센서
로봇공학 : James G. Keramas 저서, 이만형. 고경철. 노태정. 박희재. 부광석. 안병하. 이민철. 정원지. 제우성 공역, 사이텍미디어, 2000 (원서 : Robot Technology Fundamentals, Thomson Learning, 1999), Page 151~184.
6장에서는 다음과 같은 사항들을 학습하게 된다.
1. 로봇 센서
2. 센서의 분류
3. 마이크로스위치
4. 반도체 스위치
5. 근접 센서
6. 광전자 센서
7. 회전위치 센서
8. 센서의 용도와 선정
9. 신호처리
10. 센서와 제어의 통합
로봇 센서는 로봇과 그 주변상황에 대한 정보를 감지하여 로봇 제어기로 전달하는 기기 또는 트랜스듀서를 말한다.
센서는 위치, 힘, 토크, 압력, 온도, 습도, 속도 ,가속도, 진동과 같은 물리량을 결정하거나 계측하기 위하여 필요한 출력신호를 발생시킨다. 전통적으로 센서, 액추에이터, 스위치 등은 단순히 기게 성능에 제한을 설정하기 위한 수단으로 많이 사용되었다. 최근의 센서 기술은 기계와 시스템에 대하여 데이터 획득, 감시, 통신, 컴퓨터 제어 등에 핵심적인 요소로 자리잡았다.
센서는 한 물리량을 다른 물리량으로 변환시키는 것이므로 종종 전달한다는 의미를 갖는 트랜스듀서라고도 불려진다. 아날로그 센서는 계측된 물리량에 비례하는 전압과 같은 신호를 발생시킨다. 이 센서를 컴퓨터에 인터페이스하기 위해서는 아날로그 디지털 (A/D) 변환기가 필요하다.
로봇 시스템은 그 주변상황을 감지하고, 평가하고, 판단하면서 상호작용을 할 수 있어야 한다. 그러므로 센서를 완비한 로봇만이 본연의 성능을 충분히 발휘할 것이다.
센서는 로봇에서 다음과 같은 역할을 할 것이다.
1. 작업물의 위치와 방향 (orientation) 을 파악한다.
2. 일관된 생산품질을 보장한다.
3. 작업물의 형상이나 치수의 변동을 발견한다.
4. 미지의 장애물을 식별해 낸다.
5. 시스템의 오동작을 분석하고 판단한다.
일반적으로 생산현장에서 많이 사용하는 센서는 계측하고자 하는 물리량의 종류에 따라 다음과 같이 분류될 수 있다.
a. 기계 - 위치, 형상, 속도, 힘, 토크, 압력, 진동, 질량 등의 계측
b. 전기 - 전압, 전류, 전하, 전기 전도도 (conductivity) 등의 계측
c. 자기 - 자기장, 자속, 투자율 (permeability) 등의 계측
d. 온도 - 온도, 열전달, 열전도도, 비열 등의 계측
e. 기타 - 음향, 근접도, 화학조성, 광전기, 방사 (radiation), 레이저, 광학 시스템(광섬유와 발광 다이오드), 촉각 (tactile), 음성, 시각 센싱과 관련된 계측
또한 센서는 '수행 기능', '감지 위치와 형태', '물리적 활성화' 와 같은 세 범주로 분류할 수 있다.
수행 기능에 따라 센서는 조작 (manipulation) 과 획득 (acquisition) 으로 나누어질 수 있다.
촉각, 힘 센서와 같이 머니퓰레이터에 장착하여 로봇이 주변상황에 대처할 수 있도록 도와주는 센서들은 '조작' 으로 분류할 수 있다. 촉각 센서는 센서와 물체의 접촉을 감지하는 장치이다. 촉각 센서는 접촉 (touch) 센서, 힘 센서로 세분될 수 있다. 접촉 센서는 물체와 접촉이 되었는지 아닌지를 이진 출력신호로 나타낸다. 반면에 응력 (stress) 센서라고도 불리는 힘 센서는 접촉 여부뿐만 아니라 두 물체간의 접촉력의 크기도 제공한다.
로봇이 자체의 현상태를 파악하기 위해 사용되는 센서들은 '획득' 으로 분류된다. 예컨대 이것들은 정보수집 영역 내의 가장 가까운 물체까지의 거리를 계측한다. 위치를 파악할 수 있는 센서의 예로서 그림 2.1 과 같은 Polaroid 사에서 개발된 거리 계측용 초음파 센서를 들 수 있다.
[그림 2.1] 로봇, 보안 시스템, 산업용 제어, 자동차, 액위 계측, 에너지 절약에 응용되는 초음파 센서인 압전트랜스듀서 (Polaroid Corp.의 승인하에 게재)
감지 위치와 형태에 따라 센서는 내부용, 외부용, 인터록 (interlock) 으로 분류된다.
내부 센서는 현재의 상태를 파악하기 위하여 내부적으로 피드백 정보를 사용한다. 산업용 로봇에 처음으로 도입된 이 센서를 햅틱 인지 (haptic perception) 라고 부른다. 이것은 인간이 직접 보지 않고 관절과 근육으로부터의 정보만을 감지하는 근감각 (kinesthesia) 과 동등한 기능을 로봇에 부여한 것이다. 그림 2.2 는 이러한 햅틱 인지센서를 보여주고 있다.
[그림 2.2] 햅틱 인지-인간과 기계의 햅틱은 가상현실 및 원격작업 시스템에서 상호작용을 향상시킨다. (Dr.M. Srinivasan, MIT Laboratory for Human and Machine Hoptics의 승인하에 게재)
현재는 산업용 로봇의 내부 센서는 기계, 전기, 전자, 유압 센서를 사용하여 피드백 정보를 얻고 있다. 이러한 기기들을 폐루프 (closed-loop) 또는 서보제어 (servo control) 시스템이라 부른다.
예컨대 섬세한 회전운동을 계측하기 위하여 회전축에 엔코더 (encoder) 를 사용하고 있다. 또 다른 예로서 0 에서 360° 까지의 회전각도를 직접 읽을 수 있는 절대판독 (absolute-readout) 엔코더 또는 직접판독 엔코더를 사용하는 방법이 있다. 엔코더는 스위치의 여닫음과 같은 디지털 출력을 내기 때문에 로봇의 메모리에 쉽게 저장되고 로봇 제어기에 의하여 간단하게 해독될 수 있다.
[그림 2.3] 직접판독 엔코더
그림 2.3 은 간단한 직접판독 엔코더를 보여주고 있다. 원판상의 각 링들은 바로 안쪽 링보다 2 배 많은 분할을 가지고 있음을 알 수 있다. 원호들을 따라 띠를 디지털로 읽어 들인다고 할 때 한번에 한 분할만큼만 변화되도록 고안되어 있다. 이것은 각 분할의 경계선 부분에서 인접한 두 데이터가 +/-1 분할 이상 차이가 나지 않도록 한 것이다.
펄스판독 또는 증분식 (incremental) 엔코더는 축이 회전함에 따라 펄스가 한 개씩 나오도록 한 것으로 가격이 비교적 저렴하다. 이것을 카운트하면 +/-1 분할의 오차를 갖는 회전각을 알 수 있다. 외부의 카운터를 이용하여 펄스수를 카운트함으로써 현재축의 회전위치를 알 수 있다. 그림 2.4 는 두 개의 센서와 일련의 슬릿창을 갖는 펄스판독 엔코더를 보여주고 있다. 정밀도는 낮지만 저렴한 다른 내부 센서들은 그림 2.5 에서 보는 바와 같은 스트레인 게이지, 전위차계, 동시 작동기 (syncro) 등이 있다.
[그림 2.4] 펄스판독 엔코더; (a) 엔코더 디스크; (b) 센서 90°의 위상차를 가진 두 센서를 이용하여 회전방향을 결정할 수 있다.
[그림 2.5] 염가의 내부 센서: (a) 와이어 접착 스트레인 게이지; (b) 원형 권선형 전위차계; (c) 동시 작동기의 두 회로
외부 센서는 이름이 의미하듯이 로봇 또는 작업셀 내의 공정장비 외부에 장착하는 센서들이다.
