아주대 연구팀이 강력한 악력을 보유함과 동시에 핀셋과 같은 섬세한 도구 조작이 가능한 인간형 로봇 손을 개발했다.
로봇 손을 구동하기 위한 모든 구성요소가 로봇 손 자체에 내장되어 있어 상용 로봇 팔에 장착이 용이하다. 기존 로봇 손들로는 불가능했던 악력으로 캔 찌그러뜨리기, 가위로 종이 자르기, 핀셋으로 작은 칩 옮기기 등 강력한 힘과 고난도 도구 조작 구현을 이번에 개발한 로봇 손으로 성공하였다. 개발된 로봇 손은 로봇 산업 분야, 서비스 로봇 분야 및 다양한 로봇 응용 분야에 활용될 수 있다.
김의겸 아주대 기계공학과 교수는 촉각 센서와 구동기 및 모든 구성요소를 포함한 일체형(All-in-one) 인간형 로봇 손을 개발하고, 이를 활용하여 일상생활에 사용되는 도구 조작 및 인간 수준의 자유로운 움직임, 강력한 악력, 촉각의 섬세함을 확보하는 데 성공했다고 15일 밝혔다.
이번 연구 성과는 세계적 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, Impact Factor 14.919)' 12월 15일자 온라인에 게재됐다. 논문 제목은 ‘링크 구동 기반의 모든 구성요소가 통합된 인간형 로봇 손(Integrated Linkage-Driven Dexterous Anthropomorphic Robotic Hand)’이다. 이번 연구에는 제1저자 및 교신저자로 김의겸 아주대 기계공학과 교수, 공동 1저자로 정다운 고려대 박사과정 학생이 참여했으며, 한국기계연구원 로봇메카트로닉스실과 협력 연구로 진행되었다.
로봇의 말단 장치(end-effector)는 로봇 팔 매니퓰레이터(robot arm manipulator)의 말단에 장착되어 직접적으로 작업을 수행하는 중요한 역할을 한다. 현재 개발된 로봇 말단 장치들은 특정 환경에 특화되어 개발되었기 때문에 다양한 환경에서의 사용이 매우 제한적이다.
인간형 로봇 손은 로봇 말단 장치 중에서도 가장 작업의 영역이 넓어 활용성이 매우 높다. 현재까지도 국내외 많은 연구기관에서 활발하게 연구개발이 수행되고 있다. 하지만, 사람 수준의 자연스러운 움직임이나 강한 악력, 촉각을 기반한 섬세함의 기능을 탑재하는 것에 어려움이 있다. 더욱이, 높은 성능을 얻기 위해 구동기, 센서, 제어기 등의 구성요소들이 로봇의 팔뚝 형태 추가 모듈에 필요하다. 이러한 추가 모듈은 현재 상용 로봇 팔에 결합을 어렵게 만든다.
아주대 연구팀과 한국기계연구원 로봇메카트로닉스 연구팀은 촉각 센서, 구동기, 제어기 등의 모든 구성요소가 로봇 손 자체에 내장된 형태로 개발했다. 모든 요소가 일체화된 형태임에도, 높은 자유도의 자연스러운 움직임, 강한 악력, 섬세한 촉각 감지, 정밀한 제어를 포함한 고성능 로봇 손이 개발된 것이다.
연구의 핵심 기술로는 링크 기반의 새로운 메커니즘 기술과 촉각 센서의 결합 기술이다. 손가락과 같은 아주 좁은 공간에 인간 손가락과 같이 3자유도의 독립적임 움직임을 만드는 것은 어려운 문제이다.
이번 연구에서는 링크 기반의 병렬 메커니즘과 직렬 메커니즘을 조합하여 새로운 메커니즘을 개발하였고, 이것은 손가락의 독립적인 3자유도 움직임과 일체형 로봇 손 개발을 가능하게 하였다. 따라서기존 상용 로봇 팔에 결합이 매우 용이하다. 또한, 로봇 손가락 끝에는 민감도가 높은 6축 힘토크 센서가 내장되었다. 손가락 끝에서 섬세하게 힘의 크기, 방향, 위치를 모두 측정 가능하다. 촉각 센서를 로봇 손에 내장하기 위해 결합 형태, 배선, 통신, 측정 보드를 고려하여 컴팩트하게 결합을 완료하였다.
개발된 로봇 손은 물체를 들 수 있는 힘, 가반하중이 18kg이다. NASA에서 개발한 로보너트(Robonaut) II 핸드(hand)가 9kg인 것을 고려해볼 때 매우 높은 가반하중을 보유하고 있다. 손가락 끝단에서 낼 수 있는 힘은 34N이고, 높은 자유도(15DOF), 20개의 관절 수, 1.1kg의 가벼운 무게, 최대 길이 218 mm의 하드웨어 성능을 지닌다.
연구팀은 개발한 로봇 손을 상용 로봇 팔에 부착하여 ‘맥주 캔 찌그러뜨리기’, ‘계란 잡기’ 등의 여러 가지 물체를 강하거나 섬세하게 잡는 실험을 완료하였다. 현재까지 로봇 손으로 수행이 전혀 되지 않았던 일상 생활에서 쓰이는 난해한 도구 조작 작업도 성공하였다. ‘가위로 종이 자르기’, ‘핀셋으로 작은 물체 조작’ 등 도전적인 로봇 작업이 가능하다.
개발된 로봇 손 기술은 로봇 연구 분야 활성화에 큰 기여를 할 것으로 예상된다. 연구 플랫폼으로 로봇 제어나 딥러닝ㆍ강화학습 연구뿐만 아니라 실제 산업이나 가정, 사회에도 기여할 것으로 기대되며, 로봇 그리퍼나 의수로의 활용도 가능할 것으로 보인다.
이번 연구는 아주대학교 정착연구비 지원과 한국기계연구원 창의도전형 과제 지원으로 수행되었다.
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