에너지를 기계적인 움직임으로 바꿔주는 '액추에이터'

[쇼핑저널 버즈] 이전에 몇 가지 센서 및 출력 장치(LED 및 FND 등)를 알아보았습니다. 앞으로도 살펴볼 센서와 출력 장치가 많은데요. 모두 알아보려면 한도 끝도 없으니 센서는 나중에 또 알아보기로 하구요. 먼저 로봇을 제어하기 위해 가장 먼저 알아야 할 모터에 대해 알아보도록 하죠.■ 액추에이터란모터는 종류가 굉장히 많은데요. 주변에서 흔히 접할 수 있는 모터는 장난감 자동차 등에 사용되는 직류 모터입니다. 영어로는 DC 모터(Motor)라고도 하지요. 이외에 스테핑 모터(Stepping Motor), 교류 모터(AC Motor) 등 매우 많은 종류의 모터가 있어요.

모터란 전기 에너지를 역학적 에너지로 바꾸어 주는 장치를 말합니다.

모터에 대해 알아보기 이전에 먼저 액추에이터(Actuator)라는 것에 대해 알아보도록 하겠습니다. 액추에이터란 어떤 에너지를 기계적인 움직임으로 변환하는 변환기(트랜듀서)를 말합니다. 쉽게 말해서 전기적 에너지를 기계적인 회전 운동으로 변환하는 모터도 액추에이터의 한 종류라고 생각하면 됩니다.

그러나 모터는 액추에이터의 한 종류이지 액추에이터가 모터인 것은 아닙니다. 예를 들어 사과(모터)는 과일(액추에이터)의 한 종류이지 사과(모터)가 과일(액추에이터)이 아닌 것과 마찬가지로 말이죠.

가만히 있는 인형 같은 경우는 액추에이터가 필요없지만 어떤 사물이 움직이기 위해서는 반드시 엑추에이터가 필요합니다. 로봇 역시 움직이기 위해서 액추에이터가 필요한 것은 두말 할 나위가 없지요.

추상화된 액추에이터의 그림

액추에이터에서 중요한 것은 에너지를 변환하여 기계적인 움직임으로 바꾼다는 것이지 에너지의 종류나 모터가 중요한 것은 아닙니다.

조금 더 쉽게 설명하자면 음식을 먹고 움직이는 사람도 하나의 액추에이터라고 볼 수 있습니다. 사람이 걷거나 뛰는 것도 모두 (기계적인) 움직임이기 때문이죠.

그런데 모터를 움직이는 힘은 전기 에너지라고 할 때 사람은 어디에서 에너지를 받아서 움직일까요?

네, 바로 사람이 먹는 음식으로부터 에너지를 공급받아요. 탄수화물, 단백질, 지방 등의 음식은 사람의 여러 소화기관을 거쳐 사람이 움직일 수 있는 힘을 만들어 줍니다. 따라서 우리 어린이들도 여러 가지 음식을 골고루 섭취해야 더 활기차고 씩씩하게 움직일 수 있겠죠?

액추에이터란 어떤 에너지를 기계적인 움직임으로 변환하는 모든 장치를 말한다.

하지만 액추에이터는 보통 사람보다는 기계에 많이 적용합니다. 액추에이터의 에너지는 전기/전자의 힘이나 열, 생화학 에너지 등 무엇이든 될 수 있지만 대개는 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 경우가 대부분입니다.

여러 에너지원으로 풍력 발전기는 바람의 힘을 이용한다든가 해저의 열을 이용한다든가 태양 에너지를 이용하는 경우도 있습니다.

또 에너지를 받아 기계적인 움직임으로 변환하는 장치로 모터 이외에도 유압 혹은 공압 등을 이용한 경우도 많습니다. 공압은 공기를 압축, 확장시키는 방법이고 유압이란 기름을 이용하는 방법입니다. 이러한 유압 장치를 이용한 것으로 주변에서 쉽게 볼 수 있는 포클레인이 있습니다.

