[기고] ‘자동화’에서 ‘자율화’로 발전하는 로봇 ②

[테크월드뉴스=김경한 기자] 파트 1에서는 오늘날 물류 현장 및 스마트공장에서 AGV와 ROS 1을 AMR과 ROS 2로 전환하는 이유에 대해 살펴봤다. 이는 최근 수요가 예측 불가능하고 수요 패턴 변화가 빨라짐에 따라 보다 유연하고 실시간으로 대응할 수 있는 AMR과 ROS 2가 선호되기 때문이다. 이번 파트에선 ROS 2 기반 AMR 구축 시 개발자의 과제 및 고려사항을 살펴보고, 유연하며 비용 효율적으로 AMR을 구축할 있는 에이디링크의 각종 솔루션에 대해 소개하고자 한다. 

차세대 ROS 2 AMR 구축 시 당면 과제

AMR의 미래는 스웜 자율성이다. 한 스웜의 자율 이동 로봇들은 인간 운영자들의 감독 없이 그들의 일을 수행할 수 있다. 이를 위해 업계는 ROS 1에서 ROS 2로 전환해야 한다.

그러나 ROS 2로 마이그레이션하는 것은 특히 AMR 스웜을 개발하고 구축할 때 어렵다. ROS 1을 이미 사용하는 개발자는 복잡성, 확장성, 업그레이드성의 세 가지 주요 과제를 안고 있다.

AMR의 설계는 복잡하다. 로봇 시스템을 구축하려면 컴퓨팅 플랫폼에서 센서, 모션 컨트롤러, 기계 설계까지 하드웨어를 선택해 구입하고 소프트웨어(OS, 드라이버, 패키지)를 설치해야 한다. 시스템에 익숙하지 않은 경우 시스템 통합을 완료하는 데 최대 한 달이 걸릴 수 있다. 실시간 기능 또는 전용 QoS(Quality of Service: 서비스 품질)와 같은 고급 기능이 필요한 경우 개발자가 직접 코드를 개발해야 한다. 로봇이 개념 증명용으로 제작되면 확장성과 배포는 더 큰 관심사가 된다. 

ROS 1은 여러 AMR 간의 통신에 사용될 목적으로 구축되지 않았다. 그 경우 정확성 문제, 고장 또는 차량 시스템의 손상 위험이 증가한다. 운영자들은 과도한 실행 비용 없이 대규모 AMR 구축에 의존할 수 있어야 한다.

ROS 1 이 2025년 경 EOL(End of Life: 단종)로 전환될 것으로 예상되므로 더 많은 기업이 ROS 1에서 ROS 2로 마이그레이션하는 방법을 결정해야 한다. 이를 위해 개발자는 마이그레이션 프로세스를 숙지해야 한다.

ROS 2로 AMR 구현 시 고려 사항

ROS 2는 ROS 1을 이론에서 벗어나 산업 영역으로 진입시키는 업데이트 버전이다. ROS 2는 멀티 로봇 협업과 신뢰할 수 있는 내결함성 실시간 통신을 통해 산업용 사용을 허용한다. ROS 2는 DDS(Distributed Data Service)를 백본으로 사용해 데이터 리버(Data River)처럼 일관된 데이터 교환 환경을 제공하므로 AMR 스웜이 서로 통신할 수 있다. DDS 기술을 채택한 추가 장비도 데이터 리버를 사용해 데이터를 일괄적으로 공유할 수 있다.

DDS는 ROS 2의 핵심 구성 요소 중 하나다. 이 기술의 핵심은 모든 독립 애플리케이션이 액세스할 수 있는 글로벌 데이터 공간을 제공하는 DCPS(Data-Centric Publish-Subscribe) 표준이다. 미국 해군은 복잡한 선박 네트워크 환경에서 대규모 소프트웨어 업그레이드와 관련된 호환성 문제를 해결하기 위해 ROS 2를 사용했다. 2004년 OMG(Object Management Group)에 의해 출시된 이후 DDS는 자율적이고 까다로운 시스템 내에서 분산 실시간 통신용으로 데이터 게시 및 구독을 위한 표준 솔루션으로 널리 채택되고 있다.