외부 센서 중에 일반적인 4가지는 마이크로스위치, 간단한 접촉 또는 촉각 센서, 광전소자, 근접 센서이다.
로봇의 청각, 음성합성, 시각, 촉각 센서의 활용은 아직도 실험단계이다. 음성인식에 관련된 개발은 로봇이 특정한 작업을 하도록 교시할 때 인간이 쉽게 지령을 내릴 수 있도록 하기 위한 것이며 음성합성은 문제가 발생되었을 때 인간에게 경고를 제공하는 것을 가능하게 한다. 시각 센서는 위치 및 정렬 오차를 보정할 수 있으므로 자기 방향보정 (self-orientation) 과 적절한 물체 파지가 용이하도록 한다. 촉각 센서는 로봇이 어느 시점에 물체를 잡아야 하는지 물체의 방향이 어떤지를 파악할 수 있도록 도와준다.
인터록 센서는 어떤 조건이 만족할 때까지 특정작업을 못하도록 하는 역할을 한다. 이것들은 매우 오래된 기기로서 위험한 상황에서 비전문 인력을 보호하기 위하여 사용된다. 몇몇 인터록 센서는 비상상황에서 경보음을 발생시키거나 전원 스위치를 끄지 않고도 운동을 정지시키는 역할을 한다.
인터록 센서는 로봇을 보호하기 위해서도 사용될 수 있다. 그 예로서 제어 시스템에 전원이 가해지기 이전에 제어기 내의 공기압이 어떤 수준까지 상승하도록 하는 것이 있고, 유압유의 압력을 액추에이터가 작동하기 이전에 요구되는 최소의 압력 수준까지 증가시키는 것도 있으며, 유압 시스템을 사용하기 전에 작동유의 온도를 어느 수준 이하로 유지시키는 것이 있다. 로봇이 다음 작업을 수행의 허가를 받기 전에는 전기적인 인터록에 의하여 회로가 열려 있다가 현재 작업을 마치고서야 회로가 닫혀 다음 동작이 가능해진다. 인터록 센서는 전기기계식 또는 순수한 기계식이 보통이다. 이 센서는 외부 센서로 볼 수 있지만 관점에 따라 외부의 개입을 경보할 뿐만 아니라 장비의 상태를 계측한다는 점에서 내부 센서로 간주할 수도 있다.
센서들이 어떻게 물리적으로 활성화되는가에 따라 다음과 같이 접촉식과 비접촉식 (noncontact) 으로 분류할 수 있다.
접촉식 센서는 이름이 의미하듯이 센서가 활성화되기 위해서 물체와 물리적 접촉이 필요한 것이다. 접촉식 센서는 마이크로스위치뿐만 아니라 모든 종류의 촉각 센서를 포함한다. 또한 접촉방식은 직접접촉과 간접접촉이 있고 출력형태는 아날로그와 디지털 신호가 있다.
비접촉식은 물체와의 물리적 접촉없이 물체의 상황을 계측하는 것이다. 이 센서 중에는 한 점에 대한 응답을 계측하는 것과 정보를 얻고자 하는 주변의 점들에 대한 공간 행렬 (spatial array)을 계측하는 것이 있다. 공간상의 정보를 얻는 기기의 대표적 예가 시각 시스템이 될 것이다.
비접촉식 센서를 더 세분화해 보면 적외선, 가시광선, X선 등의 스펙트럼 영역을 계측하는 것이 있다. 이러한 센서는 검사작업, 부품식별 등에 응용될 수 있고 다른 방법으로서 전기장, 초음파, 방사능 등을 사용하는 것들도 있다. 지능 로봇에 사용될 수 있는 각종 센서들의 분류도를 그림 2.6 에 도시하였다. 마이크로스위치, 근접, 광전기, 회전위치 센서 등에 대해서는 다음 절에서 상세히 다루기로 하고 7장에서 시각 시스템을 살펴보기로 한다.
[그림 2.6] 지능형 로봇에 사용될 수 있는 센서의 분류
현실적으로 세서의 출력에 대한 두 개의 주요 분류가 있는데 이산 (discrete) 센서와 콤플렉스 (complex) 센서이다.
이산 센서는 출력이 on/off, high/lo, 1/0 과 같이 두 상태만을 갖는 단순 또는 디지털 센서로 불려지는데 이진 (binary) 소자로 분류된다. 단순 센서 인터페이스는 단순(디지털) 센서로부터의 신호들을 로봇 제어기로 보내는 것을 말한다.
컴플렉스 센서의 출력은 두 상태 이상으로 계측하는 범위 내의 어떤 값을 대표할 수가 있다. 컴플렉스 센서에는 아날로그 센서와 직렬통신 (serial communication) 센서가 있다. 컴플레 센서의 인터페이스는 센서로부터의 신호를 적절한 신호처리와 디지털 변환을 거친 후 제어기로 전송한다.
이 두 형태의 센서는 대부분의 생산 시스템과 인터페이스되어 사용되는데 각각을 접촉, 비접촉, 공정제어 센서 세 가지로 분류할 수 있다.
그림 2.7 에는 이러한 센서 시스템의 블록선도를 보여주고 있다.
[그림 2.7] 센서 시스템의 블록선도
마이크로스위치는 수년간 유연 자동화에 많이 사용되었으며 신뢰성이 높고 자동 로봇 셀과의 인터페이스가 쉬운 기기이다.
마이크로스위치는 작업물이나 로봇 또는 기계에 의하여 작동되어 전기회로를 변화시키는 전기기계 부품이다. 기계의 작동 순간들을 스위치 접점의 여닫힘으로써 포착할 수 있다. 이 스위치의 다양한 종류가 널리 응용되고 있고 매우 중요하므로 이 스위치와 그 접점에 대한 일반적 검토를 다루기로 한다.
이 스위치는 ON 상태에서는 가상적 단락으로 전류를 흘릴 수 있어야 하고 OFF 상태에서는 전류를 완전히 차단할 수 있어야 의미있는 제어 데이터를 제공할 수 있다.
기계식 스위치에서 전류가 차단되는 지점을 접점 (contact) 이라 한다.
기계식 접점의 근본적 문제는 전류가 일단 닫혀진 접점을 통하여 흐르게 된 후 접점이 열려도 계속 흐르려 하는 경향이 존재한다는 것이다. 결과적으로 서로 분리된 접점 사이를 타고 넘어가는 아크 (arc), 또는 스파크 (spark) 가 발생하게 된다. 전류가 크면 클수록 전압이 높으면 높을수록 아크가 발생하는 경향이 커진다.
접점이 열리면서 공기 간극을 넘어 아크가 발생하고 이 아크가 접점의 산화뿐만 아니라 스파크 부식을 유발시킨다. 접점이 다시 닫히게 되면 아크에 부식된 접점표면은 지난번에 닫혔을 때에 비하여 저항이 약간 증가하게 된다.
스위치 동작에 의한 성능저하로 말미암아 기계 스위치 접점이 금방 망가진다는 것을 쉽게 이해할 수 있다. 접점의 수명을 극대화하기 위해서 접점에 금, 백금과 같은 내산화 (oxidation-resistant) 금속을 사용하거나 접촉면적을 넓히고 산화막을 깨기 위하여 ON 상태에서 접점을 짓눌러 압력을 가하는 등의 접점저항을 최소화하는 시도를 하고 있다.
기계적 스위치로 여닫아야 할 두 가지의 기본적인 전기부하 형태가 저항성과 유도성 부하이다. 전등과 히터는 저항성 부하이고 모터와 솔레노이드는 유도성 부하이다.
순수한 저항부하에 직류전류를 흘리는 접점은 회로가 차단될 때 아크가 발생하는 경향이 있으며 이것은 개회로 전압과 회로에 흐르는 전류에 비례한다.
직류가 흐르는 유도성 부하를 여닫을 때의 문제점은 회로를 급작스럽게 열었을 때 매우 높은 서지 (surge) 전압이 발생되어 아크를 증대시킬 뿐만 아니라 같은 회로상의 다른 소자도 파괴시킬 수 있다.
