자연에서 영감을 얻거나 살아있는 생물의 행동이나 구조를 모사한 생체모사로봇은 수많은 로봇 연구 분 야 중에서 관심이 점차적으로 높아지고 있는 분야이 다. 특히 생명체가 자연에서 오
랜 세월 진화해오면서 최적화 되고 효율이 높은 시스템을 가 지고 있다는 것에 로봇 연구자 들의 관심이 높아지고 이에 대 한 연구 결과를 로봇에 직접적 으로 적용하려고 하면서 생체 모사로봇에 대한 연구가 더욱 더 활기를 띄게 되었다. 이러한 연구는 기존의 로봇 연구에서 진행되는 물리적인 해석 및 분 석뿐만 아니라 자연에 대한 심 도 있는 이해와 그에 대한 생물 학적인 모델링에 관한 연구가 같이 수행되어야 한다. 이 글에 서는 생체모사로봇의 많은 연 구 분야 중에서 지상용으로 연 구 개발되고 있는 로봇들을 소 개하고자 한다.
이동 방법에 따른 지상용 생체모방로봇의 개발 현황
자연에서는 다양한 생물의 이동 방법을 관찰할 수
조 규 진ㅣ 서울대학교 기계항공공학부 교수 ㅣ e-mail : [email protected] 박 용 재ㅣ 서울대학교 기계항공공학부 박사과정 ㅣ e-mail : [email protected]
생체모방로봇은 다양한 생물들의 움직임이나 특징을 모방하여 이를 로봇에 적용한 연구를 의미한다. 다양한 생물 들의 존재와 마찬가지로 다양한 생체모방로봇 연구가 진행되고 있는데, 이 글에서는 지상용으로 연구 개발되고 있 는 생체모방로봇들을 소개하고 이 분야의 연구가 발전되어가고 있는 방향에 대하여 소개하고자 한다.
그림 1다양한 이동방법 중 기어가기, 걷기, 도약, 등반 등 네 가지에 따른 생체모방로봇 분류 (a) earthworm robot (Quinn, 2010), (b) 인명탐지 뱀로봇 (한국원자력연구 원, 2007), (c) ZineDyn (김수현-Kaist, 2010), (d) Omegabot (본 연구실, 2010), (e) earthworm (Dario, 2006), (f) iSprawl (Cutkosky, 2006) (g) Myriapod- like robots (Wood, 2011), (h) 진풍 (한국생산기술연구원, 2008), (i) PQ1 (포항지 능로봇연구소, 2008), (j) LittleDog (Boston Dynamics, 2007), (k) BigDog (Boston Dynamics, 2008), (l) 7g jumping robot (Kovacˇ, 2008), (m) Grillo (Fei Li, 2008), (n) FLEA (본 연구실, 2011), (o) Waalbot II (Sitti, 2010), (p) Stickybot (Cutkosky, 2006), (q) Stickybot III (Cutkosky, 2010)
있다. 쉬운 예로는 기어가거나 걷는 것부터 뛰는 모습 까지 생물의 움직임은 다양하다. 이 움직임을 관찰하 고 구현하는 것으로부터 생체모방로봇이 시작되었다.
현재까지 많은 생물의 이동 방법(기어가기, 걷기, 도 약, 등반 등)에 대한 모사가 이루어져왔다. 이러한 모 사는 보다 역동적인 움직임으로 점차 발전해가고 있 는 과정에 있다. 다만, 현재까지 구현된 많은 생체모 방로봇들은 하나의 로봇이 하나의 이동 방법에 특화 되어 있어서 생물과 같이 다양한 이동 방법을 구현해 내지 못하고 있다. 예를 들어 개는 걷기, 달리기, 기어 가기, 뒹굴기, 도약하기 등 다양한 움직임이 가능하지 만 생체모사로봇은 많은 이동 방법 중 하나에만 초점 을 맞추어 그 움직임을 구현하고 있다.
