산업용 양팔로봇을 이용한 공연 예술 구현 사례

2.1 제조용 양팔로봇 AMIRO-M

첫 번째 공연에 사용된 산업용 로봇은 한국기계연구원에 서 정부연구사업으로 개발한 양팔로봇 AMIRO-M이다. Fig. 1의 AMIRO-M은 조립작업에 적합하도록 사람과 유 사한 형태로 만들었다. 각 팔에 7자유도, 허리에 3자유도를 포함해 총 17자유도를 가지는 로봇이다. 각 팔의 길이는 800 mm 이며, 가반하중은 7 kg이상이다. 전체적으로 건장 한 성인남성 정도의 크기이다. 반복정밀도는 조인트에서 0.001도 이하의 오차를 보인다. AMIRO-M의 주요 제원은 Table 1과 같다.

Fig. 1

Industrial dual-arm robot; AMIRO-M

Table 1

Developed Dual-arm robot ‘AMIRO-M’ specifications

2.2 제조용 양팔로봇 AMIRO-1

두 번째 공연 예술에 사용된 양팔로봇은 AMIRO-M과 달리 모바일 기능이 없는 고정형 양팔로봇 AMIRO-1이다^[10]. Fig. 2의 AMIRO-1은 각 팔에 7자유도, 허리에 2자유도를 포함 해 총 16자유도를 가진다. 각 팔의 길이는 680 mm이며, 가반하중은 5 kg이상이다. 그 외 특성은 AMIRO-M과 유사 하다. AMIRO-1의 주요제원은 Table 1과 같다.

Fig. 2

Industrial dual-arm robot; AMIRO-1

2.3 양팔로봇 제어시스템

산업용 로봇은 그 정밀성과 속도 때문에 실시간 제어시스템 기반에서 동작해야 한다. 본 개발에서 사용한 EtherCAT또한 실시간 통신프로토콜이기 때문에 실시간 OS에서 그 성능이 나타난다. 본 개발에서는 실시간 제어 시스템은 microsoft windows 기반으로 구현하였다. 일반적으로 가격적인 문제 때문에 linux에 실시간 Patch를 해서 사용하는 것을 선호하고, 경우에 따라서는 OS 없이 구현하는 경우도 많다. 하지만, 단 순히 개발 목적일 경우 windows는 그 편의성 때문에 많은 개발자들이 선호한다. 다만, windows 는 선점형 OS가 아니 기 때문에 기본적으로는 실시간 OS의 특성을 가지고 있지 않다. Windows가 실시간성을 가지도록 하기 위해서 본 개발 에서는 상용소프트웨어인^[11]의 intervalzero의 RTX를 사용 하였다. EtherCAT통신을 위한 물리계층은^[12]의 상용소프트 웨어인 Koenig사의 KPA를 사용하였다.

PC기반 실시간 제어 시스템에는 물리적인 통신 계층 외 에도 제어를 위해 별도로 개발한 실시간 기구학 및 동역학 알고리즘도 탑재하였다. 보통의 산업용 로봇이 6자유도에 그치는 것과 달리, 개발한 양팔로봇은 각 팔 7자유도와 허리 에 2~3자유도를 포함한 16~17자유도를 가지고 있기 때문 에, 연산이 많고 여유 자유도를 고려한 역기구학을 풀어야 한다. 개발한 PC기반 실시간 로봇제어기의 개괄적인 구조 도는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3

The concept of the developed real-time control system

한편, 일반적으로 산업용 로봇에서 정밀도와 속도를 확보 하기 위해서는 1 kHz이상의 고속 제어주기를 확보해야 한 다. 예를 들어 cartesian space에서 움직일 경우, 0.001초 이내에 각 관절의 위치 값을 읽고, 목표 cartesian space에서 보간을 수행하고, 여유 자유도에 대한 역기구학 연산을 하 고, 목표 관절 값을 추종하기 위한 전류 값을 만들어 내야 한다. 실험적으로 개발한 PC기반 제어기의 실시간 성을 확 인하였다. 전축에 대한 여유 자유도를 고려한 역기구학 연산 및 EtherCAT를 통한 구동모듈과의 입 ․ 출력 통신, torque기 반 관절 제어기 등을 구동하였다. 이 때 Fig. 4와 같이 0.001 초의 제어시간 내에서 모든 동작이 끝나는 것을 확인할 수 있었고, 최대 jitter도 1% 이내임을 확인 할 수 있었다.

