로봇용 센서의 미래 모습
질 높은 정보의 감지능력 Sensor는 로봇 기능향상에 반드시 필요
로봇 센서(Robot Sensor)란 위치추적용 관성 센서, 위치파악용 액티브 비컨 시스템, 인식과 주행을 위한 비전 센서, 거리 측정을 위한 초음파 센서, 감각을 감지할 수 있는 촉각 센서 등 로봇이 행동할 수 있도록 인지 기능의 각종 센서다. 최근 이들 센서기술이 좋아지며, 로봇의 기능향상에도 도움을 주고 있다. 본 내용에서는 질 높은 정보의 감지능력으로 로봇을 발전시키는 로봇용 센서의 미래 모습을 살펴보도록 하겠다.
MEMS 혁신으로 휴대형 소비자 가전제품에 IR 온도 측정 기능을 제공할 수 있게 됐다.
Home Production의 생산성 향상 위한 로봇 역할 두드러질 것
서비스 로봇은 시시각각 변하는 환경을 검출하는 감지기능, 로봇자체의 동작을 검출하여 실시간으로 피드백 제어하는 기능, 인간의 동작·지시, 주변 환경에 따라 행동하는 기능이 필요하다. 가정용 서비스 로봇의 경우, RFID(Radio Frequency Identification)나 바코드를 기초로 프로그램을 다운로드받아 네트워크로부터 센서정보를 이용하여 동작한다. 2055년에 일본은 65세 이상의 인구비율이 40%, 1990년생 여성이 손자/손녀를 갖지 않을 확률은 50%로 추정되고 있다. 이에 따라 GDP에 반영되지 않는 가정 내 활동(Home Production: 세탁, 식기세척 등)의 생산성 향상을 위해서 로봇의 역할이 효과적일 것으로 판단한다.
로봇기술은 일본이 높은 경쟁력을 보유하는 분야다. 일본은 가정용 로봇에서 40대는 가사와 자녀교육의 부담경감, 70대는 건강과 체력부담을 덜어줄 목적으로 구입의욕이 있고, 1대당 판매 가격이 100만 엔의 경우, 수요는 약 1,080만대, 시장규모는 10.8조 엔인 것으로 조사되었다(Dentsu(연)).
MEMS란? 초소형 시스템이나 초소형 기계를 의미
MEMS란 Micro 시스템, Micro 머신, Micro 메카트로닉스 등의 동의어로서 혼용되고 있으며 번역 하면 초소형 시스템이나 초소형 기계를 의미한다. 아직까지 정식으로 논의 되어 선정된 단어는 없지만 현재 선도 기술 사업으로 진행되고 있는 기술개발 과제명은 초소형 정밀기계 기술개발 이라 부르고 있다. 현미경에 의하지 않고서는 형체를 알 수 없을 정도로 작은 기계가 공상소설의 영역을 벗어나 이제 현실공학의 새로운 분야로 정착 되었다. 한마디로 말해 개미와 같은 Micro 로봇을 인공적으로 만들어서 미소한 운동이나 작업을 시키려고 하는 것이다. 즉 개미의 눈이나 촉각에 해당하는 각종 Sensor, 뇌나 신경에 해당하는 논리 회로, 팔과 다리에 대응하는 Micro Mechanism, 그것을 움직이게 하는 Micro Actuator를 하나로 하는 시스템을 일컫는다. 크기는 수mm에서 수nm까지에 이르며 수cm크기라 해도 Micro Machine이라고 불리는 경우도 있다.
Micro Machine의 아이디어가 제창된 초기에는 혈관 내를 돌아다니면서 환부를 치료할 수 있는 기계에 대한 구상도 있었다. 허나 지금 기존의 기계를 단순히 축소해야 Micro Machine이 되리라는 생각은 이제 과거의 것이 되었다. MEMS란 Micro Machine이 느끼고 생각하며, 운동 하는 시스템을 일컫는다.
MEMS 디바이스 로봇기술의 핵심요소로 기여
서비스 로봇은 안전성, 신뢰성과 저렴한 가격이 필요하다. 이를 위한 로봇기술이 실제 세계에서의 인식기술이며 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 디바이스가 핵심요소기술로서 기여할 수 있다. MEMS 기술을 이용한 센서는 안전과 신뢰성향상에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 소형경량화와 저렴한 가격을 실현할 수 있기 때문이다.
로봇에 요구되는 중요한 기능의 하나가 ‘조작(Manipulation)’이다. 로봇팔의 손바닥이나 손가락에 역각(力覺), 촉각, 미끄럼감각을 갖는 센서를 분포시켜 놓으면 감각 피드백을 갖는 유용한 조작이 실현된다.
예컨대, MEMS 촉각센서는 면 방향을 지나 작용하는 압축방향의 힘뿐만 아니라 전단방향의 힘도 측정할 수 있다. Tokyo대학 MEMS 연구팀은 곤충의 꼬리부분에 달린 감각모(털)의 작동원리를 이용하여 MEMS 가공기술로 촉각센서를 개발하고 있다. 2족 보행로봇이나 도립 진자형 이동로봇이 정지 상태에서는 가속도계와 경사계가 나타내는 방향이 중력방향이지만 로봇이 가속도운동을 할 때에는 중력가속도와 로봇의 가속도를 분리하는 것이 큰 과제다. 또한, 현재 MEMS 가속도센서의 치수나 자이로센서의 드리프트(Drift)를 작게 하는 것이 센서탑재의 과제다.
가정, 사무실, 도로에서 로봇이 이동할 때에는 환경지도를 작성한다. 현재는 레이저로 스캐닝 하여 거리를 측정하는 레이저 레인지 파인더(Laser Range Finder)가 이용되고 있다. 그러나 현재의 상태로는 고가여서 현실성이 없다. 레이저 스캐너의 소형화 및 코스트다운, TV카메라 등의 시각 디바이스를 레이저 거리계측에 병용하는 기술개발이 필요하다.
MEMS는 사람과 로봇의 인터페이스에도 활약 중
센서 이외에도 사람과 로봇의 인터페이스에 MEMS가 이용된다. 예컨대, 미끄럼 감각 등을 이용한 입력과 촉각에 의한 정보제공, 3차원 입체에 의한 시각정보제공 등이 고려될 수 있다. 또한, 액추에이터로서 레이저광을 스캔하는 기능의 MEMS 액추에이터, 렌즈의 초점제어 액추에이터에도 MEMS가 이용될 수 있다. 이미 양산화과정에 있는MEMS 가속도센서는 앞으로 제품이나 산업용 로봇에의 대규모 채용단계를 지나 서비스로봇 디바이스로 이용될 것이다. 촉각 센서나 레이저 레인지 파인더와 같이 새로 연구개발이 필요한 것은 벤처기업 등에서 연구개발해야 할 것이다.
가속도·각속도 등 역학적 양이나 빛으로 볼 수 있는 거리는 사람이 느끼는 감각이며, 사람과 동일한 장소를 공유하는 로봇의 안전성과 신뢰성을 위해 필요한 계측대상이다. 한편, 맛이나 향기와 같은 화학량은 계측할 수는 있어도 로봇센서로서는 미래의 과제다. 소형이면서 저렴한 화학량센서는 향후 꿈의 디바이스다. 질이 높은 정보의 감지능력(센서기능)은 로봇의 기능향상에 반드시 필요한 과학기술이다.
