죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

반도체네트워크의 다양한 최신 기능을 사용하려면 이를 완전히 지원하는 최신 브라우저로 업그레이드 하셔야 합니다.
아래의 링크에서 브라우저를 업그레이드 하시기 바랍니다.

Internet Explorer 다운로드 | Chrome 다운로드

로봇의 동작을 사람처럼 자연스럽게 만들기 위한 고성능 센서 기술


PDF 다운로드



글/마크 패트릭(Mark Patrick), 마우저 일렉트로닉스


한 때 ‘로봇 춤’이 유행했던 적이 있다. 로봇이나 공상과학 영화의 인조인간처럼 동작을 딱딱 끊어 일부러 부자연스러워 보이도록 관절을 움직여 추는 춤을 로봇 춤이라고 한다. 로봇의 움직임을 이렇게 인식하는 것은 불완전한 제어 시스템에서 비롯한다. 피드백이 정밀도가 부족하기 때문에 정해진 위치나 최종 위치에 도달할 때 동작이 딱딱 끊어지는 것이다. 하지만 이제는 달라지고 있다. 실제로 공장 로봇은 조립 라인이나 물류 창고에서 사람보다도 더 물 흐르듯 매끄럽게 동작하는 것을 볼 수 있다. 마찬가지로 외과 수술이나 과학자들이 사용하는 정교한 로봇 툴은 정밀함이 적어도 사람과 같은 수준에 도달하지 못했다면 오늘날처럼 쓰이지 못했을 것이다.
공장에서 사용되는 로봇 팔이든 운반 로봇이든, 아니면 공상과학 영화에서 보는 것처럼 팔과 다리와 얼굴이 있는 사람 모습의 로봇이든, 자연스러운 움직임과 포지셔닝 정확도를 제공하기 위해서는 제어 피드백 루프의 정밀도가 요구된다. 이 정밀도는 기울기, 회전, 가속도, 충격, 진동, 근접 거리를 감지하기 위한 센서 네트워크에 의해서 결정된다. 오늘날에는 MEMS(micro-electro-mechanical system) 기술을 기반으로 하는 보다 진화한 센서들이 등장함으로써 이 모든 요구 조건들을 충족하는 솔루션을 제공한다.

가속도계를 사용한 기울기 측정

기울기는 지구의 자전축처럼 어떤 기준 면 또는 축에 대한 각도이다. 로봇의 경우에는 기울기를 사용해서 로봇 팔의 위치를 계산할 수 있다. 이것은 2개 축으로 된 면에 회전 측정을 더해서 필요한 세 번째 축 위치 정보를 제공하거나, 또는 완전 3축 측정으로 구현할 수 있다.
예를 들어, 로봇이 팔 끝을 특정한 X-Y 좌표로 움직이도록 명령하기 위해서 로봇 팔 관절에서 기울기 각도를 직접 측정해야 한다면, 복잡한 역 운동학(inverse kinematics) 공식을 사용해서 이 위치로 움직이기 위해서 관절 모터를 어떻게 구동할지 필요한 신호를 계산해야 한다. 가속도계는 이처럼 복잡한 기울기 측정에 대한 대안을 제시한다. 가속도계를 사용하면 중력으로 인해서 가속도 방향이 달라지는 것을 계산할 수 있다. 실생활에서 이것을 흔히 경험할 수 있는 사례가 있다. MEMS 센서를 내장한 스마트폰을 회전시키면 화면 방향이 바뀌는 것이 그러한 예이다. 이 방법은, 로봇 팔에 중력으로 인한 정지 가속도(다시 말해서 ±1g 이내)만 가해지고, 움직이는 로봇 팔이 다른 물체에 부딪혀서 갑자기 멈추는 것과 같은 충격이 발생하지 않는 경우에 사용하기 효과적이다.
간단한 2차원 기울기 검출을 위해 2축 가속도계를 사용하면 ‘피치(pitch)’와 ‘롤(roll)을 검출할 수 있다. 하지만 이 방법은 X-Y 동작면이 지표면과 평행인, 다시 말해 중력과 직각인 애플리케이션에만 적용될 수 있다. 그렇지 않은 애플리케이션에서는 기울기 측정 감도가 떨어질 것이다.
아나로그디바이스(ADI)의 ADXL345 같은 3축 가속도계 제품은 이러한 문제를 극복하고 완벽한 3차원 기울기 검출 솔루션을 제공한다. 이 제품은 ±2g, ±4g, ±8g, ±16g의 분해능을 제공하는데, 기울기 검출을 위해서는 ±2g 범위의 제품을 사용할 것을 권장한다. 중력이 ±1g(이 제품의 13bit 범위의 절반)이라, 기울기 가속도를 측정할 때 최대의 정확도를 제공하기 때문이다.

