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Nikkei Monozukuri_22.3 뉴스 심층 (p22-24)

로봇의 시각∙촉각을 보완하는 '제6의 감각'
‘근접각 센서’, 오사카대학 고야마 교수 개발 

오사카대학 기초공학연구과 시스템창성 전공 고야마(小山) 교수는, 자신이 개발한 ‘근접각 센서’ 등을 축으로 한 벤처기업을 설립해 로봇에 응용하는 사업을 시작한다. 벤처는 2년 이내 설립할 계획. 현재 로봇에서 많이 사용되는 이미지 센서나 압력 센서 등으로는 검출이 어려운 접촉이나 접근을 검출하는 기술을 이용해, 재빠르고 복잡한 움직임이 가능한 로봇을 개발할 계획이다.

근접각 센서는 로봇이 물체를 잡으려고 할 때 핸드 등이 대상 물체에 수 센티까지 가까워진 시점에서 비접촉으로 대상물을 검지하거나 자세를 파악하기 위한 센서다. 시각이나 촉각과도 다르며, 이에 상응하는 감각이 인간에게는 없다. 현재의 로봇에서도 거의 볼 수 없는 감각이기 때문에 '근접각'이라고 불러 구별한다.

기존의 로봇은 시각에 해당하는 이미지 센서로 대상 물체의 위치나 자세를 특정한 후에 핸드를 움직이는 경우가 많다. 이 방법으로는 위치 특정 후에 물체가 이동했을 경우에 잘못 잡을 뿐만 아니라 빠른 파지 동작을 실현하기 어렵다는 단점이 있다. 핸드가 대상 물체에 가까워질수록 이미지 센서의 시야를 핸드가 가려 대상 물체를 인식할 수 없게 되므로 접촉을 감지하기까지 핸드를 저속으로 가까이 할 수밖에 없기 때문이다.

이 시각∙촉각을 보완하는 것이 근접하는 물체의 위치나 자세를 감지하는 근접각이다. 고야마 교수는 “인간에게 없는 감각이지만 로봇은 반드시 인간을 흉내 낼 필요는 없다”라며 연구를 진행해 왔다.

구체적인 실현 방법은 LED(발광 다이오드)에서 빛을 대상물에 투사하고, 되돌아온 빛을 수광부에서 감지하는 것이다. 근접각 센서의 수광부를 둘러싸듯이 8개의 LED를 배치하고, 어느 LED의 빛이 어떻게 되돌아오는가의 패턴에 따라 대상 물체의 위치와 자세를 산출한다.

고야마 교수는 이미 근접각 센서를 응용해서 시트 모양의 종이나 마스크 등을 1장씩 단시간에 잡을 수 있는 로봇 등을 개발, 전시회에 출전하고 있다.

-- 투명 물체, 반사 물체도 인식 --
10년 가까이 연구를 거듭해 광학식으로는 감지가 어렵다는 투명한 유리판 같은 물체나 거울처럼 빛을 반사하는 물체도 감지할 수 있게 되었다. LED를 특정 주파수로 빛나게 하는 아이디어를 통해, 물체에서 되돌아오는 빛이 약해도 노이즈와 구별해 검출한다. 검출할 수 있다면 빛이 되돌아오는 방식의 패턴에 의해 물체의 위치(센서로부터의 거리), 자세(방향)를 산출할 수 있다.

검출 분해능은 공작기계 전시회 ‘Mechatronics Technology Japan 2021’(21년 10월 20~23일, 포트메세 나고야)에 출품한 것이다. 거리 30μm, 각도 1.5°로, 1초에 1000회를 검출할 수 있다. 핸드에서 대상물까지는 0~30mm의 범위에서 검출한다.

“로봇의 제어 정밀도가 수십 μm, 나쁜 경우라도 수백 μm이기 때문에 센서의 정밀도도 그 정도가 아니면 의미가 없다”(고야마 교수). 시판되고 있는 거리 센서는 정밀도가 그렇게까지 높지 않은 것이 많아, 재빠른 동작을 실현하기에는 충분하지 않다고 한다.

-- 자석 기어와 조합할 수 있다 --
고야마 교수가 설립 예정인 벤처에서는 근접각 센서와 함께 자기 기어에 의한 액추에이터 기구를 사업의 축으로 삼는다. 자기 기어는 자석의 N극과 S극에서 기어 치아의 산과 골을 대체하는 것으로, 비접촉이기 때문에 전달 손실이 적다.

이것 자체는 고야마 교수의 개발품은 아니지만 베벨 기어처럼 회전축을 90도 변환하는 기구에 응용하는 것을 도모한다. 손실이 적은 만큼 로봇의 관절을 구동하는 모터를 소형화할 수 있다. 동시에 모터의 장비 위치나 방향의 자유도가 증가하기 때문에 인간의 손가락과 같은 기구를 콤팩트하게 실현할 수 있다.

