EPS에서 출발하는 덴소의 자율이동 로봇

세계적인 티어1 부품사 덴소는 공장, 라스트마일 딜리버리, 소형 자율이동 제품, 농기구 등을 포함한 다양한 분야에서 활약할 자율이동 로봇 시스템을 개선하기 위한 드라이브 모듈을 개발하고 있다. 기존의 자동차 스티어링 휠 모터에서 시작된 이 컴포넌트는 예측할 수 없는 환경과 작업에 적응할 수 있는 강력해진 자율이동 로봇을 가능하게 할 것이다. 자동차 부품회사 덴소의 로봇 부품 개발 스토리를 전한다. 

글, 사진 | 덴소(Denso)
원문 | Upgrading automated delivery robots’ traveling system designs to improve in-factory and logistics operations 

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과거의 로봇은 고정된 위치에서 고정된 작업을 수행하는 기계였다. 지금의 그들은 여기저기 돌아다니며 다양한 작업을 수행한다. 예측할 수 없는 환경과 작업 조건에 적응할 수 있게 된 로봇은 이제 훨씬 더 강력해지고 있다. 이와 관련 덴소는 공장에서 사용되는 로봇, 물류의 라스트마일 배송, 기타 애플리케이션의 주행 시스템 디자인을 개선하기 위해 자동차 기술 분야에서 다년간 개발된 그들의 EPS-MCU(Electric Power Steering Motor Control Unit) 기술을 활용하고 있다. 


유연성 향상의 요구

삶은 예측할 수 없다. 특히, 전 세계적인 코로나19 팬데믹, 이상 기후현상과 지진과 같은 재난, 불확실한 국제정세로 갑작스럽게 달라질 수도 있다. 그래서 이런 불확실한 시기에 사람들은 개인의 생활방식부터 비즈니스에 이르기까지 다양한 역경에 유연하게 대응하고 적응하는 능력에 대한 유연성에 중점을 두기 시작했다.
이 유연성의 개념은 로봇공학 세계에서도 매우 중요해졌다. 로봇은 본래 공장에서 표준화되고 간단한 작업을 수행하도록 설계됐었지만, 이제는 레스토랑, 공항과 같이 우리가 매일 이용하는 장소에서 자율적으로 이동하고 작동할 뿐만 아니라, 도시 주변과 심지어 가정에서 더 많은 지원을 제공하기 시작했다.  

하지만, 복잡해지는 세상, 다양한 상황에 유연하게 대응할 수 있는 로봇을 만드는 것은 말처럼 쉽지 않다. 때때로 미리 정해진 로봇 작업에 맞게 ‘로봇 친화적인’ 환경을 만들려는 움직임도 있지만, 현실 세계의 모든 상황을 시뮬레이션하고 예측하기는 언제나 어렵다.
이런 문제를 해결하기 위해 덴소는 공장, 창고, 라스트마일 딜리버리에 사용되는 자율이동 로봇에 중점을 두면서 이런 배송 로봇의 내구성과 적응성을 높이는 실험을 수행하고 있다.

 

AGV/AMR 대중화의 걸림돌

많은 사람들은 공장을 동일한 제품을 대량생산하는 곳으로만 생각하지만, 지금의 공장은 다품종 소량생산 모델로 운영되고 갈수록 그렇게 되고 있다. 이런 시설은 생산라인을 지속적으로 변경해야 하고, 이는 로봇과 관련해 매우 유연한 로봇이 필요하다는 의미가 된다.
예를 들어, 자동 유도 차량(AGV)은 많은 공장과 창고에서 사용되는 대표적인 로봇 중 하나다. 하지만 AGV에서 작업자가 로봇의 이동속도를 조정하고자 한다면 휠의 움직임과 소프트웨어 로직의 미세제어를 변경하기 위해 매우 복잡하고 세부적인 재프로그래밍이 필요하고 최종 목표에 따라 시간이 더 오래 걸릴 수도 있다. 또, 로봇은 생산라인을 멈추지 않도록 하는 신뢰성이 있어야만 한다. AGV에 오류가 발생하지 않도록 하고, 오류가 발생하더라도 라인이 중단되지 않는 시스템을 만드는 것이 중요하다.