AR(로봇)-1.jpg

[그림 1] 로봇 팔 위치 제어를 위한 기울기 각도 계산

자이로스코프를 사용한 회전 측정

회전 또는 각 운동은 로봇 팔이나 드릴 또는 스크류드라이버 같은 툴들을이단일 축을 중심으로 회전할 때 발생한다. 2축 기울기 측정에 회전 측정을 더하면 완전한 3차원 포지셔닝을 할 수 있으며, 지구와 직각인 Z 축을 중심으로 회전이 일어나는 경우에는 3축 가속도계의 한계점을 극복할 수 있다. 이 경우에는 X-Y 면으로는 아무런 움직임이 없으므로 이 축들에서는 0g가 측정된다. 반면 Z 축은 계속해서 1g의 최대 중력이 측정되기 때문에 가속도계 판독에는 아무런 변화가 없다.
MEMS 자이로스코프는 ‘코리올리 효과(Coriolis Effect)’에 의해서 회전 센서 안에서 움직이는 극소 미세 가공 질량의 움직임을 측정해서 회전을 측정하는 센서이다(그림 2).

AR(로봇)-2.jpg

[그림 2] MEMS 자이로스코프 센서의 작동 원리 (출처:아나로그디바이스)

자이로스코프를 선택할 때 판단의 기준이 되는 특성은 범위와 감도이다. 해당 애플리케이션이 요구하는 사양의 제품을 선택해야 한다. 범위는 정확하게 측정할 수 있는 가장 빠른 회전 속도로서, 단위는 °/sec이다. 감도는 특정 속도에서의 출력 변화량(mV)으로, 단위는 mV/°/sec이다. 16bit 분해능 제품인 NXP의 FXAS21002C는 ‘요(yaw)’, ‘피치(pitch)’, ‘롤(roll) 각도율 자이로스코프로서, ±250°/s ~ ±2000°/s까지의 전체 동적 범위를 조절할 수 있다. 이 컴팩트한(24핀 QFN 패키지) 저전력(동작 모드에서 2.7mA) 제품은 최대 ±2000°/s까지 각도율 측정이 가능하며, 출력 데이터 속도는 800Hz에 달한다. 또한 ±2000°/s일 때 0.0625°/s의 각도율 감도 성능을 지원한다. 또한 저역통과 필터를 통합하고 있어 호스트 애플리케이션이 디지털 신호 대역폭을 제한할 수 있다. 인터페이스는 I2C와 SPI 모두 제공한다.
ST마이크로일렉트로닉스의 16bit I3G4250D 3축 디지털 출력 자이로스코프는 각도율이 영(0)일 때 강한 안정성을 나타내며 온도와 시간에 대해 일관된 감도를 유지한다. 사용자는 ±245/±500/±2000°/s 중에서 필요한 풀스케일을 선택할 수 있다. 센싱 소자와 함께 모든 필요한 센서 인터페이스 기술을 포함한다. 측정된 각도율은 SPI 인터페이스를 통해서 제공된다(I2C 인터페이스는 옵션으로 사용 가능). 동작 온도 범위는 -40℃~ +85℃이다.
ADI의 ADIS16266BCCZ는 고유의 iSensor 기술을 적용하여 높은 360Hz 대역폭을 제공한다. 이 제품은 ±14,000°/s 풀스케일 성능을 활용해서 고속 회전 동작을 측정할 수 있다. 또한 자동 및 수동 바이어스 교정 제어가 특징이다.

가속도계를 사용한 충격 측정

앞에서 가속도계를 사용한 기울기 측정을 설명할 때, 움직이는 로봇 팔이 다른 물체에 부딪혀서 갑자기 멈추는 것과 같은 충격이 발생하지 않는 경우에 사용하기 효과적이라고 했다. 이러한 충격은 가속도계를 사용해서 쉽게 측정할 수 있다. 그런데 가속도계가 어느 위치에 설치되어 있느냐에 따라 기울기 가속도계의 ±1g 범위를 넘을 가능성이 크다. 다시 말해, 로봇 팔 끝에 설치된 센서는 몸체에 가깝게 설치된 센서보다 더 높은 충격을 받는 것이다.
기울기 측정이 아니라 충격 측정 가속도계에 요구되는 또 다른 차이점은 신속한 응답성이 요구된다는 것이다. 노트북 컴퓨터가 바닥에 떨어질 때 하드 디스크 표면의 손상을 방지하기 위해서 하드 드라이브에 사용되는 가속도계는 드라이브 헤드를 수 밀리초 내에 재빨리 제자리로 돌려보내야 한다. 이와 마찬가지로, 로봇 시스템에서 충격 감지를 위해 사용되는 가속도계 역시, 로봇과 로봇의 주변 환경 그리고 또 혹시 있을 수도 있는 사람에 대한 피해를 방지하기 위해서 즉시 문제를 감지하고 대처할 수 있어야 한다. 이러한 이유에서 가속도계의 위치를 신중하게 선택해야 하며 출력을 잘 모니터링하고 즉시 조치를 취할 수 있어야 한다.

