임무에 따른 하박 교체형 고 가반하중 양팔로봇의 설계: 구난 및 물체 핸들링

1. 서 론

최근 로봇 기술의 발달과 더불어, 기존 제조용 로봇 분야뿐 만 아니라 가사, 의료 및 엔터테인먼트 등 다양한 분야에 적용 가능한 로봇이 개발되고 있다. 또한 다양한 분야에서 무인화 에 대한 요구가 증가하면서, 실내뿐만 아니라 실외 환경에서 의 로봇에 대한 필요성이 증가하고 있다. 특히 국방분야에서 는 대부분의 작업이 위험성이 높은 야지에서 수행되므로, 로 봇을 활용한 무인화에 대한 노력이 활발하다.

일반적으로 모바일 플랫폼 등의 이동체만으로 구성된 초기 의 군용로봇의 경우 카메라를 활용한 감시정찰및 물건 이송과 같은 수동적인 임무에만 적용이 가능하였다^[1]. 그러나 근래에 개발되는 군용 로봇은 모바일 플랫폼에 물체를 핸들링 할 수 있는 매니퓰레이터를 장착함으로써 폭발물 제거와 같은 다양 한 능동적 임무에 활용 가능하다^[2,3]. 또한 최근에는 군용로봇 에도 양팔로봇기술이 적용되면서 부상자 구난 등 더욱 복잡한 임무에 로봇 활용한 무인화가 가능해 졌다^[4,5].

일반적으로 매니퓰레이터는 말단부에 부착되는 그러퍼 (혹은 핸드)를 교체함으로써 다양한 물체를 파지하거나 이동 시킬 수 있다. 본 개발에서는 단순히 그리퍼 교체로 해결이 안 되는 임무변화에 대응하기 위해서 하박교체형 양팔로봇을 개 발한다. 개발하는 양팔로봇은 부상자 구난 및 중량물 핸들링 을 목표로 한다. 각각의 임무는 매우 상이한 기능을 갖는 매니 퓰레이터를 필요로 한다. 부상자 후송을 위해서는 일반적인 매니퓰레이터가 가지는 6자유도 이상의 자유도보다는 안정 적인 부상자 후송을 위한 제한된 자유도와 사람을 들 수 있는 형태의 팔이 더 적합하다. 목적으로 하는 구난 임무의 경우 최 소 80 kg이상의 사람을 양팔로 들어올리는 자유도와 힘이 중 요하다. 자유도가 많을 경우 제한된 공간때문에 말단으로 갈 수록 고출력을 확보하는 것이 현실적으로 불가능하다. 본 연 구에서는 고출력을 확보하면서 사람을 들 수 있는 고출력을 확보하기 위해서 자유도를 4자유도로 절충하였다. 반면 중량 물 핸들링을 위해서는 6자유도 이상의 고자유도와 고중량이 지만 작은 크기의 하박이 적합하다. 이런 상이한 목표를 하나 의 로봇으로 이루기는 힘들다. 유사 목적으로 연구되고 있는 모듈기반 로봇은 다양한 목표를 이루는데 적합하지만, 연결부 위의 강성을 확보하기 힘들어 정밀작업에는 적합하지 않다^[6].

본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 각 임무에 특화된 매니퓰레이터 하박모듈을 설계하고, 필요 상황에 따라 로봇에 결합함으로써 복수의 임무를 수행할 수 있는 하박교체 형 고 가반하중 양팔로봇을 개발한다. 파지용 하박의 경우, 기 존 제조용 로봇과 같이 높은 강성 및 정밀도를 갖도록 설계되 었으며, 로봇과의 결합 시에 여유자유도 구조를 갖도록 함으 로써, 원활한 물체 핸들링이 가능하도록 하였다. 반면에 구난 용 하박의 경우에는 컴플라이언스 기반 안전 장치를 설치하여 구난 작업 시에 발생할 수 있는 각종 위험상황으로부터 부상 자를 보호할 수 있도록 하였고, 안정적으로 부상자를 들어올 리는 것이 가능하도록 설계하였다. 본 연구범위에는 부상자의 이송에 필요한 양팔로봇을 탑재할 모바일 로봇은 제외한다. 고 가반하중 모바일 로봇은 별도의 연구로 진행된다. 본 연구 에서 개발되는 양팔로봇은 구난 임무와 중량물 핸들링을 고려 하여 높은 기중력 및 가반하중을 갖도록 설계되었으며, 실외 환경에서의 동작을 감안하여 방진 및 방수가 가능하도록 설계 되었다.

