우주 정세작업용 로봇 핸드의 손가락 개발
우주 로봇은 우주에서의 작업효율을 최대한으로 높이기 위해 개발되기 때문에 당연히 지구에서의 로봇과는 차별화되어야 한다. 우주항공 연구개발기구(JAXA)에서는 우주 로봇을 궤도상 로봇, 혹성탐사 로봇, 유인 우주활동 지원 로봇으로 분류하고 있다. 우주활동을 지원하는 로봇에게는 기기의 교환이나 조립, 수리, 실험기기의 회수 등 다양한 작업을 하게 되는데 가장 유용하게 사용되는 것이 로봇 핸드이며, 그 가운데 로봇 핑거의 역할은 작업의 정밀성 및 신뢰성을 좌우하는 핵심기술이다.
1. 머리말
우주에 사람을 보내는 일은 비용이나 안전면에서 커다란 어려움을 가지고 있으므로 특히 우주 분야에서는 로봇을 이용한 여러 가지 작업의 대체 및 지원을 위한 연구가 진행되고 있다. 우주에서 우주 비행사가 하는 작업은 우주의 노출된 환경에서 하는 선외 활동(EVA:Extra-Vehicular Activity)과 국제우주 스테이션(ISS:International Space Station) 등의 선내에서 하는 선내 활동(IVA:Intra-Vehicular Activity)으로 대별된다. 특히 EVA는 사람이 우주선 밖으로 나가는 것이기 때문에 데브리(Debris, 어원은 프랑스어이며 우주 먼지 등을 일컫는 말임)에 의한 위험성 및 많은 시간과 비용이 소요되기 때문에 로봇으로 대체되고 있다.
우주선이나 ISS에서는 대형 크레인 타입의 로봇이 우주비행사의 지원을 위해 사용됐는데, 대형 암에 의한 작업에는 한계가 있어 보다 작은 소형으로 우주비행사가 직접 하는 것과 동등한 작업을 할 수 있는 로봇이 필요하게 되었다. 이러한 필요에 의해서 Tokyo 공업대학과 우주항공 연구개발 기구(JAXA:Japan Aerospace Exploration Agency)가 공동으로 개발한 것이 우주용 로봇 ‘Astrobot(Astronaut Supporting Robot)’이다. 우주에서 정세작업을 하기 위한 로봇 핸드는 최소한 솜씨도 좋아야하고 충분한 파지력을 가지고 있어야 한다. 이번에 개발된 로봇 핸드는 특히 우주에서 구조물 작업을 하고 우주복을 입은 우주비행사와 같은 정도의 파지력과 솜씨를 발휘할 수 있는 것을 목표로 하여 개발에 착수했다.
2. 우주용 정세작업 핸드의 설계
우주에서의 선외 작업은 NASA에서 규정된 EVA 공구를 사용한다. EVA에서 우주비행사는 기압차에 의해 팽창한 우주복을 입고 있어 손놀림에 한계가 있기 때문에 작업에 사용되는 모든 공구는 간단히 조작할 수 있도록 되어 있다. 그러나 전동 드라이버나 잠금장치가 있는 훅 등은 잡는 것뿐만 아니라 버튼, 레버, 다이얼 등의 조작이 필요하기 때문에 로봇 핸드는 감싸 잡는 것 외에도 어느 정도는 조작이 가능한 손가락이 필요하다고 생각된다. 우주용 로봇 핸드는 당연히 우주환경에 견딜 수 있도록 하는 것도 중요하다. 고진공, 큰 온도차는 가동부에 영향을 주어서 동작을 방해하기 때문에 특히 가동부가 많은 로봇 핸드는 표면처리나 실드(Shield) 등의 대책을 쉽게 할 수 있도록 설계할 필요가 있다. 말단 작동자인 로봇 핸드는 고장 또는 상태가 좋지 않을 경우 정비도 어렵고 전문 기술자도 없기 때문에 한번 망가지면 우주에서의 수리는 곤란하다. 가능한 한 모듈화해서 망가지면 쉽게 교체할 수 있고 신뢰성 높은 단순 시스템으로 설계하는 것이 좋다. 결론적으로 우주용 로봇 핸드에 필요한 조건을 정리하면 다음과 같다.
