(1)예를 들면 4 비트의 절대위치 엔코더는 24 = 16 종류의 위치를 나타낼 수 있다. 즉, 분해능은 360°/16 = 22.5° 이다.
센 서
로봇공학 : Saeed B. Niku 저, 김정하, 염영일 역, 사이텍미디어, 2002 (원서 : Introduction to Robotics : Analysis. Systems. Applications, Prentice Hall, 2001), Page 247 ~278
로봇공학에서 센서는 주위 환경에 대해 내부의 되먹임 제어와 외부환경과의 상호작용에 사용되어진다. 동물과 인간은 비슷한 특징을 가진 센서를 가지고 있다. 예를 들어 아침에 일어나 눈을 뜨기 전에 자신의 팔이 어떻게 놓여져 있고 다리가 어떻게 구부러져 있는지 볼 수는 없지만 느끼고 알 수 있다. 이는 근육의 뉴런 신경세포가 뇌에 신호를 보내기 때문이며 근육이 수축, 긴장 또는 이완함으로써 신호는 변화하고 뇌는 각 근육의 상태가 어떠한지 결정한다. 이와 마찬가지로 로봇에서 링크와 관절들이 움직임에 따라서 포텐쇼미터, 엔코더, 그리고 리졸버 (resolver) 와 같은 센서는 신호를 제어기에 보내어 각각의 관절이 어느 상태에 있는지 결정하게 한다. 뿐만 아니라, 인간과 동물이 미각, 촉각, 청각, 시각 그리고 대화로써 외부 세계와 교신하는 것처럼 로봇도 주위 환경과 교신하는 비슷한 센서를 가지고 있다. 어떤 로봇의 센서는 인간의 시각, 촉각, 그리고 미각과 기능상으로 흡사한 기능을 가진 것도 있다. 그 밖의 다른 경우로는 로봇의 센서가 방사선 센서와 같이 인간이 가지고 있지 않는 기능을 가지고 있을 수도 있다.
또한, 여러 가지 다른 현상을 측정할 수 있는 많은 종류의 센서가 존재하나, 이 장에서는 단지 로봇공학과 자동화 생산분야에서 사용되는 센서에 대해서 논의할 것이다.
특별한 목적에 적당한 센서를 선택하기 위해서는 수많은 다른 특성들을 고려해야 한다. 이 특성들의 센서의 성능, 경제성, 용이성, 응용력 등을 결정한다. 때로는 같은 목적을 위해서 다른 종류의 센서도 사용할 수 있다. 이와 같은 모든 경우에 센서를 선택하기 이전에 반드시 다음 사항이 고려되어야 한다 :
(1)다음에 로봇공학과 메카트로닉스, 그리고 자동화 분야에 사용되는 센서들을 열거하였다.
위치 센서는 회전각과 직선이동, 변위뿐만 아니라 운동의 측정에도 사용된다. 대부분의 경우, 위치정보로부터, 엔코더의 경우도 마찬가지로, 속도정보 계산이 가능하다. 다음은 로봇공학에서 쓰여지는 일반적인 위치 센서들이다.
포텐쇼미터는 저항기를 통해 위치정보를 가변전압으로 변환한다. 저항기의 스위퍼 (sweeper) 가 위치의 변화로 움직임에 따라서 전체 저항에 비해 스위퍼의 접점을 기준으로 전, 후의 저항의 비율이 변한다 (그림 1). 포텐쇼미터의 이러한 전압 분배 성능 때문에 저항에 비례하는 출력은 다음과 같이 표현이 가능하다.
그림 1 위치 센서로서의 포텐쇼미터
(2)
포텐쇼미터는 종류에 따라서 회전과 직선으로 이동할 수 있으므로 회전과 직선의 운동을 측정할 수 있다. 회전형 포텐쇼미터는 또한 여러 번 회전이 가능하므로 많은 횟수의 회전운동을 측정하는 데 사용이 가능하다.
포텐쇼미터는 권선이 감겨 있거나 표면에 저항 물질의 얇은 필름 (전도성 플라스틱) 을 증착시킨다. 박막 포텐쇼미터의 주된 장점은 출력이 연속적이고 잡음이 적다는 점이다. 따라서 이 형태의 저항기에서 출력을 미분하여 속도값을 생성하는 것이 가능해진다. 그러나 권선형 포텐쇼미터의 출력은 계단식이기 때문에 연속이 아니므로 미분이 불가능하다.
포텐쇼미터는 일반적으로 관절과 링크의 위치를 나타내기 위하여 내부 되먹임 센서에 사용된다. 포텐쇼미터는 단독으로 쓰이거나 엔코더와 같은 다른 센서와 함께 쓰이기도 한다. 이 경우, 엔코더는 관절과 링크의 현재 위치를 나타내는 반면에, 포텐쇼미터는 시작위치를 나타낸다. 따라서 센서의 조합으로 최소 입력 요구사항을 충족시키는 것이 가능해지며 또한 최대의 정확성을 가진다. 이것은 엔코더에서 보다 자세히 논의할 것이다. 그림 2 는 두 개의 전형적인 상용 포텐쇼미터를 나타내고 있다.
그림 2 전형적인 상용 회전식 포텐쇼미터. Bourns, Inc. 의 게재 승인을 받음
엔코더는 운동의 미세부분에 대한 디지털 출력을 할 수 있는 간단한 장치이다. 디지털 출력을 위한 엔코더 휠 (wheel) 또는 막대 (strip) 가 그림 3 에서 보는 것처럼 작은 부분으로 구분되어 나누어져 있다. 각 구획은 불투명하거나 투명하다 (이것은 또한 반사형 또는 비반사형으로도 구성할 수 있다). 한 쪽에서 발광 다이오드 (LED) 와 같은 광원을 엔코더 휠 또는 막대의 다른 쪽에 광선을 주사하고 포토트랜지스터 (phototransistor) 와 같은 광 감지센서를 통해 감지한다. 만약 빛이 통과하여 휠의 각도 위치 (또는 막대의 경우, 직선 위치의 경우) 가 빛이 통과하는 위치라면 반대쪽의 센서는 켜지게 될 것이고 높은 신호 (on) 를 가질 것이다. 만약 휠의 각도 위치가 빛이 통과하지 못하는 곳에서 멈춘다면 센서는 꺼질 것이고 출력은 낮아질 것이다 (디지털 출력 off, 즉 0 이 된다). 휠은 회전하기 때문에 센서는 연속적으로 신호를 보낼 수 있다. 만약 신호가 계수 (count) 된다면, 휠의 대략의 전체 각 변위 (total angular displacement) 는 언제든지 측정될 수 있다.
그림 3 (a) 단순 형태의 회전 증가형 엔코더 휠. 이 엔코더는 회전각 위치를 검출한다. (b) 선형 증가형 엔코더는 직선운동을 검출한다.
엔코더에는 증가형 (incremental) 과 절대위치형 (absolute) 의 두 가지 기본 형태가 있다. 그림 3 은 증가형 엔코더이다. 이 형태의 엔코더에서, 투명하고 불투명한 구획의 면적 (호) 은 모두 같고 반복적이다. 모든 호 (arc) 는 같은 크기이기 때문에 각각의 호는 항상 일정한 각운동을 가리킨다. 만약 휠이 단지 두 개의 부분으로 나누어져 있다면 각 부분이 나타내는 각도는 180° 가 되며 분해능 또한 180° 일 것이고, 그 호 내에서는 변위나 위치에 대해 더 정확한 정보를 나타내는 것은 불가능하다. 만약 분할이 증가된다면, 정확성 또한 증가될 것이다. 즉, 광학 엔코더의 분해능은 호의 투명하고 불투명한 면적의 수와 관계가 있다. 전형적인 증가형 엔코더는 512 에서 1,024 의 호를 가질 수 있고 0.7° 에서 0.35° 의 분해능으로 각 변위를 나타낼 수 있다.
광학 엔코더는 재료를 자르거나 구멍을 뚫거나 하는 방법으로 만들어진 투명한 부분과 유리와 같이 투명한 재료를 사용해서 만든 투명한 부분으로써 구성이 모두 가능하다. 대부분의 엔코더 휠은 어떤 부분은 빛이 반사되게, 또 어떤 부분은 반사되지 않게 에칭 (etching) 되어 있다. 이 경우 발광과 수광 센서는 둘 다 휠의 같은 쪽에 있다.
