* 이 기사는 유니버셜로봇 웨비나에서 피킷3D 구성용 지사장의 '3D비전으로 협동로봇의 유연성 및 사용성 극대화하기' 발표 내용을 정리한 것입니다.
발표 | pickit3D(피킷3D) 구성용 지사장
정리 | 헬로티 조상록 기자
1. 자동화 하기 어려운 공정
한국은 전세계적으로 봐도 자동화 비율이 매우 높고, 그 기술도 많이 축적돼 있습니다. 하지만 아직까지 자동화가 제대로 안 돼 있는 공정이 있는데요.
[그림1]처럼 공정 첫 부분에 작업물이나 소재를 기계에 투입하는 단계입니다. 이를 빈피킹(Bin-picking)이라고 하는데요. 작업자가 부품을 정렬시켜야만 로봇이 고정되어 있는 위치에서 부품을 집을 수 있습니다. 이 공정이 사실상 자동화 부분에서 가장 큰 숙제입니다.
[▲그림1] [▼그림2]
다음으로 자동화하기 어려운 부분은 자동차나 가전처럼 부피가 크고 무거운 제품들을 처리하는 ‘파트 정렬’ 공정입니다[그림2]. 크고 무거운 제품들이 컨베이어밸트를 타고 마지막 공정으로 오게되는데, 이 때 센터링을 하기 어렵습니다. 센터링을 한다고 해도 무빙파트들이 계속 움직이고, 조립 공차도 있기 때문에 자동화 하기 쉽지 않습니다. 결국 사람 손으로 하게 되죠.
결론적으로 자동화 하기 어려운 공정은 첫 단계(투입)와 마지막 단계(완성)입니다.
2. 고객들이 요구하는 자동화는?
고객들이 자동화 구축을 요청할 때 원하는 부분은 크게 두 가지입니다. 첫 번째는, 최소 비용으로 구축하고 싶어한다는 것이고, 두 번째는 성능 좋게 구축하고 싶어한다는 겁니다.
먼저 최소 비용 부분인데요. 고객들은 최단 시간에 자동화가 설치되기를 바랍니다. 시간 자체가 비용이기 때문이죠. 다음으로는 쉬운 유지보수를 원합니다. 유지보수가 쉬우면 굳이 외부 엔지니어를 부르지 않고도 자체적으로 수행할 수 있기 때문이죠. 끝으로 단순한 시스템을 원합니다. 시스템이 단순하면 유지보수도 쉽고, 설치할 때도 공간 활용이 좋기 때문이죠.
두 번째로 높은 퍼포펀스 부분인데요. 요즘에는 고객들이 속도나 정확성만 요구하는 게 아니라 다품종 소량생산에 유연하게 대응할 수 있는 부분까지 요구합니다. 그래서 유연성(Flexibility)이 굉장히 중요한 키워드인데요. 이유는 시스템 자체가 유연해야지 다품종을 생산할 때 시스템의 다운타임이 짧아지기 때문입니다.
[그림3]
저희 3D비전 시스템이 설치되었던 한 공장은 일주일 단위로 생산 계획이 바뀌는데요. 이 경우에는 일주일 단위로 세팅을 할 수 없으니까 미리 수십 가지 모델에 대한 세팅을 합니다. 그래서 버튼만 누르면 공정이 바뀔 수 있도록 프로그래밍 해놓는 것이죠.
퍼포먼스에서 장비 재사용도 중요합니다. 공정의 사이클 타임이 짧아지면서 공정 개편 횟수도 늘게 되는데요. 그럴 때마다 모든 시스템을 재구매해서 재설치한다면 손해가 클겁니다. 그래서 재사용 가능한 시스템을 요구하는 것입니다. 재사용 측면에서도 ‘단순한 시스템’은 큰 장점이 됩니다.
결론적으로 세 단어 유연성(Flexibility), 사용성(Usability), 단순성(Simplicity)으로 요약되네요.
3. 어떤 비피킹 방식이 있는가?
[CASE 1] 자동차 부품 기업 ‘KYB(가야바 공업)’
먼저 기업의 적용사례 하나를 보겠습니다. KYB라는 일본 자동차 부품 기업인데요. 이 기업은 다양한 크기의 부품들이 많습니다. 기존에는 사람이 기계 앞에서 직접 투입해야 했습니다. 이 기업이 자동화 시스템을 구축한다고 했을 때 가장 큰 문제는 공간이었습니다. 기계를 이동시킬 수 없으니까 최소한의 공간으로 자동화를 이루어야 하는 상황이었죠.
