로봇 구성요소

• SW 요구사항 분석의 출발점 = "내가 제어할 하드웨어가 무엇으로 이루어져 있는가"를 아는 것
• 로봇 = 기구부·구동부·센서부·제어부·전원부의 5대 구성요소 → 각 부분 사양이 소프트웨어의 제어 주기·통신량·처리량 요구사항을 결정
• 핵심 출제 포인트 = 구성요소–역할 매칭(인간 신체 비유), 내계/외계 센서 구분, 감속기 종류(하모닉·RV)

로봇의 5대 구성요소 (인간 비유로 암기)

로봇의 동작 원리인 감지(Sense) → 판단(Think) → 행동(Act) 은 각각 센서부 → 제어부 → 구동부에 대응한다.

기구부 — 링크, 관절, 엔드이펙터

• 링크(Link): 강체 막대(뼈), 관절(Joint): 링크를 잇는 움직이는 연결(관절)
• 관절의 두 기본형: 회전 관절(Revolute, R) — 축을 중심으로 돌고, 직동 관절(Prismatic, P) — 직선으로 미끄러진다
• 자유도(DOF): 독립적으로 움직일 수 있는 축의 수. 공간에서 위치(3) + 자세(3) = 6자유도가 임의 포즈의 기본 (→ 로봇 기구학 해석)
• 엔드이펙터(End-effector): 팔 끝에서 실제 작업을 하는 도구 — 그리퍼(집게), 용접 토치, 흡착 패드 등

구동부 — 액추에이터, 감속기, 드라이버

• 액추에이터: 에너지를 운동으로 바꾸는 장치. 전기식(DC·BLDC·스테핑·서보 모터 — 제어 용이, 가장 보편) / 유압식(대힘, 건설·중량물) / 공압식(단순·저가, 온오프성 동작) (→ 액추에이터 구동원리)
• 감속기(Reducer): 모터의 고속·저토크를 저속·고토크로 변환 (토크는 감속비만큼 증가). 종류가 시험 단골:
  • 하모닉 드라이브: 백래시(치차 유격)가 거의 없고 경량·고감속비 — 소형 관절·손목에
  • RV 감속기: 고강성·고토크·내충격 — 대형 로봇의 기저(어깨·허리) 축에
  • 유성 기어: 범용, 동축 구조로 컴팩트
• 모터 드라이버: 제어기의 약한 신호를 받아 모터에 큰 전류를 흘려 주는 전력 변환·제어 장치. 전류(토크)·속도·위치 루프를 내장하기도 한다 (→ 액추에이터 제어구조 설계)

센서부 — 내계 센서와 외계 센서 (시험 단골)

• 내계 센서(Proprioceptive, 내부 상태): 로봇 자신의 상태를 측정 — 엔코더(관절각), IMU(가속도·각속도), 전류 센서(토크 추정), 온도 센서
• 외계 센서(Exteroceptive, 외부 환경): 바깥 환경을 측정 — 카메라, LiDAR, 초음파, 적외선, 힘/토크 센서, GPS

센서의 작동 원리와 종류는 로봇센서 작동 원리, 센서 종류에서 상세히 다룬다.

제어부 — 계층화된 두뇌

제어부는 보통 두 층 이상으로 나뉜다 (→ 로봇 제어기 특성).

• 주 제어기(상위): 인지·판단·경로계획 등 무거운 연산 — PC/SBC급, 범용 OS
• 모션 제어기·모터 드라이버(하위): ms 이하 주기의 실시간 제어 — MCU/DSP, RTOS·펌웨어 (→ 로봇 액추에이터 펌웨어 구조)

둘 사이는 CAN·EtherCAT 등 실시간 통신으로 연결된다 (→ 로봇 구성 요소 간 통신 프로토콜).

