기계/조선

계측과 제어_22.2 릴레이 기사 (p85-86)

FACE the future
사람과 조화하는 로봇 시스템의 연구
도쿄대학 대학원 정보이공학계 연구과 미야자키 테쓰로(宮嵜 哲郎) 교수

1. 머리말
나는 도쿄공업대학 재학 중에 이와쓰키(岩附) 선생님과 오카다(岡田) 선생님의 지도로 로봇공학과 제어공학을 공부했다. 박사과정 수료 후, 요코하마국립대학의 사나다(眞田) 선생님 연구실에서 신세를 졌다.

이 때 처음으로 유압∙공기압 등의 Fluid Power System에 관한 연구를 접하면서 내 연구에서도 공기압 구동을 자주 사용하게 되었다. 그 후, 가와시마(川嶋) 선생님의 연구실에서 활동하기 시작해 현재에 이르렀다. 본고에서는 지금까지 내가 진행한 연구와 향후 구상 등을 소개하겠다.

2. 사람을 규범으로 한 로봇의 운동∙신체 설계
학생시절에는 사람의 운동을 로봇의 운동으로 변환하는 방법에 대해 연구했었다. 인체는 많은 관절과 구동부(근육)를 포함한 복잡한 기구임에도 불구하고, 사람은 경험적으로 몸을 능수능란하게 움직이는 방법을 습득하는 것이 가능하다. 사람이 지닌 고도의 운동 스킬을 로봇에게 이식할 수 있다면, 기존에는 실현하기 어려웠던 운동도 가능해질 것이라는 생각이 동기부여가 되었다.

바꿔 말하면 사람을 운동 기능의 선생님, 규범으로 하고, 학생인 로봇의 운동을 설계하는 연구다. 검증 사례로서 사람의 제자리걸음 운동을 모션 캡쳐 시스템으로 계측하고, 그 운동을 역학적인 구속 조건을 충족하도록 변환함으로써 사람과 크게 다른 다이내믹한 탭 댄스 로봇의 제자리걸음 운동을 실현했다.

박사과정 수료 후에 앞에서 말한 연구를 발전시켜, 로봇의 신체도 설계 대상에 포함하는 연구를 진행했다. 로봇의 태스크 성능을 최대화하기 위해서는 목적한 태스크에 대해, 운동뿐 아니라 신체도 최적화할 필요가 있다.

일반적인 로봇의 설계에서는 처음에 태스크를 설정하고, 그에 적합한 로봇의 신체를 설계한 후, 그 신체에 대해 운동을 설계한다. 이처럼 운동과 신체를 개별적으로 설계하면 운동은 먼저 설계된 신체의 다이내믹에 의해 제약을 받는다.

이 때문에 신체의 설계를 재검토할 필요가 발생하면서 공정수가 증대한다. 그래서 운동과 신체를 공통의 틀로 설계할 수 있다면 효율적으로 로봇의 태스크 성능을 최대화할 수 있다고 생각하고, 그 방법을 연구했다. 검증에서는 태스크 성능의 변화를 정량적으로 평가할 수 있는, 투구 로봇의 멀리던지기 태스크를 설계 사례로 했다.

링크 파라미터 등을 신체의 설계 변수, 운동의 궤도를 정의하는 파라미터를 운동의 설계 변수로 하고, 볼 비거리를 최대화하도록 설계 변수를 최적화했다. 검증 실험에서는 계측한 사람의 투구 동작을 운동 궤도의 초기값으로 하고, 9자유도 투구 로봇의 운동과 신체를 설계한 결과, 볼 비거리가 늘면서 태스크 성능이 개선된 것을 확인했다.