생물의 움직임 모방에서 움직이는 원리의 적용으로 변화
기존의 생체모사로봇 연구가 단순하게 생명체의 모 양과 움직임을 그대로 따라하는 것에 머물러 있고, 얼 마나 잘 모사하였는가에 초점을 두고 진행된 반면, 점 차 생물의 움직이는 원리와 그 모양에 대한 이해가 높 아지고 이를 바탕으로 그 원리와 이해를 로봇에 적용 함으로써 새로운 메커니즘을 찾아내는 것으로 변화해
가고 있다. 예를 들어 기존에 도약하는 로봇은 레오나 르도 다빈치의 이스케이프 캠(Escapement cam)을 이 용한 메커니즘을 기반으로 에너지를 저장하였다가 한 번에 표출하는 방식으로 설계・제작되었으나, 생물의 뛰는 메커니즘을 분석하고 이 동작 원리를 실제 로봇 설계에 재현함으로써 보다 효율적이고 성능이 좋은 생체모방로봇을 구현하는 방향으로 진화해 가고 있 다. 즉, 생체모사로봇의 연구가 생명체의 움직이는 메 커니즘이나 원리를 파악하고 이로부터 영감을 얻어 로봇에 적용하는 연구로 변화하고 있다.
유연한 생체모방로봇으로의 변화와 인공근육 액추에이터의 사용
자연에서 관찰할 수 있는 모든 생명체의 움직임이 나 몸체를 이루는 구조는 직선이 아닌 곡선으로 이루 어져 있다. 이러한 곡선을 가능하게 하고 유연한 움직 임을 만들 수 있게 하는 것이 유연한 구조 및 연성 메 커니즘이다. 이러한 생명체의 움직임은 기존에 로봇 을 제작하는 데 사용하고 있는 모터와 이를 연결하는 링크, 관절과는 그 메커니즘이 많이 다르다. 이러한 연성 메커니즘은 관절로 이루어진 로봇의 구조에 추 가적인 여유 자유도를 제공하기 위한 개념이라고 할
그림 2움직임을 모사한 생체모방로봇에서 생물의 동작원리를 분석하고 이를 적용한 생체모방로봇으로 연구가 변화함. (a) 7g jumping robot (Kovacˇ, 2008), (b) 이스케이프 캠(Escapement cam, 레오나르도 다빈치), (c) ACM-R5 (Hirose, 2005), (d) 뱀의 움직임 (howstuffworks.com), (e) 벼룩의 점핑 원리, (f) FLEA 점핑, (본 연구실, 2011)
수 있다. 이러한 개념으 로 로봇을 설계하면 의도 치 않은 장애물이나 물체 의 불균일한 면을 로봇 자 체가 환경에 적응하여 쉽 게 장애물을 넘거나 물체 를 자연스럽게 잡을 수 있 게 된다. 이는 기존 로봇 이 환경을 정확하게 감지 하고 복잡한 알고리즘을 거쳐, 각 관절 값을 이용 한 기구학 계산을 통해 정 확하게 위치를 제어하여 장애물을 극복하거나 물 체를 잡는다는 기존의 패 러다임과는 다르다. 따라
서 연성 메커니즘을 이용하면, 시스템 자체의 적응력 이 높아지고 부족구동(under-actuation) 되는 이점이 나타난다. 이러한 이점으로 연성 메커니즘을 적용한 생체모사로봇의 효율이 강성 관절을 이용한 생체모사 로봇에 비해 높을 것이라고 예상할 수 있다.
생체의 유연성을 적용할 수 있는 유연한 생체모방로 봇에 대한 연구는 다양한 방법으로 이루어지고 있다.
코끼리 코와 같은 움직임을 구현하기 위하여 로봇 팔 구조 자체를 작은 분절로 나누어 제작함으로써 로봇 팔이 유연하게 움직일 수 있게 된다. 또 다른 방법으로 는 실리콘과 같은 연성 재질을 이용하여 로봇을 제작 하는 것이다. 몸체 전체를 연성 재질로 구성하거나, 강 성 재질로 이루어진 파트를 연성 재질로 연결하여 유 연한 관절을 구성하는 것이다. 이러한 방법은 어떠한 재질을 사용하는가와 어떻게 강성파트와 연성파트를 연결하는가에 따라 다양한 움직임을 구현할 수 있는 장점이 있다. 연성 재료를 사용하여 몸체를 제작하는 경우, 생체모방로봇 전체를 유연하고 효율적인 움직임
을 구현할 수 있는 구조로 만들 수 있으며, 외부환경에 대한 적응력을 보다 높일 수 있는 장점을 가질 수 있게 한다. 실제로 지렁이나 자벌레의 움직임과 같이 몸 전 체를 유연한 움직임을 보일 수 있도록 생체모방로봇을 제작하기 위하여 많은 수의 액추에이터와 관절이 필요 하다. 그러나 액추에이터와 관절의 수를 무한하게 늘 릴 수가 없기 때문에 이 방법으로 제작된 생체모방로 봇의 경우 움직임이 완전히 유연한 모습을 보일 수 없 으며, 이 때문에 효율이 낮아지는 문제점을 나타난다.