증가형 엔코더는 적분기와 같으며 단지 각 위치의 변화만을 출력한다 (그것은 변위라고 할 수 있는 위치의 변화를 나타낸다). 따라서 실제적으로는 직접 어느 위치에 있는지 표시하거나 출력할 수 없다. 즉, 다시 말하면 증가형 엔코더는 단지 얼마나 많이 움직였는지를 알 수 있지만 초기위치를 알지 못한다면 실제적인 위치를 센서로부터 식별할 수 없다. 장치, 즉 로봇의 시작점이 어딘가에 따라서 최종 위치가 다를 수 있다는 것이다. 제어기는 실제적으로 엔코더에 보내는 신호의 수를 계수하고 전체 위치 변화를 결정하므로 증가형 엔코더는 적분기와 같이 동작하고 위치신호를 적분하게 된다. 제어기가 시작위치를 알지 못한다면 로봇이 어디에 위치하는지 알 수 없다. 증가형 엔코더를 사용하는 모든 시스템에서는 위치 추적을 하기 위하여 시스템을 처음 운용할 때 사용하는 모든 시스템에서는 위치 추적을 하기 위하여 시스템을 처음 운용할 때 리셋 (reset) 을 해야 한다. 따라서 제어기가 리셋위치를 알고 있으면 언제나 변위를 알 수 있게 된다.
그림 4 는 증가형 엔코더의 출력을 보여준다. 단지 한 쌍의 호만 사용된다면, 휠이 시계방향으로 회전하는지, 반시계방향으로 회전하는지를 결정하는 것은 불가능하다. 이를 보완하기 위해 엔코더의 휠은 두 쌍의 호를 가지고 있어야 하고 (2 채널) 서로 1/2 스텝식 차이가 나야만 한다. 따라서 두 쌍의 호에서 출력되는 신호도 1/2 스텝씩 서로 차이가 나게 된다. 제어기는 두 개의 신호를 비교하고 다른 신호에 대해서 어느 신호가 하이 (1) 에서 로우 (0) 로 바뀌는지, 또는 그 반대의 경우인지를 결정한다. 이 비교를 통해서 제어기는 회전방향을 결정하도록 프로그래밍되거나 설계될 수 있다.
그림 4 증가형 엔코더의 출력신호
실제적으로 호의 개수의 증가 없이 증가형 엔코더 출력의 분해능을 두 배로 늘릴 수 있다. 이는 로우에서 하이로 바뀌는 펄스가 시작한 모서리 부분에서 신호 변화를 결정하는 것과 더불어 하이에서 로우로의 신호의 변화를 추적하는 모서리 부분에서도 변화를 계산함으로써 가능하다. 이때에도 모든 신호 변화에서 신호의 계산은 동일하다. 두 개의 채널로 두 배의 계수를 함으로써 4 배의 분해능을 구현할 수 있다.
증가형 광학 엔코더를 대체하는 것이 절대위치 (absolute) 엔코더이다. 엔코더 휠의 각 변위를 구현하는 각각의 부분은 특수한 신호를 출력하는 투명하고 반투명한 호의 독특한 조합으로 구성되어 있다. 이러한 독특한 특징 때문에 언제나 시작점에 대한 정보 없이도 휠의 정확한 위치를 결정할 수 있다. 다시 말하면, 시작할 때마다, 제어기는 독특한 휠의 위치를 고려하여 결정할 수 있다. 그림 5 에서 보는 것과 같이 호는 다중 열을 가지고 있고 각각의 열은 다른 것과 배열이 다르다. 첫 번째 열은 단지 하나의 투명하고, 하나의 불투명한 호를 가지고 있을 것이다 (하나는 on, 하나는 off). 다음 열은 4 (또는 22) 개를 가지고 있고, 또 다음 열은 8 (또는 23) 개를 가지고 있다. 각 열은 자기 자신의 광원과 광센서 조합을 가지고 있어야 한다. 각 센서 조합은 하나의 신호를 내보낸다. 그러므로 두 개의 열들은 제어기에 두 개의 입력이 요구되고, 세 개의 열들에는 3 비트가 요구된다.
그림에서 보는 것과 같이 호에 4 개의 열을 가지는 엔코더는 24 = 16 가지의 다른 조합을 가지고 있고, 각 구획은 22.5° 의 각을 표현할 수 있다. 이는 22.5° 의 각도 범위 안에서, 제어기는 엔코더의 위치를 결정할 수 없다는 것을 의미한다. 즉, 분해능이 22.5° 가 된다는 의미이다. 분해능을 증가시키기 위해서는 더 많은 호나 비트 (Bit) 를 가져야 한다. 비록 증가형 엔코더와 같이 1,024 개의 구획을 가지는 것은 가능하지만, 수가 커질수록 비트수도 증가해야 한다. 한 호에서 1,024 개의 구획을 가지기 위해서 제어기는 엔코더마다 막대한 10 (1,024 = 210) 비트의 정보를 읽어야만 한다. 6 개의 관절에 6 개의 엔코더가 있다고 가정하면 단지 위치정보만을 위해서 60 줄의 정보가 제어기로 보내진다. 따라서 증가형 엔코더와 절대위치 엔코더간의 장, 단점을 고려해야만 한다.
그림 5 절대위치 엔코더의 각 위치를 표현하는 각각의 부분은 독특한 특징을 가지고 있으며 이를 통해서 엔코더의 위치를 알 수 있게 된다.
그림 5 는 그레이 코드 (gray code) 와 이진 코드 (binary code) 사이의 다른 점을 보여주고 있다. 이진 코드 시스템에서는 두 개 이상의 비트가 동시에 변화하는 경우가 많다. 반면에, 그레이 코드는 특정 위치에서 항상 한 비트가 전후 방향에서 변화한다. 여기서 중요한 차이점은 디지털 계측을 통한 인식방법이 다르다는 것이며, 신호의 값이 상수의 형태로 읽히는 것이 아니라 측정 (샘플링되어진다) 된다는 점이며, 다음 신호가 읽혀질 때까지 신호가 유지된다. 이진 코드에서는 동시에 하나 이상의 신호가 변한다면 모든 신호는 동시에 정확히 변하는 것을 의미하는 것이 아니므로 샘플링은 모든 변화를 발견할 수 없다. 그레이 코드에서는 변화가 단 한번 있기 때문에 시스템은 항상 이 변화를 찾을 수 있다. 표 1 은 처음 12 개의 숫자들에 대한 그레이 코드 목록을 나타내고 있다.
광학 엔코더는 운동 형태의 종류에 따라 다르지만 직선과 회전방식에 모두 쓰이며 항상 같은 출력방식과 원리로 작동한다. 그림 6 은 전형적인 상용 엔코더를 보여준다.
표 1 이진 코드와 그레이 코드
| # |
Gray Code |
Binary Code |
|
# |
Gray Code |
Binary Code |
| 0 1 2 3 4 5 |
0000 0001 0011 0010 0110 0111 |
0000 0001 0010 0011 0100 0101 |
|
6 7 8 9 10 11 |
0101 0100 1100 1101 1111 1110 |
0110 0111 1000 1001 1010 1011 |
그림 6 (a) 전형적인 상용 증가형 엔코더 휠과 절대위치 엔코더의 막대, (b) 전형적인 엔코더 시스템. Agilent Technologies, Inc. 의 게재 승인을 받음.
