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Nikkei Robotics_22.5 Sexy Technology (p5-11)

소니의 미지 물체 파지 기술
마찰계수 없이 회전의 초기 미끄러짐 검출 기술

소니 그룹이 로봇 기술을 적극적으로 개발하고 있다. 본지가 2021년 12월호에서 소개했듯이, 2021년 9월에는 신형 액추에이터를 채용한 4족 로봇 ‘Tachyon(타키온)’을 발표했다. 그리고 이번에는 신형 메니플레이션(Manipulation) 기술을 소개했다. 마찰계수나 질량, 영률(Young’s modulus) 등 대상물에 대한 사전 정보가 전무해도 적절한 힘으로 집을 수 있는 기술이다.

그리퍼 전용으로 독자적인 촉각 센서를 개발, 그 센서에서 얻은 정보를 바탕으로 평행 그리퍼의 파지력을 적응적으로 제어한다. 시연에서는 장미꽃이나 에클레어 등 모양이 쉽게 변형되는 섬세하고 부드러운 물체에 대한 사전정보 없이 모양을 망가뜨리지 않고 파지할 수 있다는 것을 보였다.

-- 힘 조절이 어려운 그리퍼 --
현재, 로봇에서의 메니플레이션은 흡인형 핸드로 시행하는 경우가 많다. 제조 현장에서의 수송, 물류 현장에서의 피킹 등 대부분이 흡인형 핸드다. 다만 흡인형 핸드로는 다루기 어려운 물체는 많다.

표면에 요철이 있는 것, 공기압이 빠져버리는 그물 같은 모양의 것, 형태가 정해져 있지 않은 것, 흡인하면 파손돼버리는 섬세한 물체 등이다. 식품 등이 그 대표적인 예다. 이러한 물건을 다루는 현장에 앞으로 로봇을 더 많이 보급시키기 위해서는 그리퍼를 이용한 파지 기술의 향상이 필요하다.

그리퍼에서 포인트는 대상물에 어느 정도의 힘을 가할 것인가, 이른바 힘 조절이다. 힘이 너무 약하면 물체에 작용하는 중력은 그리퍼와 물체 사이의 마찰력으로 지지할 수 없게 되면서 물체는 떨어지게 된다. 한편, 물체를 떨어뜨리지 않기 위해 필요 이상으로 강한 힘을 주게 되면 섬세한 물체는 망가져 버리는 경우가 있다.

사전에 대상물 표면의 마찰계수를 계측해 두거나, 몇 N의 힘을 가하면 파손되는가 등을 조사해 두면 이러한 힘 조절은 쉽게 결정할 수 있다. 그러나 현장에서 다루는 모든 물체에 대해 이러한 파라미터를 미리 계측해 두는 것은 비현실적이다. 사전 지식 없이 처음 보는 미지의 물체에 대해 적절한 힘 조절을 도출해서 안정적으로 파지할 수 있는 것이 바람직하다.

힘 조절을 조정하는 방법 중 하나는 그리퍼와 대상물 사이에 어떤 부드러운 탄성 요소를 넣는 방법이다. 최근에 자주 나오고 있는 소프트 타입의 수지 소재를 사용한 그리퍼다. 식품 등 모양이 정해져 있지 않은 물체를 파지하기 위해 많은 기업이 개발해서 발매하고 있다.

그리퍼와 대상물 사이에 부드러운 탄성체가 있으면 그리퍼의 개폐 동작과는 별개로, 그 소재 자체의 탄성 변형에 의해서 어느 정도 대상물에 가하는 힘이나 접촉면을 조절하는 효과를 기대할 수 있다. 그렇다고는 해도 소프트 소재의 탄성 변형만으로는 힘 조절을 치밀하게 제어하는 것은 어렵다.

어떤 탄성체를 넣으면, 그 탄성체의 변형량을 바탕으로 대상물에 수직으로 가해지고 있는 힘을 추정하는 것도 가능하다. 그러나 그것만으로는 불충분하다. 가령 대상물에 가해지고 있는 힘을 추정할 수 있었다고 해도, 그 대상물에 ‘어느 정도의 힘을 가해도 OK인가?’는 명확히 알 수 없기 때문이다.

