1. 서 론
오늘날의 로보틱스 기술은 솜씨의 좋고 나쁨으로 볼 때 인간에게 미치지 못하는 것이 현실이라고 말할 수 있다.
그러나 정확성, 인내성, 고속성에서 로봇은 인간의 능력을 훨씬 능가하는 매력을 간직하고 있다.
지금까지 Higashimori 등은 인간이 할 수 있는 임무의 실현을 위해 고속성이라는 단면을 중심으로 로봇 시스템을 개발해 왔다.
로봇이 환경변화에 대해 신속하게 대응하기 위해서는 액추에이터계, 센서계, 정보처리계의 모든 요소가 민감하게 반응되어야 한다.
지금 간단하게 이들 3요소의 반응속도를 각각 주파수 frobot, fsensor, finf, 또는 대상물의 다이나믹스를 fobject로 표현하기로 한다.
정보처리계에 관해서는 최근의 눈부신 컴퓨터 기술 및 통신기술의 진보에 따라 DSP(Digital Signal Processing)를 사용하지 않아도 1㎳ 이하의 샘플링 타임으로 다축의 실시간 제어가 가능하며, 다른 요소의 주파수에 비해 충분한 성능을 가지고 있다고 생각해도 좋을 것이다.
여기서는 이러한 점에 유의하여 고속 액추에이터를 조립한 로봇 손(robot hand)에 고속 카메라를 단 초고속 휴먼 로봇 시스템의 개요를 소개한다. 더욱이 인간이 할 수 없는 움직이는 물체를 잡는 한 예로서 회전운동에 의해 시시각각으로 자세를 변화시키는 막대모양으로 된 움직이는 물체를 잡는 실험을 소개한다.
2. 초고속 휴먼 로봇 시스템
로봇 손은 2관절 손가락을 두 개 가지고 있으며, 각 관절에 최대 회전속도 5회전/s를 실현하는 고속 액추에이터를 탑재하고 있다.
이는 인간의 5배에 상당하는 민첩성이다.
손 본체의 운동에는 XY 슬라이더를 사용하고, 가동범위는 0.4m×0.4m, 최대속도는 각 축 1.0㎧이다.
손의 위치는 슬라이더 구동용 모터에 설치된 엔코더(encoder)에 의해 알아낼 수가 있다.
대상물의 위치·자세 정보는 테이블 위쪽에 고속 카메라 의해 300fps로 읽어 낼 수가 있다. 또한, 대상물을 고속으로 운동시키기 위해서 에어 테이블을 사용하여 대상물과 테이블 표면과의 마찰을 경감시키고 있다.
3. 막대모양 움직이는 물체 잡기
인간이 1㎧의 병진속도와 5회전/s(fobject=5(㎐))의 회전속도로 운동 중의 막대 잡기에 도전했을 경우 일류 운동선수는 별도로 하고, 대부분의 경우는 잡기에 실패하고 만다.
이는 인간의 15fps(fsensor=15(㎐)) 정도의 동체 시각능력으로 막대의 자세변화를 120。간격으로만 취할 수 있기 때문에 아무렇게나 손가락을 접어 막대를 탄력 있게 날려버리기 때문이다.
다음으로 개발한 로봇 시스템으로 이러한 막대모양 움직이는 물체 잡기에 도전하는 것을 생각해 보기로 한다.
이번의 시스템에서는 최대 300fps(fsensor=300(㎐)≫fobject)로 대상물 위치·자세정보를 얻을 수 있기 때문에 막대의 자세변화를 6。간격으로 취할 수가 있다.
4. 마찰 불감형 충돌에 따른 막대모양 움직이는 물체 잡기
가. 마찰 불감형 충돌
강체끼리의 충돌을 가정할 경우, 뉴턴(Newton)의 반발계수 e에 따른 충돌 모델은 강체 사이의 접촉점 법선방향의 상대속도 변화를 표현함에 있어 가장 간단한 모델이다.
그런데 접촉 마찰계수 μ가 0이 아닐 경우, 충돌 후의 접선방향 속도관계를 적절히 표현할 수 없다는 것이 알려져 있다.
충돌 직전의 막대모양 움직이는 물체의 병진방향과 긴 쪽 방향이 직교하는 것과 같은 충돌상태를 고려할 경우, 접촉점에 있어서의 막대모양 움직이는 물체와 손가락 끝과의 접선방향 상대속도는 0이 되어 마찰력이 작용하지 않는다.
따라서 막대모양 움직이는 물체는 병진운동을 충돌 전의 진 역방향으로 바꾸어 충돌 전의 병진·회전속도(v0, ω0)와 충돌 후의 속도(v1, ω1)와의 관계를 마찰계수 μ를 사용하지 않고 명쾌하게 나타낼 수가 있다.
