기존 로봇 매니퓰레이터는 로봇의 작업 공간 내 사람 의 접근이 제한되는 닫힌 환경에서 미리 정의된 작업을 수행해 왔다. 이와 같이 인간과 로봇 사이의 안전을 확보 하는 방법은 향후 인간-로봇 협업 또는 공존이 예상되는 환경에 적용하기에 적합하지 않다. 또한, 제조사 중심의 매니퓰레이터의 사양 및 작업 정의를 사용자가 그대로 따랐던 과거와는 달리 쉬운 인터페이스로 사용자가 쉽 게 작업을 지정하여 다양한 고객 수요에 유연하게 대응 할 수 있는 매니퓰레이터가 공급되고 있다^[1]. 앞으로는 사용자 중심의 작업 적응성을 충족할 수 있는 매니퓰레 이터에 대한 수요가 점차 증가할 것으로 예상되며, 모듈 의 교체가 가능한 모듈라 매니퓰레이터 시스템은 이러 한 사용자 중심의 수요를 만족하는 하나의 솔루션이 될 수 있다.

Murata는 모듈라 로봇을 크게 4단계로 분류하였다^[2]. 그의 분류에 따르면, 분류 1은 모듈화가 되어 있어 설계 및 유지 보수가 편하지만 모듈 간 연결 관계가 고정된 (fixed configuration)의 모듈라 로봇, 분류 2는 LEGO MINDSTORMS^®와 같이 수동 재구성이 가능한(manually reconfigurable) 모듈라 로봇, 분류 3은 사람의 개입 없이 연결 관계가 자동으로 변화할 수 있는 자가 재구성 (self-reconfigurable)이 가능한 모듈라 로봇이며, 분류 4 는 모듈이 흩어져 있어도 고유의 구성을 복제할 수 있는 자가 복제가 가능한(self-replicable) 모듈라 로봇이다.

모듈라 로봇은 여러 다른 종류의 모듈들로 구성된 이 기종(heterogeneous)보다는 한 종류의 모듈로 구성된 동 종(homogeneous) 시스템인 경향이 있으며, 모듈 간 결합 방향에 따라 다양한 구성을 보일 수 있다^[3]. 분류 3 이상 의 모듈라 로봇은 이동성 및 연결성을 위해 사람의 개입 없이 모듈끼리 서로 접근하여 결합부에서 자동으로 결합 또는 분리하는 메커니즘이 적용되어 있다^[4,5].

하지만 대부분의 모듈라 매니퓰레이터는 동종 시스템 이 아니며, 모듈라 로봇의 분류 기준으로는 볼 때, 최대 분류 2의 수동 재구성 수준에서 만족하고 있다. 이는 모 듈라 매니퓰레이터의 작업 영역을 고려하였을 때, 동종 의 모듈 보다는 관절과 링크 모듈이 각각 구분되는 것이 유리하며, 분류 3 이상의 이동성 및 연결성을 위한 메커 니즘은 모듈라 매니퓰레이터의 관절 모듈에 요구되는 하중 조건 및 가격, 크기 면에서 설계에 부담으로 작용하 기 때문으로 보인다. 따라서, 모듈라 매니퓰레이터는 LEGO를 조립하는 것과 같이 작업에 적합하도록 추천된 구성을 통해 사용자가 수동으로 재구성한 후, 모듈 각 결합 관계를 인식하는 분류 2가 적합하다.

