신기술동향 - 인간중심 소프트 로봇기술 연구센터

[chahlley18]

신기술동향

서울공대지 2018 Spring No. 108

인간중심 소프트 로봇기술 연구센터

(Soft Robotics Research Center)

조규진 센터장, 기계항공공학부 교수

소프트 로보틱스 (soft robotics) 또는 유연 소재 로봇 (soft material robot)은 과거에는 잘 사용되지 않던 유연한 소재를 적극적으로 활용하여 금속으로 이루어진 전통적 강체 기반 로봇의 한계를 극복하고자 하는 새로운 로봇 설계 패러다임이다. 과거 공장에서만 사용되던 로봇과 달리 최근 로봇은 점차 인간 속으로 들어오고 있다. 예를 들어 점차 고령화되는 사회추세에 따라 노인 돌봄 로봇 및 간호 로봇에 관한 연구는 이미 실용화 단계에 접어들고 있고 인공지능 기술의 발전과 더불어 페퍼와 같은 가정용 서비스 로봇도 많이 개발되고 있다. 이들 로봇은 독립적으로 활동하던 기존 로봇과 달리 인간의 생활과 밀접하게 연관되어 서로 상호작용하는 것을 특징으로 한다. 이런 동향 속에서 다양한 환경에서의 높은 적응성 및 안전한 상호작용 특성을 가진 소프트 로봇에 대한 관심과 필요성이 증가하고 있다.

이러한 추세에서 군내에서는 2016년 국가 주도 대형 사업 중 하나인 이공학분야 선도연구센터 (ERC) 지원 사업 주제로 소프트 로봇 기술이 선정되면서 서울대 공대에 세계적인 규모의 소프트 로보틱스 연구센터인 인간중심 소프트 로봇기술 연구센터 (Soft Robotics Research Center, SRRC)를 개소하게 되었다. 인간중심 소프트 로봇기술 연구센터는 더욱 진보된 인간-로봇의 협응을 목표로 소프트 웨어러블 로봇을 중심으로 소프트 로보틱스의 주요 요소기술에 관한 다각적 연구를 수행하고 있다. 또한, 현재 국내 소프트 로봇 분야는 요소기술 위주의 연구가 진행 중이나, 소프트 로봇은 기존 강체 기반 로봇과 달리 구동부, 센싱부 등의 요소들이 명확히 구분되지 않고 융합적으로 구현되는 특성을 가지기 때문에 시스템 차원으로 접근하는 방향의 연구가 필수적이다. 따라서 국제적으로 소프트 로봇 연구를 선도하기 위해 설계, 생산, 구동, 센싱, 제어 분야를 융합하여 하나의 시스템으로 완성하는 것을 목표로 총 20명의 교수진을 포함한 110명 이상의 연구진이 총 연구비 규모 125억 원, 연간 20여 억 원의 재원을 바탕으로 연구를 진행 중이다. 이러한 연구를 통해서 인간중심 소프트 로봇기술 연구센터는 인체 모든 부위에 적용 가능한 소프트 웨어러블 로봇의 원천 기술을 개발하고자 하며, 헬스케어, 아웃도어, 산업용, 가상/증강 현실 등 다양한 분야로의 확장을 통해 국가 산업 경쟁력의 밑거름이 될 것으로 예상하며 여러 참여기업들과 함께 개발된 소프트 로보틱스 기술과 웨어러블 로봇 기술의 활용 방안을 함께 모색하고 있다.

그림 1. 인간중심 소프트 로봇기술 연구센터 (SRRC) 구성도

소프트 로보틱스 연구 동향

1960년대 최초의 산업용 로봇의 등장 이후 로봇은 주로 산업 현장에서 생산성 향상을 위해 사용됐다. 이후 1980년대를 거치며 성숙해진 로봇기술을 바탕으로 산업 현장 이외 공간에서 로봇을 활용하고자 하는 시도들이 진행되었다. 이러한 공장 밖 로봇을 우리는 서비스 로봇이라 부르며, 공장과 다르게 비정형화된 환경에서 다양한 사물 및 환경과 상호작용 한다는 특징을 가진다. 하지만 초기의 서비스 로봇은 기존 산업용 로봇에 사용되던 강체 기반 로봇기술을 통해 제작되며 여러 한계점을 보였다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 초기에는 자동차의 차동 장치 구조를 활용한 가변 강성 구동기 (variable stiffness actuators), 직렬 탄성 구동기(series elastic actuator), 임피던스 제어기법 (Impedance control), 다관절 유연체 로봇 (continuum robot)과 같은 강체 기반 로봇에 유연함을 부여하기 위한 기술이 연구되었다. 하지만 이러한 기술들도 근본적으로는 강체 기반 요소를 사용하며 많은 한계점을 내포하고 있었다.

