부제: 하드웨어 독립형 제어에서 Physical AI의 실시간 실행까지

Physical AI를 위한 소프트웨어 중심 제어 아키텍처

제조 장비의 제어 시스템은 오랫동안 PLC, 모션 컨트롤러, 로봇 컨트롤러와 같은 전용 하드웨어를 중심으로 구축돼 왔습니다. 각각의 제어기는 정해진 기능을 안정적으로 수행해 왔지만, 장비가 복잡해질수록 제어기와 배선이 늘어나고 기능 확장이나 시스템 변경에 필요한 시간과 비용도 증가합니다.

모벤시스가 제시하는 SDMC(Software-Defined Motion Control)는 하드웨어에 고정돼 있던 모션 제어 기능을 소프트웨어 중심으로 재구성하는 제어 아키텍처입니다.

제어 기능과 특정 하드웨어를 분리하고, 범용 컴퓨팅 환경에서 실시간 모션 제어를 실행함으로써 하나의 소프트웨어 플랫폼에서 다양한 장비와 제어 기능을 목적에 맞게 구성하는 것을 지향합니다.

Hardware-Independent Control

기존 제어 시스템에서는 장비의 기능과 성능이 특정 컨트롤러나 모션보드의 사양에 따라 결정되는 경우가 많았습니다. 제어 기능을 변경하거나 확장하려면 하드웨어를 추가하거나 제어 시스템 자체를 다시 설계해야 했습니다.

SDMC는 실시간 제어 기능을 소프트웨어로 구현해 이러한 하드웨어 종속성을 낮춥니다. 사용자는 특정 제어기에 맞춰 장비를 구성하는 대신, 요구되는 성능과 용도에 적합한 산업용 PC와 네트워크, 서보 시스템을 선택할 수 있습니다.

하드웨어 구성이 달라져도 기존 제어 애플리케이션과 소프트웨어 자산을 폭넓게 재사용할 수 있으며, 필요한 기능은 소프트웨어 모듈과 업데이트를 통해 추가할 수 있습니다. 이는 장비 개발과 변경에 수반되는 부담을 줄이고, 축적된 소프트웨어를 여러 장비에 활용할 수 있게 합니다.

Open and Reusable Control Platform

소프트웨어 중심 제어의 중요한 가치는 제어 기능을 하나의 하드웨어 구성에 고정하지 않는다는 데 있습니다.

범용 프로그래밍 언어와 개방형 인터페이스를 활용하면 기존 자동화 기술은 물론 ROS 2, 디지털 트윈, AI와 같은 소프트웨어 생태계와도 원활하게 연동할 수 있습니다. OT 환경에 요구되는 실시간성과 안정성을 유지하면서 IT 분야의 개발 방식과 확장성을 제조 현장에 접목할 수 있는 접근입니다.

이처럼 소프트웨어 기반 제어 기술이 확산되면서 산업 자동화의 경쟁력도 개별 제어기의 성능을 넘어 소프트웨어의 재사용성, 상호운용성, 배포와 관리의 효율로 넓어지고 있습니다.

WMX as an SDMC Platform

WMX는 모벤시스가 축적해 온 소프트 모션 기술을 바탕으로 범용 PC에서 실시간 모션 제어를 구현하는 소프트웨어 정의 모션 제어 플랫폼입니다.

WMX는 범용 OS 기반 하드 리얼타임 제어 아키텍처(시스템 부하와 관계없이 제어 연산을 정해진 시간 안에 일관되게 완료하도록 보장하는 구조)를 통해 멀티코어 CPU의 일부 자원을 실시간 제어에 할당합니다. 이를 바탕으로 전용 모션보드 없이도 고속·고정밀 제어를 수행하며, 하나의 PC에서 다수의 축과 장비를 동기화해 제어할 수 있는 대규모·다축 동기 모션 프레임워크를 제공합니다.

또한 통신에 최적화된 Soft Master를 기반으로 EtherCAT, CC-Link IE TSN, MECHATROLINK-4 등 서로 다른 산업용 네트워크를 하나의 제어 환경에서 운용할 수 있는 멀티 프로토콜 소프트 마스터 스택을 구성합니다. 제어 모듈과 통신 모듈을 분리한 구조를 적용해 네트워크나 하드웨어 구성이 달라져도 제어 애플리케이션을 재사용할 수 있으며, 복수의 통신 프로토콜을 결합한 하이브리드 네트워크도 구성할 수 있습니다.

API·SDK와 시뮬레이션 도구로 구성된 개방형 플랫폼 계층은 WMX의 확장성을 뒷받침합니다. 장비 제조사는 범용 프로그래밍 언어와 API를 활용해 필요한 제어 기능과 애플리케이션을 개발하고, 실제 장비를 연결하기 전에도 시뮬레이션 환경에서 제어 로직과 인터페이스를 검증할 수 있습니다.

SDMC는 이러한 WMX의 기술적 강점을 더 넓은 관점에서 설명하는 개념입니다. 개별 모션 축의 정밀 제어를 넘어 장비와 로봇의 다양한 움직임을 소프트웨어로 구현하고, 서로 다른 제어 환경을 하나의 흐름으로 연동합니다.