MEMS 센서를 사용한 진동 측정

기계 장비에서 진동을 측정하는 것은 흔히 신뢰성이나 안전성과 관련된다. 대체로 진동은 바람직하지 않은 것이고 부품 고장이나 유지보수가 제대로 되지 않았다는 것을 뜻한다. 산업용 로봇의 경우에는 계속해서 안전하게 동작하기 위해서 진동 모니터링이 필요하며, 때로는 이를 통해서 안전 상의 셧다운 루틴을 시행할 수도 있다. RF 트랜시버를 내장한 MEMS 기반 진동 센서는 산업용 환경에서 진동을 모니터링 및 기록할 수 있는 매우 효과적인 센싱 솔루션을 제공한다.
가속도계를 사용한 가속도 측정
로봇이나 로봇 팔의 자연스러운 움직임은 가속 및 감속과 관련된 문제이다. 다시 말해서 속도를 점점 높이거나 낮추는 것이다(특히 제자리에서 출발하거나 제자리로 돌아올 때). 전용 MEMS 가속도계를 사용하면 이 동작을 정밀하게 감지 및 제어할 수 있다. 이를 통해 로봇이 정확하게 원하는 물체에 다가가서 이것을 집어 들고 정확히 지정된 장소에다 조심스럽게 내려놓을 수 있다. 로봇이 날달걀을 떨어트리거나 깨트리지 않고 집어 들어서 옮기는 시연 장면은 이러한 능력을 보여준다. 또한 안전한 동작을 위해서는 로봇에 외부적인 힘이 가해졌을 때 지나친 가속이나 감속을 감지할 수 있는 능력이 매우 중요하다.

센서 융합

센싱 시스템에서 MEMS 기술의 사용이 점점 더 일반화할수록, 센서 융합(sensor fusion) 기술이 채택될 수 있는 기회 역시 점점 늘어날 것이다. 서로 다른 수 많은 센서(예컨대 가속도계, 자이로스코프, 자력계, 압력 센서 등)로부터 데이터를 포착하고 적절한 디지털 필터링 알고리즘을 적용하면 각각의 센서들을 단독으로 사용했을 때의 약점을 보완할 수 있다. 그럼으로써 성능(정확도, 선형성, 응답성, 분해능)을 높일 수 있을 뿐만 아니라 센서 드리프트(sensor drift) 문제도 극복할 수 있다. 뿐만 아니라 BOM(bill of materials) 비용, 전반적인 전력 소모, 차지하는 공간을 줄일 수 있다. 로봇의 경우에는 3축 가속도계와 3축 자이로스코프 센싱 기능을 결합함으로써 시스템이 움직일 때는 각속도 데이터를 정확하게 측정하고 시스템이 정지하고 있을 때는 기울기 각도를 정확하게 측정할 수 있다. 또한 이들 데이터를 결합함으로써 로봇의 움직임을 전체적으로 파악할 수 있다(피치, 롤, 요 모두 포함).

맺음말

로봇 애플리케이션은 점점 더 많은 것들을 까다롭게 요구한다. 동작이 서투르고 우스꽝스럽기까지 했던 예전의 로봇 시스템은 더 이상 허용되지 않는다. 힘과 섬세함, 유연성을 두루 갖춘 자연스럽고 정밀한 동작이 요구된다. 그러기 위해서는 더욱 향상되고 안전한 제어가 가능하도록 피드백을 제공하기 위한 첨단 센서가 필요하다. MEMS 기술이 이를 위한 접근법을 제공한다. 가속도계와 자이로스코프를 사용하면 기울기, 회전, 진동, 가속도계를 측정할 수 있다. 이러한 센서들을 사용하면 시스템 성능을 크게 향상시키고 계속해서 안전하게 동작할 수 있을 뿐만 아니라 비용도 대폭 절감할 수 있다.

leekh@semiconnet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>


PDF 다운로드

개인정보보호법 제15조에 의한 수집/이용 동의 규정과 관련하여 아래와 같이 PDF 다운로드를 위한 개인정보 수집 및 이용에 동의하십니까? 동의를 거부할 수 있으며, 동의 거부 시 다운로드 하실 수 없습니다.

이메일을 입력하면,
(1) 신규참여자 : 성명/전화번호/회사명/분야를 입력할 수 있는 입력란이 나타납니다.
(2) 기참여자 : 이메일 입력만으로 다운로드가 가능합니다.

×

회원 정보 수정



* 가입시 이메일만 입력하신 회원은 이름란을 비워두시면 됩니다.