로봇공학은 로봇의 설계, 제작, 작동 및 사용에 관한 학제간 연구이자 실천 분야이다. 로봇공학자(roboticist)는 로봇공학을 전문으로 하는 사람을 말한다. 로봇공학은 일반적으로 동력원(예: 배터리), 기계적 구조, 제어 시스템(전기 회로), 소프트웨어(원격 제어 또는 인공지능으로 구동)의 네 가지 설계 요소를 결합한다.
대부분의 로봇공학이 추구하는 목표는 농업, 건설, 가사, 식품 가공, 재고 관리, 제조, 의료, 군사, 광업, 우주 탐사, 운송 등 다양한 분야에서 인간을 보조할 수 있는 기계를 설계하는 것이다.
로봇은 근로자를 대체함으로써 인간에게 영향을 미친다. 일부에서는 이러한 현상이 점점 더 빠른 속도로 진행될 것으로 예상하며, 기본소득과 같은 해결책이 제안되고 있다. 로봇공학 자체는 특히 대학원 졸업자에게 일자리를 창출하는 수익성 높은 산업이다. 로봇공학자들은 종종 인간과 자연스럽게 상호작용하는 것처럼 보이는 기계를 만드는 것을 목표로 한다. 이 분야는 활발한 연구개발이 진행 중이며, 로봇 기구학과 양자 로봇공학 등이 주요 관심 분야이다.
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설계
로봇공학은 로봇을 만들기 위해 일반적으로 네 가지 설계 요소를 결합한다:
- 동력원: 잠재적 에너지원으로는 유선 전기, 배터리, 휘발유 등이 있다.
- 기계적 구조: 주어진 환경 범위 내에서 과제를 기능적으로 수행하기 위한 물리적 형태 또는 형태의 조합을 설계한다. 여기에는 바퀴, 무한궤도와 같은 이동 요소는 물론 유압 팔다리와 매니퓰레이터(예: 손)가 포함될 수 있다.
- 제어 시스템: 다이오드, 트랜지스터 등의 부품을 활용하는 전기 회로를 사용하여 소프트웨어를 실행하고, 모터 움직임을 제어하며, 센서를 읽는다.
- 소프트웨어: 프로그램은 로봇이 언제 또는 어떻게 무엇을 할지 결정하는 수단이다. 로봇 프로그램은 원격 제어, 인공지능(AI), 또는 이 둘의 하이브리드 방식으로 실행될 수 있다. AI 프로그래밍은 로봇 내비게이션과 인간-로봇 상호작용에서 중요한 부분이다.
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동력원
다양한 종류의 배터리가 동력원으로 사용될 수 있다. 대부분은 납축전지로, 안전하고 비교적 긴 보관 수명을 가지지만 은-카드뮴 전지에 비해 상당히 무겁다. 은-카드뮴 전지는 부피가 훨씬 작지만 가격이 훨씬 비싸다. 배터리 구동 로봇을 설계할 때는 안전성, 충방전 수명, 무게 등의 요소를 고려해야 한다.
발전기, 주로 일종의 내연기관도 사용할 수 있지만, 기계적으로 복잡하고 비효율적인 경우가 많다. 또한 테더(tether)로 로봇을 전원 공급 장치에 연결하면 무게와 공간을 절약할 수 있지만, 번거로운 케이블이 필요하다. 잠재적 동력원에는 다음이 포함된다:
- 플라이휠 에너지 저장
- 유압
- 원자력
- 유기 폐기물(혐기성 소화를 통해)
- 공압(압축 기체)
- 태양광 발전
기계적 구조
액추에이터는 로봇의 "근육"으로, 저장된 에너지를 움직임으로 변환하는 부품이다. 가장 널리 사용되는 액추에이터는 바퀴나 기어를 회전시키는 전기 모터와 공장 로봇을 제어하는 선형 액추에이터이다. 대부분의 로봇은 전기 모터를 사용하는데, 특히 가벼운 부하와 회전 운동이 주된 시스템에서는 휴대용 로봇의 경우 브러시 및 브러시리스 DC 모터를, 산업용 로봇과 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기계의 경우 AC 모터를 사용한다. 한편 선형 액추에이터는 안팎으로 움직이며, 특히 산업용 로봇에서처럼 큰 힘이 필요할 때 더 빠른 방향 전환이 가능하다. 일반적으로 오일이나 압축 공기로 구동되지만, 전기 모터와 리드스크루를 이용해 전기로도 구동할 수 있다. 기계식 래크 앤 피니언 방식이 일반적이다.
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DC 모터의 최근 대안으로는 초음파 모터를 포함한 압전 모터가 있는데, 이는 작은 압전세라믹 소자가 초당 수천 번 진동하여 직선 또는 회전 운동을 생성한다. 한 유형은 압전 소자의 진동을 이용해 모터를 원형 또는 직선으로 단계적으로 이동시키고, 다른 유형은 압전 소자로 너트를 진동시키거나 나사를 구동한다. 이러한 모터의 장점은 나노미터 분해능, 크기 대비 속도와 힘이다.
