로봇 센서 완벽 해설: 종류, 기능 및 적용 분야 총정리

로봇 센서의 역할과 분류

센서는 로봇이 외부 세계를 바라보는 '눈'입니다. 로봇은 센서를 사용하여 주변 환경의 물체 기하학적·물리적 특성을 이해하고 측정합니다. 특히 자율 로봇은 주변 환경을 감지하는 능력이 필수적입니다.

로봇 공학에서 일반적으로 사용되는 센서는 내부 센서와 외부 센서 두 가지 유형으로 나뉩니다. 내부 센서는 로봇 자체에 대한 정보(위치, 속도, 가속도 등)를 제공합니다. 외부 센서는 외부 세계로부터 데이터를 수집하며, 유압 로봇 팔과 작업 중인 제품 간의 접촉점 정보 등이 이에 해당합니다.

로봇 공학에는 다양한 유형의 센서가 있으며, 각각의 특성과 사용 이유, 용도를 살펴보겠습니다.

광 센서(Light Sensors)

로봇 공학에서 광 센서는 빛을 감지하고 전압 차이를 생성하는 데 사용됩니다. 로봇 비전 시스템의 컴퓨터 제어 카메라는 로봇이 보고 그에 따라 행동을 조정할 수 있게 합니다. 포토레지스터(Photoresistor)와 광전지(Photovoltaic Cell)가 로봇에서 가장 많이 사용되는 두 가지 광 센서입니다. 포토튜브, 포토트랜지스터, CCD 등 다른 광 센서는 드물게 사용됩니다.

포토레지스터 (Photoresistor)

포토레지스터는 빛의 양에 따라 저항이 변하는 저항기 유형입니다. 빛이 많으면 저항이 낮아지고, 빛이 적으면 저항이 높아집니다. 빛 의존형 로봇에 쉽게 통합할 수 있습니다.

태양광 광전지 (Solar Photovoltaic Cells)

태양광 광전지는 햇빛을 전기로 변환합니다. 이는 태양광 로봇 개발에 특히 유용합니다. 광전지는 에너지원으로 간주될 수 있지만, 트랜지스터와 커패시터를 활용하면 센서로 변환할 수도 있습니다.

2D & 3D 비전

2차원 컴퓨터 비전 이미지는 평평하며 길이와 너비 계산에 맞춰 스케일링되지만 높이는 포함하지 않습니다. 요소의 위치와 위치가 변하더라도 3차원 비전은 로봇이 다뤄야 할 부품의 방향을 더 효과적으로 결정할 수 있게 합니다. 3D 비전 시스템은 조립 중 로봇 팔을 정밀하게 안내할 수 있으며, 중요 조립 검사를 위한 다양한 시야각을 제공할 수 있습니다.

음향 센서(Sound Sensors)

로봇 공학의 음향 센서는 마이크와 유사하게 작동하지만, 일반적으로 소리의 진폭을 임계값과 비교 평가하는 회로에 연결되어 결과를 로봇에 보고합니다. 진폭이 증가하면 소음이 더 커집니다.

이는 야생 동물을 연구하는 로봇에 유용할 수 있습니다. 큰 소음을 감지하고 추적하는 것이 야생 동물을 찾는 데이터 포인트 중 하나가 될 수 있습니다. 사용자가 말한 명령에 반응하는 음성 인식을 위한 음향 센서는 더 복잡한 애플리케이션입니다.

기본 로봇은 소리를 듣고 이동하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 한 번 박수면 오른쪽, 두 번 박수면 왼쪽으로 이동하는 로봇을 상상해 보십시오. 복잡한 로봇에서는 같은 마이크로 음성 인식과 화자 인식을 모두 수행할 수 있습니다. 음향 센서는 매우 작은 전압 차이를 생성하여 증폭해야만 식별 가능한 전압 변화를 얻을 수 있어, 광 센서보다 구현이 더 어렵습니다.

근접 센서(Proximity Sensors)

로봇 공학의 근접 센서는 물리적 접촉 없이 근처 물체를 감지할 수 있습니다. 송신기가 옆에 있는 센서로 전자기파를 보내고, 수신기가 중단된 피드백 신호를 수신·분석합니다. 결과적으로 영역에서 수신된 빛의 양으로 인접 물체 존재 여부를 판단할 수 있습니다. 로봇에게 센서는 충돌 회피 수단을 제공합니다.

근접 센서에는 여러 유형이 있지만, 로봇에 일반적으로 사용되는 것은 몇 가지뿐입니다.

적외선(IR) 트랜시버 (Infrared (IR) Transceiver)

장애물이 감지되면 IR LED가 IR 빔을 발사하고, 이는 IR 수신기에 의해 수신된 빛을 반사합니다.

초음파 센서 (Ultrasound Sensor)

이 센서들은 고주파 음파를 생성하고, 기록된 에코는 물체가 감지되었음을 나타냅니다. 초음파 센서는 거리 측정에도 사용될 수 있습니다.

포토레지스터를 근접 센서로 활용

포토레지스터는 광 센서이지만 근접 센서로도 사용될 수 있습니다. 물체가 센서에 접근하면 빛의 양이 변하여 포토레지스터의 저항이 변합니다. 이를 감지하여 대처할 수 있습니다.

촉각 센서(Tactile Sensors)

촉각 센서는 물체와의 접촉 여부를 판단하는 장치입니다. 로봇이 계단 난간이나 베이스 부분을 눌러 조명을 어둡게/밝게 하는 등 일상적인 물체를 '만지고 느낄' 수 있게 합니다. 이 센서들은 애플리케이션 모니터링과 환경과의 부드러운 상호작용에 사용됩니다. 터치 센서와 힘 센서 두 범주로 나뉩니다.

