로봇공학을 하려면 무엇을 배워야 할까-하드웨어 이야기
로봇공학(하드웨어 관점)의 자세한 분류
지난번 글에서는 로봇공학이 무엇인지 알아봤다면 이번 글에서는 로봇공학을 배우려면 어떤 것을 배워야 하는지 알아보려고 합니다. 근데 지난번 글을 보면 알 수 있듯이 사실 로봇공학은 너무나도 많은 내용들을 포함하고 있어서 로봇공학 자체를 배우면 무엇이든지 할 수 있는 만능캐(?)가 될 수 있을 텐데요. 현실적으로 로봇공학을 포함하는 모든 내용을 알기에는 쉽지 않죠.
그래서 현실적으로 로봇공학을 하기 위한 하드웨어 / 소프트웨어 크게 두 개 분류로 나눠서 정리해 보겠습니다.
로봇공학 - 하드웨어
로봇의 특별한 점은 하드웨어가 반드시 있어야 한다는 점인데요. 여기서 하드웨어라고 함은 Actuator, Appearance, Circuit, Sensor 이런 것들을 의미합니다.
- Actuator : 동력 장치, 보통 힘을 낼 수 있는 모터를 의미
- Appearance : 재료를 가공하고 모터의 형태를 고려한 로봇의 형체를 만들어줄 수 있는 가공된 외관을 의미
- Circuit : 동력 장치를 움직이게 할 수 있는 회로를 의미
- Sensor : 물리적인 신호를 전기적인 신호를 변환할 수 있는 장치를 의미
위 네 개의 파트가 조립되어야 비로소 로봇의 하드웨어가 만들어집니다.
Acuator, Appearance, Circuit, Sensor 만을 담당하는 사람이 따로 존재할 정도로 각각의 파트는 많은 노하우와 전공 지식을 요구합니다.
로봇공학 - 하드웨어 - Actuator
동력을 낼 수 있도록 하는 Actuator의 종류는 정말 여러 가지가 있습니다. 크게 2개의 동력 방식이 있을 텐데요. 바로 전기와 공압입니다.
전기 공압의 비교 (FIRGELLI AUTOMATIONS)- 전기류 : DC, BLDC, AC 모터 등
- 공압류 : 공압, 유압
전기류는 전기를 이용해서 동력을 전달하는 방식
공압류는 공기나 기름을 이용한 매질을 통해 동력을 전달하는 방식
액츄에이터를 개발하는 사람이 되고 싶은 분들은 전기류 혹은 공압류 액츄에이터를 만들 수 있는 연구원이 될 수 있을 겁니다. 전기류라면 전자/전기의 지식이 필요할 테고, 공압류라면 재료/유체에 대한 지식이 많이 필요하겠죠.
로봇공학 - 하드웨어 - Appearance
로봇 하드웨어 중에서 Appearance는 모터의 모양과 재료의 특성을 고려하여 공학적으로 혹은 미관적으로 설계하는 영역입니다. Appearance라고 하는 단어는 사실 로보틱스 쪽에서 많이 쓰이지 않는 용어이긴 한데, 일단 이렇게 명명하겠습니다 ㅎ
한양대 에리카 홍보 로봇위 로봇은 한양대 에리카 홍보 로봇입니다. 한재권 교수님과 주식회사 에이로봇의 합작인데요. 로봇을 보시면 외관적으로 귀여우면서도 로봇의 형태를 유지하고 있습니다. 그리고 로봇 내부에는 보이지 않는 회로들이 존재하죠.
크게 두 가지 관점으로 로봇의 형태를 바라봐야 할 것 같아요.
- 미관 : 디자인 관점에서 보았을 때, 얼마나 아름다움을 보여주는가
- 공학 : 공학 관점에서 보았을 때, 에너지 효율 혹은 로봇이 움직임을 방해하지 않는 선에서 설계되었는가.
위에서 저는 공학적인 부분을 고려해야 할 때, 특히나 재료 역학적인 부분을 고려해야 하는데요. 엑츄에이터가 낼 수 있는 힘과 링크들의 무게가 고려되었는가? 링크의 무게가 너무 무겁다면 엑츄에이터는 고장이 나겠죠. 그리고 너무 가볍게만 만든다고 하면 로봇이 반복 작업을 수행했을 때, 프레임이 휘거나 영구적으로 사용하지 못할 것입니다.
