⊙로봇 구동 및 제어

⊙로봇 구동 및 제어

 

로봇의 주요 구동 방식은 두 가지로 구분됩니다. 전기 모터와 유압식 구동입니다. 두 가지 구동 방식의 특징은 무엇일까요? 두가지 방식은 어떻게 다를까요?

 

◌전기 모터

오늘날 많은 최신 로봇은 전기 모터를 사용합니다. 휴머노이드 로봇과 소형 로봇들은 주로 DC 모터로 구동되고, 대부분의 산업용 로봇과 CNC 기계는 3위상 모터로 작동됩니다.  로봇이 팔을 회전하는 것과 같은 동일한 동작을 반복하는 자동화 시스템에는 이러한 모터가 선호됩니다.

 

◌유압식 구동

로봇에 사용되는 첨단 유압식 구동은 인공 근육처럼 동작합니다. 2014년부터 일본의 개발자들은 고무 호스, 장력을 견딜 수 있는 섬유, 보호대로 이루어진 인공 근육을 연구하고 있습니다. 이 시스템은 사람의 근육을 모방한 것으로서, 압축 공기를 사용하는 것이 아니고 유압식으로 움직입니다. 이러한 유압식 근육의 장점은, 더 효율적이며 섬세한 움직임을 할 수 있다는 것입니다. 또 이 시스템은 전기 모터보다 튼튼합니다. 유압식 구동 시스템을 사용한 로봇은 재난 현장의 악조건을 견딜 수 있습니다.

 

◌로봇 제어의 3단계

모든 로봇은 3단계로 제어됩니다. 인지, 처리, 동작입니다. 현재 대부분의 로봇은 사전에 프로그래밍 된 소프트웨어나 학습 알고리즘을 사용해서 제어됩니다. 휴머노이드 로봇이나 코봇 같은 경우에는 센서를 통해서 주변 환경이나 여타 중요 정보들을 인식합니다. 로봇이 이 정보를 처리하고 신호로서 모터에 전달합니다. 이렇게 해서 기계 장치들을 동작하게 만듭니다. 인공 지능(AI)은 로봇이 주어진 환경에서 최적으로 동작하는 방법을 결정하는 또 다른 방법입니다. 인간과 기계의 상호작용 범위 내에서, 제어 시스템을 자율성 수준에 따라서 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

 

•직접 제어

사람이 완벽하게 제어합니다. 사람이 직접 터치를 하거나, 원격 제어를 하거나, 사전에 프로그래밍된 알고리즘을 통해서 로봇을 제어합니다.

 

•감독

사람이 기본 위치와 동작 시퀀스를 지정합니다. 그러면 로봇이 지정된 범위 내에서 모터를 최적으로 작동하는 방법을 결정합니다.

 

•반자율 로봇

이 타입의 시스템은 사람이 대략적인 임무를 지정합니다. 그러면 로봇이 임무를 수행하기 위한 최적의 위치 및 동작 시퀀스를 자율적으로 결정합니다.

 

•자율 로봇

로봇이 자율적으로 작업을 인지하고 스스로 알아서 수행합니다.

 

◌그리퍼(Gripper)

제조 공정에 투입되거나 물건을 옮기기 위한 로봇에는 기계적 말단이 필요합니다. 이러한 말단은 다양한 디자인으로 제공됩니다.

 

•기계식 그리퍼

가장 널리 사용되는 그리퍼 타입으로서, 특히 산업용 로봇에 많이 사용됩니다. 대개 공기압 또는 유압식 구동 시스템을 사용합니다. 소형 그리퍼를 사용하는 소형 로봇은 공기압 구동을 사용해서 합리적인 가격대로 정밀한 움직임을 할 수 있습니다. 유압식 구동 시스템은 무거운 하중을 옮겨야 할 때 사용됩니다.

 

•마그네틱 그리퍼

마그네틱 그리퍼는 영구 자석 그리퍼와 전자기 그리퍼로 구분됩니다. 좀더 간단한 영구 자석 그리퍼는 영구 자석에 의해서 쥐는 힘이 주어집니다. 쥔 물체를 놓는 것은 영구 자석 그리퍼 안에 설치된 피스톤을 사용해서 이루어집니다. 전자기 그리퍼는 직류를 인가하여 필요한 자기장을 제공합니다. 전기 에너지를 켜고 끄는 것으로 물체를 들어올리기도 하고 내려놓기도 합니다.

 

•접착식 그리퍼

접착식 그리퍼를 사용해서는 캔이나 박스 같은 작은 물체를 들어올립니다. 접착력은 서로 다른 또는 동일한 물질로 이루어진 두 표면 사이에 분자력으로 인한 끌어당기는 힘입니다. 이러한 물질은 고체이거나 액체 상태일 수 있습니다. 로봇 그리퍼가 액체의 점착력이나 특수한 접착제을 사용해서 물건을 옮깁니다.

 

•진공 그리퍼

진공 그리퍼는 무거운 하중을 들어올릴 수 있습니다. 주변 공기의 여분의 압력을 사용해서 물체를 그리퍼 흡착판에 압착 시킵니다. 원자재나 자동차 창문 같은 무거운 물체를 흡착판에 진공 상태로 고정시킬 수 있습니다. 이러한 물체는 표면이 매끄러워야만 흡착판에 흡착시킬 수 있습니다.

 

•휴머노이드 손

휴머노이드 손은 기존 그리퍼들과 비교해서 훨씬 더 섬세한 동작을 할 수 있습니다. 상파울루 대학에서 연구하고 있는 Kanguera 프로젝트가 한 예입니다. 이 로봇 손은 형태와 크기가 사람 손과 비슷합니다. 케이블과 트랜스포머를 통해서 신호를 전송하며, 이전의 로봇 손보다 훨씬 더 정밀한 동작을 할 수 있습니다.

