산업용 로봇 개발동향
산업용 로봇…‌실생활에서 사용가능한 영역으로 수요 확대
위치센서 기반 로봇기술 개발도 본격화


 박세환  박사(한국과학기술정보연구원 ReSEAT프로그램 전문연구위원)



물체의 자동인식, 위치정보 기반 동작범위 제어 등 범용의 산업용 로봇 관련 글로벌 개발동향을 보면 반도체 및 자동차 분야와 같은 소품종 대량생산에서 다품종 소량 주문생산(변종 변량생산) 방식으로 변화하고 있는 추세이다.
이를 위해 로봇 셀(Robot Cell) 제조 형태로 빠르게 변화하고 있다. 나아가 반도체 및 자동차 등 기간산업에서 화학, 제약, 의료, 식품 및 물류 등 수요자가 실생활에서 직접 사용할 수 있는 영역으로 수요가 확대되고 있다.
아울러 로봇의 지능화가 가속화되면서 3D 영상센서(Image Sensor) 및 힘 센서(Force Sensor) 등이 핵심 이슈로 주목받고 있다. 효율적인 3D 영상센서와 힘 센서를 개발하기 위해서는 ▲ 3차원 인식기능을 갖춘 부품의 효율적인 공급 망(Supply Chain) 확보 ▲ 다수의 로봇 간에 발생할 수 있는 고속 간섭회피 기능을 통한 가동시간의 단축 ▲ 각 부품의 균일한 품질과 유연성 등이 필수적으로 요구된다.
이 연구에서는 범용 산업용 로봇의 핵심 부품으로 주목받고 있는 3D 영상센서 및 힘 센서의 산업적 특징에 대해 설명하고, 이러한 핵심 부품으로 제조된 무인 보안로봇의 개발사례를 설명한다.

 
로봇의 핵심 부품

3D 영상센서
범용 산업용 로봇의 핵심 부품인 3D 영상센서의 산업적 특징을 간단히 요약하면 다음과 같다.

•‌3D 영상센서 기술은 범용 산업용 로봇의 핵심 부품으로서 레이저 빛으로 주변의 물체를 감지하여 스스로 제어하는 무인자동차(자율주행 자동차)의 핵심기술로 주목받고 있다.
•‌특히 레이저 빛을 이용하여 100m 거리에서 10㎝ 수준의 정밀도를 갖는 라이더(LiDAR) 기술은 차세대 무인자동차의 주요 영상센서로 자리잡아가고 있다. LiDAR(Light Detection And Ranging)는 기존의 LaDAR(Laser Detection and Ranging)보다 짧은(적외선 범위에 가까운 정도) 파장과 전자기 스펙트럼을 이용하여 촬영 대상 개체의 표면과 검출범위에 레이저 펄스를 조사한 후 반응신호 펄스를 이용하여 개체의 속성을 측정하는 기술이다. 고고학/지리학/지질학/대기물리학 분야 및 원격탐지 분야에 응용되고 있다.
•‌이 기술은 스마트 자동차에 적용한 뒤 5년 안에 무인자동차에도 상용화될 것으로 전망하고 있으며, 민간용뿐만 아니라 군수용 등 다양한 산업분야에도 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

힘 센서
3D 영상센서와 함께 범용 산업용 로봇의 핵심 부품을 이루고 있는 힘 센서의 산업적 특징을 간단히 요약하면 다음과 같다.

•‌로봇이 동작할 때 주변 물체와의 접촉은 피할 수 없는 동작이다. 이때 접촉으로 인해 로봇의 부품이 손상되지 않도록 로봇동작에서 힘(force) 제어는 필수적이다.
•‌주변 물체로부터 힘 센서를 통해 획득한 정보를 이용하여 접촉을 감지하는 기능은 필수적인 로봇의 핵심 제어장치이다.
•‌로봇이 주변 물체에 대해 작용하는 힘과 토크가 일정 값이 넘는 경우에는 접근 동작량과 동작시간, 입력신호 등 여러 정보를 조합하여 접촉을 감지할 수 있어야 한다.
•‌부품 조립 시 균일하지 않은 기준 치수 및 불균형한 수지성형 부품 등을 조합시키는 경우 로봇동작은 영상센서에 의한 위치보정만으로는 불가능하다. 이를 해결하기 위해 로봇에 일정한 힘을 가할 수 있는 제어기능이 필요하다.

 
무인 보안로봇 개발사례

보안로봇의 기능
주변의 위험상황에 효과적으로 대응하기 위해 CCTV 관제시스템 및 고도의 경보시스템 등의 구축이 빠르게 확산되고 있다. 이처럼 보안기능이 전 지역에 걸쳐 확대됨으로써 위험상황 발생 시 보다 효과적이고 자동적으로 대응할 수 있는 무인 보안 시스템의 필요성이 증가하고 있다.
이를 위해 로봇을 이용하여 공공장소, 학교, 주거 밀집지역 및 상가 등에서 안전과 보안기능을 담당할 수 있는 기술이 확산되고 있다. 로봇을 이용한 보안시스템은 어떠한 지형이나 기후 및 온도에서도 안정적으로 동작할 수 있는 것이 가장 중요한 요소이다.

보안 로봇 개발사례
미국의 아메리칸 무인 시스템(American Unmanned Systems)사는 자회사인 가드봇(Guardbot Inc)사와 공동으로 수직 이착륙(VTOL : Vertical Take-Off and Landing)이 가능한 무인 로봇시스템을 개발하였다.
가드봇은 3D 영상센서를 장착한 레이저 카메라를 이용하여 실시간 영상정보를 제공하고, 다양한 정보를 전송/처리할 수 있는 이동식 로봇을 개발하여 업계의 호평을 받고 있다.