본 논문은 다음과 같이 구성된다. 2장에서는 물체 파지 및 구난 임무를 위한 매니퓰레이터의 필요 조건을 분석한다. 3장 에서는 이를 바탕으로 각 임무에 특화된 하박 모듈 및 공통으 로 사용되는 상박모듈의 설계에 대하여 설명한다. 4장에서는 개발된 양팔로봇의 성능을 보인다. 마지막으로 5장에서는 결 과 및 앞으로의 연구 계획에 대하여 고찰한다.

2. 작업 분석 및 설계 컨셉트

2.1 구난 및 물체 핸들링을 위한 요구조건 분석

본 연구에서는 [Fig. 1]과 같이 야지에서 부상자 구난 및 위 험물(중량물) 핸들링 임무에 활용 가능한 양팔 로봇 플랫폼을 개발한다. 일반적으로 로봇 매니퓰레이터는 말단부에 부착되 는 그리퍼 등의 장치에 따라 다양한 작업 수행이 가능하다. 따 라서 다양한 사양 및 형상의 그리퍼를 구비함으로써 [Fig. 1(a)]과 같이 본 연구에서 목표로 하는 물체 파지 및 핸들링 임 무를 수행할 수 있다. 이와 같은 물체 핸들링 작업에서는 위치 정밀도가 매우 중요한 요소이므로, 기존 제조용 로봇과 같이 정밀 감속기(e.g. 하모닉기어 등)를 사용한 고강성 설계가 필 요하다. 또한 다양한 상황에서 효과적인 작업수행을 위해서는 여유자유도 구조를 갖는 것이 유리하다.

[Fig. 1]

Tasks of dual arm robot: (a) object grasping and handling, and (b) human lifting for rescue

반면에 개발되는 로봇의 또 다른 목적인 부상자 구난을 위 해서는 물체 핸들링을 위한 매니퓰레이터와 매우 상이한 특징 을 갖는 설계가 요구된다. 예를 들어 구난 임무를 위해서는 바 닥에 쓰러져 있는 부상자를 [Fig. 1(b)]와 같이 안아 올려서 안 전한 지역까지 이송해야 하므로, 매니퓰레이터는 안정적으로 사람을 지지할 수 있도록 얇고 넓은 형상으로 설계되어야 한 다. 그러나 효과적인 물체 핸들링을 위해서는 다수의 관절설 계가 필요하므로 모터 및 감속기 등의 구성요소 배치로 인하 여 로봇팔을 얇고 평평하게 설계하기에는 한계가 있다. 또한 로봇과 사람의 접촉이 발생하는 구난 작업을 위해서는 오동작 등의 위험상황으로부터 사람을 보호할 수 있는 컴플라이언스 구조가 필요한 반면, 정밀한 물체 핸들링을 위해서는 높은 강 성의 매니퓰레이터가 필요하다. 이와 같이 단순 물체 파지 및 핸들링이 아닌 구난 임무와 같이 로봇 전체를 활용한 작업 수 행이 필요한 경우에는 해당 작업에 맞는 매니퓰레이터 설계가 필요하다.

따라서 이와 같은 상황에서는 단순히 그리퍼의 교체로 매 우 상이한 특징의 로봇을 요구하는 복수의 임무를 효과적으로 수행하기 힘들기 때문에 각각의 용도를 위한 별도의 로봇을 개발하는 것이 일반적이다.

