Robot Component Story
※자료 : 광주과학기술원 기전공학과 박기환 교수
주변 물체와 충돌 없이 원하는 목적지까지 도달
절대거리 스캔센서 ‘레이저 레인지 파인더’
지능로봇에 대한 관심과 그 시장은 점차 넓어질 것이라는 예측이 늘고 있지만, 자동항법을 위한 센서 및 액추에이터 등의 부품 가격이 높아 적용기술 사용으로 이어지지 않는 아이러닉한 현상으로 인해 국내 지능로봇 시장은 크게 활성화되지 못했다. 하지만 최근 개발된 ‘레이저 레인지 파인더’의 등장으로 연구자들에게 저렴한 가격으로 제공될 수 있어, 국내 로봇의 연구 및 시장이 활발해질 조짐을 보이고 있다. 주변 물체와의 충돌 없이 목적지까지 도달한다는 절대거리 스캔센서 ‘레이저 레인지 파인더’에 대해서 살펴보도록 하겠다. <편집자 주>
·방향성과 측정거리 및 분해능 우수
홈 로봇과 지능로봇 등이 인간과 같이 자유롭게 움직이기 위해서는 로봇의 절대 위치를 파악하여 주변의 물체와 충돌하지 않고, 원하는 목적지까지 도달하는 로봇 항법 기술이 필요하다. 레이저 레인지 파인더는 이 같은 로봇항법을 위해 로봇과 주변 물체와의 절대거리를 알려주는 장치로 기존의 초음파 센서나 적외선 센서보다 방향성과 측정거리 및 분해능이 우수하다.
·‘레이저 빔’을 이용한 두 가지 방식
‘레이저 레인지 파인더’는 기준신호와 물체에 반사되어 돌아오는 레이저 광 신호간의 비행시간이 거리에 따라 변하는 원리를 이용한다. 레이저 빔을 아주 짧은 펄스 신호로 만들어 레이저 빔의 비행시간을 측정하는 방식과 레이저 빔을 사인파와 같이 연속 신호로 만들어 반사하여 돌아오는 신호와의 위상 차이를 측정하는 두 가지 방식이 사용되고 있다.
첫 번째 방식은 장거리 측정에 유리하여 군사용으로 많이 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 펄스 계수(pulse counting) 방식을 사용하여 10mm 거리 분해능을 얻기 위해서는 30GHz의 펄스 계수기가 필요한데, 구현하기가 현재로서는 거의 불가능하다.
두 번째 방식은 단 중거리 방식에 유리하여 로봇항법 외에도 자동차간 거리, 기계 부품의 3차원 형상, 토목 건축물 측량, 조선 항만에서 사용되는 기중기의 높이 측정 등 최근 다양한 분야로 응용범위를 넓혀가고 있다. 특히, 이번에 화재로 소실된 숭례문과 같은 문화재 건축물의 복원을 위한 형상 측정 등과 같은 건축물의 3차원 표면 형상 측정에서도 그 중요성이 증대되고 있다.
·레이저 레인지 파인더의 구조와 원리
<그림1-1, 1-2>는 기준 신호와 반사하여 돌아오는 신호의 위상 차이를 분별하여 거리를 측정하는 레이저 레인지 파인더의 구조와 원리를 보여준다. 변조된 레이저 빔 신호와 주위 물체에 반사되어 돌아오는 검출신호간의 위상 차이 에 의한 거리 는 다음과 같다.
여기서 
는 빛의 속도, 는 변조 주파수를 나타낸다.
수식 (1)로부터 더 높은 거리 분해능을 얻기 위해서는 레이저 빔을 고주파로 변조할수록 거리 분해능이 좋아진다는 것을 알 수 있다. 그러나 고주파에서의 신호 증폭은 용이하지 않아 증폭이 용이하고 저주파 잡음 등에 의한 영향이 적은 대역을 찾아, 보다 좋은 잡음 대비 신호 비를 유지할 수 있도록 하는 게 중요하다.
이번에 국내에서 로봇 항법용으로 처음 개발된 레이저 레인지 파인더는 이와 같은 변조 복조과정을 다단으로 하여 기존의 방법에 비해 장거리 측정에서 보다 좋은 분해능 성능을 얻게 하였다.