전원부

• 배터리(이동로봇 — 주로 리튬이온 계열) 또는 상용 전원 + SMPS
• DC-DC 컨버터로 24 V/12 V/5 V 등 장치별 전압 생성, 보호 회로(과전류·과방전), 전원 시퀀스 관리
• 전력 예산(power budget)이 부족하면 최대 부하에서 전압 강하로 리셋되는 고질적 통합 문제가 생긴다 (→ 로봇 시스템 통합 설계)

소프트웨어 관점에서 왜 중요한가

• 각 하드웨어는 SW에서 드라이버·노드로 대응된다 — 구성요소 목록이 곧 SW 모듈 목록의 초안
• 하드웨어 사양이 SW 요구사항을 결정한다: 엔코더 분해능 → 제어 정밀도 한계, 센서 출력 주기·대역폭 → 통신·처리 성능 요구, 모터 응답성 → 제어 주기 요구

5대 구성요소와 Sense–Think–Act

flowchart LR
    subgraph 로봇
        SEN["센서부
(감각)"] --> CTR["제어부
(두뇌)"] --> DRV["구동부
(근육)"] --> MECH["기구부
(골격)"]
        PWR["전원부
(심장)"] -.전력.-> SEN & CTR & DRV
    end
    ENV["환경"] --> SEN
    MECH --> ENV

구동부의 연결 사슬

flowchart LR
    C["제어기
(지령)"] --> D["모터 드라이버
(전력 증폭·전류 제어)"] --> M["모터
(고속·저토크)"] --> R["감속기
(저속·고토크로 변환)"] --> J["관절·링크"]
    E["엔코더"] -. 피드백 .-> C

Sense–Think–Act는 각각 어느 구성요소에 대응하나?::Sense=센서부, Think=제어부, Act=구동부 관절의 두 기본형은?::회전 관절(Revolute, R)과 직동 관절(Prismatic, P) 공간에서 임의의 위치·자세를 잡는 데 필요한 자유도는?::6자유도 (위치 3 + 자세 3) 엔드이펙터(End-effector)란?::머니퓰레이터 끝에서 실제 작업을 수행하는 도구 — 그리퍼, 용접 토치 등

감속기의 역할은?::모터의 고속·저토크를 저속·고토크로 변환 (토크는 감속비 배로 증가) 하모닉 드라이브의 특징과 용도는?::백래시가 거의 없고 경량·고감속비 — 소형 관절·손목 축 RV 감속기의 특징과 용도는?::고강성·고토크·내충격 — 대형 로봇의 기저(어깨·허리) 축 내계 센서와 외계 센서의 구분은?::내계=로봇 자신의 상태(엔코더·IMU·전류), 외계=외부 환경(카메라·LiDAR·초음파) 모터 드라이버의 역할은?::제어기의 지령 신호를 받아 모터에 큰 전류를 공급하는 전력 변환·제어 장치 하드웨어 사양이 SW 요구사항을 결정하는 예는?::엔코더 분해능→제어 정밀도, 센서 주기·대역폭→통신·처리 성능, 모터 응답성→제어 주기

1. 로봇 구성요소와 인간 신체의 비유로 옳지 않은 것은?

① 기구부 — 골격 ② 구동부 — 근육 ③ 센서부 — 두뇌 ④ 전원부 — 심장

2. 다음 중 내계(proprioceptive) 센서로만 묶인 것은?

① 카메라, LiDAR ② 엔코더, IMU ③ 초음파 센서, GPS ④ 힘/토크 센서, 적외선 센서

3. 백래시가 거의 없고 가벼워 소형 로봇 관절이나 손목 축에 주로 쓰이는 감속기는?

① 웜 기어 ② 하모닉 드라이브 ③ RV 감속기 ④ 랙 앤 피니언

4. 감속비 100:1인 감속기를 거친 출력축의 특성으로 옳은 것은? (손실 무시)

① 속도 100배, 토크 100배 ② 속도 1/100배, 토크 100배 ③ 속도 100배, 토크 1/100배 ④ 속도와 토크 모두 1/100배

5. 하드웨어 구성이 소프트웨어 요구사항에 미치는 영향으로 가장 거리가 먼 것은?

① 엔코더 분해능은 달성 가능한 제어 정밀도를 제한한다 ② 센서의 출력 주기와 데이터양은 통신·처리 성능 요구를 결정한다 ③ 하위 실시간 제어기의 존재는 SW 계층 분담을 결정한다 ④ 로봇 외관의 도색 색상은 제어 주기를 결정한다

• 로봇 구조에 따른 분류 — 구성요소가 조합된 구조의 유형
• 액추에이터 사양 분석 — 구동부 사양의 상세
• 로봇센서 작동 원리 · 센서 종류 — 센서부 상세
• 로봇 제어기 특성 — 제어부 상세
• 로봇 시스템 통합 설계 — 구성요소들을 결합하는 통합
• _MOC 로봇소프트웨어구조설계