적합한 ROS 2 기반 AMR 솔루션을 찾을 때 고려해야 할 몇 가지 사항이 있다.

- 먼저 시스템이 AMR 탐색(하드웨어 및 소프트웨어 통합 포함)에 최적화돼 있는지 확인해 시간 소모적인 의존성, 버전 관리 문제, 컴파일 오류를 방지해야 한다.

- 센서 퓨전으로 높은 정확도를 이루고, GMSL(Gigabit Multimedia Serial Link: 기가비트 멀티미디어 시리얼 링크) 이미지 등 여러 통합 센서와의 시간 동기화를 위해서는 IMU(Inertial Measurement Unit: 관성 측정 장치)가 필수적이다.

- 데이터의 내부 처리를 최적화하려면 시스템에 공유 메모리 메커니즘이 있는지 고려해야 한다([그림 1] 참조). 기존 구현에서는 시스템의 프로세스가 OS 네트워크 계층을 통해 메시지를 전달해야 하므로 지연 시간이 발생했다. 공유 메모리에 액세스하고 전송을 직접 수행하는 것은 최적화된 접근 방식이며 대기 시간을 크게 단축한다.

- 무장애 기능 및 이중화를 보장하면서 스웜 자율성을 지원하는 분산형 커뮤니케이션을 제공할 수 있는 솔루션을 찾아야 한다.

- 마지막으로, 솔루션이 구현하기 쉬운지 고려돼야 한다. 일부 공급업체는 대량 아키텍처를 지원하고 안정적인 통신을 보장하기 위해 최적화된 DDS 성능을 갖춘 SDK(Software Development Kit: 소프트웨어 개발 키트)를 제공한다. 이클립스 사이클론 DDS는 ROS2 기술 운영 위원회(TSC: Technical Steering Committee)가 ROS2 갈라틱 지오켈론(Galactic Geochelone) 출시의 기본 RMW(ROS 미들웨어)로 선택한 빠르고 안정적인 DDS 구현이다. 대부분의 개발자는 이 기본 구성을 사용할 수 있지만 기본이 아닌 RMW 구성을 사용할 수도 있다.

보다 쉽고 신속한 구현을 위해 통합 개발 환경(IDE: Integrated Development Environment), 테스트되고 검증된 패키지가 포함된 애플리케이션 및 참조 설계를 위한 샘플 코드를 제공하는 벤더를 검색해야 한다. 개발자가 ROS 1에서 ROS 2로 쉽게 전환할 수 있도록 지원하기 위해 일부 벤더는 다양한 접근 방식을 포함하고 마이그레이션 프로세스와 관련된 이점과 문제를 설명하는 마이그레이션 가이드를 제공한다.

에이디링크-폭스콘, 스웜 자율성 위해 FARobot 개발

에이디링크는 현재 글로벌 제조 대기업인 폭스콘과 협력하고 있다. 폭스콘은 생산 시설에서 AGV를 사용했지만 생산 라인의 유연성을 향상시키기를 원했다. 폭스콘은 에이디링크와 FARobot이라는 합작회사를 설립해 ROS 2를 사용해 고급 스웜 로봇 시스템(SRS: Swarm Robot System) 및 자율 이동 로봇(AMR) 솔루션을 개발했다([그림 2] 참조).

AMR은 실시간으로 서로 통신하므로 작업 스케줄링 및 할당을 수행하고 P2P(Peer-to-Peer: 동등 계층간 통신망) 통신을 사용해 각 AMR의 위치 경로를 결정할 수 있다. AMR 중 하나에 고장이 발생하면 즉시 백업을 시작하고 가장 적합한 지원 로봇을 자동으로 전송한다.

FARobot의 고유한 AMR 솔루션은 스웜 협업, 작업 페일오버, 성능 최적화 기능을 제공한다. 최신 스웜 자율성 기술을 채택한 FARobot AMR 로봇은 산업 효율성과 생산성을 높일 수 있다. 예를 들어, 적합한 원료 또는 부품을 적시에 적절한 장소에 공급해 불필요한 지연을 줄일 수 있다.