모터, 릴레이, 솔레노이드에 관련된 또 다른 문제는 그들을 기동시킬 때 고전류가 흘러 들어간다는 것이다. 이 초기의 높은 전류는 접점을 용접시키는 현상을 일으키므로 접점을 떨어뜨리기 위해서는 보다 더 큰 스프링 힘이 필요하게 된다.
접점의 아크를 자기적으로 (magnetically) 감소시키기 위해서는 아크의 방향과 반대가 되는 자기장이 발생되도록 접점 부근에 코일을 설치하면 된다. 직류 유도부하 회로에서 발생되는 접점의 아크는 저항, 커패시터, 다이오드 등을 접점과 부하에 병렬로 연결함으로써 감소시킬 수가 있다. 이 소자들에 의하여 유도부하에 의한 서지를 접점이 아닌 회로상에서 소멸시킬 수 있다.
작동되지 않은 스위치의 접점 상태로써 스위치의 형식이 상시 오픈 (NO: normally open) 이냐 상시 클로즈 (NC: normally close) 냐를 결정한다. NO접점은 작동시에 닫히게 (make) 되고 NC는 작동시에 열리게 (break) 된다.
스위치의 극 (pole) 수는 한 작동위치에서 여닫을 수 있는 독립적인 회로의 수를 말한다.
또한 스위치의 절환 (throw) 은 한 극으로 연결할 수 있는 회로의 수를 말한다. 예를 들어, 단일 절환 스위치는 한 위치에서 회로를 닫고 다른 위치에서는 그 회로를 여는 기능을 한다. 이중 절환 스위치는 한 위치에서는 회로 A에 연결되고 B와는 차단되며 다른 위치에서는 그 반대가 된다.
스위치 브레이크 (break) 는 스위치가 한 위치에서 다른 위치로 움직일 때 동일 회로에서 여닫아지는 접점 쌍의 수를 의미한다. 그림 3.1 은 NO, NC,극, 절환,브레이크를 설명하는 접점의 구조들을 도시하고 있다.
[그림 3.1] 전자기식 접점의 구조
그림 3.2 에는 ANSI 에 명시된 몇몇 스위치 접점구조의 기호들을 보여주고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 그 형태에 따라 알파벳 문자를 부여하고 있다. 극의 수, 즉 여닫는 독립적인 회로의 수는 형태문자 앞에 오는 숫자로 표기한다. 그러므로 4A는 4극을 갖는 NO 스위치를 의미한다. 만약 이것이 릴레이였다면 4극 NO접점을 릴레이 코일로 여닫을 수 있는 형태일 것이다. 2C릴레이는 한 쌍의 가동 (transfer) 접점을 릴레이 코일로써 제어하는 형태를 말한다. 가동접점은 평상시에는 A회로에 대하여 닫힌 상태이고 B회로에 대하여 열린 상태이며 기동을 시키면 그 반대가 되는 이중 절환 접점이다. 2C릴레이는 이중 극, 이중 절환 스위치라고도 불린다.
[그림 3.2] 전기계식 접점의 ANSI 기호
로봇 셀에는 다음과 같은 5 형태의 마이크로스위치가 주로 사용된다.
1. 수동 스위치
2. 리미트 스위치
3. 충격 (impulse) 리미트 스위치
4. 리드 (reed) 스위치
5. 압력 스위치
수동 스위치는 수동으로 작동되는 스위치로서 순간 (momentary) 접점과 유지 (maintained) 접점으로 분류된다. 순간접점 스위치는 누름과 토글 (toggle) 스위치 형태가 있으며 기계동작의 기동과 정지용으로 널리 사용된다. 유지접점 스위치는 누름,토글, 슬라이딩 그리고 로타리 스위치 형태가 있다. 접점이 작동된 후 작업자가 손을 떼도 상태가 유지된다. 수동형 유지접점 스위치는 종종 표시등을 가지고 있어 상태가 ON 인지 OFF인지를 나타내준다.
리미트 스위치는 로봇 및 작업셀에 가장 많이 사용되는 선형위치 센서이다. 이 스위치는 기계요소 또는 작업물이 특정 위치에 도달하면 기계적으로 작동되도록 설계되어 있다. 기계요소가 스위치의 작동기에 접촉하여 보통 1개에서 4개의 극을 스위칭한다. 리미트 스위치는 기계의 동작순서를 제어하는 데 이용될 뿐 아니라 기계요소나 작업자가 금지된 위치로 들어가게 될 경우 기계를 정지시키는 보호 역할도 한다.
산업용 리미트 스위치는 대개 먼지, 습도, 인간의 취급 부주의 등으로부터 보호하기 위하여 케이스에 싸여 있다. 표준 내구형 리미트 스위치에 비하여 고내구형 (heavy-duty) 리미트 스위치는 기름에 대한 기밀성 (oil-tight),방청성이 좋으며 더 튼튼하다. 고내구형 리미트 스위치는 일반의 열악한 산업환경에서 사용될 때 고장 없이 2천만회 사용이 가능하다.
표 6.1은 NEMA (National Emergency Medicine Association)에서 정한 리미트 스위치용 외장형태와 각 형태가 지녀야 할 조건들을 열거하고 있다.
표 6.1 NEMA의 스위치 외장 사양
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위험하지 않은 상황에 설치 |
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Type 1 |
For indoor use primarily to provide a degree of protection against contact with the enclosed equipment. |
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Type 3 |
For outdoor use primarily to provide a degree of protection against windblown dust, rain, sleet, and external ice formation. |
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Type 3R |
For outdoor use primarily to provide a degree of protection against falling rain,sleet and external ice formation. |
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Type 4 |
For indoor or outdoor use primarily to provide a degree of protection against windblown dust and rain, splashing water, and hose-directed water. |
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Type 4X |
For indoor or outdoor use primarily to provide a degree of protection against corrosion, windblown dust and rain, splashing water, and hose-directed water. |
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Type 6 |
For indoor or outdoor use primarily to provide a degree of protection against the entry of water during occasional temporary submersion at a limited depth. |
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Type 12 |
For indoor use primarily to provide a degree of protection against dust, falling dirt, and dripping noncorrosive liquids. |
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Type 13 |
For indoor use primarily to provide a degree of protection against dust, spraying of water, oil, and noncorrosive coolant. |
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위험한 상황에 설치 |
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Type 7 |
For use indoors in locations classified as Class I,Groups B, C, or D by the National Electrical Code Group B - Atmospheres containing hydrogen or manufactured gas. Group C - Atmospheres containing diethyl ether, ethylene, or cyclopropane. Group D - Atmospheres containing gasoline, hexane, butane, naphtha, propane, acetone, toluene, or isoprene. |
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Type 9 |
For use in indoor locations classified as Class II Group E - Atmospheres containing metal dust. Group F - Atmospheres containing black carbon, coal dust, or coke dust Group G - Atmospheres containing flour, starch, or grain dust. |
그림 3.3 은 작업셀에서 사용되는 리미트 스위치의 작동기들을 보여주고 있다. 기본적으로 제어하고자 하는 기계요소에 대한 리미트 스위치의 장착위치에 따라 작동기의 형태가 선정된다. 다음과 같은 조건이 만족되도록 스위치를 장착하는 것이 중요하다.
1. 이동 부재가 리미트 스위치를 파괴하지 않도록 한다.
2. 이미트 스위치를 보수하기 쉬운 위치에 장착한다.
3. 사고적 상황에서 리미트 스위치가 보호되도록 장착한다.
4. 절삭 칩 (chip), 습기, 그리스 (grease) 또는 윤활유 등이 작동기에 누적되지 않도록 한다.
[그림 3.3] 리미트 스위치의 작동기
그림 3.4 는 기계적으로 작동되는 리미트 스위치와 함께 사용되는 캠 (cam) 의 적절한 설계를 보여주고 있다. 캠이 부적절하게 설계되면 스위치의 수명이 급격하게 짧아 진다.
