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5G 기술이 가져올 로봇공학의 혁신
양대규 기자 | 승인 2018.11.21 08:42

[EPNC=양대규 기자] 5세대(5G) 무선 통신 기술이 로봇공학 관련 기술에 일대 변혁을 가져올 전망이다. 국제 표준화기구인 국제전기통신연합(ITU)에 의해 ‘IMT-2020’으로 알려진 이 표준은 경계를 넓혀 셀룰러 네트워크 구축 방식을 비롯해 네트워크에 연결하는 키트, 동작 주파수와 이들이 활용되는 목적 등에 변화와 혁신을 불러일으키고 있다.

정교한 모바일 머신을 무선으로 제어할 수 있게 되고, 로봇이 물리적인 선에 묶이지 않고 클라우드의 방대한 컴퓨팅 성능과 스토리지를 이용할 수 있게 됨에 따라, 로봇공학은 5G의 큰 수혜자가 될 것이다. 전 세계 거의 어디서든 미래의 로봇을 실시간으로 정교하게 제어하는 일이 가능해진 것이다.

이제 5G가 약속하는 전체 산업의 대변혁과 더불어 로봇의 기능이 비약적으로 도약할 수 있게 된 이 시기에, 우리는 ‘로봇’이 무엇인지 다시 정의할 필요가 있다. 예를 들어 완전한 자율주행 차량은 수많은 센서로부터 획득한 입력 정보를 사용해 인간보다 더 빠르고 정교하게 결정을 내리는 것을 목표로 하는 로봇이라고 정의할 수 있을 것이다. 무인 차량은 또 다른 예이다.

로봇의 새로운 가능성

대부분의 현대적인 생산 시설은 이미 로봇을 광범위하게 이용하고 있으며 특히 자동차 산업에서 이런 모습이 뚜렷하게 나타난다. 의료 부문도 로봇 사용이 증가하고 있는 분야로서, 로봇과 5G 통신의 결합이 어떻게 삶을 바꿀 수 있는지 보여주는 좋은 예이다.

병원에서는 5G 로봇을 장비와 여러 물품을 운반하는데 사용할 뿐 아니라, 이른바 ‘원격수술’이라고 하는 작업에도 활용할 것이다. 앞으로는 외과의사가 완전히 다른 곳에서 제어하는 로봇이 일상적으로 수술을 시행하는 장면을 볼 수 있을 것이다.

원격수술은 더 이상 공상과학 소설과 같은 이야기가 아니다. 이미 현실인 것이다. 2001년, 제크 마레스코(Jacques Marescaux)는 원격으로 환자의 담낭을 제거함으로써 매우 먼 거리에서(이 경우 미국 뉴욕에서 프랑스 스트라스부르까지) 원격수술이 가능하다는 것을 보여줬다. 5G 통신 기능으로, 향후에는 이런 유형의 수술을 흔히 보게 될 수 있다.

한발 더 나가 클라우드와 가상 현실 같은 기술의 힘을 사용하면 멀리 떨어진 외과의사가 환자의 가상 3D 모델에 거의 실시간으로 접근할 수 있다. 외과 의사가 이런 가상 모델에 수술을 시행하면 로봇이 다른 곳에서 환자에게 실제 수술을 실시한다.

완전한 원격수술을 보게 되기까지는 앞으로 최소한 10여 년은 더 기다려야 할 테지만 5G와 로봇 기술이 성숙하면서 원격 수술이 크게 발전할 가능성이 크다.

로봇공학 애플리케이션의 걸림돌

이런 유형의 정교한 이용에 필요한 로봇과 이 모든 것을 가능하게 하는 주변 생태계는 아직은 비교적 새로운 기술들이지만, 이런 애플리케이션의 활성화를 가로막는 것이 있다. 현재의 4G 네트워크는 로봇공학 애플리케이션에 필수적인 거의 즉각적인 응답 시간을 제공하지 못한다. 로봇공학의 잠재적 가능성을 실현하려면 지연(명령을 보내고 오류 없는 실행 확인을 수신할 때까지의 시간)을 전례 없는 수준으로 줄여야 한다.

4G LTE 셀룰러 네트워크에서 왕복 지연은 통상 약 50ms이다. 하지만 앞서 언급한 로봇 애플리케이션 같은 경우에는 왕복 지연이 1ms 미만이 돼야 한다. 5G 표준은 이런 문제를 인식하고, 이를 달성하는 것을 주요 기술적 과제로 삼고 있다.

이런 지연에는 이유가 있다. 진공 상태에서 빛과 전파의 속도는 299,792,458m/s이다. 지구는 진공이 아니므로 이 속도는 지구의 대기에서 약 90km/s로 떨어진다. 광섬유와 같은 통신 링크와 신호가 통과해야 하는 다양한 전기적 연결은 이 속도를 더욱 떨어뜨린다.

5G는 1ms 미만의 지연을 달성하기 위해 네트워크에서 두 지점 간의 물리적 거리를 최소화하려고 한다. 이는 곧 전 세계 클라우드 데이터센터 풋프린트의 엄청난 증가를 뜻한다. 데이터센터를 데이터가 만들어지는 곳에 더 가깝게 둠으로써 데이터가 이동해야 할 거리를 감소시키려는 목적이다. 이런 데이터센터 증대 시도와 함께 1Gbps 이상의 데이터 속도와 지금보다 훨씬 높은 셀룰러 주파수 기술을 활용한다면 1~100km 사이의 거리에서 1ms 미만의 지연을 제공할 수 있게 도와줄 것이다.

