케이지에서 벗어난 로봇

출처: 휴티그 출판사

로봇은 오래 전부터 현대적인 공장의 생산 라인에서 작업자의 역할을 해 왔습니다.  제조업체들은 로봇을 사용해서 생산성을 높이고 비용을 절감할 수 있습니다. 인더스트리 4.0과 스마트 팩토리가 가속화함에 따라서, 협동 로봇 또는 ‘코봇’이라고 불리는 첨단 산업용 로봇이 전통적인 생산 라인에 혁신적인 변화를 가져오고 있습니다. 이러한 로봇은 사람과 협력하여 일하고, 생산 공정에서 사람을 보조하며, 높은 정밀도와 안전한 작업 방식으로 완제품의 품질을 향상시킵니다. 인피니언은 이러한 차세대 로봇의 효율적인 전자 장치 구현에 필요한 컨트롤러와 전력 반도체부터 센서, 안전 및 보안 기능을 위한 칩 제품에 이르기까지 광범위한 반도체 제품들을 제공합니다.

기존의 산업용 로봇과 달리 코봇은 안전 케이지에서 벗어나서 사람과 직접 상호작용합니다. 이것이 가능하려면 로봇 디자인에 특수한 기능들이 포함되어야 합니다. 특히 로봇과 사람 둘 다 안전하게 일할 수 있도록 특별한 안전 조치들이 필요합니다.

코봇의 주요 설계 기준은 다음과 같습니다:

• 높은 전력 밀도, 되도록 작은 폼팩터의 컨트롤러
• 높은 정밀도, 기능 집적도, 효율
• 기능 안전성과 주변 사람 보호
• 축, 관절, 모터 수와 관련한 다양한 토폴로지
• IP(지적재산)에 대한 무단조작 방지
• 안전을 위한 전제조건으로서의 보안

전통적 로봇, 산업용 로봇, 위에서 말한 협동 로봇 모두 다 이러한 요구들을 충족하기 위해서는 지능적이며 효율적인 반도체 솔루션을 필요로 합니다. 이 시장은 성장 잠재력이 큽니다. 2015년에 산업용 로봇 시장 규모는 전세계적으로 100억 달러에 이르렀습니다. 애널리스트들의 전망에 따르면, 협동 로봇만 하더라도 2015년에서 2025년까지 28퍼센트의 성장이 예상됩니다.

인피니언은 로봇에 사용되는 다양한 반도체 포트폴리오를 생산하는 회사이자, 다양한 세대의 로봇들을 사용하고 있는 사용자 이기도 합니다. 칩 생산에 사용되는 장비는 매우 고가이므로, 초기 단계부터 로봇을 도입해서 최적화된 자동화를 꾀해 왔습니다. 그럼으로써 장비 가동을 극대화하고 제품 품질을 지속적으로 모니터링 및 조정할 수 있습니다. 또한 수율을 높이고 클린룸(청정실) 설비를 최대한 활용할 수 있습니다. 완전 커넥티드 생산 등 현재 인더스트리 4.0에서 논의되고 있는 많은 컨셉들을 이미 적용하고 있습니다. 또한 AGV(무인 운반차)라고 하는 이동형 로봇을 사용해서 기존에 따로따로 떨어져 있던 자율 생산 단위들을 통합할 수 있도록 합니다. 드레스덴 공장만 하더라도 170개 이상의 이동형 로봇들이 공장 안에서 일하고 있습니다. 이러한 경험으로부터 얻어진 로봇 시스템에 대한 이해를 다시 칩을 개발하는 데 활용하고 있습니다.

