로봇기술 매거진 월간 로봇뉴스 - 로봇기술

참을 수 없는 ‘로봇부품’의 중요성
더욱 인간답게… 로봇에게 오감(五感)을 부여하다

■ 로봇에 들어가는 부품

· Vision

로봇 비전은 사전적으로 ‘3차원 인식이나 동화상 인식을 응용한 로봇의 시각 기구’라는 의미를 갖는다. 또한 이 기술은 직사각형이나 원과 같은 단순한 대상물은 인식할 수 있지만 복잡한 형상에 대해서는 충분한 인식을 하지 못한다고 나와 있다. 그렇다면 여기서 비전에 대해 조금 더 깊게 살펴보도록 하자.
비전의 종류는 스마트 비전, 3D 비전, 라이스캔 카메라, 디지털 기가비트 이더넷 카메라, 비전센서 등 다양하다.
일명 스마트 카메라라고 하는 ‘스마트 비전’은 카메라 렌즈는 물론 C마운트, 조명, 조명 컨트롤러 등 기능이 1개의 제품으로 모아진 All in One 방식 때문에 인기를 끌고 있다. 이 스마트 비전은 이전의 프로세싱 과정에 비해 처리한 결과가 영상 처리 프로세서에 내장되어 편리함을 더한다는 장점이 있는 반면, 검사하고자 하는 개수, 면적, 크기, 색깔 등 특정한 영역으로만 기능이 제한된 상황이라는 아쉬움이 있다.
‘3D 비전’은 대표적인 방식으로 2가지가 있는데, 2개의 카메라를 이용하는 스테레오 방식과 비행시간 측정방식을 들 수 있다. 거리를 알고 싶을 때 사용하는 전자는 2개의 카메라가 같은 대칭점을 바라보며 생기는 각도차를 이용한 ‘삼각측정의 원리’를 이용하고 있고, 파장이 짧을수록 좋은 후자는 대부분 초음파센서, 레이저, 적외선 등을 이용할 수 있다. 초음파 센서의 경우 직진성이 낮아 사용이 적은 편이고, 직진성이 좋은 레이저의 경우 제조용 로봇에, 레이저보다 안전한 적외선은 서비스용 로봇에 적용될 수 있다.
최근의 선진적인 제품 중 하나인 ‘라이스캔 카메라’는 로봇에 적용되면서 ‘컬러인식’이 가장 중요한 기능으로 꼽히고 있다. 범용화 된 카메라로 인해 가격이 저렴해져 이를 활용한 어플리케이션도 증가했다고 볼 수 있는데, 모노톤의 기존 카메라가 ‘인식’만 하던 것과는 달리, 사람의 역할을 ‘대신’하기 위해서 컬러인식에 대한 요구가 높아지는 것은 당연하다.
또한 ‘디지털 기가비트 이더넷 카메라’는 기가비트 이더넷을 채택한 카메라로 ‘GigE(기가비트 이더넷)카메라’라고 불리며, 국내 시장에 빠르게 퍼지고 있는 제품 중 하나로서, 다른 어떤 디지털 인터페이스의 카메라보다 품질 면에서 우수함을 자랑한다. 800MB/s대의 Bandwidth에 비해 상대적으로 낮은 100MB/s대이지만, 실제적으로 대부분의 어플리케이션에서는 30~50MB/s 정도의 속도로도 충분한 머신비전의 실정에 의외로 적합한 표준으로 받아들여지고 있다. 다양한 어플리케이션으로 유럽에서 활발하게 응용되고 있고, 네트워크 기능을 요하는 로봇분야에서도 관심을 받고 있다.
마지막으로 비교적 저렴하면서 구조가 간단하고 사용하기 편한 ‘비전센서’는 계측기능은 없고 유무 및 불량 판별기능만을 필요로 하는 수요에 적합한 제품이다.