어떤 식의 기준이나 방법으로 ‘어느 정도의 힘이라면 OK인가?’를 추정할 필요가 있다. 질량이나 마찰계수 영률 등 대상물에 대해 ‘단서’가 되는 정보를 아무것도 얻지 못한 상황에서 도대체 어떤 방법으로 그것들을 추정할 것인가?

-- 미끄러져 떨어지는 징후를 감지 --
그래서 필요한 것이 ‘미끄러짐(slip)’이라는 개념이다. “물체를 잡으려고 하는데 왜 굳이 ‘미끄러짐’이라는 개념을 꺼내야 하는가?” “미끄러지면 물건은 떨어지게 되므로 그 시점에서 실패가 아닌가?” 이렇게 생각할지도 모른다.

그러나 실은 물체라는 것은 갑자기 미끄러지는 것이 아니라 미끄러지기 시작하기 전에 징후 비슷한 현상이 있다. 바로 접촉면의 일부만 미끄러지기 시작하는 ‘초기 미끄러짐(incipient slip)’이라는 현상이다. 물체를 그리퍼로 잡으려고 할 때, 그리퍼의 끝과 물체와는 당연히 물리적으로 접촉한다.

그 접촉면 중에서 일부 영역만이 중력 등의 외부 힘에 의해 미끄러지기 시작하고, 그 이외의 영역은 미끄러지지 않고 손가락과 물체가 일체(고착: stick)가 된 것이 초기 미끄러짐이다. ‘미끄러짐’이라는 이름이 붙었지만 아직 완전히 미끄러진 것이 아니라 아슬아슬하게 멈춰 있는 상태가 초기 미끄러짐이다.

이 초기 미끄러짐이라는 징후를 어떤 방법으로 감지할 수 있다면 물체가 낙하하는 것을 방지할 수 있다. 일부가 미끄러지기 시작하는 것을 감지하고, 그 현상을 없애도록 그리퍼의 파지력을 서서히 늘린다면 물체가 완전히 미끄러져 그리퍼에서 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 이른바 ‘피드백 제어’ 구조로, 초기 미끄러짐을 제어한다. 소니 그룹이 채용한 것도 이 어프로치다.

또한 초기 미끄러짐을 검출해서 파지력을 늘린다는 전략만으로는 “그 대상물에 몇 N의 힘을 가하면 OK인가?”의 대답을 도출할 수 없다. 상당히 취약한 물체, 예를 들면 파이 반죽을 겹겹이 쌓아 올린 페스츄리 파이 등은 파지하는 위치나 방향, 각도에 따라서는 집어 올리는 순간에 망가져버리는 경우가 있다.

이러한 특수한 경우는 “초기 미끄러짐을 검출해서 파지력을 늘린다”라는 제어 원칙은 적용하기 어렵다. 그러나 물체라는 것은 일반적으로 그리퍼 등으로 잡아서 들어올릴 수 있을 정도의 강도를 갖고 있는 경우가 많다. 그러한 물체에 대해서는 이러한 제어 원칙을 통해 미끄러지는 직전의 필요 최소한의 힘을 도출할 수 있으므로 실용적으로 유용하다고 할 수 있다.

-- 회전의 초기 미끄러짐을 모델화 --
‘초기 미끄러짐을 검출해서 파지력을 늘린다’는 전략 자체는 좋지만 근본적인 문제가 있었다. 그것은 초기 미끄러짐이라는 현상의 엄밀한 물리 모델을 지금까지 잘 몰랐다는 것이다. 특히, 대상물이 모멘트를 갖고 있으며 회전하는 케이스의 초기 미끄러짐에 대해서는 어떠한 현상인지 수리적으로 알지 못했다.

물리 모델을 잘 알지 못하면 제어에서 구체적으로 파라미터를 얼마나 조작하면 초기 미끄러짐을 억지할 수 있는지 정확하게는 알 수 없어 정밀한 제어 알고리즘을 구축하기 어렵다.