라스트마일 딜리버리를 위한 로봇은 어떨까? 가장 가까운 배송센터에서 고객에게 배송하는 라스트마일  배송에서는 다양한 상품이 다양한 경로를 통해 배송된다. 도시 지역에서는 로봇이 경로를 따라가다가 보행자와 차량을 만날 수 있고, 교외에서는 거친 노면을 지나면서 이런 표면을 탐색해야 할 수도 있다.

하지만, 라스트마일에 적용되는 현재의 자율이동 로봇(AMR)의 대부분은 고르지 않은 지면을 안정적으로 이동할 수 없다. 야외 시연 실험에서 이런 로봇은 종종 돌, 계단에 갇히거나 넘어진다. 실제 배송 상황에서 이런 일이 발생한다면 로봇과 화물을 수거하기 위해 오히려 운영사 직원을 보내야 하고 인건비가 증가하게 된다. 다시 말해, 로봇이 오히려 더 많은 작업을 생성할 수도 있다. 
덴소는 이점이 AMR이 아직 라스트마일 딜리버리에 널리 사용되지 않은 이유 중 하나로 본다.



 


차량 부품을 사용한 보강 

덴소는 EPS-MCU 기술로 로봇의 주행 시스템을 개선해 AMR의 내구성을 높이고자 한다.
EPS-MCU는 운전자가 스티어링 휠을 조작할 때 조향 보조력을 제공하기 위해 사용되는 부품이다. 스티어링 휠을 돌리면 모터가 휠을 회전시키는 보조 구동력을 전달해 운전자가 최소한의 노력으로 몇 톤의 차량 스티어링을 돌릴 수 있도록 돕는다. EPS-MCU는 자동차 품질 표준으로 제조되기 때문에 안정적이고 강력한데다, 지능적이고 저렴하다.

덴소의 신사업창조부 섀시 컨트롤 부품 엔지니어링 부문의 기요시 후지이(Kiyoshi Fujii)는 이런 EPS-MCU가 EPS를 위한 보조 모터로서 뿐만 아니라 AMR의 메인 모터로도 활용될 수 있다고 믿었다. 

“이런 모터에 대한 사양을 찾는 것은 쉽지 않습니다. 우리는 EPS-MCU 제품이 주행 시스템에서 AMR의 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다고 믿었습니다. 이것이 EPS-MCU를 로봇 모터로 활용하는 로봇용 구동 모듈을 개발하기로 결정한 이유입니다.”

EPS-MCU의 2드라이브 구성은 상당히 독특하다. 전 세계 대부분의 EPS-MPU는 드라이브 회로가 있는 단일 드라이브를 사용한다. 하지만 2015년 덴소는 세계 최초 2드라이브 EPS-MCU를 출시했다.



 



“이것은 높은 신뢰성의 문제입니다. 예를 들어, 표준형 모터가 장착된 AGV는 모터가 고장이 나면 작동 중 정지할 수 있고 생산에 영향을 미칠 수도 있습니다. 하지만 덴소의 2드라이브 EPS-MCU가 있는 AGV는 하나의 드라이브가 고장이 나더라도 다른 드라이브로 계속 이동할 수 있습니다. 이렇게 되면 수리될 때까지 AGV를 옆으로 옮기고 방해가 되지 않게 해 생산 차질을 제거할 수 있습니다.” 후지이가 말했다. 

또, 2드라이브 시스템은 모터 유닛에 더 큰 동력을 제공한다. 전류는 2개의 개별 회로를 통해 2개의 모터 드라이브로 전송되며, 이는 궁극적으로 단일 모터의 전력밀도로 함께 사용돼 표준형 모터 대비 단위 면적당 2배 이상의 전력밀도를 제공한다. 이 증대된 파워는 AGV가 더 큰 부하를 극복할 수 있게 해, 단일장치로 더 많은 작업을 수행할 수 있어 로봇 수를 줄일 수도 있다.  
로봇은 라스트마일 배송에서 고르지 않은 지면을 이동할 수 있는 능력도 향상시킬 수 있다.