이러한 분류 2에 해당하는 VSA-Cube는 동종 시스템 의 모듈로 모듈의 크기가 일정하며, 가변 강성 기능을 갖고 있다^[6]. CMU에서 개발된 Series Elastic 방식의 뱀 로봇은 모듈화된 굽힘 회전 관절들이 직렬로 구성되어 있으며, 인접 모듈 간 회전축 방향이 서로 90도로 비틀린 채 관절 모듈이 직렬 결합된다^[7]. DLR LWR III은 관절 및 링크 모듈을 모듈화하여 높은 자중 대비 하중을 갖고 있다^[8]. Schunk는 다양한 사양의 1 또는 2-자유도 관절과 그리퍼 또는 툴 장착을 위해 빠른 변환이 가능한 모듈 라인업을 갖추고 있다^[9]. Robotis^[10]는 다양한 사양의 관 절 모듈 솔루션을 잘 갖추고 있어 DARPA Robotics Challenge의 최종 결선 팀 중에서 여섯 팀이 로봇의 각 관절에 핵심 구동 부품으로 사용한 바 있다. 또한, 환자가 장시간 착용을 하더라도 무리가 없도록 경량화가 필요한 재활 로봇의 손 모듈 개발에 구동 모듈로 사용되기도 하였다^[11]. Universal Robot^[1]의 UR3, 5, 10은 링크 및 관 절 모듈의 크기 및 사양이 다르기 때문에 작업 공간의 크기 또는 하중 요건에 따라 선택할 수 있다. OUR Robot^[12]은 4-자유도에서 7-자유도까지 모듈라 매니퓰레 이터 솔루션을 갖고 있다. 하지만 이러한 로봇들의 모듈 형 설계는 유지보수 측면에서 장점을 갖고 있으나 여전 히 제조자 중심으로 분류 1의 고정된 구성 솔루션을 제공 하기 때문에 사용자 중심의 모듈 결합으로 다양한 관절 구성을 보이는데 한계가 있다.

CMU의 RMMS는 관절 및 링크 모듈마다 모듈 정보가 내장되어 재구성 기능을 통해 분류 2 수준의 재구성 기능 을 갖고 있으나, 한 모듈의 크기가 크고 무게가 10 Kg가 넘어 무겁기 때문에 자중 측면에서 다양한 다관절 구성 을 갖추는데 적합하지 않다^[13]. Toshiba에서 개발된 TOMMS는 세 관절 모듈과 관절 모듈 간 거리를 두기 위해 길이 조정이 가능한 옵션의 링크 모듈로 구성된 3-자유도 매니퓰레이터 시스템으로, 관절 모듈은 X, Y, Z 방향의 세 입력 단자와 X, Z 방향의 두 출력 단자를 갖고 있다^[14]. 관절 모듈의 총 다섯 단자의 방향을 고려하 여 결합하는 방식에 비해, 제시된 3-자유도 매니퓰레이 터 구성 사례는 두 유형으로 제한적이다.

동명대에서는 역구동성 확보 관점에서 휴머노이드 로 봇의 최적 액츄에이터 구성 조합을 제안하고 모듈을 개 발하였다^[15]. KIST에서는 일반적인 직렬 매니퓰레이터 를 구성하는 일련의 회전 관절들을 굽힘(Rotational, R형) 또는 비틀림(Twist, T형) 관절을 비롯한 네 유형으로 분 류하여 충돌 안전에 적합한 분류 1의 매니퓰레이터의 관절 구성을 제안한 바 있다^[16]. 또한, KIST의 관절 구성 기법이 분류 2의 모듈라 매니퓰레이터의 관절 및 링크 모듈의 개념 검증 모델(Proof of Concept, POC) 설계에도 적용되어 세 가지의 관절 구성 사례를 통해 제어하는 등 모듈라 로봇 분야에도 적용 가능함을 보였다^[17].

본 연구에서는 어깨, 팔꿈치, 손목 관절을 갖는 직렬 매니퓰레이터의 인접한 두 관절 구성을 기존의 대칭 구 조에서 비대칭 구조까지 확장하여 나타내었다. 이를 통 해 도출된 관절 및 링크 모듈 형상은 기존의 모듈라 매니 퓰레이터들과 비교하여 관절 구성을 보다 다양하게 나타 낼 수 있게 한다. 본 연구의 사례 연구를 통해 사용자가 원하는 작업 및 관절 모듈의 개수에 따라 다양한 다자유 도 관절 구성으로 조합할 수 있음을 보였다.

직렬 또는 병렬 매니퓰레이터의 각 관절은 크게 회전 관절(revolute joint)과 미끄럼 관절(prismatic joint)로 나 눌 수 있다. 이 연구에서는 인간 팔과 유사한 형상(anthropomorphic arm)의 직렬 구성의 매니퓰레이터에 중심을 두 고 있다. 이러한 매니퓰레이터는 base부터 end-effector까 지 회전 관절과 링크가 직렬로 구성되어 일반적으로 6 또는 7 자유도를 갖고 있다. 본 장에서는 직렬 매니퓰레 이터를 회전 관절 단위로 나누어 설명한다.