· Sensor
로봇은 산업용 로봇과 개인용 로봇으로 구분되고, 산업용 로봇은 제조업과 비제조업으로 나뉘고 개인용 로봇은 가사용, 생활지원용, 여가지원용, 공공복지용으로 나뉜다. 센서는 이러한 로봇 중 어느 분야에 사용 되냐에 따라 그 개념이 달라진다. 제조업 로봇의 경우 주로 고정거치형이며 직교, 다관절 로봇이 주종을 이루며, 엔코더 및 가속도 센서, 리빗센서 등이 주로 사용된다. 이 로봇에서는 정밀 기구물 및 모터가 중요부품으로서 첨단센서에 대한 추가 수요는 적은 편이다. 그러나 비제조업 로봇의 경우 고정거치형보다는 비정형 궤도에 따르는 이동형 로봇이 주로 사용된다. 또한 적용 목적에 따라 환경요인이 워낙 다양한 관계로 일반적으로 다루기가 어렵다.
개인용 로봇은 인간의 생활을 보조하거나 대체하는 것을 주목적으로 하는 로봇으로서 인간이 갖는 환경인지 기능, 인간의 감정, 건강상태의 파악 등이 요구된다. 따라서 모든 종류의 센서 등이 경우에 따라 요구될 수 있다.
현재 가장 활발히 연구 또는 사업화되는 청소, 경비, 의료로봇을 중심으로 정리해보면, 이동기능을 갖는 자기위치 인식센서, IMU 센서, 충돌방지 센서와 상황판단에 사용되는 비전센서와 축감센서, 온도센서, 환경 센서 등이 주로 연구개발 또는 사용되고 있다.

· Motor
모터는 전기에너지를 기계적 운동에너지로 변환시켜주는 구동부품으로써 소형정밀 OA 기기로부터 산업설비에 이르기까지 산업 각 분야에서 다양하게 사용되고 있다. 일반적으로 이야기하는 범용 모터는 사전적 의미로 ‘전기에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치’로 물체를 회전시키거나 움직임을 부여하는 용도로 사용된다. 그러나 로봇용 모터는 일반적으로 모터가 하는 회전에 의해 힘을 내는 것뿐만 아니라 ‘위치를 제어’하는 기능이 반드시 수반되어야 한다. 특히, 서비스용 로봇은 산업용과 비교해 상당히 작은 사이즈의 모터를 요구한다.
이전에는 로봇시장이라고 하면 자동차 산업에 주로 사용되는 중대형 산업용 로봇을 중심으로 형성되어 있었고, 이들 로봇의 속도와 위치제어를 위해서 서보모터가 사용되었으며, 이로 인해 자연스럽게 서보모터의 시장은 넓어졌다. 최근까지도 서보모터들은 지속적으로 시장에 모습을 드러내고 있지만, 콤팩트한 외형과 성능향상에 주력하고 있다.
로봇용 모터, 특히 서비스용 로봇에 사용되는 모터는 산업용과 비교했을 때 상당히 작은 사이즈의 모터가 요구되고, 디지털화, 자동화, 소형정밀화 추세에 따라 각종 응용제품의 정밀 구동부품으로서 수요가 지속적으로 증대되고 있으며 고집적화, 고신뢰성, 고응답성의 초정밀 기술이 요구되어지고 있다.

■ 부품이 로봇에서 하는 역할
· Vision이 로봇에서 하는 역할

비전은 로봇에 있어서 인간의 ‘눈’과 같은 역할을 하는 부품이다. 로봇 개발에 있어 로봇비전 기술을 확보하지 않고 경쟁력 있는 제품 개발은 불가능한 것이기 때문에 그 중요성은 점차 확대되고 있다.
특히, 차세대 로봇에 사용되는 필수적인 여러 센서들 중 시각센서는 로봇 지각의 중추적인 역할을 담당한다. 로봇 시장의 확대와 함께 이러한 시각센서를 기반으로 인간과 로봇과의 자연스러운 상호작용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 최근 들어 학교와 연구소를 중심으로 대상물의 3차원 거리 영상정보를 함께 얻을 수 있는 스테레오 비전 처리기술 개발이 활발히 진행되고 있다.

                                                                                                           레이저 스캐너를 이용한 거리측정

· Sensor가 로봇에서 하는 역할
센서는 제조용 로봇과 개인서비스용 로봇에 따라 개념이 달라진다. 제조용 로봇은 주로 위치 제어로 들어가고, 사이즈가 작거나 사물의 유무를 감지하는 단순 센서가 사용되는 것이 대부분이다. 물론, 정밀제어 쪽으로 가게 되면 수준 높은 계측 값들을 측정하지만, 제조용 로봇에 들어가는 센서는 주로 단순하다. 반면, 개인서비스용 로봇에 들어가는 센서는 고차원적으로 그 기능이 단순제어에서 고사양까지 모두 아우른다. 사물의 유무 감정은 기본으로 하면서 실제로 감지되고 있는 물체의 거리 값과 각도 등을 모니터링해서 공간을 인지하는 수준까지 도달한 상태이다.
로봇에 사용되는 센서는 주행식 인지가 특징이다. 로봇에 눈이 없다 보니 눈의 역할을 대신 해주는 것이다.