센서 기술, 대량의 데이터를 빠르게 분석하는 능력, 인공 지능, 전력 전자 분야의 기술이 발전함에 따라서 새로운 세대의 로봇이 가능하게 되었습니다. 현재 로봇 시장의 한 가지 변화는, 잘 알려진 유명 회사들뿐만 아니고 비교적 작은 규모의 스타트업 회사들이 다수 등장하고 있다는 것입니다. 이러한 스타트업 회사들은 주로 특수한 알고리즘을 개발하는 데 주력하고 있습니다. 이 개발을 토대로 새로운 개념의 로봇을 개발할 수 있습니다. 이러한 업체들은 기계적 디자인이나 필요한 전자 하드웨어에 대해서는 관심을 덜 두고 있으므로, 이와 관련해서는 시스템 전문성과 해당 제품을 보유한 회사들에 의존합니다. 이러한 방식으로 새로운 개념의 로봇을 개발하는 전문적인 스타트업 회사들은 수주 만에도 개발 플랫폼을 개발하고 있습니다. 이 개발 플랫폼을 토대로 다양한 분야에 사용되는 로봇들을 개발할 수 있습니다. 이러한 개발 플랫폼을 사용하면 이전 세대 로봇처럼 각각의 특정한 애플리케이션마다 비싼 프로그래밍 작업을 할 필요가 없습니다. 필요에 맞게 유연하게 재프로그래밍을 하고 모션 시퀀스를 수정할 수 있습니다.

새로운 세대의 로봇은 첨단 반도체 제품이 사용될 다양한 애플리케이션을 제공합니다. 이러한 것들로는 모터 제어, 정밀한 위치 및 물체 감지, 효율적이며 컴팩트한 드라이브, 전원공급장치 및 충전기, 가상 안전 게이트 구현, 보안 인증을 사용한 보안 기능, 캘리브레이션을 포함합니다. 연결된 제조 환경에서 기능 안전성은 보안이 전제되지 않고서는 불가능합니다. IP를 보호하는 것 또한 중요합니다. 특히 알고리즘이 중요한 자산인 스타트업들에게는 더 그럴 것입니다.

새로운 세대의 로봇을 개발하기 위해서 또 다른 중요한 점은, 디자인을 되도록 컴팩트하게 하는 것입니다. 특히 공간 제약적이고 효율이 중요한 모터 컨트롤러가 그렇습니다. 이 요구는 IGBT 및 IGBT 모듈, 온-상태 저항이 낮은 MOSFET(OptiMOS 같은), 보호 기능을 통합한 고집적 게이트 드라이버를 사용해서 달성할 수 있습니다. 특히 중요한 것이 기능 안전성을 달성하는 것입니다. 해당 센서들을 사용해서 토크, 위치, 압력 같은 파라미터들을 정확하게 포착하고 AURIX 같은 강력한 안전 컨트롤러를 사용해서 데이터를 처리해야 합니다.

로봇을 케이지에서 벗어나게 하려면, 먼저 사람이 자신의 부주의 때문이든 오작동 때문이든 고속으로 동작하는 로봇의 특정한 범위 안으로 들어가지 않도록 해야 합니다. 이 범위 안으로 들어가면 신체적인 상해를 입을 수 있기 때문입니다. 로봇이 충분이 주변을 감지할 수 있도록 하려면 정교한 센서 기술을 사용해야 합니다.

사람과 로봇 사이의 거리뿐만 아니라 로봇과 로봇 사이의 거리 또한 안전해야 합니다. 보호 구역을 좀더 유연하게 하면, 훨씬 더 작은 보호 구역을 사용해서 로봇 팔 같은 것을 더 역동적으로 움직일 수 있습니다. 존(zone) 개념을 사용해서 가상의 울타리를 칠 수 있습니다. 만일 사람이 가장 바깥 경계 안으로 들어오면 경고 신호를 보내고 로봇은 계속해서 정상 속도로 동작합니다. 그러다 사람이 더 가깝게 다가오면 속도를 낮추고 적절한 경고 신호를 보냅니다. 그러다 사람이 정말로 위험 구역 안으로 들어오면 로봇이 멈춥니다.

이러한 보호 메커니즘을 위해서는 극히 정밀한 물체 감지 기능을 필요로 합니다. 중복적 스캐닝을 사용하면 최대의 기능 안전성을 달성할 수 있습니다. 움직이는 방향을 감지하는 것도 유용합니다. 사람이 기계 쪽으로 다가왔다가 다시 멀어지는가? 아니면 위험 구역 안으로 들어오는가? 실제로 위협이 될 만한 상황을 지능적으로 인식함으로써, 불필요한 로봇의 작업 중단이나 속도 저하, 그리고 이에 따른 생산 손실이나 비용 발생을 피할 수 있습니다.

