로봇이 저글링을 한다!?

고속 매니퓰레이션 연구

<편집자 주>

산업용 로봇 매니퓰레이터에서는 비교적 간단한 반복 동작은 고속화되어 있는 반면 인간이 움직이는 것과 같이 복잡하고 교묘함을 요구하는 작업을 고속으로 실행한다는 것은 아직도 어려운 문제로 남아 있다. 고속 매니퓰레이션은 교묘한 작업을 고속으로 실현하는데 필요한 요소의 돌파구를 찾아 인간 이상의 고속성을 실현하고자 한다.

한국과학기술정보연구원 마규하 전문연구위원

1. 고속 매니퓰레이션에 필요한 속도

1) 감각계와 처리계의 고속화

일반적으로 매니퓰레이션 시스템의 구성은 감각계, 처리계, 동작계의 3요소로 되어 있다. 감각계와 처리계는 로봇의 반응속도에 관계되고 운동계는 운동속도에 관계된다. 로봇의 반응속도는 어느 정도일까?

사람의 시각 인식은 30Hz, 약 33ms이다. 시각 자극으로 팔이 반응하기까지 시간은 이보다 더 길다. 단순한 광 자격에서 150∼225ms정도이며, 촉각 및 역각은 100∼200ms 정도이다.

통상의 매니퓰레이터 피드백제어를 하는 경우 1kHz(1ms) 이상의 제어비율에서 안정되는 것으로 알고 있기 때문에 관절센서나 힘 센서의 샘플링은 1kHz에서 실행한다. 시각의 경우 보통 카메라는 30Hz이지만, 1kHz 이상 비율의 고속비전을 사용할 수 있다.

? 고속 비전

고속 비전은 화상 취득에서 처리까지를 실시간에 실행하는 화상측정량을 출력하는 시각장치이다. 고속 비전을 이용하면 로봇 입장에서는 주변 환경이 정지한 것처럼 느낀다. 한편 인식의 고속화로 상대적으로 처리시간에 여유가 생겨 이 시간을 활용함으로써 인식 및 판단에 있어 용장성을 높일 수 있다. 고속 비전은 속도성능에 비중을 두지만 매니퓰레이션 분야에서는 화질도 중요한 조건이다.

? 촉각 센서

촉각센서를 고속작업에 대응시키기 위해서는 고응답성과 배선화를 생략할 필요가 있다. 특히 배선 문제는 중요하다. 다수의 배선 케이블에 의해 동작이 제한될 뿐만 아니라 케이블 단선으로 고장을 일으킬 가능성이 있다.

2) 운동계의 고속화

운동계는 응답성과 운동속도가 중요하다. 응답성은 기구의 경량화와 액추에이터의 고출력화에 의해 가속도를 올리면 된다. 통상의 전자모터로 충분한 전력을 내려면, 고비율의 감속기가 필요하고 운동속도에서는 역으로 운동비를 낮춰 관절각의 최대속도를 높이는 것이 좋다.

? 고속 암

통상의 산업용 암에는 가반중량을 높이기 위해 운동속도를 비교적 낮게 설정하지만 연구용은 고속운동이 가능한 암을 개발하고 있다. 고속 암에서는 지속적인 보지력(保持力)보다 순간 최대 토크를 중시해 각축 1:50의 저감속비로 하고, 외부에 전류용량이 큰 드라이버를 설치한다.

? 고속 핸드

적절한 시간에 대 전류를 흐르게 해서 고출력과 경량성을 도모하고 각 손가락은 0.1초에 펼 수 있을 정도로 고속성을 실현하고 있다. 각 관절은 소형의 하모닉 드라이브 감속기를 사용한 액추에이터 모듈로 되어 있으며 조립을 바꾸면 여러 형태의 고속 핸드가 개발될 수 있다.

2. 다이내믹 매니퓰레이션

1) 다이내믹 매니퓰레이션의 연구사례

다이내믹 매니퓰레이션은 대상에 가속도를 가해서 조종하는 수법이다. 여기에 관한 연구는 볼을 이용한 캐칭, 저글링에 대한 과업이 많이 실행되고 있다. ▲말단에 평면이나 컵을 사용하는 비파지형 ▲로봇 핸드를 사용한 파지형 ▲인간 움직임 모방 및 학습을 목적으로 연구했다.

? 비파지 형

이 타입은 충돌의 모델화가 쉽고 제어계 설계나 이론 해석의 과제로 이용하는 경우가 많다. 예를 들면 1자유도 매니퓰레이터를 사용해 다면체 등을 던져 올리고 받는 캐치 제어, 2자유도 매니퓰레이터를 이용해 타원궤도를 그리는 저글링 및 죽방울(중국식 요요) 등이 있으며 이외에도 6종이 더 있다.