선형 가변 미분형 변압기 (LVDT : linear variable differential transformer), 즉 변위 센서는 코어가 움직이는 거리에 따라 측정되고 이러한 변위의 결과로 가변 아날로그 전압이 출력되는 변압기이다. 일반적으로, 변압기 (transformer) 는 전기적 에너지를 같은 형태의 에너지로 변환하는 장치이며 전압 대 전류의 비율로 변환한다. 손실이 없다면 전체 입력에너지는 전체 출력에너지와 같다. 변압기는 코일의 감긴 권선의 횟수에 의해 전압이 증가하고 감소하므로 상당전류는 전압에 반대로 변환되며 이는 두 코일의 권선수가 다르기 때문이다. 전기에너지는 코일을 통해 자속 (flux) 을 생성하며 자속은 권선수에 비례하여 2 차 코일에서 전압을 유도하게 된다. 2 차 코일에 감긴 횟수가 클수록 전압은 더욱 커지나 전류는 더욱 작아지게 된다. 그러나 2 차측의 유도된 전압은 자속의 세기에 따라 좌우된다. 만약 철심 코어가 없다면 자기력 선 (flux line) 은 분산되고 자기장의 힘이 감소하게 된다. 따라서 2 차측의 유도전압은 간단하게 된다. 철심 코어가 존재한다면 자기력선은 내부로 집중되어 자기장이 강해지며 유도전압도 강해진다. 이러한 방식으로 그림 7 에서 나타낸 바와 같이 LVDT 에서 가변전압을 생성하게 된다. LVDT 의 출력은 코어의 입력위치에 따라서 정확히 선형적인 성격을 띠게 된다.
그림 7 선형 가변 미분형 변압기 (LVDT)
리졸버 (resolver) 는 LVDT 의 원리와 매우 비슷하지만 각운동 (angular motion) 의 측정에 사용된다. 리졸버는 변압기의 일종이며, 1 차 코일은 회전축에 연결되어 있고 슬립 링 (slip ring) 을 통해 교류 전류를 공급하는 변압기라고 할 수 있다 (그림 8). 리졸버는 서로 90° 떨어진 두 개의 2 차 코일을 가지고 있다. 회전자의 1 차 코일이 한 2 차측 코일과 평행할 때에는 코일에서 생성되는 전압은 최대가 되며 다른 2 차측 코일은 수직위치에 오게 되며, 이 경우에 전압은 발생하지 않는다. 회전자가 회전함에 따라서 궁극적으로 첫 번째 1 차측 코일에는 전압이 0 으로 떨어지게 되는 반면에, 두 번째 코일에서는 최대전압이 발생하게 된다. 둘 사이에 모든 다른 각도에서는 1 차측 코일과 2 차측 코일간의 해당 각도에서의 Sine, Cosine 함수값에 따라 비례적으로 전압이 발생한다. 리졸버의 출력은 아날로그이지만, 그것은 Sine 과 Cosine 각과 같고 이 값은 후에 계산하기 위해 제거된다. 리졸버는 신뢰할 만하고, 강인하고, 정확하다.
그림 8 리졸버의 개략도
운행시간 변위 센서 (time-of-travel (magneto reflective) displacement sensor) 에서, 펄스는 도체 (conductor) 를 통하여 전달되고 이 도체는 자석에 도달함에 따라서 되돌아간다. 자석까지의 주행시간과 되돌아오는 시간은 주행속도를 알고 있다면 주행거리로 변환이 가능하다. 이동부를 자석이나 도체에 접촉하게 함으로써 변위가 측정 가능하게 된다. 센서의 간단한 구조를 그림 9 에서 보여주고 있다. IBM7565 로봇의 변위 센서가 바로 이런 형태이며 그림 10 에 나타내었다.
그림 9 운행시간 변위 센서의 개략도
그림 10 IBM 7576 자력반사 위치 센서. 긴 관의 한쪽 끝에서 발생한 신호는 자석에 도착하고 되돌아 올 때까지 전송된다. 신호가 전송되는 시간은 위치정보로 변환된다.
다음은 로봇공학에서 더욱 광범위하게 쓰이는 속도 센서이다. 그들의 응용분야는 사용되는 위치 센서의 종류에 밀접한 관계가 있다. 위치 센서의 종류에 따라서, 속도 센서가 필요하지 않을 수도 있다.
엔코더가 변위의 측정에
사용된다면, 사실상 속도 센서는 필요하지 않다. 엔코더는 보내는 임의의 각 변위에
해당하는 신호의 개수를 주어진 시간 동안 
수신된 신호의 수를 계수하여 알 수 있기 때문에 속도를 계산할 수 있다. 계수시간
이 짧아질수록 속도의 계산은 정확해지고 실제 순시 속도값 (instantaneous velocity)
에 더욱 근접할 수 있다. 그러나 만약 엔코더 회전 비율이 낮다면, 속도 측정은 부정확하게
될 것이다. 이 속도계산은 제어기의 프로그램을 통해 주어진 시간에서의 신호의 개수를
속도정보로 변환함으로써 가능하다.
타코메타 (tachometers) 는 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기이다. 이 센서의 출력은 입력 각속도에 대해 비례적으로 출력되는 아날로그 전압의 형태이다. 이 센서는 포텐쇼미터와 함께 속도측정에 사용된다.
만약 위치신호가 정확하다면 실제로 위치신호를 속도신호로 쉽게 변환할 수 있다. 이를 위해서는 위치신호가 속도신호에서 큰 임펄스가 발생하지 않도록 하기 위해 가능한 한 연속된 신호가 출력되어야 한다. 즉, 권선이 감긴 포텐쇼미터의 출력은 부분 연속이므로 미분에 적합하지는 않다. 그러나 신호를 미분하는 것은 언제나 잡음을 가지고 있으며 매우 난해한 작업임에는 틀림없다. 그림 11 은 미분에 사용되는 간단한 R - C 회로로 구성된 op-amp 를 보여주며, 여기서 속도신호는 다음과 같다.
(3)
이와 같이, 속도 (또는 가속도) 신호는 위치 (또는 속도) 신호에 대해 적분하여 나타낸다.
(4)
그림 11 R - C 회로를 가진 op-amp 의 미분, 적분용 회로도
가속도 센서 (acceleration sensors) 는 가속도를 측정하는 데 있어서 가장 일반적인 센서이다. 그러나, 일반적으로 산업용 로봇에서는 가속도가 측정되지 않으므로 가속도 센서는 산업용 로봇에 쓰이지 않는다. 최근에 들어서는 선형 구동기 [2] 와 로봇의 관절-되먹임 (joint-feedback) 제어 [3] 에 높은 정밀도를 위해 사용되고 있다.
압전센서 (piezoelectric material) 이 전압에 노출된다면 압축되고, 압전물질이 압축되면 전압을 발생한다. 이것은 축음기 (phonograph) 의 패인 홈에 의해서 발생하는 가변압력으로부터 전압을 발생시키는 데 사용된다. 이와 비슷하게, 압전 센서는 로봇공학에서 힘이나 압력을 측정하는 데 사용된다. 여기서 아날로그 출력전압은 사용되기 전에 충분히 조정되고 또한 증폭되어야 한다.
Interlink Electronics 에 의해 생산되는 FSR (Force Sensing ResistorTM) 은 고분자 후막 (thick-film) 표면에 수직 힘이 증가되면 저항이 감소하는 특성을 가진 고분자 후막장치이다. 10-10,000 [gr] 의 힘이 변화할 때 저항값은 500 KΩ 에서 약 1 KΩ 까지 변화한다 [4]. UniForceTM 센서와 다른 센서에 대한 보다 자세한 정보는 참고문헌 [5] 와 [6] 을 참고하기 바란다. 그림 12 는 전형적인 힘-감지 센서 (FSR) 를 보여준다.
그림 12 전형적인 힘-감지 저항기. 이 센서의 저항이 감소하면 센서에 작용하는 힘이 증가함을 의미한다.
스트레인 게이지 (strain
gauge) 는 또한 힘 측정에 사용된다. 스트레인 게이지의 출력은 가해진 힘의 함수인
응력에 비례하여 가변하는 저항 성분이 된다. 즉, 저항을 측정하면 가해진 힘을 찾을
수 있다. 스트레인 게이지는 말단장치 (end effector) 와 로봇 손목에 걸리는 힘을
찾는 데 사용된다. 예를 들면 IBM 7565 로봇은 집게 끝에 일련의 스트레인 게이지를
가지고 있으며, 이를 통해 집게 (gripper) 에 의해 가해진 힘을 알 수 있다. 간단한
명령을 통해서 사용자는 힘의 정보를 읽어들이고 적당히 반응할 수 있다. 스트레인
게이지는 또한 로봇의 관절과 링크의 부하측정에 사용되기도 하나 일반적인 경우는
아니다. 그림 13 (a) 는 스트레인 게이지의 간단한 회로도를 나타내고 있으며, 그림
13 (b) 에서는 휘트스톤 브리지 (Wheatstone bridge) 내에서 사용되는 스트레인 게이지를
나타내고 있다. 조화롭게 균형이 잡힌 휘트스톤 브리지는 A 점과 B 점에서 비슷한
전위를 가져야 한다. 4 개의 저항에서 임의의 저항이 변화하면, 두 접점 사이에 전류가
흐를 것이다. 따라서, 우선 검류계 (galvanometer) 에서 전류가 흐르지 않도록 각
저항을 조정해야 한다. 
