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첨단 로봇에 사용되는 다양한 센서 기술

기사승인 2018.02.22  15:33:49

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[EPNC=양대규 기자] 오늘날 첨단 로봇을 구현하기 위해서는 제어와 통신 IC가 중요한 역할을 한다. 이런 정교한 첨단 로봇을 구현하기 위해서 중요한 역할을 하는 것이 다양한 센싱 기술의 융합이다. 이 글에서는 첨단 로봇을 가능하게 위해서 중요한 역할을 하는 주요 센서 기술들로서 자기 위치 센서, 점유 센서, 동작 센서, 힘·토크 센서, 환경 센서, 전원 관리 센서에 대해서 살펴본다.

자기 위치 센서-로봇 혁명의 숨은 공로자
오늘날 컨슈머 로봇, 서비스 로봇, 소셜 로봇, 산업용 로봇 등에 가장 널리 사용되고 있는 센서 기술이 자기 각도 위치 센서 IC다[그림 1]. 오늘날 컨슈머 로봇, 서비스 로봇, 소셜 로봇의 거의 모든 관절에 2개 이상의 자기 각도 위치 센서가 사용된다. 각기 축으로 동작을 위해서 다시 말해서 관절 회전을 위해서 최소한 하나의 자기 각도 위치 센서가 사용된다. 오늘날 첨단 로봇은 관절이나 팔을 움직이기 위해서 작지만 강력한 브러쉬리스 DC(BLDC) 모터를 사용한다. 모터를 적절하게 구동하기 위해서는 모터 위치 피드백이 필요하다.

[그림 1] 자기 위치 센서와 원형 마그넷

관절 모터 컨트롤러로 모터 정류 피드백을 위해서 자기 각도 위치 센서 IC의 사용이 갈수록 늘어나고 있다[그림 2]. 또한, 로봇 관절의 폐쇄 루프 모터 제어를 위해서는 관절 기어 각도 위치 피드백이 필요하다. 그러므로 로봇 관절을 움직이기 위해 각기 축으로 2개의 각도 위치 센서를 필요로 한다. 그러므로 예를 들어서 로봇 발목으로 피치(Pitch) 축과 롤(Roll) 축으로 축 모션을 필요로 한다면 총 4개의 자기 위치 센서를 사용해야 한다. 그러므로 대부분 로봇들이 얼마나 많은 관절을 필요로 하는지를 생각한다면, 오늘날 첨단 로봇으로 자기 각도 위치 센서가 왜 이렇게 많이 사용되는지 쉽게 이해할 수 있다.

[그림2] 자기 위치 센서를 사용해서 설계된 로봇 팔

그렇다면 왜 자기 각도 위치 센서 IC인가?
ams의 AS5047P와 AS5600L 같은 최신 자기 각도 위치 센서는 기존에 사용되던 위치 센서 기술과 비교해 많은 이점을 제공한다. 새로운 자기 각도 위치 센서 제품들은 높은 분해능과 반복적으로 정밀한 정확도를 제공한다. 또한, CMOS 실리콘으로 제조됨으로써, 광학 인코더나 리졸버 같은 경쟁 위치 센서 기술들과 비교해서 전력, 무게, 공간을 최소화한다. 뿐만 아니라 자기 위치 센서 IC는 극한의 온도나 먼지, 오염이 심한 환경 같은 혹독한 환경에서 동작할 수 있다. 여기에 더해서 ams의 모든 자기 위치 센서 제품은 로봇이 작동하는 환경에서 흔히 발생하는 부유 자기장에 대한 내성이 뛰어나다. 또한, 비접촉 식이고, 저가격대 소셜·완구용 로봇의 서보 모터 어셈블리에 흔히 사용되는 저항식 포텐셔미터 같은 회전하는 기계식 부품이 없으므로 마모를 일으키지 않는다. 이런 근본적인 이점들로 인해서 오늘날 컨슈머 로봇, 서비스·소셜 로봇, 산업용 로봇에까지 자기 각도 위치 센서가 널리 사용되고 있다.