이후 로봇 연구자들은 강체 기반 로봇에서 탈피해 생명체의 유연함을 모사하기 시작하였다. 생명체는 근육, 지방질, 연골과 같이 부드럽고 유연한 부분과 뼈, 갑각류의 껍질과 같이 상대적으로 단단한 부분이 복합적으로 구성되어 있으며 이는 금속과 같은 강체만으로 구성된 기존 로봇에서는 볼 수 없었던 구조이다. 이러한 복합 소재/구조를 활용해 생명체는 복잡한 환경 속에서 다양한 사물과 상호작용이 가능하며 강체 기반 로봇이 하기 힘든 다양한 작업을 수행할 수 있다. 이러한 주변 환경에 대한 적응 능력 (adaptiveness) 및 소재의 유연함에서 기인하는 주변 사물과 상호작용 시의 안정성(safety)을 로봇에 부여하기 위해 금속 기반의 단단한 소재들뿐만 아니라 부드럽고 유연한 연성 소재들을 적극적으로 활용하면서 소프트 로보틱스가 시작되었다.

그림 2. 소프트 로봇의 소재 특성

소프트 로봇 기술의 시작은 넓은 의미에서 보면 1950년대에 시작된 인체를 모사한 공압 구동 인공근육 (McKibben muscle)과 1980년대에 시작된 폴리머 기반의 전기소자 및 유연 전극 기술이라 할 수 있다. 하지만 현재와 같은 유연 소재 기반의 소프트 로봇 연구의 시발점은 1990년을 전후로 일본 도시바 사와 요코하마 대학의 연구원들이 개발한 유연 마이크로 구동기 (flexible microactuator)라 볼 수 있다. 이런 소프트 로봇 기술은 2010년을 기점으로 미국과 유럽의 국가 주도 대형 프로젝트를 통해 세계적인 관심을 받게 되었다. 미국에서는 DARPA 주도의 Chembot 프로젝트(2009년-2013년)를 통해 MIT와 하버드를 주축으로 연구 개발이 시작되었으며, 유럽에서는 문어의 움직임을 모사한 유연 로봇 팔 및 문어 로봇 개발을 목표한 OCTOPUS IP 프로젝트(2009년-2013년) 및 수술용 소프트 매니퓰레이터 개발을 목표한 STIFF-FLOP 프로젝트(2012년-2015년)를 통해 이탈리아 SSSA (Sant'Anna School of Advanced Studies), Italian Institute of Technology (IIT) 등을 필두로 연구 개발이 진행되었다. 본 프로젝트들의 연구 성과들이 세계적으로 주목을 받으며 세계 각지에서 소프트 로봇에 관한 연구가 폭발적으로 유발되었다.

현재 소프트 로봇 기술은 특유의 환경 적응성과 상호 작용시의 안정성을 바탕으로 기존 강체 기반 로봇이 수행하기 힘들었던 많은 분야에서 그 활용성이 연구되고 있다. 대표적인 연구 분야로 간단한 제어만으로 험지 극복이 가능한 탐사 로봇, 강성이 낮은 연약한 물체를 다룰 수 있는 산업용 그리퍼, 유연 소재의 안전성을 바탕으로 인체 내부에 들어가 수술을 하는 수술용 매니퓰레이터, 그리고 사람이 착용하는 웨어러블 로봇에 관한 연구가 있다.