KYB는 이러한 문제를 협동로봇과 3D비전으로 해결했습니다. KYB는 굉장히 좁은 작업 공간에도 이 시스템을 도입했고, 그 결과 앞서 말한 유연성, 사용성, 단순성을 높였습니다.
이 부분을 작업 환경별로 자세히 설명해보겠습니다. 작업 환경은 네 가지(사람, 피더, 로봇+정렬기, 로봇+3D비전)입니다.
[그림4]
1) 사람의 손
먼저 사람이 손으로 작업물을 집어서 투입하는 피딩 공정은 굉장히 유연한 시스템입니다. 사람은 모든 걸 다 할 수 있잖아요. 하지만 두 번째 사용성 측면에서는 굉장이 안 좋은 시스템입니다. 사용자 입장에서 사람은 자유롭게 컨트롤 할 수가 없기 때문이죠. 그래서 사용성 측면에서 사람의 노동력은 리스크가 큰 방법입니다.
비용 측면에서는 처음에 투입하는 비용은 적지만 유지보수, 노동자 교체 등에 지속적인 비용을 들어가기 때문에 전체 비용 측면에서는 비효율적입니다.
2) 피더 - 기계를 제작한 경우
일단 유연성 측면에서는 가장 안 좋은 시스템입니다. 작업 환경에 맞춘 커스텀 제품이기 때문에 환경이 조금만 바뀌어도 다시 제작해야 됩니다. 사용성 측면에서도, 전문가가 피더 기계를 설계하기 때문에 사용자가 특별히 만질 수 있는 부분이 없습니다.
대신 설치 비용은 기계 장비 때문에 적을 수도 있고, 그 대신에 이제 유지보수 비용 계속해서 들어가게 되죠.
3) 로봇 + 정렬기
세 번째 ‘로봇 + 정렬기’는 절반 정도 자동화 된 상태입니다. 로봇이 사람의 손을 대신해 제품을 집어 옮길 수 있게 됐지만 또 누군가는 로봇이 제대로 제품을 집을 수 있도록 정렬을 해줘야 합니다. 그래서 정렬하는 기계장비를 만들게 됩니다.
요즘 대부분의 작업 현장에서는 로봇과 정렬기를 조합한 방식을 쓰고 있는데요. 이런 정렬기 기반의 로봇 피딩 시스템은 모든 시스템 가운데 중간 정도로 평가를 하고 있습니다.
4) 로봇 + 3D비전
마지막은 로봇이 무작위로 적재돼 있는 부품을 3D비전으로 찾아 옮기는 방식인데요. 여기에는 정렬기가 필요 없습니다.
이 방식의 유연성을 가장 높습니다. 왜냐하면 3D비전은 소프트웨어이므로 작업물이 바뀔 경우 소프트웨어 설정만 변경하면 바로 사용을 할 수 있기 때문입니다. 사용성 측면도 우수합니다. 기존 3D비전 시스템은 사용하기 굉장히 어려웠습니다. 반면 피킷의 3D비전 솔루션은 누구나 사용할 수 있게 쉽게 만들어 놓았습니다.
4. 3D비전 방식 빈피킹의 장점은?
3D비전 방식의 빈피킹에 대해 알아보겠습니다. 빈피킹에 3D비전을 이용하면, 무작위로 적재돼 있는 작업물을 정확하게 찾고 로봇이 작업물의 정렬 위치까지 고려해 집어서 다음 공정 기계에 옮길 수 있게 됩니다.
1) 2D비전의 단점
이제 3D비전과 2D비전 차이와 장단점을 살펴봐야 하는데요. 일단 2D비전도 굉장히 많이 사용하고 있고 충분히 좋은 솔루션입니다. 하지만 랜덤 빈피킹, 즉 무작위로 쌓여있는 작업물을 집어내기 위해서는 2D비전을 사용할 수 없습니다.
[그림5]
[그림5]처럼 2D비전은 화면에 보이는 2D 이미지를 가지고 분석을 하게 되는데, 작업물이 비스듬히 놓여 있거나 쌓여 있으면 작업물 이미지가 왜곡돼 로봇이 제대로 인식할 수 없게 됩니다.
