인간의 진화를 가져온 ‘손(Hand)’… 그를 닮고자 하는 ‘로봇핸드’
인간의 진화 과정에서 손을 자유자재로 사용할 수 있게 되면서 도구의 개발 및 사용이 가능하게 되었다. 이는 매우 중요한 순간이며, 현대 문명을 가능하게 한 중요한 요소이다.
손의 운동기능은 3가지로 나누어 볼 수 있는데, 주먹을 꽉 쥐는 동작(grasp), 물건을 정확하게 집어낼 수 있게 해주는 꼬집기 동작(pinch), 갈고리를 만드는 동작(hooking) 등이다.
이들 운동이 조화를 이루어서 손과 손가락의 운동이 완성된다.
인체의 전체 뼈의 개수는 206개인데, 손에는 54개의 뼈가 있어서 전체의 25% 정도가 손에 있다. 섬세한 운동을 하려면 관절이 많이 필요하기 때문에 손 하나에는 14개의 손가락 뼈, 5개의 손바닥뼈, 8개의 팔목 뼈가 있다.
인간은 평균적으로 일생 동안 2,500만 번 손가락을 폈다 굽혔다 한다. 인체의 모든 부위 중에서 손이 제일 많이 움직이지만 손이 피로를 느끼는 경우는 별로 없어 많이 걸으면 다리가 피로해지는 것과는 대조가 된다.
또한 손은 감각이 매우 예민하다. 손가락 한마디에는 수천 개의 신경이 분포해 있고 손의 감각을 담당하는 뇌는 얼굴을 제외한 전신을 담당하는 뇌 부위와 면적이 같다.
이와 같이 인간의 손은 대단히 복잡하여 현재까지 어떤 로봇을 만들더라도 그 모든 절묘한 동작을 그대로 흉내 낼 수 없다.
하지만 과학의 발전과 더불어 인간은 로봇에게 이러한 인간과 같은 정교한 손동작을 요하고 있다.
생산량 증대를 위한 제조용 로봇핸드 ‘그리퍼’
산업용 매니퓰레이터의 말단장치인 엔드 이펙터 중 시장에서 흔히 ‘그리퍼’라 일컫는 장비가 있다.이 그리퍼는 주로 범용 핸들링 및 팔레타이징 로봇의 말단에 부착되어 작업물의 이적재 작업을 행하며, 사용되는 적용처에 따라 매우 다양한 형태를 보이고 있다. 로봇은 이 그리퍼를 설치함으로써 비로소 실질적인 작업에 적합한 형태가 되는 것이다.
일반적으로 ‘핸드’라는 말과 혼용되어 사용되고 있는데, 로봇의 종류와 수보다 더욱 다양한 형태를 보이는 것이 바로 이 ‘그리퍼’다.
정해진 작업만 진행하는 제조용에는 이 전용 로봇핸드인 ‘그리퍼’가 저렴한 비용에 정확하게 일을 처리하고 있어 사람의 손과 비교해 그 형태는 다르지만, 나름의 역할을 다하며 작업의 생산성을 높이고 있다.
그립(Grip)이라는 단어에서 나온 ‘그리퍼’라는 말 그대로라면 ‘쥐거나, 잡거나’하는 의미로 다가와 아무래도 집게형 그리퍼를 많이 떠올리기 마련인데, 산업현장에서 그리퍼라 함은 ‘ㅠ’형의 박스이송용과 포대이송을 위한 ‘< >’모양의 포크 집게형, ‘ㄷ’형 그리퍼 등이 있으며, 이외에 LCD/반도체 이송을 위한 포크 리프트형, 진공흡입형 등을 모두 통칭하고 있다.
덧붙여 그리퍼와 함께 행거와 툴을 언급할 수도 있다. 이들 역시 로봇핸드로 포함시키기에는 애매한 부분이 있지만, 자동차 산업에서 그리퍼와 함께 많이 사용되는 부품이다.
인간을 닮아가는 휴머노이드 ‘로봇핸드’
제조용과 서비스용 로봇 그리퍼의 최종모델을 제시한다고 하면 ‘인간의 손’이라 말할 수 있을 것이다.
최근 지능형 서비스로봇에 대한 관심이 높아지면서 휴머노이드형 로봇이 많은 발전을 해왔고, 휴보, 마루/아라, 혼다의 아시모도 자연스러운 손가락 움직임을 위해 보이지 않는 경쟁과 연구를 지속하고 있다.
이렇게 인간의 손 모양을 본떠서 제작된 것을 로봇핸드라 하는데, 물론 물류이송과 관련된 산업측면에서 바라볼 때 이러한 로봇핸드는 일정한 제한된 수의 작업을 하는데 있어서 그리퍼에 비해 비효율적이다.
또, 어느 정도 복잡한 작업에서는 그리퍼를 교환하여 사용하면 되기 때문에 로봇핸드가 경제성에서도 떨어진다고 할 수 있다.
