[Tech Report] 자율 모바일 로봇을 활용한 물류 혁신

[마우저 일렉트로닉스=장-자크 들릴(Jean-Jacques DeLisle)] 대부분의 산업 분야에서 물류 센터의 중요도가 상승하고 있다. 전세계적으로 물류 센터에서 처리해야 하는 주문 건 수가 늘어나고 있을 뿐만 아니라 취급해야 하는 상품 가짓수와 처리 방법도 다양해지고 있기 때문이다. 물류 센터는 갈수록 늘어나는 처리 물량과 높아지는 복잡성을 안전하고도 효율적으로 취급하기 위해 자율 시스템 도입을 확대되고 있다.

이러한 추세에 힘입어 자율 모바일 로봇(Autonomous Mobile Robot, AMR)이 빠르게 진화하고 있다. AMR이 미래에 물류 센터 가동에 있어서 작업자 안전, 유연성, 효율, 생산성을 높이기 위해서 핵심적 역할을 할 것으로 기대된다.

AMR이란 무엇이고 어디에 활용되는가

과거의 자율 로봇(Autonomous Robot, AR)이나 무인 운반 차량(Automated Guided Vehicle, AGV)은 고정적인 장소에 설치되거나 고정적인 트랙으로 운행하면서 한정적인 작업만 수행했다.

하지만 AMR은 자율적으로 이동하며 작업할 수 있는데 산업 환경에서 더 높은 수준의 유연성을 제공할 수 있게 됐다. 이는 사람의 조작이나 사전에 지정된 경로가 필요하지 않기 때문이다. 이러한 유연성으로 전세계적으로 의료, 농업, 물류, 제조 같은 다양한 분야에 AMR 도입이 확대되고 있다.

최신 AMR은 각종 센서들과 인공 지능/머신 러닝(AI/ML)을 활용해 로봇이 진정으로 자율적으로 이동할 수 있게 됐다. 동시 위치인식 및 지도작성(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)을 사용해 알려지지 않은 환경에서 예기치 않은 장애물을 만나더라도 스스로 피할 수 있고, 사람에게는 위험하거나 어려울 수 있는 환경에서 사람을 대신해서 주어진 임무를 수행할 수 있게 설계됐다.

AMR의 해부학적 구조

AMR이 필요한 작업을 수행하기 위해서는 일련의 온보드 AI/ML 자원, 모터 제어/구동 기술, 배터리/충전 시스템, 센서, 무선 통신 기능이 필요하다. 최대의 효율, 안전, 생산성을 달성하기 위해서는 이러한 모든 측면을 신중하게 설계하고 구현해야 한다.

두뇌: AI/ML 시스템

AI/ML 시스템을 위해서는 방대한 개발 작업을 필요로 하며, MCU, DSP, FPGA, GPU를 비롯한 다양한 하드웨어 솔루션을 사용해야 한다. 토대적인 AI/ML 시스템을 설계하고 구현하기 위해서 다시 또 다양한 툴들을 사용해야 한다. 이러한 다양한 하드웨어 솔루션을 사용해서 센서 데이터를 효율적으로 처리하고, 통신하고, 로봇이 움직이기 위해서 필요로 하는 제어 시스템을 작동할 수 있다.

원하는 응답 시간, 비전 시스템 프레임 레이트, 작업의 복잡한 정도에 따라서 주어진 임무를 수행하기 위해서 AMR이 필요로 하는 자원이 결정된다. 또 다른 고려 사항은 개발 시간과 비용이다. 3D 비전, 모션 제어, 안전 같이 AMR에 필요로 하는 다양한 측면을 해결하는 용도로 패키지로 묶여진 하드웨어 및 소프트웨어 키트나 번들을 사용해서 AI/ML 시스템을 구현할 때 시간과 비용을 크게 절약할 수 있다.