Higashimori 등은 이러한 충돌을 막대모양 움직이는 물체의 마찰 불감형 충돌이라고 부르고 있다. 이 충돌에서는 충돌 후의 목표 병진속도의 크기 v1disired 혹은 목표 회전속도 ω1desired를 생성하기 위한 손가락 끝 접촉위치 Y를 해석적으로 도출할 수가 있다.
여기서 충돌 전 속도 (v0, ω0) 및 충돌 시 자세 θ는 충돌 순간까지의 고속 비전 정보로부터 산출하면 된다.
나. 2단계 잡기와 3단계 잡기
마찰 불감형 충돌을 이용하여 병진·회전의 양 운동을 가지는 막대모양 움직이는 물체의 포획전략을 수립한다.
최초의 충돌로 회전운동을 완전히 제거하면 막대의 긴 쪽 축과 직교한 대로의 병진운동을 생성할 수가 있다.
이어지는 제 2충돌 이후에는 막대와 직교하여 중심으로 통과하는 직선에 따라 양 손가락 끝을 단순히 접어나가는 것뿐만 아니라 새로운 회전운동을 생성하지 않고 대상물의 병진속도를 제거하여 잡기를 완성할 수가 있으며, 이를 2단계 잡기전략이라고 부른다.
다. 잡기실험에 도전
막대모양 움직이는 물체는 초기상태로 병진과 회전운동을 하고 있으나 제 1충돌에 의해 회전운동이 제거된다.
이어서 양 손가락 끝을 대상물 중심위치로 향해 이동시켜 최종적으로 포획을 완료하고 있다.
여기서 소개한 잡기전략에서는 개개의 운동제어가 ‘병진 정지’, ‘회전 정지’와 같이 단순하기는 하지만 이들을 고속이면서 연속적으로 반복함으로써 외견상의 기용성이 연출되어 마치 난폭하게 돌아가는 대상물이 깨끗하게 길들여진 것처럼 보인다.
각 실험 비디오는 웹 사이트에서 공개 중이므로 지면에서 전할 수 없는 생생한 로봇의 움직임을 꼭 봐 주기를 바란다.
5. 결 론
고속 로봇 핸드에 고속 비전을 첨가한 초고속 휴먼 로봇 시스템의 개요와 동체 잡기실험에 대해 소개하였다.
앞으로는 우주 로봇의 고속 동체포획, 산업분야에서 고속 부품 공급기에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
고속 비전의 이용을 기폭제로 로봇 시스템에 의한 물체 잡기에 관한 연구의 신전개가 활성화되기를 기대해 마지않는다.
6. 전문가 제언
초고속 휴먼 로봇 시스템은 IT 기술과 메카트로닉스 기술이 융합된 디지털 퓨전(Digital Fusion)의 결정체로서 기계, 전기, 전자 등의 전통기술과 신소재, 반도체, 인공지능, IT·BT·NT 등 첨단기술의 적용과 융합이 요구되고 있다.
인간의 자율성과 로봇의 범용성을 결합시킨 휴먼 로봇 시스템에서 작업의 효율성을 높이기 위한 휴먼 인터페이스 기술이 비약적으로 발전되고 있다.
이 시스템은 인간조작자에게 소요되는 힘과 노력을 최소화하는 인간중심의 로봇 시스템이라고 할 수 있다.
휴먼 로봇 시스템에서는 기술발전이 중심이 되는 로봇 제어기술이나 센서 기술, 가상현실기술의 고도화와 함께 정보통신 네트워크 기술과의 결합에 의해 새로운 기술전개 기능이 확대되고 있다.
초고속 휴먼 로봇 시스템의 발전을 위해서는 요소부품의 모듈화나 하드웨어 및 소프트웨어의 표준화에 의해 자유롭고 용이하게 로봇을 조립하는 장치가 요망된다.
이러한 장치가 실현되려면 다종다양한 연구 개발자 및 기술자가 휴먼 로봇 개발에 동참할 수 있어 우수한 창의력이 발휘될 것이 기대됨과 동시에 비용절감으로도 이어지게 될 것이다.
2015년경에는 초고속 휴먼 로봇의 인간사회 공존능력과 상호작용기술, 고도의 지능을 요구하는 고난도 작업과 우주 로봇의 동체 포획을 위한 극한환경기술이 접목된 지능형 휴먼 로봇으로 발전할 것으로 전망되며, 다양한 응용분야로부터 요구조건을 만족시키는 다품종 로봇의 개발이 요구될 것으로 예상된다.
