새롭게 등장한 센서 기술들은 차세대 산업용 로봇과 컨슈머 로봇의 발전에 있어서 핵심적인 역할을 하고 있다. 다양한 형태의 혁신적인 센서 기술에 첨단 프로세서 기술과 인공 지능 같은 소프트웨어 지능이 결합된 덕분에 산업용 로봇 및 컨슈머 로봇은 이전보다 훨씬 더 유용하고 섬세한 작업을 할 수 있게 됐다.
예를 들어 새로운 센서 기술을 적용한 로봇은 자신의 주변을 훨씬 더 정확하게 감지하고 작업을 수행하며 사람이나 장애물을 피할 수 있게 됐다. 마찬가지로 새로운 힘 센서와 촉각 센서를 적용함으로써 로봇의 촉감(touch and feel)을 향상시키고 보다 정밀한 작업을 수행하고 더 안전하게 동작할 수 있게 됐다.
애플리케이션에 따라 서로 다른 로봇의 유형에 맞게 탑재할 수 있을 만큼 센서의 형태는 다양해지고 있지만 오늘날 산업용 및 컨슈머 로봇에 사용되고 있는 센서 기술은 기본적으로 4가지 센서 기술로 구분할 수 있다.
◇ 로봇 관절 모터에 널리 사용되는 자기 회전 위치 센서
모든 로봇에 필수적으로 사용되는 기능은 전기기계식 관절(electro-mechanical joint)이다. 필요한 관절 수는 로봇 유형에 따라 다를 수 있지만 거의 모든 로봇은 최소한 한 개 이상, 대부분은 여러개의 관절을 포함한다.
예를 들어 협동 로봇(collaborative rotot)은 2개의 팔·팔꿈치와 허리 관절을 포함하며 휴머노이드 로봇이나 이족보행 로봇은 허리, 팔꿈치, 발목, 무릎, 머리, 엉덩이 관절을 갖고 있다. 이들 각각의 관절에는 모터가 사용되며 이 모터는 프로세서로 제어한다.
또 모터와 부속적인 사지를 정밀하게 움직이기 위한 소프트웨어 지능과 모터 위치 및 관절 위치 피드백을 제공하기 위한 자기 회전 위치 센서(magnetic rotary position sensor)가 필요하다.
자기 회전 위치 센서로는 크기와 전력 소비가 작고 가격대가 저렴하며 정확도가 우수하고 혹독한 환경에서도 동작할 수 있다는 장점 때문에 널리 사용되며 모터 위치 피드백 센서가 주로 이용된다.
그 결과 모터제어 피드백용 자기 회전 위치 센서는 크기가 더 크고 가격대가 비싼 리졸버 및 광학적 인코더 솔루션과 여러 개의 디스크리트로 이뤄진 홀 및 저항 센서 솔루션을 빠르게 대체하고 있다.
자기 회전 위치 센서는 정확도가 높고 풋프린트가 작아 로봇이 사지와 관절의 민첩성, 섬세함, 정밀성을 훨씬 더 향상시킬 수 있다. 따라서 로봇이 물체를 집어 올리거나 보다 섬세한 작업을 수행할 때 움직임과 조정성을 향상시킨다.
또 이와 같이 사지와 관절의 움직임을 향상시킴으로써 새로운 컨슈머 로봇이나 소셜 로봇의 외관이나 동작을 사람과 보다 가깝게 할 수 있다. 이는 사람들이 가정이나 직장에서 이러한 로봇들을 대할 때 가질 수 있는 거부감을 줄이는 데 도움이 된다.
더불어 자기 회전 위치 센서는 가격적 경제성이 우수하고 전류 요구량이 낮으므로 전반적인 로봇의 BOM 비용과 전력 요구량을 상당히 낮출 수 있다. 뿐만 아니라 풋프린트가 작고 혹독한 환경에서도 동작할 수 있으므로 로봇을 소형화 및 경량화할 수 있으며 혹독한 조건에서 보다 민첩하게 동작할 수 있다.
