공간 컴퓨팅이 제공하는 새로운 잠재력

최근의 스마트 머신은 자신의 성능이나 결함에 대해 많은 것을 제공한다. 지금까지 디지털 공장에서 공간적 움직임은 사각지대였다. 하지만 이러한 상황이 공간 컴퓨팅(Spatial Computing)으로 바뀌고 있다. 새로운 최적화 잠재력이 열리고 있다.

슈테파니 미헬(Stefanie Michel)

핵심 내용

  • 무언가 움직임이고 이 움직임을 기록할 수 있다면 공간을 계산할 수 있다. 이를 통해 경로를 최적화하고 경로를 분석할 수도 있다.
  • 공간 컴퓨팅은 증강 현실을 사용한다. 이를 통해 물리적으로 존재하지 않아도 로봇이나 기계를 프로그래밍할 수 있다.
  • PTC의 Vuforia Spatial Toolbox는 이런 기능을 처리하는 소프트웨어이다. 이 소프트웨어는 오픈 소스이며 필요에 따라 확장할 수 있다.

지난해 많은 기업들이 코로나 팬데믹으로 인해 ‘비대면 작업’의 필요성을 절실히 느꼈고 비대면으로 무엇을 할 수 있는지 알게 되었다. 즉 사무실이 아닌 다른 곳에서 일을 하고, 그럼에도 불구하고 운영 시스템에 연결할 수 있었다. 하지만 생산 현장은 사무실 작업만큼 그렇게 간단하지 않다. 디지털화가 이곳에도 새로운 가능성을 제공하고 있다. 그 가운데 하나가 바로 공간 컴퓨팅이다.

소비자 영역에서는 굳이 공간 컴퓨팅이라는 용어가 아니라 하더라도 이미 유비쿼터스가 되었다. 예를 들어 구글 지도는 현재 내가 있는 위치에서 가장 빠른 경로와 가장 짧은 경로를 찾아주고, 지하철역에서 다음 열차가 언제 오는지 시간을 알 수 있다. 배송 서비스에서도 공간 컴퓨팅을 활용하여 물품이나 음식을 신속하게 배송할 수 있다. 공간 컴퓨팅 응용 분야는 내비게이션을 뛰어넘는다. 무언가 움직이는 곳이라면 어디서든 계산이 가능하기 때문이다.

공간 컴퓨팅과 증강 현실을 통해 로봇을 쉽게 티칭할 수 있다.

새로운 공장 최적화 방법

공장 안에서는 일반적으로 많은 것들이 움직인다. 원자재가 입고되고, 많은 요소들이 생산 단계를 거쳐 ‘이동하면서’ 가공 처리되고, 마지막에 완제품이 공장에서 출고된다. 하지만 PTC Reality Lab의 혁신 엔지니어링 부사장인 발렌틴 호인의 발언과 같이 사람들은 로봇과 무인 운반 시스템(AGVS)을 포함하여 이런 많은 움직임에 대해 잘 알지 못한다. 이런 정보 공백을 메울 수 있다면 공장 내에서 새로운 최적화 방법이 생기는 것이다.

IIoT가 도입되면서 많은 공장에서 MES 컨셉트를 기반으로 머시닝 센터를 최적화하고 있다. MES 도입 과정에서 개별 생산 셀 모니터링을 중앙 집중화하였고, 여러 기계를 동시에 관찰하여 사이클을 서로 맞추고 있다. 관건은 점점 더 까다로워지는 작업자의 활동을 정확하게 기계 프로세스와 동기화하는 것이다. 여기에서 공간 컴퓨팅이 중요한 역할을 한다. 예를 들어 산업용 로봇 프로그래밍 등에서 공간 컴퓨팅은 공간을 기준으로 프로세스 지침을 명확하게 설명하고 이를 통해 쉽게 이해할 수 있도록 한다.

지금까지 산업용 로봇은 2D 인터페이스를 통해 티치인 방식으로 번거롭게 프로그래밍되었다. 이 복잡한 프로그래밍 환경을 이해하기 위해 긴 훈련이 필요하다. 하지만 공간 컴퓨팅은 티치인 방식의 추상화 계층을 줄인다. 작업 지침을 인터페이스를 통해 로봇의 물리적 활동 공간과 직관적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 팔 동작으로 로봇에게 방향을 지시하거나 스마트폰으로 중간 지점을 배치하는 방식이다. 이러한 증강 현실 환경은 사용자에게 X좌표와 Y 좌표로 로봇을 프로그래밍해야 하는 2D 인터페이스보다 훨씬 직관적이다.

PTC는 피드 시스템을 이용하여 가상 표면에 기계를 프로그래밍할 수 있는 방법을 시연 응용 프로그램으로 보여준다.