후지이는 “로봇이 야외로 가면 나무의 뿌리부, 인도와 도로 사이의 턱, 계단, 그리고 기타 다양한 장애물을 만날 수 있습니다. 이런 장애물을 성공적으로 극복하려면 바퀴를 더 크게 만들고 구동력을 높여야 합니다. 바퀴를 크게 만들면 동일한 모터 출력에 대해 구동력이 감소한다는 의미입니다. 하지만 EPS-MCU는 표준 모터보다 훨씬 더 큰 동력을 제공하기 때문에 큰 바퀴로도 충분한 구동력을 생성할 수 있습니다”라고 설명했다.






‘지능형’ 모터 작동을 보장하는 것도 중요하다. EPS-MCU는 계산 기능이 뛰어난 마이크로컴퓨터가 포함돼 있어 목표 값에 빠르고 정확하게 도달한다. 

“로봇의 EPS-MCU는 인체의 척수와 같은 기능을 합니다. 사람은 걸으면서 험한 길을 만나면 뇌의 명령 없이도 좌우 다리 움직임을 최적화해 균형을 유지합니다. 유사한 상황에서 로봇의 표준형 모터 유닛의 경우엔 이런 균형을 유지하기 위해 유닛의 휠에 명확하고 구체적인 명령을 보내기 위한 재프로그래밍이 필요합니다. 하지만 EPS-MCU를 사용하면 척수 반사가 다리를 제어하는 것처럼 특정 러프니스(roughness)까지 경로에 대해 왼쪽 및 오른쪽 휠을 반사적으로 제어할 수 있습니다. 이 기능을 사용하면 예상치 못한 장애물이 있는 실외에서도 로봇이 원활하게 주행할 수 있습니다.” 

이런 유형의 ‘지능형’ 모터 유닛의 운용은 빈번한 라인 변경이 요구되는 소규모 현장에서 다양한 제품 유형을 생산하는 공장에도 유용할 수 있다. 
고성능 마이크로컴퓨터와 함께 제공되는 EPS-MCU는 PLC(Programmable Logic Controller)에서 처리하는 기능을 통합할 수 있다. 기존의 AGV는 PLC를 사용해 회선 추적, 통신 등을 제어한다. 하지만 PLC는 크고 고가이며 종종 오류의 원인이 되는 복잡한 배선이 요구된다. 반면 EPS-MCU의 시스템 구성과 와이어링은 매우 이해하기 쉽기 때문에 배선 오류가 발생하는 경우가 드물고 결과적으로 AGV 도입이 더 쉽우며 AGV를 더 쉽게 작동할 수 있다. 

“현장에서 AGV의 주행 경로를 변경하고 싶을 때 AGV를 제어하는 기본 프로그램이 드라이브 모듈에 통합돼 있어 AGV의 세부 제어에 대한 걱정 없이 AGV의 작동을 변경하는 방법에 집중할 수 있습니다. 이는 AGV에 대한 운영 변경 측면에서 유연성을 높여 결과적으로 현장 작업량을 줄입니다.” 후지이가 말했다.

EPS-MCU는 매우 정교하지만, 자동차 부품으로 대량 생산됐기 때문에 비용면에서도 크게 유리하다. 또 고장 발생 시 즉시 교체할 수 있어 사용자에게 큰 안심을 제공한다. 이런 드라이브 모듈은 내구성이 뛰어나 다양한 AMR에 저렴한 비용으로 활용될 수 있고 일상생활을 지원하는 물류산업에도 큰 도움이 될 수 있다. 








반복적이고 신속한 프로토타이핑과 경험

덴소는 일본 시즈오카현 고사이 시에 위치한 공장에서 이 드라이브 모듈을 적용한 AGV의 실증 실험을 수행해 인상적인 결과를 얻어냈다. 그런 후 덴소는 현재 훨씬 더 빠르게 동작할 수 있는 차세대 모델을 개발 중이다.

