[오토저널] 로봇기술을 이용한 Steer-by-Wire 시스템 개발

2021.05.17. 12:33:31

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첨단기술의 발전과 더불어 자동차는 새로운 플랫폼이 되어가고 있다. 단순한 탈 것에서 벗어나 새로운 기술들을 탑재한, 기존에 없었던 기술들의 집약체로서 자동차가 주목을 받고 있다. 자율주행과 같은 AI/컴퓨터 기술을 시작으로 지금까지 와는 다른 탈 것으로의 경험을 제공하는 자동차. 그 중에서 중요한 부분인 조향시스템에 적용되고 있는 로봇기술을 소개한다.

인간로봇의 상호작용 (Human Robot Interaction)
최근 로봇연구의 분야에서는 인간로봇상호작용(Human Robot Interaction, HRI) 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다. 예를 들면, 휴머노이드 로봇이 사람과 어떻게 협업하여야 하는가, 입는 로봇이 어떤 방법으로 사람의 행동을 도울 수 있게 제어해야 하는가, 혹은 의사가 수술 로봇을 이용하여 수술할 때의 조종을 어떤 형태로 설계해야 하는가 등의 연구이다.

이러한 인간로봇상호작용의 기본 구조를 <그림 1>에서 설명하고 있다. 즉 인간이 로봇을 통하여 작업공간과 접촉하고 작업을 구현하는 상황에서 로봇이 어떤 형태로 인간을 보조하며 작업을 실행할 것인가에 관련된 방법론을 제시하고 설계하여 나가는 것이 인간로봇상호작용에 대한 연구이다. <그림 1>에서 보는 바와 같이 로봇이 인간과 작업환경의 중간에서 도움을 주는 것이 기본형태이나, 아래의 그림과 같이 인간이 작업환경에서 완전히 분리되어 중간자 로봇을 통하여 작업을 구현하는 시스템도 존재한다. 이런 시스템을 마스터/슬레이브 시스템이라 칭하며, 수술 로봇과 같이 로봇을 원격 조종하는 형태로 작업을 수행하는 경우가 여기에 속한다고 할 수 있다.

조종자(의사)가 조작하는 로봇과 실제 사람의 체내에서 수술을 집도하는 로봇이 서로 떨어져 있으나 조종자는 마치 직접 수술을 하는 듯한 경험을 하며 로봇을 조종하는 예이다. 이때, 조종자가 직접 조작하는 로봇부위는 마스터(Master)가 되고 실제 사람 체내에 들어가서 수술을 집도하는 로봇은 슬레이브(Slave)가 된다.

이러한 마스터/슬레이브 시스템에 요구되는 동작은, 먼저 슬레이브는 마스터가 움직이는 대로 움직여야 한다. 즉 슬레이브는 마스터의 동작(위치)신호를 받아서 그에 따라서 움직이는 위치제어가 되어야 한다(위치 제어). 또한 슬레이브가 환경과 접촉하여 느끼는 환경정보를 마스터를 조종하는 사람이 느낄 수 있어야 하는데, 이는 슬레이브가 측정한 힘의 신호가 마스터 로봇으로 전달되어 마스터로봇이 그 힘을 똑같이 조종자에게 생성해 주어야 한다(힘제어).

마스터 로봇의 위치정보를 슬레이브 로봇이 받아서 따라 움직이기만 하는 제어를 Unilateral 제어라고 칭하고 있으며, 이에 더하여 슬레이브 로봇의 힘정보를 마스터 로봇이 구현하는 제어를 Bilateral 제어라고 칭하고 있다<그림 2>. 마스터 /슬레이브 시스템을 이용한 작업수행에서 Unilateral 위치제어는 필수여서 상용화된 원격수술로봇은 이미 이러한 Unilateral 제어를 구현하고 있다. 이에 비하여 Bilateral 힘제어에 대해서는 해결하여야 할 이슈들이 남아 있어서 상용화를 준비하고 있는 단계라고 할 수 있다.

위에서 소개한 HRI기술 및 마스터/슬레이브 기술은 디지털 트윈이라고도 불리는 분야의 기본 기술로 로봇 이외의 다양한 응용분야에 적용 가능한 기술이다. 본 고에서는 이러한 기술을 차량의 핸들/조향 시스템에 적용한 예를 살펴 첨단 로봇기술과 차량제어 기술의 접합점을 소개하고자 한다

로봇기술의 핸들/조향 시스템 적용
차량의 핸들/조향 시스템은 차량의 역사와 함께 발전하여 왔다. 가장 현대적인 핸들/조향 시스템이라 한다면 Electric Power Steering(EPS)와 Steer-by-Wire(SbW)이라 할 수 있다. EPS는 <그림 3>에서 보는 바와 같이 핸들과 조타시스템의 연결축의 특정 부위에 전기모터를 배치하여 필요에 따라 운전자의 조타력/조타감을 향상시킬 수 있는 토크를 제공한다.