벤처 설립 당초에는 근접각 센서와 자기 기어 기구에 대해 각각 로봇에 적용하는 것을 생각했다. 사업이 궤도에 오르면, 양 기술을 조합하여 인간과 동등 이상으로 세세한 동작을 재빠르게 처리할 수 있는 로봇의 실현을 목표한다.

시각 센서로는 인식하기 어려운, 모양이 일정하지 않은 물체를 잡는 작업이나 복잡한 형태의 물체 표면을 따라서 테이프나 시트를 붙이는 작업, 물체에 게이지를 맞추는 검사 작업 등에 대한 응용을 기대할 수 있다고 보고 있다.

■ 계기는 고등전문학교 로봇 콘테스트
환경 변화에 대한 적응력의 중요성을 실감

근접각 센서 탄생의 발단은 개발자 고야마 교수가 고등전문학교 시절 참가한 ‘고등전문학교 로보콘(로봇 콘테스트)’에 있었다. 그가 느낀 훈련 장소와 대회장의 미묘한 차이가 새로운 센서 개발로 이어졌다.

근접각 센서 개발의 계기는 고등전문학교 로보콘 도전이다. 고등전문학교 로보콘은 경기 시간이 3분밖에 없기 때문에 빨리 움직이지 않으면 과제를 완료할 수 없다. 그래서 빠르고 정확하게 움직이는 로봇들이 모이는 대회였다. 나도 로보콘부에 들어가 팀으로서 우승을 목표로 노력했다. 참고로 고야마 교수가 재적한 와카야마공업고등전문학교는 07년과 08년의 전국대회에 출장해 모두 준우승을 차지했다.

실제로 대회용 로봇을 만들 때 어려웠던 점은, 경기 필드에 있는 장애물의 위치나 빛의 밝기 정도가 학교에서의 연습 환경과 지방대회, 전국대회가 각각 미묘하게 다르다는 점이다. 그래서 빠르고 정확하게 움직일 뿐만 아니라 환경 변화에 적응하는 능력이 필요하다고 생각했다. 그래서 센서로부터의 피드백이나 유연성을 갖춘 기구에 의해 환경 변화 대응에 뛰어난 로봇에 강하게 흥미를 갖게 되었다.

그 후 전기통신대학에 편입해, 시각 센서와 촉각 센서를 사용하여 환경 변화에도 대응하면서 로봇을 고속으로 움직이는 테마로 연구를 시작했다. 그런데 좀처럼 잘 되지 않았다. 시각 센서는 대상물의 뒷면이 보이지 않기 때문에 뒷면의 정보는 추정할 수 밖에 없다.

촉각 센서는 만지기 전까지 정보를 얻을 수 없다. 그래서 대상물에 로봇 핸드를 접근시켜 가면, 충분히 접근을 해도 두 센서 모두 정보를 얻을 수 없는 영역이 생긴다. 거기서는 로봇을 천천히 안전하게 움직일 수밖에 없고, 결국 늦어지고 만다.

그렇다면 촉각도 시각도 아닌 '근접각'이라는 감각을 로봇에게 주고, 만지기 전부터 물체를 검출해서 잡는 방법을 조정하는 구조가 있으면 좋지 않을까, 라고 생각하기 시작했다. 그로부터 지금까지 약 10년 동안 연구를 계속해 왔다.

근접각 센서는 상당히 특이한 연구라고 할 수 있다. 지금까지는, 인간이 시각과 촉각으로 사물을 잡듯이, 로봇도 카메라와 압력 센서를 사용해 인간에 비슷한 수준으로 제어해 나가면 인간과 같은 동작을 할 수 있을 것이라는 생각이 기본이었기 때문이다.

-- 로봇은 사람을 모방할 필요는 없다 --
하지만 로봇은 꼭 인간의 방식을 따를 필요는 없다. 근접각과 같은, 인간으로 말하는 ‘6감’같은 것을 부여하면, 최종적으로는 인간을 초월하는 성능을 발휘하지 않을까 하고 기대하고 있다. 인간보다 빠르고 정확하게 움직이며, 환경 변화에도 적응할 수 있는 로봇이다.

21년 12월에 소니 그룹이 기술전시회에서 로봇의 새로운 그리퍼를 발표했다. 재미있게도 촉각 센서와 거리 센서를 사용해 미지의 형태의 사물을 부드럽게 잡거나, 찌그러뜨리지 않고 잡는 데모를 실시했다. 대기업이 근접각 센서를 직접 사용한 것은 처음일 것이다. 앞으로 근접각 센서에 이목이 집중되지 않을까 기대하고 있다.

 -- 끝 --

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