2016년 4차 산업혁명(Industry 4.0)이 시작되며 제조업의 디지털 전환(Digital Transformation)이 가속화되고 있다. 저렴한 인건비나 단순 운영 효율성만으로 글로벌 경쟁력을 갖추기 어려워졌다.

3D 스캐닝(3D Scanning)은 하드웨어 장비를 이용해 물체의 3D 형태를 측정하는 방법이다. 제품 형상을 빠르고 정확하게 디지털 데이터로 확보하는 것이 중요해졌다. 단종된 부품을 다시 제작하거나 기존 부품을 개조할 때에는 3D 스캐팅 기술은 필요하다.

수집된 디지털 데이터는 산업 디자인, 가상 현실(VR), 리버스 엔지니어링, 프로토타입 제작, 품질관리 등에도 활용할 수 있다. 국방 경재력을 확보하는데 필수적인 무기를 제작할 때에는 3D 스캐닝 기술이 요구된다.

◇ 한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단의 임무 소개

한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단은 2010년 설립됐다. 국방 연구개발 제도개선, 국방 연구개발 과제화/연구지원, 군에 과학기술 지원 등의 임무를 수행하고 있다.

더불어 안보⸱재난안전기술단 소속 미래국방국가기술전략센터는 2022년 만들어졌다. '국방과학기술 혁신을 위한 국가 연구개발 투자전략 싱크탱크'로 비전을 설정했다.

주요 임무는 △과학기술정보통신부의 국방 연구개발(R&D) 투자정책 수립 지원 △국방적용 가능 민간 R&D 역량 발굴-과제 기획 △국방 R&D 민관군 협력 기반 마련 등이다.

이번에 소개할 기술은 AI·로봇연구소 인공지능연구단 유병현 책임연구원(yoo@kist.re.kr)이 수행한 '무기체계 구성품의 실시간 유지보수 플랫폼을 위한 자동 3D 스캐닝'이다.

◇ 무기체계 구성품의 실시간 유지보수를 위해 자동 3D 스캐닝 기술 개발

▲ 무기체게 구성품의 실시간 유지보수 플랫폼 [출처=한국과학기술연구원]
무기체계의 원활한 운용 유지를 위해 재구매가 어려운 기계부품의 자체 생산을 위한 3D 설계 도면 역설계(reverse engineering)가 필요하다. 특히 구성품의 3D 모델이 없는 경우 작업자에게 3D 스캐닝 작업을 요구한다.

사람의 개입 없이 로봇(Robot)이 스스로 구성품의 3D 형상을 신속히 스캐닝해 작업자의 능력에 대한 의존도를 획기적으로 줄이면서 높은 품질의 스캔 데이터를 자동으로 획득하는 기술을 소개하고자 한다.

무기체계 구성품의 유지보수를 위한 미상의 기계부품 등의 정밀 가공을 위한 3D 설계도면 획득 시 필요한 엔지니어링 관점의 스캐닝 완성도를 고려해 로봇 스스로 형상을 예측하고 최적의 스캐너 시점을 계산하며 신뢰도가 충족될 때까지 자동으로 반복 시행하는 자동 3D 스캔 방법 및 시스템을 개발했다.

◇ 무기체계의 유지보수 대상품은 재구매가 어려워... 역설계가 가능한 수준까지 작업을 반복하는 시스템 개발

무기체계 등 현행 기기의 유지보수 대상품은 재구매가 어렵거나 3D 데이터베이스(DB)가 사전에 구축되지 않아 현품으로부터 3D 프린터블 모델을 확보하는 과정에서 심각한 병목현상이 발생하고 있다.

이러한 경우 구성품의 3D 프린팅 및 자체 생산을 위한 구성품의 3D 모델 확보가 필수적이다. 하지만 모델 확보를 위한 3D 스캐닝은 작업자의 전문성 및 숙련도에 대한 의존도가 매우 크고 숙련도 향상의 어렵다.

따라서 스캐닝 결과를 3D 프린팅에 활용하지 못하는 사례가 자주 발생한다. 실시간 유지보수 병목 해소를 위해서는 3D 프린팅 사전 작업에서 작업자에 대한 의존도를 획기적으로 줄여야 한다.

3D 프린터블 모델을 신속 제작할 수 있는 자동 스캐닝 기술이 필요하지만 아직 개발되지 않았다. 로봇을 활용해 구성품 기계 부품을 스캐닝하고 회차별로 축적된 스캔 데이터에서 역설계에 필요한 단위 객체를 검출했다.

▲ 무기체계 구성품 자동 3D 스캐닝 [출처=한국과학기술연구원]

검출된 객체 정보는 구성품의 전체 형상 추론 및 다음 스캐닝 경로 계획에 활용되며 축적된 스캔 데이터를 실시간으로 평가해 역설계가 가능한 수준의 완성도가 충족될 때까지 작업을 반복하는 시스템을 개발했다.

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