연구동향
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재난대응로봇을 위한 양팔로봇 설계
조정산 (한국생산기술연구원)

공장의 라인에 사용되는 산업용은 주로 한팔을 사용하는데, 이를 위해 작업 대상물은 지그에 고정되어 있는 등 별도의 장치를 이용하여 굳이 양팔이 아니어도 작업수행이 가능하였다. 근래에는 두 개의 작업 대상물을 사람처럼 조립하는 등의 복잡하고 어려운 작업을 수행하기 위해 양팔 매니퓰레이터가 개발되고 있다.

앞선 글에서도 지속적으로 이야기하고 있는 재난 상황은 작업도 규정하기 어려우며, 다양한 조건에서 복잡한 작업들을 수행해야됨에 따라, 한팔로 할 수 있는 작업이 한계가 있다. 단적인 예로 철근을 자르려고 해도 고정되어 있지 않은 철근을 자르기란 여간 어려운 것이 아니다. 가위를 쥐고 한손으로 종이를 자르는 것을 상상해보면 양팔의 필요성을 알 수 있을 것이다. 또한 사람은 부피가 크거나 무거운 물체의 경우는 양팔을 사용한다. 또한 두 물체를 결합하는 작업을 별도의 고정 장치 없이 수행하기 위해서도 양팔이 필요하다.



재난대응을 포함한 필드분야에서는 공장 라인에서의 정형화에서 벗어난 공간에서의 여러 가지 복잡한 작업을 수행해야 한다. 예를 들어, 현재 지면에 배관을 묻는 공사 현장을 살펴보면, 굴착기가 줄을 이용하여 배관을 들면, 옆에 작업자가 위험을 무릅쓰고 연결 작업을 수행하게 된다. 이런 결합작업에서 한팔은 매우 불리하게 되는 것이다.

산업용 로봇의 경우, 지그를 이용하여 결합모체를 잡아주고 결합할 대상을 로봇팔이 이동하여 조립하는 방식을 취하고 있다. 이를 위해서 대상물체에 따른 지그를 계속 만들어야 하는 문제가 발생한다.

필드분야에서 특히 재난현장에서 비정형 물체를 파지하고 옮기고 자르기 위해서 별도의 장치를 두는 것이 어려우며, 자르는 동작에서도 고정된 작업물일 경우, 쉐어를 통하여 자를 수 있으나, 고정되지 않은 작업물의 경우 자르는 작업이 원활하지 않게 된다.

본 칼럼에서는 재난대응로봇의 양팔로봇 설계에 대한 고민을 적어보고자 한다.
아래 표는 이전 칼럼에서 이야기한 재난대응 시나리오를 한팔 작업과 양팔작업으로 분류하였다.



한팔 작업으로 가능한 것은 콘크리트 잔해나 벽 등에 고정되어 있는 파이프나 철근 등을 절단하는 작업하거나 회전톱 등을 이용하여 자르기 작업, 그리퍼가 가능한 물체를 한팔로 들어 올리거나 옮기는 작업, 대상물을 밀어서 옮기는 작업, 벽 등을 쳐서 넘어뜨리기 위한 작업 등이 가능하다.

양팔작업으로는 고정되지 않은 물체를 한팔로 파지하고 다른 팔로 절단하는 작업, 양팔을 협업하여 한팔 가반중량의 두배를 들어 올리는 작업, 그리퍼로 파지가 어려운 부피가 큰 물체를 양팔을 이용하여 끌어안듯이 들어 올리는 작업, 양팔을 이용하여 대형문이나 샌드위치 패널을 벌리는 작업, 인양과 마찬가지로 한팔로 집지 못하거나 들지 못하는 물체를 양팔을 이용하여 옮기는 작업, 물체를 양팔로 파지하고 당겨서 찢거나 부러트리는 작업이 가능하다.



