머신비전의 한계에 도전하는 레이저 기술

산업현장에서 새 분야 개척 … 아크 용접부터 안전진단까지 수렴
머신비전의 원조격인 레이저 기술은 머신비전의 태동기부터 꾸준히 사랑받아왔다. 그 상승세는 머신비전 시장에 카메라가 등장한 뒤에도 지속되어 왔으며, 특수 용도의 카메라가 등장할 때까지도 이어졌다. 거기에 그치지 않고 레이저 기술은 지금까지 꾸준한 발전을 거듭해 미개척지에 도전하고 있다.
글 | 윤진근 기자(pen@automotivemnt.com)

레이저는 오랫동안 머신비전을 주름잡던 기술이다. 특히 카메라가 물류나 유통 등의 분야에 진입하기 전까지는 가히 레이저 천하라고 불릴 만했다. 불량검사, 수량검사, 위치추적 등 현존하는 카메라의 영역을 대부분 대신할 수 있다는 것은 이미 잘 알려진 사실이다.

현재는 스마트카메라를 앞세운 다양한 광학 장비에 그 기세가 조금 꺾인 경향이 있다. 하지만 카메라로는 따라잡기 어려운 고속 바코드 검사나 보안 및 안전 분야 등 레이저만의 고유영역은 남아있다. 특히 최근에는 기술이 발전함에 따라 머신비전 분야는 물론 각종 산업현장에서도 활동영역을 넓히고 있다.

>> 대표적 활용 사례 소개

레이저 센서, 아크 용접을 자동화하다

레이저를 활용한 비전시스템을 용접 분야에서도 활용할 수 있게 될 전망이다. 미국 CRC-Evans 파이프라인 인터내셔널 엔지니어들이 영국 메타 비전 시스템과 협업한 끝에 스마트 레이저 센서를 개발한 것. 이들이 개발한 스마트 레이저 센서는 아크 용접 장비 및 로봇 용접기를 자동화하기 위해 만들어졌다.

스마트 레이저 센서는 온보드 FPGA를 탑재한 CMOS 메가픽셀 이미지 센서와 DSP를 내부에 탑재한 센서 헤드로 이루어졌다. 이 센서는 용접할 파이프라인 관절의 위치는 물론, 기하학적 구조 변동까지도 실시간으로 측정할 수 있다.
이 시스템은 외부 용접 시스템에서 정보를 추출해 운전 모션 제어 시스템으로 전송하는 구조를 가졌다. 시스템은 이 정보를 통해 용접봉이 항상 정확한 곳에서 작동할 수 있도록 한다. 이때 정보는 이더넷 또는 CANBus 인터페이스를 통해 전송된다.

스마트 레이저 센서가 가진 큰 강점 중 하나는 3차원적 자료를 측정할 수 있다는 것이다. 스마트 레이저 센서를 탑재한 이 시스템은 3D 프로파일을 측정하면서 동시에 용접 비드 등이 배치된 후에도 파이프 베벨을 검사하는 데 사용할 수 있다. 즉 3차원 자료를 포함한 용접시스템 전반적 부분에서 활용할 수 있는 것.

양사는 스마트 레이저 센서를 공장에 적용함으로 인해 기존 레이저 센서에 비해 아크 용접 장비 및 로봇 용접기의 자동화에 쓰이는 비용을 절반 이상 감소할 수 있다고 주장했다.

