새로운 구조의 로봇 손 BLT Gripper - 김용재 교수 인터뷰

손은 노동력을 결정짓는 중요한 부위입니다. 눈앞의 컵을 들거나 물건을 옮기는 일을 하려면 손이 필요합니다. 로봇도 마찬가지죠. 아주 똑똑한 AI를 가진 로봇이라도 물리적으로 사람의 일을 돕기 위해서는 결국 손이 있어야 합니다. 물론, 사람만큼 유연하고 정밀한 제어가 가능한 로봇 손을 개발하는 것은 큰 도전입니다.

BLT Gripper (Belt and Link actuated Transformable Adaptive Gripper), 2020

이와 관련해 주목받고 있는 로봇 손이 있습니다. 세계적인 로봇 공학자로 손꼽히는 한국기술교육대학교(KOREATECH) 김용재 교수가 연구 중인 'BLT Gripper’입니다. 아주 단순한 구조로 정밀한 작업이 가능한 새로운 방식의 로봇 손입니다. 김용재 교수는 네이버랩스와 2016년부터 산학협력을 진행하고 있으며, 로봇 팔 앰비덱스를 비롯해 사람처럼 유연하고 안전한 로봇 개발을 연구하고 있습니다. 김용재 교수에게 로봇 손 개발과 관련한 이야기를 물었습니다.

Q. 로봇 손 연구는 어떤 의미가 있나요?

사람의 손은 로봇 공학자에게 굉장히 매력적인 대상입니다. 놀라운 일들을 해내고 있죠. 가느다란 볼펜을 정밀하게 잡을 수 있고, 파지 방법을 다양하게 바꿀 수 있습니다. 주머니 속 휴대폰을 더듬어 꺼내거나 한 손으로 메시지를 작성하고, 잡은 위치를 바꾸거나 건네주는 일도 간단히 합니다. 공학자의 눈으로 보자면 유연성, 민감한 센서와 센서 피드백, 무게중심과 모멘트를 고려한 제어 등이 순식간에 이루어집니다. 즉, 메커니즘과 센서, 제어 알고리즘이 고도로 최적화된 것이 바로 사람의 손입니다.

인간 손의 관절, 힘줄, 근육 구조 [1]

사람의 손은 형태뿐 아니라 재질, 윤활 방식, 구동 방식 등 로봇이 배울 점이 많죠. 예를 들어 사람의 손은 수많은 조직들이 서로 닿아서 움직이면서도 로봇이 사용하는 윤활유보다 50배 이상 낮은 마찰력을 가진 액체(synovial fluid)로 마찰력을 줄이는 동작원리를 가지고 있습니다. 이러한 구조들은 로봇 연구가 새로운 분야로 나아가는 데 영감을 줍니다.

어쩌면 손은 로봇 개발의 목적에 가장 잘 부합하는 분야일 것입니다. 로봇이 이동하거나 작동하기 위해서는 구동부(actuator)가 필수적인데, 주변 환경에 변화를 주는 동작의 접점이 바로 손입니다. 저는 2008년부터 사람 손과 아주 유사한 형태의 고자유도 로봇 손을 비롯해, 그보다는 더 단순하면서도 실용적인 구조의 그리퍼들을 연구 개발 해왔습니다. 기능뿐 아니라 크기, 무게, 내구성도 중요한 기준으로 삼고 있습니다. 로봇 손은 단독으로 사용되는 것이 아니라 결국 로봇 팔에 장착되어 활용되어야 하기 때문입니다.

연구개발해온 로봇 손과 그리퍼들

 

Q. 최근 발표한 로봇 손 'BLT Gripper’는 어떤 특징이 있나요?

BLT Gripper는 아주 단순한 구조로 되어 있습니다. 하지만 사람의 손처럼 다양한 물체를 다룰 수 있습니다. 그간 좀 더 단순한 구성과 자유도로 효율적인 기능을 구현하기 위해 많은 시도를 해왔는데, 그 결실로 만들어진 로봇 손입니다.

사람의 손은 27개의 뼈와 30여 개의 근육이 연결되어 있어서 무려 23개의 자유도를 가집니다. 아직까지 로봇이 따라잡긴 어렵습니다. 실제 로봇을 활용하는 작업 현장에서는 대부분 1~3 자유도의 로봇 그리퍼들을 필요에 따라 교체해가며 사용하고 있습니다. 산업용 그리퍼로 평행한 두 개의 손끝을 이용해서 정형화된 물체를 정확히 잡거나, 끈 또는 벨트로 묶어 물체를 강하고 유연하게 잡습니다. 그런데 흥미로운 점은, 사람 손이 물체를 잡는 원리도 사실 비슷하다는 것입니다.