현재 이런 높은 셀룰러 주파수는 많이 활용되고 있지는 않지만, 설계자가 밀리미터 파장의 무선 트랜시버를 개발하는데 사용할 수 있는 많은 부품이 있다. 아나로그디바이스(Analog Devices)의 HMC341 저잡음 RF 증폭기는 이런 부품의 하나로 24~30GHz를 지원한다.

이와 함께 서로 다른 구성요소 간에 매우 정밀한 허용오차를 갖는 마이크로파 동축 케이블링이 필요하다. 몰렉스(Molex)는 이런 용도를 위해 설계되고 5G의 고주파수 범위에서 동작할 수 있는 SMA 유형을 포함해 다양한 종류의 적합한 케이블과 커넥터를 생산하고 있다.

탈바꿈하는 공장의 모습

미래의 공장에서 우리는 점점 더 많은 로봇이 인간과 나란히 작업하는 것을 보게 될 것이다. 이로 인해 생산성이 크게 증가할 뿐 아니라 제품의 품질과 안전도 향상될 것으로 예상된다.

이런 혜택을 실현하기 위해서는 1ms 이하 지연이 필수적이며, 이는 미래의 제조업이 5G 통신과 클라우드에 크게 의존하게 될 또 다른 영역이라는 것을 의미한다. 5G 통신 덕분에 로봇이 방대한 양의 데이터를 공장의 다른 제어 시스템과 작업자들과 빠르게 교환할 수 있게 됨으로써 전체 '생산 현장'의 경험은 완전히 달라질 것이다. 5G가 지원되는 웨어러블, 증강 현실, 기타 관련 기술 또한 이런 변화에 기여할 것이다.

여러 로봇이 가까이에서 함께 작동하고 무선으로 통신한다면 간섭이 문제가 될 수 있다. 설계자는 여러 개의 인덕터(초크)와 필터를 사용해 저주파 간섭을 주의 깊게 제어할 필요가 있다. KEMET NEC-Tokin은 인덕터와 필터를 모두 제공하고 있다.

지연을 최소로 유지하기 위해서는 에지 컴퓨팅(Edge Computing)도 중요하다. 에지 컴퓨팅은 클라우드 데이터 센터보다 데이터 소스에 더 가까운 네트워크 ‘에지’에서 데이터 처리를 수행함으로써 데이터 전송 거리를 최소화한다.

마지막으로, 로봇이 물리적으로 다른 장비와 선으로 연결되지는 않지만 정교화 수준은 매우 높아지는 만큼 어느 때보다 많은 내부 케이블링과 커넥터가 필요할 것이다. 또한 로봇이 열악한 환경에서 동작한다는 것을 고려할 때 이런 부품들은 긴 동작 수명을 제공할 수 있도록 내구성이 높아야 할 것이다. 몰렉스의 M12와 M8 타입 디바이스용 브래드(Brad) 코드세트는 이를 위한 이상적인 제품으로 열, 화학물질, 기타 열악한 환경 조건에 강한 내성을 나타낸다.

농업 로봇

5G 통신과 글로벌 내비게이션, 위성 시스템의 사용으로 미래의 로봇은 어디에도 얽매이지 않고 현재로서는 할 수 없는 일들을 하게 될 것이다. 농업을 예로 들면, 로봇은 농작물이 심어진 밭을 이동하면서 작물의 생장 상태를 모니터링해 농업 경영을 향상시킨다. 로봇은 거의 실시간으로 비디오 이미지와 다른 정보를 중앙 통제 시스템에 보낸 다음 가지치기, 분무 또는 농작물 수확과 같은 여러 가지 일을 수행할 수 있다. 예를 들어 FF로보틱스(FFRobotics)의 과일 수확 로봇은 로봇 제어와 이미지 프로세싱 알고리즘을 사용해 수확할 때가 되고 판매할 만한 충분한 품질을 갖춘 과일을 식별한다.

그 밖에 HTPP(High-throughput Plant Phenotyping) 기술은 로봇, 센서, 유전공학을 결합해 더 우수한 영양성분을 갖거나 다양한 환경 조건에 내성이 강한 새로운 작물 종자를 개발할 수 있다. 로봇은 다양한 특성을 측정해 멀리 떨어져 있는 과학자에게 데이터를 보낸다.

파종을 포함해 농업의 다른 분야를 담당할 로봇에 대한 개발도 진행 중이다. 세계 인구가 지속적으로 증가함에 따라 로봇은 지속 가능한 식량 공급을 가능하게 하고 유지하는 데 중요한 역할을 담당할 수 있다.

로봇공학의 장밋빛 미래

5G가 로봇공학을 하루아침에 혁신하지는 못할 것이다. 앞서 살펴본 애플리케이션을 제공하는데 필요한 기술들은 대부분 아직 초기 단계에 머물러 있으며, 완전한 잠재력을 실현하려면 지속적인 혁신이 필요하다. 그러나 이들 기술은 빠르게 발전하고 있다.

5G는 최초로 로봇공학에서 선도적인 사용을 실현할 수 있는 새로운 통신 시대를 알리고 있다. 이를 가능하게 하고, 많은 로봇이 서로 간섭하지 않으면서 가까이에서 작업할 수 있게 하려면, 기술을 사용하는 영역과 방식의 경계를 끊임없이 넓혀 나가야 한다. 무엇보다 중요한 점으로, 지연을 사실상 거의 없는 수준까지 감소시켜야 한다.

이제 로봇공학에 참여하는 모든 사람의 앞에 진정으로 흥미진진하고 도전에 가득한 시대가 펼쳐지고 있다.

글: 루디 라모스(Rudy Ramos)

자료제공: 마우저 일렉트로닉스

#마우저 일렉트로닉스#5G#로봇공학#

양대규 기자  yangdae@epnc.co.kr

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