[그림 3.4] 리미트 스위치용 캠의 설계 : (a) 50fpm 보다 낮은 속도; (b) 50 에서 200fpm 사이의 속도; (c) 200fpm 보다 높은 속도; (d) 등가속 캠 설계
리미트 스위치의 결함은 주로 반복적인 충격에 의하여 유발되는데 특히 고속의 동작에서는 더욱 심해진다. 그러므로 캠의 선두 (leading) 날은 작동기의 롤러와 적절한 각을 가지고 접촉하도록 설계해야 한다.
작동기 또는 캠에 가해지는 과도한 충격을 피하는 것이 중요한 것처럼 스위치의 롤러가 캠을 타고 올라갈 (override) 때 발생하는 급격한 스프링 복원도 피해야 한다. 어떤 경우라도 스위치의 레버가 급작스럽게 복구되는 일이 없도록 해야 한다. 그림 3.4(d) 와 같이 캠의 후미 (trailing) 날의 표면과 스위치 레버와의 각도가 60° 이내가 되도록 해야 한다. 그림 3.4(a), (b) 와 같은 단방향 레버가 아니라면 오버라이드 (override) 캠을 사용함으로써 복귀시에도 스위치를 동작시킬 수 있다.
리미트 스위치의 접점은 순간접점 또는 임펄스 (impulse) 접점 두 형태가 있다. 임펄스 리미트 스위치는 플런저가 안쪽으로 밀려들어올 때만 ON신호를 발생시킨다. 플런저가 끝까지 도달하면 스위치가 열리게 되며 플런저가 빠져나가도 OFF 상태가 유지된다. 이와 같은 동작은 제어 시스템 설계에서 작동기가 리미트 스위치를 계속적으로 밀고 있을 대 후속적인 동작이 일어나는 문제를 해결시킬 수 있다.
임펄스의 펄스폭은 동작속도의 역수에 비례한다. 대개 신뢰할 만한 동작을 보장받기 위하여 최대속도를 50 ft/min 정도로 잡아야 한다. 스위치 플런저의 이동이 충분하여 스위칭 펄스를 완료할 수 있어야 하며 동시에 너무 이동이 깊어지면 스위치를 손상시킬 우려가 있으므로 임펄스 스위치의 엑추에이터에 대한 상대위치는 매우 중요하다.
리드 스위치는 두 개 이상의 금속띠 (reed) 를 진공의 유리관에 봉입시켜 놓은 구조이다. 이 리드가 서로 겹쳐져 있어 자석을 리드에 가까이 하면 접점이 닫히게 되고 자석을 멀리하면 접점이 열리게 된다. 또한 근접한 코일을 기동시킴으로써도 리드 스위치를 닫을 수 있으며 이를 리드 릴레이라 한다. 그림 3.5 는 NO 의 리드 스위치를 보여 주고 있다. 리드 스위치 자체에 코일을 감아도 리드 릴레이가 되는데 코일에 전류를 가하면 리드가 서로 달라붙으며 전류를 차단시킬 때까지 상태를 유지한다. NC의 리드 릴레이 접점을 만들려면 한쪽에 영구자석을 설치하여 리드가 닫혀 있도록 만들고 반대편에 코일을 동작시켜 기존의 자기장을 상쇄시키도록 하는 방법을 이용한다. 리드 스위치는 일반적으로 모터와 같은 큰 유도부하에 직접 사용하지 않고 다른 제어장치의 신호를 스위칭하는데 주로 사용되고 있다.
[그림 3.5] NO리드 스위치의 구조
압력 스위치는 로봇 셀에서 시퀀스 제어용과 기계 보호용 소자로 많이 사용된다. 기계제어 시스템에서 압력 스위치는 위치 감지용 리미트 스위치와 같은 방법으로 사용되고 있다. 압력 스위치에 의하여 작동력이 압력의 형태로 감지되어 접점이 열리거나 닫히게 된다.
압력 스위치는 구조상으로 리미트 스위치와 크게 다르지 않고 때로는 압력 스위치가 플런저 작동식 리미트 스위치를 내장하고 있는 경우도 있다. 리미트 스위치로 압력 스위치를 만들기 위하여 필요한 것은 압력감응 (pressure-sensitive) 부 (sub) 시스템이며 이것은 접점을 여닫기 위하여 적절한 힘에 대응하는 거리의 행정을 출력할 수 있어야 한다.
다양한 환경조건에 대응하기 위한 NEMA의 외장 규정에 부합하는 압력 스위치들을 구할 수 있다. 이 스위치에는 압력을 감지하기 위한 한 개 또는 두 개의 NPT 포트가 있고 액체 또는 가스에 사용할 수 있다. 만일 주어진 압력차에 의하여 스위치를 작동시킨다면 스위치에 비교하고자 하는 두 압력을 연결하기 위한 두 개의 포트가 필요할 것이다. 반면에 주어진 게이지 압력의 설정값으로 스위치를 동작하게 하는 경우는 한 개의 포트로 유체라인이 접속되면 될 것이다.
압력 스위치는 스위치를 동작하는 액추에이터로서 피스톤, 벨로우즈, 다이어프램 등을 사용하고 있다. 벨로우즈와 다이어프램이 매우 안정적인 밀폐로 유체의 누성을 막기 때문에 가장 많이 사용되고 있다. 벨로우즈나 다이어프램과 같은 감지기는 스위치가 작동되는 압력을 조절할 수 있는 가변 스프링 부하에 의하여 편하중을 받도록 설계되어 이다.
압력 스위치를 사용하면 작업셀의 설계시 발생할 수 있는 기기의 부착문제를 간략화시킬 수 있다. 예컨대 그림 3.6 은 실린더의 입력과 출력 포트의 압력을 감지하는 압력 스위치를 보여주고 있다. 이러한 구성은 두 지점의 위치를 감지하는 리미트 스위치를 대치할 수 있으며 스위치 장착에 따르는 설계상의 제약문제를 극복할 수 있다.그림 3.6 의 스위치들은 일반 리미트 스위치로는 불가능한 부하감지 (load-sensing) 제어 시스템에도 이용할 수 있다. 이 기능은 액추에이터에 인가되는 힘이 최대 허용력 이상이 되면 압력도 설정값 이상이 되어 이 스위치가 닫히고 그 결과 적절하게 설계된 제어 시스템에 의하여 곧바로 후퇴하여 다음 공정 사이클로 진행되는 것을 가능하게 한다.
[그림 3.6] 압력 스위치; (a) Bourdon 투브식; (b) 밀폐형 피스톤식; (c) 다이어-실 (dia-seal) 피스톤식; (d) 다이어프램식 (Barksdale, Inc.의 승인하에 거재)
솔리드 스테이트 (solid-state) 스위치는 다층의 반도체 재료로 제조되어 있다. 입력단에 상대적으로 낮은 전압이 인가되면 출력단이 전류를 차단시키고 (open) 높은 전압이 인가되면 가동 접점이 없이도 출력단이 전류를 흘릴 수 (close) 있다. 솔리드 스테이트 스위치는 기계적 작동 대신에 전기적 신호로 작동되는 것을 제외하면 단극 단절환 (single-pole, single-throw: SPST) 의 기계 스위치와 동등한 기능을 하는 것이다. 솔리드 스테이트 스위치의 동작은 기계적 접점의 스위치에서 수 ms 걸리던 스위치 동작이 수 μs에서 수 ns 범위로 단축된다.
반도체 스위치는 통전 상태, 즉 ON모드에서도 유한한 접점저항을 가지고 있다. 40A 용량의 스위치의 경우 50W 의 전력을 소비하므로 이 소자에 대한 적절한 방열 (heat sink) 또는 냉각대책을 세우는 것이 중요하다. 금속접점과 달리 반도체 스위치는 고온에서의 성능저하나 온도 사이클의 수축 팽창에 의한 피로 파괴 등의 문제로 매우 온도에 민감하다.
또한 솔리드 스테이트 스위치는 과전압과 과전류에 상당히 취약하다. 그러므로 돌입 (inrush) 전류와 유도부하를 OFF로 열었을 때 발생하는 전압의 서지 현상에 대한 보호 회로가 매우 중요하다. 종종 부하를 작동하는 전기기계식 릴레이를 솔리드 스테이트 스위치를 이용한 솔리드 스테이트 제어회로로 구동하는 경우도 있다.
