‘필드프린터 2’, PMD사 컨트롤러 사용···밀리초 미만 타이밍 정밀도로 사각지대 처리
미국 더스티 로보틱스(Dusty Robotics)가 퍼포먼스 모션 디바이시즈(PMD)의 모션 컨트롤러를 탑재한 건설현장 도면 출력용 자율이동로봇(AMR)인 ‘필드프린터 2’를 설계해 공개했다고 더로봇리포트가 보도했다.
건설 업계는 압박을 받고 있다. 인력 부족, 자재 가격 상승, 속도와 정밀성에 대한 요구는 건설업체들이 효율성, 안전성, 그리고 지속가능성을 향상시키는 자동화 솔루션을 찾게 만들고 있다. 더스티 로보틱스는 자사의 기술을 통해 이러한 상황을 바꾸고자 한다.
대다수 건축 도면들은 옛 방식을 사용해 실제 공간에 표시된다. 현장에 따라 작업자는 토털 스테이션(여러 측정 도구가 통합된 측량 장비)을 사용하거나, 줄자와 분필 선만으로 작업 위치를 표시한다. 이러한 방식은 수 세기 전의 방식과 크게 다르지 않다.
마이크 톰슨 더스티 로보틱스 수석 엔지니어는 각 층과 시스템의 세부 정보가 담긴 방대한 청사진이 디지털 통신으로 점차 대체되고 있지만 현장에서는 여전히 수작업으로 정보가 전달되고 있다고 설명했다.
건물의 3D 모델만으로는 시공이 불가능한 경우가 너무나 많다. 다양한 업체에서 설계도를 작성함에 따라 발생하는 실수와 오래된 정보로 인해 잘못된 레이아웃, 재작업, 그리고 지연이 발생하는 경우가 많다.
◆더스티 로보틱스가 현장프린터를 설계하다
캘리포니아주 마운틴 뷰에 위치한 스타트업 더스티 로보틱스는 필드프린터 2(FieldPrinter 2) 라는 AMR을 설계했다. 이 로봇은 건설 시공 현장의 2D바닥에 독자적으로 3D건축 디자인을 약 0.16cm의 정확도로 매핑하고 표시한다. 이 로봇을 사용하면 시공팀은 더 이상 노트북, 아이패드, 그리고 종이 도면 등을 끊임없이 확인하며 무엇을 어디에 시공해야 하는지 파악할 필요가 없다.
더스티 로보틱스 AMR 기능의 핵심은 PMD가 제공하는 두 가지 기성품 동작 제어 부품이다. ION/CME N 시리즈 드라이브는 AMR의 두 앞바퀴, 더 구체적으로는 바퀴를 구동하는 두 개의 브러시리스 DC 전기 모터(BLDC)에 대한 제어 및 동력을 제공한다. AMR의 뒷바퀴에는 능동형 구동 장치가 없다.
이 컨트롤러는 추적기(트래커), 인코더, 관성측정장치(IMU) 자이로스코프를 포함한 정확한 위치 정보를 제공하는 내장 센서들과 함께 로봇의 위치를 지정한다.
라이언 디믹 더스티 로보틱스 제어 엔지니어는 “우리는 프린트하는 모든 물체 사이에서 연속적인 동작을 원한다. 이 시스템은 로봇이 내비게이션(경로탐색)과 프린팅 사이를 전환할 때 지속적인 프로파일 변경을 허용해야 한다”고 말했다.
실제로 새로운 필드프린터 2 AMR은 PMD 컨트롤러-드라이브의 도움으로 이전 버전보다 성능이 향상됐다. 이 회사 개발자들은 첫 AMR 버전에 다른 공급사의 모션 컨트롤러를 사용했는데, 우회 방법을 사용하지 않고는 오류를 이해하고 수정할 수 없는 등의 어려움을 겪었다. PMD의 새로운 컨트롤러-드라이브 솔루션은 이러한 문제를 해결하면서 기존 플랫폼에 완벽하게 통합된다.
구체적으로 이 인쇄회로기판(PCB) 장착형 단축 컨트롤러는 고성능 모션 제어, 네트워크 연결, 그리고 내장 프로세서를 갖춘 올인원 드라이브에 증폭 기능을 제공한다. 따라서 로봇은 코드를 다운로드하고 실행할 수 있다. 또한 컨트롤러-드라이브는 더스티 로보틱스에 가시성과 맞춤 설정 기능을 제공한다.
디믹은 “문제가 발생하면 항상 해결할 수 있었다. 과거에 발생했던 지연 시간을 극복하고 모터와 모터 제어에 대한 자체 타이밍 특성을 설정했다. 예를 들어 더스티는 제어 루프와 필드 지향 제어 루프 매개변수를 수정할 수 있기를 원했다”고 말했다.