훼손된 상자도 문제없다

레이저 기술은 머신비전뿐 아니라 물류나 택배 분야의 검사과정에도 널리 쓰이고 있다. 레이저는 이력이나 위치 등을 한눈에 파악하는 데 적격으로, 레이저의 이런 특성을 활용한 시스템을 다방면으로 응용할 수 있는 것. 특히 최근 크게 향상된 레이저 기술은 물류시스템에서 그 진가를 발휘한다.
최근 택배 배송업체와 전체 물류의 양은 지속해서 증가하는 추세다. 이를 반영하기라도 하듯 매일 셀 수 없을 정도로 다양한 상품이 택배나 우편 그리고 물류회사와 기업 등의 현장으로 몰려든다.
현대화된 물류시스템은 부분적으로 자동 처리 시스템을 가지고 있다. 즉 물품을 상·하차하는 데 컨베이어벨트가 쓰이는 것. 이 과정은 신속하게 이루어져야 하며, 따라서 불룩 튀어나와있거나 흠집이 있는 상자는 완벽하게 식별해 처리해야 한다. 이 과정에서 자동 윤곽 검사를 수행하게 되는데, 이 기능이 제 역할을 수행하지 못할 경우, 자동 물류 시스템은 기능 불량을 일으켜 물류 처리량이 줄어들기 때문에 매우 중요한 공정이다.
이런 문제점을 막기 위해 레이저 기술이 쓰인다. 레이저와 바코드를 이용한 물류 검사 시스템은 이미 오래전부터 활용되어왔다. 바코드를 이용해 기존에 비해 손쉽게 물류를 추적할 수 있기 때문. 하지만 오늘날 활용되는 레이저 기술은 바코드에 국한되지 않는다. 현대 물류시스템에 맞추어 레이저 기술 역시 진화한 것.
이와 관련해 Vitronic 엔지니어들이 레이저 기반 용적 측정 시스템을 개발했다. 이 시스템은 상자 표면 이미지를 캡처하고 상자의 변형을 인식할 수 있다.
Vitronic이 개발한 VIPAC D2 용적 측정 시스템은 이 문제를 해결하고자 만들어져 최대 3m/s의 속도로 상자를 검사하며, 수화물의 길이·넓이·높이를 최대 2500×1000×1000mm 크기까지 검사한다.
이 시스템에 쓰이는 소프트웨어를 활용하면 수화물의 크기를 측정함과 동시에 이상적인 상자 모양에서 어떻게 벗어났는지를 확인할 수 있다. 이 시스템이 캡처한 데이터는 창고 관리 시스템에 전달되고 이후 송장 작성·운반 최적화·차량 배송 경로 설정·통계 등의 자동화 과정을 추가적으로 수행할 수 있다.

바코드 리더, 2D로 진화하다

레이저 분야를 논할 때 빼놓을 수 없는 것이 바코드 기술이다. 바코드는 머신비전은 물론이고 수많은 산업 및 상업 분야를 발전시킨 일등공신이다. 바코드 기술이 없었더라면 대량생산품목은 물론 유통과 관리체계에 걸친 방대한 영역을 감당할 수 없었을 것이다.
바코드는 현재 1D에 이어 2D로 진입했다. OCR/OCV문자 판독기술에서 벗어나 이미지 기반으로 들어선 것. 대표적 2D코드인 QR코드는 물론이고 각각 떨어진 여러 개의 바코드, 훼손된 바코드, 고속으로 흘러가는 생산라인에서의 바코드 등 그 어느 환경에서라도 바코드를 인식할 수 있는 기술이 나날이 발전하고 있다. 현재 바코드 기술은 이미지 획득과 분석 그리고 결과 전송 등의 과정을 독자적으로 수행하고 있어 기존보다 훨씬 다양한 분야에 접목될 수 있다.
이미지 기반 바코드 리더는 카메라를 포함한 여타 기술과 접목된 경우가 많아 온전한 레이저 기술이라고 보기 어렵다. 하지만 레이저만을 이용한 2차원 스캔 기술은 여전히 바코드 리딩의 한 축을 담당하고 있다. 또한 바코드 리딩이 레이저 스캔을 이용한 인식 및 판독 기술을 바탕으로 만들어졌음을 감안하면, 2D 바코드 기술 역시 훌륭한 레이저 기술이라고 보는 것이 옳다.

레이저 레이더, 우주로 진출

유럽우주기구 대표 연구원들은 우주에 사용하기 위한 3D 이미징 광선 라이다(Lidar, Light Detaction and Ranging) 시스템을 개발했다. 이 시스템은 작은 크기가 특징이다. 지구의 이미징 광선 라이다는 이미 곳곳에 있는 산업지역과 빌딩을 탐색하고 있지만 우주에서 사용하기엔 너무 부피가 크다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 라이다를 소형화한 것.
유럽우주기구는 우주에서 사용할 수 있도록 제품을 신발상자 크기로 줄이기 위해 기술적인 문제를 해결해야만 했다. 이를 위해 두 개의 개별 디자인을 각기 다른 협력업체가 개발했다. 한 업체는 독일 예나에 있는 Jena-Optronik이고 다른 한 업체는 영국에 있는 ABSL이다. 두 업체는 서로 다른 지도 및 탐색 프로그램을 만들었는데, 독일 제품은 랑데부 지점을 파악하기 위한 용도이고, 영국의 제품은 위험요소를 감지하고 이를 피해 안전하게 행성에 착륙하기 위한 용도였다. 양 회사의 이러한 기술력을 바탕으로 ESA의 달 착륙선을 위해 착륙 라이다가 만들어지고 있다. 착륙선은 달의 남극 지점에 2018년에 착륙한다.