비정형 환경에서 복잡하고 다양한 작업을 인공지능을 활용하여 완전 자율로 수행하는 것은 현재의 기술로는 불가능하다. 결국 운전자가 필요하며, 이를 위해서는 운전자의 판단과 의도대로 잘 움직여 줄 수 있도록 작업기를 설계하는 것이 중요하다. 기존 굴착기가 사람의 두 팔을 이용하여 4자유도인 하나의 작업기를 조종하는 것과 달리 양팔 작업기의 경우, 이와 다른 조종 방식과 제어 방식이 요구된다.

기존 굴착기는 손으로 조이스틱을 조작하여 각 실린더에 유입되는 유량을 각각 조절하는 방식으로 ‘속도형 관절 직접 교시’ 라고 할 수 있으며, 이는 사람의 움직임과 작업기의 움직임이 직관적으로 매칭되지 않기 때문에 훈련을 통한 숙달이 필요하므로 장비의 작업 성능은 운전자의 조작 능력에 의존적일 수밖에 없다.

SARCOS社나 TMSUK社에서는 웨어러블형태의 조종기를 사용하지만, HITACHI의 ASTACO는 기존 굴착기의 조이스틱을 좀더 채널을 늘리기 위해 복잡한 구조의 조이스틱을 사용하는데, 동영상을 보면, 작업면에서 확연히 그 차이가 드러난다. 이러한 조종기나 조이스틱에 대한 부분과 제어 알고리즘에 대한 내용은 다음 편에서 다루기로 하고, 본 논문에서는 재난대응 로봇을 위한 양팔 설계에 대해서만 다루고자한다.



양팔형 작업기의 형상은 사람의 의도대로 정확히 움직이기 위해서 사람 팔의 형상과 유사한 것이 유리하다. 양팔형 로봇을 살펴보면, 어깨 3자유도(R-P-Y or P-R-Y), 팔꿈치 1자유도, 손목 3자유도(R-P-Y or Y-P-R)로 구성되며, 양팔 협조 작업을 위해서 어깨 관절의 Yaw 관절이 필수적이고, 복잡한 작업과 양팔 작업을 위해서는 3자유도 이상의 손목 관절이 필요하다. 이는 2자유도로 구성한 HITACHI社의 ASTACO와 3자유도로 구성된 SARCOS社의 BigArm의 작업 영상에서 그 차이를 확인할 수 있다. 굴착기에서도 근래에 들어 Rototilt社의 RTxx와 같은 제품을 버켓에 장착하여 끝 부분을 3자유도를 구현하여 다양한 작업에 활용하고 있다.



양팔을 이용하여 작업할 경우 손목의 관절 작동 범위도 매우 중요하다. 사람의 경우 성인 남자의 평균은 Roll –90~99도이고, Pitch는 –90~99도이며, Yaw는 –27~47도이다. 관절 배치에 있어 단순히 거리에 대한 작업 영역을 넓히는 것이 아니라 양팔이 마주잡고 작업하거나 비정형 환경에서 복잡한 작업을 수행하기 위해서는 방향제어에 대한 작업영역을 확보하는 것도 매우 중요하며, 이는 손목관절 구성에 의존적이다. 직관적 조작을 위해 사람의 손목관절의 동작범위를 고려하여 마지막 3관절의 작동 각을 설정하였으며, 각 관절의 회전 중심축의 거리를 최소화하며, 유압 액추에이터의 기구적 특성을 고려하여 설계하였다. 또한 어깨 관절부터 Yaw-Pitch-Roll-Pitch-Pitch-Yaw-Roll로 2개의 작업기를 대칭구조를 채택하였다. 작업영역과 각 관절의 특성은 Table 2에 나타내었다