“기존의 AGV와 EPS-MCU가 장착된 AGV가 동일한 테스트 코스를 주행할 때 주행 속도와 정밀도에서 큰 차이를 보였습니다. 모두 검은 선으로 표시된 가이드라인을 따라 이동했지만, EPS-MCU가 장착된 AGV는 정상 속도 이상에서 좁은 커브 주행에서도 탈선하지 않았습니다. 민첩함과 인상적인 제어 성능으로 보았을 때 EPS-MCU는 현재의 AGV 성능을 향상시킬 수 있습니다.”

드라이브 모듈 개발 프로세스 전반에 걸쳐 후지이는 짧은 주기의 신속한 프로토타이핑에 중점을 뒀다. 즉, 프로토타입 생성 후 테스트, 반복, 후속 개선을 재빨리 수행했다. 처음에는 의자에 부착된 EPS-MCU 드라이브 모듈로 구성된 간단한 프로토타입을 만들었는데 이렇게 하기까지 약 한 달이 소요됐다.

“공장에서 프레젠테이션을 하는 것만으로는 EPS-MCU 접근 방식의 잠재력을 전달할 수 없기 때문에 사람들이 타면서 EPS-MCU의 성능을 경험할 수 있는 프로토타입을 만들었습니다. 결과적으로 실무 경험을 통해 실제로 작동할 수 있다고 느꼈기 때문에 이 아이디어가 지원받기 시작했습니다. 이것이 중요한 진전이었습니다.”  
팀은 피드백을 받고 신속하게 미래 프로토타입 모델에 적용해 드라이브 모듈 프로젝트 전체의 전망에 대한 기대를 높였다.








이상적인 애플리케이션 찾기

프로젝트 팀의 목표는 공장, 창고, 라스트마일 애플리케이션 뿐 아니라, 소형 여객 운송 차량, 농업 등 다양한 애플리케이션에서 내구성 높고 유연한 드라이브 모듈을 개발하는 것이다. 

이 드라이브 모듈에 대한 또 다른 가능성을 찾기 위해 후지이 팀은 덴소의 다른 팀들과 함께 자율주행 기술, 휴대용 냉장고, 농업 및 산업용 로봇, 기타 제품 기술개발에 나서고 있다. 그리고 이런 공동의 노력을 통해 고객의 다양한 요구를 충족할 수 있는 유연하고 적응가능한 시스템을 실현할 수 있다고 믿고 있다.

“EPS-MCU는 견고한 하드웨어 및 소프트웨어를 기반으로 하고 있고 우리가 계속해서 많은 새로운 기능을 추가할 수 있기 때문에 매우 다재다능합니다. 탁월한 제어 성능을 제공할 뿐만 아니라, 진흙과 물에 노출된 상태에서 뜨거운 엔진 바로 아래에서 사용할 때도 견고하게 작동합니다. 저희 팀은 이 뛰어난 컴포넌트와 이것이 제공해야 하는 높은 가치를 최대한 활용할 것입니다.”

그렇다고 EPS-MCU가 모든 고객의 요구에 응답할 수 있는 것은 아니다. 예를 들어, 전동킥보드에는 EPS-MCU보다 인휠 모터가 더 적합하고, 킥보드는 전체적인 외관과 컴팩트한 디자인이 중요하다.

“우리는 EPS-MCU로 드라이브 모듈을 개발하고 있으며, 그 후 덴소의 애플리케이션을 위한 최적의 솔루션을 만들고자 합니다. 과거에 우리는 자동차 부품 공급업체로서 폐쇄된 환경에서 제품을 만들었습니다. 앞으로는 더 열린 접근 방식을 취하면서 자동차 기술이 제공할 수 있는 가치를 세상에 보여주고 싶습니다.”

후지이의 바램은 덴소에서 새로운 비즈니스를 창출하고 이런 기업 문화를 육성하는 것이다.


 

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