그림 3. 소프트 로봇 기술의 대표 적용분야

학술적으로도 소프트 로봇 분야는 2010년 활발한 연구가 시작된 이후로 폭발적인 성장을 이룩해왔다. 2012년에는 IEEE Robotics & Automation Society 내에 Soft Robotics Technical Committee가 결성되었으며, 2013년에는 RoboSoft CA이 결성되어 세계 각지의 연구자들이 모일 발판을 마련하였다. 이후 소프트 로봇 분야 논문 출판 수는 2016년 284편에서 2017년 407편으로 한 해 만에 무려 145% 상승하였다. 2018년 1월까지 SCI 논문 중 소프트 로봇 관련 논문은 총 1680편이며, 새로이 창간된 Soft Robotics Journal은 2015년 처음으로 SCIE에 Impact factor 6.13으로 등재되어 2016년에는 Impact factor 8.649로 소프트 로봇 분야의 발전을 보여주는 저널이 되었다. 로보틱스 분야의 주요 학회라 할 수 있는 ICRA (IEEE International Conference on Robotics and Automation)와 IROS (IEEE/RSJ International conference on Intelligent Robots and Systems)에서는 2013년부터 소프트 로보틱스 관련 세션이 열렸으며 2017년을 기점으로 IROS의 경우 전년도 대비 5배의 세션이 열리는 등 두 학회 모두에서 소프트 로보틱스 관련 세션이 폭발적으로 증가하며 이 분야의 성장을 확인할 수 있다.

인간중심 소프트 로봇기술 연구센터 (SRRC)

소프트 웨어러블 로봇은 소프트 로봇 기술의 대표 활용 분야로 미국에서는 2012년부터 Warrior Web 프로젝트를 통해 근력증강을 위한 소프트 웨어러블 로봇을 개발하고 있고 유럽에서는 2016년부터 XoSoft 프로젝트를 통해 노약자 보행 보조용 소프트 웨어러블 로봇을 개발하고 있다. 국내에서도 2016년부터 인간중심 소프트 로봇 기술 연구센터를 통해 소프트 웨어러블 로봇기술 선도에 박차를 가하고 있다.

현재 소프트 웨어러블 로봇기술은 아직 태동단계로 해결해야 할 여러 기술적 장벽이 있다. 인간중심 소프트 로봇기술 연구센터에서는 소프트 웨어러블 로봇의 주요 원천 기술을 Muscle, Skin, Brain 세 개 연구단으로 나누어 연구를 수행하고 있다.

그림 4. 소프트 웨어러블 로봇 연구 동향

SRRC 1그룹: “Muscle” 연구단

Muscle 연구단에서는 현재 소프트 로봇기술의 한계 극복을 위한 구조 설계 및 생산 기술을 연구한다. 소프트 로봇의 강점은 연성 소재의 높은 자유도를 통한 구조 단순화와 소재의 체화지능에 의한 적응적 상호작용이다. 하지만 유연 소재의 특성을 제대로 이해하지 않으면 원하는 기능을 구현하기 어려운 한계가 있다. 특히 일반적인 로봇들은 구동/구조/센서/제어 등 개별요소를 조립하는 형태지만, 소프트 로봇은 생명체처럼 각 구성 요소들이 유기적으로 연결된 상태로 존재하기 때문에 소프트 로봇은 이러한 특성을 이해하며 로봇을 설계해야 한다. Muscle 연구단에서는 네 가지 이슈 연구를 통해 이러한 한계를 극복하고자 한다.

첫 번째는 인간-로봇 협응력 향상을 위한 생체역학 연구이다. 비교적 제한된 구동 특성을 가지는 소프트 로봇이 인체의 움직임을 제대로 보조하기 위해서는 인간 근골격계 및 운동원리의 생체역학적 이해를 바탕으로 한 구조/설계 최적화가 필수적이다. 이를 위하여 웨어러블 로봇과 착용자의 신체 상호작용까지 고려한 해석 모델을 개발하고 둘 사이 시너지를 정량화하여 웨어러블 로봇 구조에 따른 효과를 정량적으로 평가하고 이를 통해 최적 구조를 도출하는 연구를 수행하고 있다.