미래의 공장: 실시간 통합을 위한 DDS를 지원하는 사설 5G

전 세계 최대 머신 툴 제조업체 중 하나인 페어 프렌드 그룹(FFG: Fair Friend Group)은 인력 부족과 수요의 변화로 인해 물류 업그레이드, 검사 개선, 향상된 기술 서비스가 시급하게 요구된다는 사실을 깨달았다. FFG는 AGV를 사용하면서도 유연성을 향상시켜 효율성을 높이고 비용을 절감하고자 했다. FFG는 에이디링크 및 정보산업연구소(III: Institute for Information Industry)와 협력해 스마트 공장 건설을 계획했다.

스마트 공장 솔루션을 구축할 때는 제조 유연성, 공장 확장, 빠른 라인 스위치를 고려해야 한다. 이런 환경에서는 통신이 핵심이다. DDS는 유무선 제조 환경과 여러 무선 기술을 갖춘 환경에서  미들웨어 역할을 수행할 수 있다. 높은 신뢰성을 갖춘 DDS와 5G의 짧은 지연 시간·고속 전송이 결합돼 AGV의 감도와 응답 속도를 향상시킨다. 

스웜 자율성의 첫 구현은 대만 신추 현 후커우 타운십에 위치한 FFG 멤버인 Anest Iwata 공장의 산업용 스프레이건 생산 라인이었다. 생산 장비 및 운영 감시 센터는 생산 라인 정보와 실시간으로 통합되고 AMR과 연결돼 부품들을 여러 검사 부서로 운송할 수 있었다. 이 과정에서 생산성을 높이기 위해 사설(Privite) 5G와 DDS를 통합했다([그림 3] 참조).

이 구현에는 AMR 솔루션, 자동 광학 검사(AOI: Automated Optical Inspection), 증강현실(AR: Augmented Reality) 스마트 안경의 3가지 주요 기술 애플리케이션이 포함됐다. 이 조합으로 공장의 생산률을 15% 증가시키고 생산 비용을 20% 절감했다.

AMR의 미래

P2P 통신을 통한 스웜 자율성에 대한 수요가 증가함에 따라, 업계는 AGV에서 AMR로, ROS 1에서 ROS 2로 전환하는 추세를 지속할 것이다. ROS 2는 산업 환경을 넘어 광범위한 애플리케이션을 대상으로 하는 획기적인 AMR 개발 및 구축 지원 기술이다.

최근의 팬데믹으로 병동과 중환자실의 소독을 자동화하기 위해 AMR이 의료 부문에 도입됐다. AMR은 환자 지원과 이동 지원도 제공할 수 있다. AMR은 소매업, 점포 내 및 식당 서비스 로봇, 스마트 주문 이행을 위한 자율적인 라스트 마일 배송 서비스에도 활용되고 있다. 그 밖의 애플리케이션으로는 자율 농사 및 스마트 수확, 건설, 산업 청소, 재해 복구 등이 있다.

AMR 개발 및 구축에는 단일 회사에서 달성할 수 있는 것보다 더 많은 노력이 필요하다. 실시간 소프트웨어 및 하드웨어 플랫폼 공급자, 센서 및 시스템 통합 공급자, 애플리케이션 최종 사용자와 협력하는 파트너 에코 시스템을 필요로 한다. 에이디링크는 하드웨어 및 소프트웨어를 통신 기술과 통합해 개발자가 AMR을 빠르고 유연하며 비용 효율적으로 구축할 수 있도록 지원한다.

작성자:

에디 리우(Eddie Liu) 에이디링크(ADLINK) AMR 제품 매니저

 [기고문 구성] 
■ [기고] ‘자동화’에서 ‘자율화’로 발전하는 로봇 ①
- 통합 하드웨어와 소프트웨어로 로봇 애플리케이션의 개발 및 구축을 간소화하는 방법
■ [기고] ‘자동화’에서 ‘자율화’로 발전하는 로봇 ②
- ROS 2 구축 시 개발자에게 요구되는 과제 및 고려사항