로봇 및 자동화에서 이미지 센서의 응용 및 개발

로봇공학 및 자동화 응용 분야는 창고부터 의료 시설까지 전 세계 산업을 변화시키며 생산성, 효율성, 안전성, 운영 가시성을 향상시키고 있습니다. 이러한 응용 분야의 핵심 요소는 로봇이 주변 환경을 인식하고 상호작용할 수 있도록 하는 이미지 센서입니다. 본 기사에서는 로봇공학에서 이미지 센서의 역할을 탐구하고, 온세미(onsemi)의 이미지 기술 발전 및 관련 솔루션을 조명합니다.

현대 산업에서 모바일 로봇의 역할

지난 10년 동안 자동화와 로봇 기술은 여러 산업에 혁신을 불러오며 전통적인 프로세스를 더 안전하고 효율적으로 만들었습니다. 이러한 혁신 중에서도 이동 로봇은 자동화의 선두에 서서 다양한 분야에서 운영을 간소화하는 데 기여하고 있습니다. 이동 로봇은 크게 두 가지 유형으로 구분할 수 있는데, 바로 자율 이동 로봇(AMR: Autonomous Mobile Robots)과 자동 유도 차량(AGV: Automated Guided Vehicles)입니다. AMR은 인간의 개입 없이 독립적으로 작동할 수 있도록 설계되었으며, 동적인 환경에 적응할 수 있습니다. 동시 위치추정 및 지도작성(SLAM: Simultaneous Localization and Mapping)과 같은 첨단 센싱 기술을 활용하여, AMR은 주변 환경을 매핑하고 장애물을 파악하며 자율적으로 이동할 수 있습니다. 이는 AMR을 공장 및 창고 자동화와 같은 응용 분야에 이상적인 선택으로 만들고 있습니다.    반면, AGV는 자기 테이프나 비전 트래킹과 같은 외부 유도 시스템에 의존하여 고정된 경로를 따라 이동합니다. AGV는 조립 라인이나 재고 관리와 같은 구조화된 환경에서는 뛰어난 성능을 발휘하지만, AMR과 같은 유연성은 부족합니다. AGV는 정해진 트랙을 따라 이동하는 기차에 비유할 수 있는 반면, AMR은 장애물을 피해 기동할 수 있는 자동차와 유사합니다. 이러한 차이로 인해, AMR은 동적이고 적응 가능한 솔루션을 필요로 하는 산업에서 선호되는 선택지가 되고 있습니다.

이미지 센서가 AMR 자율성을 가능하게 하는 방법 

AMR(자율이동로봇)은 유도 없이 작동하며, 새로운 환경에 동적으로 적응합니다. 그러나 자율적으로 이동하려면, 동시에 위치 추정 및 지도 작성(SLAM) 기능이 필요합니다. SLAM을 통해 로봇은 주변 환경의 지도를 만들고 자신이 있는 위치를 결정할 수 있습니다. AMR은 환경 내비게이션, 3D 매핑, 충돌 방지, 코드 판독과 같은 작업을 수행하기 위해 이미징 센서를 활용하며, 이러한 작업은 모두 정밀하고 효율적인 센싱 기능을 요구합니다. 3D 매핑을 위해 AMR은 스테레오 이미징, 간접 ToF(Time-of-Flight), LiDAR 같은 기술을 사용해 깊이를 측정하고 상세한 환경 지도를 작성합니다. 깊이 센싱은 AMR이 인간을 포함한 물체를 탐지하고 잠재적 위험을 회피할 수 있게 하며, 인간과 로봇이 함께 작업하는 환경에서 안전을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다.    충돌 회피 기능은 이미지 센서 혹은 깊이 센서를 통해 활성화되는 또 다른 중요한 기능입니다. 롤링 셔터 및/또는 글로벌 셔터를 갖춘 센서, 빠른 처리 속도, 그리고 고속 역동 범위(HDR) 기술은 AMR이 실시간으로 장애물을 감지하고 대응할 수 있도록 해줍니다. 특히, HDR 기술은 반사 및 그림자가 시각 인식을 복잡하게 만드는 공장 및 창고와 같은 혼합 조명 환경에서 중요합니다.    추가적으로, 이미지 센서는 제조 및 물류에서 흔히 수행되는 작업인 코드 판독에서도 주요 역할을 합니다. 글로벌 셔터와 낮은 전력 소비를 가진 센서는 이러한 응용 분야에서 뛰어난 성능을 발휘하며, AMR이 코드를 신속하고 정확하게 스캔 및 처리할 수 있게 합니다. 긴 시간 동안 효율적으로 작동할 수 있는 능력은 까다로운 산업 환경에서 AMR의 가치를 더욱 높여줍니다.    AMR과 AGV(자동 유도 차량)가 이동형 로봇 분야를 지배하고 있는 가운데, 고정형 로봇도 자동화에서 중요한 역할을 합니다. 이 로봇은 한 자리에 고정되어 물체를 선택하고 분류하는 작업을 수행합니다. 이동형 로봇과 마찬가지로 고정형 로봇도 깊이 탐지와 정밀한 제어를 위해 이미지 센서를 필요로 합니다. 고급 센싱 기술은 이러한 로봇이 복잡한 산업 환경에서도 높은 정확도로 작업을 수행하도록 보장합니다.