솔리드 스테이트 스위치는 표준 리미트 스위치와 같은 기계적 작동이 없는 센서의 출력용으로 많이 이용되고 있다. 주요 예로서 근접 센서, 광전기 센서, 타이머 등이 있다. 이 센서들은 부하의 용량이 정격을 넘어서지 않는 한 전기기계식과 동일한 방법으로 사용될 수 있다.
근접 센서 (proximity sensor) 는 직선형 위치 센서로서 자동기계에 리미트 스위치와 마찬가지로 사용될 수 있지만 중요한 차이점은 대상물체와 스위치간의 물리적 접촉이 없다는 것이다. 대상 또는 기계 부재가 근접 스위치의 감지영역으로 그림 5.1(a)와 같이 헤드-온 (head-on) 모드나 (b) 와 같이 슬라이드-바이 (slide-by) 모드로 접근한다.
[그림 5.1] 근접 스위치의 설치 방법: (a) 헤드-온 모드; (b) 슬라이드-바이 모드
근접 센서는 일반적으로 외부의 전원공급, 물체의 근접도를 감지하는 아날로그 센서, 아날로그 근접신호를 스위칭 신호로 변환하는 회로, 주로 솔리드 스테이트인 출력 스위치 등으로 구성되므로 단순한 소자가 아니다. 이렇게 복잡하지만 근접 스위치는 지름 3/8에서 3인치 정도 크기의 한 패키지에 모두 집적되어 있다. 리미트 스위치와 동일한 NEMA의 패키지 규정이 근접 센서에도 적용된다.
가장 널리 사용되는 근접 센서는 유도 (inductive) 형이다. 센서 또는 탐침 (probe) 은 센서 전면에 200kHz 정도되는 고주파의 자기장을 형성시킨다. 전기 전도체의 물체가 그 전자기장 안에 들어오면 물체에 와전류 (eddy curent) 가 발생하게 되고 이 와전류가 다시 자기장을 왜곡시키게 되고 이를 센서가 감지하게 된다.
유도형 근접 센서는 대개 금속류와 같은 전기 전도체의 대상물체에만 적용할 수 있다. 감지범위는 0에서 1인치 정도이며 스위치의 용량과 속도는 출력 스위치의 종류에 좌우된다. 고주파의 전자기장을 사용하고 있기 때문에 금속의 기계요소나 주변의 센서로부터 차폐되어야 한다.
서로 다른 동작원리를 갖는 다양한 근접 센서들이 실용화되어 있다.
용량형 (capacitive-type) 근접 센서는 부도체의 물체와 센서간의 공기 간극에 의하여 스위칭 신호가 발생되는 형태이다.
자기 리드 스위치는 움직이는 대상물체에 영구자석을 장착함으로써 물체의 근접을 감지하는 방식을 사용한다.
Hall 효과 (Hall effect) 센서는 자기장에 비례하는 출력전압을 발생시킨다. 그러므로 대상물체에 영구자석을 장착하여 센서에 근접시키면 홀전압이 발생된다. 이 신호가 증폭되고 정해진 스레쉬홀드 (threshold) 이상에 도달하면 솔리드 스테이트 스위치 출력을 작동시키게 된다.
초음파 (ultrasonic) 근접 센서는 초음파의 반사를 이용하여 동작한다. 초음파 출력이 발생된 후 반사되어 돌아올 때까지의 시간은 센서와 대상물체간의 거리에 비례한다. 본래 카메라 자동초점 장치로 개발되었는데 이 센서는 대략 1에서 20ft 까지의 거리를 계측할 수 있다. 스위치의 정밀도는 이전에 설명한 다른 형태에 비하여 재현성이 떨어진다.
고리형 (ring-type) 근접 센서는 물체가 고리를 통과하면 스위치 신호를 발생시킨다. 동전 또는 작은 부품의 계수기가 이 고리형 근접 스위치의 대표적 응용 예이다.
모든 형태의 근접 센서는 대개 밀폐되어 있으며 원통형 또는 직육면체로 되어 있으며 한쪽 끝에 전선이 나와 있다. 고내구형 근접 센서는 주로 직육면체로 조립되어 있으며 외관상 기계식 리미트 스위치와 비슷하지만 작동기가 없다는 것이 다르다.
광전기 센서는 비접촉 위치감지 센서이며 그 출력은 다음과 같은 경우 발생된다.
1. 물체나 부품에 의하여 광선이 차단될 경우
2. 지나가는 물체에 광선이 반사되어 광원 쪽으로 되돌아올 경우
네 가지 형태의 광전기 센서는 다음과 같고 그림 6.1에 보여주고 있다.
1. 광원과 수신기
2. 역반사체 (retroreflector)
3. 확산 스캐너 (diffuse scanner)
4. 반사 스캐너 (reflector scanner)
광원과 수신기형은 광원과 직접 또는 투과 스캔 광전기 제어시스템에 의한 수광기 (photoreceiver) 로 구성되어 있다.
광원과 수신기 사이의 광경로가 차단되면 출력이 발생하도록 되어 있다. 출력의 접점은 A, B, C 형으로 용량은 10A 까지의 것이 사용화되어 있다. 교류형은 릴레이,솔레노이드, 소형 모터 등의 부하를 직접 스위칭할 수 있다. 직류형은 대개 로직 레벨 (logic-level) 의 스위치에 사용되며 솔리드 스테이트 스위치를 가지고 있어 150mA 정도의 직류전류를 스위칭한다.
스캐닝 형태의 배치는 광원과 수신기간의 거리가 100ft 정도되지만 일반적 작업셀에는 그렇게 긴 거리가 필요한 경우가 별로 없다.
역반사형의 경우 그림 6.1(b) 와 같이 광원과 수광기가 한 패키지에 내장되어 있으며 이를 스캐너라 부른다. 역반사형 스캐너는 고정된 반사기에서 돌아오는 광선이 지나가는 공작물 (workpiece) 이나 기계 부재에 의하여 차단되거나 반사기가 방해를 받을 때 동작한다. 이러한 종류의 스캐너는 목표물과 광원간의 거리가 제한된다.
[그림 6.1] 광전기 센서 : (a) 광원과 수신기형; (b) 역반사형; (c) 확산형 스캐너; (d)반사형 스캐너
그림 6.1(c) 와 같은 확산형 스캐너도 광원과 수광기가 한 패키지에 내장되어 있다. 공작물이 감지위치로 들어오면 공작물에 광선이 반사되어 수광기로 되돌아오게 된다. 물체가 이 지점을 통과하면 출력 제어신호가 발생된다.
그림 6.1(d) 는 반사형 스캐너를 보여주고 있는데 마치 역반사형과 확산형 스캐너를 조합한 것과 같이 동작한다. 광원과 수신기는 같이 조립되어 있는데 수광기로 광선을 반사시키기 위하여 물체의 표면을 이용한다. 확산된 광만으로는 수광기를 동작시키에 불충분하므로 반사광은 충분한 세기가 되어야 한다. 센서에서 출발하는 광선의 각도는 감도를 향상시키고 특정 감지거리를 설정하기 위하여 조정해야 한다.
산업용 광전기 제어 시스템의 광원은 적외선 (IR) 영역의 광을 발생하는 발광 다이오드 (light-emitting diode : LED) 이다. 대부분의 산업용 광센서는 IR광에 반응하는 실리콘 광감응 소자이다.
수광기는 광원으로부터의 광선을 받아들여서 이를 증폭하고 평상상태와 비교하여 변화가 발생하면 출력접점을 여닫는다. 수신기는 요구되는 응용에 따라 빛을 받으면 동작하거나 빛이 없으면 동작하게 할 수 있다
소형 광전기 광원과 수신기는 광원으로부터의 광선이 광섬유 케이블을 통하여 수신기에 도달되는 구조도 상용화되어 있다. 이 구조는 매우 협소한 기계 공간에서 작은 부품을 감지하는 데 사용할 수 있다.
