美 하버드대 연구팀, 인간 무릎 관절 닮은 로봇 관절 개발

▲ 美 하버드대 공대 연구팀이 개발한 인간의 무릎 관절을 모사한 로봇 관절. (사진=하버드대)

美 하버드대 공대 연구팀이 사람의 무릎 관절을 모방해 자연스러운 움직임이 가능하고, 힘을 효율적으로 전달할 수 있는 새로운 로봇 관절 설계 방법을 고안했다고 밝혔다.

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이번 연구 성과는 '국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)' 최근호에 게재됐다.(논문 제목:Noncircular rolling contact joints enable programmed behavior in robotic linkages)

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연구팀에 따르면, 기존 로봇 관절은 주로 베어링이나 링크(link) 구조를 활용해 단순한 회전 운동만을 수행한다. 고정된 축을 중심으로 회전하기 때문에, 자연스러운 운동 범위나 힘의 전달 측면에서 한계를 갖고 있었다. 이 경우, 로봇이 복잡한 동작을 수행하려면 소프트웨어가 실시간으로 수많은 계산을 수행하며 모터를 제어해야 한다.

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하버드대 연구팀은 로봇 관절의 기하학적 형상 자체를 최적화함으로써 로봇 제어시스템이 하던 일의 상당 부분을 기계적 구조가 대신 처리하도록 하는 '기계적 지능(Mechanical Intelligence)'을 구현했다.

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이 기술의 핵심은 ‘롤링 컨택트 조인트(Rolling Contact Joint)’라는 새로운 관절 설계 방식을 채택했다는 데 있다.

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롤링 컨택트 조인트는 인간의 무릎 관절을 모방해 접촉 면이 롤링과 슬라이딩을 동시에 수행하도록 설계돼 부드럽고 유연한 운동이 가능하다. 이 관절은 서로 맞물리면서 롤링하는 곡면 구조와 유연한 연결 부위를 결합해 인간의 무릎 관절을 흉내낼 수 있도록 설계됐다.

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연구팀은 수학적 설계 프레임워크를 통해 컴퓨터 상에서 관절의 형태와 부품을 동시에 조정해 특정 기능 또는 용도에 최적화된 구조를 자동으로 찾아낼 수 있도록 했다.

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연구팀은 기술 검증을 위해 무릎 모사 관절과 2지 그리퍼에 이 기술을 적용했다. 무릎 모사 관절의 경우 실제 사람 무릎의 경로를 매핑해 최적화했으며, 기존 표준 장치 대비 정렬 불량(misalignment)을 99% 교정하는 성과를 거뒀다. 이는 착용형 로봇이나 무릎 보조기 착용 시 발생하는 통증과 부자연스러움을 획기적으로 줄일 수 있다는 것을 의미한다.

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2지 로봇 그리퍼는 물체의 크기에 따라 최적의 힘을 전달할 수 있도록 관절 형상을 설계한 결과, 동일한 모터 입력을 사용하고도 기존 표준 관절 그리퍼보다 3배 이상 무거운 물체를 들어 올리는 데 성공했다.

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이번 연구를 이끈 로버트 J. 우드(Robert J. Wood) 교수는 "복잡한 운동 제어를 로봇의 기계적 구조와 소재로 오프로딩함으로써 제어 시스템이 높은 수준의 작업 또는 목표에만 집중할 수 있도록 했다"고 밝혔다.

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연구팀은 "이 설계법을 활용하면 에너지가 필요한 지점에 정확히 힘을 집중시킬 수 있어, 작고 가벼운 액추에이터를 사용하고도 효율적인 로봇을 만들 수 있다"고 강조했다.

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이번 연구는 단순히 관절의 형태를 바꾸는 것을 넘어, 로봇의 하드웨어 자체가 지능적인 판단의 일부를 수행하게 함으로써 웨어러블 로봇, 고성능 산업용 그리퍼, 나아가 더 자연스럽게 보행하는 휴머노이드 로봇 개발에 새로운 지평을 열 것으로 기대된다.

 

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