개인적으로 Naver Labs에서 만든 엠비덱스라는 양팔 로봇이 공학적인 설계가 잘 적용되었다고 생각합니다.
https://www.youtube.com/watch?v=BRpUcKsvr4I
위 로봇 메커니즘에 대해서 자세한 내용을 알고 싶은 분들은 아래 논문을 참고하시면 좋을 것 같아요.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0957415820300787
로봇의 Appearance을 개발하고 싶으신 분들은 미관적으로 그리고 공학적인 지식이 필요합니다.
로봇공학 - 하드웨어 - Sensor
로봇 하드웨어 중 센서는 내가 계측하고자 하는 물리적인 신호를 전기적인 신호로 변환하는 장치입니다. 이 부분은 전자/전기 영역도 중요하지만 실제 환경에서 상호작용을 하는 하드웨어도 중요합니다.
센서가 데이터를 받아오는 과정위 그림은 센서가 외부 환경에 반응하여 디지털 값으로 변환되는 과정을 그린 것입니다.
저기서 센서라는 큰 박스가 센서에서의 하드웨어를 의미하는데요. 센서도 여러 가지 센서가 있지만, 제가 생각했을 때, 하드웨어를 다소 고려해야 하는 센서는 F/T 센서일 것 같습니다.
F/T 센서는 Force, Torque의 약자로 힘과 돌림힘을 측정할 수 있는 센서입니다. 이 센서의 핵심은 재료의 변형률을 이용하여 즉, 변형 정도를 측정하여 힘을 측정합니다. 후크의 법칙을 이용하게 됩니다. F=kx에서 x 변위 값을 계산하고, k 값은 설계자가 어떤 모양으로 어떤 재질로 할지에 따라서 달라집니다. x 값을 알고 있다면 F를 계산할 수 있겠죠.
여기서 핵심은 (1) 센서의 형태가 영구적으로 유지되면서 (2) 변형이 지속적으로 될 수 있도록 설계하는 것입니다. 기계공학과에서 배우는 정역학, 재료역학이 매우 중요하겠죠.
로봇공학 - 하드웨어 - Circuit
로봇 하드웨어 중 회로는 액츄에이터용과 센서용 두 개로 나눌 수 있을 것 같아요.
- 액츄에이터용 : 전기를 공급함으로써 액츄에이터를 구동. 과전압, 과전류가 흐르지 않도록 회로 설계 필요.
- 센서용 : 소자에 전기를 공급함으로써 외부 환경과의 인지 변화 값을 전기 신호로 바꾸는 역할. 아날로그와 디지털 신호가 제대로 분리될 수 있도록 설계 필요 (아날로그는 노이즈에 취약하기 때문에)
위 그림을 보면 전원, 저항, 다이오드, 콘덴서, 트랜지스터, 스위치, LED 같은 소자들이 연결되어 있는 것을 볼 수 있는데요. 각각은 전류를 낮춰주거나 전원이 안정적으로 공급해 준다거나 전류의 흐름을 스위치 해준다거나 확인용으로 빛이 발광한다거나 하는 기능들을 담당합니다.
위 내용들은 전자/전기에서 다루는 내용들을 알아야 할 수 있겠죠?
정리
로봇 하드웨어의 분류오늘 글에서는 로봇 하드웨어에 대해서 분류를 하였고 각각 어떻게 분류가 되고 각각에 대해서 어떤 일들을 할 수 있는지에 대해서 알아보았습니다.
결론적으로는 위 내용들을 하나씩만 알아도 벅차긴 한데, 로보틱스 하드웨어 중 하나라도 알고 있다면 로봇공학을 포함한 여러 어플리케이션(로봇, 선박, 자동차, 자동화 기계 등)들을 만드는 일에 종사할 수 있겠네요.
원래 소프트웨어에 대한 내용도 함께 다루려고 했는데,, 생각보다 양이 많아져서 소프트웨어는 다음 주에 연재하도록 하겠습니다 ㅎ