2.2 설계 컨셉트

본 연구에서는 앞서 기술한 문제를 해결하고자 임무에 따 라 하박 모듈을 교체함으로써 상이한 복수의 임무에 활용 가 능한 양팔로봇 플랫폼을 개발하였다. 또한 이를 위하여 물체 핸들링 및 구난작업에 특화된 하박 모듈을 각각 개발하여 공 용으로 활용되는 매니퓰레이터 상박과 결합함으로써 로봇이 효과적으로 각각의 임무를 수행할 수 있게 하였다.

[Fig. 2]에서 볼 수 있듯이, 물체 핸들링용 하박은 Roll-Pitch- Roll 의 3자유도로 설계함으로써 4자유도로 구성된 상박과 결 합 시에 전체 매니퓰레이터가 여유자유도 구조를 갖도록 함으 로써 원활한 작업이 가능하도록 하였다. 또한 기존의 제조용 로봇과 같이 고정밀 / 고강성의 감속기와 BLDC 모터를 사용 함으로써 높은 위치정밀도와 가반하중 30 kg을 달성할 수 있 게 하였다. 힘 측면에서는 유압구동기가 유리하지만, 회전각 을 충분히 확보하기 힘들고, 하박교체를 위한 유압 체결방법 이 없기 때문에 본 연구에서는 전기모터를 사용한다.

[Fig. 2]

Joint structure for each task: Object handling and human lifting: (a) 7DOfs for object handling, and (b) 4Dofs for human lifting

반면 구난 작업의 경우, 물체 핸들링과는 달리 매니퓰레이 터 상박에 위치한 4개의 관절로도 충분히 임무수행이 가능하 므로, 구난용 하박에는 능동 자유도를 삽입하지 않았다. 이로 인하여 하박 내부에 별도의 감속기 및 모터를 삽입할 필요가 없으므로 바닥에 위치한 부상자를 효과적으로 안아 올릴 수 있 는 평평하고 얇은 구조 설계가 가능하다. 또한 능동 관절 대신 컴플라이언스를 갖는 2개의 수동 관절을 삽입함으로써 위험상 황 시에 사람의 상해를 방지하거나 최소화 할 수 있게 하였다.

로봇의 구성을 위한 몸통 및 매니퓰레이터 상박의 경우, 부 하해석 등을 통하여 두 임무 모두 적용 가능한 형상 및 사양으 로 설계하였으며, 두 하박 모듈이 공용으로 부착될 수 있는 결 합 부를 설치하였다.

3. 매니퓰레이터 설계

3.1 부하 해석

일반적으로 로봇의 설계 시에는 각 관절에 인가되는 부하 를 해석하고, 이를 바탕으로 목표하는 작업 수행에 적합한 사 양의 부품을 선정한다. 본 연구에서는 기 수행된 양팔로봇 개 발을 토대로 [Fig. 3]와 같이 로봇의 각 부분별 무게를 가정하 고 Recurdyne^®을 사용한 시뮬레이션을 통해 목표하는 구난 작 업 및 물체 핸들링 작업 시에 인가되는 부하를 산정하였다. 부 하해석을 위해서 [Table 1]에서제시한 목표와 같이 물체 파지 및 구난 작업을 가정하여 각각 30 kg 및 60 kg의 부하를 매니퓰 레이터 끝 단에서 일정거리 떨어진 지점과 하박의 일정위치에 인가하였으며, 구난 시의 안전 등을 고려하여 관절당 최대 9°/s (1.5 RPM)의 속도로 회전한다고 가정하였다.