공간에서 이루어지는 움직임을 확인하고 이용할 수 있다

언뜻 보기에 추상적이겠지만, 그 뒤에 숨어있는 기술을 확인하면 기능 방식을 이해할 수 있다. 발렌틴 호인은 보스턴의 PTC Reality Lab을 이용하여 공간이 어떻게 구성되고 웹사이트를 통해 어떻게 ‘접근’할 수 있는지 보여주었다. 정적 공간은 레이저 스캔을 통해 3D 모델로 만든다. 그 공간 안에 설치되어 있는 보정된 Depth Camera가 로봇과 사람의 움직임을 촬영하고, 실제 공간에서 거리 정보를 측정한다. 또한 로봇과 특히 AGVS(무인 운반 시스템)가 자신들의 위치를 공간 내 스마트폰 등과 공유한다. 핵심은 가상 트래킹으로, 머신 러닝과 연동하여 정밀해지고 있다. 여러 카메라의 3D 이미지를 서로 연결하여 실제 광범위한 실시간 시뮬레이션을 생성하고, 이 광경에 증강 현실 애플리케이션을 투사할 수 있다. 예를 들면, 가상 기계에 실제 유저 인터페이스를 투사하는 방식이다. 그리고 기계의 디지털 트윈이 저장되어 있기 때문에 이 유저 인터페이스를 원격으로 조작할 수 있으며, 로봇을 프로그래밍하는 것도 가능하다.

하지만 흥미로운 점은 생성된 데이터를 계속해서 처리할 수 있다는 점이다. “공간 컴퓨팅은 ‘증강’, 즉 IoT의 확장입니다. 우리가 계산할 수 있는 모든 데이터 포인트가 위치 정보로 인해 풍성해집니다.” 따라서 공간 계산이 가능하다. 지금까지 작업자 또는 물품의 실제 작업 경로를 전반적으로 알지 못했다면, 이제는 조립 작업을 포함하여 전체 생산 공정을 정확하게 문서화할 수 있다.

디지털 트윈은 계속해서 발전하고 있다

이러한 지식은 공간 컴퓨팅을 이용하여 공장의 디지털 트윈을 계속하여 발전시키기 때문에 이용할 수 있다. 앞으로 실시간으로 기계 내 프로세스를 매핑할 수 있을 뿐만 아니라 작업자의 디지털 트윈도 생성할 수 있다. 이를 통해 작업자가 현재 어디에 있고, 무엇을 하며, 어떤 기술을 갖고 있는지 정밀하게 평가할 수 있다. 예를 들어 어떤 작업자가 다치지 않는 범위에서 10kg만 들어 올릴 수 있는데, 그 사람이 20kg의 무게를 들어 올리려고 시도한다면 시스템이 이를 감지하고 해당 작업자에게 이를 경고한 후 지원을 요청할 수 있다. 이를 통해 고용주는 감독의 의무를 수행할 수 있다.

공간 컴퓨팅의 또 다른 측면은 분석력이다. 이른바 공간 히트 맵(spatial heat map)을 통해 기업들은 어느 위치에서 작업이 진행되는 동안 작업자가 어디에 자주 머무르고, 바람직하지 않은 기계 다운타임이 어느 곳에서 자주 발생하고, 어떤 작업 경로를 가장 빈번하게 이용하는지에 대한 통계를 얻을 수 있다. 또한 작업 프로세스를 단계 별로 분할하여 각 개별 프로세스가 얼마나 걸리는지 확인하여, 그로부터 최적화 잠재력이 도출할 수 있다. 이는 공간 컴퓨팅이 제공하는 여러 가지 가능성 중에 일부일 뿐이다.

Vuforia SpatialToolbox는 공간 분석을 수행하고 객체를 서로 연결하는 도구를 제공한다.

실시간 애플리케이션을 위한 다중 객체 플랫폼

PTC는 이 기술을 기업에서 사용할 수 있도록 오픈 소스로 제공하고, iOS 앱 스토어에서 제공하는 Vuforia Spatial Toolbox를 개발했다. 이 플랫폼에는 공간 분석을 위해 배치하고 사용할 수 있는 도구가 포함되어 있다. 프로그래밍 모드에서는 개체 또는 기계를 서로 연결하고 노드를 설정할 수 있다. 이를 통해 공간 정보뿐만 아니라 기계의 기능과 프로그래밍을 시각화할 수 있다. 특별한 인터페이스를 통해 프로그래밍 지식 없이 쉽게 변경할 수도 있다. 또한 여러 기계를 전체 프로세스를 매핑하는 하나의 시스템으로 결합할 수도 있다.

사용자는 추가 기능을 직접 추가할 수 있으며, 필요에 따라 Spatial Toolbox를 조정할 수 있다. 이 플랫폼은 기술적으로 에지 서버가 있는 증강 현실 애플리케이션이다. 이 서버에는 기계의 디지털 트윈이 포함되어 있다. 이제 컴퓨터를 연결하면 서로 통신할 수 있다. 하지만 발렌틴 호인이 설명했듯이 특별한 기능은 AR 애플리케이션이다. 실시간으로 수백 개의 애플리케이션을 소비할 수 있기 때문이다. 공간 내에서 이동한다면, 모든 것을 직접 로드할 수 있고 해당 애플리케이션을 실행할 수 있다. 따라서 Spatial Toolbox는 다수의 사람(다중 사용자)과 다수의 객체(다중 객체) 그리고 다수의 응용 프로그램(다중 응용 프로그램)과 실시간으로 작업할 수 있다. “Spatial Toolbox를 통해 이러한 가상 현실과 공간 컴퓨팅의 조합을 만드는 가장 진보된 플랫폼을 갖게 되었습니다.”(발렌틴 호인) 공간 컴퓨팅을 발전시키기 위해 다른 연구 기관 및 기업과 함께 지속적으로 개발하고 있다. 이러한 프로젝트가 만들어지면 코로나 시대에 동료들에게 URL을 통해 프로덕션 또는 현장에 대한 액세스를 제공할 수 있다.