석탄화력발전소의 방해요소를 탐지하는 스캐너

레이저를 이용한 감시 및 분석 기능이 높아지면서 레이저는 안전 분야에도 진출했다. 이제 작업장 안에서 레이저 기술을 이용한 안전시설을 보는 것은 어렵지 않다. 대표적인 것이 안전 배리어나 커튼과 같은 제품군이다.
특히 레이저 스캔은 공장 전체의 안전을 책임질 수도 있게 되었다. 위험물을 감지하는 기능을 십분 활용하면 위험물을 피하고 제거하는 임무에도 투입할 수 있는 것.
3D Engineering Solutions(3DES)의 엔지니어들은 장거리 레이저스캐닝 기술과 세 개의 소프트웨어 플랫폼 그리고 빌딩 인포메이션 모델링(BIM)을 이용해 충돌 탐지 시뮬레이션을 실시했다. 이 시뮬레이션은 석탄화력발전소에 들어가는 터빈의 교체를 막는 것이었다.
처음에 대체 터빈은 발전소에 들어가지 못했다. 발전소 안에 설치하기 위한 대체 터빈이 너무 커서 문 안으로 들어가지 못했기 때문이다.
이를 극복하기 위해 3DES가 나섰다. 우선 엔지니어들이 간섭 계산을 마치자, 이에 따라 작업자들은 공장 문들 중 하나를 골라 콘크리트를 잘라내고, 약 0.6m직경의 고전력 관(管) 두 개를 옮기는 데에 성공했다. 그 뒤, 장비공들이 간격 0.1미터에 불과한 터빈상자를 들고 터빈을 옮겼다.
3DES의 엔지니어들은 SolidWorks 3D CAD 디자인 소프트웨어와 PolyWorks 포인트 클라우드 처리 소프트웨어 그리고 Faro Scene 스캔 정렬 소프트웨어를 이용해 시뮬레이션을 생성하고 간섭을 제거했다. 엔지니어가 안전하게 통제하는 장거리 레이저스캐닝 도구는 발전소의 치수를 수백만 개의 포인트로 정밀히 측정한다. 이후 소프트웨어는 터빈이 위험을 피할 수 있는 경로를 결정했다. 간섭이 제거된 뒤, 작업자들은 약 3시간 만에 터빈을 건물로 이전했는데, 그동안 발전소는 완전히 차단되지 않은 채 운영을 지속했다.

