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제조업의 DX화…디지털 기술을 치수 계측

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모션 캡처는 실제 인물이나 물체의 움직임을 디지털적으로 기록하는 기술이다. 기록된 정보는 스포츠 성능 평가, 엔터테인먼트용 기기로서 캐릭터의 인간다운 움직임 재현 또는 바이오메카닉스 연구 용도 등의 생물 움직임 계측 등에 이용된다. 최근의 동향에서는 VR/AR 등의 고정도 트래킹 시스템으로서 주로 로케이션 VR 시설을 중심으로 용도를 확대하고 있다.

 

모션 캡처 기술에는 광학식, 관성 센서식, 자기식, 기계식 등이 있으며, 각각 특징이 있는데 이 글에서는 방식 중에서 가장 고정도이고 응용성이 높은 광학식 모션 캡처 기술을 바탕으로 한 응용 기술에 대해 다루기로 한다.

 

광학식 모션 캡처는 마커라고 불리는 반사체를 인체나 대상 물체 등의 대상에 부착하고, 그 마커를 그림 1로 대표되는 여러 대의 카메라로 삼각 측량을 해서 위치 측위를 하는 원리이다.

 

 

카메라에서 조사되는 적외선 스트로보를 마커가 반사하고, 반사된 적외광을 카메라로 촬상해 화상 처리 및 3차원화 계산 알고리즘에 의해 마커의 위치 좌표를 실시간으로 기록하는 기술이다.

 

필자 등은 오랫동안 그 계측 원리를 바탕으로 보다 고정도의 3차원 트래킹 시스템으로서 이용할 수 있도록 시스템을 개선해 왔다. 그 결과 유례없는 3차원 위치 측위 시스템으로서 시스템화를 실현했다. 이에 따른 용도의 확대는 종래의 그것과 비교해 비약적으로 확대될 가능성을 갖고 있다. 모션 캡처 응용 기술의 진화를 이 글에서 소개한다.

 

위치 측위 시스템의 특징

 

공간에서 위치를 검지하는 위치 측위 시스템에는 여러 가지 기법이 있다. 현재 세상에 있는 대표적인 위치 측위 시스템과 계측 원리, 정도 등을 그림 2에 나타냈다.

 

 

그림 2에 나타낸 비교에 의해 모션 캡처가 위치 측위 시스템으로서 정도가 매우 높다는 것을 이해했을 것으로 생각한다. 또한 모션 캡처 시스템은

 

· 높은 샘플링 주파수(200Hz 이상 저샘플링도 가능)

· 적은 지연(5msec 정도)

· 위치와 동시에 자세(벡터) 산출

· 복수 대상의 위치를 동시에 측위

 

를 실현하고 있으며, 위치 측위 시스템으로서 용도를 확장하고 있다.

 

모션 캡처가 최고 정도의 위치 측위 시스템이 되는 이유

 

모션 캡처 시스템은 운용면, 기능면에서 △ 비접촉으로 다점의 고정도 계측, △ 운용의 간편함, △ 대상별로 시스템 구축이 가능한 유연성(카메라 배치 등)과 같은 특징을 들 수 있다.

 

광학식 모션 캡처는 앞에서 설명한 바와 같이 카메라에서 조사되는 적외선 스트로보를 마커가 반사하고, 반사된 적외광을 카메라로 촬상함으로써 위치 측위를 하는 기술이기 때문에 기기 간의 통신이 필요한 기법이나 지자기 등을 이용해 위치 측위를 하는 기법에 대해 전파 노이즈 등도 고려할 필요가 없으며, 운용면에서도 다른 것과 비교해 우위성을 갖고 있으므로 앞으로 확대를 기대할 수 있다.

 

제3자 평가에 의한 정도 평가

 

필자 등은 모션 캡처 시스템의 보증 제도를 쇄신해 JCSS(Japan Calibration Service System) 표시가 붙은 교정 증명의 발행에 대응했다. 이 서비스는 모션 캡처 시스템에서 최초로 JCSS 표시가 붙은 교정 증명에 대응해 계측의 신뢰성 향상에 기여하고 트레이서빌리티를 담보할 수 있게 한다.

 

(1) 대응의 배경

새로운 계측 기법으로서 정도에 대한 신뢰성과 보증 구조를 정비하고 있는 과정에서, 동사는 트레이서블한 계측을 위해 일반 교정의 교정기에 의한 교정 서비스를 실시해 왔다. 그리고 산업의 국제화에 따라 ISO 9000이나 IATF 16949 취득 등 품질 관리에 대한 대응이 활발해지고 있는 가운데, 동 시스템에서도 보다 신뢰성 높은 보증 제도에 대한 대응이 과제였다.

 

(2) 동 제도의 효과

동사는 오랜 기간에 걸쳐 모션 캡처에 의한 공업 계측을 실시하고 일반 교정을 반복함으로써 제3자 기관에 의한 객관적인 평가를 받아 국제적으로 신뢰성 높은 JCSS 보증 제도에 의한 증명이 가능해졌다. 그 결과 이용자분에 대해 트레이서빌리티 담보를 지원할 수 있게 됐다.