이러한 요구를 충족하기 위해서 인피니언은 ToF(time-of-flight) 기술 및 레이더 센서를 전문으로 하는 회사들과 협력하고 있습니다. 이 기술은 기존의 라이다 스캐너보다 더 매력적인 가격대로 3D로 환경을 스캐닝할 수 있습니다. 환경을 3D로 파악함으로써 특수한 알고리즘을 사용해서 움직임 방향을 예측할 수 있습니다. 드레스덴 공장에서는 이미 ToF 3D 카메라를 사용해서 환경을 인식하는 로봇 프로토타입을 사용하고 있습니다. 또한 중복적으로 24GHz 및 60GHz 레이더 시스템을 사용하도록 확장할 계획입니다.

안전과 보안이라는 두 용어는 비슷해 보이지만 명확히 구분됩니다. 안전은 사람을 보호하는 것이고, 보안은 데이터를 보호하여 로봇을 사이버 공격으로부터 보호하는 것을 목표로 랍니다. 데이터 보안이 확실한 시스템만이 기능적으로도 안전할 수 있으며, 이 점은 특히 인더스트리 4.0 및 IoT와 관련해서 갈수록 더 중요해지고 있습니다. 암호화 시스템을 사용해서 로봇이 정해진 대로만 작동하도록 해야 합니다. 유선 또는 원격 소프트웨어 업데이트 같은 것을 할 때 생산 프로세스의 한 부분으로서 로봇이 무단조작 같은 공격을 당하지 않도록 보호해야 합니다. 그러려면 사용자와 새롭게 추가되는 장치들을 보안적으로 인증하는 것이 필요합니다.

로봇이 적절히 작동하기 위해서는 캘리브레이션(교정)을 해야 합니다. 그런데 만약 해커가 이 캘리브레이션을 조작한다면, 로봇이 정해진 동작 범위를 벗어나서 동작할 수 있습니다. 바로 이 점에서 안전과 보안이 한 곳에서 만납니다. 효율적인 보안 없이는 기능 안전성도 확보될 수 없습니다. 앞으로의 시스템들은 이것이 점점 더 중요한 요구가 될 것이며, 이러한 요구는 전문적인 보안 컨트롤러(OPTIGA 제품군)나 HSM(하드웨어 보안 모듈) 기능을 통합한 AURIX 마이크로컨트롤러를 사용하여 충족할 수 있습니다. 이러한 제품은 이미 하드웨어에 보안 기능을 구현하고 있으므로 사용자가 암호화 기술에 대해서 전문적으로 알 필요가 없습니다. 또한 기존에 구현되어 있는 소프트웨어에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다.

이동형 로봇에서는 효율적이며 컴팩트한 전원 장치와 충전 기능이 필수적입니다. 첨단 CoolMOS, SiC, GaN 기술을 사용하면 기존 배터리 충전기과 비교해서 전력 밀도를 2배에서 5배까지 향상시킬 수 있으며 충전 시간도 단축시킬 수 있습니다. 무선 충전도 가능합니다. 더 나아가서 제동 시에 배터리를 재충전하면(전력 회생) 전력을 더 효율적으로 사용할 수 있습니다. 최신 전력 반도체가 이러한 것들을 가능하게 합니다. 미래의 인더스트리 4.0 공장에서는 점점 더 많은 배터리 구동 AGV가 사용될 것입니다. 그러면 이들 AGV를 연결함으로써 공장에서 필요로 하는 UPS 배터리 비용을 크게 절약할 수 있습니다. 충전되어 있는 AGV의 배터리를 사용해서 공장 내부 전력망으로 비상 전력을 공급할 수 있기 때문입니다.