3. 사람을 지원하는 공기압 구동식 로봇시스템
요코하마국립대학으로 활동 영역을 옮기고, 연구 테마의 폭을 확대하고 싶었다. 그 때 Fluid Power System의 연구를 접할 기회가 있었고, 공기압 구동에 흥미를 갖게 되었다. 공기압 구동의 특징은, 심플하고 가벼운 기구로 다이렉트 드라이브(감속기가 불필요)가 가능하다, 공기의 압축성을 이용한 역구동성(back-drivability)으로 부드럽고 안전한 힘을 발휘할 수 있다, 메인터넌스가 쉬워 청결함을 유지하기 쉽다는 점을 들 수 있다.

이들 장점 때문에 사람과 직접 접촉하는 기기와의 궁합이 좋다. 원래 흥미 대상인 사람의 운동에 친화적인 공기압 구동이라는 수단을 얻어, 파워 어시스트 로봇의 연구를 시작했다. 우선 공장 작업자의 다리의 부하 경감을 목적으로, 허리에 장착하는 하중 지지 암을 연구했다. 하중 지지 암은 공기압 실린더로 구동되는 기계의 다리로, 사람의 다리와 협조해 작업자를 안정적으로 지지한다.

그 후에는 가와사키 선생님의 연구실에서 활동하게 되었다. 수술 지원 로봇을 비롯한 의공(醫工) 연계 연구가 활발한 연구실로, 기업 관계자나 의료복지 관련 선생님들과 빈번하게 교류할 수 있는 기회를 얻었다. 나는 그러한 환경에서 운동자의 다리 부하를 조정하는 보행 어시스트 슈트 연구 등 다양한 로봇 디바이스 연구를 담당했다.

보행 어시스트 슈트는 공기압 고무 인공근육을 운동자의 다리에 장착하고, 보행 또는 주행 시의 다리 부하를 조정하는 것이 가능하다. 일반적인 파워 어시스트 디바이스는 운동자의 신체에 전기식 센서를 장착하고 동작을 감지한다. 유저의 입장에서는 평소에도 쉽게 사용할 수 있어야 하는 것도 중요하다.

이 관점에서 보행 어시스트 슈트는 운동자의 다리에 부드러운 천 상태의 부품과 인공근육만 장착하고, 전기식 센서를 장착하지 않는 구성으로 하였다. 동작 감지는, 인공근육 내부의 압력을 공기배관으로 접속되어 떨어진 장소에 있는 압력 센서로 계측해 보행 페이즈를 판정한다.

이 구성을 통해 수중 어시스트가 가능한 내환경성 향상 효과나, 인공근육의 배관망 내에서 일어나는 비선형 압력 응답에서 상세한 보행 상태를 추정하는 공기압 축적 컴퓨팅(Reservoir Computing) 등 폭넓은 연구의 전개가 가능해졌다.

4. 향후 구상
지금까지 내가 진행한 연구는 기본적으로 사람이 동작 주체이고, 로봇은 그에 따르는 일방향의 보수적인 협조 전략이었다. 이 전략은 안심감을 주는 한편으로, 로봇이 동작 주체가 되는 편이 좋은 결과가 되는 장면에서는 그 성능의 발휘를 방해할 가능성이 있다.

Society5.0의 실현을 위해서는 사이버 공간의 연구 발전과 함께 피지컬 공간의 연구 분야에 관한 로보틱스의 진보가 필수다. 그를 위해서는 기존의 전략과 달리, 사람과 로봇이 대등해지고 일체화(조화)됨으로써 전체적으로 최고의 성능을 발휘하는, 쌍방향의 적극적인 협조 전략이 앞으로 중요해질 것이다.

예를 들면, 자율주행에서 AI가 사람의 판단보다 빠르게 브레이크를 밟는 경우가 있는 것처럼 사람과 로봇이 서로를 보완해 서로의 성능을 높이는 이미지다. 이 구상 실현을 위해 최신의 수리∙정보공학 지식을 이용, 정교한 인간 모델을 구축하고, 인간 기계 협조형 로봇 시스템의 고도화∙지능화를 앞으로 목표해 나갈 생각이다.

 -- 끝 --