손이 물체를 파지하는 원리를 크게 구분하자면 정밀한 집기(precision pinching)와 강한 움켜잡기(power grasp)로 나눌 수 있다. [2]

실제로 구현하기 어려운 기능은 정밀한 집기자세에서 강한 움켜잡기 자세로, 혹은 그 반대로 아주 자연스럽게 전환하는 것입니다. BLT Gripper의 가장 큰 특징은, 이러한 정밀한 집기와 강한 움켜잡기를 하나의 로봇 손으로 할 수 있다는 것입니다. 마주 보고 있는 정밀하고 강한 손끝을 평행하게 움직여 산업용 그리퍼처럼 ‘정밀한 집기 자세’를 하고, 손가락의 벨트 부분은 다양한 형상의 물체를 감아쥘 수 있어 유연하면서도 강한 ‘움켜잡기 자세’ 또한 가능합니다.

정밀 집기와 움켜잡기 간의 전환 실험

하나의 손으로 정밀한 집기와 강한 움켜잡기를 모두 하는 그리퍼들은 기존에도 몇 가지 방식들이 개발된 바 있지만, 스스로 파지 방식을 바꿀 수 있는 로봇 손은 BLT Gripper가 유일합니다. 이 아이디어도 처음에는 훨씬 복잡한 구조에서 시작되었지만, 여러 시행착오 끝에 성능과 단순한 메커니즘을 동시에 도출할 수 있었습니다.

(왼쪽부터) 다양한 방식의 파지 매커니즘들 > 고하중 파지와 정밀 집기가 가능한 그리퍼 매커니즘들 > 고하중 파지와 정밀 집기 간 전환이 가능한 BLT Gripeer

 

Q. BLT Gripper의 구조에 대해 좀 더 자세히 설명해 주세요.

(왼쪽부터) 손가락을 구부리는 모터구조, 손 끝 3개를 동시에 구동하는 모터구조, 양쪽 손가락을 회전시키는 모터구조

BLT Gripper는 3개의 손가락과 5개의 모터로 이루어진 5자유도를 가지고 있습니다. 이 중 3개의 모터는 3개의 손가락을 구부리는 역할을 합니다. 또 다른 하나의 모터는 3개 손가락 끝의 각도를 한꺼번에 변경해 주는 역할을 합니다. 남은 하나의 모터는 양쪽의 손가락을 회전시켜서 두 손가락 집기, 세 손가락 집기, 원통형 물체 잡기 등을 가능하게 해줍니다. 손끝 각도를 적절히 변경하고 움켜쥐면 물체를 안쪽으로 끌어들여 자동적으로 유연하고 강한 파지를 할 수 있습니다. Belt와 slot의 조합으로 복잡한 고자유도 제어를 하지 않아도 스스로 형상에 맞게 물체를 잡을 수 있는 under-actuated mechanism을 구현하고 있는 것입니다.

다양한 크기와 형태의 물체에 대한 BLT Gripper의 파지 방식

“BLT Gripper는 Belt and Link actuated Transformable Adaptive Gripper의 약자입니다. 사실 BLT는 베이컨, 상추, 토마토 (bacon, lettuce, and tomato)로 만들어진 샌드위치의 약자로 더 유명하지요. 누구나 쉽고 유용하게 BLT gripper를 쓸 수 있기 바라는 기대와, belt와 link라는 굉장히 단순한 component의 절묘한 조합으로 높은 성능을 낼 수 있다는 의미를 담고 있습니다.”

 

Q. 현재 연구 중인 다른 과제도 있나요?

BLT Gripper 외에 더 복잡한 구조의 FLLEX hand라는 15 자유도 로봇 손도 개발하고 있습니다. 기존의 베어링이나 금속 부품을 쓰지 않고 사람 손과 같은 내구성, 정밀성, 큰 힘을 내고자 하는 것이 목표입니다.

아마 미래의 로봇 손은 자유도가 높아지면서도 무게, 복잡도, 제어 난이도가 지나치게 증가하지 않고, 정밀도를 높이기 위해 유연성을 희생하지 않게 될 것이라 생각합니다. 이 시기를 앞당기기 위해 지금 필요한 연구가 무엇인지 끊임없이 고민하고 있습니다.

