제 3장: 센서와 액추에이터

로봇은 주변 환경을 인식하고 상호작용하기 위해 다양한 센서와 액추에이터를 사용합니다. 이 장에서는 주요 센서와 액추에이터의 원리와 응용에 대해 설명합니다.

3.1 센서의 종류와 원리

센서는 물리적 환경 변화를 감지하고 이를 전기 신호로 변환하는 장치입니다. 로봇에서 사용되는 주요 센서에는 다음과 같은 것들이 있습니다.

3.1.1 거리 센서

거리 센서는 물체와의 거리를 측정하는 센서로, 초음파 센서, 적외선 센서, 라이다(LiDAR) 센서 등이 있습니다.

• 초음파 센서: 초음파를 발사하고 반사되는 시간을 측정하여 거리를 계산합니다. 주로 장애물 감지와 회피에 사용됩니다.
• 적외선 센서: 적외선 빛을 발사하고 반사되는 빛의 강도를 측정하여 거리를 계산합니다. 가까운 거리의 장애물 감지에 적합합니다.
• 라이다 (LiDAR) 센서: 레이저 펄스를 발사하고 반사되는 시간을 측정하여 고해상도의 3D 환경 지도를 생성합니다. 자율주행 차량과 드론에 널리 사용됩니다.

도표 12: 거리 센서의 종류와 특성

센서 종류	측정 원리	주요 용도
초음파 센서	초음파 반사 시간 측정	장애물 감지, 로봇 회피
적외선 센서	적외선 반사 강도 측정	가까운 거리 장애물 감지
라이다 센서	레이저 펄스 반사 시간 측정	고해상도 3D 환경 지도 생성

그림 12: 거리 센서의 작동 원리

3.1.2 온도 센서

온도 센서는 주변 온도를 측정하는 센서로, 써미스터, 서미스터, 적외선 온도 센서 등이 있습니다.

• 써미스터: 온도 변화에 따라 저항이 변하는 소자입니다. 저가형 온도 측정에 적합합니다.
• 서미스터: 금속의 온도 계수를 이용한 온도 센서로, 고정밀 온도 측정에 사용됩니다.
• 적외선 온도 센서: 적외선 방사를 통해 비접촉식으로 온도를 측정합니다. 이동 중인 물체나 고온 물체의 온도 측정에 적합합니다.

도표 13: 온도 센서의 종류와 특성

센서 종류	측정 원리	주요 용도
써미스터	온도 변화에 따른 저항 변화	저가형 온도 측정
서미스터	금속의 온도 계수 이용	고정밀 온도 측정
적외선 온도 센서	적외선 방사 측정	비접촉식 온도 측정

 

3.1.3 힘/압력 센서

힘/압력 센서는 물체에 가해지는 힘이나 압력을 측정하는 센서로, 스트레인 게이지, 피에조 센서, 압전 소자 등이 있습니다.

• 스트레인 게이지: 물체가 변형될 때 저항이 변하는 소자로, 구조물의 하중이나 변형 측정에 사용됩니다.
• 피에조 센서: 압력에 의해 전기 신호를 생성하는 소자로, 충격이나 진동 측정에 사용됩니다.
• 압전 소자: 압력에 의해 전기 신호를 생성하는 소자로, 정밀한 힘 측정에 사용됩니다.

도표 14: 힘/압력 센서의 종류와 특성

센서 종류	측정 원리	주요 용도
스트레인 게이지	변형에 따른 저항 변화	구조물 하중, 변형 측정
피에조 센서	압력에 의한 전기 신호 생성	충격, 진동 측정
압전 소자	압력에 의한 전기 신호 생성	정밀한 힘 측정

 

3.2 액추에이터의 종류와 원리

액추에이터는 전기 신호를 기계적 운동으로 변환하는 장치로, 로봇의 움직임을 제어하는 데 사용됩니다. 주요 액추에이터에는 전기 모터, 유압 액추에이터, 공압 액추에이터 등이 있습니다.

3.2.1 전기 모터

전기 모터는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치입니다. DC 모터, 스테퍼 모터, 서보 모터 등이 있습니다.

• DC 모터: 직류 전원을 사용하여 회전 운동을 생성합니다. 속도 제어가 용이하며, 소형 로봇에 많이 사용됩니다.
• 스테퍼 모터: 정밀한 각도 제어가 가능한 모터로, 일정한 각도로 회전하며 위치 제어에 사용됩니다.
• 서보 모터: 피드백 제어를 통해 정밀한 위치와 속도 제어가 가능한 모터로, 로봇 팔과 같은 정밀 제어가 필요한 곳에 사용됩니다.

도표 15: 전기 모터의 종류와 특성

모터 종류	주요 특성	주요 용도
DC 모터	속도 제어 용이	소형 로봇, 이동 로봇
스테퍼 모터	정밀한 각도 제어	위치 제어, 3D 프린터
서보 모터	피드백 제어	정밀 제어, 로봇 팔

 

3.2.2 유압 액추에이터

유압 액추에이터는 유체 압력을 이용하여 기계적 운동을 생성하는 장치입니다. 높은 힘을 필요로 하는 산업용 로봇에 많이 사용됩니다.

• 유압 실린더: 유체 압력을 이용하여 직선 운동을 생성합니다. 높은 출력과 정밀한 제어가 가능하며, 대형 로봇이나 산업 기계에 사용됩니다.
• 유압 모터: 유체 압력을 이용하여 회전 운동을 생성합니다. 고출력 회전 운동이 필요할 때 사용됩니다.

도표 16: 유압 액추에이터의 종류와 특성

액추에이터 종류	주요 특성	주요 용도
유압 실린더	높은 출력, 정밀 제어	대형 로봇, 산업 기계
유압 모터	고출력 회전 운동	고출력 회전 작업

 

3.2.3 공압 액추에이터

공압 액추에이터는 압축 공기를 이용하여 기계적 운동을 생성하는 장치입니다. 경량 로봇이나 단순한 구동 시스템에 사용됩니다.

• 공압 실린더: 압축 공기를 이용하여 직선 운동을 생성합니다. 단순한 구조로 경량 로봇에 적합합니다.
• 공압 모터: 압축 공기를 이용하여 회전 운동을 생성합니다. 저출력 회전 운동이 필요할 때 사용됩니다.

도표 17: 공압 액추에이터의 종류와 특성

액추에이터 종류	주요 특성	주요 용도
공압 실린더	경량, 단순한 구조	경량 로봇, 단순 구동 시스템
공압 모터	저출력 회전 운동	저출력 회전 작업