생산성이 로봇 성장의 주요 동력

여러 산업에서 로봇 공학이 빠르게 채택되는 데에는 여러 요인이 작용하고 있으며, 생산성이 주요 요인입니다. 로봇은 반복적인 작업을 지치지 않고 장시간 수행할 수 있습니다. 효율성 또한 주요 이점 중 하나로, 로봇은 인간의 개입으로 인한 지연을 없애고 작업자가 더 높은 가치를 창출할 수 있는 활동에 집중할 수 있도록 합니다. 안전성도 마찬가지로 중요한데, 로봇은 인간 근로자를 위험에 처하게 할 수 있는 위험한 작업을 대신 수행할 수 있습니다.    생산성, 효율성 및 안전성을 높이기 위해 대부분의 고객은 운영 속도를 시각화할 수 있는 포괄적인 데이터를 찾습니다. 이러한 데이터는 철저한 분석을 가능하게 하며, 개선을 위한 효과적인 전략을 식별할 수 있도록 합니다. 상세한 시각적 데이터를 활용함으로써 고객은 운영에 대한 귀중한 인사이트를 얻을 수 있으며, 이를 통해 더 나은 의사결정과 최적화된 성과를 달성할 수 있습니다.   로봇 공학 시장은 현재 특히 AMR 분야에서 상당한 성장을 경험하고 있습니다. 업계 분석가들은 2024년부터 2030년까지 AMR의 연평균 성장률 (CAGR)이 16%에서 20%에 달할 것으로 예측하고 있습니다. 이러한 성장은 로봇의 역량을 확장하고 혁신의 새로운 기회를 열어주는 인공지능(AI) 및 자동화 기술의 발전에 의해 촉진되고 있습니다.