2.1. 회전 관절의 종류

일반적인 직렬 매니퓰레이터는 Fig. 1과 같이 두 유형 의 회전 관절을 이용하여 일련의 관절 구성으로 나타낼 수 있다. 여기서 o_i는 관절 i의 원점이며, 회전축 z_i는 단위 벡터로 가정한다. oi+는 관절 i와 관절 i+1 사이의 링크 li를 li−와 li+ 둘로 나눴을 때, li−와 li+ 사이의 중간 노드를 나타낸다. Ji+는 관절 i가 회전 시 중간 노드 o_i⁺의 운동 방향이다.

Fig. 1 

Serial-chain manipulators can be configured by a series of joints of two types: Rotational (type-R) or Twist (type-T) joints

관절 i를 기준으로 할 때, R형(Rotational) 관절은 회전 축 z_i와 인접한 두 링크 li−1+와 li−의 방향이 수직인 굽힘 회전 관절이며, 매니퓰레이터의 팔꿈치 관절이 대표적 인 R형 관절이다. 원점 o_i를 기준으로 li−1+와 li−사이의 offset 유무에 따라 비대칭과 대칭 구조를 갖는데, 이는 관절에 연결되는 링크의 형상에 따라 결정된다. T형 (Twist) 관절은 회전축 zi와 인접한 두 링크 li−1+와 li−의 방향이 같은 비틀림 회전 관절이다. Fig. 1의 R형 및 T형 관절을 이용하여 인접한 두 관절 사이의 링크를 두 부분 으로 나누고 중간 노드를 중심으로 링크의 굽힘 및 비틀 림 각도 관계를 이용하여 확장할 수 있음을 다음 절을 통해 설명한다.

2.2. R과 T형 관절을 이용한 인접한 두 관절

Fig. 2는 T형과 R형을 이용하여 인접한 두 관절 구성을 나타낸 것이다. 여기서부터 기호 ‘⊥’(또는 p)는 직각을 의미한다. T⊥형 관절은 T형 관절의 출력 링크 li의 이후 중간 노드 oi+를 중심으로 li−와 li+가 서로 수직일 때, ⊥T 형 관절은 T형 관절의 입력 링크 l_i-1의 이전 중간 노드 oi−1+를 중심으로 li−1−와 li−1+가 서로 수직일 때와 같다. 중 간 노드를 중심으로 두 부분으로 나뉜 링크 사이의 굽힘 및 비틀림 각도 관계를 통해 Fig. 3(대칭 구조)과 Fig. 4(비대칭 구조)와 같이 다양한 관절 구성을 표현할 수 있다. 기존 매니퓰레이터의 어깨 또는 손목 관절의 대부 분에서 볼 수 있는 2-자유도 관절 구성은 TR, RT, RR 구성이다. T⊥R, R⊥T은 TR, RT와 비슷한 확장 구성이 지만 li−와 li+가 서로 굽힘 ⊥를 이루어 각각의 회전축 사이에 li+의 offset을 둘 수 있는 차이가 있다. T⊥T, R⊥ R은 TT, RR의 li−와 li+가 굽힘 및 비틀림 ⊥를 이루면서 확장되는 구성이다. 이번 절에서 언급한 두 인접한 관절 구성을 나타낼 수 있는 모듈라 관절과 링크를 다음 장에 서 설명한다.

Fig. 2 

Extended joint types by the adjacent link shape attached before or after type T joints

Fig. 3 

Examples of adjacent two joint configurations using type R and T joints (Symmetric)

Fig. 4 

Examples of adjacent two joint configurations using type R and T joints (Asymmetric)

이전 장에서 도출된 형상의 모듈라 관절 및 링크를 이용하여 모듈라 매니퓰레이터의 다양한 관절 구성의 예를 사례 연구를 통해 살펴 보도록 한다. Fig. 12는 분류 1에 해당하는 Universal Robot^[1]의 UR series와 OUR robot^[12]의 4에서 7-자유도의 라인업을 예로 나타낸 것이 다. 관절 모듈은 입력과 출력 회전축 방향이 수직 관계인 1-자유도 모듈로 둘 수 있다. 링크 모듈은 LM 1과 2형으 로 두 종이다. OUR robot의 상박 링크는 LM 1형으로 2축과 3축 관절 모듈 사이에 RR 구성을 나타내는데 사용 된다. 하박 링크에는 5 또는 6-자유도 구성의 경우 LM 2형으로 2축과 3축 관절 모듈 사이에 RR 구성을 나타내 며, 7-자유도 구성의 경우 같은 LM 2형이지만 4축과 5축 모듈 사이에서 TR 구성을 나타내는데 사용된다. UR series의 모든 솔루션은 OUR robot의 6-자유도 관절 구성 사례와 같다.