광전기 소자는 오염된 환경으로부터 보호되도록 설치되어야 한다. 이 소자는 주변 환경에 대응할 수 있도록 초과이득 (excess gain) G가 선택되어야 한다. 청정한 공기 중의 초과이득은 1.0 이므로 특별한 조치가 필요없다. 낮은 오염상태에서는 초과이득을 2.0으로 증가시켜야 하며 중간 정도의 오염상태는 10.0 정도까지이며 높은 오염도에서는 25.0 정도까지가 적당하다.
초과이득의 도표는 제조업체의 카탈로그에서 찾아볼 수 있으며 이 그래프는 광원과 수신기 사이의 작업거리에 대한 초과이득을 도시하고 있다. 일반적으로 이 도표에서는 작업거리가 가까워질수록 더 높은 광전기 소자의 초과이득 특성이 나타난다. 그러므로 광원이 낮은 오염상태에 설치되어 있고 (G = 2.0) 수신기는 중간 정도 오염상태에 놓였을 때 (G = 10.0) 광원-수신기 짝의 전체 초과이득은 2.0 × 10.0 = 20.0 이 된다. 설계자는 사용 중인 소자에 대하여 작업거리가 초과이득 20.0 에서 요구되는 거리보다 길어지지 않도록 확인해야 한다.
로봇의 대부분의 경우 주요 관심사가 로봇팔의 위치를 제어하는 것이며 매우 다양한 위치계측용 소자가 사용화되어 있다. 그 중 대표적 회전위치 센서는 다음과 같다.
a. 엔코더 (encoder)
b. 동시작동기 (synchros)
c. 분배기 (resolver)
d. 전위차계 (potentiometer)
디지털 출력을 내는 회전위치 엔코더의 세 가지 일반형태는 회전속도계 (tachometer), 증분 광학식 (incremental optical) 및 절대 광학식 (absolute optical) 엔코더이다.
회전속도계 엔코더는 센서 회전에 대응하여 펄스를 발생시키는 단일출력 소자이다. 이 소자는 운동의 증가만을 측정하고 방향은 계측하지 않는다. 그림 7.1 은 자석이 통과할 때마다 출력신호가 나오는 회전형 펄스발생기를 보여주고 있다. 이 장치의 회전 분해능은 n 을 자석 수라고 할 때 각도로 360°/n 이 된다. 이 장치를 일정기간 동안 샘플하여 단위시간당의 출력펄스를 구하면 이것이 각속도를 나타내게 된다.
[그림 7.1] 자기식 회전속도계 엔코더
그림 7.2 는 증분 광학식 엔코더를 보여주고 있다. 이것은 유리 디스크 위에 투명 및 불투명 띠 (stripe) 가 방사상으로 배열된 구조이다. 광원, 즉 광전달기 (phototransmitter) 가 한쪽에 설치되어 있고 반대편에 수광기가 설치되어있다. 디스크가 회전하면서 광선의 차단과 투과가 반복되게 된다. 펄스열이 수광기의 출력으로 나오는데 그 빈도가 디스크의 회전속도에 비례하게 된다. 일반적인 엔코더의 경우 두 쌍의 광전달기와 수광기가 90° 의 위상차를 가지고 설치되어 있다. 이 위상정보가 회전 방향을 경정하게 되는데 만일 신호 A가 B 를 90° 앞서면 어떤 방향으로 돌고 있는 것이며 반대로 신호 B 가 A 를 90° 앞서면 그 반대방향으로 돈다는 것을 알 수 있다. 알고 있는 시작위치에 대하여 이후 발생하는 펄스를 부호에 따라 가감을 카운트하는 식으로 위치정보를 계측하는 데 엔코더를 사용할 수 있다.
[그림 7.2] 증분 광학식 엔코더
절대 광학식 엔코더는 증분식보다 많은 트랙과 그에 대한 수신기와 광전달기가 있다는 것만을 제외하고 기본구조가 증분식과 같다. 축의 회전각에 비례하여 이진수가 나오도록 각 트랙에 띠가 배치되어 있다. 첫 트랙은 2 개의 띠가 두 번째는 4개, 세 번째는 8 개가 있다. 이러한 방법으로 별도의 카운터 없이 직접 각도를 읽어 낼 수 있다. 그림 7.3 은 절대 광학식 엔코더를 보여주고 있다. 절대 광학식 엔코더의 분해능은 디스크상의 트랙수 n 에 의하여 결정되며 2n 으로 표시할 수 있다.
[그림 7.3] 절대 광학식 엔코더
예제 6-1 |
10개의 트랙을 갖는 엔코더의 분해능을 각도로 표시하면 얼마인가?
풀이 |
회전당의 증분수는 210 = 1,024 increments/rev 이 되므로 각 증분의 각도는 다음과 같다.
360°/210 = 360°/1,024 = 0.3515°
절대식 또는 증분식 엔코더와 카운터는 다음과 같이 표현된다.
out(t) = Keθ(t).
여기서 out 은 출력이고 Ke 는 라디안당의 펄스수이며 θ 는 라디안으로 표현된 축의 각도이다.
예제 6-2 |
8개의 트랙을 갖는 엔코더에서 축의 각도가 1rad 일 때 절대식 엔코더의 출력값은 얼마인가?
풀이 |
분해능은 28 = 256parts/rev 이며 1회전이 2 πrad 이다. 그러므로 출력은 256/2π = 41 이다.
동시작동기는 회전하는 변압기로서 단극의 회전자에 교류 60 이나 400Hz 의 교류전류가 인가되어 있다. 교류의 회전자 전류가 120° 간격으로 감겨 있는 세 개의 고정자권선에 전압을 유도시킨다. 동시작동기는 외관상 소형 교류모터와 다름이 없다.
그림 7.4는 기본적인 동시작동기와 그 회로를 보여주고 있다. 동시작동기의 회전자에 인가된 전압을 A sin ωt 라 할 때 각각의 고정자 단자간의 전압은 다음과 같다.
V13 = A sin ωt sin θ
V32 = A sin ωt sin(θ + 120°)
V21 = A sin ωt sin(θ + 240°)
여기서 θ는 동시작동기 축의 각도이다.
[그림 7.4] 동시작동기의 회로도
동시작동기만의 독특한 특징은 두 개의 동일한 동시작동기를 따로 연결시켜 사용가능하다는 것이다. 즉, 고정자는 고정자끼리 회전자는 회전자끼리 연결시키면 토크체인 (torque-chain) 이 구성된다는 것이다. 토크 전달기 (torque transmitter) 로 불리는 첫 번째 동시작동기의 입력축을 회전시키면 토크 수신기 (torque receiver) 로 불리는 다른 동시작동기의 축이 동일한 각도만큼 회전한다.
토크 동시작동기는 정밀도가 대략 ±1° 정도이고 축의 회전각도를 항공기나 선박의 항법 계측용 원격계기로 전달하기 위하여 한때 널리 사용되었다. 전달될 수 있는 토크량은 동시작동기의 권선에 흐를 수 있는 전류의 양에 제한을 받기 때문에 상대적으로 작다.
제어 동시작동기는 제어 체인에서 토크 동시작동기로 사용되지만 출력 동시작동기 회전자에 전압을 인가하는 대신에 그 출력이 계측된다. 출력전압은 입력 동시작동기 (control transmitter) 의 회전축이 360° 회전할 대 최대값에서 0으로 그리고 다시 최대값으로 변화한다.
분배기 (resolver) 는 동시작동기의 일종으로서 두 개의 고정자 권선을 가지고 있으며 서로 기계적으로 90° 로 위상차를 가지고 있다. 회전자에 인가된 전압을 A sin ωt 라 할 때 각각의 고정자 단자간의 전압은 다음과 같다.
V1=A sin ωt sin θ
V2=A sin ωt cos θ
여기서 θ는 고정자에 대한 회전자의 각도이다.
이 신호는 직접 사용할 수도 있고 분배기 디지털 (resolver-to-digital) 변환기를 이용하여 디지털 형태로 변환하여 사용한다. 근본적으로 분배기는 회전 변압기이므로 교류를 인가해서 사용해야 하고 직류를 인가했을 경우는 아무런 출력신호도 나오지 않는다.