레이저 광선, 비행기에 전원을 공급하다

무선 전원공급기술과 무선으로 물체 등을 조종하는 기술은 레이저와 카메라가 동시에 활약할 수 있는 좋은 예다.
전기를 전달하는 과정에서는 흔히 구리선을 이용한다. 구리선을 통해 전기를 흘려보내는 것이  이 과정의 기본 원리다. 하지만 구리선을 이용한 송전은 설치비용이 비싸고 설치에 상당한 시간이 소요되며 잔고장이 많다. 게다가 전선 자체가 존재해서는 안되는 무인 항공기(UAV)라든가 원거리 전선 연결 등의 상황에서는 사용하기 껄끄럽다.
이를 해결하기 위해 미국 LaserMotive 트래킹시스템부의 카르스텐 에릭슨(Carsten Erickson)과 그 동료들이 레이저 파워 빔을 기반으로 한 시스템을 개발했다. 이 시스템은 레이저 광선을 사용해 에너지를 먼 거리까지 무선으로 전송하는데, 우선 레이저 광선을 태양광 수신기로 발사하면 태양광 수신기는 빛에너지를 전기로 전환해 원격 차량(비행기)으로 전송하는 구조를 가지고 있다. 즉 태양광 수신기가 에너지를 목표물에 집적시키는 역할을 하고, 레이저를 통해 그 태양광 수신기를 작동시키는 것.
에릭슨은 “무인항공기 안에 전원을 공급하기 위해서는 레이저를 정확하게 이동해 비행기의 움직임을 따라잡을 수 있는 폐쇄루프(closed-loop) 시스템이 필요하다”며, “이 시스템을 구현하기 위해서는 시스템이 정확히 태양광 수신기에 빛을 쏘아야 함은 물론 수신기를 따라 지속적으로 이동할 수 있어야 한다”고 말했다. 설명에 따르면, 이 시스템은 실제 비행 위치를 예측한 뒤 이를 추적해 비행에 필요한 전력을 공급할 수 있다.
LaserMotive는 최근 Future of Flight Aviation Center에서 레이저 광선 전원 시스템을 이용한 쿼드로콥터(네 개의 날개가 달린 헬리콥터. 편집자 주)의 수직이착륙(VTOL)을 시연했다. 이 시스템을 구현한 결과, 쿼드로콥터는 12시간 이상 비행했다.
이 과정을 자동으로 수행하기 위해, Dilas에서 제공한 다량의 1000W 레이저다이오드를 통해 포물면 거울에 초점을 맞추었다. 이 거울에 모인 빛은 곧 XY시스템의 통제를 받아 평면거울 위로 이동한다. 모인 빛은 무인비행기의 태양광 수신기를 향해 레이저 광선을 직접 조사한다.
거울의 XY포지셔닝에 쓰이는 두 개의 스테퍼 모터를 제어하기 위해 내쇼날인스트루먼트의 P705030 300-W 스테퍼드라이버와 NI-7344 모션컨트롤러를 동기화했다. 또한 쿼드로콥터의 위치정보를 얻기 위해 폐쇄루프시스템에는 무인항공기의 위치를 모니터링하고 위치에 따라 빔의 위치를 조정하기 위해 Allied Vision Technologies의 Prosilica GX 기가빗 이더넷 카메라가 사용되었으며, 거울 위치를 확보하기 위해 Fujinon의 22배 줌 렌즈가 사용되었다. 이와 관련한 대략적 구조는 그림을 참조하면 된다.
이 시스템들이 작동하는 과정은 다음과 같다.
우선 초당 80프레임 이상 속도로 캡처한 이미지가 NI-3000 산업용 컨트롤러에 전달된다. 이후 폐쇄루프 시스템을 형성하기 위해 NI-3000과 NI-7344 모션컨트롤러를 상호 연결한다. 무인항공기에서 반사한 레이저 광선과 인식용 광선은 쿼드로콥터 위치를 계산하고 XY 서보모터를 사용해 거울을 조정하는 데 쓰인다.
쿼드로콥터에서 반사된 빛의 디지털 이미지는 IMAQ Vision을 이용해 NI-3000 산업용 컨트롤러에서 분석했다. 배경정보를 제거하기 위해 역치화 작업을 거친 후, 무인항공기의 중앙 위치를 찾기 위해 Blob 분석기를 작동했다. 반사 이미지의 크기를 분석하고 나면 시스템은 무인항공기의 고도를 추정해낼 수 있다.
레이저 광선 조종 장치가 무인항공기를 원격 동력으로 작동하는 데에 성공했지만, 전력 전송 면에서는 유선 전원공급에 비해 약 25%가량만 전달될 뿐이었다.
이와 관련해 Ericskon은 “향상된 레이저 및 광전 변환 기술을 통해 미래에는 위성 통신이나 월면(月面) 작업차와 같은 분야에도 적용할 수 있을 정도로 효율성이 늘어날 것”이라고 말했다.