터치 센서 (Touch Sensors)

로봇 공학의 터치 센서는 접촉 센서(Contact Sensors)라고도 하며, 센서나 물체의 접촉을 감지하고 인지하는 장치입니다. 마이크로 스위치, 리미트 스위치 등 소형 장치가 주로 사용됩니다. 대부분 로봇이 장애물을 피하는 데 사용됩니다. 이 센서들이 장애물을 감지하면 로봇에게 후진, 회전, 정지, 켜기 등의 작업을 수행할 수 있는 작업이 부여됩니다.

힘 센서 (Force Sensors)

로봇 공학의 힘 센서는 기계 적재/하역, 자재 관리 등 로봇의 다양한 기능에 관여하는 힘을 계산하는 데 사용됩니다. 이 센서는 문제 해결을 위한 조립 공정도 개선합니다. 힘-토크 센서는 로봇 팔에 조립 작업 완료의 '느낌'을 주며, 내부 상태 센서는 엔드 이펙터 측정에 사용됩니다.

온도 센서(Temperature Sensors)

로봇 공학의 온도 센서는 사용 환경의 열/온도 변화를 측정합니다. 온도 변화에 따른 전압 차이 변화 원리로 작동하며, 이 전압 변화가 주변 온도에 상응하는 값을 제공합니다. 공기 온도, 표면 온도, 침수 온도 등이 온도 감지 애플리케이션입니다.

내비게이션 및 위치 센서(Navigation and Positioning Sensors)

로봇 공학의 위치 센서는 로봇의 위치를 추정하는 데 사용됩니다. 가장 일반적인 위치 센서는 GPS(Global Positioning System)입니다. 지구 궤도를 도는 위성들이 신호를 보내고, 로봇 수신기가 이를 수신·처리합니다. 분석된 데이터를 사용하여 로봇의 대략적인 위치와 속도를 계산합니다. 가장 일반적인 내비게이션 센서 세 가지는 다음과 같습니다.

GPS

GPS(Global Positioning System)는 가장 널리 사용되는 위치 센서입니다. 지구 궤도 위성들이 보낸 신호를 로봇 수신기가 수신·처리합니다. 처리된 데이터로 로봇의 대략적인 위치와 속도를 계산할 수 있습니다. 이 GPS 시스템은 실외 로봇에 매우 유용하지만 실내에서는 효과가 없습니다. 현재는 다소 고가지만, 가격이 하락하면 곧 대부분의 로봇에 GPS 모듈이 장착될 것입니다.

디지털 자기 나침반 (Digital Magnetic Compass)

휴대용 자기 나침반과 유사하게, 디지털 자기 나침반은 지구 자기장을 이용해 방향 측정을 생성하여 로봇이 목표에 도달할 올바른 방향으로 안내합니다. 이 센서는 GPS 모듈보다 저렴하지만, 위치 피드백과 내비게이션이 모두 필요하다면 나침반을 GPS 모듈과 함께 사용해야 합니다.

로컬라이제이션 (Localization)

복잡한 환경에서 로봇의 위치를 자율적으로 결정하는 작업을 로컬라이제이션이라 합니다. 랜드마크(Landmarks)라고 불리는 외부 요소(의도적으로 설치된 인공 랜드마크 또는 자연 랜드마크)를 사용하여 위치를 결정합니다. 1단계에서 인공 마커나 비콘을 로봇 주변에 배치하고, 로봇 센서가 이 신호를 기록하여 정확한 위치를 식별합니다.

가속도 센서(Acceleration Sensors)

로봇 공학의 가속도 센서는 로봇의 가속도와 기울기를 측정하는 장치입니다. 가속도계에 영향을 미치는 두 가지 유형의 힘이 있습니다:

정적 힘 (Static Force)

임의의 두 물체 사이에 존재하는 힘입니다. 중력을 감지하여 로봇이 얼마나 기울어졌는지 판단할 수 있습니다. 이 매개변수는 밸런싱 로봇이나 로봇이 오르막/내리막을 가는지 판단하는 데 유용합니다.

동적 힘 (Dynamic Force)

물체를 이동시켜야 하는 속도입니다. 가속도계로 동적 힘을 측정하여 로봇의 이동 속도/속력을 결정합니다.

기타 로봇 센서

현재 상상할 수 있는 거의 모든 것을 감지할 수 있는 수백 가지 센서가 존재하며, 모두 나열하는 것은 사실상 불가능합니다. 위에서 언급한 것들 외에도 특정 애플리케이션에 사용되는 다양한 센서가 있습니다. 다음 조건들을 고려해 보십시오:

• 습도 센서: 공기 중 수분 함량 측정
• 가스 센서: 특정 가스 감지
• 포텐셔미터: 매우 다용도로 다양한 애플리케이션에 활용 가능
• 자기장 센서: 주변 자기장 강도 측정

결론

몇 개의 포토레지스터나 적외선 센서만으로 간단한 장애물 회피 로봇을 만들 수 있습니다. 로봇이 복잡해질수록 더 많은 센서를 갖게 됩니다. 단일 작업에 여러 센서가 필요할 수도 있고, 여러 작업을 단일 센서로 수행할 수도 있습니다.

때로는 여러 센서 중 아무거나 사용하여 작업을 완료할 수 있습니다. 가용성, 경제성, 사용 편의성을 기준으로 이상적인 센서를 선택하십시오. 다만 제조업체가 로봇 팔에 센서를 부착하여 판매하는 옵션도 있습니다. 이는 각 센서를 개별적으로 구매하는 비용을 이상적으로 절약해 줍니다.