[Fig. 3]

Load analysis: (a) simulation condition and (b) result

[Table 1]

Requirements for rescue and object handling tasks

[Fig. 3(b)]의 해석 결과 구난 작업 시에 관절 1에 최대 653 Nm 의 토크가 인가됨을 알 수 있으며, 이와 같은 해석을 바탕 으로 기어 감속비, 동력전달요소(기어 및 감속기)의 효율 및 설계 안전율 등을 고려하여 해당관절에 적절한 모터, 감속기 및 웜기어 등을 선정할 수 있다. 또한 부하해석 결과는 로봇의 각 프레임 등 주요부품 설계를 위한 FEM 해석에 활용함으로 써 로봇의 강성을 유지하면서 중량을 최소화 할 수 있다. 상기 의 과정을 반복하면서 외관의 디자인을 변경하고, 프레임 내 부의 필요 없는 부분을 삭제하면서 경량화를 수행하였다.

3.2 로봇 상박 및 몸통 설계

본 연구에서 개발되는 양팔로봇의 상박 및 몸통은 구난 및 물체 핸들링 작업에 공용으로 활용되므로 부하해석 결과를 바 탕으로 두 작업을 모두 만족시킬 수 있는 사양으로 설계되었 다. 본 연구에서 설계된 로봇팔의 상박은 [Fig. 4]와 같이 목표 하는 두 작업을 효과적으로 수행할 수 있도록 Roll-Yaw-Roll- Pitch의 4자유도로 구성하였다. 특히 로봇 상박에는 정밀 감속 기와 함께 ‘웜 & 웜휠’ 기어를 활용함으로써 높은 감속비 및 토 크를 확보하는 동시에 로봇 팔의 역구동을 근본적으로 방지하 여 베터리 방전 및 고장 등의 문제로 로봇의 전원이 꺼진 상황 에서도 로봇 팔이 안정적으로 사람을 지지할 수 있도록 하였 다. 모든 관절은 케이블링을 고려하여 중공형으로 설계하였으 며, 매니퓰레이터 내부에 모터 제어기를 위치 시킴으로써 중 공을 통과하는 케이블의 수를 최소화 하였다.

[Fig. 4]

Design of torso and upper arm module: (a) upper arm module, (b) joint module, (c) assembly between torso and upper arm module, and (d) installation of motor drive

본 연구에서 개발되는 로봇은 실외에서 베터리로 구동되는 경우에도 동작을 목표한다. 전력 소모를 최소화하여 구동시간 을 향상시키기 위해서는 로봇의 경량화가 필수이다. 반면에 구난 작업 및 중량물 파지 시에 로봇에 큰 부하가 인가되므로 최소한의 강도를 확보할 수 있도록 설계되어야 한다. 본 연구 에서는 이를 위하여 [Fig. 5]과 같이 부하해석 결과를 바탕으로 한 구조해석을 수행함으로써 양팔로봇 몸통 등의 각 프레임을 설계하였다.

[Fig. 5]

FEM analysis for robot design

3.3 모듈형 하박 관절 설계

본 연구에서 개발되는 로봇에 부과된 구난 및 물체 핸들링 임무를 효과적으로 수행하기 위하여 각 임무에 특화된 하박 모듈을 설계하였다.

3.3.1 파지용 하박 모듈 설계

일반적으로 물체를 조작하는 작업을 위해서는 기존 산업용 로봇과 같은 다자유도, 고강성, 고정밀의 매니퓰레이터가 유 리하다. 이를 위하여 본 연구에서는 [Fig. 6]과 같이 AC 모터 및 정밀 감속기로 구성된 파지용 하박 모듈을 설계하였다.

[Fig. 6]

Design of forearm module for object handling: (a) rotational joint, and (b) structure

설계된 하박 모듈은 30 kg의 물체 핸들링이 가능하도록 구 성하였으며, 앞 절에서 소개한 상박 모듈과 결합하여 7 DOFs 의 여유자유도를 갖도록 Roll-pitch-Roll의 3 DOFs로 설계되었 다. 한정된 공간에 모터와 감속기를 효과적으로 배치하기 위 하여 [Fig. 6(b)]과 같이 베벨 기어 및 타이밍 벨트를 적용하였 으며 부하해석 결과를 바탕으로 적절한 감속비를 설정함으로 써 토크를 확보하였다.

