PTZ 카메라에 대한 고객의 요구사항으로 인해 앞으로의 보안 시스템은 높은 화상분석과 정밀한 영상, 그리고 카메라가 보고 있는 위치를 빠르고 정확하게 제어할 수 있어야 한다는 점이다. 특히, 빠르고 정밀하게 카메라 위치를 제어하기 위해서는 팬틸트 기구의 속도와 정확성이 뒷받침되어야 한다. 여기서는 생체 모방형 로봇용 관절 설계를 P/T/Z(Pan, Tilt, Zoom) 카메라용 팬틸트 기구에 적용하여 기존의 팬틸트 기구들이 가지고 있던 문제점들을 개선한 신 개념의 고정밀, 고부하용 팬틸트 기구에 대해 소개하고자 한다.
기존 팬틸트 기구의 문제점
팬틸트 기구는 상하좌우로 대상 물체를 회전시킬 수 있는 제품이다. 카메라 등의 부착된 물체를 상부 이동판에 부착시키고, 주어진 명령에 따라 부착된 물체를 상하(틸팅) 및 좌우(패닝)로 회전시켜 주는 역할을 한다. 종래의 팬틸트 기구는 크게 4가지의 문제점을 가지고 있다.
첫째, 패닝부 크기가 크고 무거워서 패닝 속도와 가속도가 낮다.
팬틸트 기구는 해당 기구를 고정하는 하단의 고정부와 상단의 회전부로 구성되어 있다. 회전부는 좌우로 회전을 담당하는 패닝부, 그리고 패닝부 위에 상하로 회전을 담당하는 틸팅부 등 2개의 부분으로 나누어져 있다. 일반적으로 틸팅 모터와 감속기를 포함한 틸팅 기구는 패닝부 상에 장착되어 있다. 모터, 감속기를 포함한 틸팅 기구가 회전부에 놓여 있음으로써 패닝 기구는 회전시켜야 할 무게가 증가하게 된다. 패닝부 무게의 증가는 패닝 동작에 부하로 작용하게 되고, 이러한 부하는 팬틸트가 빠른 회전을 하고 높은 속도에서 컨트롤을 하는데 지장을 주어 최고속도를 제한하고 안정성을 떨어뜨린다. 또한 패닝부의 무게가 무거워서 가속도가 작은 문제점이 있다.
둘째, 회전부의 부피가 커서 노출 부분이 많다.
일반적으로 팬틸트 기구는 패닝부가 가장 크고, 틸팅부가 두 번째로 크며, 고정부가 가장 작게 구성되어 있다. 패닝부와 틸팅부는 부착된 물체를 회전시키기 위하여 같이 회전하기 때문에 팬틸트 기구가 회전을 하기 위해서는 회전부가 밖으로 노출될 수밖에 없다. 이러한 회전부의 부피 증가는 팬틸트 기구의 노출 부위를 많아지게 한다. 이렇게 회전부의 노출이 많으면 팬틸트 기구를 은폐·엄폐시킬 필요가 있는 곳, 예를 들면 비행기나 헬기 장갑차량 등과 같은 군사용으로 사용되는 경우나 감시대상에게 발각되지 않으면서 감시가 필요한 경우에는 사용하기가 어렵다.
셋째, 스텝 모터를 사용하여 정밀성이 낮다.
팬틸트 기구가 사람이나 통제 장치에 의하여 대상을 추적하기 위해서는 위치와 속도를 제어해야 하기 때문에 대부분 스텝모터를 이용하고 있다. 이러한 스텝모터는 위치와 속도 제어가 용이한 모터로 큰 힘을 낼 수 있지만, 주어진 최소각도를 한 번에 회전시키게 된다. 팬틸트 기구의 경우 모터의 회전속도에 비해 느린 속도로 작동되기 때문에 감속비가 커서 최소 회전각은 많이 작다. 하지만 500mm 이상의 망원이 되는 줌 렌즈를 사용할 때에는 최소 회전각 이하의 물체를 잡고 있거나 추적하는데 있어 문제가 발생한다. 예를 들면, Preset을 조절할 때 원하는 물체를 화면의 중앙에 있도록 하는데 문제가 있거나, 저장된 Preset으로 가려고 하는 경우 대상 물체가 화면 바깥으로 없어지는 문제가 나타나게 되는 것이다. 스텝 모터와 비교해 비교적 고가인 BLDC 모터의 경우는 최소 회전각 문제는 해결할 수 있지만, 충분히 느린 정속 회전에는 계속 문제를 발생시키게 된다. 또한, Auto Tracker와 연결하여 사용할 경우 대상 물체를 화면의 중심에 둔 상태로 천천히 이동하는 것이 아니라 대상물이 화면 내에서 이동하다가 갑자기 화면이 단속적으로 이동하게 되는 현상이 나타나게 되는 것이다.
넷째, 기계적 고장이 잦다.
기존의 팬틸트 기구는 작은 기어를 사용하여 기어 자체의 내구성이 낮아 고장이 잦다. 또한 기어의 폭이 작아서 높은 하중에 의한 ‘End Effect’에 의해 기어가 망가지는 일이 많아 제품의 신뢰성이 낮아진다.