2D비전에서는 조명도 중요한 역할을 합니다. 외부에서 빛이 너무 많이 들어오거나 빛이 부족한 경우 작업물의 형상이 다르게 인식되면 이 역시 오류를 일으키게 되죠. 그래서 보통 암실이나 조명을 설치하기도 하고요. 작업물을 미리 일정하게 나열시키는 등의 사정정렬 작업이 어느 정도는 필요합니다.
결국 2D비전 역시 정렬장비가 투입되어야 하는데요. 그러면 어느 정도의 설치 공간이 필요합니다. 또 암실이나 조명을 추가로 설치하면 사전 세팅이 복잡할뿐더러 설치 및 유지보수에 대한 비용도 발생합니다. 결코 가격 경쟁력이 있는 솔루션이 아니죠.
2) 피킷 3D비전의 장점
반면, 3D비전은 [그림6]처럼 비전에서 들어오는 데이터 자체가 3D데이터입니다. 데이터를 평면에서 분석하는게 아니라 3D 공간상에서 분석하기 때문에 작업물들이 겹쳐 있거나 아무렇게나 쌓여있어도 위치 자세를 찾아 낼 수 있죠.
기존에는 3D비전이 가격도 비싸고, 작동 시간도 오래 걸려서 적용하기 부담스러운 부분이 있었는데요. 요즘에는 기술이 상당히 발전돼서 비용도 많이 줄었고, 응답 시간도 2D비전과 크게 차이가 안 날 정도로 빨라졌습니다. 대략 1~1.5초 사이에 프로세싱이 완료됩니다.
[그림6]
5. 3D비전은 어떻게 동작하는가? (피킷3D 제품 중심으로)
3D비전 기반 빈피킹이 실제 어떻게 동작하는지 한번 보여드리겠습니다.
[아래] 피킷3D의 3D 기반 자동 빈피킹 영상을 보면, 작업물은 둥그런 형태에 가운데 홀이 있습니다. 평면이 아니고 입체적인 형상이죠. 이 작업물을 피킹한다고 하면, 로봇이(그리퍼) 홀 안으로 그리퍼를 넣어서 작업물을 집을 수 있는데요. 구석에 있는 작업물은 홀 안으로 그리퍼를 넣기 어렵기 때문에 작업물 옆을 집어야 합니다. 이처럼 로봇은 다양한 방법으로 작업물을 집을 수 있어야 빈피킹이 가능하게 되죠.
만약에 사용자가 이러한 로봇 작업을 프로그래밍 한다면 코딩도 어렵겠지만 시간도 많이 걸립니다. 이런 부분을 피킷3D 소프트웨어에서 쉽게 설정하는 모습을 말씀 드리겠습니다.
▼피킷3D 소프트웨어에서 작업 설정하는 과정 (위 영상 참조)
1) 모델 등록하기 – 가장 먼저 모델을 등록하는데요. 캐드(CAD) 모델을 등록할 수도 있고, 카메라로 찍어서 이미지로 등록을 할 수도 있습니다.
2) 툴 등록 및 피킹 설정하기 – 이제 작업물을 피킹하는 툴(그리퍼)를 등록할 수 있습니다. 이 역시 캐드 모델을 등록할 수도 있고, 소프트웨어 상에서 간단하게 3D로 그려서 등록할 수도 있습니다. 다음으로 로봇이 작업물의 어떤 부분을 집어야 하는지를 지정할 수 있는데요. 집는 위치, 각도, 집을 때 틀 수 있는 범위까지도 마우스 클릭만으로 쉽게 설정할 수 있습니다.
3) 설정 완료 – 여기까지 설정을 하면 해당 소프트웨어는 작업물 포인트 중에서 어떤 부분을 집어야 출동 없이 가장 잘 집을 수 있는지를 동작마다 판단해서 로봇에게 명령을 내리게 됩니다.
그럼 구석에 있는 부품은 충돌을 피하기 위해서 안쪽으로 약간 기울여서 집게 됩니다. 또한 로봇이 움직이는 자세도 최소화하도록 각도를 계산해서 전달합니다. 바꿔 말하면, 로봇 엔지니어는 집으러 가기 전까지만 티칭(설정)하면 된다는 겁니다.
4) 보정하기 – 로봇이 작업물을 집은 후에는 어떤 부분을 집었는지, 어떤 각도로 집었는지 결과값이 나오기 때문에 로봇의 위치나 자세를 보정할 수 있습니다.