3.3.2 구난용 하박 모듈 설계

구난용 하박의 경우에는 물체 파지용 하박과 달리 로봇의 고장, 오동작 등으로 인한 이상상황에서 구난하는 사람을 보 호할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 이를 위하여 [Fig. 7]과 같 이 로봇이 사람을 찌르거나 누르는 위험상황에서 사람에게 인 가되는 힘을 최소화 할 수 있도록 구난용 하박모듈에 2개의 수 동 컴플라이언스 관절을 삽입하였다.

[Fig. 7]

Overview of the passive compliance module to enhance safety for human rescue task: (a) poke, and (b) press

하박모듈에 위치한 두 개의 수동 컴플라이언스 관절들은 사람을 찌르는 상황과 누르는 상황에 대응하기 위하여 각각 직동관절 및 회전 관절로 설계되었으며, 초기 압축 / 인장된 스 프링을 적용함으로써 로봇의 움직임에 따른 컴플라이언스 관 절의 진동을 방지하는 동시에 향후 적용 상황에 맞는 적절한 강성을 갖도록 하였다. 사용되는 스프링의 강성 및 초기 압축 거리는 [Table 2]의 ISO TS 15066 기준을 참고하여 로봇의 적 용 상황에 따라 변경할 수 있도록 하였다. 인장 스프링을 적용 한 회전 관절과 달리 압축스프링을 적용한 직동 관절의 경우 스프링 좌굴을 방지하기 위하여 샤프트 및 리니어 부쉬를 적 용하였다. 또한 각 컴플라이언스 관절에는 회전 및 직선 엔코 더를 적용하여 관절의 변위를 측정할 수 있게 하였다. 이로 인 하여 [Fig. 9]의 위험상황에서 원격 사용자에게 충돌 상황을 인 지시킴으로써, 적절한 안전조치를 취할 수 있게 하였다.

[Table 2]

Biomechanical Limit in ISO TS 15066 Annex[7]

본 연구에서 설계되는 구난용 하박의 경우 파지용 하박과 달리 별도의 능동 자유도 구성을 위한 모터 및 감속기가 필요 없으므로 [Fig. 8]와 같이 구난 임무에 유리한 평평하고 얇은 형상설계가 가능하다. 또한 하박 모듈 자체의 중량을 최소화 함으로써 로봇의 기중력을 극대화하여 안정적으로 사람을 안 아 올릴 수 있게 하였다.

[Fig. 8]

Design of forearm module for human rescue

4. 프로토타입 설계/제작 및 성능검증

본 연구에서는 [Fig. 9]과 같이 하박 교체형 고 가반하중 양 팔로봇의 프로토타입을 설계하고, 목표로 하는 임무수행의 가 능성을 검증하기 위하여 프로토타입을 제작하였다. 로봇무게 의 경량화를 위하여 대부분의 주요 부품은 알루미늄 합금으로 설계하였다. 로봇의 최종 사양은 [Table 3]과 같다.

[Fig. 9]

Design of dual arm robot; (a) object grasping and handling, and (b) human lifting for rescue

[Table 3]

Specifications of dual arm robot

설계된 프로토타입을 바탕으로 Feasibility test를 위한 프로 토타입을 제작하고 성능검증을 수행하였다. 이를 위하여 [Fig. 10]과 같이 제작된 토르소 및 상박모듈에 파지용 하박을 부착 한 후 목표 가반하중(30 kg)을 들어 올릴 수 있는지 검증하였 으며, 양팔을 활용하여 중량물 조립 등의 작업이 가능함을 확 인하였다.

