엔코더 (Encoder)

한 줄 정의: 관절의 회전각이나 변위를 측정하는 센서로, 절대엔코더와 상대(증분)엔코더로 구분된다. 로봇 관절 위치 제어의 가장 기본적인 피드백 센서이다.

쉽게 풀면

관절이 몇 도만큼 돌았는지를 재는 센서예요. 자전거 바퀴에 자석과 센서를 달아 바퀴가 한 바퀴 돌 때마다 신호를 세면 정확한 이동거리를 알 수 있는 것처럼, 로봇 관절에도 회전판에 줄무늬나 자석을 새겨 넣고 그 옆에 센서를 붙여서 관절이 얼마나, 어느 방향으로 돌았는지를 신호로 세어 계산합니다.

이 값이 정확해야 제어기가 "관절이 지금 몇 도인지"를 알고 목표 각도까지 얼마나 더 움직여야 할지 계산할 수 있습니다. 모터나 관절축의 회전 각도, 혹은 회전 속도를 전기 신호로 변환해 알려주는 센서로, 로봇이 각 관절이 현재 얼마나 돌아가 있는지를 스스로 알 수 있게 해주는 눈과 같은 역할을 합니다.

왜 중요한가

관절 각도를 측정하는 가장 기본적인 센서로, 모든 위치제어 루프의 피드백이 여기서 나오며 휠 오도메트리의 원천 데이터이기도 합니다. 엔코더 분해능과 배치 위치는 로봇의 위치 정밀도와 제어 대역폭을 직접 결정합니다.

엔코더 없이는 제어기가 관절이 실제로 얼마나 움직였는지 전혀 알 수 없어 개루프로만 동작해야 하므로, 정밀한 위치제어가 필요한 거의 모든 로봇에서 가장 기본이 되는 필수 센서로 취급됩니다.

정확한 관절각 정보 없이는 순기구학 계산도, 위치·속도 피드백 제어도 불가능해, 인코더의 분해능과 정확도가 로봇 전체의 위치 제어 정밀도를 좌우하는 근본적인 요소가 됩니다.

무엇을 재는가

엔코더는 축이 얼마나, 어느 쪽으로 돌았는지(각도·각변위)를 디지털 신호로 바꾸는 센서입니다. 속도는 단위 시간당 변화량으로 구합니다. 크게 두 종류입니다.

증분형(상대): 회전할 때마다 펄스를 냅니다. 펄스를 세어 각도를 구하므로 전원을 켠 뒤 기준점(원점)이 필요합니다.
절대형: 축의 각 위치마다 고유한 부호(이진수·그레이코드 등)를 읽어 현재 각도를 바로 알려 줍니다. 전원을 껐다 켜도 위치가 유지됩니다.

구성과 채점

구성은 보통 회전 원판(슬릿 또는 자기 패턴) + 읽는 센서(광학·자기)입니다. 증분형은 90° 위상차가 나는 A상·B상 두 신호와 한 바퀴에 한 번 나오는 Z상(인덱스)을 냅니다.

A·B의 위상 순서로 회전 방향을 판별합니다.
A·B의 상승·하강 모서리를 모두 세는 4체배를 하면 분해능이 네 배가 됩니다.
절대형은 비트 수가 분해능을 정합니다. 12비트면 한 바퀴를 2¹² = 4,096 위치로 나눕니다.

계산 예(가상의 값). 2,048 PPR 증분형 엔코더를 4체배하면 한 바퀴에 8,192 카운트이고, 각도 분해능은 360° ÷ 8,192 ≈ 0.0439°입니다. 이 엔코더를 감속비 100:1 감속기의 모터 쪽에 달면 출력축 기준 분해능은 0.0439° ÷ 100 ≈ 0.000439°로 세밀해집니다. 반면 12비트 절대형을 출력축에 달면 360° ÷ 4,096 ≈ 0.0879°입니다.