새로운 팬틸트 기구의 기술적 원리
이와 같은 기존 팬틸트 기구의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 왕복 회전 조인트 장치를 이용하고 AC Servo Motor를 적용한 신 개념의 팬틸트 기구가 개발되었다.
(1)왕복 회전 조인트 장치 원리
새롭게 개발된 팬틸트 기구는 위에서 설명한 기존의 팬틸트와 그 구조면에서 근본적으로 다르다. 팬틸트 기구는 좌우로 회전하는 패닝 운동과 상하로 회전하는 틸팅 운동으로 구성되어 있다. 이는 인체의 어깨 운동과 동일하다. 어깨 관절은 자연스럽게 걸을 때 팔을 앞뒤로 움직이는 패닝 운동과 팔을 옆으로 벌리는 틸팅 운동을 수행한다. 로보멕은 보유하고 있던 생체 모방형 로봇용 관절 설계 중 어깨 관절을 새로운 팬틸트 기구에 적용하여 기존의 팬틸트 기구들이 가지고 있던 위의 문제점들을 개선했다.

이러한 특징은 생체 모방 로봇의 팔꿈치에 적용되고 있다. 팔꿈치를 움츠렸다 폈다하는 동작을 할 때의 운동인 틸팅을 지원하는 기구이다. 두 회전축이 직교하고 있기 때문에 팔꿈치 운동을 지원하기 위하여 모터는 팔꿈치와 어깨 사이에 장착할 수 있다. 어깨 관절 기구는 팔꿈치 관절의 외부 고정부도 회전할 수 있게 함으로써 패닝도 구현할 수 있도록 한 것이다.
동일한 중심을 가진 두 축의 회전운동이 어깨 관절을 통과하고 나면 패닝 운동과 틸팅 운동을 재현할 수 있게 된다. 즉, 이러한 두 회전 운동이 직교하는 성질을 이용하게 되면 틸팅 모터와 감속기, 패닝 모터와 감속기를 회전부와 분리시켜 고정부에 장착시킬 수 있다.
팬틸트 기구의 회전부와 운동부의 연결은 회전축을 통해 이루어진다. 틸팅 회전을 작용하는 기구가 내륜을 회전시키고, 패닝 회전을 작용하는 기구가 외륜을 회전시킨다. 중공형의 내부 축과 중공형의 외부 축이 고정부와 회전부 사이를 지지하고 있는 셈이다. 중공형의 내외부 축은 큰 강성으로 회전부를 지지하게 된다. 거기에 회전부의 무게의 감소는 운송 기계의 동일한 진동에 대하여 작은 관성력이 작용하게 된다.
이와 같이 왕복회전 조인트장치를 이용함으로써, 패닝 모터와 감속기가 회전시켜야 할 상단 회전부의 무게와 부피를 고정부로 이동시킬 수 있었다. 회전부의 무게와 부피가 최소화된 것이다. 이로 인해 기존의 팬틸트 기구의 문제점 3가지를 해결할 수 있게 되었다.
첫째, 회전부의 무게의 감소는 패닝과 틸팅의 고속 회전을 가능하게 한다.
둘째, 각 가속도를 증가시킬 수 있게 함으로써 동 특성을 개선시킬 수 있다.
셋째, 회전부의 부피를 감소시켜 팬틸트 기구의 노출을 최소화함으로써 엄폐와 은폐를 쉽게 할 수 있도록 도와준다.
(2)AC Servo Motor의 적용
기존 팬틸트 기구들의 정밀도가 낮았던 문제점은 분해능이 큰 시스템을 사용함으로써 제거할 수 있다. 이러한 분해능이 큰 시스템 중의 하나가 AC Servo 시스템이다. AC Servo 시스템은 AC Servo Motor와 그 제어 장치로 구성된다. 로보멕은 높은 분해능으로 이러한 문제를 해결하기 위하여 비록 고가이지만 AC Servo 모터 및 전자 제어 장치를 팬틸트 기구에 적용하였다. 이를 통하여 분해능을 1/1,600,000까지 향상시켰다. 이렇게 향상된 분해능을 가진 시스템의 도입으로 위치정밀도 뿐 아니라 아주 낮은 속도 구간의 속도 정밀성도 향상시켰다.

