휴머노이드 로봇을 현실 세계에 도입하려면 무엇이 필요할까요? 전문가들의 인사이트를 확인해 보세요

요점:

• 반도체는 특화된 공장 환경을 넘어 실제 환경까지 휴머노이드 로봇을 확장하는 핵심적인 기반 기술입니다.
• 휴머노이드 로봇이 최적의 의사 결정을 내리기 위해서는 카메라, 밀리미터파(mmWave) 레이더, 촉각 피드백 센서, 위치 인코더 전반을 아우르는 센서 퓨전 기술이 필수적입니다.
• 고도화된 휴머노이드 설계는 자유도가 50을 초과할 수 있으므로, 동작을 안정적으로 동기화하기 위해 감지, 컴퓨팅, 통신, 모터 제어 사이에 긴밀한 시스템 수준의 통합이 요구됩니다.

아무도 빨래를 개고 싶어하지 않지만, 만약 로봇이 당신을 위해 할 수 있다면 어떨까요?

바로 여기서 휴머노이드 로봇이 등장합니다. 휴머노이드 시장 규모는 2050년까지 5조 달러에 달할 것으로 전망됩니다. 그동안 미래의 일로만 여겨져 왔지만, 엔지니어들은 이미 공장 환경에서 작동할 수 있는 휴머노이드 로봇을 개발했습니다.

하지만 이건 휴머노이드가 가진 잠재력의 일부일 뿐입니다. 이러한 비전을 실현하기 위해서는 반도체의 역할이 그 어느 때보다 중요해질 것입니다.

전통적으로 AI(인공 지능)는 데이터를 분석하여 인사이트를 창출하고 인간의 의사결정을 지원해 왔습니다.

TI의 로봇 및 자동화 부문 총괄 매니저인 지오반니 캄파넬라(Giovanni Campanella)는 "AI는 물리적으로 구현되고 있으며, 휴머노이드 로봇은 이를 가장 실감나게 확인 할 수 있는 분야 중 하나입니다."라고 말합니다.

피지컬 AI는 이러한 AI 모델이 현실 세계에 구현된 형태로, 휴머노이드 로봇이 물체를 정밀하게 조작하거나 복잡한 환경을 탐색할 수 있도록 지원합니다.

지오반니는 "이러한 기능은 오직 반도체 기술의 발전 덕분에 가능합니다."라고 말합니다.

반도체 기술이 휴머노이드 로봇이 전문 애플리케이션에서 확장 가능한 실제 시스템으로 전환하도록 어떻게 지원하고, 배포를 위해 확장하는 데 무엇이 필요한지 알아보기 위해 TI의 전문가들에게 의견을 구했습니다.

세상을 인식하는 능력 확장

우리가 감각을 사용하여 보고 느끼는 것처럼, 엔지니어는 휴머노이드 로봇에 주변 환경을 인식할 수 있는 센서를 장착합니다.

예를 들어 물체를 감지하려면 시각과 공간 인식을 위한 안정적인 카메라 센서와 토크로 케이블을 당기는 것과 도어를 여는 작업 등을 구분하기 위해 촉각 피드백 센서가 필요합니다.

그러나 어떤 센서도 그 자체로 환경을 완전히 인식할 수는 없습니다.

TI 로봇 시스템 매니저 저먼 아기레(German Aguirre)는 "밀리미터파 레이더 기술은 열악한 조명, 먼지, 안개, 시야 차폐 등 까다로운 조건에서도 견고한 인식 성능을 제공하여 카메라를 비롯한 다른 센서들을 완벽히 보완합니다."라고 설명했습니다. 한편, 위치 인코더는 로봇에게 팔다리가 어디에 있는지 피드백을 제공합니다.

지오반니는 "바로 이것이 여러 감지 방식의 데이터를 결합하는 것이 필수적인 이유"라고 말합니다. "이 설계 접근 방식은 휴머노이드 로봇의 잠재력을 발휘하여 사용 사례를 확장할 수 있습니다."

로봇 환경에 대한 보다 포괄적인 이해를 돕기 위해 여러 센서의 데이터를 결합하는 것을 센서 융합이라고 합니다.

저먼은 "다양한 크기의 물체 파지, 물리적 장애물 회피, 그리고 인간과의 안전한 상호 작용 등 엔지니어는 보다 정보에 입각한 의사 결정을 실행할 수 있는 휴머노이드를 생성하기 위해 센서 융합이 필요합니다."라고 말합니다.

민첩성을 구현하기 위해 모터 추가

주먹을 펴고 쥐는 데 얼마나 많은 관절이 필요한지 생각해 보세요.