"사람의 손은 명품 시계보다 정밀하지만, 깔고 앉아도 고장 나지 않고 한 손으로 매달려 몸무게를 지탱할 만큼 튼튼합니다. 강한 금속으로 만든 그 어떤 로봇 손도 이 정도의 성능을 가지지 못합니다. 그러나 앞으로는 인간의 손이 그렇듯이, 로봇 손도 점차 가볍고 유연하면서도 뛰어난 성능을 함께 갖는 방향으로 진화하게 될 것입니다"

 

Q. 사람과 자연스럽고 안전하게 인터랙션하는 로봇은 앞으로 어떻게 진화하게 될까요?

사람과의 안전한 인터랙션이 가능한 협동 로봇은 기존의 산업용 로봇과 달리, 안전 펜스 없이 작업자와 함께 일할 수 있습니다. 그러나 여전히 많은 로봇들은 무겁고 유연성이 낮거나 충격에 약합니다. 학계에서는 머신 러닝과 데이터 기반 알고리즘을 이용하여 로봇의 성능을 빠르게 향상시키고 있기는 하지만, 기존 산업용 로봇 팔에 힘제어 기능을 추가하는 제한적인 방식으로 진행되고 있습니다. 좀 더 안전하면서 기민한 로봇을 위해서는 사람 팔처럼 극단적으로 가볍고, 사람의 손처럼 충격을 흡수할 수 있는 혁신적인 로봇 메커니즘이 필요하다고 봅니다. 이를 위해 지금까지 로봇에 당연하게 사용하고 있는 모터, 베어링, 회전 관절, 금속 프레임들이 최선의 선택인지도 다시 생각해봐야 합니다.

"인간-로봇 인터랙션의 패러다임도 바뀌게 될 것입니다. 사람들끼리는 자연스럽게 팔짱을 끼고, 앞 사람 등을 두드려 부르고, 팔꿈치를 책상에 대고 편안하게 작업을 합니다. 로봇도 이러한 것들이 가능해야 합니다"

그간 대부분의 로봇 팔에 적용된 인터랙션 알고리즘은 사람과의 충돌을 애초에 피하거나, 로봇 팔들 간의 충돌도 피하는 방식을 사용합니다. 하드웨어와 제어 알고리즘의 개념 전환이 인간과 로봇의 인터랙션의 새로운 기회를 만들 수 있다고 생각합니다. 이제 점차 로봇들도 펜스를 하나씩 넘어 식당으로, 가정으로, 사무실로, 우리의 일상으로 올 수 있을 것입니다.

 

Q. 로봇 연구자 혹은 학생들에게 하고 싶은 이야기가 있다면?

로봇이라는 분야가 아주 흥미진진한 분야라는 것을 늘 기억했으면 합니다. 뭔가를 움직이게 하는 즐거움, 기계에 생명을 불어넣는 매력에 로봇 연구를 시작한 분들이 많을 것입니다. 이런 매력에 이끌린 세계의 로봇 연구자들이 수술 로봇, 청소 로봇, 협동 로봇, 무인 자동차, 드론과 같은 새로운 분야를 열어왔습니다.

물론 수익이나 시장을 고려한 연구도 아주 중요하고 의미가 있습니다. 하지만 그보다도 로봇 분야가 특별한 것은 아무도 안 가본 미지의 영역을 탐사할 수 있는 자유가 있기 때문입니다. 이를 꼭 기억하고, 연구에 쏟는 열정의 일부는 꼭 본인만의 꿈을 이루기 위해 쓰셨으면 하는 바람입니다.

로봇 분야는 아주 넓습니다. 모든 부분을 다 접하려다 보면 어느 순간 능력의 한계를 느낄 때가 생깁니다. 저도 자주 그랬습니다. 하지만 이럴 때 좌절하지 않았으면 합니다. 다양한 분야의 뛰어난 동료들과 좋은 팀을 조직해, 서로 함께 멀리 나아가는 것이 가장 보람 있고 즐거운 방법이란 것임을 깨닫습니다. 수많은 로봇 연구자들, 그리고 이를 목표로 하고 있는 학생 분들도 기회가 되면 언젠가 저와 함께 멋진 탐사를 떠날 수 있기를 바랍니다.

References
[1] Y.-J. Kim, et al., "Fluid Lubricated Dexterous Finger Mechanism for Human-Like Impact Absorbing Capability," IEEE Robotics and Automation Letters, Vol. 4, No. 4, pp. 3971-3978, Oct. 2019.
[2] 인간 손의 다양한 파지 분류. T. Feix, et al., “The grasp taxonomy of human grasp types,” IEEE Trans. on Human–Machine Systems, Vol. 46, No. 1, pp. 66–77. 2016.

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