특히 ams의 자기 회전 위치 센서는 부유 자기장에 대한 내성이 뛰어나므로 자기적으로 잡음이 심한 환경에서도 로봇의 신뢰성과 안전성을 향상시킨다. 이는 산업용 로봇 애플리케이션에서 중요하게 요구되는 사항이다.
◇ 차세대 로봇에서 중요한 역할을 하는 공간 센서 기술
공간 센싱(spatial sensing)은 로봇의 중요한 기능이며 이 중에서도 특히 비전 센싱이 중요한 기능으로 꼽힌다. 비전 센싱과 고성능 카메라를 함께 사용함으로써 로봇은 내비게이션, 장애물회피, 사물식별을 할 수 있다. 새로운 2D 및 3D 비전 센싱 기술은 로봇이 보다 안전하고 신뢰성 있게 동작하고 궁극적으로 보다 생산적으로 동작할 수 있게 한다.
오늘날의 첨단 CMOS 이미지 센서 기술 또한 첨단 로봇 비전 센싱을 달성하는데 있어서 중요한 역할을 하고 있다. 첨단 CMOS 이미지 센서 기술 덕택에 높은 동적 범위와 분해능, 왜곡되지 않은 이미지가 가능하게 됐다.
특히 ams의 CMOS 이미지 센서 제품은 열악한 빛 조건에서도 높은 분해능과 높은 동적 범위를 달성하며 최대 8K의 프레임 속도를 지원한다.
2D 카메라는 산업용 로봇 분야에서 수년 전부터 사용돼 왔으며 가격대가 비교적 저렴하므로 새롭게 태동하고 있는 컨슈머 로봇 분야에도 많이 사용되고 있다. 예컨대 2D 비전 시스템은 산업용 로봇에 널리 사용되는데 콘베이어 벨트상의 물체를 검출하거나 로봇의 시야 범위 내에 사람이나 여타 물체의 존재나 움직임을 감지하는 기능 등이 대표적이다. 마찬가지로 컨슈머 로봇 분야에서도 같은 기능들에 이들 2D 비전 시스템이 사용되고 있다.
새로운 광학 3D 로봇 비전 스테레오 센서 기술 역시 산업용 로봇과 컨슈머 로봇에 점점 더 많이 사용되고 있다. 이 센서 기술은 로봇의 주변에 대한 3차원 지도를 제공하며 로봇이 3차원 공간으로 더 정확하고도 안전하게 움직이고 동작하며 작업을 수행할 수 있도록 한다. 이 기술은 2D 비전 시스템과 마찬가지로 고정형 애플리케이션이나 로봇의 팔 끝과 같은 이동형 애플리케이션에 사용할 수 있다.
3D 스테레오 센서는 라이더(LIDAR) 같은 레이저 스캐너를 사용하거나 2개의 전통적인 2D 비디오 카메라를 서로 다른 각도로 배치함으로써 구현할 수 있다. 후자의 3D 스테레오 센서 기술이 앞으로 더 유망할 것으로 전망되는데, 비용면에서 레이저 기술보다 저렴하기 때문이다.
초음파 센서 역시 로봇의 공간 인식에 널리 사용되고 있다. 특히 근거리 내비게이션과 장애물 회피에 많이 사용되며 전반적인 로봇의 성능과 안전성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어 로봇 진공 청소기 같은 이동형 로봇에서는 벽이나 사람 같은 장애물에 부딪히지 않도록 하고 가구를 손상시키거나 사람에게 상해를 입히지 않도록 하는 데 사용된다. 초음파 센서는 거리가 통상적으로 1센치(cm)부터 수 미터까지로 제한적이며 최대 원뿔 각도가 약 30°다.
비교적 가격대가 저렴하고 가까운 거리에서는 정확도가 우수하다. 하지만 거리와 측정 각도가 늘어날수록 정확도는 떨어진다. 또 온도와 압력 변동에 취약하며 동일한 주파수를 사용하는 초음파 센서를 포함하는 인근의 다른 로봇으로부터의 간섭에 영향을 받게 된다.