결과 읽는 법

카운트 → 각도: 각도 = (카운트 ÷ 한 바퀴 카운트) × 360°. 체배 여부와 PPR(또는 CPR) 표기가 제조사마다 달라 데이터시트의 정의를 확인합니다.
분해능 ≠ 정확도: 분해능은 구별할 수 있는 가장 작은 눈금이고, 정확도는 실제 각도와의 오차입니다. 원판 편심, 신호 보간 오차가 정확도를 떨어뜨립니다.
설치 위치: 모터 쪽은 분해능이 높지만 감속기의 백래시·탄성 변형을 보지 못하고, 출력 쪽은 실제 관절각을 재지만 분해능이 낮습니다. 이중 엔코더는 이 둘을 함께 씁니다.
속도 계산: 낮은 속도에서는 펄스 간격을 재는 방식이, 높은 속도에서는 일정 시간 동안 펄스를 세는 방식이 유리한 것으로 알려져 있습니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

실제 논문에서

국내 학술지 논문에서 이 용어가 쓰인 문장을 그대로 옮겼습니다. 제목·학술지·연도와 원문 링크를 함께 적었습니다.

“각속도의 오차 최소화는 자율주행 장치의 이동 거리를 측정하는 엔코더(encoder)와 관련하여 자율주행 장치의 가장 중요한 기반 기술인 위치측정(localization)과 밀접한 관련이 있다.”
엔코더와 자이로를 이용한 각속도 오차 최소화, 한국지능시스템학회 논문지, 2010 · KCI 한국학술지인용색인 · 원문 보기 ↗
“최근, 듀얼 엔코더를 기반으로 관절 토크를 측정하는 방법들이 제안되었다.”
B-스플라인 기반의 듀얼 엔코더 토크 측정 알고리즘, 대한기계학회논문집 A, 2022 · KCI 한국학술지인용색인 · 원문 보기 ↗

예시 문장

아래는 용어의 쓰임을 보여 주려고 만든 예시로, 실제 논문에서 가져온 문장이 아닙니다.

각 관절에는 절대엔코더가 장착되어 초기화 없이도 정확한 관절각 정보를 제공하였다.

논문에서 엔코더는 관절 위치 피드백을 제공하는 기본 센서로, PID제어나 상태피드백제어의 입력으로 사용됩니다.

"모터측과 출력측에 각각 엔코더를 장착한 이중 엔코더 구성을 통해, 감속기의 백래시와 탄성 변형에 의한 위치 오차를 실시간으로 추정하고 보상하였다."

엔코더 하나만으로는 감속기 내부의 미세한 오차까지 잡아내기 어려워, 두 위치에 센서를 배치해 그 차이로 오차를 추정하는 실용적인 구성이 쓰인다는 점을 보여주는 문장이다.

조금 더 깊게 보면

모터 측 엔코더는 감속비만큼 분해능이 높아지지만 감속기의 백래시와 탄성 변형을 보지 못하고, 출력 측 엔코더는 실제 관절각을 재지만 분해능이 낮아 두 개를 함께 쓰는 이중 엔코더가 협동로봇에서 보편화되었습니다. 증분형은 전원을 켤 때 원점 복귀가 필요하고 절대형은 그렇지 않다는 차이가 안전 설계에서 중요합니다.

주의할 점

상대엔코더는 전원이 꺼지면 기준점 정보를 잃어버려 재기동 시 원점 복귀(호밍) 절차가 필요하다.

헷갈리기 쉬운 용어

엔코더 종류와 비슷한 목적의 개념을 구분해 둡니다.

용어	무엇을 재나	기준점
증분형 엔코더	펄스를 세어 변위 계산	전원을 켤 때마다 원점 복귀 필요
절대형 엔코더	각 위치의 고유 부호를 읽음	전원을 꺼도 위치 유지
휠 오도메트리	엔코더 값을 이용해 바퀴로 이동한 거리·자세를 추정	엔코더는 입력 센서, 오도메트리는 그 값으로 하는 추정 방법
백래시	감속기 기어 사이의 유격(센서가 아니라 오차 요인)	모터 쪽 엔코더만으로는 보이지 않음

참고 문헌

Craig, J. J. (2005). Introduction to Robotics: Mechanics and Control (3rd ed.). Pearson Prentice Hall.
Siciliano, B., Sciavicco, L., Villani, L., & Oriolo, G. (2009). Robotics: Modelling, Planning and Control. Springer.
Spong, M. W., Hutchinson, S., & Vidyasagar, M. (2006). Robot Modeling and Control. Wiley.

표의 기준값은 위 문헌에 근거한 관례이며, 분야·학술지마다 다른 기준을 쓸 수 있습니다.