· Motor가 로봇에서 하는 역할
산업용 로봇에서 모터는 로봇이 갖는 유연성을 진동 없이 유지하면서, 순조롭게 이동하기 위한 역할을 수행한다. 로봇에 사용되는 모터는 소형·경량의 서보 모터 요구되고, 최근에는 다이렉트 드라이브를 적용하는 모터는 반도체 제조장치 CMP(Chemical Mechanical Planarization)의 구동용 등으로 용도가 확대 중이다.
전반적으로 볼 때, 최근의 모터기술은 제어기술, 센서기술, 제조기술, 재료기술의 발전과 고정밀화, 초소형화, 대용량화, 시스템자동화, 메카트로닉스화 등의 산업수요와 결부되어 모터자체의 개량뿐만 아니라 센서의 고분해능에 의한 고정밀·초정밀 위치결정이 달성되고 있는 단계이다. 또한 압전 액추에이터 등에 의해 STM, AFM 등 현미경이 나노미터 단위의 변위제어가 가능한 시대로 진입하고 있다.

■ 로봇부품 시장의 트렌드

· Vision의 트렌드
비전 기업에 따르면, 전문 서비스 로봇 시장이 기대만큼 확대되지 않은 상황에서 비전의 가장 큰 시장은 고급형 청소형 로봇시장이다. 하지만 현재 사회 안전과 보안 차원에서 비전의 개발이 활발하게 이뤄지고 있고, 제조용 로봇에서는 검사용 비전 분야의 시장이 빠르게 성장하고 있는 추세이다.
특히, 현재 센서는 시각센서와 거리정보를 동시에 가능케 하는 기술과 복합 센서가 개발되고 있다. 또한 인간의 눈과 같이 거리를 측정하는 스테레오 비전 기술 분야도 SoC화되고, 줌이 장착된 고해상도 모듈도 개발되고 있는 추세이다.
최근의 로봇 비전은 고해상도로 변화하고 고정초점에서 줌으로 바뀌어 사물을 정확하게 볼 수 있을 뿐 아니라 크기도 소형화되어 효율적으로 설치할 수 있다.
현재 이동형 로봇에 탑재할 비전을 개발 중이라는 삼성테크윈은 서비스용 로봇에 탑재될 비전 눈에 대한 개발을 올 연말까지 마무리할 계획이라고 밝혔다. 이 외 국방용은 전천후를 인식해야 하기 때문에 열상으로 들어가는 비전시스템이 사용된다.

· Sensor의 트렌드
최근 센서 시장의 이슈 중의 하나는 반도체 응용제품기업 바른전자가 에스엠엘전자 센서사업부를 36억 원에 인수키로 했다는 것이다. 에스엠엘전자는 서울대학교 벤처회사로 가속도센서 등 센서 분야에서 핵심 원천 기술을 다수 확보하고 있으며, 최근에는 3축 가속도센서도 국산화했다.
바른전자 측은 “에스엠엘전자로부터 움직임 충격 기울기 등을 인식해 휴대전화 등 전자기기를 조작(UI)하거나 낙하 등 충격을 감지하는 기능을 하는 가속도센서 기술과 인력을 비롯, 관련 국내외 특허권과 실용신안권 등 총 48건을 인수키로 했다”고 말했다. 이어 “가속도센서는 닌텐도 위(Wii)와 소니 플레이스테이션(PS3) 등 게임기, 미국 애플 아이폰 등에 적용된다”고 덧붙였다.
바른전자는 내년부터 가속도센서 제품을 판매함으로써 휴대형기기, 자동차, 로봇 등 가속도센서가 적용되는 분야에서 점유율을 점차 확대해 나가 2011년 이 부문에서만 내수(600억 원) 및 수출(300억 원) 등 총 900억 원 매출을 달성한다는 목표다.
바른전자 관계자는 “사업 양수도로 가속도센서 원천 기술을 확보함으로써 차세대 성장동력인 센서사업과 관련해 설계에서 제조까지 ‘수직계열화’를 이뤄 차별화된 경쟁력을 확보하게 됐다”며 “안정적인 사업 위에 가속도센서를 더하면서 내년부터 사업구조에 큰 변화가 있을 것”이라고 말했다.