그래서 소니 그룹은 우선은 초기 미끄러짐의 모델 정식화에 착수했다. 회전을 포함하지 않는, 병진 이동만의 초기 미끄러짐에 대해서는 이미 물리 모델의 정식화가 되어 있다. 따라서 소니 그룹은 그것을 확장해서 회전 동작을 포함한 임의 방향의 초기 미끄러짐에 대해 수리적인 모델을 구축했다. 회전을 포함한 초기 미끄러짐의 모델화는 세계에서 처음이라고 한다.

또한 회전의 초기 미끄러짐이란, 예를 들면, 가늘고 긴 막대 같은 물체가 있을 때, 막대를 수평으로 한 채로 그 끝을 잡는 경우다. 끝을 잡을 때는 모멘트에 의해, 잡고 있는 것과는 반대 측이 먼저 떨어지려고 한다. 그 결과, 잡고 있는 부분을 중심으로 회전하듯 떨어진다.

초기 미끄러짐의 모식도를 생각해보자. 아래측에 파지 대상물이 있고, 위에서부터 그리퍼의 손가락이 접촉하고 있다. 그리퍼에 의한 파지력은 아래를 향해 수직으로 인가(印加)된다. 대상물은 파지력에 의해 탄성 변형한다. 물체를 그리퍼로 좌우에서 잡으려고 한 경우는 접촉면과 평행 방향으로 중력이 걸리는 때문에 대상물을 수평 방향으로 끌어당기듯이 중력이 외부 힘으로써 가해진다.

초기 미끄러짐은 손가락과 대상물의 접촉면의 일부가 미끄러지기 시작한 현상이기 때문에, 접촉면에는 마찰계수가 지배하는 미끄러짐 영역과, 그리퍼 손가락과 대상물이 일체화된 고착 영역이 있다.

정식화의 결과는 이렇다. 법선력(파지력) , 접선력(외력) , 모멘트 에 대해 설명하자. 이러한 접촉은 3차원적인 것으로, 본래는 그 해석도 3차원을 상정하고 해야 한다. 그러나 실은 접촉 해석은 차원을 떨어뜨려 1차원 상에서 실시할 수 있다는 것을 알았다. 근사가 아니라 엄밀하게 1차원에서의 해석의 결과가 3차원에서의 결과와 일치한다.

접지면에 평행한 축을 축이라고 하고, 이 1차원의 축을 따라 각종의 해석(적분)을 하고 있다. 법선력의 경우는 눌림 변위량ⅹ영률(종탄성계수)이 된다. 접선력의 경우는 고착 영역과 미끄러짐 영역으로 나누어 생각하자. 고착 영역은 접선 방향의 변위량ⅹ횡탄성계수, 미끄러짐 영역은 마찰계수ⅹ법선력이 된다.

고착 영역은 그 이름대로 손가락과 대상물이 아직 미끄러지지 않고 하나의 탄성체인 것처럼 딱 붙어 있는 영역이기 때문에 통상의 ‘전단(Shear)’과 닮았다고 생각할 수 있다. 미끄러짐 영역에서는 마찰이 지배하기 때문에 위에서 누르는 법선력(자동차에서 말하는 다운포스)의 강도에 따라서 수평 방향의 마찰 항력이 변한다. 모멘트는 반경ⅹ회전방향의 접선력이 된다.

-- 조작량을 어떻게 도출할 것인가? --
제어의 목표는 초기 미끄러짐을 억제하는 것이었다. 구체적으로 어떻게 하면 초기 미끄러짐을 억지할 수 있을까?

원래 초기 미끄러짐이란 접촉면의 일부가 미끄러지기 시작하려는 상태다. 미끄러지지 않고 고착되어 있는 부분의 폭(반경)을 , 접촉부 전체의 폭을 라고 하면, 고착되어 있는(미끄러지지 않은) 영역의 비율 ‘고착률’은 가 된다.

이 값이 1이라면 미끄러지는 영역은 제로이기 때문에 완전히 손가락과 대상물이 고착되어 꽉 잡고 있는 상태를 의미하고, 이 값이 0이라면 고착 영역은 제로로 완전히 미끄러져 버린 상태를 의미한다. 즉, 라는 파라미터를 봄으로써 잡고 있는 상태와 미끄러지고 있는 상태와의 사이를 연속적으로 표현할 수 있다. 초기 미끄러짐이란 이 의 값이 0~1 사이(0보다 크고 1 미만)의 상태를 말한다.