두 번째는 효율적 힘 전달을 위한 동력전달 메커니즘 설계 연구이다. 소프트 웨어러블 로봇 동력전달의 핵심 기술은 가변강성 구조와 anchoring 기술이다. 소프트 웨어러블 로봇에서 착용성과 구동 성능을 모두 충족시키기 위해서는 근육과 같이 힘이 필요한 순간에만 단단해지는 가변강성 구조가 필요하고 이를 위해 소재 압착 및 텐던을 통한 구조 변형을 이용하는 소프트 로봇에 활용 가능한 가변강성 구조를 개발하고 있다. 또한 인체는 부위 마다 강성 및 민감도가 달라서 설계 시 근육의 배치뿐만 아니라 신경이나 관절의 위치까지 면밀히 고려하여야 한다. 따라서 웨어러블 로봇의 효율적 구종을 위해서 최적 anchoring 압력 배분 기술을 연구하고 있다.

세 번째는 의복형 소프트 웨어러블 로봇 설계/생산 기술 연구이다. 웨어러블 로봇의 착용성/편의성 증대를 위하여 웨어러블 로봇 설계에 기 개발된 의복 모듈화 시뮬레이터 기술을 접목하여 웨어러블 로봇과 의복을 통합하는 연구를 수행하고 있다. 또한 유연 소재와 강체 소재의 융합, 비등방성 복합재 활용 및 패턴 생산 공정 개발을 통해 현 소프트 로봇의 소재 특성 한계를 극복하기 위한 연구를 수행하고 있다.

마지막은 소프트 구조 해석 기술 및 최적 설계 방법론 개발 연구이다. 소프트 로봇의 패턴 설계를 위하여 3차원 패턴 변형 영향을 독립된 1차원 자유도의 합으로 치환하여 단순한 1차원 analytical model을 통해 해석하는 방법론을 개발하고 있고 이를 바탕으로 주어진 설계 조건 내에서 인체 착용부 자동화 설계를 위한 원천기술을 연구하고 있다.

그림 5. 인간중심 소프트 로봇 센터 1그룹 “Muscle” 연구단

SRRC 2그룹: “Skin” 연구단

Skin 연구단에서는 소프트 센서 기술을 연구한다. 소프트 로봇은 소재의 특성으로 인해 수십%에서 수백%에 이르는 변형이 일어나며 이러한 구조의 상태를 정확히 파악하기 위해서는 단순히 구조 표면에 센서를 붙이는 것으로는 한계가 있고 많은 경우 센서 그 자체도 소프트할 것을 필요로 한다. 또한 착용부 신체와 소프트 로봇 유연체의 강성 차이로 인해 센서의 부착 위치가 틀어져 센서의 신뢰도가 저하되는 문제가 발생한다. 따라서 Skin 연구단에서는 대변형이 가능하며 소프트 로봇 구조와 완전히 일체화될 수 있는 센서를 목표로 다음과 같은 연구들을 수행하고 있다.

첫 번째로는 고인장률의 단일 소프트 센서 개발 연구이다. 현재 단일 소프트 센서는 어느 정도 개발이 되어 있지만 현재의 소프트 센서는 허용 인장률이 20~30%에 불과하여 소프트 웨어러블 로봇에 필요한 요구사항을 충족하지 못한다. 따라서 300%이상 인장률을

목표로 인체의 대변형을 완전히 추종할 수 있는 센서를 개발하고 있다.

두 번째로는 구조-센서 융합 기술 및 처리기술 개발로 착용할 때마다 센서 위치가 어긋나는 문제를 해결하기 위하여 웨어러블 센서 어레이를 개발하고 생체역학 및 로봇모델링 기법을 통해 센서 어레이의 최적 위치를 찾는 연구를 수행한다. 이와 동시에 센서 어레이의 소자-전극 사이 안정적 결합을 위한 additive 공정을 개발하고 있다.

세 번째는 다중센서 융합 기반 상태추정 기법 개발 연구로 다중센서를 포함한 센서 어레이의 안정적 신호처리 기법을 연구하고 이를 통한 대변형 소프트 로봇의 거동 예측 모델을 개발한다.

마지막으로 소프트 센서의 신뢰성 검증 표준 정립 연구이다. 현재 소프트 센서는 신뢰성의 표준조차 존재하지 않는 실정이다. 센서의 신뢰성은 frequency response, linearity, hysteresis, resolution과 같은 여러 요소가 복합적으로 작용하기 때문에 단순히 한가지 측면으로 신뢰성을 정의하기는 어렵다. 본 연구에서는 소프트 센서의 신뢰성 지표를 연구하여 신뢰성 높은 소프트센서 개발의 기반을 구축하고 있다.