· Motor의 트렌드
또한 로봇의 주요부품 중의 하나인 모터를 살펴보면, 드라이브 테크놀로지에 속하는 감속기, 모터, 센서, 제어기에 대한 로봇산업에서의 요구가 지속적으로 증가하고 있음을 알 수 있다.
최근의 모터기술은 제어기술, 센서기술, 제조기술, 재료기술의 발전과 고정밀, 초소형, 대용량화 등의 산업수요와 결부되어 모터자체의 개량뿐만 아니라 센서의 고분해능에 의한 고정밀 위치결정이 달성되고 있다. 뿐만 아니라 압전액추에이터 등에 의한 STM, AFM 등의 최신 현미경과 나노미터 단위의 변위제어가 가능한 시대로 진입하고 있다.
초미세가공을 목적으로 한 마이크로/나노기술 연구에 활용하기 위한 초음파 모터, 압전 모터, 정전 모터 등의 개발도 각국에서 꾸준히 진행 중으로, 실용화는 아직 불확실한 상태이지만 전망은 밝다.
모터 기술은 서보 모터의 대용량화뿐만 아니라 초소형화를 이루는 단계에 이르고 있다. 반도체부품의 소형화와 고밀도 실장기술에 의해 초소형 엔코더의 개발 결과, 연필 크기의 수W의 서보 모터가 실현되고, 초소형 전자부품용 내장형 동력원으로 사용되기 시작하고 있다. 서보 모터의 전반적인 특징은 경량화와 고성능화의 지속적 발전추세이다.

■ 로봇부품, 어디로 가야할 것인가

디지털화, 자동화, 소형정밀화 추세에 따라 각종 응용제품의 정밀 구동부품으로서 수요가 지속적으로 증대되고 있으며, 고집적화, 고신뢰성, 고응답성의 초정밀 기술이 요구되어지고 있다.
로봇부품 기업들은 각각 비전, 센서, 모터, 감속기, 배터리 등 어느 하나 중요하지 않은 부품이 없다며 로봇기술의 핵심이 되는 이 부품들의 중요성을 강조했다. 그들은 선의의 경쟁을 하며 함께 발전하는 것이 가장 이상적이라고 밝히며, 고객의 요구가 바로 발전의 원동력임을 전했다. 현재는 고객주문 형식이 대부분이기 때문에 로봇기업이 순발력 있게 움직일 수 있을 만큼 신생기업이 있진 않지만, 시장규모를 키워 선의의 경쟁을 통한 시장 확장을 더 큰 목적이 있다.
로봇비전은 여러 측면에서 발전을 거듭하고 있지만, 거리 측정 등에 있어 약간의 편차가 있기 때문에 그러한 부분을 극복하기 위한 노력이 우선이라고 할 수 있다. 현재 비전시스템은 실내 환경에서 사용되는 사양은 많이 개발되었지만, 다양한 변수가 존재하고 있는 실외 환경 및 특수상황에서 활용될 수 있는 비전은 부족하다. 즉, 일반적이고 기본적인 비전은 개발되어 있지만, 환경과 관련해서 추가적으로 개발되어야할 요소들이 없는 것이다. 이러한 이유로 비전 기업에서는 이와 관련하여 비전 개발을 지속적으로 해나가고 있다. 그들은 이것을 ‘신기술 알고리즘’이라고 부르면서 실질적으로 목표로 하는 것만 걸러내는 비전의 필요성을 역설했다.
또한 로봇 상호작용을 위한 비전 인터페이스를 연구 개발하는 것이 중요하다. 먼저 기술적 측면에서 기존의 산업용 로봇 기술에 IT 기술, BT 기술을 접목하는 집약형 기술 로봇의 인지, 사고의 두뇌 역할을 하는 생활 지원용 로봇의 핵심 기술이다. 경제·산업적 측면에서는 정보 통신 기술의 복합 기술로서 산업 간 시너지 효과 창출하고, 영상 보안, 무인 자동차, 생체 인식 시장, 엔터테인먼트 시장 등에서의 높은 파급 효과가 크다. 또한 생체 인식 시장을 필두로 객체 추적 및 인식을 바탕으로 다른 시장으로의 기술 접목하는 것이 중요하다.
사회·문화적 측면에서 첨단 기술과 사회 복지의 발달로 로봇기술에 대한 관심 고조되고, 의료 기술의 발달과 고령 인구 증가로 실버산업 및 장애자 복지 시장 증가하며, 9·11 테러 이후 대규모 공공 분야의 보안 및 감시에 대한 관심 고조되었다.
센서에서는 정확한 값을 도출해낼 수 있는 정밀성이 가장 중요한 포인트로, 광학센서의 단점을 보완하고, 각종 오작동을 유발시키는 다양한 외부환경에 유연하게 대처할 수 있는 센서의 개발이 필요하다. 이러한 성능 면에서 부족한 부분을 보완하면서 가격적인 부분에 있어서도 고객과 기업의 입장 차의 조율도 중요하다. 그리고 시장의 확대에 따라 각 나라마다 센서기술을 보유하고 있지만, 그들과의 차별성을 갖기 위해서 하이퍼포먼스에 포커스를 맞춰야 한다는 것이 센서 기업의 공통된 입장이었다. 
센서 중 시각센서는 다른 어떠한 센서보다 환경에 대한 많은 정보를 제공할 수 있어 여러 가지 연구가 진행 중이다. 하지만 인간이 시각을 통해 주변 환경에 대한 다양한 정보를 획득할 수 있는데 반해 아직까지 로봇은 그렇지 못한 실정이다. 영상비전을 활성화시키기 위해서는 주변의 다양한 환경정보 획득의 문제부터 풀어야 할 것이다.
부품 업계에서는 여전히 더 작으면서 더 큰 힘을 내는 부품에 목말라한다. 이는 모터 업계 또한 예외가 아니라, 국내 유명 모터기업도 로봇부품으로 들어가는 제품의 소형화를 추구하고 있음을 밝혔다.