그러나 유연한 재질로 몸체나 관절 등을 제작하면, 재 질의 강성을 이용함으로써 유연한 움직임을 구현할 수 있어서 생체모방로봇의 효율을 높일 수 있다.
앞에서 언급한 생물의 동작원리를 반영하고 유연한 움직임을 구현하기 위하여 새로운 액추에이터가 필요 하다. 특히 생물체의 움직임은 일반적으로 근육에 의 하여 구현이 되는데 이는 왕복운동이 기반이 되는 것 이 특징이다. 따라서 기존에 로봇에 주로 사용하던 모 터를 이용하여 왕복운동을 구현하기 위해서는 추가적
그림 3기존의 철과 같은 단단한 재질을 이용하여 로봇을 제작하던 것에서 유연한 재료를 이 용하여 유연한 생체모방로봇을 제작하는 시도가 증가함. (a) Bionic Handling Assistant (Festo, 2010), (b) Multigait soft robot (Whitesides, 2011), (c) GoQBot (Trimmer, 2011), (d) Meshworm (김상배, 2011)
인 동력전달장치가 필요하게 된다. 단순하고 빠르게 움직이는 경우라고 한다면 바퀴를 이용한 원운동으로 충분하겠지만, 만약 로봇이 험난한 지역을 간다거나, 벽을 오른다거나, 도약을 한다면 원운동으로는 이러 한 움직임을 쉽게 구현할 수 없다. 따라서 새로운 움 직임을 구현하기 위해서는 새로운 액추에이터가 필요 하다. 이러한 고민으로부터 모터를 대신하여 인공근 육 액추에이터가 생체모방로봇 구동에 대두되기 시작 하였다. 인공근육 액추에이터는 실제적으로 근육의 움직임과 비슷하게 압축하거나 인장하여 구동하게 된 다. 이러한 인공근육 액추에이터로는 형상기억합금을 이용한 액추에이터, 공압을 이용한 액추에이터나, 전 기를 가하게 되면 구부러지는 고분자를 이용한 액추 에이터 등이 있다. 이러한 액추에이터들은 아직 모터 에 비하여 고성능을 나타내지 못하는 단점이 있으나, 작은 생체모방로봇이나 원운동을 직선왕복운동으로 변환할 때 효율이 많이 저하되는 경우에는 인공근육 액추에이터를 생체모방로봇에 적용할 때 보다 효율적 일 수 있다. 또한, 생체모방로봇의 주된 움직임을 모 터로 사용하고 보조적인 움직임을 인공근육 액추에이 터로 사용하는 하이브리드 생체모방로봇에 대한 연구 도 진행 중이다. 이러한 인공근육 액추에이터에 대한 연구는 아직 시작단계에 있으며, 향후 인공근육 액추
에이터의 발전 가능성은 매우 높다고 할 수 있다.
다양하고 보다 효율적인 인공근육 액추에이터가 개발된다면, 다양한 움직 임을 구현할 수 있고 고성 능의 생체모방로봇을 개 발할 수 있을 것이다.
생체모방로봇 제작방 식의 변화
최근 연구자들이 생명체의 움직임이 연성 메커니즘 에 기반을 두고 있다는 것에 관심을 기울이면서 기존 의 로봇 제작 방식에서 벗어나 앞에서 언급한 연성 메 커니즘을 구현할 수 있는 새로운 로봇 제작 방법에 대 한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다. 기존 로봇은 금속을 주조나 가공, 제련을 통하여 부품을 제작하고 이를 볼트와 너트를 이용하여 조립하는 방식으로 제 작되었다. 그러나 생체의 움직임과 유사한 연성 메커 니즘을 로봇 시스템에 적용하고, 소형 생체모사로봇 을 제작하기 위하여 새로운 로봇 제조 기술이 대두되 기 시작하였고, 연성 메커니즘을 구현하기 위하여 새 로운 제조 방식이 고안되었다.