•‌로봇의 엔진부에 360도 회전할 수 있는 두 대의 HD(High Definition)급 카메라를 탑재하여 음성, 전기광학적 적외선신호(EO-IRS : Electro-Optical-Infrared Signal), 레이더 신호 및 방송 기능까지 실행하고 있다(두 대의 카메라는 투명한 폴리카보네이트 덮개를 사용하여 봉합되어 서로 반대 방향에 장착).
•‌로봇의 동작제어 기능은 직접-드라이브 메커니즘(DDM : Direct-Drive Mechanism) 기능을 이용하여 원격 리모트 컨트롤 시스템이나 사용자의 제어장치로 제어할 수 있다. DDM 기능은 진자(Pendulum) 운동의 원리를 이용하여 가드봇의 전후방 움직임과 360도 회전을 위해 중력의 중심을 바꾸어 가속과 감속이 빠르고 부드러운 장점을 갖고 있다.
•‌이동 센서 플랫폼(MSP : Mobile Sensor Platform)을 통해 육지나 해상에서도 효과적으로 동작할 수 있으며, 사람의 접근하기 어려운 곳에서도 주변 물체를 감지할 수 있다는 특징이 있다.
•‌사용자가 손쉽게 원거리 조정이 가능하고, GPS 신호를 통해 애플리케이션을 프로그래밍 할 수 있다. 아울러 일정한 반경 이내의 감시역할과 공항 등의 관제시스템과 같은 넓은 영역에 걸친 복잡한 이동성 기반 감시기능도 실행할 수 있다.
•‌사용자 인터페이스를 통해 이동물체의 디스플레이 및 2D/3D 움직임을 시각적으로 확인할 수 있다.
•‌26kg의 무게로 22도의 경사각을 오를 수 있고, 모래/진흙/눈밭에서도 이동할 수 있다. 아울러 소리를 내지 않고 물 위에 떠서 11 km/h의 속도로 이동할 수 있고 배터리를 한 번 충전하여 8~16시간 동안 동작할 수 있다.
•‌항공, 물류창고 보안, 항공 정비, 레이저 및 무선신호의 검파, 항만과 선적 순시 등 매우 다양한 산업분야에 응용할 수 있도록 설계되어 있다. 특별한 안전/보안규정이 필요한 이러한 분야들은 정지 카메라만으로는 보안유지가 어렵다.

두 대의 B-DC(Brushless DC) 모터를 이용한 빠른 감속과 가속을 위해 6.2nm 토크(Torque)를 제공한다. B-DC 모터는 로테이터(Rotator)의 내부에 장착된 마그네트(Magnet)를 통해 자계를 발생시키고, 이결과로 로터(Rotor)가 회전하는 원리이다. 회전자계는 인버터의 스위칭 상태를 변화시키며, 모터를 구동하기 위한 별도의 드라이브가 필요하다.
모터는 48V DC 배터리를 사용하고, 정확도를 위해 모터의 피드백 제어를 이용한다. 이 모터는 가드봇의 핵심 부품이며, 각각의 모터는 평판 기어헤드(Planetary Gearhead)와 REFS(Rotary Encoder Feedback System)에 연결되어 있다. 장착된 센서를 통해 화재감지, 위험물질/화학물질/방사선 검사, 음성 감시 등 다양한 기능을 수행할 수 있다.

 동향 및 과제

위치정보 기반 물체의 자동인식, 동작범위 제어 등 범용의 산업용 로봇이 다품종 소량 주문생산 방식으로 변화하면서 실생활에서 사용할 수 있는 영역으로 수요가 확대되고 있다. 아울러 ICT 기술력과 유비쿼터스(Ubiquitous) 기술이 발전하면서 공간정보에 대한 사회적 관심과 수요가 증가함에 따라 위치센서 기반 로봇기술 개발이 본격화되고 있다.
광학카메라나 레이저스캐너 같은 센서를 차량이나 유·무인 항공기에 탑재한 센서 융합 시스템을 개발하고 획득한 데이터를 처리하여 실세계의 3차원 공간모델을 자동으로 생성하는 기술개발도 진행되고 있다.
멀티 센서를 탑재한 무인항공기(UAV) 시스템 및 센서 데이터의 실시간 처리가 가능한 지상시스템 구축을 통한 실시간 공중 모니터링 시스템도 개발되고 있다. 이들 기술력은 3D 모델링과 3D GIS(Geographic Information System, 1980년대 무렵부터 주로 3차원 지형분석을 위한 기능 위주로 개발되어 왔다. 오늘날에는 3차원 시설물 및 지형에 대한 실감 모델링 및 가시화를 제공하는 단계에 이르렀다. 최근 들어 가상현실 및 증강현실 기능이 부각된 3D 입체영상 기술과 접목되면서 더욱 현장감 있는 몰입형 3차원 GIS 기술로 발전하고 있다) 연동기술 개발 및 지형정보 시스템 개발을 통해 차세대 가상건설 신기술을 창출하고 있다.
나아가 건설 효율성이 증대되도록 지형정보 메타데이터를 생성·공유·관리하는 체계를 구축하고 있다. 이 중심에 지능형 로봇 기술력이 자리 잡고 있다. 이는 GPS(Global Positioning System) 기술력과 접목되면서 미래 u-City 건설에 필요한 기반기술로 자리매김 되고 있다.
아울러 사용자에게 보다 사실적이고 현실감 있는 지리(지형) 정보 제공은 물론, 다종다양한 생활편의 서비스로 발전하고 있다. 이에 테스트베드 구축을 통해 개발기술에 대한 오차나 시행착오를 줄이기 위한 노력이 필요하다.     <정리 = 안은혜 기자>