전통적인 산업용 로봇은 중앙 모터 컨트롤러와 축에 있는 일련의 드라이브를 기반으로 합니다. 통상적인 로봇 팔은 모터 각각마다 상당한 양의 케이블과 제어 및 센서 데이터 리딩을 위한 추가적인 통신 버스를 필요로 합니다.

그런데 이러한 모터 제어 장치에 최신 반도체와 전력선 통신(PLC) 기술을 사용하면 필요로 하는 케이블 양을 현저히 줄일 수 있습니다. 그러면 무게를 줄이고 비용을 낮출 수 있습니다. 연구소 테스트 단계에서 인피니언은 로봇 팔에 필요한 케이블 수를 거의 30개에서 단 2~3개로 줄일 수 있었습니다. 동시에 100mbps를 훨씬 넘는 전송 속도를 달성하였습니다. 이것은 거의 실시간에 가까운 것입니다. 케이블이 줄어들면 인터페이스 수를 줄일 수 있습니다. 그러면 혹독한 산업용 환경에서 신뢰성을 높일 수 있습니다. 인피니언은 최초의 이러한 모터 제어 시스템 프로토타입을 개발하고 있습니다.

이러한 노력의 일환으로 기존 전력 반도체 용으로 최적화된 PLC 칩셋(12V, 24V, 48V, 600V DC 또는 400V AC)을 인버터 모듈로 통합할 계획입니다. PLC 기술과 모터 제어용 전력 반도체의 높은 전력 밀도를 결합함으로써 자체적으로 제어되는 모터를 편리하게 로봇 축 안으로 집어넣을 수 있습니다.

인더스트리 4.0 애플리케이션을 위한 시스템은 효율적이며 예방적인 유지보수를 필요로 합니다. 전압, 전류, 주파수, 온도, 압력, 소음, 기체 같은 것들을 모니터링해서 모터의 상태, 모터의 컨트롤러, 전체적인 시스템을 파악할 수 있어야 합니다. 이러한 데이터를 처리하고 기계 고유의 알고리즘이나 센서 값을 기반으로 기준 값과 비교해야 합니다. 적절한 모니터링은 작업 중단 시간을 최소화할 수 있으며 인더스트리 4.0을 위한 토대가 될 것입니다.

인피니언은 이러한 애플리케이션 용으로 특수한 센서 박스를 개발했습니다. 이 센서 박스는 와이파이나 USB를 통해서 PC로 연결할 수 있습니다. 이 박스는 아두이노 쉴드 보드 형태로 최대 2개의 센서를 수용할 수 있습니다. USB 허브를 통해서 최대 4개 박스를 연결할 수 있으므로, 실리콘 마이크로폰, 압력, 전류, 각도, CO₂, 레이더, 자기 3D 센서를 비롯해서 총 8개 센서를 사용할 수 있습니다. 이 솔루션은 고객들이 필요로 하는 모니터링 기능에 따라서 적합한 센서들을 선택할 수 있으며, 필요에 따라서 원하는 애플리케이션을 편리하게 개발할 수 있습니다.

로봇은 갈수록 더 작은 컨트롤러, 지능적인 안전 조치들, 변화하는 작업 환경에 따른 적응, 무단조작이나 해커 공격으로부터 보호하기 위한 향상된 보안 기능을 필요로 합니다. 로봇 기술은 계속해서 진화하고 있으며, 협동 로봇 같은 새로운 개념의 로봇들이 등장하고 있습니다. 협동 로봇은 사람과 직접 상호작용합니다. 안전 케이지에서 벗어나서 사람과 함께 협력하며 일합니다. 이러한 로봇은 엄격한 안전 요구를 충족하기 위해서 첨단 센서와 제어 장치를 사용해서 힘이나 출력을 제한할 수 있으며 충돌 상황을 피할 수 있습니다. 안전 기능을 통합한 최신 마이크로컨트롤러, 빠르고 정확한 센서, 효율적인 전력 반도체는 협동 로봇 같은 새로운 개념의 로봇들에 생명을 불어넣고 사람과 로봇이 함께 안전하게 일할 수 있도록 할 것입니다.

마지막 업데이트: 2018년 4월