그런데 로봇에는 이러한 공압이나 유압 장치보다는 보통 모터를 많이 사용합니다. 왜 하필 모터일까요? 왜냐하면 컴퓨터 입장에서 모터가 제일 제어하기가 편하기 때문입니다. 공압이나 유압 장치도 제어가 불가능한 것은 아니지만 전기적 신호로 움직이는 컴퓨터의 입장에서는 전기신호로 동작되는 모터가 제일 편하지요.■ 액추에이터의 종류액추에이터는 그 종류가 대단히 많아서 모든 종류를 다루기는 거의 불가능합니다. 특히 유압이나 공압은 다루기가 쉽지 않으므로 우리가 쉽게 다루고 실험해 볼 수 있는 모터 혹은 몇 가지 장치만을 다루어 볼 예정입니다.

모터 중에서도 널리 사용되는 직류 모터, 스테핑 모터, 서보 모터(Servo Motor)에 대해서만 다룰 것입니다. 다음 시간에는 릴레이등의 원리가 되는 액추에이터의 한 종류인 전자석을 직접 만들어 보려고 합니다. 이후에는 전자석을 이용해서 모터를 만들면 액추에이터의 원리 및 전동기의 원리에 대해 쉽게 이해할 수 있을 거예요.

■ 로봇의 자유도이번 강좌를 끝내기 전에 로봇의 자유도에 대해 얘기해 볼까요. 사람에게는 약 200여 개의 뼈가 있는데 이 중 절반 정도가 손과 발에 있으며 특히 손에 많은 수의 뼈가 있습니다.

매우 큰 힘을 발휘할 수도 있고 바닥에 떨어진 머리카락을 집을 수 있을 정도로 매우 정교합니다. 이유인즉슨 손에 매우 많은 수의 뼈와 근육이 연결되어 있기 때문입니다.

여러분은 모두 달걀 하나를 집어 올린다거나 야구공을 던진다거나 키보드를 타이핑한다거나 하는 등의 작업을 손쉽게 할 수 있습니다.

물론 타이핑이 느릴 수도 있고 야구 선수처럼 강속구를 던지는 것은 많은 훈련을 거듭해야 하지만, 누구나 야구공을 던지고 타이핑은 할 수 있습니다.

이러한 행동이 가능한 까닭은 인간 자체가 매우 우수한 액추에이터이기 때문입니다. 현재 존재하는 어떠한 로봇도 인간의 움직임을 그대로 따라하기가 불가능합니다. 또한 여러분 누구나가 달걀은 살살 잡아야 하고 야구공은 꼬옥 잡아도 괜찮다는 것을 알지만, 어지간한 로봇은 달걀과 야구공을 알아내기도 쉽지 않아요.

교통사고로 팔을 잃은 여성의 팔을 로봇으로 대체(사진 출처 : 워싱턴포스트)

위의 사진은 교통사고로 팔을 잃은 환자에게 진짜 팔을 대신하여 로봇 팔을 연결한 사진입니다. 로봇 팔이 아무리 훌륭하더라도 아마 실제 팔보다는 움직임이 정교하지 못하고 조금 불편할 것 같네요.

이렇게 움직임이 자유로운 정도를 자유도라고 나타내는데 결론적으로 인간은 어떠한 로봇보다 자유도가 높은 편입니다.

사람이 어떠한 물체를 집기 위해서는 수십 개의 관절과 근육과 뇌의 연산이 조합되어야 하는데 접시 하나를 드는 정도의 작업은 로봇에게도 쉽지만 사람과 같이 여러 상황에 따라서 접시를 드는 것은 힘들다는 얘기죠. 즉, 한 손으로 한 개도 들고 두 개도 들고, 무거운 접시도 들고 가벼운 접시도 들고, 들다가 무거우면 몸으로 받치기도 하는 것이 로봇에게는 어렵다는 뜻입니다.

그렇다면 로봇을 자연스럽게 움직이게 하려면 어떻게 해야 할까요? 답은 "모터를 많이 추가하면 된다."입니다. 즉, 한 개보다는 두 개가 두 개 보다는 10개가 더 자연스럽게 움직일 수 있다는 뜻입니다.

"에게~ 너무 쉽잖아!"라고 할지 몰라도 문제는 모터의 개수를 늘리는 것이 그렇게 간단한 일이 아니라는 것입니다. 가장 큰 문제는 일단 전기를 많이 소모합니다. 또한 모터 자체의 크기로 인해 로봇의 크기가 커집니다. 따라서 무작정 모터만 많이 추가해서는 곤란합니다.

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