1. 힘/토크 센서의 종류
힘/토크 센서는 로봇에 장착돼 3차원 공간의 힘과 토크를 측정하거나 제어하는 용도로 사용된다.여기서 토크는 비틀림을 의미한다. 이러한 힘/토크 센서는 로봇암, 앤드 이펙터(End of Arm Tool), 컨트롤러, 드라이브 등과 함께 협동로봇의 하드웨어 부분 가운데 한 축인 센서 영역에 들어간다.
기존의 토크센서가 로봇의 관절을 다양한 방향으로 움직일 수 있도록 하는 역할로 사용됐다면, 힘 토크센서는 기존의 토크센서보다 한 발 더 나아가 기존에 로봇이 체득하지 못했던 힘과 토크를 측정할 수 있다. 힘/토크 센서는 특정 위치에 작용하는 모든 종류의 힘을 측정하는 6축 힘/토크 센서(Fx,y,z, Tx,y,z)부터 3축의 힘만 측정하는 3축 힘센서(Fx,y,z), 단축의 압력만 측정하는 1축 압력 센서, 단축의 돌리는 힘만 측정하는 토크 센서 등으로 구분된다.
2. 측정 방식에 따른 센서 구분
힘/토크 센서는 측정 방식에 따라 크게 저항 방식과 정전용량 방식(Capacitance), 광학식 등으로 나뉜다. 이 중에서 저항 방식은 스트레인 게이지(Strain Gauge)라는 필름저항을 이용하는 측정 방식으로, 변형을 측정하고자 하는 변형체에 스트레인 게이지를 부착하여 힘이 가해질 때 스트레인 게이지의 미소한 저항 변화를 활용해 힘을 측정한다.
저항 방식의 제품은 측정을 위한 내부 부품들을 수작업으로 진행하며, 별도의 저항 신호를 증폭시킬 증폭기를 별도로 사용해야 하며, 저항 측정과정에서의 오차 발생에 대한 문제가 따른다. 결국 성능은 매우 뛰어나다는 장점이 있는 반면, 가격이 비싸고 별도의 증폭기를 추가로 도입한다는 단점과 저항에 대한 변수를 고려해야 하는 한계가 있다. 이에 반해 정전용량 측정 방식은 가격 면에서는 저렴하지만, 상대적으로 성능과 정밀도, 외부 온도나 환경에 취약하다는 문제가 스트레인 게이지에 비해 약점으로 지적된다.
정전용량 방식 (Capacitance) | 저항방식 (Strain Gauge) |
전하를 저장하는 방식으로 캐패시터 등을 이용해 측정 | 변형체에 스트레인게이지의 저항변화를 이용한 힘 측정 |
가격이 저렴함 성능, 정밀도 등이 저항방식에 비해 떨어지고 외부환경에 취약 | 제품 성능이 매우 우수함 가격이 매우 비싸고 별도 증폭기 설치 필요 |
3. 에이딘로보틱스의 차별화된 센싱 기술
에이딘로보틱스에서는 기본적으로 정전용량 측정방식을 따르지만, 기존의 문제점을 해결하기 위해 Fringe effect 기법을 이용해 거리, 면적 등을 측정하는 수준에서 매우 뛰어난 민감도와 강성을 보여 스트레인게이지와 차이가 없을 정도로 개발해냈다.
특히 원천 기술을 바탕으로 지속적인 세대 상향을 이뤄내, 일반 정전용량 타입 제품보다 센서 민감도를 10배 이상으로 끌어 올렸다. 또한 외부 온도와 환경 등에도 뛰어난 반응을 보여 타사 센서와 다르게 온도보상 기법이 적용돼 있다는 점도 특징이다. 이를 통해 성능과 가격 두 가지 측면에서도 모두 우수하면서 동시에 저가 경쟁으로 승부하고자 하는 중국산 센서기업들에 비해 기술적 우위를 점할 수 있다. 이를 통해 고객은 힘/토크 센서를 도입하는데 있어 그동안 고가의 외산 센서에 의존해왔던 것에서 벗어나 사용 과정에서의 부담을 크게 덜 수 있게 됐다.
