한 이러한 작업장이 숙련 노동자를 찾는 데 어려움을 겪고 있어 더 많은 자동화의 필요성을 이끌고 있다고 지적했습니다.

ABB는 NUB3D(이후 인수)와의 협력을 통해 로봇 검사 시스템도 개발했습니다. NUB3D는 디지털 3D 검사 및 품질 관리 솔루션의 선도적 혁신 기업입니다. 턴키 시스템은 ABB 로봇 팔에 장착된 3D 백색광 스캐닝 센서로 구성됩니다.

슈타우블(Stäubli Corp., 던컨, SC)은 다양한 서드파티 벤더의 머신 비전을 사용하여 로봇 비전 가이드 애플리케이션을 구축하는 로봇 회사입니다. 하지만 인간 상호작용이 필요한 산업용 로봇에 비전 시스템을 사용하는 또 다른 용도도 제공합니다: 로봇 주변의 가상 안전 펜스입니다.

올리비에 크레모(Olivier Cremoux), 슈타우블 북미 로보틱스 비즈니스 개발 매니저에 따르면, 인간/로봇 협업은 5단계로 나눌 수 있습니다. 가장 낮은 1단계는 대부분의 산업용 로봇에서 흔한 비접촉 단계로, 인간과 기계 간의 상호작용이 위험합니다. "로봇과 작업자는 단단한 울타리로 분리됩니다." 그는 말했습니다. 가장 높은 5단계는 접촉이 원하고 필요한 단계로, 예를 들어 작업자가 무거운 도구나 기타 동시 동작을 위해 로봇을 핸드 가이드할 때입니다. 그 사이에 다양한 수준에서 어느 정도 접촉이 원하는 중간 단계들이 있으며, 로봇이 종종 멈춰서 인간이 무언가를 하게 합니다. "이 중간 단계가 협업 애플리케이션의 95%를 차지합니다." 그는 말했습니다.

이 중간 단계에서 워크셀 바깥쪽을 스캔하는 3D 스캐닝 비전 시스템이 다가오는 인간을 감지합니다. 일정 거리 내에서 로봇 속도를 늦춰 접촉과 부상을 방지하도록 워크셀에 신호를 보냅니다. 인간이 더 가까이 다가오면 셀을 완전히 멈춥니다. 이는 인간이 검사나 배치 같은 행동을 수행한 후 물러나면 셀이 자동으로 재시작하도록 허용합니다.

HNJ 솔루션즈(HNJ Solutions Inc., 카슨, CA)는 로봇을 포함한 제조용 비전 시스템을 제공하기 위해 설립된 통합 회사라고 그렉 맥엔타이어(Greg McEntyre) 사장은 말했습니다. 비전 시스템이 실제로 사용하고 설치하기 쉬워지고 있음을 인정하면서도, 여전히 HNJ 같은 통합업체가 필요한 애플리케이션 클래스가 남아 있다고 말했습니다. "다중 색상, 크기, 방향, 일반적인 불확실성이 있는 복잡한 애플리케이션에서는 카메라가 어떻게 작동하고 왜 작동하는지 알아야 좋은 시스템을 설치할 수 있습니다."

그는 3D 카메라가 빈 피킹 같은 관련 애플리케이션을 확장하는 방식을 강조했습니다. "오늘날 우리는 물체의 CAD 모델을 가져와 비전 시스템이 픽업하거나 작업해야 할 물체를 3D로 이해하게 합니다." 그는 말했습니다. "카메라는 완전한 자유를 줍니다."

복잡한 비전과 로보틱스 통합업체로서 그가 줄 조언은 무엇일까요? "보기만큼 쉽지 않을 수 있지만, 그냥 뛰어들라고 말하고 싶습니다." 그는 말했습니다. "비전 가이드와 비전 애플리케이션이 점점 더 유용해질 수 있는 유용한 하드웨어가 너무 많습니다." 즉, 그냥 하라는 것입니다.