① 고파지력 : 잡는 힘이 사람에 버금가도록 할 것
② 소형 : 사람과 같이 공구를 사용할 수 있으며, 로봇이 조립하기 쉽도록 고려한 사이즈 일 것
③ 모듈화 : 모터 드라이버 등 필요한 것을 내장 가능하고 교환이 쉬울 것
④ 링크 구조 : 강성, 신뢰성, 또는 우주환경 대책이 쉽도록 구조는 긴장재형 구조(Tendon Type Mechanism)가
아닌 링크 구조로 구성된 것
⑤ 필요 최소한의 범용성 : EVA 공구에 있는 단순한 레버나 버튼 등이 조작 가능할 것. 아주 간단한 구조로서
신뢰성을 높여줄 것
⑥ 강력한 백 드라이브 토크(Back Drive Torque) : 안정된 파지를 유지하기 위해서 백 드라이브 토크가 유지
가능한 구조일 것
▲ 바렛(Barrett Technology Inc.)의 로봇핸드
3. 정세작업용 핸드의 집게손가락
정세작업용 핸드의 집게손가락은 주로 레버나 버튼 등의 조작 및 손가락으로 잡는 미세한 작업 등을 고려해서 개발됐다. 사람의 집게손가락과 마찬가지로 3마디로 되어 있으며, 액추에이터는 한 개로 되어 있다. 밑 부분에 종동 관절이 있어 감싸는 동작이 가능한 손가락으로 되어 있다. 손가락의 크기는 우주복을 착용한 우주비행사와 같은 정도가 되도록 사람 손의 배 정도 크기로 되어 있다. 손가락에 하중을 걸지 않은 상태에서는 로봇 손가락의 종동 관절이 동작되지 않는다. 이를 통상 동작(Normal Motion)이라고 부른다. 액추에이터가 동작하면 액추에이터와 연결된 마디(Node)의 위치가 상승되고 나머지 마디의 위치도 변화한다. 로봇 손가락의 자세는 손가락을 거의 펴고 있는 자세를 그대로 유지한다.
로봇 손가락 기구는 액추에이터와 연결된 링크와 종동 관절 링크의 스토퍼끼리는 결합되지 않기 때문에 MP 관절(Metacarpal Phalangeal Joint)을 구동하는 스프링 힘 이상의 힘이 가해지는 경우, 액추에이터와 연결된 링크는 스토퍼와 일정거리 떨어져 머무르게 된다. 손가락이 잡을 대상부에 접촉된 후에도 액추에이터를 가동하게 되면 PIP(Proximal Inter Phalangeal Joint), DIP 관절(Distal Inter Phalangeal Joint)이 구부러지면서 파지 대상부에 부드럽게 감싸기 동작(Fitting Motion)을 한다. 액추에이터를 동작시켜주지 않아도 종동 관절의 스프링 힘 이상의 힘이 가해지게 되면 감싸려는 동작이 발생한다. 액추에이터가 아니고 손가락에 걸리는 힘에 의해서 일어나는 감싸기 동작을 비구동 감싸기 동작(Non Actuated Fitting Motion)이라고 구별해서 부른다.
4. 동작의 확인
로봇 손가락에 작용하는 힘은 액추에이터의 최대 출력 500N이 가해졌을 때, 손가락 바닥과 수직 방향에서 역량계로 측정한 결과 직선 상태에서 평균 62.1N이고, 45°로 굽어진 상태에서는 평균 165.9N이었다. 동작속도는 최대로 길게 뻗은 상태에서 굴곡 되기까지 가장 빠른 회전속도로 3.5초가 걸렸다. JAXA-THK Hand에 개발 시작품인 집게손가락을 조립해서 진행된 파지 실험을 통해 손가락 끝으로 집는 동작과 감싸 잡는 안정된 모습을 확인했다. 레버 동작도 공구를 잡은 후 감싸는 동작으로 레버를 눌러서 전동 드라이버를 구동시킬 수 있음을 확인했다. 선외활동에 쓰이는 훅은 오동작을 방지할 목적으로 통상 레버에 잠금장치가 설치되어 있다.
훅을 집게손가락과 엄지손가락으로 눌러주면 감싸는 동작이 일어나고 잠금장치를 해제하지 않은 채 부드럽게 잡아준다. 이 상태에서 더욱 엄지손가락을 구부려서 훅을 집게손가락 쪽으로 눌러주면 감싸는 동작이 한계에 달하고 잡아주는 힘이 커져 잠금장치가 해제되면서 개폐가 가능하게 된다. 또한 백 드라이브 토크(BDT:Back Drive Torque)에 의한 보지력(Holding Power)을 검증하기 위해서 10kg(22.04lbs)의 하중을 집게손가락에 가하여도 전력을 사용하지 않고 무게를 견딜 수 있음을 확인했다. 전원, 모터 드라이버 등 전기 계통 부품은 구조에 비해 우주환경, 특히 방사선에 약하고 구조보다도 고장 확률이 높기 때문에 우주비행사가 선외 활동에서 사용하는 공구중에서 가장 무거운 10kg을 전원 유무에 상관없이 보지할 수 있었다는 것은 신뢰성이 높다는 것을 의미한다.
5. 맺음말
우주에서 사용을 전제로 한 로봇 핸드의 집게손가락을 일반용 로봇 핸드에도 실용화되기 위해서는 확실한 파지뿐만 아니라 여러 가지 조작을 할 수 있는 기능을 갖고 있어야 한다. 이번에 개발한 집게손가락은 소형, 고출력, 고신뢰성을 실현하기 위해서 하나의 고출력 액추에이터와 종동 관절을 가지고 있는 열구동형 링크 구조이다. 이 손가락 기구는 2011년에 국제우주 스테이션, 일본실험동(JEM)에서 실시 예정인 선외활동 지원 로봇 실험에서 탑재할 예정으로 개발됐다. 궤도상 실험은 이번에 시험제작한 로봇 핸드를 응용해서 우주용 훅의 조작 및 핸드 레일의 파지 등의 실험을 실제의 우주공간에서 실시할 예정이고, 실험용 핸드의 기능 확인을 위하여 실험용 조립 모델(BBM:Bread Board Model)을 겸해서 제작됐다.