근육: 모터 제어와 전기 모터 기술

AMR이 자율적으로 이동하기 위해서는 구동 기술, 에너지 저장, 에너지 전달/충전 시스템이 필요하다. 이들 시스템은 전기 모터, 배터리 저장, 전기 에너지 충전으로 이루어지는데, 전기차와 유사한 시스템을 지니고 있다. 효율적이며 신뢰할 수 있는 AMR 전기 모터 시스템을 위해서 구동에는 브러쉬리스 DC(BLDC) 모터와 조작 기능에는 스텝퍼 모터가 주로 사용된다. 이것은 전동 공구나 컴퓨터 수치 제어(CNC) 장비 같은 전자 기계 장비에 사용되는 기술과 비슷하다. 이러한 시스템들이 신뢰하게 동작하기 위해서 모터 드라이버와 정교한 제어 시스템이 필요하다.

내장: 배터리와 충전 기술

고정식 로봇 시스템은 유선으로 전원을 공급받을 수 있으나, AMR은 자체적으로 전원을 공급해야 한다. 그러므로 온보드 상으로 에너지 저장 시스템과 충전 시스템이 필요하다. 리튬이온 배터리 소재가 가장 일반적으로 사용되는 고밀도 에너지 저장 솔루션이며, DC 급속 충전을 사용해서 전력망의 전기를 AMR에 전달하고 충전을 위해서 필요로 하는 중단 시간을 최소화할 수 있다.

리튬이온 배터리는 특수한 충전, 방전, 밸런싱, 여타 배터리 안전/건전성 기능들을 필요로 한다. AMR에 AC/DC 인버터와 DC/DC 전원 컨버터를 포함함으로써 AMR이 스스로 도킹하고 충전할 수 있다. 그럼으로써 충전 인프라로 이동하기 위해 낭비되는 에너지와 시간을 최소화할 수 있다.

눈: 센서, 카메라, 3D 비전

AMR이 역동적으로 변화하는 환경에서 장애물을 피해 움직이기 위해서는 AI/ML 알고리즘으로 주변 환경을 감지하기 위해서 일련의 센서들이 필요하다. AMR이 이러한 비전 시스템을 사용해 성공적으로 이동하고 안전을 높이고 자신이나 다른 장비나 물품을 손상시키는 것을 방지할 수 있다. 이러한 센서 시스템은 전통적인 시각적 스펙트럼 카메라, 적외선(IR) 카메라, 초음파 거리 센서, 레이저 레이더(라이다), IR 근접 센서, 3D 비전 시스템 같은 것들을 포함한다. 해상도, 센서 데이터 포착 시간, 센서 숫자 등에 따라서 AI/ML 시스템이 처리해야 하는 데이터 쓰루풋이 결정된다. 

귀와 입: 무선 통신 시스템

AMR이 설비 시스템이나 다른 AMR과 통신하기 위해서 무선 통신이 필요하다.  주로 사용되는 무선 표준으로는 와이파이, 4G LTE, 블루투스, 오늘날의 5G 등이 있다. 어떤 무선 통신 시스템을 사용할 것이냐는 필요로 하는 데이터 양과 통신 타입에 결정하면 된다. 소프트웨어 업데이트가 가끔 필요하다면 4G LTE로 충분할 것이다.

교환해야 하는 데이터 양은 크지만 시간적으로 민감하지 않은 경우라면 와이파이가 적합할 것이다. 최신 5G 솔루션은 대규모 사물 통신(massive Machine-Type Communication, mMTC)과 초신뢰 저지연 통신(Ultra-Reliable Low-Latency Communication, URLLC)가 가능하다. 시간적으로 민감한 데이터를 교환해야 하거나 확정적 성능이 필요한 경우라면 5G를 사용하는 것이 가장 좋은 무선 솔루션이다.

미래에는 AMR이 많은 물류 센터와 제조 현장에서 핵심적인 역할을 담당할 것이다. AMR을 사용해서 사람 작업자가 수행하기에 비용이 많이 들거나 위험한 작업을 처리할 수 있다. AMR은 다수의 전자 시스템들로 이루어진 복잡한 기계이다. 신뢰할 수 있으며 안전하고 효율적인 AMR을 달성하기 위해서는 이러한 전자 서브시스템들을 신중하게 선택하고 설계하고 프로그램하고 통합해야 한다.