 

1. JCSS에 대해서

JCSS란 일본의 계량법에 기초한 ‘계량법 트레이서빌리티 제도’이다. 동 제도는 ‘계량 표준 공급 제도’와 ‘교정사업자 등록 제도’로 구성되어 독립행정법인 제품평가기반기구(NITE)에 의해 교정사업자 등록 제도로서 운영되고 있다. 동 제도는 APAC(아시아 태평양 인정협력기구) 및 ILAC(국제 시험소 인정협력기구)의 상호 승인(MRA)에 참가함으로써 국제적으로 신뢰성 있는 증명으로 취급되고 있다. 또한 동 제도에 의한 증명서는 미국(NVLAP, A2LA), 영국(UKAS), 독일(DKD), 호주(NATA) 등이 인정한 교정기관이 발행하는 증명서와도 동등하다.

 

2. 정도 보증 대응에 대해서

필자 등은 측정 정도의 신뢰성과 보증을 위해 국가 계량 표준기관으로서 계량 표준 및 관련 계측 기술을 개발하는 산업기술종합연구소 계량표준종합센터의 기술 지원을 받아 광학식 3차원 계측에 대한 정도 보증에 대응하고 있다. 새로운 계측 기법인 광학식 3차원 계측에서 기존의 ISO 규격에 대한 적용성 검증 및 광학식 3차원 계측에 적합한 검증 방법을 기안하고, 보증 구조 구축과 규격화를 위한 대응을 하고 있으며 신뢰성 높은 정도 결과를 얻을 수 있었다.

 

고정도 위치 측위 시스템의 사용 사례

 

(1) 드론

최근 실용화가 현저한 드론에서 법 규제도 포함해 다양한 기준이 마련되기 시작하고 있다. 모션 캡처 위치 측위 기술을 가지고 드론의 성능 기준을 책정하거나 성능을 평가하는 사례가 재작년부터 많이 증가하고 있다. 위치와 동시에 자세의 계측도 가능하며, 풍동시험의 계측이나 복수 동시 측위와 피드백 제어 등 사례도 많이 있다.

 

(2) 작업자 위험 회피(인터록)

모션 캡처는 고정도와 동시에 고샘플링, 저지연 등의 특징도 있다. 이 특성을 살려 사고 위험이 높은 제조 현장에서 작업자의 실시간 위치 측위와 제조 장치 가동을 연계시킴으로써 사고 위험을 줄이는 용도로도 사용되고 있다. 프레스기와 같은 가공 설비 주변에 사람이 있는 경우에 가공 설비의 가동을 멈춤으로써 사고 위험의 감소를 실현하고 있다.

 

(3) 로봇

고정도로 위치 측위한 정보로 로봇 제어를 하는 사례도 많이 있다. 티칭으로는 실현하기 어려운 숙련기술자의 작업을 시계열 위치 측위를 해서 로봇이 동작하도록 시킨다. 또한 단일적인 티칭으로는 할 수 없는 인터랙티브성이 필요한 동작을 원격으로 입력할 수도 있다.

 

(4) 제조업의 트레이서빌리티 담보

나사의 고정 누락, 조립 절차 관리 등에서도 모션 캡처가 이용되고 있다. 공구의 3차원 위치 측위를 해서 CAD 좌표계 등에서 나사 등의 고정 위치나 순서를 토크값 등과 동시에 위치를 고정도로 취득한다. 그림 3에 공구의 위치 측위와 CAD 도면 연계의 일례를 나타냈다. 작업 누락이나 절차 오류의 로그를 취득하는 동시에, 확인 작업 등의 공수가 삭감되어 작업로그에 의한 품질보증을 담보할 수 있다.

 

 

기타 사례

 

(1) 대형 구조물의 진동시험

대형 건축물의 진동시험에서 변위 등의 계측 및 시뮬레이션과의 비교 데이터를 모션 캡처로 취득하는 사례가 많이 있다. 레이저 변위계, 가속도계 등의 센서류 설치에 25인이 하루 정도 걸리던 준비 공수가 1인 하루로 줄고, 더구나 데이터 취득 채널 수는 수백 개를 취득할 수 있다. 또한 모든 계측 점이 3차원 위치 측위에서 고정도로 취득되고, 가진기에 대한 상대적인 구조물의 변위․변형 등도 실시간으로 연산할 수 있기 때문에 시험 후의 공수도 비약적으로 단축할 수 있다. 그림 4에 대형 구조물의 진동시험 계측 모습을 나타냈다.

 

 

(2) 교량의 휨

수십 미터 정도의 길이 1mm 이하 교량의 휨 데이터 취득 사례도 있다. 실제로 교량의 휨 계측을 실시한 사례를 그림 5에 나타냈다. 건설 중인 교량의 휨이나 교량 위를 트럭 등이 지나갈 때에 일어나는 휨 등도 비접촉으로 취득이 가능하다. 설치 공수도 적고 큰 공간, 긴 거리라는 계측 범위에서 mm 이하의 움직임을 적절하게 취득할 수 있는 모션 캡처는 종래의 계측 기술과 비교해도 신뢰성 있는 계측 기술로서 이용되고 공수 단축에도 기여하고 있다.