제어 소프트웨어와 하드웨어의 조합을 목적에 맞게 설계할 수 있어 장비 제조사는 축적된 소프트웨어 자산을 다양한 장비에 적용할 수 있습니다. 필요한 기능을 모듈과 라이선스 단위로 구성하고 설치 이후에도 업데이트를 통해 장비의 기능과 성능을 지속적으로 개선할 수 있다는 점은 WMX 기반 SDMC 플랫폼 전략의 중요한 가치입니다.

Real-Time Workload Isolation

PC 기반 제어 환경에서는 모션 제어와 로봇 제어뿐 아니라 비전, AI, 데이터 처리, 사용자 애플리케이션 등 다양한 워크로드가 함께 실행됩니다. 그러나 각 작업에 요구되는 응답 시간과 중요도는 서로 다릅니다. 실시간 제어와 일반 프로세스가 컴퓨팅 자원을 구분 없이 공유하면 시스템 부하가 제어 주기의 일관성과 안정성에 영향을 줄 수 있습니다.

WMX는 실시간 운영체제를 기반으로 멀티코어 CPU의 하나 이상의 코어를 실시간 제어에 할당합니다. 이를 통해 모션 제어 워크로드를 일반 프로세스의 부하와 우선순위 변화로부터 분리하고, 정해진 제어 주기에 따라 결정론적으로 실행할 수 있는 환경을 확보합니다.

이처럼 시간 제약과 중요도가 다른 작업이 공존하는 mixed-criticality 환경에서도 핵심 제어 워크로드는 격리된 실행 자원을 사용하고, 비전과 데이터 분석, AI 등의 비실시간 애플리케이션은 나머지 컴퓨팅 자원을 활용할 수 있습니다.

목적은 단순히 여러 기능을 하나의 PC에 통합하는 데 있지 않습니다. 서로 다른 워크로드를 함께 운용하면서도 실시간 제어에 필요한 실행 환경을 보호하는 데 있습니다. 장비 제조사는 공통 컴퓨팅 플랫폼에서 제어 주기와 성능 요건에 맞춰 자원을 구성하고, 시스템 복잡도를 낮추면서 새로운 기능을 추가할 수 있습니다.

주) Mixed-criticality: 중요도와 실시간 요구 수준이 서로 다른 워크로드가 하나의 시스템에서 함께 실행되는 환경.

Real-Time Execution Layer for Physical AI

Physical AI는 현실의 환경을 인식하고 필요한 움직임을 계획합니다. 그러나 AI가 생성한 명령이나 시뮬레이션에서 검증한 경로가 실제 로봇의 정밀한 동작으로 곧바로 이어지는 것은 아닙니다.

현실의 장비에는 통신 지연, 마찰, 진동, 하중 변화와 같은 다양한 물리적 변수가 존재합니다. 이러한 차이로 인해 시뮬레이션에서 계획한 움직임과 실제 동작 사이에는 Sim-to-Real Gap이 발생할 수 있습니다.

SDMC가 담당하는 핵심 역할 중 하나는 AI와 시뮬레이션이 작동하는 상위 계층을 실제 장비의 실시간 제어 계층과 소프트웨어로 연동하는 것입니다. 계획과 판단을 모션 제어가 실행할 수 있는 명령으로 전달하고, 장비의 상태와 동작 결과를 다시 상위 시스템으로 반환합니다.

WMX R2는 이러한 SDMC의 역할을 로봇과 Physical AI 영역에서 구체화한 솔루션입니다. ROS 2 기반 애플리케이션과 WMX의 실시간 모션 제어 환경을 이어주며, 상위 시스템에서 생성한 작업과 궤적을 결정론적 다축 제어로 실행합니다. 실제 장비에서 수집한 관절 상태와 제어 결과는 다시 ROS 2 생태계로 전달됩니다.

WMX R2는 ROS 2와 WMX를 잇는 인터페이스인 동시에, 계획 계층과 실시간 제어 계층을 분리하면서 하나의 소프트웨어 흐름으로 연동하는 SDMC의 적용 사례입니다.

이러한 양방향 연동을 통해 AI와 시뮬레이션이 계획한 움직임을 현실에서 일관되게 구현하고, 현장에서 수집한 데이터를 다시 상위 시스템의 판단에 반영할 수 있습니다.

SDMC는 WMX R2와 같은 실시간 실행 계층을 통해 AI의 판단을 현실의 정밀한 움직임으로 구현하는 Physical AI의 핵심 제어 인프라입니다.

Toward Software-Defined Manufacturing

AI와 Physical AI의 확산에 따라 제조 환경은 정해진 제어 로직을 실행하는 방식에서 데이터와 소프트웨어, 물리적 장비가 유기적으로 상호작용하는 방향으로 변화하고 있습니다.

SDMC는 실시간 모션 제어와 장비 데이터를 소프트웨어 중심으로 구성해 제어 기능의 재사용성과 시스템 간 상호운용성을 높입니다. AI와 시뮬레이션의 판단을 실제 움직임으로 구현하고, 현장에서 생성된 데이터를 다시 상위 시스템에 반영하는 순환을 뒷받침합니다.

모벤시스는 WMX를 통해 축적해 온 실시간 모션 제어 기술을 바탕으로 SDMC의 역할을 넓혀가고 있습니다.

데이터가 판단으로, 판단이 움직임으로, 움직임의 결과가 다시 데이터로 이어지는 제조 환경. 이것이 모벤시스가 지향하는 Software-Defined Motion Control의 방향입니다.

- 기고자: Hailey, 모벤시스 전략기획