제조업체는 정교한 센서를 활용하여 비즈니스 방식을 혁신하고, 품질 제어를 강화하고, 효율성을 개선하며, 안전을 증가시킬 수 있다.
3D 센서 기술이 발전함에 따라, 제조 및 물류와 같은 분야에서 새로운 응용 분야를 형성할 가능성이 있다. 이는 더 큰 효율성, 생산성, 그리고 움직이는 물체를 흔들림 없이 정확하게 스캔할 수 있는 능력을 가능하게 한다.
얼라이드 마켓 리서치(Allied Market Research)에 따르면, 글로벌 3D 센서 시장은 2022년부터 연평균 성장률(CAGR) 13%로 2031년까지 570억 달러에 이를 것으로 전망된다. 이 기술의 첫 상업적 사용은 게임 분야에서 3D 이미징 및 감지 용도로 사용되었으며, 소비자 기기의 3D 깊이 감지 기술은 지난 10년 동안 스마트폰 수요와 3D 안면 인식을 사용하여 전화를 잠금 해제할 수 있는 기능에 힘입어 증가했다.
최근 3D 깊이 감지 기술을 필요로 하는 응용 분야는 제조, 물류, 증강 현실을 포함하도록 확장되었다. 3D 센서 기술은 품질 관리 향상, 자동화 증가, 안전 강화, 최적화된 보관과 같은 이점을 가져온다. 예를 들어, 이 기술은 창고에서 공간을 최대화하고 로봇 픽 앤 플레이스를 가능하게 하는 데 사용될 수 있다.
산업용 CMOS 이미지 센서가 어떻게 변화하고 있는가?
3D 솔루션을 위해 설계된 새로운 CMOS 이미지 센서가 등장하고 있으며, 이는 산업용 애플리케이션에서 큰 진전이다. 레이저 프로파일러의 경우, 이 센서들은 최첨단 글로벌 셔터 픽셀 기술과 센서 아키텍처를 사용하여 애플리케이션 제약 조건에 맞는 직사각형 센서 형식의 매우 고속 센서와 높은 동적 범위를 제공한다.
간접 시간-비행(iToF) 시스템의 경우, 이 센서들은 움직임의 잔상 없이 빠른 3D 감지 기능을 가능하게 하기 위해 새로운 픽셀 설계를 내장하고 있으며, 넓은 거리 범위와 넓은 반사율 범위를 처리하기 위해 강력한 고동적 범위 관리와 같은 시간-비행 기술에 특화된 주요 기능을 통합해야 한다.
이로 인해 iToF는 복잡한 조건과 변화하는 환경에서 신뢰할 수 있는 실시간 의사 결정을 내리기에 이상적인 기술이 되었다. iToF 장치에 대한 수요는 로봇, 물류, 건설 매핑, 지능형 교통 시스템(ITS)과 같은 산업에서 이 기술이 사용됨에 따라 계속 증가하고 있다.
자동화 및 모니터링의 증가, 로봇의 사용, 그리고 Industry 4.0 이니셔티브의 다른 측면들은 다양한 까다로운 조건에서 높은 수준의 정밀도와 거리 측정을 제공하는 3D 이미징 솔루션에 대한 수요를 창출하고 있다.
Industry 4.0에서의 새로운 3D 센서 응용 분야
McKinsey & Company에 따르면, Industry 4.0은 데이터 및 연결성의 증가, 분석, 인간-기계 상호 작용, 로봇의 개선을 포함하는 파괴적인 트렌드에 의해 주도되는 제조 부문의 디지털화의 다음 단계다.
Industry 4.0의 도래는 복잡한 물체 인식 및 치수 측정을 위한 2D 비전의 정밀도 및 거리 측정 한계로 인해 3D 비전의 수요가 증가했다. 또한, 3D 이미징은 인간과 로봇의 상호 작용을 지원한다. 3D 비전으로 공장 근로자는 3D 감시 시스템으로 보호받을 수 있다. 이 시스템은 사람과 로봇 및 기타 물체를 구별하여 안전한 환경을 조성한다.
3D 비전은 공장 자동화 로봇과 기계 시스템의 자율성 및 효율성을 향상시키고 더 정확한 품질 검사, 역공학, 물체 치수 측정에 필수적이다. 또한, 비전 시스템 지원 로봇의 사용이 증가하고 있으며, 이는 더 나은 원격 안내, 장애물 인식 및 정확한 이동을 위해 3D 비전이 필요하다.