[Fig. 10]

(a) Experiments, and (b) demonstrations to verify performance of dual arm robot

[Fig. 11]의 구난용 하박 모듈의 경우, 설계된 구조 및 선정 한 스프링을 통해 안전한 구난 작업을 위한 적절한 유연성을 갖는지 검증하였다. 용수철저울(Spring scale)을 사용하여 측 정한 결과 찌르는 방향 및 누르는 방향에서 각각 최대 60 N, 55 Nm의 힘을 발생시켰으며, ISO TS 15066 기준으로 인체 대부 분의 부위에 대하여 안전성을 갖는 것을 알 수 있다. 이때 각 수 동 컴플라이언스 관절에 적용된 스프링의 강성은 2.1 N/mm 이며, 컴플라이언스 정도는 스프링의 교체로 조절 가능하다.

[Fig. 11]

Feasibility test for rescue module: Max. applied force while the forearm module (a) poke and (b) press the human body

5. 결론 및 향후 연구계획

본 논문에서는 기존 산업용 로봇과 같이 높은 강성 및 정밀 도를 요하는 물체 핸들링 작업과 안전성이 필수인 구난작업을 모두 수행하기 위하여, 공통으로 활용되는 토르소 및 매니퓰 레이터 상박에 임무에 특화된 하박 모듈을 결합함으로써 매우 상이한 특성의 임무를 하나의 로봇으로 달성할 수 있는 솔루 션을 제시하였다. 즉, 물체 핸들링용 하박은 기존 제조용 로봇 과 같이 높은 강성으로 설계되었으며, 원활한 조작을 위해 상 박과의 결합 시에 여유자유도를 제공할 수 있도록 다수의 능 동 자유도로 구성되었다. 반면에 구난용 하박의 경우 효과적 인 임무수행을 위하여 구난에 유리한 넓고 평평한 구조로 설 계되었으며, 물체파지용 하박에 비하여 무게를 경감함으로써 기중력을 극대화여 사람의 안정적인 파지가 가능하게 하였다. 또한 수동 컴플라이언스 관절을 통해 안전한 구난 작업이 가 능하도록 설계하였다. 한편 Feasibility test를 위한 프로토타입 을 설계하고 제작하여 실험을 수행함으로써 가능성을 확인하 였다.

본 연구에서는 향후 로봇 설계 개선 및 시제품 제작, 제어알 고리즘 구현 등이 예정되어 있다.

Acknowledgments

This research was supported by a grant by the Agency for Defense Development. “Technology development for a rescue robot capable of lifting over 120 kgf”, funded by the Dual-use technology program.

References

• M. Raibert, “Dynamic legged robots for rough terrain,” 2010 10^th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, p. 1. 2010, [https://doi.org/10.1109/ICHR.2010.5686280]
• Y. Brian, “All-Weather Perception for Man-Portable Robots Using Ultra-Wideband Rader,” 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 3610-3615, 2010.
• S. C. Kang, C. H. Cho, J. H. Lee, D. S. Ryu, C. W. Park, K.-C. Shin, and M. S. Kim, “ROBHAZ-DT2: Design and Integration of Passive Double Tracked Mobile Manipulator System for Explosive Ordnance Disposal,” 2003 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 2624-2629, 2003.
• J. Ding, Y. J Lim, M. Solano, K. Shadle, C. Park, C. Lin, and J. Hu, “Giving patients a lift-the robotic nursing assistant (RoNA),” 2014 IEEE International Conference on Technologies for Practical Robot Applications, pp. 1~5. 2014. [https://doi.org/10.1109/TePRA.2014.6869137]
• Wikipedia, BEAR Battlefield Extraction-Assist Robot, [Online], https://en.wikipedia.org/wiki/Battlefield_Extraction-Assist_Robot, Accessed: September 2, 2017.
• H. Do, T. Choi, D. Park, D. Kim, and Y. Son, “Design of Self-Reconfigurable Kinematics and Control Engine for Modular Robot,” Journal of Korea Robotics Society, vol. 11, no. 4, pp. 270-276, 2016. [https://doi.org/10.7746/jkros.2016.11.4.270]
• ISO/TS 15066, Robots and robotic devices-Collaborative robots, [Online], https://www.iso.org/standard/62996.html, Accessed:September 27, 2017.