Fig. 4

Jitter when control a dual-arm robot with the developed PC based controller

3.1 공간 제약 시물레이션

공연을 구성함에 있어서 제일 큰 제한사항은 로봇의 작업 공간제한과 힘이다. 구성된 공연에서는 로봇의 말단에 프로 젝션을 위해 스크린으로 사용할 큐브를 장착하게 되었는데, 그 무게와 크기를 결정하는 것은 로봇연구자의 몫이다. 예 술가는 큐브가 크면 클수록 많은 정보를 표현할 수 있기 때문에 이롭다. 하지만, 큐브가 정적으로 위치하는 것이 아 니라 로봇의 동작에 따라 움직이기 때문에, 동작간에 자기 충돌의 위험이 상존한다. 자기충돌은 제어적 방법으로 회피 하는 것이 가능하지만, 공연에서 의도하는 것은 스크린 역 할을 할 큐브가 정해진 시간에 정해진 궤적을 따라가는 것 이다. 따라서 사전에 시뮬레이션으로 자기충돌을 확인해야 한다. 두 번째 공연도 마찬가지다. 두 번째 공연은 17 inch LCD 모니터를 양손에 부착한 후 움직이기 때문에 특히 공간 제약이 많다. 충돌과 공간 제약을 확인하기 위해서 Fig. 5처럼 LCD모니터와 동일 크기의 부착물을 장착하고 시뮬레이션을 수행하였다.

Fig. 5

Simulation model for art performance with AMIRO-1

무게의 경우도 마찬가지다. 일반적으로 로봇의 가반하중 은 제한이 있으며, 특히 사용한 양팔로봇의 경우 인간과 유사한 외관과 크기를 유지하기 위해서 가반하중이 5 kg 내외로 제한된다. 상대적으로 유사크기의 양팔로봇의 가반 하중이 2 kg이하인 것을 고려하면 월등이 뛰어난 성능이다. 하지만 일반인이 생각하는 로봇의 무한한 힘과는 괴리가 있다. 무게에 대해서는 로봇이 감당할 수 있는지는 이론적 으로 동역학 시뮬레이션을 하면 알 수 있지만, 동역학 변수 자체가 오차가 많기 때문에, 기구학과는 달리 실제로는 잘 쓰이지 않는다. 본 연구팀은 공연 구현 시 실제 로봇에 무게 추를 장착하여 목표 속도 이상으로 움직임이 가능한지, 또 가반하중에 따른 위치오차가 없는지를 검증하였다. 두 가지 작품을 구성함에 있어서 가반하중의 절반이하의 무게는 전 혀 성능저하를 나타내지 않았다.

3.2 공연 예술 Case 1

첫 번째 작품에서는 로봇의 양손에 의 나무로 제작한 큐 브를 장착하고 동작을 취하였다. 큐브의 무게는 500 g 정도 로 사용한 양팔로봇의 성능에 비하면 가벼운 편이다.