공장과 창고에서의 동적 치수 측정의 두 가지 특정 사용 사례는 대형 화물 또는 화물 치수 측정과 고속 소포 또는 패키지 치수 측정이다.
대형 화물 또는 화물 치수 측정
동적 치수 측정은 컨베이어 벨트 또는 이동 플랫폼에 있는 물체 또는 패키지의 치수를 포착하고 측정하는 과정을 포함한다. 이 기술은 물류, 창고, 운송 산업에서 치수 측정 프로세스를 자동화하고 효율성을 개선하기 위해 일반적으로 사용된다. 3D 비전 기반 시스템은 물체가 시스템을 통과할 때 길이, 너비, 높이를 정확하게 측정할 수 있어 수동 측정 또는 추정의 필요성을 줄인다.
대형 화물/팔레트 치수 측정을 위한 3D 센서 기술의 산업 응용은 정적 스테이션에 비해 상당한 이점을 제공한다. 실시간 치수 측정 기능을 통해 더 높은 효율성을 실현할 수 있다. 이 기술을 활용하면 포장 및 트럭로드 최적화와 같은 효율적인 팔레타이징을 달성할 수 있다.
센서 수준에서 고급 온칩 기능을 통해 3D 시스템은 실내외 환경에서 간섭 없이 원활하게 작동할 수 있다. 높은 해상도 제공으로, 이 3D 센서는 1미터가 넘는 크기의 전체 팔레트를 완전히 커버할 수 있는 넓은 시야와 우수한 각도 분해능을 제공한다. 움직임의 잔상을 제거함으로써, 실시간으로 신뢰할 수 있는 측정이 얻어져 시간과 비용 절약으로 이어지고, 궁극적으로 생산성이 향상된다.
또한, 고급 3D 센서는 광범위한 반사율 범위를 처리할 수 있으므로, 매우 낮은 반사율 재료(예: 검은 고무)의 경우에도 일관된 정밀도 수준을 유지할 수 있다.
이 시스템에서 수집된 치수 데이터는 화물 및 운송 최적화, 창고 공간 관리, 자동 분류, 안전 표준 또는 운송 규정과 같은 규정 준수 및 문서화 등 여러 용도로 사용할 수 있다.
고속 소포/패키지 치수 측정
고속 소포/패키지 치수 측정은 또 다른 사용 사례로, 소포/패키지의 치수를 빠르고 정확하게 자동화된 방식으로 측정하는 과정을 말한다. 고급 3D 센서는 소포의 길이, 너비, 높이 뿐만 아니라 기타 관련 매개변수를 포착하는 데 사용되는 특수 치수 측정 시스템의 일부다.
이 사용 사례의 고속 측면은 대량의 소포를 신속하게 처리해야 하는 환경에서 중요하다. 치수 측정 프로세스를 자동화하면 수동 측정의 필요성을 줄일 수 있다. 이는 시간 소모적이고 오류가 발생하기 쉽다. 이 기술은 더 빠른 처리량을 가능하게 하고 운영 효율성을 개선하며 정확한 가격 책정, 분류 및 물류 계획을 촉진한다.
산업용 응용 분야에서 3D 센서 기술은 소포의 고속 치수 측정을 위한 혁신적인 솔루션을 제공한다. 혁신적인 3D 센서 기술은 실시간 치수 측정을 가능하게 함으로써 정적 스테이션을 능가하여 상당히 높은 효율성을 달성한다. 고속 생산 라인의 요구사항을 충족할 필요 외에도, 이러한 솔루션은 짧고 확장 가능한 범위 감지 기능을 갖추고 있다.
예를 들어, 2~4미터의 거리를 밀리미터 수준의 정확도로 정확하게 측정한다. 이 정교한 센서는 초당 30프레임 이상으로 작동하는 컨베이어와 마주하더라도 움직임의 잔상을 제거한다. 또한, 광범위한 반사율 범위를 자랑하여 다양한 표면을 수용하며, 저반사율 재료도 포함하여 전체 감지 범위에서 안정적이고 우수한 정밀도 수준을 지속적으로 유지한다.
