UNIST 공동 연구팀, 소프트 로봇의 단단한 부품 교체하는 이중 기능성 부품 개발 

만능 집게·착용형 보조 로봇으로 응용 가능성 보여… Nat. Commun. 게재 

왼쪽 원형 위 김지윤 교수, 원형 아래 배준범 교수, 제1 저자 김준수 연구원, 제 1저자 최준규 연구원

감자 칩도 부스러지지 않게 집는 만능 집게, 근육의 부담을 줄여주는 착용형 팔꿈치 수트 등을 만들 수 있는 로봇 부품 기술이 개발됐다.

UNIST 신소재공학과 김지윤 교수팀과 기계공학과 배준범 교수팀은 부드럽고 유연한 소프트 로봇의 장점을 극대화 할 수 있는 '소프트 밸브'기술을 개발했다.튜브 속 흐르는 공기로 구동부를 움직이는 이 소프트 밸브는 외부 자극을 감지해 전기 없이 구동부 움직임을 정밀하게 조종하며 전기 없이 움직일 수 있어 수중이나 스파크가 튀는 환경에서 안전하게 사용 가능하다.

연구팀은 이 소프트 밸브를 활용해 다양한 물건을 손쉽게 집을 수 있는 만능 집게와 팔 근육 부담을 효과적으로 줄일 수 있는 착용형 팔꿈치 보조 로봇을 만들었다. 튜브 형태의 이 부품은 외부 자극을 감지해 전기 없이 구동부 움직임을 정밀하게 조종하는 이중 기능 부품이다. 전기 없이 움직일 수 있어 수중이나 스파크가 튀는 환경에서 안전하게 쓸 수 있으며, 이중 기능 부품으로 로봇의 경량화가 가능하다. 가격도 부품 한 개당 800원 정도로 저렴하다.

소프트 밸브의 구조

소프트 밸브를 활용한 탄성 중합체 구동기 제어

김지윤 교수는 “부드럽고 유연한 소프트 로봇 본체와 달리 자극 감지 센서나 구동 제어 부품은 여전히 딱딱한 전자 부품인 경우가 많았는데, 이번 연구로 센서와 구동 제어 부품도 부드럽고 유연한 소재로 만들어 냈다”라고 설명했다.

연구팀은 이 소프트 밸브를 활용해 다양한 물건을 손쉽게 집을 수 있는 만능 집게를 만들었다. 이 집게는 단단한 로봇 손으로는 쉽게 부스러지는 감자 칩부터, 무겁고 부피가 큰 나무토막까지 잘 집어냈다. 스파크가 튀는 환경이나 물속에서도 잘 작동했다.

또 이 부품으로 착용형 팔꿈치 보조 로봇을 만들어 팔 근육 부담을 효과적으로 줄였다. 사람의 팔 굽힘 각도에 따라 자동으로 팔꿈치 보조력이 증가하는 형태다. 로봇을 착용했을 때 팔꿈치에 작용하는 힘이 평균 63% 감소하는 것으로 나타났다.

이 소프트 밸브는 튜브 속을 흐르는 공기로 구동부를 움직인다. 튜브 끝단을 당기면 튜브 속에 나선형으로 감겨있는 실이 튜브를 눌러 공기의 유입과 유출을 조절하는 원리다. 튜브 끝단을 잡아당기면 구동부가 마치 아코디언 바람통이 움직이는 모양처럼 늘어났다 줄었다 작동하게 된다.

소프트 밸브 아웃풋 프로그래밍

소프트 밸브를 활용한 예시

또 연구팀은 튜브에 감겨있는 실의 구조나 개수를 정밀하게 프로그래밍해 공기의 유입과 유출을 다양하게 조절할 수 있음을 확인했다. 튜브 끝단에 동일한 힘을 가해도, 실이 감긴 모양과 개수에 따라 구동부를 상황에 알맞게 조절할 수 있는 것이다.

배준범 기계공학과 교수는 “개발한 부품은 전자 소자 없이 소재 프로그래밍을 이용해 간단히 사용할 수 있어 다양한 웨어러블 시스템의 개발에도 크게 기여할 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 세계적 권위의 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 2023년 7월 4일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 한국재료연구원(KIMS), 한국산업기술평가관리원(KEIT)의 지원을 받아서 이뤄졌다. 논문명은 A Soft, Self-Sensing Tensile Valve for Perceptive Soft Robots)이다.