을 스트레인 게이지라고 가정하고 응력을 준다면 
값이 변화하고 휘트스톤 브리지에 불균형이 발생되어 A 와 B 사이에 전류가 흐르게
된다. 전류 흐름이 0 이 될 때까지 다른 저항 중 하나를 세밀하게 조정하면 스트레인
게이지의 저항 변화는 다음 식으로부터 결정되어 진다.
(5)
스트레인 게이지는 온도 변화에 민감하다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 온도 변화를 보상하는 브리지의 4 개의 저항 중에 하나를 더미 스트레인 게이지 (dummy strain gauge) 로 사용한다.
그림 13 (a) 스트레인 게이지, (b) 휘트스톤 브리지 회로.
토크는 위치를 고려하여 배치된 한 쌍의 힘 센서에 의해 측정되어진다. 두 개의 힘 센서가 축에 서로 반대쪽 끝에 위치하고 있다고 가정할 때, 만약 토크가 축에 가해지면 축 몸체에서 두 개의 반대 힘을 발생시켜 반대방향 응력 (strain) 이 발생한다. 두 개의 힘 센서는 토크로 변환되는 힘을 측정할 수 있다. 다른 축에 대한 토크를 측정하기 위해서는 서로 수직인 세 쌍의 센서를 사용해야만 한다. 그러나, 그림 14 에서 보여주듯이 힘은 같은 종류의 센서로 측정하므로, 전체 6 개 힘 센서는 일반적으로 3 축에 대하여 힘과 토크를 검출하며, 각 센서는 서로 독립적이다. 순수한 힘은 같은 축상에서 같은 부호의 신호를 발생시키는 반면에, 토크는 반대 부호의 신호의 쌍을 발생시킨다.
그림 14 세 축의 힘과 토크를 검출하기 위한 세 쌍의 스트레인 게이지
마이크로스위치 (microswitch) 는 매우 간단하지만 모든 로봇공학에서 가장 유용하고 평범하게 사용된다. 마이크로스위치는 전도체를 통해 전기적 전류를 차단 (cut off) 하는 데 사용하므로 안전 목적으로 사용하고, 연결을 결정하며 변위신호를 보내는 데 사용되는 등 많은 다른 목적으로도 사용된다. 마이크로스위치는 강인하고, 간단하고 값이 싸다.
이 센서들은 투영된 빛의 강도에 따라 전기적 저항이 변화함으로써 반응한다. 만약 빛의 강도가 0 이 된다면 저항은 최대가 되며 강도가 높을수록, 저항은 낮아지고, 결과적으로 전류가 높아지므로 스위치를 지나는 전압은 떨어진다. 이 센서는 가격이 싸고 매우 유용하다. 광학 엔코더뿐만 아니라 다른 장치를 만드는 데 사용되며 뒤에서 살펴볼 촉각 센서 (tactile sensor) 에 사용되기도 한다.
또한 포토트랜지스터 (phototransistor) 는 미소량의 빛이 존재하는 곳에서 광 센서로 사용되며 켜지거나 꺼진다. 포토트랜지스터는 일반적으로 LED 광원과 함께 연결되어 사용된다.
광 센서 배열은 이동하는 광원 (light source) 으로써 변위측정에 사용할 수 있다. 로봇과 다른 기계장치에 미소운동과 변형을 측정하는 데 사용된다 [7].
광 센서 (light sensor) 는 가시광선 범위에서 민감하고, 적외선 센서는 적외선 범위에서 민감하다. 적외선은 인간의 시각에서는 볼 수 없으므로 조사되는 빛에 의해서 인간에게 해를 끼치지 않는다. 예를 들어 항해의 목적으로 먼 거리를 측정하는 장치가 필요하다면 적외선 센서는 인간을 방해하거나 주위를 끌지 않고도 사용이 가능하다.
간단한 적외선 원격 제어장치는 로봇과 주변장치간의 원격-제어 통신 연결이 가능하게 해준다. 보다 자세한 내용은 참고문헌 [6] 을 참고하기 바란다.
접촉 센서 (touch sensor) 는 물리적인 접촉에 의해 만들어진 신호를 보내는 장치이다. 접촉 센서의 가장 간단한 형태는 접촉에 의해 켜지거나 꺼지는 마이크로스위치이다. 마이크로스위치는 다른 감도와 운동의 범위로도 설치가 가능하다. 예를 들면, 만약 이동 로봇이 운행중에 장애물에 다다르면 적당한 위치에 배치된 마이크로스위치는 제어기에 신호를 보낸다. 더욱 진보된 접촉 센서는 부가적인 정보를 보낼 수도 있다. 예를 들면 접촉 센서로 쓰이는 힘 센서는 접촉정보를 보낼 뿐만 아니라 접촉력이 얼마나 큰 지도 검출할 수 있다.
촉각 센서 (tactile sensor) 는 접촉 유무를 검출하는 기능뿐만 아니라 접촉물체에 대한 부가적인 정보까지도 제공할 수 있는 접촉 센서의 조합이다. 이 부가적인 정보들은 모양, 크기 또는 물질의 형태에 대한 정보일 것이다. 대부분의 접촉 센서는 그림 15 와 같이 배열이나 행렬의 형태로 배치한다. 이 설계방식은 촉각 센서의 양면에 6 개의 접촉 센서를 배열한다. 각 접촉 센서는 플런저 (plunger) 와 LED, 그리고 광원으로 구성되어 있다. 접촉 센서는 닫히고 플런저는 안팎으로 움직임에 따라서 LED 에서 비추는 빛이 차단된다. 광 센서의 출력은 플런저의 변위에 비례하게 된다. 여기서 알 수 있듯이 접촉 센서는 사실상 변위 센서와 같다. 이와 마찬가지로, 마이크로스위치에서 LVDT, 압력 센서, 자기 센서 등 다른 종류의 변위 센서들도 이 같은 목적으로 사용 가능하다.
그림 15 촉각 센서는 단순 형태의 접촉 센서를 배열 형태로 정렬하거나 행렬 형태로 정렬하여 제어기에 접촉물의 형상과 같은 특수한 정보를 알려준다.
촉각 센서는 사물을 접촉하는 방식으로 사용되며 물체의 크기나 형상에 따라 다른 종류의 접촉 센서로 다른 순차로써 반응한다. 이 정보는 제어기에서 사물의 크기, 모양을 결정하는 데 사용된다. 그림 16 은 하나는 입방체에 접촉하는 모습을 보이고, 다른 하나는 실린더에 접촉하고 있으며, 마지막 하나는 일정한 형태가 없는 물체에 접촉하는 세 가지 방식의 간단한 접촉법을 보여주고 있다. 여기서 알 수 있듯이 각각의 물체는 형상을 검출하는 데 있어서 각각 다른 독특한 특징을 나타낸다.
그림 16 촉각 센서는 물체에 대한 정보를 검출할 수 있다.
인간의 피부와도 같은 기능을 할 수 있는 연속적인 피부 같은 접촉 센서를 만들려는 시도가 있었다. 대부분의 경우 그림 17 에서 대칭적으로 보이는 것과 같이 분리망에 의해 분리되고, 두 중합체 (polymer) 의 층 사이에 끼어 넣어 센서열의 주위에서 회전한다. 힘은 중합체에 가해지게 되면 주위의 몇 개의 센서에 분산되고 각 센서에 가해진 힘에 비례하여 신호를 출력한다. 높은 분해능이 필요 없는 곳에서는 이러한 촉각 센서도 사용 가능하다 [8].