SDM 프로세스 기술은 1990년대 초에 금속을 쾌속 조형하기 위한 방안으로 고안되어 발전되었다. 이 제 조 기술은 센서와 회로 또는 이질적인 재료들을 제조 과정에서 같이 혼합할 수 있는 특징을 보인다. 이러한 SDM 프로세스는 스탠포드 대학의 Mark Cutkosky 교 수팀이 처음으로 로봇 제작에 응용하기 시작하였으 며, 점차적으로 이를 이용하여 로봇을 제작하는 연구 팀들이 증가하기 시작하였다. 이 제조방식은 강성 재 료와 연성 재료를 같이 사용하여 하나의 부품으로 만 들 수 있는 장점이 있다. 따라서 이러한 장점을 이용
그림 4모터를 이용한 기존 로봇 설계에서 점차적으로 인공근육 액추에이터를 사용하는 생체모방로봇으로 변화해 가고 있다. (a) 형상기억합금 코일 액추에이터(본 연구실), (b) 공압 액추에이터(Air Muscle, http://www.shadowrobot.com), (c) 전기활성 고분자 EAP(Electroactive Polymer Actuators, NASA)
하면 한 부품 안에 액추에 이터, 센서와 회로를 탑재 하고 강성과 연성 재료를 부위별로 적용하여 다양한 강성을 가지는 단일 부품 을 제조할 수 있는 이점이 있다. SDM 프로세스를 이 용한 생체모사로봇으로는 Stanford 대학에서 만든 빠 른 바퀴벌레의 움직임을 모사한 iSprawl과 게코 도 마뱀이 매끄러운 벽면을 올라가는 움직임을 구현한 Stickybot 등이 있다.
SCM 제조기술은 마이크
로 레이저를 이용하여 폴리머 필름과 같은 유연한 재 료와 복합재와 같은 단단한 재료를 원하는 모양으로 절단하고 이들을 적층하여 일부는 단단하고 일부는 유연한 단일 구조를 만드는 것을 말한다. 이 프로세스 는 일반적으로 기존의 제작 방식으로 제작할 경우에 마찰력이 크게 증가하거나 제작이 어려운 경우에 사 용되고 있다. 특히 기존의 로봇의 관절을 제작하는 데 필요한 요소들인 기어와 링크, 핀 조인트 등을 소형 생 체모사로봇에 구현하고자 할 경우에 부품을 소형화하 는 데 많은 어려움을 겪게 된다. 따라서 이러한 한계 를 극복하기 위하여 소형 생체모사로봇의 경우에 SCM 제조기술과 같은 방법을 이용하여 연성관절을 가진 로봇을 제작하려는 시도가 증가하고 있는 추세 이다.
SCM 제조기술을 이용한 생체모사로봇으로는, UC Berkeley에서 만든 DASH(Dynamic Autonomous Sprawled Hexapod)와 본 연구실에서 제작한 자벌레 의 움직임을 모사한 Omegabot, 벼룩의 도약을 모사한 FLEA 등이 있다.
지상용 생체모방로봇의 미래
생체모방로봇은 생명체의 다양하고 효율적인 움직 임을 구현하기에는 아직도 많은 부분에서 극복해야할 점이 많이 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 여러 방 면에서 다양한 시도가 진행되고 있다. 많은 연구자들 이 생명체의 움직임에 대한 근본적인 원리를 파악하 고 이를 연성 메커니즘과 인공근육 액추에이터를 이 용하여 새로운 제작과정을 통해 생체모방로봇에 적용 함으로써 보다 생명체의 움직임에 가깝고 효율적인 로봇을 만들고자 노력하고 있다. 미래 생체모방로봇 연구는 이러한 연구 과제를 어떻게 보다 로봇에 잘 구 현하는가와 이를 구현하기 위한 기술의 발전에 달려 있다고 할 수 있다. 이러한 연구는 연성 메커니즘과 인공근육 액추에이터를 탑재한 다양한 움직임이 가능 한 생체모방로봇을 가능하게 할 것이며, 이러한 연 구・개발이 생체모방로봇을 보다 넓은 분야에서 사용 할 수 있도록 토대를 제공할 것이다.
그림 5기존의 부품을 절삭하고 이를 조립하여 로봇을 제작하던 방법에서 다양한 재질로 이루어진 부품을 몰드를 이용하여 하나의 부품으로 생성하게 해주는 SDM 공정이 나, 마이크로 레이저를 이용하여 폴리머 필름과 같은 유연한 재료와 복합재와 같은 단단한 재료를 원하는 모양으로 절단하고 이들을 적층하여 일부는 단단하고 일부는 유연한 단일 구조를 만드는 SCM 방법이 있다. (a) Stickybot (Cutkosky, 2006), (b) Omegabot (본 연구실, 2010), (c) Adaptive gripper (본 연구실, 2011)