재난대응로봇이 비정형 환경에서 복잡한 작업을 수행하기 위하여 두 팔이 협력하며 작업할 수 있는 작업공간을 최대로 확보하는 측면에서 로봇 팔의 기구적 배치를 고려할 필요가 있다. 특히 유압 액추에이터를 사용해 로봇 팔을 구성 할 경우 관절의 가동범위가 상대적으로 제한되므로 (일반적으로 90°~110° 내외) 양 팔의 관절 배치에 관한 설계 변수 선정과 구조는 양팔 작업기의 작업 성능에 큰 영향 미친다. 양팔의 기본 구조를 결정하기 위하여 양 팔의 첫 번째 관절 사이의 거리 d와 첫 번째 관절의 초기 각도 (관절 가동 범위의 중심에 위치한 각도) θ, 두 가지의 설계 변수를 선정하여 최적화하였다.

기존의 인간형 로봇에서 양 팔의 최적 배치를 위한 평가 함수로써 Begheri가 제안한
PTCWA (Product of Total and Common Workspace Area)는 두 팔의 총 작업영역의 부피와 공통 작업영역 (각 팔의 작업영역이 겹치는 공간) 의 부피의 곱으로 표현되는 지수로써 양팔로봇에서 한팔 작업 및 양팔 작업의 성능을 동시에 만족시키기 위해 고안되었다.



Fig. 2의 (a)와 (b)는 양팔로봇의 총 작업영역 및 공통 작업영역의 예시를 보여주고 있다. 본 연구에서는 d와 θ 두 가지 설계 변수에 대하여 PTCWA를 최대화하는 값을 찾고 이를 설계에 반영하도록 하였다. Fig.2의 (c)는 1m≤d≤4m 및 –10°≤θ≤10° 구간에서 PTCWA의 분포를 보여준다.

본 연구에서는 Monte-Carlo 방법에 기반한 작업 영역 분석 기법을 이용하여 총 작업영역 및 공통 작업영역의 부피를 얻었다. Fig.2의 (c)에 의하면, PTCWA는 d=1m, θ=7°에서 10006으로 최대값을 나타냈다. 하지만 이 경우 d가 전체 팔 길이에 비해 과다하게 짧으므로 양 팔 사이의 기구적 간섭 및 무게중심의 안정성 문제가 발생할 수 있으므로, 이를 고려하여, d=2.4m, θ=5° 로 설계 값을 결정하였다.

이 경우 PTCWA는 9071로써 최적 값에 비해 90.7%로, 전체적인 작업 성능을 유지하면서 기구적 간섭 및 안정성 문제를 피해갈 수 있을 것으로 판단된다. Fig.2의 (d)는 설계과정을 거쳐 제시된 재난대응 로봇의 양팔작업기 관절 구성을 나타낸다.



본 연구에서 제작한 시제품의 양팔 작업기 관절에는 굴착기에 사용되는 유압 실린더인 복동 피스톤형을 주로 사용하는데, 관절의 작동 각도에 따른 관절 메커니즘 설계가 필요하며, 인장력과 압축력의 차이로 인한 중력 방향을 고려하여 액추에이터를 배치해야 한다.



Yaw축 방향의 1번 조인트에서는 양팔의 작업 성능, 양팔 사이의 기구적 간섭을 고려하여 실린더 배치를 배치하는 것이 중요하다. 이전 연구에서 양팔 사이의 거리를 2.4m, 각도를 3 옵셋을 주어 배치하는 것이 작업 성능을 유지하면서 기구적 간섭 및 무게중심의 안정성 문제를 피해갈 수 있다는 결과를 얻었다. 따라서 표2의 관절 작동 범위와 초기 각도를 기준으로 배치하였고, 실린더 위치를 메인 프레임 내측으로 장착하여 프레임 선단부가 단순한 형상을 가지도록 하였다.

양팔 작업기 1~4번 관절 및 스윙조인트의 제어 밸브인 Danfoss社의 PVG 밸브 9열을 장착할 수 있는 공간을 확보하였다. 전체 작업기의 정확한 동작, 강성 유지 및 회전 저항의 최소화를 위한 요소 설계를 하였다.

