로봇센서 작동 원리
📌 개요
- 센서 = 물리량(빛·거리·힘·회전)을 전기 신호로 바꾸는 변환기
- 원리를 알면 사양서가 읽히고, 어떤 환경에서 왜 실패하는지(센서 및 구동장치의 성능환경 분석)가 보임
- 출제 포인트: 증분형 vs 절대형 엔코더, 초음파 거리 계산(d = vt/2), 자이로의 코리올리 효과, 스트레인 게이지와 휘트스톤 브리지
📖 핵심 개념
측정의 사슬 — 물리량에서 숫자까지
물리량 → 감지 소자(변환) → 신호 조절(증폭·필터) → ADC(디지털화) → 소프트웨어
- 감지 소자(Transducer): 물리량을 전기량(전압·전류·저항·정전용량)으로 변환
- 신호 조절(Signal Conditioning): 미약한 신호의 증폭, 노이즈 필터링
- ADC(아날로그-디지털 변환): 연속 신호를 이산 숫자로 — 분해능은 비트 수로 결정(12비트 = 4096 단계) (→ 로봇센서 인터페이스)
엔코더 — 회전을 세는 눈금판 (시험 최다 빈출)
광학식 엔코더는 슬릿(구멍) 뚫린 원판 사이로 빛을 통과시켜 펄스를 만든다(자기식은 자극 패턴을 감지).
증분형(Incremental)
- 회전량에 비례한 펄스 수를 셈 — 상대 변화만 안다
- A상·B상 쿼드러처(Quadrature): 90° 위상차의 두 신호 — 어느 상이 먼저 오는지로 회전 방향 판별, 에지 4체배로 분해능 4배
- Z상(인덱스): 1회전에 1펄스 — 기준(원점) 위치
- 약점: 전원이 꺼지면 위치를 잃는다 → 전원 인가 후 원점 복귀(호밍) 필요
절대형(Absolute)
- 원판에 자리마다 고유한 코드 패턴 — 전원 인가 즉시 절대 각도를 안다 (호밍 불필요)
- 그레이 코드(Gray Code) 사용: 인접 코드 간 1비트만 변화 — 경계에서 여러 비트가 동시에 바뀌며 생기는 순간 오독을 방지 (시험 포인트)
- 멀티턴 절대형: 회전 수까지 기억 (배터리 또는 기계식)
관성 센서 (IMU)
- 가속도계: MEMS 미소 질량이 관성력으로 밀리는 변위를 정전용량 변화로 측정 — 중력도 가속도로 측정되므로 정지 시 기울기 센서로 쓸 수 있다
- 자이로스코프: 진동하는 질량이 회전 중에 받는 코리올리 힘을 측정해 각속도를 얻음 — 적분해 각도를 얻으므로 드리프트 누적이 숙명 (→ 상보 필터)
- 지자기 센서: 지구 자기장으로 방위 — 철 구조물·모터 자기장에 취약
거리 센서 — 무엇을 쏘고 무엇을 재나
- 초음파: 음파를 쏘고 반사가 돌아오는 왕복 시간(ToF) 측정 — d = \dfrac{v \cdot t}{2} (왕복이므로 2로 나눔, v ≈ 343 m/s는 온도에 따라 변함) (시험 계산 단골)
- 적외선 삼각측량: 적외선 스폿의 반사 각도 변화(PSD 수광 위치)로 거리 — 근거리, 표면 반사율 영향
- LiDAR: 레이저 광의 ToF(또는 위상차) — 빛이라 빠르고 정밀·장거리, 회전·스캔으로 2D/3D 점군 생성
- 레이더: 전파 반사 — 비·안개·먼지 투과에 강함, 분해능은 낮음
비전 센서
- 이미지 센서(CMOS/CCD): 픽셀별 광량 → 전하 → 디지털 영상
- 스테레오 카메라: 두 눈의 시차(disparity) 로 깊이 계산 — 시차가 클수록 가깝다
- 구조광(Structured Light): 알려진 패턴을 투사해 왜곡으로 깊이 — 실내 근거리 정밀
- ToF 카메라: 픽셀마다 광 왕복 시간 → 깊이 영상
힘·토크와 전류
- 스트레인 게이지(Strain Gauge): 금속 저항체가 늘어나면 저항 증가 — 미세한 변화를 휘트스톤 브리지 회로로 전압 변화로 검출 (시험 포인트). 로드셀·6축 힘/토크 센서의 기본 원리
- 전류 센서: 션트 저항의 전압 강하 또는 홀 효과(자기장 → 전압) — 모터 전류로 토크를 추정 (τ = k·i → 액추에이터 제어구조 설계)
📊 다이어그램 · 수식
측정의 사슬
flowchart LR
P["물리량
(회전·거리·힘)"] --> T["감지 소자
(전기량으로 변환)"] --> SC["신호 조절
(증폭·필터)"] --> AD["ADC
(디지털화)"] --> SW["소프트웨어
(드라이버·알고리즘)"]쿼드러처 방향 판별과 초음파 거리
flowchart TD
subgraph Q["증분형 엔코더 A·B상 (90° 위상차)"]
CW["정회전: A상이 B상보다 앞섬"]
CCW["역회전: B상이 A상보다 앞섬"]
end
subgraph U["초음파 ToF"]
F["d = v × t / 2
(왕복 시간이므로 ÷2, v는 온도 의존)"]
end🎯 핵심 요약 · 암기 포인트
✏️ 예상문제
1. 증분형 엔코더에서 A상과 B상의 90° 위상차를 이용해 알 수 있는 것은?