그림 17 피부 형태의 촉각 센서
Flex 센서는 표면의 탄성을 결정하는 데 사용된다. 이 센서는 탄성을 받은 만큼 신호를 보내고 가상현실 (virtual reality) 분야에 사용이 가능하며 다른 유사한 응용에도 사용된다 [6]. 이와 유사한 센서들도 가상현실용 장갑의 손가락 관절의 각을 측정하는 데 사용된다 [9]. 이 센서는 전도성 탄소 분자로 이루어진 우레탄 인조고무로 만들어진다. 전도성 고무의 저항은 늘어나면 감소하므로 관절의 각도에 비례하여 신호를 발생한다.
근접 센서 (proximity sensor) 는 사물이 다른 사물에 접촉되기 이전에 근접하였는지 결정하는 데 사용된다. 무접촉검출 (noncontact sensing) 은 회전자 (rotor) 의 속도 측정에서부터 로봇의 운행 측정까지 많은 상황에 매우 유용하다. 자석, 와전류, 홀 효과, 광학, 초음파, 유도성, 용량성과 같은 여러 형태의 근접 센서가 있다. 다음 내용은 몇몇의 센서에 대한 개략적인 설명이다.
자기 근접 센서 (magnetic proximity sensor) 는 자성체를 가까이 할 때 기동된다. 회전자의 속도 측정 (그리고 회전수) 에 사용될 뿐만 아니라 회로의 점멸 (on/off) 에도 쓰일 수 있다. 이 센서는 또한 모터와 바퀴의 회전수를 계수하는 데도 사용되며 위치 센서로도 사용된다. 이동 로봇을 생각할 때 로봇의 전체 변위는 로봇의 구동바퀴의 회전수를 계수하여 계산하고 바퀴의 원주를 곱하게 된다. 자기 근접 센서는 바퀴 (또는 바퀴의 축) 에 자석을 부착하여 바퀴의 회전을 추적하는 데 사용되고 섀시에도 고정된 센서를 가지고 있다. 예를 들면, 대부분의 장비들은 기계장치의 문을 열었을 때 신호를 발생하는 자기 근접 센서를 가지고 있으며, 따라서 제어기가 이동부나 회전부를 정지하게 된다.
광학 근접 센서 (optical proximity sensor) 는 방사기 (emitter) 라고 불리워지는 광원 (센서의 외부이거나 내부이거나) 과 빛의 존재유무를 감지하는 수신기로 구성되어 있다. 일반적으로 수신기는 포토트랜지스터이고, 방사기는 LED (light emitted diode) 이다. 위의 두 조합이 광센서를 만들고 광학 엔코더를 포함하여 많은 분야에 응용된다.
근접 센서이므로 센서는 빛을 보내고 물체가 바로 곁에 없는 한 방사기에 의해 방사된 빛은 수신기가 수신하지 못한다. 그림 18 은 광학 근접 센서의 개략도이다. 스위치의 범위 안에서 물체가 센서에 가까이 있지 않는 한 빛을 반사하지 못하므로 빛을 수신기가 받지 못하게 되고 결과적으로 신호는 없을 것이다.
그림 18 광학 근접 센서
이 센서에서 초음파 방사기 (ultrasonic emitter) 는 고주파수 (일반적으로 200 kHz 범위) 음파를 주기적으로 방사한다. 초음파 센서의 운용에는 두 가지 모드가 있다. 즉, 대항모드와 반향 (확산) 모드가 바로 그것이다. 대항모드 (opposed mode) 수신기는 방사기 앞에 위치해 있는 반면에, 반향모드 (echo mode) 는 수신기가 바로 다음에 있거나 방사기와 통합되어 있고 반사된 음파를 수신받는다. 만약 수신기가 수신범위 안에 있거나 음파가 센서 가까이에 있는 물체의 표면에 반사된다면 그 음파가 감지되고 신호가 발생한다. 반면에, 수신기가 음파를 감지하지 못하면 신호는 발생하지 않는다. 모든 초음파 센서는 방사기 표면으로부터 물체의 거리와 존재를 인지할 수 없는 사각지대 (blind zone) 를 가지고 있다. 초음파 센서는 반향모드에서 음파를 반사할 수 없는 고무나 거품 같은 표면을 가진 물체에 대해서는 사용할 수 없다. 초음파 센서에 대한 보다 자세한 설명은 초음파 거리 탐색기절을 참조하도록 하자. 그림 19 는 이 형태의 센서의 개략도를 보여주고 있다.
그림 19 초음파 근접 센서
유도성 근접 센서 (inductive proximity sensor) 는 금속의 표면을 검출하는 데 사용된다. 이 센서는 페라이트 (ferrite) 코어를 가진 코일과 발진기-검출기 (oscillator-detector), 그리고 고체 상태 (solid state) 의 스위치이다. 센서가 가까이 접근시 금속 물체의 존재가 있으면, 발진의 크기는 감소한다. 수신기는 변화를 검출하고 고체상태 스위치를 단락시키는데, 센서의 검출 범위를 벗어나게 되면 다시 켜지게 된다.
용량성 근접 센서 (capacitive sensor) 는 유전체 상수가 1.2 보다 큰 물체가 존재하면 반응한다. 이 경우 센서 내부의 물질은 콘덴서 (capacitor or condenser) 로서 동작하고, 센서 탐침 (probe) 의 전체 용량 성분이 올라간다. 이것이 내부 발진기의 기동신호가 되어 출력단을 켜게 되고 출력신호를 보낸다. 즉, 센서는 측정 범위 내 물체의 존재를 검출할 수 있다. 용량성 센서는 나무, 액체, 그리고 화학재료와 같은 비금속을 검출할 수도 있다. 표 2 는 자주 사용되는 물질의 유전체 상수이다.
표 2 용량성 근접 센서의 유전체 상수
| Air Aqueous solutions Epoxy resin Flour Glass Nylon |
1.000 50 - 80 2.5 6 1.5 - 1.7 3.7 - 10 4 - 5 |
Porcelain Cardboard Rubber Water Wood, dry Wood, wet |
4.4 - 7 2 - 5 2.5 - 3.5 80 2 - 7 10 - 30 |
5 장에서 언급한 바와 같이, 도체가 가변하는 자기장 내에 위치하고 있을 때, 도체에서 전류의 흐름이 발생하고 기전력이 유도된다. 이 전류를 와전류라 한다. 와전류 센서는 보통 두 개의 코일이 있고 하나의 코일을 기준으로 자속의 변화를 발생시킨다. 전도 물질이 가깝게 근접할 때 와전류는 차례로 전도 물질에 유도되고, 첫 번째 코일 자속의 반대의 자속을 생성하나 전체 자속은 사실상 감소한다. 전체 자속의 변화는 전도 물질의 근접정도에 따라 비례적으로 변하고 두 번째 코일에 의해 측정되어진다. 와전류 센서는 전도성 물질의 존재 검출에 주로 사용될 뿐만 아니라 물질의 두께, 틈, 공백 등의 비파괴 검사에도 이용된다.
근접 센서와는 달리 거리 탐색기 (range finder) 는 보다 넓은 거리를 탐색하는 데 사용되고 장애물을 검출하고, 물체의 표면 지도를 그리는 데 사용된다. 거리 탐색기는 시스템에 보다 진보된 정보를 제공한다. 거리 탐색기는 빛 (가시광선, 적외선, 또는 레이저) 과 초음파에 기반을 두고 있다. 두 개의 기본적인 측정방법은 3 각 측량법 (triangulation) 과 주행거리 (time of flight) 또는 경과시간 (lapsed time) 측정방법이다.
3 각 측량법은 물체 위에 한 점을 만들어 주는 단일 광선에 의해 물체를 비추는 방식이 사용된다. 한 점은 카메라 또는 포토트랜지스터와 같은 수신기와 같이 취급된다. 거리와 깊이는 수신기, 광원, 그리고 그림 20 에서와 같이 사물에서의 점과의 삼각형 형태를 가지고 계산된다.
그림 20 (a) 에서 명확하게 볼 수 있듯이, 물체, 광원, 그리고 수신기 사이의 배열은 단지 일순간 발생한다. 그 점에서, 거리 d 는 다음 식에 의해 계산된다.
방정식을 치환, 대입하면 다음의 식을 얻을 수 있다.
