로봇을 실제 구성하게 될 경우에 중요한 요소 중 하나가 통신 프로토콜이다. 이는 로봇의 하드웨어의 신뢰성에 가장 큰 영향을 미치는 요소 중 하나이기 때문이다. 통신이 로봇의 신뢰성에 영향을 주는 이유는 크게 두 가지가 있는데, 통신 자체의 무결성 보장에 대한 것과 통신 속도에 대한 것이다.
무결성의 경우 알기 쉽다. 통신 자체에서 무결성을 보장할 수 있다면 괜찮지만, 무결성을 보장해주지 않는다면 준 명령이 그대로 전달되지 않을 가능성이 있다는 뜻이기 때문이다. 명령이 깨져서 전달된다면, 로봇이 원하는 대로 움직이지 않는 것을 넘어 폭주할 가능성도 있고, 이는 사고와 직결될 수 있는 위험한 요소이기 때문이다. 따라서 통신 수준에서의 무결성 검사는 이런 사고를 예방하는 첫 번째 관문이라 할 수 있다.
통신 속도에 대한 것은 보다 간접적인 요인이다. 통신 속도는 통신 방법을 바꾸지 않고는 개선의 여지가 크지 않기 때문에, 궤적 생성이나 제어 연산 같은 알고리즘을 아무리 간결하고 가벼운 것으로 바꾼다 하더라도 통신 속도가 받쳐주지 않으면 빠른 제어를 할 수 없다.
https://www.youtube.com/watch?v=fusr9eTceEo
위의 영상이 통신 속도의 영향에 대한 좋은 예시가 된다. 위 영상의 2분 이후 부분을 보면, 제어에 들어가는 이득(Gain) 값을 같은 값으로 쓰더라도 통신 속도가 빨라질수록 안정적으로 동작하는 것을 볼 수 있다. 일반적으로 이득 값이 전반적으로 높을수록 제어 성능이나 신뢰성을 개선 가능한 경향성이 있으므로, 통신 속도가 빨라지면 로봇의 성능과 신뢰성을 높일 수 있다는 말이 된다.
흔히 로봇을 만들면서 고려할 수 있는 방식으로 아래와 같은 것들이 있다.
- EtherCAT
- CAN (CAN-FD)
- RS485를 비롯한 Serial Communication
이러한 통신들의 장단점을 살펴보면 아래와 같다.
| EtherCAT | CAN (CAN-FD) | RS485 | |
| 통신 방식 | 이더넷 기반 마스터-슬레이브 방식 | 멀티마스터 버스 방식 | 직렬 통신 |
| 속도 | 최대 100Mbps | 일반적으로 1Mbps, FD는 8Mbps | 최대 10Mbps |
| 지연시간 | 수십 마이크로초 | 수백 마이크로초~수 밀리초 | 수십 밀리초 |
| 통신거리 | 최대 100미터 정도 | 최고 속도 기준 40m 정도 | 최대 1200m |
| 노드 수 | 65535개 | 127개 | 32개 |
| 비용 | 상대적으로 비싼 편 | 중간 정도 | 거의 없는 수준 |
| 통신 안정성 | 높은 신뢰성, 정밀한 동기화 | 우수한 내구성 및 충돌 감지 | 낮음 |
| 토폴로지 | Daisy Chain 구조 | 버스형 | 버스형 |
RS485의 경우에는 학생용 프로젝트 범위를 넘어가면 진지하게 제어용 통신으로는 고려하기 어려우며, 대신 외부 인터페이스용으로는 적절하다. CAN의 경우 원래 차량 쪽에서 수없이 사용하면서 신뢰성이 검증되었으나, 속도가 넉넉한 수준은 아니다. 일반적인 6~7개 관절을 갖는 로봇 팔로 500Hz 수준까지 어떻게든 끼워넣을 수 있는 수준인 정도이다. CAN-FD로 가면 좀 더 빠른 속도로 사용이 가능하지만, 실시간 성능이 높지는 않으므로 2kHz를 넘는 수준을 목표로 한다면 적합하지 않다. EtherCAT은 사용 난이도와 비용을 제외하면, 더할 나위 없는 성능을 내 준다.
따라서, 고속으로 정밀 제어하는 것을 목표로 한다면 EtherCAT을 사용하는 것을 권장하며, 저비용으로 신뢰성 정도만 챙기고 성능을 다소 희생한다면 CAN-FD도 나쁘지 않은 선택이다.