 

•센서

센서를 통합한 로봇은 물리적, 화학적으로 주변을 인식하고 이를 펄스로 변환합니다. 그럼으로써 예를 들어서 어디에 어떤 물체가 있는지를 식별할 수 있습니다. 또한 로봇은 센서를 사용해서 온도, 동작, 압력, 빛, 습도, 등 중요한 환경 요인을 감지할 수 있습니다. 내부 센서는 속도나 하중 등의 정보를 제공하며, 외부 센서는 상호작용이나 내비게이션에 사용될 수 있습니다. 이제 주요 센서 유형을 살펴보겠습니다.

 

힘/토크 센서

인덕티브 센서

커패시티브 센서

자기 센서

촉각 센서

광학 센서

 

 

◌이동 방법

로봇이 A 지점에서 B 지점으로 이동하기 위해서 사용할 수 있는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 가장 일반적인 방법은 바퀴를 사용하는 것입니다. 바퀴는 제어하기 쉽고 에너지 효율적으로 이동합니다. 하지만 거친 지형이거나 로봇이 한정된 공간 안에서 움직여야 하는 경우처럼 때에 따라서는 다른 이동 방법이 더 적합할 수 있습니다. 이러한 경우에 로봇을 자율적으로 이동하도록 하는 것은 어려운 과제입니다. 로봇 스스로 주어진 상황과 환경에서 어떻게 움직이는 것이 가장 적합한지를 판단할 수 있어야 합니다.

 

•롤링 로봇

가장 일반적인 방법은 4개의 바퀴로 이동하는 것입니다. 그러나 1개 혹은 2개의 바퀴를 사용하여 로봇의 이동성을 높이고 부품을 줄일 수도 있습니다. 전지형(all-terrain) 로봇은 6개 혹은 그 이상의 바퀴를 사용합니다.

 

•레일 탑재 로봇

축산업에서 사용되는 사료 급식 로봇이 이러한 유형의 예입니다. 사료 컨테이너, 혼합 장치, 계량 장치를 레일에 매달고 수평으로 이동합니다. 전원은 배터리, 길게 뻗은 케이블, 또는 공급 레일을 통해서 공급됩니다. 로봇 제어는 컨테이너에 설치된 프로세스 컴퓨터에 의해서 이루어집니다. 정해진 저장소나 혼합 컨테이너에 가서 사료를 보충합니다.

 

•워킹 로봇

두 다리로 직립 보행을 하는 로봇은 개발자들에게 여전히 어려운 과제입니다. 특히 안정성 관련해서 그렇습니다. 이에 대한 해결책으로 Honda는 ZMP(Zero Moment Point) 알고리즘을 개발했습니다. ASIMO 로봇이 이 알고리즘을 사용해서 두 다리로 이동합니다. 하지만 이 로봇은 평평한 표면에서만 잘 이동합니다. 이 로봇은 거친 지형에서 움직이기에는 적합하지 않습니다. 이보다 좀더 진화된 기법은 동적 보정 알고리즘을 사용하는 것입니다. 이 기술은 ZMP보다 좀더 견고합니다. 로봇의 움직임을 지속적으로 모니터링하고 발을 놓는 것을 안정적으로 할 수 있기 때문입니다. 이 기술을 사용하는 로봇은 점프도 할 수 있습니다. 또 다른 방법은 수동 역학을 사용하는 것입니다. 이 방법은 팔을 흔들 때의 힘을 사용해서 효율을 높일 수 있습니다. 이 기술을 사용한 로봇은 언덕을 올라갈 수 있으며 ZMP 기술을 사용한 로봇보다 10배 더 효율적으로 이동할 수 있다고 합니다. 현재로서 이동이나 균형과 관련해서 가장 인상적인 사례는 Boston Dynamics일 것입니다. 최신 버전의 워킹 로봇 Atlas는 놀라운 점프와 뒤로 공중 돌기를 할 수 있습니다.

 

•플라잉 로봇

플라잉 로봇이라고 하면 드론이 가장 먼저 떠오릅니다. 오늘날 드론은 민간용이나 군용으로 큰 인기를 끌고 있습니다. 하지만 또 다른 흥미로운 연구들이 진행되고 있습니다. EU의 프로젝트인 ARCAS(Aerial Robotics Cooperative Assembly System)에서, 독일 항공우주센터의 연구원들은 자율 헬리콥터에 로봇 그리퍼 팔을 장착했습니다. 이 로봇을 사용해서 파이프라인을 검사하고 수리할 수 있습니다. 또 다른 가능한 활용 분야는 위성, 산업용 플랜트, 또는 다른 행성의 구조물을 유지 보수하는 것입니다. 2013년에 하버드 대학의 연구원들은 로봇 벌을 개발했습니다. 이 로봇 벌들은 날수 있고 물속으로 다이빙할 수 있습니다. 언젠가는 이 작은 로봇들이 멸종 위기를 맞고 있는 벌들을 대신해서 꽃가루를 수분하는 날이 올지도 모릅니다.

 

•자율 로봇의 내비게이션

이동 로봇은 내비게이션 하드웨어와 소프트웨어를 탑재하여 주변을 인지하고, 최적의 경로로 이동하고, 사람이나 이동 물체 같은 동적 변화에 대처합니다. 대부분의 경우에 GPS 내비게이션 장치, 레이더 센서, 라이다 기술과 카메라까지 결합하여, 로봇은 주변 환경을 탐색하고 안전하게 이동할 수 있습니다.