직렬 탄성 구동(SEA, Series Elastic Actuation)은 강건한 힘 제어를 위해 모터 액추에이터와 부하 사이에 의도적인 탄성을 도입하는 방식이다. 결과적으로 반영 관성이 낮아져 로봇 상호작용이나 충돌 시 안전성이 향상된다. 또한 에너지 효율성과 충격 흡수(기계적 필터링)를 제공하면서 변속 장치 및 기타 부품의 과도한 마모를 줄인다. 이 접근 방식은 다양한 로봇, 특히 첨단 제조용 로봇과 보행 휴머노이드 로봇에 성공적으로 적용되어 왔다. 직렬 탄성 액추에이터의 제어기 설계는 비구조적 환경과의 상호작용 안전성을 보장하기 때문에 주로 수동성(passivity) 프레임워크 내에서 수행된다. 그러나 이 프레임워크는 제어기에 엄격한 제한을 부과하여 성능에 영향을 미칠 수 있다는 단점이 있다.
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공압 인공 근육(에어 머슬이라고도 함)은 공기가 내부로 주입되면 팽창(일반적으로 최대 42%)하는 특수 튜브로, 일부 로봇 응용 분야에서 사용된다. 근육 와이어(형상 기억 합금이라고도 함)는 전기가 가해지면 수축(5% 미만)하는 소재로, 일부 소형 로봇에 사용되어 왔다. 전기활성 고분자(EAP)는 전기로 상당히 수축(최대 380% 활성화 변형)할 수 있는 플라스틱 소재로, 휴머노이드 로봇의 안면 근육과 팔에 사용되었을 뿐만 아니라 새로운 로봇이 부유, 비행, 수영 또는 보행할 수 있게 하는 데도 활용되었다. 또한 탄성 탄소 나노튜브는 유망한 실험적 인공 근육 기술이다. 탄소 나노튜브에 결함이 없기 때문에 이 필라멘트는 수 퍼센트의 탄성 변형이 가능하며, 금속 나노튜브의 경우 약 10 J/cm³의 에너지 저장 수준을 가진다. 인간의 이두근은 지름 8밀리미터(3/8인치)의 이 소재 와이어로 대체될 수 있어, 미래의 로봇이 인간의 능력을 능가할 가능성이 있다.
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이동 방식
바퀴가 하나 또는 둘뿐인 로봇은 더 높은 효율성, 부품 수 감소, 좁은 공간 통과 등의 장점을 가질 수 있다. 일륜 로봇은 둥근 공 위에서 균형을 잡는데, 카네기 멜론 대학교의 볼봇(Ballbot)은 사람과 비슷한 높이와 너비를 가진다. 구형 로봇(오브 봇 또는 볼 봇이라고도 함)을 제작하려는 여러 시도도 있었는데, 이는 공 내부에서 무게추를 회전시키거나 외부 껍질을 회전시켜 이동한다. 이륜 균형 로봇은 일반적으로 자이로스코프를 사용하여 로봇이 얼마나 기울어지는지 감지하고, 역진자 역학에 기반하여 초당 수백 번까지 바퀴를 비례적으로 구동하여 기울어짐을 상쇄한다. NASA의 로보넛(Robonaut)은 유사한 효과를 위해 세그웨이에 장착되었다. 대부분의 이동 로봇은 네 개의 바퀴 또는 연속 궤도를 가진다. 여섯 개의 바퀴는 야외 지형에서 더 나은 견인력을 제공할 수 있으며, 궤도는 더 큰 접지력을 제공한다. 궤도식 바퀴는 야외 비포장 로봇에 흔하지만, 실내에서 사용하기는 어렵다. 소수의 스케이팅 로봇도 개발되었는데, 그 중 하나는 네 개의 다리와 무동력 바퀴를 가진 다중모드 보행 및 스케이팅 장치이다.
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두 다리로 걸을 수 있는 로봇이 여러 대 만들어졌지만, 아직 인간만큼 안정적이지는 못하다. 두 다리 이상으로 걷는 로봇은 훨씬 더 많이 제작되었는데, 이는 상당히 더 쉽기 때문이다. 보행 로봇은 고르지 않은 지형에서 높은 기동성과 효율성을 제공할 수 있지만, 이족 보행 로봇은 현재 평평한 바닥이나 기껏해야 계단 정도만 처리할 수 있다. 몇 가지 접근 방식은 다음과 같다:
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제로 모멘트 포인트(ZMP)는 혼다의 아시모(ASIMO) 같은 로봇이 사용하는 알고리즘이다. 로봇의 탑재 컴퓨터는 총 관성력(지구 중력과 보행의 가속 및 감속의 결합)이 바닥 반력(바닥이 로봇의 발을 밀어 올리는 힘)에 의해 정확히 상쇄되도록 유지하려 한다. 이러한 방식으로 두 힘이 상쇄되어, 로봇을 회전시키고 넘어지게 하는 모멘트(힘)가 남지 않게 된다.