하지만 사람의 손과 비슷한 구조를 지니고 있는 로봇핸드는 미리 지정되지 않은 작업과 제한된 공간 속에서도 작업을 할 수 있다는 장점과 함께 사람의 손을 모방했기 때문에 매우 다양한 움직임을 선보이며, 세심한 작업이 가능하다.
특히, 향후 기기들이 더욱 소형화 고집적화됨에 따라 정교하고 세심한 작업이 요구되는 만큼 인간의 손을 모방한 로봇핸드들이 점차 경쟁력을 갖추어 갈 것이라는 기대도 높아지고 있다.
로봇핸드는 현재 사람과 자연스러운 악수를 계란을 잡을 수 있을 정도로 압력조절 기술이 정교해졌다. 이러한 로봇핸드 기술은 머지않아 더욱 발전할 것이고, 정밀산업 부분에서 그 힘을 발휘할 것으로 보인다.
다양한 어플리케이션 가능한 ‘로봇핸드’… 미래형 상품으로 주목
지난해 유럽에서 손꼽히는 독일 DLR 로봇메카트로닉스연구소와 HIT(Harbin Institute of Technology)가 공동 개발한 ‘멀티센서 로봇 손’이 ‘iF product design award 2007’을 수상해 눈길을 끈 바 있다.
이 ‘iF product design award’는 독일의 레드닷(Red dot), 미국의 IDEA 등과 함께 전 세계적 권위를 인정받는 디자인 공모전으로 수상 제품에는 IF 마크가 부여되고, 독일 하노버 국제 박람회인 CeBIT 전시회에도 출품되는 영예를 안는다. 이 로봇핸드로 인해 독일 DLR 로봇메카트로닉스연구소는 로봇핸드 전문이라는 부가적인 명예도 가질 수 있었다.
또한 일본의 마츠시타 전기산업의 연구개발 회사인 액티브 링크는 ‘웨어러블 파워 어시스트 기술’을 응용한 ‘재활훈련 지원 글로브’를 소개했다. 이 로봇핸드는 장치에 장착한 구동기기에 의해 근력 보조나 근육 부하를 조절하여 재활을 돕는다.
이외에도 로봇핸드의 성능 향상을 위해 지능형 소프트웨어와 촉감 등 다양한 기술을 접목한 새로운 로봇핸드들이 선보이고 있다. 어찌 보면 로봇핸드는 로봇개발자들에게 가장 기본적이고 가장 이루고 싶은 로봇기술이라 할 수 있다.
·지능 소프트웨어 : 완벽한 로봇 핸드의 구현을 지원한다
인간의 손은 대단히 복잡하여 현재까지 어떤 로봇을 만들더라도 그 모든 절묘한 동작을 그대로 흉내 낼 수 없지만, 영국의 포츠머스대(University of Portsmouth) 산업연구소(Institute of Industrial Research) 부교수(senior lecturer)인 홍하이 류(Honghai Liu) 박사와 중국 상하이에 위치한 지오통대(Jiao Tong University) 로봇공학연구소(Robotics Institute)의 시앙양 쥬(Xiangyang Zhu) 교수는 지능 소프트웨어를 이용하여 완벽한 로봇 핸드에 한 발자국 더 다가가고 있다.
이들은 인공지능을 이용하여 인간의 손동작을 학습하고 복제하는 소프트웨어를 만들고 있으며, 현재는 인간의 손으로만 할 수 있는 정교한 동작을 수행할 수 있는 로봇 장치에 적용될 수 있기를 희망하고 있다.
지능로봇, 이미지 처리, 지능 데이터 분석 등과 같은 인공지능 분야를 전문으로 하고 있는 포츠머스대 산업연구소에서 인공지능을 강의하고 있는 홍하이 류 박사는 인간의 손이 어떻게 동작하는 지에 대한 데이터를 얻기 위해 소형 센서들로 덮인 사이버장갑(cyberglove)을 사용했다. 이것은 적외선 조명과 수 mm의 측정 정밀도를 가지는 8개의 고해상도 CCD(Charge Coupled Device) 카메라를 이용하여 모션캡처 실에서 촬영됐다.
세계 일류의 로봇연구소 가운데 하나로 인식되고 있는 지오통대 로봇공학연구소 출신의 시앙양 쥬 교수는 지오통대와 포츠머스대 사이의 연구 협력 관계가 인공 지능 기술과 로봇 공학 사이의 인터페이스를 강화하고, 로봇 기술에 새로운 장을 열 것으로 전망했다.