5) 검사하기 – 로봇이 작업물을 다 집어낸 다음에는 물체가 있는지 없는지도 자동으로 검사해서요. 다 비웠다는 신호를 받은 다음 액션을 취하게 됩니다.
6. 어떤 비피킹 방식이 있는가?
[CASE 2] 농기구·건설기구 제조 기업 ‘탈렌툴스’
탈렌툴스(Talen Tools)는 네덜란드 기업인데요. 농기구, 정원 관리 도구, 건설 기구 등을 주로 만듭니다. 기존에는 사람 손으로 조립을 하고, 기계에 투입하는 작업물도 사람이 직접 투입해야 했습니다.
이 회사는 노동자를 구하지 못해서 공장 문을 닫게 되는 상황에 처했었죠. 그래서 피킷3D 비전을 이용해서 자동화를 구현했습니다.
이 공장의 경우는 당사 입장에서는 매우 좋은 례입니다. 왜냐하면 기술적으로 지원을 해 준게 거의 없거든요. 그냥 당사 제품을 구매해서 현장에 있는 엔지니어가 매뉴얼 보면서 모든 자동화 공정을 구축했습니다. 도움은 준건 UR로봇(유니버셜 로봇)이네요.
이 엔지니어는 전문 로봇 교육을 받지 않았습니다. 현장에서 일용직 개념으로 수작업을 하는 작업자였는데요. UR로봇과 피킷3D 비전을 공부해서 모든 공정을 프로그래밍 할 수 있었다고 합니다.
[CASE 3] 자동차·항공 부품 기업 ‘바나메틱’
이번 사례는 비전 검사를 하는 공정입니다. 바나메틱(Vanamatic)은 자동차, 항공, 일반 부품을 생산하는 업체입니다. 2D비전으로 제품의 양불 판정을 하는 검사를 하는데요. 검사하는 곳에 작업자를 투입해야 하잖아요. 기존에는 피더를 사용해서 기계 장비에다가 부품을 하나하나씩 꽂아주면 로봇이 집어서 검사를 했는데요. 꽂아주는 작업도 사람이 손으로 해야 됩니다.
이제는 작업물을 쏟아붇기만 하면 로봇이 알아서 집은 다음 검사를 해줍니다. 이를 통해 직원 3명을 줄일 수 있었습니다.
[CASE 4] 여러 공정을 수행하는 협동로봇
이번 사례는 조금 재밌는 공정입니다. 엔드이팩터를 보면 많은 툴이 장착돼 있습니다. 피킷 3D비전이 장착돼 있고, 진공 그리퍼, 스크류 드라이브, 오른쪽에는 작은 핑거 그리퍼가 장착돼 있습니다.
이렇게 엔드이팩터에 4 ~ 5개 툴을 장착한 다음, 로봇 한 대로 여러 공정을 수행하는 라인입니다. 만약 작업 공간이 협소하고, 사이클 타임이 크게 중요하지 않은 경우라면 이 같은 수행 솔루션이 적합할 수 있습니다.
과정은 보면, 먼저 3D 비전으로 제품을 찾아 집어낸 다음 상판과 합판을 조립하는데요. 먼저 하판을 놓고 그 위에 상판을 올려놓은 다음, 스크류 드라이버로 체결을 합니다.
이 공정 솔루션은 활용성이 좋은데요. 작업자가 다른 아이디어를 내서 여러 가지 공정을 수행하게 할 수도 있습니다. 이렇게 작업자가 또 아이디어를 내서 여러 가지 공정을 한 번에 수행할 수 있게도 할 수 있습니다. 유연성(Flexibility)이 매우 높은 시스템입니다. 또 모든 작업 요소와 툴을 재활용 할 수 있습니다.
이렇게 굉장히 많은 부분에 협동로봇과 같이 3D비전이 사용되고 있습니다.
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피킷3D에 대해서
피킷3D는 매우 쉽게 사용할 수 있는 로봇 비전 시스템을 만드는 기업입니다. 2010년 벨기에 루벤대학교(KU Leuven)에서 스핀오프한 기업이고요. 로봇소프트웨어 연구하고 개발하는 전문팀으로 시작해 2016년 플러그앤플레이 방식의 로봇 3D비전 솔루션 ‘Pickit’을 출시하고 회사명도 피킷이라고 런칭했습니다.
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