점유 센서
또한, 오늘날 로봇에는 다수의 점유 센서 기술들이 사용된다. 이 정보를 융합하므로써 로봇은 공간을 감지하고 물체를 감지하고 회피하는 것이 가능하다. 오늘날 새로운 컨슈머와 전문적 서비스 로봇에는 2D·3D 비전 스테레오 카메라가 흔히 사용된다. 아울러 오늘날 로봇에는 ToF(Time of Flight) 센서 같은 새로운 첨단 센서 기술들이 도입되고 있다. 이 같은 센서의 일종인 라이다(LIDAR) 센서는 로봇이 작동하고 있는 공간과 주변 환경에 대해서 고분해능 3D 맵핑을 제공한다. 그러므로 주변을 더 잘 돌아다니고 임무를 더 잘 수행할 수 있다[그림 3].

[그림3] 라이다 맵핑

점유 센싱을 위해서는 초음파 센서도 사용된다. 자동차에서 안전성 경고 시스템에 이를 사용하는 것처럼, 로봇에서도 초음파 센서를 사용해 주변의 장애물을 감지하고 로봇이 벽, 물체, 다른 로봇, 사람 같은 장애물에 부딪히지 않도록 할 수 있다. 그럼으로써 로봇이 주어진 임무를 더 잘 수행할 수 있도록 한다. 근거리 내비게이션이나 장애물 회피를 위해서 초음파 센서가 중요한 역할을 함으로써 전반적인 로봇 성능과 안전성을 향상시킬 수 있다.

하지만, 초음파 센서는 거리가 1cm에서부터 수 m까지로 제한적이며, 최대 방위각이 약 30도이다. 비교적 가격대가 저렴하고 가까운 거리에서는 우수한 정확도를 제공하나, 거리와 측정 각도가 늘어날수록 정확도가 떨어진다. 또한, 온도와 압력 변화에 취약하며, 동일 주파수의 초음파 센서를 사용하는 인근의 다른 로봇으로부터 간섭에 취약하다. 그렇기는 하지만 다른 점유 센서들과 결합해서 사용함으로써 유용하고 신뢰할 수 있는 위치 정보를 제공할 수 있다.
우리가 오늘날 하이엔드 컨슈머·서비스 로봇이나 산업용 로봇들에서 목격하고 있듯, 이같은 모든 점유 센서들로부터의 데이터를 융합하면 로봇이 자신의 주변을 공간적으로 더 잘 인식할 수 있으며 자신이나, 사람이나, 주변 환경을 손상시키지 않고 더 섬세한 작업을 수행할 수 있다. 

동작 센서를 사용한 인간-로봇 상호작용
오늘날 극히 정교한 로봇에 동작 센서의 사용이 점점 늘어나고 있다. 동작 센서를 사용함으로써 사용자 인터페이스 명령을 제공할 수 있다. 동작 센서 기술은 광학 센서와 로봇 작업자가 착용할 수 있는 제어 암밴드 센서를 포함한다.
광학 기반 동작 센서를 사용하면 특정한 손 움직임을 인식하고 특정한 동작이나 손 움직임에 따라서 특정한 작업을 수행하도록 로봇을 학습시킬 수 있다. 이러한 동작 센서를 사용하면 가정이나 병원에서 의사소통이 부자유스러운 사람들을 위해서 다양한 것들이 가능하며, 스마트 팩토리에서도 다양하게 활용할 수 있다. 
암밴드 제어 센서를 사용하면 이를 착용한 작업자가 협업 로봇, 산업용 로봇, 의료용 로봇, 군용 로봇과 통신을 하고 제어를 해서 작업자가 자신의 팔을 움직이는 것을 그대로 따라 하는 것으로 특정한 작업을 수행하도록 할 수 있다. 예를 들어, 외과의사가 양쪽 팔에 암밴드 센서를 착용하고 한 쌍의 원격 의료용 로봇 팔을 제어함으로써 지구 반대편에 떨어져 있어도 원격으로 수술을 할 수 있다.

