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2012년부터 2015년까지 열렸던 다르파 로보틱스 챌린지(DRC, Darpa Robotics Challenge)에서는 사람들이 접근하기 어려운 원전폭발 환경 등 여러 가지 상황에서 다양한 일을 수행하는 로봇을 평가하고 있습니다. 후쿠시마 원전 사태와 같은 재난상황에서 인간 대신 임무를 수행할 로봇은 보통 휴머노이트 형태를 하고 있습니다. 인간과 비슷한 형상이어야 인간이 할 수 있는 임무를 가장 잘 수행할 수 있기 때문입니다. 이러한 휴머노이드 로봇에서 중요한 부분을 차지하는 것 중 하나는 로봇의 근육이라고 할 수 있는 모터, 즉 액츄에이터입니다.


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액츄에이터(actuator)는 로봇이 움직일 수 있도록 동력을 제공하는 장치로, 인간에서 팔/다리 등 사지를 움직일 수 있도록 하는 관절과 근육에 비유할 수 있습니다. 이에 더해 액츄에이터는 모터가 받는 힘과 위치 등에 대한 정보를 센서로 측정하여전달하는 역할을 하기도 합니다. 이러한 정보를 전달해줌과 동시에 동력을 전달하는 엑츄에이터는 휴머노이드 로봇이 걸을 때 필수적인 요소입니다.


보스턴 다이나믹사의 아틀라스 시연 모습.


이 액츄에이터를 휴머노이드 로봇에 적용하기 위해서는 아래와 같이 보통 5가지가 요구됩니다.

  1. 연속적으로 동력을 전달할 수 있는가(Continuous Power Density) : 오랜 시간동안 일정한 동력을 전달하려면 열 관리가 잘 되고 작고 가벼운 액츄에이터가 필요합니다.

  2. 효율(Efficiency) : 제한된 배터리 용량에서 로봇의 활동 정도를 늘리려면 높은 효율의 액츄에이터가 필수적입니다.

  3. 힘 기반 컨트롤의 정확도(Force Control Accuracy) : 힘 기반 컨트롤은 정확한 힘에 대해 정확한 속도를 낼 수 있는가를 말합니다. 이는 휴머노이드 로봇이 걸어갈 때 등의 일을 수행할 때 필수적입니다.

  4. 충격 저항성(Impact Tolerance) : 로봇이 울퉁불퉁한 길을 걸어가는 등의 일을 수행할 때는 로봇에 추가적인 충격이 가해지게 되고, 액츄에이터에서는 이를 조절할 수 있는 능력이 요구됩니다.

  5. 위치 기반 컨트롤의 정확도(Position Control) : 정확한 위치 입력을 주었을 때 원하는 위치값을 주는 여부를 말합니다.


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기존 액츄에이터에 대한 평가


기존의 액츄에이터는 유체의 압력을 이용해 만든 유체 액츄에이터와 흔히 알고 있는 전기 구동 액츄에이터가 있습니다. 유체 액츄에이터(Hydraulic actuator)는 그림과 같이 다양한 컨트롤이 가능하지만 14%로 낮은 효율을 가지는 반면, 전기 구동 액츄에이터는 자체 효율을 좋지만 열 효율이나 충격 저항성, 힘 기반 컨트롤 등이 용이하지 않다는 단점이 있었습니다. 이는 센서의 부정확함 및 기어 문제, 마찰 문제 등으로 인해 나타난 복합적인 문제였습니다. 


이러한 문제들을 해결하기 위해 개발한 것이 직렬 탄성 액츄에이터(SEA : Series Elastic Actuator)입니다. 직렬 탄성 액츄에이터는 마치 사람의 근육이 뼈에 힘줄로 연결되어 있듯이, 로봇에서도 스프링을 이용해 모터 사이를 연결하였습니다. 그 결과 큰 힘이 갑자기 가해졌을 때 저항력이 생겼을 뿐 아니라 순간적으로 큰 힘을 내는 능력과 에너지 효율 면에서도 크게 향상되었습니다.


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직렬 탄성 액츄에이터의 모식도와 평가


사람의 근육과 비슷해진 액츄에이터 형상 덕분에 자연스레 휴머노이드 로봇의 발전 또한 이 직렬 탄성 액츄에이터와 함께 하게 되었습니다. 결국 대부분의 휴머노이드 로봇은 이 직렬 탄성 액츄에이터를 사용하여 모터를 구동하고 있으며, 이 덕분에 정밀한 힘 조절을 할 수 있게 되었습니다. 그러나 기존 액츄에이터에서 가졌던 위치 기반 컨트롤 능력이나 오랜 시간동안 구동하였을 때 발생하는 열을 해결하는 능력은 그렇게 뛰어나지 못했습니다. 


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Apptronik사에서 개발한 액츄에이터


스타트업 Apptronik에서는 직렬 탄성 액츄에이터 앞에 부착된 스프링 대신점성과 점탄성 물질을 사용하여 이 문제를 해결하였습니다. 점탄성 물질(viscoelastic element)이란 점성과 탄성을 둘 다 지닌 물질로, 스프링을 부착함으로써 발생되는 위치 기반 컨트롤의 부정확성을 해결하였습니다. 이에 더해 액체 냉각 재킷을 이용하여 오랜 시간 구동 시 발생하는 과열 문제를 해결하였습니다.


새로운 물질과 열 관리 문제를 해결하여 개발한 Aquarius PL360 액츄에이터는 덕분에 약 1.3kg의 액츄에이터로 800kg 이상의 힘을 낼 수 있게 되었습니다. 기존의 유체 액츄에이터보다 4배 이상의 효율을 가질 뿐 아니라 작동 중에도 더 적은 소음을 내기에, 2족 보행 로봇 혹은 휴머노이드 로봇에 효과적으로 적용할 수 있는 액츄에이터를 만들어 냈습니다.

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휴머노이드 로봇에 Apptronik사의 액츄에이터를 적용한 모식도


이러한 Apptronik사의 액추에이터는 뛰어난 기술 덕분에 여러 기업의 러브콜을 받고 있습니다. 록히드 마틴 사에 이 액츄에이터를 제공하였을 뿐 아니라 우주항공분야에서 인간-중심 로봇에 대한 수출을 통해 누적 백만 달러의 수입을 냈다고 합니다.



Apptronik사의 직렬 탄성 액츄에이터 구동 모습


구글에 인수된 보스턴 다이나믹스나 한국의 로보티즈와 같은 로봇 기업들은 휴머노이드 로봇 개발에 많은 인력과 자원을 쏟아붓고 있습니다. 이러한 휴머노이드 로봇 발전의 왕도에 Apptronik 사가 만든 액츄에이터는 더욱 많은 사람들의 주목을 받을 것입니다. Apptronik사의 행보는 로봇 산업에서 기술이 가지는 의미와 더불어 스타트업이 진출할 수 있는 분야가 무궁무진하다는 것을 보여주는 좋은 예인 것 같습니다.



참고자료

Apptronik, "Apptronik products" 


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