그렇다면 앞에서 말한 정식화에서 라는 파라미터를 도출할 수 있다면 제어에 사용할 수 있을지도 모른다. 그러나 유감스럽게도 앞에서 말한 정식화의 결과를 의 형태로 다시 정리해도, 그 식에는 마찰계수라는 미지의 파라미터가 포함되어 있기 때문에 그대로는 제어에 사용할 수 없다.

그래서 소니 그룹은 미지의 파라미터의 영향을 배제할 수 있는 어프로치를 취했다. 를, 외력에 의한 수평 방향의 변형 변위량 로 다시 표현한다. 여전히 마찰계수라는 미지의 파라미터는 남아 있다. 그뿐 아니라 라는 양을 도입함으로써 이번에는 영률 나 횡탄성계수 라는 미지 파라미터도 등장했다.

그러나 이들 미지 파라미터는 의 계수처럼 되어 있기 때문에 실은 가 제로에 가까운 영역에 있을 때는, 이들 미지 파라미터가 제로(에 가까운 값)와의 곱셈으로 영향은 거의 사라진다. 즉, 를 제로 근처로 만들면 걱정이었던 미지 파라미터를 제거할 수 있으므로 거의 신경을 쓰지 않아도 된다.

실은 가 제로라는 것은 앞에서 말한 고착률이 1일 때, 즉 전혀 미끄러지지 않은 상태를 말한다. 즉, 를 제로 근처로 만들면 미지 파라미터의 영향을 거의 제거할 수 있는데다 본래의 목적인 초기 미끄러짐도 억제할 수 있게 된다.
  라는 것은 변위량을 나타내기 때문에 당연한 것이지만, 어쨌든 를 제로로 하는 제어만 한다면 미지 물체에 대해 미끄러져 떨어지기 바로 직전의 순간에 멈추면서 필요 최소한의 힘 조절을 도출할 수 있게 된다. 는 병진 방향의 변위량이었지만 회전 변위량에 대해서도 같은 어프로치가 성립한다.

이번 제어에서는 제어의 출력이 되는 조작량은 기본적으로는 ‘그리퍼의 파지력’이라는 하나의 파라미터뿐이다. 앞에서 말한 정식화는 이 조작량을 얼마나 움직이면 좋은지에 대한 힌트도 보여준다. 나 를 제로로 하기 위해 을 얼마나 늘리면 되는가다. 미지 파라미터가 포함되어 있기 때문에 정확한 값은 계산할 수 없지만, 을 로 나타내도록 변형하면 과 는 리니어(직선적)한 관계가 아니라 비선형적인 관계라는 것을 알 수 있다(회전에 대해서도 마찬가지다).

그래서 피드백 제어의 각 사이클에서 조작량 을 경신할 때도, 비선형적인 양을 경신하는 항을 추가했다. PD 제어와 같은 리니어한 경신이 아닌 항이다. 이로 인해 보다 물리 모델에 입각한 섬세한 파지력 제어가 가능해졌다. 파지할 수 있는 물체의 범위(강성이나 질량 등)도 리니어한 제어의 경우와 비교해 넓어졌다.

파지력의 경신량을 연산할 후에는 그것을 보다 정확하게 액추에이터로 재현하기 위해 1kHz 주기의 파지력 생성부보다 빠른 주기(8kHz)로 가속도 제어 루프도 만들었다.

-- 센서 모양도 정식화부터 --
소니G은 정식화의 결과를 그리퍼의 손가락의 모양 설계에도 활용했다. 정식화를 기본으로 한 시뮬레이션을 실시한 결과, 그리퍼의 손가락 모양이 고착률의 추이 방식에 큰 영향을 미치는 것을 알았다.

구체적으로는 손가락 끝이 평평한 모양이면 고착률은 1의 영역에 있더라도 미약한 외력으로 급격하게 미끄러지면서 고착률은 비연속적에 가까운 형태로 0으로 떨어진다. 즉, 초기 미끄러짐의 상태를 거의 거치는 일 없이 고착 상태에서 단숨에 완전 미끄러짐으로 추이해 버리는 것이다. 초기 미끄러짐이 거의 없다면 이번 제어 어프로치가 성립되지 않는다.