예제 6-3 |
시간 t에서 분배기의 인가전압이 24 V이고 회전축의 각도가 90° 일 때 분배기로부터의 출력전압은 얼마인가?
풀이 |
V1 = (24 V)(sin 90°) = 24V
V2 = (24 V)(cos 90°) = 0V
예제 6-4 |
시간 t 에서 분배기의 인가전압이 24 V 이고 V1 = -17V 일 때 각도는 얼마인가?
풀이 |
arcsin(17/24) = 45° 또는 135°
arccos(17/24) = 135° 또는 225°
그러므로 축의 회전각은 135°이다.
전위차계는 출력전압이 와이퍼의 위치에 비례하는 아날로그 기기이다. 그림 7.5 는 전형적인 전위차계 (pot)를 보여주고 있다. 저항요소 양단에 전압이 인가된다. 와이퍼와 접지간의 전압은 전체 저항요소와 와이퍼의 한쪽 저항과의 비율에 비례한다. 근본적으로 pot는 전압 분압회로 (voltage divider network) 이다. 즉, 저항요소 양단의 전압은 와이퍼에 의하여 두 부분으로 나누어진다. 이 전압의 계측은 와이퍼의 위치정보를 제공한다. 전위차계의 기능은 다음 식으로 표현할 수 있다.
V0(t) = Kpθ(t) (식 7.1)
여기서 V0(t) 는 출력전압이고, Kp는 라디안당 볼트로 pot전압상수(직선형 pot의 경우 인치당 볼트)이며, θ(t) 는 라디안(직선형은 인치)으로 표시된 pot 의 위치이다.
출력전압 V0 를 계산하기 위하여 인가전압이 필요하므로 다음 식을 이용할 수 있다.
V0=Vex(θact/θtot) (식 7.1)
여기서 Vex 는 인가전압이고, θtot 는 와이퍼가 움직일 수 있는 전체 회전각이며, θac 는 와이퍼의 실제위치이다.
[그림 7.5] 전위차계: (a) 종류; (b) 회로 기호; (c) 동작; (d) 구조
예제 6-5 |
다음과 같은 특성을 갖는 전위차계의 출력전압을 구하라. 또한 Kp 를 구하라. 인가전압은 12 V 이고, 와이퍼의 전체 회전각은 320°이며, 와이퍼의 현재위치는 64° 이다.
풀이 |
Kp = Vex/θtot 이므로 12V/320° = 0.0375 V/deg 가 된다. 출력전압은 다음과 같이 구할 수 있다.
(64°)(0.0375 V/deg) = 2.4V
표 6.2 는 로봇과 자동화에 많이 사용되는 회전위치 센서들을 요약한 내용이다.
표 6.2 회전위치 센서
|
장치 |
출력 |
정밀도 |
|
Multipole resolver Absolute optical encoder Standard resolver Potentiometer Incremental optical encoder Contact encoder |
analog(voltage) digital pulse analog (voltage) analog (resistance) digital pulse digital pulse |
7 arc seconds 23 arc seconds 7 arc minutes 7 arc minutes 11 arc minutes 26 arc minutes |
로봇 및 생산자동화 시스템에 주로 사용되는 센서들의 용도는 다음과 같은 네 가지의 기본 범주로 나눌 수 있다.
1. 안전성 감시
2. 제어 인터로킹
3. 품질관리 검사
4. 위치 및 연관정보
안전성 감시는 센서기술의 중요한 생산자동화 적용분야로서 로봇 또는 각종 장비 부근에서 작업하는 작업자를 보호하는 역할을 한다.
로봇에 있어서 제어 인터로킹은 작업셀의 여러 서로 다른 장비들의 동작순서를 조정하고 다음 작업 사이클을 실행하기 이전에 수행완료 여부 등을 확인하는 역할을 한다.
품질관리 검사는 다양한 부품의 품질관련 특성들을 결정하는 데 사용된다. 일반적으로 이것은 부품, 조립품 또는 완성품을 설계기술 부서에서 정한 어떤 기준에 부합하는지를 검사하는 과정이다.
위치 및 연관정보 센서는 로봇 작업셀에 있는 작업물, 고정구 (fixture), 작업자, 설비 등과 같은 여러 물체들의 위치와 관련된 정보를 결정하는 것이다. 이러한 정보는 작업물의 식별 (identification), 부품의 위치와 방향, 정밀도들을 파악하는 데 이용된다.
특정 적용대상에 대한 센서의 선정은 계측할 물리량, 센서와 시스템 내의 다른 장비간의 상호작용, 예상 수명, 센서의 정교성, 사용의 난이도, 전원 비용 등과 같은 다양한 항목에 따른다. 이외의 매우 중요한 고려사항은 센서가 사용될 주변환경이다. 고내 구형 센서는 극단적 사용온도, 충격과 진동, 습기, 부식, 분진과 오염물질, 유체, 전자기장, 방사능, 기타 간섭 등과 같은 열악한 환경에 견딜 수 있게 개발되어 있다.
현대의 로봇의 상호작용을 관장하는 기본적 세 요소는 다음과 같다.
1. 제어기 - 교시 펜던트 (teach pendant) 나 컴퓨터의 명령에 따라 로봇의 위치 및 운동을 제어하는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합체이다.
2. 센서 - 로봇의 동작과 주변환경을 감시하여 제어기 또는 컴퓨터에 정보를 제공한다.
3. 판단기능 (decision-making) - 일반적으로 로봇에 판단기능을 부여하기 위하여 프로그래머가 작성한 소프트웨어를 말한다.
이들 요소들의 적절한 동작순서와 역할을 살펴보기 위하여 센서신호가 처리되어 그에 해당되는 반응을 하는 비교적 간단한 로봇 문제를 고려해 보자.
[그림 9.1] 센서에서 액추에이터까지의 신호처리과정
그림 9.1 은 신호처리과정을 나타내고 있다. 숫자로 표기된 한 블록에서 다음으로 진행되는 처리과정을 루프를 따라 정리해 보자.
1 → 2 : 힘 센서는 힘 F0 에 대하여 출력전압이 V0 가 되도록 교정 (calibration) 되어 있다. 이 신호는 매우 미미하므로 증폭이 필요하다.
2 → 3 : 증폭된 신호전압은 A/D 변환기로 전달되어 아날로그 신호가 이산 (discrete) 신호 레벨로 변화된다. 일반적으로 A/D 변환기는 각 신호레벨을 해당 이진수로 할당하는 부호기 (encoder) 를 포함한다.
3 → 4 : 이 이진신호는 제어기로 옮겨지고 제어기가 신호의 출처와 목적지 등을 감안하여 신호경로를 제어하게 된다. 이때 제어기는 그리퍼의 힘센서 1 로부터의 신호라는 것을 파악하게 된다.
4 → 5 : 제어기가 이 이진신호를 컴퓨터로 보내게 되는데 이 신호가 힘센서 1 로부터 온 것이라는 것을 명시하는 식별코드를 첨부한다. 이를 받은 컴퓨터는 소프트웨어를 통하여 "힘센서 1 이 힘 F0 를 받았다" 라고 표시할 수도 있다. 즉, 컴퓨터가 어디에서 신호가 얼마의 크기로 왔는지를 인식하여 작업자와 동작 중인 프로그램에 알려준다.
5 → 6 : 이제 컴퓨터가 계측된 힘 F0 와 원하는 힘 F1 을 비교함으로써 처리를 시작한다. 예컨대 F0 < F1 라면 그리퍼를 더 닫도록 명령해야 할 것이다.
6 → 7 : 따라서 컴퓨터는 해당 모터의 식별부호와 함께 요구되는 전압레벨에 대한 이진수를 제어기로 보낸다.
7 → 8 : 제어기는 다시 신호가 어디로 전달되어야 하는지를 식별하여 이진신호를 모터로 보낸다. 만일 모터가 아날로그 신호에 동작한다면 해석기 (decoder) 와 디지털 아날로그 (D/A) 변환기를 사용하여 해당 아날로그 신호를 발생시켜 출력한다.
8 → 9 : 컴퓨터와 제어기 전압신호는 0 과 5 V 사이로서 모터를 구동하기에 불충분하므로 다시 증폭이 필요하게 된다.