 

 

(3) 대형 반송기

공장이나 물류 창고의 자동화, 무인화 대응은 최근의 DX 흐름도 있고, 여러 가지 대응이 이루어져 많은 이노베이션이 탄생하고 있다. 이 이노베이션 실현에는 품질 담보는 떼어 놓을 수 없는 과제이다. 예를 들면 입체 창고의 자동 반송기에서 반송물이 정밀 기기 등도 있다. 이 때에 반송 속도 실현과 동시에 진동이나 접촉이 없고 정확하게 반송하는 기술이 요구된다. 이러한 기술의 실현에는 긴 반송 경로의 움직임을 모두 고정도로 디지털화함으로써 품질 담보의 실현성을 확인할 필요가 있는데, 이러한 때에도 모션 캡처 기술이 이용된다.

 

(4) 정적 시험(압축․당김․균열)

구조물에 큰 하중을 가하고, 그 강도 등을 계측하는 정적 시험의 계측 수단으로도 모션 캡처는 유용한 도구로 이용되고 있다. 예를 들어 그림 6과 같은 콘크리트 변형시험이나 철골 굽힘시험 등이 있다. 굽힘시험을 변위계로 하려고 하면, 변위계를 설치하기 위해 철골을 둘러싸도록 망대를 세우고 축 방향으로 주의를 기울여 어디에 변위계를 설치하면 원하는 데이터를 얻을 수 있을지 생각할 필요가 있다. 더구나 변위계를 활용한 계측에서는 원래 1축 방향의 변위밖에 산출할 수 없다. 3차원으로 변위를 계측하려고 하면, 설치에만 많은 시간이 소요된다. 모션 캡처에 의한 계측을 함으로써 준비에 시간이 걸리지 않고, 또한 3차원으로 데이터를 취득할 수 있으며 소프트웨어 화면상에서 실시간으로 계측 결과를 표시․확인할 수 있다.

 

 

(5) 기술 전승

저출산 고령화가 진행되고 있는 일본의 상황에서 제조업 가공 기술을 비롯한 숙련기술자의 기능 전승 대응이 곳곳에서 이루어지고 있다. 예를 들면 그림 7에 목수의 기술 전승을 위한 비교 화면을 나타냈다. 미세한 기술의 차이를 수치화할 때, 모션 캡처가 유용하게 이용되고 있다. 종래 정성적인 교육 지도가 이루어지고 있는 가운데 효율적으로 기술 전승을 추진하기 위해서는 정량적인 평가, 교육이 필요하다. 특히 용접 기술에는 몇 가지 사례도 있는데, 업계 신문에서 특집으로 나올 만한 정도이다. 토치의 횟수 차이가 통계로 표시되어 매뉴얼 표현의 개선이나 평가로도 이어질 수 있다. 수치화를 통해 무의식의 의식이 언어화되는 케이스도 많이 있고, 모션 캡처는 기술 전승에는 빼놓을 수 없는 도구가 됐다.

 

 

(6) 치수 계측

콘크리트 제품이나 주조에 의한 제품, 철근 등 큰 대상의 치수 계측도 3차원 위치 측위의 정도를 이용해 실현할 수 있다. 반사 마커가 붙어 있는 와이어리스 프로브를 이용해 10m 이상의 대형 대상 치수나 평면도, 원 중심이나 R 등의 계측 및 기하공차와의 비교도 가능해진다. 가반성도 뛰어나기 때문에 전용 검사장이 필요하지 않으며, 측정 대상이 설치되어 있는 장소에서 치수나 형상을 측정할 수 있다. 이를 통해 건축․토목․철강․중공업․건설기기 등 업계를 불문하고 측정의 디지털화가 어려웠던 대상이나 현장에서도 효율화를 향상시키는 시스템으로 도입되고 있다.

 

맺음말

 

모션 캡처를 비롯해 센싱 기술은 계측 원리나 계측 각 단계의 변동 요소를 정리하면, 새로운 용도가 발견되고 진화해 간다. 예를 들어 오늘날의 화상 AI에 의한 인식 기술 등도 마찬가지이다. 테크놀로지의 눈은 인류의 발전, 안심 안전한 세상을 실현해 갈 수 있는 가능성을 아직 내포하고 있다.

 

DX를 올바르게 기능화시키기 위해서는 단지 디지털 데이터를 수집하는 것만이 아니라, 정확하게 디지털 데이터를 실현하고 디지털 데이터를 바탕으로 인간이 커뮤니케이션을 할 수 있는 UI/UX 디자인을 실장함으로써 비로소 제조업 현장에서 기능하는 가치를 제공할 수 있다고 생각한다.

 

현실 세계의 다양한 사상이나 현상을 센서로 디지털화하고, AI 등을 이용한 처리에 의해 유용하고 가치 높은 정보로 변환하기 위해서는 입구가 되는 센싱 프로세스에서 얼마나 정확하게 디지털화하는지가 중요하다고 생각한다. 이러한 배경에서 센싱 기술은 앞으로 세상의 진화에 더욱 없어서는 안 되는 존재가 될 것이다.










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