Fig. 12 

Modular manipulators with 1-DoF joint modules

Fig. 13은 2-자유도 관절 모듈을 포함하는 모듈라 매니 퓰레이터인 DLR의 LWR III의 비대칭 버전^[8]과 Schunk^[9] 의 Powerball LWA 4P를 나타낸 것이다. DLR LWR III는 5축 링크까지 LM 2형 안에 조인트 모듈이 매립되어 TR 및 RT 관절 구성이 교대로 나타나며, 6, 7축을 2-자유도 관절 모듈로 RT 구성을 나타낸다. Schunk Powerball LWA 4P는 2-자유도 관절 모듈 3개로 6-자유도 관절 구 성을 가진다.

Fig. 13 

Modular manipulators including 2-DoF joint module(s)

Fig. 12와 13으로 정리한 것과 같이 기존의 모듈라 매 니퓰레이터 솔루션은 관절 모듈의 입력 및 출력 방향이 1개씩으로, 1종의 관절 모듈과 2종의 링크 모듈 또는 2종 의 관절 모듈과 1종의 관절 모듈로 모듈화를 하였으나, 다양한 구성 사례로 조합할 수 없어 단조로운 관절 구성 을 보인다. 제조사의 제작과 유지 보수 과정에서 장점은 있으나, 사용자가 DIY로 원하는 관절 구성을 조합하는 데 한계가 있다. 하지만 본 연구를 통해 도출된 2종의 링크 모듈과 1종의 관절 모듈은 출력 회전축 방향과 수평 방향 또는 수직 방향으로 결합이 가능하여 Fig. 14와 같 이 어깨, 팔꿈치, 손목 관절마다 다양한 조합을 나타낼 수 있다. 관절 모듈 1종과 링크 모듈 2종 등 총 3종으로 어깨 2-3 자유도, 팔꿈치 1-2 자유도, 손목 2-3 자유도의 조합 중에 사용자가 원하는 구성으로 선택하여 조합하 면, 적게는 어깨-팔꿈치 3자유도부터 어깨-팔꿈치-손목 8자유도까지 원하는 자유도로 모듈라 매니퓰레이터를 구성할 수 있다.

Fig. 14 

Possible combinations of Shoulder-Elbow-Wrist joint configurations of modular manipulator system

이 논문은 T형과 R형 관절을 이용한 직렬 매니퓰레이 터의 관절 구성 기법을 바탕으로 다양한 관절 구성이 가능한 모듈의 형상 도출에 대한 새로운 방법론을 제안 하고 관절 및 링크 모듈에 대한 설계를 도출하였다. 본 연구를 통해 도출된 형상의 관절 및 링크 모듈로 기존의 모듈라 매니퓰레이터가 제공하는 솔루션보다 더 다양한 관절 구성으로 확장이 가능함을 사례 연구를 통해 보였 다. 관절-관절 모듈로 직접 결합이 가능하여 실제 자유도 보다 적은 수의 링크 모듈로도 같은 수의 관절-링크 모듈 로 이루어진 기존 매니퓰레이터의 경우보다 다양한 어깨 -팔꿈치-손목 관절 구성이 가능하다.

향후 연구로는 2-자유도 관절 모듈을 제작하고, 모듈 간 결합 위치 정보를 이용하여 모듈 결합 시 자가재구성 이 가능하도록 관절 및 링크 모듈을 개선할 예정이다. 이를 위해 본 연구를 통해 도출된 링크 모듈에 대한 형상 을 비롯하여 모듈에 대한 정보를 담은 제어기가 각 모듈 내에 장착되고, 결합부에는 모듈 간 상대적인 결합 위치 를 파악할 수 있도록 위치 감지를 위한 단자와 회로가 구성될 것이다.