자기위치 센서 역시 로봇의 공간 인식과 비전 센싱 시스템의 발전에 있어서 중요한 역할을 하고 있다. 자기위치 센서는 줌 기능이나 이미지 안정화를 위해서 극히 정밀한 카메라 제어를 가능하게 한다. 이는 로봇 비전 애플리케이션의 중요한 요구사항이다.
◇ 힘·토크, 압력, 촉각 센싱
힘·토크, 압력, 촉각 센서는 로봇이 촉감(touch and feel) 센싱을 할 수 있게 한다. 로봇에게는 정밀한 관절 및 사지 모터 제어와 비전 센싱도 중요하지만 얼마만큼의 직접적인 힘이나 회전 토크가 물체에 가해지고 있는지 등을 로봇의 관절이나 말단 기관이 감지할 수 있는 능력 역시도 중요하다.
로봇의 관절, 사지, 말단으로 가해지는 압력, 힘, 토크의 양을 정확하게 측정함으로써 로봇이 집어들거나 터치하는 물체가 손상되거나 상해를 입지 않도록 하는 능력이 크게 향상된다. 이와 같은 촉감 센싱 기술을 사용하지 않는다면 로봇의 생산성과 안전성은 떨어질 것이다.
전원 관리 센서
자율 로봇이나 드론 같은 경우에는 온보드 배터리로 구동되므로 전원 관리가 특히 중요하다. 자율 로봇을 작동할 때도 전원 관리가 중요하지만 배터리를 재충전할 때도 전원 관리가 중요하다. 자율 로봇과 드론에 주로 사용되는 배터리 기술은 리튬이온 배터리인데 리튬이온 배터리로부터 인출하거나 리튬이온 배터리로 전송하는 쿨롱 비율에 대해서 특히 주의를 기울여야 한다.
충전 양이 과도하면 리튬이온 배터리로 열 폭주가 발생해 폭발을 일으킬 수 있다. 따라서 리튬이온 배터리 에너지 및 열 관리를 위해서는 정확한 쿨롱 카운팅 및 온도 센싱이 중요하게 요구된다.
전원 관리는 비자율형 로봇에서도 역시 중요한 기능이다. 특히 전압 레귤레이션과 로봇 관절 모터의 전원 및 열 관리가 중요하다. 마이크로프로세서, 센서, 엑추에이터를 비롯한 모든 온보드 로봇 전자장치가 효율적이고 적절하게 동작하기 위해서 잡음 리플이 낮은 전원장치와 레귤레이션이 요구된다.
로봇 전원 관리를 위한 최신 센서 솔루션으로는 배터리 방전 및 충전에 관련된 쿨롱 카운팅, 전압 레귤레이터에 대한 정밀하고도 신뢰할 수 있는 과열 감시 센서, 배터리 관리용 전류 센서 등이 포함된다.
◇ 차세대 로봇에 채택되고 있는 그밖에 다른 센서 기술
오늘날 차세대 로봇에 채택되고 있는 이러한 4개 센서 기술 외에도 로봇 타입에 따라서 다양한 많은 센서 솔루션들이 사용되고 있다. 산업용, 제조, 광산, 농업, 보안 로봇 분야에 사용되고 있는 환경 센서가 대표적인 예다.
이러한 센서들로는 공기 상태 및 온도 센서, 습도 및 기압 센서, 낙뢰 검출 센서 등이 포함된다. 이와 유사하게 컨슈머 로봇 분야에서는 동작 인식 센서와 주변 빛 센서를 사용해 HMI(human-machine interface)를 향상시키고 있다.
요컨대 더 높은 정확도, 소형화된 풋프린트, 저전력, 저비용을 특징으로 하는 새로운 센서 기술들이 등장함으로써 합리적인 가격대에 보다 유용하면서 생산성 뛰어난 로봇이 가능하게 됐다. 첨단 프로세서, 지능형 소프트웨어와 더불어 로봇 센서 기술이 최근 큰 관심을 얻고 있는 로봇 시장을 더욱 더 뜨겁게 가열하고 있다.
글 : 마크 J. 도노반(Mark Donovan) ams 위치센서 사업부 시니어 마케팅 매니저
자료제공 :ams (www.ams.com)
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