□연구 결과 개요

1. 연구배경

로봇은 인간의 능력을 보완하고, 생산성을 향상시키며, 위험한 작업을 대신 수행하는 등, 현대 사회에서 많은 영향력을 가지고 있다. 종래의 로봇은 대부분 단단한 몸체와 모터 등의 구동장치로 움직이는 방식으로 목표하는 움직임을 가지기 위해 매우 높은 컨트롤 정밀도가 필요하고 사람과의 동시 작업을 수행하는 데 안정성 문제가 있다. 이에 반해 소프트 로봇은 생명체가 부드러운 몸체를 이용하여 주변 환경에 적응하는 것처럼 매우 유연하게 구조화되지 않은 환경에 자신의 몸체를 적응하고 안전한 동작을 가능하게 한다. 특히 그 중 공압으로 팽창 가능한 탄성 중합체 챔버(elastomer chamber)1)를 활용하는 공압 기반 소프트 로봇은 간단한 제조와 작동 방식으로 큰 각광을 받고 있다. 하지만 이러한 공압 기반 소프트 로봇들은 여전히 센싱(sensing)2)과 컨트롤(control)3)에 있어 단단한 솔레노이드 밸브 와 부피가 큰 전자 부품들에 의존해 왔으며, 이는 기존 단단한 로봇이 가지고 있던 실제적인 문제들을 소프트 로봇에도 불러일으켜 소프트 로봇의 잠재적인 응용 분야를 제한시켰다. 대표적으로, 이러한 단단한 전자 부품들에 의존하는 것은 소프트 로봇의 유연성과 휴대성을 제한시키고 로봇의 부피, 무게, 가격 등은 높이는 문제를 발생시켰다. 따라서 이러한 소프트 로봇의 잠재력을 완전히 이용하기 위해서는 센서, 컨트롤러, 밸브 등을 부드럽고 소형화된 형태로 통합하는 것이 필수적이다.

2. 연구내용

본 연구팀은 유연한 재료만을 활용하여 자신의 인장 길이를 스스로 감지하고 그에 비례하게 내부 구조를 변경하여 소프트 로봇을 제어할 수 있는 소프트 밸브를 개발했다. 먼저 소프트 밸브는 지름이 다른 두 개의 연질튜브가 하나의 중심축을 기준으로 안쪽과 바깥쪽으로 배치되어있다. 이 사이에 실이 나선형으로 안쪽 튜브에 감싸져 있으며, 밸브가 인장될 때 나선형 실이 팽팽해지려 하는 성질을 이용하여 안쪽 튜브 내부 구조를 변형시킨다. 이에 따라 바깥쪽 튜브의 내부 구조도 자연스럽게 변형이 된다. 이렇게 소프트 밸브는 인장에 따라 실에 의하여 나선형으로 내부 튜브가 꼬집혀지는 헬리컬 핀칭(helical pinching)4) 메커니즘 도입을 통하여 소프트 로봇의 구동에 활용되는 유체의 유입과 유출을 제어한 것이다.

뿐만 아니라 연구팀은 수학적 분석과 시뮬레이션을 활용하여 튜브구조 변형에 따른 소프트 로봇의 내부압력을 예측했다. 이를 토대로 실의 구조나 개수 등 밸브 디자인을 조절하여 밸브의 인장 민감도 등 다양한 밸브 특성을 구조 자체에 프로그래밍하는 설계 기법을 고안했다. 기존에 센서, 컨트롤러, 밸브 등 여러 전자제품들과 단단한 부품들을 복잡한 전선과 코드로 연결해서 구현해야 했던 것을 지름 5mm의 작고 가벼운 하나의 소프트 밸브로 대체 구현한 것이다.

이러한 밸브를 이용하여 제작된 소프트 로봇들은 가볍고 휴대성이 높아 압축 이산화탄소 용기를 활용하면 실외 환경에서도 복잡한 연결선 없이 작동할 수 있다. 뿐만 아니라 소프트 밸브 제작 하나당 필요한 재료 비용은 800원이 넘지 않아 기존 시스템에 비하여 경제적으로도 매우 우수하고, 전자 기기 사용이 어려운 환경에서도 응용이 가능하다.

연구진은 개발된 소프트 밸브를 사용하여 휴대가 편리하며 다양한 물건을 정확하게 잡을 수 있는 소프트 그리퍼를 만들었다. 그리퍼는 전자 부품 활용이 어려운 스파크가 튀는 환경이나 수중환경에서도 원활하게 작동했다. 또한, 연구진은 사람의 팔 굽힘 각도에 따라 자동으로 팔꿈치 보조력이 증가하는 착용형 로봇을 개발했다. 이 로봇을 사용하면 팔꿈치에 작용하는 중력 토크가 평균 63% 감소하여 팔을 들어 올릴 때 자동적으로 근육에 가해지는 부담을 효과적으로 줄일 수 있게 했다.

3. 기대효과

본 연구에서 개발한 소프트 밸브는 기존의 단단하고 복잡한 전자제품들을 활용하여 구현되었던 로봇의 센싱과 컨트롤을 완전히 부드러운 재료만을 사용하여 획기적으로 대체하는 기술이다. 이 기술을 통하여 자율적이고 지각 가능한 로봇 시스템 뿐만 아니라 사람과의 상호 작용에서 더욱 안전하고 효과적인 소프트 로봇의 발전에 큰 기여를하여 산업현장, 서비스, 의료 분야 등에 이바지할 것으로 기대된다.

□용어해설

1. 센싱(Sensing)

로봇이 주변 환경을 감지하고 정보를 수집하는 능력

2. 제어(Control)

로봇의 동작을 원하는대로 조작하는 능력

3. 탄성 중합체 챔버(Elastomer chamber)

공압기반 소프트 로봇에 활용되는 유연하고 탄성이 있는 재료로 만들어진 구조체이다. 이 구조체는 주변 환경에 맞게 형태를 변형할 수 있으며, 압력이 가해지면 팽창하거나 수축할 수 있다.

4. 헬리컬 핀칭(Helical pinching)

나선형 실을 이용하여 연질튜브를 나선형으로 꼬집어 구조를 변형시키는 메커니즘으로 소프트 로봇에 유체 유입과 유출을 제어하기위해 본 연구진에 의하여 개발되었다.