(6)
과 
는 이미 알고 있으므로 
가 측정되면 
를 계산할 수 있다. 그림 20(b) 로부터 알 수 있듯이, 위의 순간을 빼고는 수신기가
반사된 빛을 볼 수는 없다. 따라서 방사기의 회전이 필요하게 되고 반사된 빛이 검출되자마자
방사기의 각을 검출하고 거리의 계산에 이용한다. 실제 방사기의 빛 (예를 들면 레이저)
은 회전하는 거울에 의해 지속적으로 회전하고 수신기는 이 신호를 검출한다. 빛이
검출되자마자 거울의 각이 검출된다.
주행시간 (time of flight) 또는 경과시간 (lapsed time) 은 송신기로부터 송신된 신호가 물체에 반사되어 되돌아와 수신기에서 수신하는 것으로 거리를 나타낸다. 물체와 센서 사이의 거리는 신호가 주행한 거리의 반이며, 이 거리는 주행속도를 알고 신호의 주행시간을 측정함으로써 계산이 가능하다. 이 시간 측정은 정확하고 매우 빨라야 한다. 짧은 거리 측정에 대해서는 신호의 파장 (wavelength) 이 매우 작아야만 한다.
그림 20 거리를 탐색하기 위한 3 각 측량법. 수신기는 단지 거리로 변환되어 계산될 방사기에서 방사하는 빛의 각도를 알고 물체의 한 점을 인식한다.
초음파 시스템은 강인하고 간단하며 저렴하고 저전력이다. 초음파 시스템은 카메라에서 초점을 맞추거나, 경고 시스템에서 운동검출을 하거나, 로봇에서 운항과 범위를 측정하는데 직접 사용되나 단점은 분해능이 제한된다는 것이다. 이 분해능은 파장 (wavelength) 에 의해 제한되며 온도의 자연적인 비균일성 (natural inhomogeneity) 에 의해 제한되고 매질의 속도와 센서의 최대 범위에 의해 제한된다. 또한 센서의 최대 범위는 매질에서 초음파 에너지의 흡수작용에 의해 제한된다. 현재 초음파 장치는 20 KHz 에서 2 KHz 까지의 주파수 범위를 가지고 있다.
대부분의 초음파 장치는 주행시간 (time-of-flight) 방법을 이용하여 측정한다. 이 방식에서 변환기는 높은 주파수의 초음파 펄스를 방사하고, 이 초음파는 임의의 거리를 주행하고 매질에 부딪혀 분리될 때 반사되어 되돌아오는 초음파를 수신기에 의해 수신하는 방식이다. 변환기와 물체 사이의 거리는 주행한 거리의 절반이고 음파의 속도와 주행시간의 곱과도 같다. 물론 계측의 정확성은 신호의 파장에 의존할 뿐만 아니라 음속과 시간 측정의 정확성에 좌우된다. 매질에서의 소리의 속도는 음파의 주파수와 매질의 밀도, 그리고 매질의 온도에 의존한다. 계측의 정확성을 높이기 위해, 보정막대 (calibration bar) 는 온도 변화에 대해 시스템을 보정하기 위하여 변환기의 1 인치 앞에 위치한다. 이것은 단지 주행하는 거리 사이의 온도가 일정한 경우에만 좋을 뿐 맞을 수도 틀릴 수도 있다.
시간 계측의 정확성은 정확한 거리측정을 하는 데 있어서 매우 중요하다. 일반적으로, 시간을 계측하는 데 있어서 최악의 에러는 최소 임계값 (minimum threshold) 에서 되돌아오는 신호를 수신기가 수신하자마자 클록 (clock) 이 멈추어 ±1/2 의 파장을 갖는 경우이다. 따라서 높은 주파수 초음파 장비가 정확성이 더 높다. 예를 들면 20 KHz 와 200 KHz 의 경우에는 파장이 각각 약 0.67 과 0.067 인치 (17 과 1.7 [mm]) 이고 최악의 상태인 경우 0.34 와 0.034 인치 (8.5 와 0.85 [mm]) 의 정확성을 보인다. 상호 상관 (cross correlation), 위상비교 (phase comparison), 주파수 변조 (frequency modulation), 신호 적분 (signal integration) 의 방법은 초음파 장치의 정확성과 분해능을 증가시키는 데 사용되고 있다. 높은 주파수는 보다 나은 분해능을 나타내지만, 낮은 주파수에 비해 감쇠가 매우 빨라 측정범위가 매우 제한된다. 한편, 낮은 주파수의 변환기는 빔 (beam) 각도가 매우 넓고 횡방향의 분해능이 심각하게 악화된다. 즉, 빔 주파수와 신호의 감쇠, 횡방향 분해능과의 절충 (trade-off) 이 필요하다.
배경잡음 (background noise) 은 초음파 센서에서 존재하는 또 다른 문제이다. 다양한 산업분야와 제조작업 등은 초음파 장치와 인터페이스할 때 100 kHz 만큼이나 높은 초음파와 같은 음파가 생성되어 초음파 센서에 오동작을 유발한다. 따라서 산업용으로는 100 kHz 보다 높은 주파수 사용이 권장된다.
초음파는 거리측정, 맵핑, 결함검출에 사용된다. 단일-점 거리측정 (single-point distance measurement) 은 점 (spot) 검사라고 불리워진다. 이에 반하여, 다중-데이터-점-획득기술 (multiple-data-point-acquisition) 에서의 측정은 3 차원 맵핑이 사용된다. 이 경우 한 물체에 대한 여러 개의 다른 위치정보를 가진 거리가 측정된다. 이 거리 데이터를 수집하면 물체 표면의 3 차원 지도를 생성할 수 있다. 그러나 3 차원 물체의 표면적의 절반만 측정할 수 있는 범위이기 때문에 2.5 차원으로 간주된다. 물체의 후면 또는 뒤의 영역은 측정할 수 없는 부분이다.
광학 (레이저도 포함) 거리 탐색기는 직접-시간-지연 (direct-time-delay) 측정법, 간접 증폭 변조법 (indirect amplitude modulation), 그리고 3 각 측량법 (triangulation) 등의 세 가지 방법에 의해 물체로부터의 거리를 측정한다. 직접-시간-지연 측정법은 초음파 센서와 같이 평행한 빔 (beam) 의 빛이 물체로부터 되돌아 주행하는 데 요구되는 시간을 측정한다 (일반적으로 레이저는 우회하지 않는다). 빛의 속도는 공기 중에서 186,000 miles/sec 이므로 1 피트를 1 나노초 (nanosecond) 에 주행한다. 0.25 인치의 분해능을 가지려면, 센서는 21 ps (pulse/sec) 의 분해능을 가져야만 한다. 이것은 핵 과학과 고-에너지 물리학에서 사용되는 시간 분광학 (spectroscopy) 을 통해 수행된다.
간접 증폭 변조법에서, 시간지연은 TAC (time-to-amplitude converter), 즉 시간대 위상 변환과 변조된 위상들, 방사된 빛과 산란된 빛과의 위상차를 측정하여 저주파수의 사인함수를 가진 긴 파장의 빛을 변조하여 측정한다. 이러한 방식은 빛의 속도를 저속의 변조로 바꿈으로써 측정이 가능한 단위로 효과적으로 느리게 해주지만, 반드시 레이저 광선과 같은 비행거리가 긴 빛에서만 가능하다.
3 각 측량법은 빛에서 나오는 빔을 이용하여 거리를 측정하는 기본적인 기술이다. 운항중에 우연히 만날 수 있는 근접거리의 경우에는 이 방식이 가장 높은 분해능과 정확성을 가진다.
광원으로 범위 측정을 하는 또 다른 기술로는 입체 영상처리 (stereo imaging) 가 있는데, 이에 대하여는 8 장에서 보다 자세히 논의할 것이다. 이 기술에서의 변화된 점은 하나의 카메라로 작은 레이저 다이오드를 사용하는 것이다 [10]. 이 기술은 카메라 영상 내에 레이저 빛의 위치는 영상의 중앙에 대하여 측정된다. 레이저 빛과 카메라의 축이 평행하지 않으므로 영상 내의 레이저 점의 위치는 카메라와 물체 사이의 거리의 함수이다.
후각 센서 (sniff sensor) 는 연기 감지기와 유사하다. 이들 센서는 가스 입자를 감지하고 이러한 가스를 인지할 때 신호를 보낸다. 이 센서는 안전의 목적뿐만 아니라 조사와 탐지의 목적으로도 사용된다 [11, 12].