지오반니는 "사람에게는 쉬운 동작을 로봇이 할 수 있도록 하려면 안전하고 정확한 움직임을 완성하기 위해 휴머노이드의 센서와 연결해야 하는 모터가 필요합니다."라고 말합니다.

로봇이 복잡한 작업을 일관되게 수행하려면 민첩성이 높아야 하며, 이를 위해서는 모터로 제어되는 관절 수를 의미하는 자유도가 더 많이 확보되어야 합니다.

저먼은 "엔지니어들은 설계에 더 많은 모터를 도입하고 있습니다. 현재 저희와 협력하고 있는 제조업체들은 손 하나당 무려 25의 자유도를 구현하는 로봇 핸드를 개발 중입니다."라고 덧붙였습니다. "고급 휴머노이드 설계는 자유도 50을 초과할 수 있으며, 로봇 전체에 수십 개의 분산형 모터 컨트롤 노드가 필요한 경우가 많습니다."

확장성에 시스템 수준의 접근 방식 사용

휴머노이드 로봇이 복잡해짐에 따라 정확한 타이밍과 점점 더 많은 수의 모터를 조정하는 것이 매우 중요합니다.

지오반니는 "더 많은 모터에 대한 필요성이 증가함에 따라 확장성은 더 큰 과제가 되고 있습니다."라고 말합니다.

엔지니어는 로봇의 모든 모터를 어떻게 동기화할까요?

저먼은 "휴머노이드 시스템의 전체 성능은 결국 가장 취약한 서브시스템의 한계에 의해 결정됩니다."라고 지적했습니다. "확장 가능한 휴머노이드 플랫폼은 감지, 컴퓨팅, 통신 및 모터 컨트롤의 긴밀한 통합을 필요로 합니다."

TI는 휴머노이드 로봇이 함께 작동하는 여러 기술을 사용하여 확장할 수 있도록 합니다.

• EtherCAT 및 산업용 이더넷 기술 기반의 실시간 결정론적 통신 시스템은 분산된 액추에이터 전반에 걸쳐 완벽하게 동기화된 모션 제어를 가능하게 합니다.
• 센서는 휴머노이드가 작동하는 환경을 포착합니다.
• MCU에서 실행되는 AI 알고리즘은 감지 데이터를 해석하고 결정을 내립니다.
• 모터 컨트롤은 연속 실시간 피드백 루프를 통해 결정을 실행합니다.

인간 중심의 환경에서 적응력 향상

휴머노이드 로봇은 구조화된 환경과 비구조화된 환경에서 작동합니다. 구조화된 환경에서 로봇은 예측 가능한 조건에서 작동하지만 지오반니에 따르면 비구조화된 환경에서 안정적으로 작동하는 것은 업계의 가장 큰 과제 중 하나입니다.

지오반니는 "비구조화된 환경에서 인지 감지를 달성하려면 레이더, 라이더, 카메라와 같은 센서를 융합하고 AI 모델을 실행해서 로봇이 광범위한 작동 조건에서 물체를 감지, 분류, 위치 파악 및 추적할 수 있도록 해야 합니다."라고 말합니다.

안전한 인간-기계 상호 작용을 보장하는 것은 휴머노이드 로봇을 실제 응용 분야에서 사용하기 위한 또 다른 중요한 고려 사항입니다.

레이더는 장애물 감지 및 사람 존재 인식을 위한 추가 감지 방식을 제공할 수 있어, 다른 센서 및 기능 안전 아키텍처와 결합될 때 전반적인 시스템 안전을 개선할 수 있습니다.

저먼은 "이를 통해 인간이 근처에 있을 때 로봇이 속도를 늦추거나 멈출 수 있습니다."라고 말합니다.

실시간 제어 마이크로컨트롤러는 기능 안전 표준을 충족하고 안전한 통신을 지원해야 하는 경우가 많습니다. TI의 기능 안전 인증 전력 관리 집적 회로는 안정적이고 안전한 레이더 솔루션의 기반이 되는 안전 무결성 수준 2 준수 mmWave 레이더 센서에 최적의 전력을 공급합니다.

그렇다면 휴머노이드의 다음 단계는 무엇일까요?

저먼은 "미래에는 이러한 기계에 힘을 실어주는 AI 기반 의사 결정으로 더 나은 민첩성과 자연스러운 움직임을 보게 될 것입니다."라고 말합니다. "우리는 안전한 상호 작용에 대해 더 자신감을 가질 것입니다. 이러한 발전은 로봇을 프로토타입에서 실제 상용 배포로 전환하는 데 도움이 될 것입니다. 오늘날 TI가 하는 일은 이를 가능하게 하는 것입니다."