톰슨 더스티 수석엔지니어는 “디믹은 끊임없이 데이터를 추출해 스프레드시트에 데이터를 입력하고, 그래프를 그리고, 모터 컨트롤러의 모든 입력과 출력을 검토하며, 어떤 작은 조정이 필요한지 파악했다. 그래프를 그의 기대치에 맞추는 능력은 이전에는 큰 도전이었다”고 말했다.
디믹은 “우리는 밀리초 단위의 시간 단위로 작업하고 있다. 모든 튜닝 및 고수준 제어에 있어 정보를 매우 빠르게 얻는 것이 중요한데, PMD 이전에는 그 수준에 도달할 수 없었다”고 밝혔다.
◆PMD, 더스티의 엣지 케이스 해결에 도움
더스티 로보틱스는 컨트롤러-드라이브 공급업체와 긴밀히 협력해 엣지케이스(극단적 동작, 또는 경계에서 발생하는 문제나 상황) 문제를 해결했다.
디믹은 “컨트롤러를 제품에 통합하는 과정에서 궁금한 점을 문의하면 PMD는 언제든 즉시 전화에 답해 주었고 문제 진단에 임시로 사용할 수 있도록 맞춤형 디버그 버전까지 제공해 주었다”고 말했다.
이러한 협력은 AMR 제조업체가 산업용 통신을 선택하는 데에도 영향을 미쳤다. 컨트롤러-드라이브는 이더넷, CAN, RS-232, RS-485 및 직렬 주변 장치 인터페이스를 통한 통신을 지원한다. 더스티는 특정 통신 기능이 컨트롤러-드라이브의 약간 더 새로운 버전에서 제공되기를 원했다.
디믹은 “그래서 우리는 기다렸고, 아마도 PMD를 실제로 사용한 최초의 기업 중 하나였을 것이다. 그런 다음 우리는 공급업체의 펌웨어 디버깅을 도왔고, 그들은 신속히 새 버전을 제공해 사용할 수 있도록 했다”고 밝혔다.
더스티 필드프린터 2에는 AMR 위치를 지속적으로 보고하는 레이저 트래커가 있다. 하지만 때때로 트래커가 로봇을 볼 수 없어 깜깜이가 된다. 하지만 컨트롤러 드라이브(로봇 센서와 연동)는 AMR을 제자리를 유지하도록 한다.
톰슨 더스티 수석 엔지니어는 “로봇이 트래커에 보이지 않는 사각지대에서 인쇄할 때는 컨트롤러를 통해 들어오는 관성 측정 장치와 인코더에 의존한다. 5초, 10초, 15초 동안 연속 인쇄를 하기 위해 다른 모든 센서에 의존한다. 그러다가 사각지대를 벗어나면 트래커에 정확한 위치를 알려준다. 우리는 트래커의 정확도를 높여 신호를 매우 빠르고 정확하게 수집토록 할 필요가 있었다”고 말했다.
여기서 밀리초 미만의 타이밍 정밀도는 AMR이 복잡한 작업 현장에서 흔히 볼 수 있는 사각지대를 처리하는 데 도움이 된다.
디믹은 “이러한 정보와 예측 가능한 부드러운 동작 덕분에 AMR은 레이저 추적기의 시야 확보 없이도 위치를 정확하게 추정하고 인쇄를 계속할 수 있다”고 말했다.
이러한 사각지대 인쇄는 새로운 AMR 버전의 가장 큰 개선 사항이다. 이 컨트롤러-드라이브는 AMR 모터에 전자 브레이크를 적용할 수도 있다. 컨트롤러 칩 중 하나에서 실행되는 더스티의 일부 자체 SW는 감시자 역할을 한다. 로봇과의 통신이 두절되면 모터의 전원을 차단한다.
회사 이름에서 알 수 있듯이 더스티 로보틱스의 시스템은 먼지가 많은 환경과 온갖 날씨, 즉 애리조나의 뜨거운 태양 아래서든, 시카고의 영하 20도(-20°C)에서 건설 중인 건물 14층에서든, 알려지지 않은 장애물과 불안정한 인터넷 연결 속에서든 작동해야 한다.
PMD는 필드프린터2에 사용되는 컨트롤러-드라이브가 기본적으로 내부 부품을 보호하기 위한 보호 패키지와 함께 제공돼 민감한 전자 장치를 노출시키는 경쟁 솔루션과 차별화된다고 밝혔다. 향후 로봇 버전에서는 더 높은 수준의 통합이 이루어질 수 있다.
톰슨은 “PMD는 우리에게 길을 열어주었다. 이 회사는 컨트롤러를 직접 제공하고, 컨트롤러를 열어서 우리가 개별 부품에 접근할 수 있게 해 우리가 고도로 통합된 솔루션을 만들 수 있도록 해 주었다. 이는 우리가 실제로 추구한 것은 아니지만 엔지니어들의 노력을 보존하면서 현재보다 더 빠르고 가벼운 시스템을 만들 수 있게 해 준다”고 말했다.