시각 시스템은 아마도 가장 세련된 센서로 로봇공학에서 사용된다. 시각 센서의 중요함과 복잡함 때문에 8 장에서 따로 논의될 것이다. 그러나 시각 시스템은 사실상 센서이며, 다른 센서와 마찬가지로 로봇과 환경에 관련된 기능에 관련한다는 것을 숙지해야 한다.
음성인식 (Voice Recognition) 은 인식된 정보를 기초로 무엇을 말하는지 어떤 작업을 개시해야 하는지를 결정하는 내용이다. 음성인식 시스템은 일반적으로 말한 단어의 주파수 내용에 대해 작업을 수행한다. 다른 학과 과정을 통해서 배운 내용을 다시 상기해 보면 어떠한 신호라도 다른 크기와 주파수를 가진 사인과 코사인의 함수로 분해가 가능하며, 역으로 다시 결합된다면 원래 신호를 재구성할 수 있을 것이다. 이것에 대해서는 8 장에서 더욱 자세히 논의할 것이나, 모든 신호는 특유의 스펙트럼으로 구성된 주된 주파수를 가지고 있고, 이 스펙트럼은 일반적으로 다른 신호들과 다르다는 것을 인식해 두는 것은 매우 유용할 것이다. 음성인식 시스템에서 구성 주파수들을 분해할 때 분해된 주된 주파수는 각각 독특한 특성을 가지고 있고, 그것은 시스템에서 단어마다 가정되어진 모든 단어 (또는 문자 또는 문장) 를 인식하는 것이 가능하다.
이를 하기 위해, 사용자는 시스템에서 발음되는 단어의 주 주파수대에 대한 참조표 (lookup table) 를 생성하기 이전에 해당 단어를 여러 번 발음하여 시스템에게 교시 (train) 해야만 한다. 후에 단어가 발음되고 주파수가 결정되면 이 결과를 참조표와 비교한다. 만약 가깝게 일치되는 주파수가 발견되면 이 단어는 인식되어진다. 보다 높은 정확성을 위해 더욱 많은 시스템에 대한 교시가 필요하다. 다시 말하면, 주파수가 더 정확해질수록 선택의 폭은 더욱 협소해지게 된다. 이는 만일 시스템이 보다 높은 정밀도를 위해서 단어를 발음할 때의 어떤 변수나 잡음이 있는 경우보다 많은 주파수와 일치시키려는 시도를 한다면 시스템은 단어를 거의 인식하지 못할 것이다. 한편, 개수가 제한된 주파수로 모든 변화를 수용하려면 비슷한 단어는 서로 혼합되어 버릴 것이다. 모든 강세와 변화를 인식할 수 있는 광범위한 기능을 가진 시스템은 가능하지도 유용하지도 않을 것이다. 많은 로봇은 사용자와 교신하기 위해서 음성인식장치를 가지고 있으나 대부분의 로봇은 사용자에 의해 교시되고 이에 따른 응답의 결과로서 임의의 행동을 취하게끔 하는 단어를 인식할 수 있게 된다. 예를 들면 특정 단어는 확실한 위치와 방위에 대하여 프로그램이 가능하다. 음성인식 시스템이 단어를 인식하게 되면 제어기에 신호를 보내고 계획된 위치와 방위에 대해 로봇이 순차적으로 운용될 것이다. 이러한 형태의 로봇은 의학용 로봇과 마찬가지로 장애인을 돕는 데 아주 유용하게 사용이 가능하다.
음성합성 (voice synthesis) 은 두 개의 다른 방법으로 이루어진다. 하나는 자음과 모음을 다시 재결합하여 단어를 다시 만드는 방법이며, 이 경우, 각 단어는 자음과 모음이 결합될 때 다시 만들어진다. 이는 경제적으로 가능하다면 음성용 칩과 이의 프로그램으로 구성이 가능하다. 비록 이 형태의 시스템이 어떤 단어를 다시 만들어낼 수 있다 하더라도 그것은 부자연스럽고 기계같이 들릴 것이다. 이러한 시스템에서 겪는 어려움의 예로서, power 와 mower 두 단어를 고려할 때, 단어가 쓰일 때는 비슷하지만 발음은 매우 상이하게 다르다. 이 같은 시스템은 이들의 발음을 인식하는 것이 거의 불가능하다.
차선책은 필요할 때마다 메모리나 테이프를 통해 접근하고 합성하기 위해 단어를 기록하고 녹음해 두는 것이다. 자동응답전화기나 비디오게임 등과 그 외의 많은 다른 기계 음성은 필요에 의해 미리 기록되고 접근된다. 비록 이 시스템은 매우 자연스럽게 들릴지도 모르지만 여기에도 한계는 있다. 기계에서 사용될 말이 미리 알려져 있기만 하다면 이러한 시스템은 사용이 가능하다.
컴퓨터 기술의 급속한 발전으로 인해 음성인식과 음성합성은 추후에도 괄목할만한 성장을 할 것이다.
여기서 논의되는 RCC (remote center compliance) 는 실제적인 센서는 아니지만 잘못된 결합, 즉 오결합 (misalignment) 을 감지하는 센서처럼 동작하고 오결합에 대한 교정의 수단을 제공한다. 그러나 RCC 는 완전한 수동형이며 어떠한 입력신호나 출력신호도 없다.
RCC 는 로봇 손목과 말단장치 사이에 추가된 부품이다. 그것은 로봇의 어떤 부분과 말단장치 사이의 오결합에 대한 교정의 수단을 공급하도록 설계된다.
그림 21 에서 보여주듯이 로봇이 어느 부품의 구멍에 쐐기를 삽입한다고 가정해 보자. 만약 구멍과 쐐기가 정확하게 일치하는 크기이고 횡방향과 축방향으로 정렬한다면 로봇은 구멍에 쐐기를 삽입할 수 있을 것이다. 그러나 대부분의 경우 이것은 불가능하다. 그림 21(b) 에서 보는 것처럼 구멍의 중앙선과 쐐기의 중앙선이 약간 차이가 나는 것과 같이 구멍이 약간 비틀려 있다고 가정해 보자.
그림 21 조립품이 잘못 결합된 경우
만약 로봇이 위치제어 모드라면, 오결합이 있을지라도 구멍에 쐐기를 삽입하는 것을 시도할 것이다. 따라서 로봇이나 부품이 빗나가거나 파손될 것이다. 로봇이 강인할수록 로봇의 성능이 좋다는 의미이나 이러한 문제는 더 커진다는 의미가 된다. 만약 로봇이 순응적 (compliance) 이라면 실제적으로 구멍에 로봇을 정렬하고 편향이나 파손을 방지하기 위해 로봇이 옆으로 움직일 수 있도록 구멍 주위 (또는 쐐기 또는 둘 다) 나 모서리를 깎아내는 것 (그림 21(c)) 이 가능하다. 차선책으로는 부품이 이동하여 로봇과 정렬되게 하는 것이다.
이번에는 축의 오결합 대신에 그림 21(d) 에서 보여주는 것처럼 두 중앙선 사이의 각도가 오결합된 경우를 가정해 보자. 이 경우는 구멍의 입구에서 쐐기와 구멍이 정확하게 정렬될지라도 만약 쐐기가 넣어진다면 둘 중의 하나는 빗나가거나 깨지게 될 것이다. 다시 한번, 부품이나 로봇이 움직일 수 있다면 (순응 로봇) 이러한 문제는 피할 수 있다. 그러나, 두 경우 모두 순응 로봇이 파손을 방지하기에는 충분하나 정밀도는 사용이 불가능할 정도로 현저히 떨어질 것이다.
로봇의 말단장치에 선택적으로 순응도를 가질 수 있는 장치를 부착함으로써 로봇이 일방향에 대해 선택적 순응도를 가지게 되며, 다른 방향에서는 정밀도가 떨어지지 않게 된다. RCC 장치는 간단한 4 절기구를 통해 선택적 순응도를 공급한다.
어떻게 RCC 장치가
움직이는지 이해하기 위해 그림 22 에서와 같은 간단한 4 절기구를 고려해 보자.