HDR 활성화 이미지 센서는 시각적 정밀도를 향상시킵니다

이미징 기술의 선도 기업인 온세미(onsemi)는 로보틱스의 다양한 요구를 충족시키기 위한 혁신적인 이미지 센서를 개발해왔습니다. 온세미의 제품군에는 롤링 셔터와 글로벌 셔터 센서뿐만 아니라 깊이 센싱 및 HDR(High Dynamic Range) 애플리케이션용 특화 솔루션도 포함되어 있습니다. 이러한 기술들은 로봇이 더 높은 정밀도, 효율성, 신뢰성을 가지고 작업을 수행할 수 있도록 돕습니다.    롤링 셔터 센서(Rolling Shutter Sensor)는 더 작은 픽셀 크기와 더 높은 감도를 가지며, 저조도 환경에서 상세한 이미지를 요구하는 애플리케이션에 적합합니다. 그러나, 움직임 왜곡(Motion Artifact)을 초래할 수 있어 동적인 환경에서는 제한적인 용도를 가질 수 있습니다. 반면, 글로벌 셔터 센서(Global Shutter Sensor)는 모든 픽셀을 동시에 노출시켜 움직임 왜곡을 없애며, 움직이는 객체를 다루는 작업, 충돌 회피, 코드 판독과 같은 작업에 적합합니다.    깊이 센싱(Depth Sensing)은 온세미가 뛰어난 또 다른 분야입니다. 온세미의 iToF 기술은 반사된 빛의 위상 차이를 측정하여 깊이를 계산합니다. 온세미의 iToF 솔루션은 짧은 거리(30~50cm)부터 최대 20미터까지 높은 정확도로 범위를 확장할 수 있습니다.    높은 동적 범위(HDR)는 까다로운 조명 환경에서 작동하는 로봇에 매우 중요합니다. HDR 센서는 여러 노출을 캡처하여 균형 잡히고 정확한 이미지를 생성해, 로봇이 고대비 환경이나 반사 영역에서도 물체를 명확히 볼 수 있도록 합니다. HDR은 여러 방식으로 구현될 수 있습니다. 예를 들어, 다중 노출 HDR은 뛰어난 저조도 성능을 제공하지만 움직임 왜곡이 발생할 수 있습니다. 분리 다이오드 픽셀 HDR은 움직임 왜곡을 줄일 수 있지만 LED 깜박임 현상에 민감할 수 있습니다. 노출 한 번에 여러 이득을 결합하는 방식(슈퍼 노출 모드)은 두 방법의 장점을 결합합니다. HDR 기술의 선택은 애플리케이션의 특정 요구 사항에 따라 달라집니다.    온세미는 다양한 산업용 로봇의 수요를 충족하기 위해 폭넓은 Hyperlux 이미지 센서 제품군을 제공합니다. 이들 센서는 낮은 전력 소비, 높은 동적 범위, 실질적인 성능을 바탕으로 복잡한 조명 조건을 극복하며 뛰어난 이미지 품질을 제공합니다. Hyperlux LP 시리즈는 초저전력 소비를 중점으로 하여 에너지 효율적인 애플리케이션에 최적화되어 있습니다. Hyperlux LH 시리즈는 산업 및 상용 환경을 위해 설계되었으며, 확장된 NIR 및 eHDR과 함께 120 dB HDR을 제공하여 혼합 조명 조건에서 우수한 4K 비디오 품질을 제공합니다. Hyperlux SG 시리즈는 컴팩트한 크기와 업계 최고의 글로벌 셔터 효율성을 자랑하며 정밀 스캐닝 작업에 적합하고, 스캐닝, AR/VR 및 AMR 애플리케이션에 이상적입니다. 해상도가 최대 1.2 MP에 이르는 Hyperlux ID 시리즈는 실내외 거리 측정을 확장해 iToF 기술을 혁신하며, 산업 자동화, 로보틱스, 보안 등 다양한 분야에서 3D 센싱의 새로운 가능성을 열어줍니다.    2024년 7월, 온세미는 SWIR(SWIR Vision Systems)를 인수하였습니다. 이 회사는 CMOS 기반 SWIR(짧은 파장 적외선) 센서를 가능하게 하는 콜로이드 양자점 기술에 대한 특허를 보유하고 있습니다. 기존의 InGaAs 기반 SWIR(900nm~1700nm)과 달리, 온세미의 SWIR은 더 넓은 범위(400nm~2100nm)를 커버합니다. 또한, 온세미의 SWIR 센서는 EAR99로 분류되어 ITAR로 분류된 InGaAs SWIR 센서에 비해 수출이 더 용이합니다. 현재 SWIR은 BGA, 1 MP 및 2 MP 카메라에서 제공되며, 더 많은 제품들이 개발 중에 있습니다.

결론

이미지 센서의 미래는 더 높은 해상도, 더 작은 광학 형식, 더 넓은 동적 범위, 낮은 전력 소비, 그리고 향상된 정확성에 달려 있습니다. 앞으로 AI와 첨단 센서 기술의 통합은 로봇공학에 새로운 가능성을 열어줄 것입니다. 의료에서 교육까지, 이러한 혁신은 로봇이 다양한 환경에서 점점 더 복잡한 작업을 수행할 수 있도록 해줄 것입니다. 또한 로봇 공학의 비용이 계속해서 하락함에 따라, 서비스 산업 및 가정 응용 분야에서의 로봇 채택이 더욱 확산될 것으로 기대됩니다.    이미지 센서는 현대 로봇공학의 핵심으로, 3D 매핑에서 충돌 회피에 이르기까지 정밀한 작업을 가능하게 합니다. 온세미(onsemi)는 지속적인 혁신을 통해 이러한 요구를 적극적으로 충족시키며, 자사의 센서가 업계 최전선에 자리할 수 있도록 하고 있습니다. 온세미의 최첨단 센서 기술, 예를 들어 Hyperlux 시리즈, iToF 솔루션 및 SWIR 센서 등은 로봇 및 자동화의 다음 발전 단계를 주도하고 있습니다. 이러한 기술이 발전함에 따라 로봇의 역량이 확대되고, 다양한 산업에서 새로운 기회를 창출하며, 우리의 업무와 생활 방식을 개선할 것입니다.