인간의 손과 같은 정교한 작업을 수행할 수 있는 로봇은 매우 높은 수준의 제어 능력을 가지는 로봇 장치를 의미한다. 이와 같이 완벽한 로봇 핸드를 구현하는 기술은 제조업과 의학 분야를 혁신시킬 잠재력을 가지며, 향후 완벽한 인공 팔다리를 만드는 데 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
·촉감 실현 : 인공 손가락
현재까지 로봇은 인간이 가진 정밀도로 물체를 느낄 수 없었기 때문에 많은 한계를 가지고 있다. 예를 들어 대부분의 6살 아이가 구두끈을 묶거나 종이로 집을 만드는 것과 같이 아무 생각 없이 수행할 수 있는 다재다능한 작업을 오늘날 최신의 로봇 핸드(robotic hand)는 수행할 수 없으며, 이를 가능하게 하기 위한 핵심 요소는 인간의 촉감을 재현하는 센서를 구비한 장치의 개발이다.
영국 리즈대(University of Leeds)의 캐시 반즈(Cathy Barnes)와 그의 동료 연구자들이 이러한 실물 크기의 실리콘 고무 손가락을 제작하고 있다. 재료가 얼마나 거칠거나 부드러운지를 측정하기 위해 캐시 반즈 연구팀은 압력에 민감한 플랫폼에 샘플을 놓고, 부착된 모터를 가동시켜 실리콘 고무 손가락이 이 샘플을 만지도록 했다.
다음으로 소프트웨어는 이 플랫폼이 느끼는 측면 압력을 실리콘 고무 손가락에 인가된 측면 힘과 비교한다. 이를 통해 마찰력이나 표면 거칠기의 크기를 측정할 수 있게 한다.
동시에 이 소프트웨어는 실리콘 고무 손가락에 의해 인가된 힘과 플랫폼이 느끼는 힘을 비교하여 재료가 흡수하는 수직 방향의 힘을 측정한다. 재료가 부드러울수록 더 많은 힘을 흡수한다. 그리고 실리콘 고무 손가락 끝에 있는 센서는 온도를 측정한다.
연구자들은 앞으로 지원자를 모집하여 여러 가지 재료를 만지게 한 후, 그들이 어떻게 느꼈는가를 제공하도록 하여 동일한 재료에 대해 인공 손가락이 느끼는 데이터를 일치시킬 계획이다. 연구자들은 다양한 촉감과 연관된 부드러움, 유연함, 온도 등과 같은 모든 측정값들에 대한 수집을 희망하고 있다. 연구팀은 이러한 결과를 재료 포장을 설계하는 데 사용할 계획이다.
·정밀 플라스틱 로봇핸드 : MRI 스캐너 내부에서 사용 가능
존스 홉킨스 비뇨기학 로봇 연구실(Johns Hopkins Urology Robotics Lab)의 공학자들은 암 생체 조직 절편 검사 및 치료에 사용되는 원격제어로봇 의료 장치에 안전하게 동력을 공급하는 모터를 개발했다고 보고했다. 암 생체 조직 절편 검사 및 치료는 핵자기 공명 영상법(MRI)에 의해 안내되며, 새로 개발된 모터는 전기를 사용하지 않으며, 금속으로 되어 있지 않다.
새로운 모터는 전적으로 플라스틱, 세라믹, 고무에 의해 제작됐으며, 빛과 공기에 의해 구동되며, 미국 전기 전자 통신 학회 및 미국 기계 학회가 발행하는 메카트로닉스 관련 저널 2007년 2월호에 발표됐다(Stoianovici, D.; Patriciu, A.; Petrisor , D.; Mazilu, D.; Kavoussi, L., A New Type of Motor: Pneumatic Step Motor, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 12, No. 1, Page(s): 98-106, Feb. 2007).
암 생체 조직 절편 검사 및 치료에 사용되는 로봇 의료 장비를 구동하는 모터는 컴퓨터에 의해 정밀하게 제어되어 그 움직임이 사람의 손보다 더 안정적이고 좀 더 정밀하다.
MRI 스캐너에서 사용될 수 있는 정밀한 제어가 가능한 로봇의 개발은 의사들에게 현재로는 불가능한 방식으로 미래의 수술 방법을 개선하게 만들 잠재력을 가지고 있다. 미래에 이미지에 안내되는 수술은 목표에 더 가까이 근접하고, 최소 침습 기법으로 암을 진단하고, 치료하도록 만들 것이다. 비록 MRI를 사용하는 것이 고가라는 단점이 있지만, 보다 초기에 암을 발견할 수 있다는 것은 환자를 줄일 수 있는 일이기에 그 단점을 충분히 상쇄하고도 남는다.
<그림 1> 또한 일본의 마츠시타 전기산업의 연구개발 회사인 액티브 링크는 ‘웨어러블 파워 어시스트 기술’을 응용한 ‘재활훈련 지원 글로브’를 소개했다.
<그림 2, 3> 지난해 유럽에서 손꼽히는 독일 DLR 로봇메카트로닉스연구소와 HIT(Harbin Institute of Technology)가 공동 개발한 ‘멀티센서 로봇 손’이 ‘iF product design award 2007’을 수상해 눈길을 끈 바 있다.
*자료참고 : 과학기술정보포탈서비스