안전을 책임지는 레이저

레이저 기술을 논할 때 빼놓을 수 없는 것이 바로 안전 센서다. 작업장의 안전이 뜨거운 감자로 떠오르고 있는 요즘, 레이저 센서는 안전을 책임질 수 있는 저렴하고 효과적인 솔루션으로 각광을 받고 있다.
사용자의 안전을 보호하는 것에도 여러 방법이 있다. 예를 들어 안전용 레이저 스캐너는 위험물이 있는 장비 앞에 설치되어 작업자와 장비를 동시에 보호하는 역할을 한다. 이 스캐너는 스캔 범위에서 움직임이 감지되면 그 즉시 작동을 멈추거나 경보음을 내는 식으로 작업장에서 일어날 수 있는 사고를 방지한다.
최근 안전 용도의 센서로는 멀티빔 센서가 각광받고 있다. 멀티빔 센서란, 말 그대로 여러 빔을 통해 일정 영역을 커버하는 방식이다. 한 개의 빔을 발사하는 싱글빔 방식과 달리 비교적 넓은 범위를 촘촘하게 감지할 수 있어 일정 구역이나 라인 안쪽을 보호하기에 적합하다.
안전 기능을 가장 확실하게 보장하는 레이저 제품은 라이트 커튼이다. 라이트 커튼은 레이저를 발신 및 수신하는 바 형태로 된 제품이며 두 개가 한 묶음으로 작동한다. 라이트 커튼을 설치하면 두 바 사이에 레이저가 촘촘히 발사되고 이내 레이저 면이 만들어진다. 이 면을 통과하거나 위에 서 있게 되면 비정상적인 활동으로 간주해 기계 작동이 멈추거나 경보음이 나오게 된다. 즉, 라이트 커튼이 있으면 사용자가 기계에 불필요한 접근을 방지하여 사고를 예방할 수 있는 것.

레이저 센서, 산업을 지배하다

레이저 센서를 가장 잘 볼 수 있는 곳은 역시 공장자동화 분야다. 공장 안을 들여다보면 다양한 레이저 센서를 찾아볼 수 있다. 카메라 기술이 비약적으로 발전한 지금까지도 레이저 센서는 많은 곳에서 사랑받고 있다.
레이저 센서의 대표적 주자는 레이저 변위센서다. 레이저 변위센서는 흔히 레이저 거리센서라고도 한다. 이 센서는 우선 발광부에서 레이저를 발사하고, 레이저가 반사되어 수광부로 들어오면 CCD·PSD 등의 소자로 검지해 그 변화량을 거리로 환산하여 거리를 측정하는 방식으로 물체를 감지한다. 레이저 이외에도 리니어나 초음파를 이용하는 방식 등 다양한 측정방법이 있으나, 레이저를 이용한 측정법이 보편화되어 있다.
레이저를 이용한 기술은 광전센서에도 흔히 볼 수 있다. 광전센서는 금속 등의 물질에 특정한 빛을 비추면 전자가 튀어나오는 광전현상을 이용한 센서를 말한다. 이 광전센서는 독특한 특징을 가지고 있는데, 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추어야 전자가 발생하기 때문에 특수한 빛으로만 만들어질 수 있다.
이 광전센서에도 여러 종류가 있지만, 이 중에서 우리가 주목할 것은 레이저를 이용한 광전센서다. 레이저를 이용한 광전센서는 단차검출은 물론 미소부품이나 투명 블리스터 포장재 등 다양한 것들을 검출할 수 있다. 감지거리 또한 제품에 따라 최단 1mm부터 최장 1000mm까지 다양해 용도에 따라 최적화된 제품을 고를 수 있다.
이처럼 공장자동화 분야에도 레이저가 많이 투입되고 있다. 레이저가 센서 산업을 견인하는 한 축으로 작용하면서 공장자동화 역시 견인하고 있다.

새로운 영역에 도전하다
레이저 기술은 아주 오래 전부터 존재해왔다. 최근 활용사례가 늘어나면서 여러 영역으로 진출해 각광받는 것.
그러나 그 기술력도 언제나 주목받기만 했던 것은 아니다. 한때는 공장자동화 분야와 물류 등 다방면에서 사랑받던 기술이지만, 카메라를 이용한 머신비전 기술이 등장하면서부터 카메라가 그 아성을 넘보기 시작했다. 그 결과 레이저 기술은 불과 10여 년 전까지만 하더라도 공장자동화 안에서 작은 분야만을 담당하는 데 그쳤다.
하지만 이제 레이저는 활동분야를 넓혀가고 있다. 각종 검출은 물론이고 안전, 머신비전, 공장자동화 그리고 물류, 유통 등 레이저 기술이 없는 곳을 보기 어렵다. 머신비전에서도, 공장자동화에서도 레이저는 다시금 확고한 영역을 차지하며 부상하고 있다. 레이저를 활용한 기술이 늘어나고 새로운 먹거리를 점점 창출함에 따라 레이저의 위용 역시 계속해서 증가할 것으로 보인다.