한편, 손가락 끝에서 평평한 영역을 없애고 곡면 모양으로 하면, 고착률의 급격한 하락은 없어지고 외력에 따라 완만하게 저감하게 된다. 고착률은 1부터 0까지 완만하게 떨어지게 되면서 초기 미끄러짐의 기간을 길게 가질 수 있다. 이러한 사실을 바탕으로 소니 그룹은 손가락 모양을 곡면 모양으로 하기로 했다. 이를 통해 앞에서 말한 제어 어프로치가 유효하게 기능하게 된다.

이번 제어 알고리즘에서는 초기 미끄러짐의 변위량 (병진 성분)와 (회전 성분)을 제로로 하는 것이 제어 목표가 된다. 그래서 이들을 계측하기 위한 전용 촉각 센서도 개발했다. 젤 소재의 유연한 탄성체를 그리퍼 위에 만들고, 그것이 접선력이나 모멘트에 의해 비뚤어진 정도를 계측한다. 손가락 끝은 앞에서 말한 분석 결과에서 곡면 모양으로 할 필요가 있기 때문에 반구(半球)로 했다.

비뚤어진 정도는 반구 밑에 정전용량형의 압력 센서를 매트릭스 상태로 배치하고, 그 분포의 중심을 추적하여 얻는다. 중심의 시간차분을 잡으면 그것이 그 시각에서의 비뚤어진 정도가 된다. 다만 반구가 1개뿐이면 대상물의 회전 성분을 계측할 수 없기 때문에 2점 접촉을 실현할 수 있도록 반구는 여러 개 만들었다. 2개의 반구에서 잡은 시간차분으로부터, 아핀변환식에 의해 와 를 산출한다. 2점 접촉은 그리퍼의 개도(開度)를 좁혀나갔을 때, 최초에 2점 접촉이 된 시점에서 멈춰서 확보한다.

이번 그리퍼는 대상물에 대해 2점 접촉이 되기 쉬운 위치∙자세로 파지할 필요가 있다. 이 때문에 촉각 센서와는 별개로 대상물의 대략적인 자세를 읽어내는 스폿형 ToF 센서를 그리퍼의 안 측에 여러 개 만들었다. 이를 통해 대상물의 평평한 부분과 그리퍼의 촉각 센서면이 가능한 한 평행이 되도록 한다.

이번 기술에서는 미지의 물체에 대해 파지력을 적응적으로 생성할 수 있기 때문에 파지점의 생성 등 파지 해석에 대해서는 기존의 일반적인 그리퍼를 사용할 경우와 비교해 크게 러프하게 할 수 있다. 면의 방향만 대략 맞추고, 2점 접촉만 확보할 수 있다면 나머지는 제어 알고리즘과 촉각 센서가 잘 대응한다.

또한 현재로서는 반구 사이의 거리는 그렇게 세밀하지 않고 6mm 정도기 때문에 대상물이 너무 작거나 예리한 요철 모양일 경우에는 2점 접촉이 어려워 1점 접촉이 되면서 회전 성분을 검출하지 못하게 된다. 예를 들면, 작은 콩 같은 물체는 어렵다고 한다.

앞으로는 간격을 보다 좁게 할 계획이다. 그리퍼는 2축으로 되어 있고, 좌우는 각각의 촉각 센서의 정보를 바탕으로 독립적으로 제어하고 있다. 다만, 핸드 전체가 기울어졌을 때를 대비해 좌우의 부하 밸런스를 잘 조정하는 제어도 넣어 두었다.

이번 제어 방법을 구현한 로봇을 이용한 실험 결과에서는, 물체를 집어 올리는 타이밍에 맞춰서 파지력을 증가시킬 수 있다는 것을 알았다. 또한, 회전 미끄러짐 검출이 없는 상태에서는 에클레어와 같은 부드러운 물체는 파지력이 부족해서 모멘트에 의해 떨어지고 말았지만, 회전 미끄러짐 검출이 있는 상태에서는 적절한 파지가 가능했다. 컵에 무언가를 붓는 등 질량이 시시각각으로 변하는 경우에서도 적절하게 파지할 수 있었다.

 -- 끝 --

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