① 절대 각도 ② 회전 방향 ③ 모터 온도 ④ 공급 전압
정답 및 해설
정답: ② 어느 상이 먼저 변하는지(선후 관계)로 정/역회전을 판별한다. 또한 두 신호의 에지를 모두 세면 분해능이 4배(4체배)가 된다. 절대 각도(①)는 절대형 엔코더의 몫이다.
2. 절대형 엔코더의 코드 원판에 그레이 코드를 사용하는 이유는?
① 데이터 압축률이 높아서 ② 인접 위치 간 1비트만 변해 경계에서의 오독을 방지하려고 ③ 회전 속도를 높이려고 ④ 전원 소모를 줄이려고
정답 및 해설
정답: ② 이진 코드는 7(0111)→8(1000)처럼 여러 비트가 동시에 바뀌는 경계에서 순간적으로 엉뚱한 값이 읽힐 수 있다. 그레이 코드는 항상 1비트만 변하므로 경계 오독이 원리적으로 방지된다.
3. 초음파 센서가 펄스 발사 후 20 ms 만에 반사파를 수신했다. 음속을 340 m/s로 할 때 물체까지의 거리는?
① 6.8 m ② 3.4 m ③ 1.7 m ④ 0.85 m
정답 및 해설
정답: ② d = v×t/2 = 340 × 0.02 / 2 = 3.4 m. 측정 시간은 왕복이므로 반드시 2로 나눈다 — 나누지 않은 6.8 m(①)가 전형적 함정이다. 음속이 온도에 따라 변하는 것도 오차 요인으로 기억하자.
4. MEMS 자이로스코프가 각속도를 측정하는 데 이용하는 물리 현상은?
① 도플러 효과 ② 코리올리 효과 ③ 광전 효과 ④ 제벡 효과
정답 및 해설
정답: ② 진동하는 질량이 회전하는 좌표계에서 받는 코리올리 힘이 각속도에 비례한다. 자이로 출력(각속도)을 적분해 각도를 얻기 때문에 오차가 누적되는 드리프트가 발생하고, 이를 가속도계와의 융합(상보 필터)으로 보정한다.
5. 로드셀·힘/토크 센서의 기본 원리에 대한 설명으로 옳은 것은?
① 스트레인 게이지의 저항 변화를 휘트스톤 브리지로 검출한다 ② 초음파의 왕복 시간을 측정한다 ③ 코일의 인덕턴스 변화를 측정한다 ④ 빛의 시차를 계산한다
정답 및 해설
정답: ① 힘이 구조체를 미세하게 변형시키면 부착된 스트레인 게이지의 저항이 변하고, 이 미세 변화를 휘트스톤 브리지 회로가 전압 신호로 바꾼다. 6축 힘/토크 센서는 여러 게이지의 조합으로 힘 3축 + 토크 3축을 분리한다.
🔗 관련 노트
- 센서 종류 — 원리별 센서의 분류와 선정
- 센서 및 구동장치의 성능환경 분석 — 성능 지표와 환경 취약점
- 로봇센서 인터페이스 — 신호가 컴퓨터로 들어오는 길
- 로봇센싱 알고리즘 설계 — 드리프트·노이즈의 SW 보정
- 이동로봇 위치인식 — 엔코더·IMU를 쓰는 오도메트리
- _MOC 지능소프트웨어