SbW시스템은 비교적 최근에 많은 관심을 받고 있는 시스템으로 <그림 4>와 같이 핸들과 조향시스템이 기계적으로 분리되어 있으며, 양측에 모터가 배치되어 필요한 동작과 토크를 생성하는 시스템이다. 이러한 첨단 핸들/조향 시스템을 인간로봇상호작용이라는 관점으로 본다면, EPS시스템은 <그림 1>의 상단과 같은 구조의 HRI시스템에 대응하며 SbW시스템의 <그림 1>의 하단과 같은 구조라고 할 수 있다. 특히 SbW시스템의 전형적인 마스터/슬레이브 시스템의 구조를 가지고 있어 로봇분야에서 활발하게 연구된 마스터/슬레이브 관련 기술들이 적용될 수 있는 흥미로운 연구분야라 할 수 있다.

차량의 조향시스템은 노면의 상태 및 정보를 핸들의 조타동작 중 조타감/조타력의 형태로 반영할 수 있어야 한다. SbW의 경우 기계적인 연결이 없어 오로지 하단의 조향시스템에서 측정/추정한 힘의 정보를 핸들에 장착된 모터에 전달하여 그에 기반한 조타감을 생성하는 제어를 구현하여야 한다. 이는 <그림 2>의 Bilateral 제어에 해당하며, 이를 구현하기 위한 관련 기술들이 개발되어야 한다. 가장 기본적으로는 핸들에 부착된 모터가 적절한 힘제어를 구현할 수 있어야 한다.

이러한 힘제어를 구현하는 구동기로, 최근 로봇분야에서 빈번하게 거론되는 구동기의 종류로 직렬탄성구동기(Series Elastic Actuator, SEA)가 있다. 기존의 힘제어 구현은 힘을 직접 측정할 수 있는 센서를 별도로 이용하였다. 직렬탄성구동기는 이러한 방법과는 다르게, 탄성체를 모터와 부하사이에 직렬로 연결하고 두개의 변위측정센서(엔코더 등)를 이용하여 탄성체의 변형량을 측정하는 형태로 힘을 측정하고 피드백제어를 하는 메커니즘이다.

<그림 5>에 개발된 직렬탄성구동기의 예를 표시하였다. 이러한 직렬탄성구동기는 모터의 정밀한 위치제어 성능을 힘제어에 적절하게 활용한 시스템으로 복잡하지 않은 힘측정이 가능하며 힘제어 성능도 우수하여 안전하고 정밀한 힘제어가 요구되는 HRI시스템에 최근에 많이 활용되고 있는 구동기이다. 또한 <그림 6>과 같이 그 동적특징도 잘 분석되어 있어 정밀한 제어와 분석이 필요한 시스템에서 그 진가를 발휘하고 있다.

직렬탄성구동기 기술을 이용한 SbW시스템 구축
이러한 직렬탄성구동기의 장점을 살린 SbW시스템이 개발되고 있다. <그림 7>이 직렬탄성구동기를 기반으로 한 핸들용 구동모듈의 예를 보여주고 있다. 다양한 직렬탄성구동기의 구조 중 전달력측정형 직렬탄성구동기(Transmission Force sensing Series Elastic Actuator)를 적용하여 조타감을 정밀하게 구현할 수 있는 구동모듈을 개발하였다. 모터 외부 하우징의 일부에 스프링을 배치하여 토크를 정밀하게 측정할 수 있게 하였고, 기존의 핸들 조향각을 측정할 수 있는 센서(Steering Angle Sensor, SAS)와 모터에 부착된 엔코더를 이용하여 스프링의 뒤틀림을 측정하고 제어할 수 있다는 것이 특징인 구동모듈이다. 이러한 직렬탄성구동기 기반 핸들모듈
은 사이즈를 컴팩트하게 만들 수 있고, 기존의 토크센서를 사용하지 않고도 고성능 토크제어가 가능하다는 특징을 갖는다.

SEA기반 핸들모듈을 이용하여 SbW의 Bilateral제어를 구현할 수 있다. <그림 8>에서는 별도의 차량조향용 Rack& Pinion 시스템을 연동하여 구축한 SbW시스템의 예를 보였다. 하부의 차량조향용 Rack&Pinion 시스템에서 추정한 추력정보를 핸들 구동모듈에 전달, 이를 토크로 변환하여 핸들 모듈의 직렬탄성구동기가 힘제어를 구현함으로 하부의 추력 정보가 성공적으로 핸들모듈에 전달됨을 확인할 수 있었다. 이는 <그림 2>의 Bilateral 제어가 직렬탄성구동기를 이용한 SbW시스템에도 적용가능하다는 것을 보인 예라고 할 수 있다.

본 고에서는 로봇의 첨단 연구분야 중 하나인 인간로봇상호작용연구에 관련된 기술이 어떻게 차량의 핸들/조향시스템에 적용될 수 있는지에 대한 예를 소개하였다. 특히 SbW시스템의 구조가 원격조종로봇의 마스터/슬레이브시스템과 유사함에 착안하여, 로봇시스템에 활용되는 직렬탄성구동기와 Bilateral 제어가 SbW시스템에도 적용가능함을 보였고, 이를 시작으로 하여 서로 다른 분야라고 할 수 있는 로봇과 자동차의 첨단 기술들이 서로 융합하여 새로운 미래 기술을 만들어 낼 수 있다는 가능성을 확인하였다.

글 / 오세훈 (대구경북과학기술원 )
출처 / 오토저널 2021년 2월호 ( http://www.ksae.org )

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