? 파지형

이 타입은 다지(多指)핸드와 암의 협조 제어, 조종 제어가 중요한 과제가 된다. 일반적으로 복잡한 시스템인 경우가 많으며 개발이 곤란한 경우가 많다. 스테레오 비전과 고속 매니퓰레이터를 이용한 볼, 종이비행기의 캐치 외에 다른 6종이 더 있다.

? 모방, 학습

주로 사람의 행동에 대한 모방, 학습을 목적으로 한 연구도 하고 있다. 사람의 동작을 보고 흉내 내어 학습을 하는 죽방울 로봇, 휴머노이드 로봇을 이용하여 인간에 가까운 동작으로 저글링, 캐칭, 강화학습에 의한 죽방울, 테니스의 스윙 동작 등이 있다.

2) 고속 핸드 암에 의한 저글링

다지 핸드를 사용하는 저글링은 캐칭, 스로윙, 글라스핑 등은 복합한 고속성과 약삭빠른 고도의 융합이 필요한 도전 과제이다. 저글링 동작은 던져 올리는 동작, 캐치하는 동작, 캐치하는 동작에서 던져 올리는 자세로 전환하기 위한 리턴 동작의 3단계로 구성된다.

? 운동연쇄에 의한 던지는 동작

정학하게 던져 올리기 위해서는 릴리스 타이밍이 중요하다. 손가락으로부터 볼을 놓아주는 타이밍을 정확하게 하기 위해서는 지환에 CoP센서를 장착해 촉각 피드백에 의해 릴리스의 타이밍을 제어한다.

? 시각정보에 의한 잡는 동작

스테레오 카메라를 이용해 3차원으로 볼의 동작을 계측하고, 카프만필터를 사용해 낙하위치를 예측한다. 예측한 낙하위치를 최단 조건으로 해서 목표관절궤도를 산출하고 고속 비전특성을 이용, 1ms마다의 화상 데이터 계수를 갱신해 응답성 높은 캐칭을 할 수 있다.

? 리턴 동작과 다시 잡는 동작

리턴 동작은 캐치 동작에서 던져 올리는 동작으로 이행하기 위한 동작이다. 볼을 집어 던져 올리기 시작하는 개시 위치까지 재빨리 이동한다. 암의 목표관절궤도는 3차 다항식에서 생성한다.

? 볼 저글링

2개의 볼을 6회 저글링에 성공했다. 본 과제의 난제는 시각 피드백에 의한 캐칭의 성공확률과 던져 올리는 동작의 정화성에 따른다. 전자는 고속 비전에 의해 거의 실패할 확률은 없다. 후자는 아직도 불충분해 캐칭 범위 밖으로 던지는 경우가 있다.

3) 고속 에어하키 시스템

고속 매니퓰레이션에서는 비교적 속도비가 낮은 액추에이터를 사용하는 경우가 많다. 최대 출력토크가 작기 때문에 출력토크 한계까지의 토크를 유용하게 활용할 필요가 있다.

3. 대상의 운동을 이용하는 고속 매니퓰레이션

앞선 연구에서는 대상을 고속으로 조작하기 위한 고속화였으나, 역으로 동작의 고속성을 적극적으로 활용함으로써 통상의 조작에서는 실현할 수 없는 조작이 가능할 경우도 있다.

1) 다이내믹 리글러스빙

리글라스빙이란 가지고 있는 물체를 다른 자세에서 바꿔 쥐는 것을 말한다. 통상은 4개 이상의 손가락을 사용하는데 3개의 손가락으로 안정적으로 잡으면서 나머지 한 손가락의 접촉위치를 변경하는 프로세스를 사용해 반복해서 실행한다.

2) 유연물의 동적 조정

끈이나 직물, 종이 유연물을 현상의 로봇으로 조작하는 것은 어렵다. 이것은 유연물체가 초자유도구조를 갖고 있는데 반해 자유도가 낮은 매니플래이터로 조작하지 않으면 안 되기 때문이다. 이에 고속성을 활용해 동적 조작 방법을 제안하고 있다.

4. 결론

로봇 매니퓰레이션의 고속화는 단지 도전적 과제라고 말하는 것만은 아니다. 고속화는 실용적 응용에서도 중요한 과제이다. 또한 고속화를 실현하면서 필요한 요소기술은 로봇의 고성능화를 위한 돌파구가 된다.

*본 원고는 지면상의 이유로 재편집되었으며, 원문 열람 희망 시 이메일(makyuha@chol.com)로 문의주시기 바랍니다.

--출처------

?木 明夫 ‘高速マニピレ-ション’, 日本ロボット學會誌, 31(4), 2013, pp.358∼362