Pitch 축 방향의 2,4,5번 조인트는 중력방향에 해당하는 관절로 액추에이터 배치가 작업 성능과 작업 범위를 고려하여 이루어져있으며, 특히 5번 관절은 들어 올리는 작업을 위한 구조로 액추에이터를 배치하고 넓은 작업 범위를 가지도록 4-bar 구조의 관절 메커니즘을 적용하여 140도를 가지도록 설계하였다. 또한 각 관절에 연결되어 있는 링크는 박스형 용접 구조물로 설계사양을 만족하도록 구조 해석을 진행하였다. 3번과 7번 관절은 Roll 방향 회전으로 유압모터와 웜기어를 이용한 관절로서 각각 4.2kNm, 1.0kNm 토크를 생성한다. 이는 넓은 작동 범위와 컴팩트한 설계 공간을 위하여 채택하였다.

6번 관절은 Yaw축 방향 회전으로 동일한 크기의 두 개의 실린더에 의해 관절 토크를 생성하며 좌, 우 방향으로 각각 45도의 회전각도를 가진다. 4번 링크에는 5~7번 조인트와 어태치먼트의 제어 밸브인 Moog 사의 G761 서보 밸브 매니폴드가 장착되도록 설계하였다. 이는 손목관절의 제어 응답성을 높이기 위해 최대한 구동 액추에이터 가까이 배치하기 위함이다.

모든 조인트에는 회전각도 센싱을 위한 비접촉식 센서인 Penny&Giles사의 NRH300DP가 장착된다. 이를 위한 마운트 장치를 설계하였다. 또한 모든 유압 실린더에 작동유 공급을 위한 유압 호스 및 어댑터들을 고려하여 설계하였다.



우리는 과제기간 내에 목표를 달성하기 위해 기존의 유압실린더와 관절구조를 이용할 수밖에 없었다. 이러한 구조는 재난대응현장의 복잡하고 다양한 작업을 수행하기에는 관절의 동작범위가 제한적이고, 특히 힘 제어를 통한 고난도 조작제어를 구현하기 어렵다.





붕괴사고에 대응하기 위한 로봇은 자립형으로 중량물을 핸들링해야 되므로 주로 유압 액추에이터를 사용한다. 이는 유압이 출력대비 부피나 무게대비 출력이 높아 큰 힘을 내면서도 모바일 자립형 시스템으로 구성하는데 있어 무게와 부피를 최소화할 수 있기 때문이다. 1ton을 들어 올리는 굴착기와 로봇팔의 부피와 무게를 비교하면 바로 확인이 된다. 그러나 유압의 이러한 장점에도 불구하고 유압 실린더를 사용하여 관절을 구성할 경우, 작동각도의 한계와 유격 등으로 제어성이 떨어진다.

그렇다고 유압모터와 웜기어를 사용하는 방식은 응답성이 느리고, 부피가 커지고 무거워지며, 토크센서 없이는 힘제어 성능을 보장하기 어렵다. 특히, 직관적 조작에서 손목관절의 작동각도는 조작성능과 작업효율을 결정하는 중요한 요인으로 기존 관절 구성으로는 사람과 유사한 동작범위를 갖기 어려워 별도의 관절을 추가하거나 다른 관절을 이용하여 복잡한 제어 알고리즘을 구현해야 된다.



우리는 유압을 사용하여 출력대비 무게와 부피를 줄이면서도 충분한 작동각도를 가질 수 있는 관절구조를 지속적으로 개발하고 있다. 또한 정교한 작업을 위해 필수적인 힘제어를 위한 유압실린더 설계와 제어알고리즘을 연구하고 있다.

향후 폭발적 수요가 예상되는 재난대응로봇의 작업성과 효용성을 극대화하기 위해서는 로봇의 부품기술, 설계기술, 제어기술 개발을 위한 지속적인 노력과 지원이 필요하다.




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