힘·토크 센서
오늘날 첨단 로봇에는 힘·토크 센서도 점점 더 많이 사용된다. 힘·토크 센서는 로봇 말단 장치나 그리퍼뿐만 아니라 몸통, 팔, 다리, 머리 같은 다른 부분에도 사용되고 있다. 힘·토크 센서를 사용함으로써 움직임의 속도를 감지하고, 장애물을 감지하고, 로봇의 중앙 프로세서로 안전성 경고를 제공할 수 있다. 예를 들어, 로봇 팔이 어떤 물체에 부딪힘으로써 힘·토크 센서가 예상하지 못한 갑작스러운 힘을 감지하면 이를 제어하는 안전성 소프트웨어가 팔로 하여금 동작을 멈추고 뒤로 물러나도록 할 수 있다.
힘·토크 센서를 점유 센서, 다른 안전성 모니터링 센서, 환경 센서 등과 결합함으로써 안전 구역 모니터링 기능을 제공할 수 있다.

환경 센서
또한, 산업용과 컨슈머 로봇으로 다양한 환경 센서들이 도입되고 있다. 환경 센서는 공기 중의 휘발성 유기 화합물(VOC)을 감지하는 센서, 온도와 습도 센서, 압력 센서, 조명을 감지할 수 있는 센서 등을 들 수 있다. 이같은 센서를 사용해 로봇이 더 효율적이고 안전하게 작업할 수 있을 뿐만 아니라, 로봇 주변의 사람들에게 안전하지 않은 환경 조건을 알려줄 수 있다.

전원 관리 센서
오늘날 자율 로봇들로는 전원 관리 센서들이 사용되고 있다. 이러한 센서들을 사용함으로써 다음 충전까지 로봇의 동작 시간을 늘릴 수 있으며, 또한 오늘날 자율 로봇에 가장 일반적으로 사용되는 배터리로서 리튬이온 배터리를 충전하거나 소모할 때 과열되지 않도록 할 수 있다[그림 4]. 로봇 관절 모터의 전압 레귤레이션과 전력과 열 관리에도 전원 관리 센서가 사용된다. 마이크로프로세서, 센서, 엑추에이터 같이 모든 로봇 전자 장치들이 효율적이고 적절하게 작동하기 위해서 잡음과 리플이 낮은 전원과 레귤레이션을 필요로 한다.
또한, 로봇 전원 관리를 위한 최신 센서 솔루션들로서, 배터리 방전과 충전을 계산하기 위한 쿨롱 카운터, 전압 레귤레이터의 과열 감시를 위한 센서, 배터리 관리를 위한 전류 센서 등이 사용된다.

[그림4] 전원관리, 자율 로봇의 중요한 요구

이런 혁신적인 새로운 센서 기술들을 도입하고, 이들 센서로부터 데이터를 융합함으로써 오늘날 첨단 로봇을 더 자율적으로 더 안전하게 작동할 수 있다. 컴퓨팅 성능, 소프트웨어, 인공 지능이 빠르게 발전하고 있는 한편, 이런 새로운 센서 기술들을 결합함으로써 첨단 로봇은 더 다양한 영역의 애플리케이션에 사용될 수 있다. 또한, 이전보다 더 정밀하고 섬세하게 작업을 수행할 수 있다. 이를 통해, 더 많은 가정, 기업, 제조 현장에서 로봇을 더 자율적으로, 그러면서도 인간과 더 협업적으로, 더 안전하게 작동할 수 있게 됐다.

글: 마크 제이. 도노반(Mark J. Donovan) AMS AG
자료제공: ams

양대규 기자 yangdae@epnc.co.kr

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