배경
로봇 산업은 특히 점점 더 인기를 끌고 있고 기능이 다양해지고 있는 서비스 로봇 분야에서 막대한 성장을 맞이하고 있습니다. 산업용 로봇 부문은 이미 성숙기에 접어들어 앞으로의 성장세가 더딘 반면, 서비스 로봇은 휴머노이드와 동물에서 영감을 받은 형태를 포함하여 다양한 설계로 진화를 거듭하고 있습니다. 이러한 적응형 기계는 청소, 보안, 구조, 케이터링, 군사 작전 등 다양한 부문에 영향을 미칠 것으로 예상되고 있습니다.
한국의 에이딘 로보틱스가 이러한 변혁을 리드하고 있습니다. 이 기업은 최근 “로봇 개”라고도 불리는 사족 로봇을 선보였습니다. 이 첨단 로봇은 AksIM‐2 앱솔루트 엔코더를 적용하여 실시간 위치 피드백을 제공하고, 부드러운 작동과 정밀한 제어를 보장합니다.
일반적으로 사족 로봇은 바디, 모터, 감속기를 포함한 기계 부품과 위치, 속도, 토크 관련 피드백 데이터를 제공하는 센서, 그리고 로봇의 두뇌 역할을 하는 컨트롤러 등 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다.
과제
사족 로봇의 주요 과제 중 하나는 균형을 유지하고 역동적인 움직임을 제어하는 것입니다. 균형 감각과 역동적인 움직임 제어 능력이 뛰어난 로봇은 걷기, 달리기, 점프, 등산, 계단 오르기, 넘어진 후 일어서기, 도약 등 다양한 움직임을 수행할 수 있습니다. 이러한 능력은 관절의 정밀한 움직임, 안정적인 동작 제어 시스템, 그리고 정교한 제어 알고리즘에 의해 뒷받침됩니다.
즉, 로봇이 몸을 균형 있게 움직이고 충돌이나 접촉에도 부드럽게 반응하려면, 정교한 동작 제어 시스템과 제어 알고리즘이 꼭 필요합니다. 관절의 위치, 속도, 가속도 같은 중요한 데이터는 회전 인코더를 통해 컨트롤러에 실시간으로 전달되어야 합니다. 이러한 피드백은 로봇의 네 다리 움직임을 정확하게 제어하고, 방향과 속도를 조절하는 데 매우 중요합니다.
에이딘의 사족보행 로봇은 다리로 움직이는 첨단 이동형 로봇으로, 계단이나 울퉁불퉁한 지형, 곡면 등 다양한 환경을 능숙하게 주행할 수 있도록 설계되었습니다. 용도에 따라 다양한 모듈형 장비를 장착할 수 있어, 폭발물 처리나 화학·방사능 오염 지역처럼 사람이 접근하기 어려운 환경에서도 사람을 대신해 작업을 수행할 수 있습니다.
에이딘 로보틱스의 사족보행 로봇
솔루션
각 다리에는 엉덩이 회전, 허벅지 피치 및 종아리 피치를 제어하는 3개의 회전 관절 축이 장착되어 있으며, 최대 60도까지 움직일 수 있습니다. 이 구조로 네 개의 다리에서 총 12 회전 자유도가 제공되므로, 실제 네발 동물처럼 움직일 수 있습니다. 각 관절은 모터로 구동되며, 움직이는 동안 회전 각도에 대한 피드백을 제공하는 AksIM‐2 시리즈 앱솔루트 로터리 엔코더가 함께 사용됩니다. 그 결과, 사족 로봇은 총 12개의 엔코더를 활용하여 움직임에 대한 정밀 제어가 가능합니다.
안정적이고 신뢰할 수 있는 엔코더는 로봇의 위치 정확도와 모션 제어 기능을 크게 향상 시켜 줍니다. 또한 동적 하중을 감지하고 모터 과부하를 방지하는 데도 필수적이어서 로봇의 안전과 안정성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다.