■ 로봇 부품이 차세대 로봇을 만든다.
차세대 로봇의 실용화를 위해서는 스스로 인식하고 판단하여 작업을 수행하는 자율기능, 가정 내의 생활공간에서 인간과 공존하기 위한 대인 안전성의 확보, 인간과의 자연적인 의사소통 기능이 반드시 필요하며 화상인식 기술의 고도화도 필수 불가결하게 되었다. 그러나 인간의 생활공간이라는 동적인 변화가 심한 환경을 인식하여 안전하고도 적절히 행동하기 위해서는 방대한 시판의 편입용 프로세서(processor) 등에서는 불가능한 문제점이 있었다.
독립행정법인 신에너지·산업기술 총합개발기구(NEDO: New Energy and Industrial Technology Development Organization)에서는 ‘차세대 로봇 공통기반 개발 프로젝트’에 있어서 차세대 로봇의 개발을 효율화하고 보급을 촉진하는 공통기반의 정비를 위해 눈이나 귀 등 로봇 주요 부품의 모듈(module)화와 이들을 통합하는 공통화와 표준화의 기술을 개발하였다.
Nakao 등은 이 프로젝트에 있어서 차세대 로봇에 의한 환경인식 처리를 고속화하는 전용의 병렬처리 연산회로를 탑재한 화상인식용 장치(stereo vision LSI: Large Scale Integration)와 이 장치를 탑재한 소형, 저소비 전력의 화상인식용 모듈을 개발하였다. 이에 따라 지금까지 고성능 PC에서만 실현가능했던 화상인식 성능을 가정용 등의 비교적 소형의 로봇에도 적용 가능한 소형, 저소비 전력의 모듈로 실현할 수 있게 되었다.
차세대 로봇을 실 환경에서 안전하게 가동시키는데 필요한 화상인식 기능에 대한 요구로서는 첫째, 자기위치나 환경의 3차원 맵(map) 취득을 위해 생활공간 등의 여러 가지 실 환경 조건 하에서 로봇의 스테레오 카메라 화상을 처리하고 주위의 물체 형상이나 움직임을 실시간으로 계측 가능할 것과 둘째, 인물의 검출 및 얼굴의 등록과 조합, 몸짓 인식을 위한 기본적인 화상처리를 고속화하는 것 등이 중요하다. 이들의 요구를 만족시키기 위해서는 다음과 같은 기본 화상처리 고속화가 필수불가결하다. 첫째, 스테레오 화상처리에 의한 3차원 계측처리 둘째, 시각적 흐름 등의 동적 계측처리 셋째, 조명조건에 따른 계조보정(tone correction)처리, 특징 추출이나 노이즈제거를 위한 각종 필터링(filtering) 처리 넷째, 피부색 분포 등 인간의 특징을 식별하는 색채처리 등이다. 이 LSI에서는 특히 이들의 화상처리에 공통적이고 또한 처리용이 많은 패턴매칭 처리, 특징추출 처리, 필터링 처리, 색채처리의 전용 하드웨어화를 목표로 하였다. 화상인식 모듈은 지금까지 고성능 PC만이 실현가능했던 화상인식 성능을 가정용 등의 비교적 소형의 로봇에게로 편입 가능케 하여 앞으로의 로봇 시장 성장을 가속시키는 커다란 돌파구가 되기를 기대한다.