새로운 팬틸트 기구의 장점
이와 같은 왕복 회전 조인트 장치의 원리와 AC Servo Motor를 적용한 신개념의 고정밀, 고부하용 팬틸트 기구는 종래의 팬틸트 기구에 비해 다음과 같은 장점을 갖게 된다.
·우수한 동적 특성 - 패닝과 틸팅 속도가 높고, 최고속도까지의 도달 속도가 빠름
·회전부의 부피가 작아서 노출 부분이 적음 - 은폐, 엄폐에 유리함
·회전 정밀도가 우수함 - 회전각 분해능이 높아서 정밀한 감시가 가능함
·회전축의 강성이 크고 기어의 크기가 커서 고장이 적음 - 신뢰성이 높음

새로운 팬틸트 기구의 응용 분야
신 개념의 팬틸트 기구는 군사용으로 사용될 경우 무기나 카메라를 장착하고, 자동차, 탱크, 장갑차 등에 얹어서 운전자나 관측자용으로 사용될 수 있다. 이렇게 사용될 경우 팬틸트 기구는 운송 기계의 운동 및 진동으로 인하여 상부에 보다 큰 무게가 실리게 되고, 이를 지지하기 위해서 팬틸트 기구에는 큰 관성력이 작용하게 된다. 게다가 팬틸트 기구에 무기를 장착한 경우에 있어서는 무기에서 발사되는 탄환의 반작용으로 인해 팬틸트 기구에 큰 힘이 작용하게 된다. 이런 경우 팬틸트 기구의 고정부와 회전부 사이에 작용된 큰 힘으로 인하여 고정부와 회전부 사이의 목이 사용 중 부러지는 현상이 나타나게 된다. 이는 고정부와 회전부를 연결하는 구조가 회전부 상에 작용하는 힘을 지지하지 못하여 일어나는 현상이다.
신개념의 팬틸트 기구는 패닝축과 틸팅축의 큰 강성으로 무기 발사 시 탄환의 반작용을 지지할 수 있어 차량이나, 탱크, 및 장갑차 등에 탑재되는 총기 발사대와 같은 군사용으로도 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

결론
이상에서 살펴본 바와 같이 왕복 회전 조인트 장치의 원리와 AC Servo Motor를 적용한 신 개념의 고정밀, 고부하용 팬틸트 기구는 종래의 팬틸트 기구들이 가지고 있는 문제점을 개선함으로써 주정차 단속, 공항 감시용 이외에도, 경량 장갑 차량용 총기 발사대, 헬기 및 비행기 탑재용 팬틸트 기구 등과 같은 군사용으로도 넓은 응용 범위를 가질 것으로 기대된다. 
<글 : 노 태 성 │ 로보멕 대표이사(tsnoh@robomech.co.kr)>

[월간 시큐리티월드 통권 제152호(info@boannews.com)]
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