로봇공학은 전기공학, 기계공학, 컴퓨터공학이 교차하는 지점에서 탄생한 융합 분야입니다. 자동차, 항공우주, 제조업, 국방, 농업, 헬스케어 산업을 중심으로 급속히 확산되고 있으며, 인공지능(AI)의 발전과 함께 우리 일상 곳곳에 자동화 시스템으로 스며들고 있습니다. 로봇의 설계부터 유지보수까지 전 생애주기를 관리하는 로봇공학 엔지니어에게 가장 중요한 기술적 토대는 바로 임베디드 시스템입니다.
임베디드시스템이 로봇의 두뇌가 되는 원리
로봇공학에서 임베디드 시스템은 기계적 요소와 외부 환경 데이터를 연결하는 핵심 인터페이스 역할을 수행합니다. 로봇의 능력을 실행하는 열쇠이자, 하드웨어와 소프트웨어가 조화롭게 작동하도록 설계되어야 하는 복잡한 구조입니다.
하드웨어 측면에서 microcontrollers와 microprocessors는 임베디드 시스템의 '두뇌'로 불립니다. Microcontrollers는 CPU, 메모리(RAM, ROM/flash), 그리고 타이머, 카운터, I/O 포트 같은 주변장치를 단일 칩에 통합한 형태입니다. 크기와 복잡성이 축소되어 미리 정해진 작업을 수행하는 단순한 응용 분야에 최적화되어 있으며, articulated robots(robotic arms)와 cobots에서 주로 활용됩니다. 반면 microprocessors는 외부 구성 요소 및 주변장치와 별도로 상호작용하기 때문에 더 강력한 처리 능력을 보유하며, autonomous mobile robots(AMRs)와 automated guided vehicles(AGVs) 같은 견고한 시스템에 통합됩니다.
입출력 장치 역시 필수적입니다. 센서라고 불리는 input devices는 CPU가 처리할 수 있는 데이터를 수집하고 변환하여 메모리 장치에 저장합니다. 카메라, 마이크, 자이로스코프, LiDAR sensors는 로봇의 환경 데이터를 수집하고 평가하는 데 널리 사용됩니다. CPU는 입력 데이터를 받은 후 출력 명령을 생성하여 메모리 장치에 저장하고, output devices인 actuators, 화면, 스피커가 물리적 동작을 수행합니다. 메모리 장치의 선택은 응용 분야에 따라 달라지는데, flash memory는 내구성과 전기적 재프로그래밍 기능 덕분에 고장 위험을 줄여 로봇공학에서 가장 보편적으로 사용되지만, RAM, ROM, EEPROM도 특정 상황에서 활용됩니다.
그러나 사용자 비평에서 지적한 대로, 로봇의 자율성을 높이는 AI 기술이 임베디드 시스템의 설계에 구체적으로 어떤 영향을 미치는지에 대한 논의는 여전히 부족합니다. 예를 들어 딥러닝 모델을 엣지 디바이스에서 실시간으로 구동하려면 더 높은 연산 능력과 효율적인 전력 관리가 필요하며, 이는 하드웨어 선택의 패러다임을 근본적으로 변화시키고 있습니다.
통신프로토콜과 로봇 유형별 최적화 전략
로봇공학에서 통신 프로토콜은 작업 조정의 필수 요소로, 정보 교환을 가능하게 합니다. 특정 로봇의 요구 사항에 따라 유선 또는 무선 통신을 선택해야 하며, 이 선택은 로봇의 성능과 직결됩니다.
일반적으로 Ethernet, USB, I2C, SPI, CAN 같은 유선 통신 프로토콜은 통제된 환경에서 작동하는 산업용 로봇에 가장 적합합니다. 예를 들어 창고의 automated guided vehicles(AGVs)는 CAN(controller area network)을 사용할 수 있습니다. 정의된 중재 규칙과 빠른 데이터 전송이 성능 출력 능력을 최적화하기 때문입니다. 반면 Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee 같은 무선 통신 프로토콜은 비통제 환경에서 작동하는 로봇에 더 적합합니다. 유연하고 동적인 데이터 전송이 속도보다 우선시되는 상황에서 말이죠. autonomous mobile robot(AMR)은 Bluetooth를 사용하여 실시간 내비게이션을 지원받을 수 있습니다. 신호가 정밀한 목표 위치 파악을 제공하기 때문입니다.
로봇의 유형에 따른 최적화 전략도 중요합니다. AMRs는 센서와 카메라 같은 기술을 사용하여 주변 환경을 평가하고 실시간으로 결정을 내리며 자유롭게 이동합니다. AGVs는 미리 프로그래밍된 경로로 제한되어 AMRs와 달리 경로 유연성이 낮습니다. Articulated robots 또는 robotic arms는 인간 팔의 동작 범위와 기능을 복제합니다. Humanoids는 AMRs와 유사하게 주변을 감지하여 행동을 결정하지만, 사람을 맞이하거나 길을 안내하는 등 더 틈새적이고 인간 중심적인 작업을 수행합니다. Cobots는 인간 작업과 협력하도록 설계되었으며, 인간의 감독이 필요한 수동적이고 위험한 작업에 주로 사용됩니다. Hybrids는 앞서 언급한 다섯 가지 요소를 결합한 로봇을 의미하며, robotic arms를 장착한 AMRs나 AGVs가 대표적인 예입니다.