사족보행 로봇의 경우, 초기 "자세(pose)"는 전체 동작 제어의 핵심입니다. 컨트롤러는 로봇의 현재 자세를 계산하고 결정하기 위해 각 관절의 위치를 파악해야 합니다. 따라서 에이딘은 모션 제어 설계를 위한 구성품 선택 과정에서 앱솔루트 엔코더를 사용하기로 결정했습니다. 앱솔루트 엔코더의 주된 이점은 증분형 엔코더처럼 전원 차단 후 기준 위치로 돌아갈 필요가 없어 불필요하게 낭비되는 시간이 최소화된다는 점입니다.
또 다른 핵심 요건은 많은 양의 케이블이 중앙을 통과할 수 있도록 엔코더 링 스케일이 중공 구조여야 한다는 것입니다. 또한 설계자는 관절 모터가 자기장을 생성해 마그네틱 엔코더에 간섭을 일으켜 잘못된 판독으로 이어질 수 있는지 관심을 가져야 합니다.
“RLS의 AksIM‐2 시리즈는 당사의 모든 요구를 충족하는 로봇 맞춤형 로터리 엔코더입니다. 자동 캘리브레이션 기능 덕분에 설치 품질의 최적화가 개선되고 더욱 안정적이고 신뢰할 수 있는 모션 제어가 가능해졌다는 점이 매우 인상적이었습니다.”
김영범 박사, AIDIN R&D 사업부 최고 기술 책임자
현재, 에이딘은 SSI 및 BISS‐C 통신 프로토콜을 통해 신호를 출력하는 20비트 분해능의 AksIM‐2 시리즈 엔코더를 선택했습니다.
결과
AksIM‐2는 충격과 진동에 대한 저항성이 뛰어나며 −40 °C ~ +105 °C의 온도 범위에서 작동할 수 있는 앱솔루트 마그네틱 로터리 엔코더입니다. 이 제품은 자체 캘리브레이션 기능이 있어, 회전 중 편심으로 인해 발생하는 오차가 제거됩니다. 편심은 엔코더 정확도에 영향을 미치는 중요한 요소로, 종종 마그네틱 링의 잘못된 설치로 인해 발생합니다.
또한 AksIM‐2에는 여러 내부 매개변수를 지속적으로 확인하는 첨단 자체 모니터링 기능이 탑재되어 있습니다. 모든 통신 프로토콜은 오류 보고, 경고 및 기타 상태 신호를 제공하며 이러한 신호는 헤드의 LED를 통해 시각적으로 확인이 가능합니다.
사족보행 로봇은 움직일 때 사람처럼 관성(inertia)이 발생하며, 이로 인해 제어 알고리즘 설계가 복잡해집니다.. 로봇이 무거울수록 관성은 더 커집니다. 이 문제를 효과적으로 해결하기 위해, 로봇의 관절은 공간과 무게에 대한 엄격한 제한을 두고 설계되었습니다. 따라서 작고 가벼운 인코더가 필수적입니다.
AksIM-2는 로봇 시스템에 통합되도록 특별히 설계된 엔코더로, PCB 형태의 리드헤드와 중공형 마그네틱 링으로 구성되어 있습니다. 이 구조 덕분에 모터에 직접 장착할 수 있어, 공간이 협소한 로봇 구조에 적합합니다.
미래의 목표
김영범 박사가 덧붙여 말합니다. “앞으로 사족보행 로봇은 듀얼 엔코더 설계를 고려하고 있습니다. 즉, 입력 부분과 출력 부분에 각각 하나씩 엔코더를 배치할 예정입니다. 두 엔코더 모두의 위치 정보와 속도 데이터를 비교하고 구동 전류와 모터 토크의 출력을 확인하여 관절에 작용하는 외부 힘의 크기를 평가할 수 있어, 로봇을 보다 안전하게 제어하는 것이 가능합니다.”
AIDIN Robotic's team
에이딘 로보틱스 정보
에이딘은 한국의 성균관 대학교 기계공학과 산하 로봇 혁신 연구소에서 출발했습니다. 이 기업은 사족보행 로봇과 같은 로봇 솔루션을 개발하고 고객들에게 제공하는 데 주력하고 있습니다.
자세한 정보는 AIDIN ROBOTICS에서 확인할 수 있습니다.