산업용 양팔로봇을 이용한 공연 예술을 만들기 위해서, 양팔로봇이 두 손에 큐브를 부착한 상태에서 움직일 때 큐 브에 영상을 투사 하도록 하였다. 영상은 가상의 사람이 큐브로 이루어진 세상에서 걸어 다니고, 문을 열고 나오고, 그 속에서 사는 모습을 담고 있다. 이 때 중요한 것은, 투사 하는 영상의 기준 좌표계가 있고, 로봇의 기준 좌표계가 있을 때, 두 좌표계간의 관계를 알아내는 것이다. 현실적으 로 공간상의 기준 좌표계를 설정하고, 로봇과 프로젝터의 좌표계를 일치시키는 것보다는 둘 중 하나를 기준으로 잡 고, 한 쪽이 일치시키는 것이 빠르다. 구현 시에는 로봇 좌표 계를 기준 좌표계로 설정하고, 프로젝터를 이에 맞췄다. 하 지만, 로봇 좌표계 기준으로 프로젝터의 거리나 회전각을 알아내는 것은 정밀한 별도의 센서를 요구하기 때문에, Fig. 6과 같이 trial & error 과정으로 좌표계를 일치시켰다. 구체 적으로는 로봇 끝단에 장착한 실제 큐브의 모서리와 영상에 서 투사하는 큐브의 모서리를 일치시킴으로서 좌표계 보정 을 수행하였다.

Fig. 6

Coordinate mapping for art performance with AMIRO-M

이 작품을 구현함에서 있어서 실제로 중요한 것은 로봇의 반복정밀도이다. 서비스로봇의 경우 반복정밀성이 떨어지 기 때문에, 본 논문에서 시도하고자 하는 정밀성에 기반한 투사가 불가능하다. 사용한 산업용 로봇은 반복정밀도가 굉 장히 우수하기 때문에, 프로젝터와 로봇 좌표계사이의 관계 가 정해진 이후에는 Fig. 7~9에서 보듯이 반복적으로 동일 한 정밀도를 유지한다. 물론 프로젝터의 공간상의 위치가 영상의 휘어짐 등 때문에 큐브의 모서리와 완전히 일치하는 영상을 투사하는 것은 현실적으로 불가능했다.

Fig. 7

A scene from art performance with AMIRO-M: a man walk to the door in a cube screen

Fig. 8

A scene from art performance with AMIRO-M: a man walk down steps in two cubes

Fig. 9

A scene from art performance with AMIRO-M: a man go pass from a cube to another cube

3.3 공연 예술 Case 2

두 번째 작품에서는 시점을 추적하는 증강현실구현 등의 기술을 시도하였다. 가상현실 속 물체가 움직이면 그에 맞 춰 로봇이 모니터를 움직이는 식이다. 이러한 기술적 확장 을 통해 현실과 가상이 겹쳐지며 경계가 모호해지는 지점에 서 나타나는 감성을 드러내려 했다.

이번 작품에서는 로봇의 양손에 각각 17 inch (375 mm × 234 mm)모니터를 부착하였다. 무게는 1.3 kg에 달한다. 이 작품을 구현시에는 모니터의 무게 보다는 크기가 큰 제 약사항이었다. 모니터는 정면을 향하도록 해야하고, 서로 충돌하지 않아야 했다. 그럼에도 역동적이고 재미있는 예술 작품을 만들기 위해서는 최대한의 공간을 활용해야 했다. 특히 Fig. 10~12에서 보듯이 팔을 길게 뻗어 로봇의 어깨부 분에 토크가 많이 요구되는 동작들이 많았다. 하지만 이 경우에도 정격토크의 절반이하 만이 필요했다.

Fig. 10

A scene from art performance with AMIRO-1: Cubes inside monitors are coincide with cubes in back screen

Fig. 11

A scene from art performance with AMIRO-1: Cubes inside monitors are moving from the robot

Fig. 12

A scene from art performance with AMIRO-1: Robot is rotating big monitors synchronizing with back screen

양팔로봇의 두 손에 모니터를 부착하여 움직일 때 배경과 동기화하는 영상을 모니터를 통해서 출력하였다. 앞선 공연 예술 Case 1의 외부의 프로젝터를 이용하여 3차원 공간에 투사하는 방식과는 달리, 모니터를 통해서 선명한 영상을 출 력하는 방식이기 때문에 좌표계 일치는 필요하지 않았다. 다 만, 영상과 로봇의 움직임간의 동기화에 많은 시간이 들었다.