혁신적 형상·접촉 감지 시스템, 연속체 로봇 안전성 강화

일본 첨단과학기술원, 이시카와, 일본

인간이 로봇을 만지면 로봇은 충돌을 피하기 위해 움직임을 변경한다. (이미지: JAIST Van Anh Ho)

자연에서 문어의 유연한 촉수나 코끼리 코 같은 많은 생물체가 놀라운 민첩성을 보인다. 이러한 자연 구조에서 영감을 받아 연구자들은 견고성과 안전성을 제공하는 고도로 유연한 연속체 로봇 개발을 목표로 한다. 이상적으로 연속체 로봇은 대부분의 작업에 필요한 것보다 더 많은 자유도(DOF)와 관절 수를 특징으로 한다. 이러한 특성은 형태를 동적으로 조정하고 수정하여 장애물과 예기치 않은 상황을 피할 수 있게 한다. 그러나 복잡한 움직임으로 인해 형태와 움직임을 특성화하기 어렵다.

연속체 로봇의 운동학 및 역학 문제 해법을 얻기 위한 전통적인 해석 기술은 복잡한 모델링에 의존하여 계산 비용을 증가시킨다. 대안으로 연속체 로봇에 내장된 유연한 센서를 사용하여 형태와 움직임을 추적할 수 있지만, 이 방법은 많은 저해상도 센서를 필요로 하여 시스템을 번거롭게 만든다. 더 유망한 해결책은 연속체 로봇 끝에 단일 감지 모듈을 사용하는 것이다. 그러나 이 방향의 이전 연구들은 대부분 로봇 자세에 초점을 맞췄고 접촉 감지는 다루지 않았다.

이 격차를 해소하기 위해 일본 첨단과학기술원(JAIST) Van Anh Ho 부교수 연구팀이 ConTac이라는 새로운 시스템을 개발했다. 이 시스템은 소프트 스킨을 가진 로봇 팔의 형상과 접촉을 추정할 수 있다.

Ho 박사에 따르면, "이 시스템의 궁극적 목표는 연속체 로봇에 구현하는 것이지만, 이 연구에서는 관절형 로봇 팔과 소프트 스킨을 사용하여 검증에 초점을 맞췄습니다." 팀에는 JAIST 박사과정생 Tuan Tai Nguyen과 Quan Khanh Luu, 하노이 VNU-UET 대학 Dinh Quang Nguyen 박사가 포함되었다.

ConTac 시스템은 연속체 로봇 굽힘을 모방한 백본, 마커가 있는 소프트 스킨, 스킨 변형을 관찰하는 카메라, 스킨 형상 및 접촉 감지 모델, 접촉 인식 제어 체제로 구성된다. 이 시스템은 캘리브레이션 없이 동일한 메커니즘과 형태를 가진 모든 ConTac 유닛이나 다른 로봇에 적용할 수 있다.

ConTac 유닛은 백본과 소프트 스킨을 가진 조립된 연속체 모방 로봇 팔이다. 연구진은 이 시스템을 위한 어드미턴스 기반 컨트롤러도 개발했는데, 지각 정보를 사용하여 로봇 팔 움직임을 안내한다. 또한 ConTac 유닛은 비용 효율적이며 기존 소재로 제작할 수 있다.

이 혁신적 시스템은 소프트-연속체 스킨의 형상 재구성과 접촉 감지를 위한 두 가지 딥러닝 모델을 사용한다. 이 모델들은 시뮬레이션 이미지만으로 완전히 훈련되었으며, 파인튜닝 없이 실제 로봇에 직접 적용되어 시간과 자원을 절약했다. 시스템의 전이성은 두 개의 다른 ConTac 유닛에서 테스트되었으며, 추가 조정 없이 유사하게 수행되었다.

이 연구의 의의를 강조하며 Ho 박사는 "ConTac 시스템은 복잡한 조정 없이 다양한 로봇 시스템에 사용되는 것을 목표로 합니다. 우리 시스템을 장착한 유연한 로봇 팔은 로봇이 많은 장애물을 탐색하고 인간과 안전하게 상호작용해야 하는 스마트 농업과 의료 서비스에 이상적입니다. 부드러움과 유연성, 주변 감지 능력이 결합되어 식물과 환자와의 상호작용에 완벽합니다."라고 말했다.

이 프레임워크에서 사용된 감지 및 제어 원리는 기존 로봇 시스템에 부착할 수 있는 새로운 촉각 센서로 이어질 수 있으며, 로봇 원래 설계를 변경하지 않고 안전한 인간-로봇 상호작용을 위한 새로운 감지 및 제어 패러다임을 제공한다. "모든 로봇과 기계가 촉각을 갖춘 사회를 상상해 보세요. 이 변화는 산업과 일상생활에 혁명을 일으킬 것입니다."라고 Ho 박사는 말했다.

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