고속 소포/패키지 치수 측정 시스템은 전자 상거래, 소매, 택배 서비스, 물류 센터, 물류 허브 등 다양한 산업에서 널리 사용된다. 종종 컨베이어 시스템이나 물류 장비에 통합되어 소포가 처리 라인을 따라 이동하는 동안 치수 측정이 가능하다. 전반적으로 고속 소포/패키지 치수 측정은 물류 운영을 최적화하고 정확한 배송 계산을 보장하며 전체 공급망을 효율적으로 관리하는 데 중요한 역할을 한다.
3D 시스템을 위한 10가지 고려사항
산업용 응용 분야에서 3D 시스템을 고려할 때 몇 가지 핵심 애플리케이션 매개변수를 고려해야 한다. 다음은 고려해야 할 몇 가지 중요한 요소다.
1. 거리 범위: 3D 시스템이 적용 범위에서 커버해야 하는 거리 범위다. 예를 들어, 자율주행 차량(AGV) 및 자율주행 모바일 로봇(AMR) 애플리케이션은 일반적으로 장거리에서 3D 기술을 수행하여 다양한 산업 환경에서 장애물을 감지하고 효과적으로 탐색해야 하지만, 빈 피킹은 짧은 거리 범위만 필요하다.
2. 정밀도: 애플리케이션에서 요구하는 정밀도에 따라 하나의 3D 기술이 다른 기술보다 더 적합할 수 있으며, 그런 다음 3D 센서 기술은 달성할 수 있는 정밀도 수준을 특성화한다.
3. 해상도: 장면에서 캡처된 세부 수준 또는 측정해야 하는 물체의 크기는 3D 센서 해상도를 결정한다.
4. 시야(FoV): 시야는 선택할 3D 센서 해상도와 3D 시스템 설계에 영향을 미친다.
5. 속도: 움직임의 잔상 없이 빠른 3D 감지 기능이 필요하다. 모든 3D 기술이 합리적인 속도로 3D 측정을 제공하거나 고속 이동 물체를 처리할 수 있는 것은 아니다.
6. 반사율: 3D 시스템이 처리해야 하는 최소 및 최대 반사율은 무엇인가? 산업 응용 분야에서 처리해야 하는 반사율 범위는 예를 들어 2%에서 98%까지 넓을 수 있으며, 3D 시스템은 범위의 극한 한계에서 충분한 정밀도를 제공해야 하고 안정적인 수준을 유지해야 한다.
7. 실외 작동: 일부 애플리케이션에서 3D 시스템은 실내외에서 모두 작동해야 하며, 선택한 3D 기술은 주변 조명에 강인하면서도 우수한 성능을 유지해야 한다.
8. 다양한 시나리오에 대한 적응성: 모든 3D 기술이 여러 가지 다양한 작동 조건(조명, 범위, 실내/외, 정밀도 등)에서 작동하기에 적합하지 않으며, 특히 프레임 단위로 작동해야 하는 경우 특히 그렇다.
9. 통합 및 작동의 용이성: 3D 시스템을 최종 시스템에 통합하는 데는 어떤 노력이 필요한가? 보정 및 제조 노력은 무엇인가? 3D 시스템은 공장이나 창고에서 제대로 작동하기 위해 특정 설정이 필요한가? 모든 질문은 고려해야 하며 귀하의 비용에 직접적인 영향을 미친다.
10. 비용: 애플리케이션의 특정 요구 사항을 고려하여 3D 기술의 비용 대비 성능 비율을 평가한다.
모든 이 요소들은 개별적으로 고려되어서는 안 된다. 서로 간에 많은 의존 관계가 존재하며, 3D 기술, 3D 시스템 또는 3D 센서를 선택할 때 모두 평가해야 한다.
3D 센서 기술의 발전이 진행됨에 따라 제조 및 물류 고객은 정교한 센서를 신뢰하여 비즈니스 방식을 혁신하고, 품질 관리를 강화하고, 효율성을 개선하고, 안전을 향상시킬 수 있다. 대형 화물 치수 측정 및 고속 소포 및 패키지 치수 측정과 같은 애플리케이션은 창고 공간의 정밀 측정 및 최적화를 가능하게 하여 품질 관리 향상, 비용 절감, 폐기물 감소, 안전성 증가, 전반적인 운영 효율성 향상을 가져온다.
헬로티 김진희 기자 |