그림 6. 인간중심 소프트 로봇 센터 2그룹 “Skin” 연구단

SRRC 3그룹: “Brain” 연구단

Brain 연구단에서는 소프트 웨어러블 로봇의 기능성 향상을 위한 사용자 의도 파악 기술과 유연 소재 로봇의 동작 제어 및 시뮬레이션 기술을 연구한다. 소프트 웨어러블 로봇이 제대로 기능하기 위해서는 사용자 의도에 맞추어 알맞은 힘으로 구동되어야 하며 상황에 따라 적절한 강성변화가 이뤄져야 한다. 하지만 유연 소재가 가진 비선형적 특성과 이력 현상 (hysteresis) 및 무한한 자유도와 대변형 특성은 소프트 로봇에 기존 강체 기반 제어기법을 활용하기 어렵게 만든다. 기존 제어기법들은 시스템의 모델을 기반으로 제어를 하지만 현재 유연 소재에 대해서는 정확한 모델이 존재하지 않고 유한요소법을 활용한 시뮬레이션 기법은 해석에 긴 시간이 걸려 제어에 활용할 수가 없다. 이를 해결하기 위하여 Brain 연구단에서는 머신러닝 기법을 활용하여 사용자의 의도 예측 및 소프트 로봇의 움직임을 제어하며 목표 작업에 맞춰 형상을 최적화하는 연

구를 수행하고 있다.

구체적으로 Brain 연구단은 소프트 로봇 제어를 위한 4가지 이슈에 관한 연구를 하고 있다.

첫 번째는 착용자 의도 및 작업 상황 파악 알고리즘 개발로 힘·인장·압력 소프트 센서 및 영상·관성센서, 근전도센서 등 멀티모달 센서데이터와 머신러닝 기술을 통해 연속된 행동 궤적을 의미 있는 단위행동으로 분류하여 소프트 웨어러블 로봇이 사용자의 상황에 빠르게 대응할 수 있는 알고리즘을 개발한다. 또한, 이 과정에서 동작 예측을 위한 필요 최소 센서 구성 방법을 도출한다.

두 번째는 소프트 로봇의 최적 제어 연구로 사용자의 상황에 대응하여 적합한 상태로 인체를 보조하기 위한 최적 제어 입력 생성 알고리즘을 개발한다. 이를 위해 제어입력에 따른 비선형적 상태변화를 모델링하기 위한 신경망 모델을 개발하고 최적 강성 제어 기술을 연구하고 있다.

세 번째는 웨어러블 로봇과 착용자의 상호작용 협업제어 연구이다. 단순한 동작 추종/보조를 넘어 사용자에게 최적화된 행동패턴을 유도해주기 위한 연구로 인간의 초기 동작 값을 로봇에 학습시킨 후, 이를 바탕으로 다시 로봇이 인간에게 최적화된 동작을 피드백 하는 Human Re-learning 방법을 연구한다.

마지막은 소프트 로봇 시뮬레이션 환경 구축 연구로 현재 유연 소재 시뮬레이션에 주로 사용되는 유한요소법의 한계를 극복하기 위한 효율적인 동역학 해석 방법론 및 소프트 웨어러블 로봇을 착용한 인체 움직임을 동역학적으로 해석할 수 있는 시뮬레이터를 개발하고 있다.

그림 7. 인간중심 소프트 로봇 센터 3그룹 “Brain” 연구단

맺음말

강체 기반 전통적 로봇 기술의 한계를 극복하기 위해 유연 소재를 활용한 새로운 로봇 메커니즘 설계로 시작된 소프트 로보틱스 기술은 현재 가능성 검증 단계를 넘어 유연소재 설계 최적화를 통한 성능 향상 및 유연 센서 융합을 통해 기능성을 향상시키는 연구 단계로 넘어가고 있다. 태동기를 지나 급속도로 성장 중인 소프트 로보틱스 분야의 세계적인 흐름 속에서 소프트 로보틱스 기술이 가지고 있는 잠재력과 유용성에 대한 깊은 고찰 및 정부, 산업체, 학계의 지속적인 관심과 체계적인 협력을 바탕으로 세계를 선도할 수 있는 소프트 로봇기술 확보가 필요한 시점이다.