1세대 | 2세대 | 3세대 | |
대표이미지 |
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소개 | 일반 정전용량 측정방식 타입 | 일반 정전용량 측정방식 한계점 극복한 에이딘의 2세대 기술 | 에이딘의 기존 2세대 기술 업그레이드 |
특징 | -외부 노이즈 취약 -힘/토크 측정을 위한 구조의 복잡함 -온도 변화 취약 -유전체 사용으로 인한 양산 생산 어려움 | -외부 노이즈 강성 확보 -차세대 Fringe 효과를 적용해 민감도 10배 증가 -온도 특성 학습을 통한 온도 보상 -양산성 확보 | - 2세대 제품 대비 80% 높은 민감도 확보 - AI학습기반 켈리브레이션 방식 채택으로 정확도, 반복성, 선형성 향상 -양산성 향상 -차세대 온도보상 기법 적용으로 온습도 변화에 대한 안정성 향상 |
4. 다양한 분야에 활용되는 힘/토크 센서
로봇분야에서는 주로 협동로봇이나 산업용로봇의 말단(End-effector)에 6축 힘/토크 센서를 장착하여 대량생산 라인의 검사 공정에서 제품의 품질을 검사하기 위해 사용되거나 힘의 제어가 필요한 표면처리 공정에서 사용된다. 또한, 일부 협동로봇은 각 관절에 단축 토크 센서를 탑재하여 민감한 충돌감지 및 안전기능을 구현하여 사람과 로봇의 안전한 협동을 강조하는 제품도 출시되고 있다.
특히 최근 로봇의 수요가 늘어날수록 협동로봇을 보다 정밀하게 조작하여 수행하는 공정들이 많아지고 있는데, 에이딘로보틱스의 힘/토크 센서는 다축의 힘과 토크를 모두 동시에 측정하여 로봇이 이러한 작업을 무리없이 해낼 수 있도록 지원한다. 또한 로봇 뿐만 아니라 로봇핸드, 그리퍼, VR기기 등 좁은 공간에도 쉽게 탑재할 수 있도록 초소형으로 제작된 힘/토크 센서가 보다 세밀한 작업이 이뤄질 수 있도록 돕는다.
힘/토크 센서를 협동로봇에 장착한 후에는 정밀한 작업이 요구되는 연마나 용접, 나사 조립, 표면처리 등 다양한 제조 공정에 활용이 가능하기에, 범용성과 확장성도 넓다. 각 로봇 메이커사들마다 협동로봇을 비롯한 다양한 산업용 로봇에 어떤 센서를 탑재하는지는 각 생산과정 및 제품의 포메이션에 따라 상이하다. 실제로 각 로봇 제조사들은 협동로봇의 가격대나 제품 취지에 따라 각기 다른 센서를 적용하기 때문에, 고객의 입장에서는 힘토크센서를 비롯해 로봇에 도입된 센서 종류도 로봇을 선택하는데 있어 중요한 요소 가운데 하나가 될 것으로 보인다.
실제로 이미 로봇업계에서는 이러한 센서들이 부착돼 있는 모델들이 협동로봇의 고급화 및 안전성 상승에 크게 도움이 된다고 인식하고 있는 경우가 많다. 또한 협동로봇 시장이 성장하면서 자연스럽게 로봇을 구매하려는 사람들은 더 높은 성능과 안정성을 고려할 것이므로 힘토크 센서를 비롯한 다양한 센서를 탑재한 로봇의 비중이 더욱 높아질 수밖에 없다.
힘/토크센서는 그동안 기술에 따른 장단점, 가격 등의 장애물로 인해 로봇업계, 구매자들 사이에서도 비교적 난이도가 높았으며 도입을 하기 어려운 기술 가운데 하나였다. 하지만 로봇의 용도가 다양해지고 에이딘로보틱스와 같이 기존 시장에 나와있던 스트레인게이지, 정전용량 측정 방식 등의 한계를 개선한 제품들이 나타나면서 점차적으로 실제현장에 도입하는 사례가 늘어날 것으로 전망된다.
이는 로봇의 정교한 움직임부터 사람과의 협업까지 다양한 방향으로 영향을 줄 가능성이 높아 보인다. 에이딘로보틱스와 같은 차세대 버전의 힘/토크 센서들은 앞으로 로봇시장에서 로봇 제품에 대한 고도화를 더욱 빠르게 촉진시킬 것이며, 동시에 고객들로부터 더 이상 값비싼 제품에 의존하지 않고 고객들에게 더 많은 선택지를 제공하여 구매 만족도는 물론 나아가 로봇의 보급 속도까지도 크게 영향을 줄 것을 전망된다.
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