개발된 레이저 레인지 파인더는 물체의 색깔과 반사도에 관계없이 스캐너가 360도 회전을 하며, 최대 측정거리 50m, 측정 분해능은 10m, 거리측정에 1cm 정도로 외국제품과 동등하거나 우수한 성능을 보이고 있다. <그림2>는 개발된 이동로봇에 장착된 레이저 레인지 파인더의 실물을 보여준다.
<그림3>은 개발된 레이저 레인지 파인더로 주변 물체와의 거리정보로부터 얻은 맵(map) 데이터를 보여준다. 로봇은 이와 같은 맵 데이터로부터 주위와 어느 정도 떨어져 있고, 앞의 물체가 무엇이며, 로봇의 위치가 어디인지를 알 수 있어 주변의 물체와 충돌하지 않고 원하는 목적지까지 도달할 수 있게 된다.
·국내 지능로봇 시장 활성화 기대
아직까지 국내 지능 로봇 시장이 크게 활성화가 되지 못하고 있는 이유 중의 하나는 자동항법을 위한 센서 및 액추에이터 등의 부품 가격이 높아서 실제 제품 적용기술로 사용되지 못하고 있고, 이로 인해 로봇의 지능이 아직 낮을 수밖에 없다는데 있다. 이에 따라 이 장치가 국내 로봇 관련 연구자들에게 저렴한 가격으로 제공될 수 있어, 국내 로봇 연구 활성화 및 로봇 시장 확대에 크게 기여할 것으로 기대된다.
향후 측정거리와 분해능을 조절하여 기계, 자동차, 토목, 조선 산업에서 사용할 수 있는 광 영역 레인지 파인더도 개발할 계획이다. 개발된 제품은 지스트 기전공학과 실험실 벤처회사인 엠포시스(주)(www.em4sys.com)를 통해 올 하반기부터 상품화될 예정이다.
●● 광주과학기술원
첨단과학기술의 혁신을 선도할 고급 과학기술 인재를 양성하기 위해 광주과학기술원법(법률 4580)을 근거로 1993년 11월 17일 설립되었다. GIST(Gwangju Institute of Science and Technology)라고도 한다. 대학원 과정만 있다가 2008년 5월에 ‘광주과학기술원법 개정 법률안’이 국회에서 가결되어 학사 과정을 개설할 수 있게 되었다. 2010년에 학사과정 개설을 목표로 하고 있다.
주요 기능 및 사업은 ▷소수정예주의에 입각한 석·박사 과정만의 이공계 연구중심 대학원으로써 첨단과학기술 혁신을 선도할 우수 과학기술 인재 양성 ▷첨단과학기술 분야의 5개 학과를 개설하여 첨단과학기술 이론 창출 및 연구개발 ▷광전자산업 육성 등 지역발전을 위한 산학협력 활성화로 국토균형 발전을 도모하기 위한 광주 첨단과학산업단지 활성화 및 지역산업체와의 산학협동 등이다.
모든 과목은 영어로 강의하며, 교수 대 학생 비율이 1:5 이하로 개인지도 형식의 소수정예주의 교육이 이루어진다. 또 교수의 개별적인 연구보다는 과제와 팀워크 중심의 공동 대형 연구를 수행하여 여러 학과의 교수와 학생들이 함께 참여하도록 하고, 이론 위주의 교육보다는 학생을 일정 기간 산업체에서 실습하게 하는 실기 위주의 교육을 실시한다.
-연혁-
1992년 03월 26일 광주과학기술원 설립추진단 구성
1993년 08년 05일 광주과학기술원법 제정, 공포 (법률 제4580)
1993년 10월 06일 광주과학기술원법 시행령 제정, 공포 (대통령령 제13988호)
1993년 10월 11일 초대원장 하두봉 박사 취임 및 기공식 거행
1993년 11월 17일 법인설립등기
1995년 03월 09일 개원식 및 제 1회 석사과정 입학식
1997년 03월 04일 제1회 박사과정 입학식
1998년 01월 22일 제2대 원장 김효근 박사 취임
2002년 02월 16일 제3대 원장 나정웅 박사 취임
2004년 03월 26일 원명 GIST(Gwangju Institute of Science and Technology)로 변경
2006년 02월 16일 제4대 원장 허성관 박사 취임
2008년 06월 04일 제5대 원장 선우중호 박사 취임
2008년 08년 20일 제12회 학위수여식 (졸업생 누계 : 석사 1,832명, 박사 422명)