임의의 기구에서 속도가 0 일 때 순간중심은 전체의 
이 된다. 여기서 
은 바닥 (ground) 을 포함한 링크의 개수이다. 속도가 0 일 때의 순간중심 (instantaneous
center) 은 하나의 점이 된다. 속도가 0 일 때의 각각의 순간중심은 다른 임의의
강체에 대한 한 강체의 순시속도가 0 인 곳에서 한 점이 된다. 4 절기구에서 센터는
총 6 개이며 바닥에 붙어 있는 두 개의 핀 관절 
과 
는 대지에 붙어 있는 두 개의 링크에 대해 회전의 중심이 된다. 다른 두 개의
핀 관절 A 와 B 는 
와 
링크에 대해 상대적인 커플러 (coupler) AB 의 회전의 중심 (또는 영속도) 이며,
그 역도 성립한다.
또한 순시영속도 (instantaneous
zero velocity) 에서 순간중심이 두 개 더 존재하며, 하나는 바닥과 커플러 사이,
또 다른 하나는 
와 
의 두 링크 사이에 존재한다. 커플러의 영 속도 (zero velocity) 에서 순간중심을
찾기 위해 (여기서의 주된 관심주제이다) 순간중심의 커플러 위의 두 개의 임의의
점의 속도를 알아야 한다. 커플러에 대한 영속도의 순간중심은 커플러에서 점 A,
점 B 와 같은 두 개 점의 속도에서 두 개의 수직선상의 안쪽에 존재할 것이다. 그것은
임의의 점의 속도는 곡률반경 
에 수직이며 
이기 때문에 위의 내용을 증명할 수 있다. 이 결과로, 영속도에서의 순간중심은
속도선의 수직선상의 어딘가에 있어야 하며 (각 링크의 길이에 따른다), 두 직선은
교차한다. 이 점에서 순시속도 (instantaneous velocity) 는 0 이므로 이 순간에서는
병진운동이 아니라 회전운동을 해야 한다는 것을 의미한다. 그러므로 이 순간에서
커플러 링크 AB 는 점 
에 대하여 회전한다. 이 점은 다음 순간에서는 다른 곳에 위치하므로 가속도가
0 이 될 수는 없다.
그림 22 4 절기구에서 속도가 0 일 때의 순간중심
그림 23 RCC 장치를 기반으로 한 특수용 4 절기구
그림 23(a) 와 같이 평행사변형 4 절기구 (parallelogram four-bar mechanism) 를 고려해 보자. A 와 B 에서, 두 속도에서의 법선은 서로 평행하기 때문에 커플러에 대한 영속도의 순간중심은 무한대가 되며, 여기서 커플러는 회전운동이 아니고 순수 병진운동 (커플러의 운동은 곡선이지만) 을 하게 된다. 커플러는 항상 어떤 회전없이 왼쪽이나 오른쪽으로 이동한다. 그림 23(b) 는 두 개의 링크길이가 같은 4 절기구와 영속도에서의 커플러의 IC 에 대해 커플러 링크가 순간회전할 수 있는 순간중심을 보이고 있다. 여기서 예상했듯이 이러한 두 기구는 필요시 원거리 중심 (remote center) 에 대한 회전운동이나 병진운동을 할 수도 있다. RCC 장치는 이러한 두 기구의 조합이며 로봇의 원거리의 임의 점에 대해 물체의 미소회전운동과 병진이동을 제공한다 (즉, 원거리 중심 순응도, remote center compliance). 먼거리의 임의의 점은 쐐기와 구멍 두 부분의 접촉점이며 로봇에서 떨어진 원거리이다. 그러나 이 순응도는 단지 횡방향 (또는 각 성분) 성분이라는 것을 숙지해야 한다. 로봇은 기구가 커플러에 대해 수직방향으로는 운동을 할 수 없으므로 축방향의 강성이 매우 강하다. 따라서 필요한 방향에 정밀도나 로봇의 강성도를 유지하면서 선택적인 순응도를 구현할 수 있다.
그림 24 RCC 장치의 개략도
그림 24 는 RCC 의 개략도를 보여주고 있다. 이는 두 개의 강판으로 구성되어 있고, 여기서 전단기둥 (shear column) 은 횡방향의 순응도를 가지면서 축방향의 강인성을 제공한다. 실제로 각 장치는 구부림과 세움, 그리고 횡방향과 축방향으로 임의의 강성도 (또는 순응도) 를 구현하며 필요에 따라 선택해야만 한다. 또한 각 장치는 중심 대 중심 (center-to-center) 거리를 가지고 있으며, 이는 장치의 중심에 대한 원거리 중심 위치를 결정한다. 즉, 하나 이상의 부품이나 작업이 존재하면 다중 RCC 장치가 필요하게 되고 이 또한 적절히 선택되어져야만 한다 [13].
이 시점에서 사용자가 원하는 만큼의 많은 센서를 사용하여 로봇에 이용하기를 원할 것이다. 어떤 센서는 되먹임이 필요한 것도 있고 이 되먹임은 로봇을 제어하기 위한 필수조건이다. 그 밖의 센서는 유효성과 필요성에 의해 추가되어진다. 이것은 로봇 프로젝트에서는 매우 중요한 부분이다. 독자들은 다른 종류의 센서로 다른 응용분야의 실험을 해 볼 수도 있고 심지어는 자신의 시스템에 맞는 새로운 센서를 찾을 수도 있을 것이다. 예를 들면 IC 칩을 이송할 때 사용되는 정전기 방지 폼 (foam) 이나 다른 전자회로는 압력에 매우 민감하다. 따라서 로봇의 접촉 센서를 매우 간단하게 만들어 사용할 수 있을 것이다. 이 폼의 양 끝에 두 선을 연결하고 전원에 연결한다. 폼에 압력이 가해지면 저항이 변하여 전압강하가 생길 것이다. 이 회로에서 전류를 측정해 보면 촉각에 대한 정보를 얻을 수 있을 것이다. 여기서 언급되지 않은 다른 센서로 실험해 보려면 전자부품상점에서 구입할 수 있다.
이와 마찬가지로, 롤링-실린더 로버 (rolling-cylinder rover) 를 제어하고 지능화하기 위해 센서를 통합할 수도 있다. 예를 들어 가시광선과 적외선 센서를 플랫폼의 중앙에 장착하여 두 실린더 틈 사이에 적외선이나 가시광선을 조사함으로써 로버와 통신할 수 있다. 근접 센서와 거리 탐색기를 이용하여 벽이나 다른 장애물과의 거리를 검출함으로써 다른 환경에서의 운항도 가능할 것이다.
이 장에서는 로봇과 연결되고 로봇공학의 응용에 사용되는 여러 가지 다양한 센서에 대해 논의하였다. 이 중에서 몇몇의 센서는 내부 되먹임에 사용되고, 다른 센서들은 로봇과 주위 환경 사이의 통신에 사용된다. 몇몇의 센서는 쉽게 사용이 가능하며 저렴하나 일부 센서는 사용하기 어렵고 값이 비싸며 많은 부수적인 전자회로가 필요하게 된다. 모든 센서는 각각 장점과 단점을 가지고 있다. 예를 들면 증가형 엔코더는 최소한 입력되어야 하는 사항뿐만 아니라 간단한 디지털 형식으로 위치 그리고 속도 정보를 생성할 수 있으나 절대위치를 측정할 수는 없다. 절대위치 엔코더는 디지털 형태의 절대위치 정보를 제공하지만 불필요한 많은 입력라인이 사용된다. 포텐쇼미터도 절대위치 정보를 제공하고 매우 간단하며 저렴하지만 출력이 아날로그이므로 마이크로프로세서에 사용되기 전에 디지털화되어야만 한다. 그러나 몇몇의 응용분야에서 엔코더와 포텐쇼미터는 보통 함께 사용되며 하나는 절대위치를 알아내고, 다른 하나는 위치의 변화를 정확하게 나타내는 데 사용된다. 두 센서가 함께 공급하는 모든 정보는 시스템을 운용하는 데 필요하다. 시스템에서 필요한 센서가 무엇인지 또는 특별한 응용에서 어떤 센서가 최적인지를 결정하는 것이 바로 설계자가 담당해야 할 중요한 역할이다.