그러나 이러한 통신 프로토콜 선택이 로봇의 보안 측면에 미치는 영향에 대한 분석은 여전히 미흡합니다. 특히 무선 통신을 사용하는 AMRs나 Humanoids는 해킹이나 데이터 탈취에 취약할 수 있으며, 산업 환경에서 CAN 버스를 사용하는 로봇 역시 사이버 공격의 표적이 될 수 있습니다. 통신 보안을 강화하는 암호화 프로토콜과 인증 메커니즘에 대한 논의가 추가되어야 합니다.
개발도구와 소프트웨어 생태계의 실무적 가치
올바른 소프트웨어 구성을 구현하고 활용하는 것은 임베디드 시스템의 정확성과 효율성을 보장하는 데 필수적입니다. Real-time operating systems(RTOS)는 정밀한 타이밍으로 작업을 실행하도록 설계되어 로봇공학 설계에서 가장 널리 사용되는 범용 운영 체제입니다. RTOS는 결정론적 타이밍, 멀티태스킹, 모션 제어, 하드웨어와 소프트웨어 간의 원활한 상호작용을 가능하게 합니다.
그러나 로봇 응용 분야를 위해 특별히 설계된 전문 운영 체제도 점차 증가하고 있습니다. Robot Operating System(ROS)과 RTLinux 같은 시스템은 실시간 컴퓨팅 코드를 구현할 수는 없지만, 낮은 지연 시간과 강력한 도구 라이브러리를 제공하여 소프트웨어 및 프로그래밍 개발을 간소화합니다. 임베디드 시스템 개발에는 다양한 프로그래밍 언어가 적용 가능하지만, C와 C++는 실시간 작업에 가장 기능적이고 효율적인 메모리 관리를 제공하기 때문에 로봇 제작에서 일반적으로 사용됩니다.
실무 개발 과정에서는 테스트와 디버깅 도구의 역할이 결정적입니다. Total Phase는 로봇 엔지니어의 개발, 프로토타이핑, 디버깅 요구를 지원하는 도구를 제공합니다. Aardvark I2C/SPI Host Adapter와 Promira Serial Platform은 사용자가 I2C 및 SPI 마스터 및 슬레이브 장치를 에뮬레이트하여 시스템을 프로토타이핑할 수 있도록 합니다. 로봇 팔의 성능을 분석하려는 고객의 사례에서도 이러한 도구의 실용성이 입증되었습니다. Beagle USB Protocol Analyzers와 Beagle I2C/SPI Protocol Analyzer 같은 Beagle protocol analyzers 라인은 사용자가 실시간으로 USB, I2C, SPI 버스 데이터를 캡처하고 모니터링할 수 있게 하여, 상세한 데이터 교환을 통해 문제 해결 노력을 단순화하고 간소화합니다. Komodo CAN Duo Interface는 두 개의 독립적이고 맞춤 설정 가능한 CAN 채널을 제공하여 사용자가 두 개의 CAN 버스를 동시에 모니터링하거나 CAN 데이터를 능동적으로 전송하여 CAN 장치를 에뮬레이트할 수 있습니다. 활성 노드 또는 비침입 분석기로 구성할 수 있어 광범위한 로봇 구성 요소를 테스트하고 개발하는 데 사용됩니다.
그러나 사용자 비평이 지적한 것처럼, 글의 후반부가 Total Phase 제품 홍보에 치우친 점은 아쉬운 부분입니다. 개발 도구의 기술적 가치를 인정하되, 오픈소스 도구나 다른 경쟁 제품과의 비교 분석이 함께 제시되었다면 독자에게 더 균형 잡힌 정보를 제공할 수 있었을 것입니다. 또한 윤리적 측면에서 로봇의 자율성이 높아질수록 인간의 역할과 책임에 대한 논의가 필수적이지만, 원문에서는 이러한 고민이 누락되어 있습니다.
로봇공학은 하드웨어, 소프트웨어, 통신 프로토콜이 유기적으로 결합되어야만 진정한 가치를 발휘하는 융합 기술입니다. 임베디드 시스템이 로봇의 두뇌라면, 통신 프로토콜은 신경계이며, 개발 도구는 이 모든 것을 실현하는 손입니다. 그러나 기술적 완성도만큼이나 AI의 진화에 따른 보안 및 윤리적 과제를 함께 고민해야 할 시점입니다. 균형 잡힌 시각으로 로봇공학의 미래를 준비하는 것이 진정한 전문가의 자세일 것입니다.
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[출처]
What is Robotics Engineering? Different Types of Robotics/Total Phase: https://www.totalphase.com/blog/2024/09/what-is-robotics-engineering-different-types-of-robotics/?srsltid=AfmBOopSY9SeOrWyXlTLtoo6F5LjURtE5QzP34T6a-dpyUghkiIzmPAD