9 → 10 : 모터는 전압레벨로 지시된 양만큼 회전을 하게 된다. 만일 스테핑 모터의 경우 신호전압으로 직접 회전시킬 수 없기 때문에 다른 모듈을 통하여 모터의 회전량을 지정해야 한다. 이 모듈이 없다면 한 세그먼트씩 진행하는 과정을 반복하여 원하는 힘 F0 = F1 에 도달하게 하며 이 상태에서는 이를 유지하기 위한 전압 또는 토크를 공급하면 된다.
어떤 기준 클록이 발생하는 펄스에 맞추어 이와 같은 사이클을 로봇이 가지고 있는 모든 센서에 대하여 반복함으로써 모든 정보들이 일정한 시간간격으로 전달되게 된다. 각각의 경우 수신된 신호들은 해석되어야 하고 원하는 응답을 정해야 하며 그 응답이 성취되었는지를 피드백해야 한다. 이러한 작업을 처리함에 있어 계산능력은 매우 중요한 인자이며 소형 마이크로프로세서에서 대형 컴퓨터에 이르는 다양한 선택을 할 수 있다. 센서의 분해능과 연관된 로봇지능은 로봇응답의 정교성을 결정짓는다.
지능형 로봇을 구현하기 위해서는 다양한 센서들이 요구되므로 센서로부터의 정보와 저장된 정보를 통합하여 새로운 제어전략을 개발하는 것은 매우 중요하다. 어떤 경우에는 한 대의 컴퓨터만으로도 로봇을 제어하기에 충분하다. 그러나 좀더 복잡한 시스템의 경우 로봇 또는 유연 생산시스템 (flexible manufacturing) 에 계층적 (hierarchical) 으로 분산된 컴퓨터들을 사용하고 있다. 관리용 제어기를 전체 제어전략을 구현하기 위하여 사용할 수도 있다. 이것은 센서 시스템으로부터의 입력을 받아 로봇의 세부기능을 제어하는 일련의 전용 제어기들과 통신을 하게 된다. 관련된 작업들을 수행하기 위하여 계층의 하위층을 구성할 수도 있다. 고급언어를 처리할 수 있는 중앙 마이크로프로세서가 공통의 버스로 소규모의 마이크로프로세서와 연결되어 계층제어를 구현할 수 잇다. 소프트웨어적 전략은 주제어기에 포함시키고 고속 동작은 분산된 마이크로프로세서에 의하여 제어된다.
분산된 센서와 제어 시스템은 인간의 중추신경계외 여러 면에서 유사하다. 인간의 많은 무의식 동작이 척수에 있는 신경망에 의하여 제어되고 있다. 이러한 지역반사 또는 자율반사기능은 인간의 생존에 필수적이며 어떻게 로봇에서 이것과 비슷한 기능을 모사할 수 있는가를 연구하는 것도 매우 의미있는 일이다. 로봇에서의 이러한 매커니즘을 연구하는 것은 궁극적으로 우리가 인간으로서 어떻게 기능을 하는지에 대하여 잘 이해할 수 있게 한다.
앞에서 살펴본 바와 같이 다음은 센서가 갖추어야 할 일곱 가지의 특징을 나열하였다.
1. 정밀도 (accuracy)-계측에 있어 규칙적인 양 또는 음의 오차가 없는 것을 의미한다.
2. 정확도 (precision)- 계측에 있어 무작위 변동이 없는 것을 의미한다.
3. 동작범위 (operating range)- 작동범위가 정밀하고 정확한 것을 의미한다.
4. 응답속도 (speed of response)- 최소의 시간 애에 응답할 수 있어야 한다는 것을 의미한다.
5. 교정 -교정작업이 용이해야 한다는 것을 의미한다.
6. 신뢰성-고장이 없고 높은 신뢰도를 가져야 한다.
7. 동작의 비용과 편의성- 구입, 설치 및 작동 비용이 가급적 저렴해야 한다.
이 장에서 시각 센서를 제외한 로봇용 센서들을 살펴보았다. 센서는 로봇 및 그 주변상황에 대한 정보를 계측하여 다음의 동작을 위하여 컴퓨터 또는 제어기로 전달하는 기기이다.
센서는 다음의 관점에서 분류된다.
1. 계측하고자 하는 양-기계적, 전기적, 자기, 온도 등의 센서
2. 수행 기능- 조작과 획득 센서
3. 감지 위치와 형태 -내부, 외부, 인터록 센서
4. 물리적 활성화-접촉과 비접촉 센서
로봇과 자동화 시스템에서의 네 가지 주요 용도는 다음과 같다.
1.안전성 감시; 인간 작업자의 보호에 대하여 관여한다.
2. 제어 인터로킹; 동작순서를 조절하고 확인한다.
3. 품질제어 검사; 설계기준을 만족하는지 확인한다.
4. 위치 및 연관정보; 부품의 정밀도와 신뢰성을 결정한다.
그림 2.6 과 같이 모든 비시각 (non-vision) 센서는 접촉과 비접촉으로 구분할 수 있다.
접촉 센서는 마이크로스위치와 모든 촉각 센서를 포함한다. 비접촉 센서에는 근접센서, 광전기, 회전위치 엔코더 등이 있다.
마이크로스위치는 전기기계식 소자로서 부품, 로봇 또는 기계의 운동에 의하여 전기 회로를 바꾸는 역할을 한다. 이 스위치가 널리 적용되고 있기 때문에 이 장에서 접점의 배열과 스위칭 부하에 대하여 일반적 문제들을 검토해 보았다.
근접 센서는 로봇과 자동화 시스템에서 부품과 물리적 접촉이 없다는 점만을 제외한다면 리미트 스위치와 같은 방법으로 사용될 수 있다. 이 기기는 특정 범위 내에 물체가 존재할 경우 이를 감지한다.
근접 센서에는 다양한 형태와 크기가 있는데 가장 일반적 방식은 다음과 같다.
a. 유도형 (도체 감지)
b. 용량형 (부도체)
c. 자기형
d. Hall효과형
e. 초음파형
f. 고리형
출력회로는 직류와 교류가 있고 NO (normally open), NC (normally closed) 형태 모두 가능하다.
모든 종류의 근접 센서는 밀폐된 원통 또는 직육면체 소자로서 센서 반대측에 단자가 나와 있다. 초음파 센서와 같은 음향 근접 센서도 있다.
20 kHz 이상의 초음파는 인간의 가청 주파수를 넘어서기 때문에 자주 근접 센서 용도로 사용되며 거리계측 센서로도 이용할 수 있다.
광전기 센서는 투사된 또는 반사된 광선이 수신기로 돌아오는 것이 차단될 때 물체의 유무를 판단한다. 산업현장에서 많이 사용되는 네 종류의 광전기 센서는 다음과 같다.
1. 광원과 수신기
2. 역반사체
3. 확산 스캐너
4. 반사 스캐너
이 광전기 센서의 동작특성과 초과이득 곡선은 생산업체의 카탈로그에서 찾을 수 잇다. 작동거리가 가까울수록 높은 초과이득 특성을 갖는다. 네 종류의 센서간의 차이 점은 감지하려는 물체와의 거리라고 할 수 있으며 용도에 따라 다양한 형태의 패키지, 형상, 출력을 선택할 수 있다.
컴퓨터와 그 주변기기들에 의하여 시스템 제어되면서 디지털 위치 엔코더의 사용이 증가되었다. 엔코더는 기본적으로 회전속도계, 증분, 절대 엔코더로 분류되며 마지막 두 형태는 광학식이다. 회전속도계는 일반적으로 제어기에 속도정보를 공급한다. 이 정보는 기기의 속도제어용으로 사용되고 대개 작시스템의 안정성을 향상시키고 외란에 대한 응답을 개선하는 역할을 한다. 전위차계, 동시작동기, 분배기는 엔코더와 마찬가지로 각위치 정보를 제공하는 아날로그형 센서들이다. 이것들은 상대적으로 고속으로 회전할 수 있어 서보 위치제어 시스템에 사용될 수 있다.