한국기계연구원, 일상복 형태 의복형 웨어러블 로봇 개발 Suit-type Wearable Robot Powered by Shape-ry-amemolloy-based Fabric Muscle/ 스위스 EPFL, 집단 지성 발휘하는 로봇 개미 개발 Robot-ants that can jump, communicat..

한국기계연구원, 일상복 형태 의복형 웨어러블 로봇 개발

국제학술지 ‘사이언티픽 리포트'에 개재

     한국기계연구원(원장 박천홍) 첨단생산장비연구본부 로봇메카트로닉스연구실 박철훈 책임연구원은 옷감처럼 가볍고 돌돌 말 수 있으면서도 큰 힘을 발휘하는 의복형 웨어러블 로봇을 개발했다.

연구팀은 의복형 웨어러블 로봇의 핵심기술로 형상기억합금에 전류가 흐르면 수축하는 성질을 적용했다. 직경 0.5mm 이하의 가는 형상기억합금을 스프링 다발로 만들어 20g 수준의 가벼우면서도 근육처럼 수축하며 10kg의 무게를 들어 올릴 수 있는 옷감형 유연구동기를 개발했다.

유연구동기와 배터리, 제어기 등을 모두 포함한 의복형 웨어러블 로봇의 무게는 약 1kg으로, 일반 성인이 입는 점퍼 수준이다. 또한 근력보조가 필요할 때만 선택하여 로봇과 신체를 연동할 수 있어 전력 낭비가 적고, 배터리가 모두 소진되어도 평소 일상복처럼 입고 다닐 수 있다.

기존 웨어러블 로봇은 곤충의 껍질과 유사한 외골격형 웨어러블 로봇(Hard wearable robot)이 대부분이다. 이는 모터나 공압 구동 방식으로, 작동 소음이 있고 무거우며 상대적으로 비싼 것이 단점이다. 유연 웨어러블 로봇(Soft wearable robot)은 가볍고 저렴하며 장시간 착용해도 편안해 일상복처럼 입을 수 있다.

Suit-type Wearable Robot Powered by Shape-memory-alloy-based Fabric Muscle Abstract A suit-type wearable robot (STWR) is a new type of soft wearable robot (SWR) that can be worn easily anywhere and anytime to assist the muscular strength of wearers because it can be worn like normal clothes and is comfortable to wear even with no power supply. This paper proposes an STWR, in which a shape-memory-alloy-based fabric muscle (SFM) is used as the actuator. The STWR, which weighs less than 1 kg, has a simple structure, with the following components: SFMs, wire encoders for measuring the contraction length of the SFMs, and BOA that fix the actuators on the forearms. In this study, a position controller for the SFM using the wire encoder was developed, and a prototype STWR was fabricated using this position controller. Moreover, by putting the STWR on a mannequin, step-response experiments were performed in which the arms of the mannequin lifted barbells weighing 2 kg and 4 kg to a certain target position. A fast response of moving to the target position in less than 1 s was observed in all steps except for the initial heating step for the 2 kg barbell. The response speed of the SFM was noticeably slower for the 4 kg barbell compared to that for the 2 kg barbell; it moved to the target position in approximately 3 s in all the steps except for the initial heating step. The SFM-applied STWR could overcome the limitations of conventional robots in terms of weight and inconvenience, thereby demonstrating the application potential of STWRs. https://www.researchgate.net/publication/333980228_Suit-type_Wearable_Robot_Powered_by_Shape-memory-alloy-based_Fabric_Muscle

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연구팀은 향후 상지 근력 보조를 넘어 어깨, 허리, 다리 등 전신을 보조할 수 있는 모든 형태의 의복형 웨어러블 로봇을 개발해 근로자 뿐 아니라 노약자의 일상생활을 보조할 수 있는 편리한 재활기구로도 사용할 수 있도록 발전시킬 계획이다.

박철훈 책임연구원은 “의복형 웨어러블 로봇은 택배, 물류 등 신체 일부분을 반복적으로 사용하는 분야의 작업환경을 개선할 수 있고 향후 고령화 시대의 노동인력 감소 문제를 해결할 수 있는 좋은 대안”이라며 “저렴하고 편안한 웨어러블 로봇으로 대중화에 성공해 해외시장을 선점할 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 온라인판에 ‘형상기억합금 기반의 옷감형태 인공근육으로 동작하는 의복형 웨어러블 로봇(Suit-type wearable robot powered by shape-memory-alloy-based fabric muscle)’이라는 제목으로 게재됐다.

정원영  robot3@irobotnews.com  로봇신문사

스위스 EPFL, 집단 지성 발휘하는 로봇 개미 개발

과학 전문 저널 '네이처'에 연구 성과 발표

      개별적으로 점프, 보행, 공중제비 등 동작을 수행하면서 집단 활동을 통해 장애물을 발견하고 함께 극복할 수 있는 로봇 개미(Robot ants)가 개발됐다. 일종의 '집단 지성'을 발휘하면서 공동의 목표를 위해 전략을 수립하고 공동 작업을 하는게 가능하다.

Tribot robots have five locomotion strategies. Credit: Zhenishbek Zhakypov / EPFL

Robot-ants that can jump, communicate with each other and work together by Ecole Polytechnique Federale de Lausanne Individually, ants have only so much strength and intelligence, but as a colony they can use complex strategies to complete sophisticated tasks and evade larger predators. At EPFL, robotics researchers in Professor Jamie Paik's Laboratory have reproduced this phenomenon, developing tiny robots that display minimal physical intelligence on an individual level but that are able to communicate and act collectively. Despite being simple in design and weighing only 10 grams, each robot has multiple locomotion modes to navigate any type of surface. Collectively, they can quickly detect and overcome obstacles and move objects much larger and heavier than themselves. The related research has been published in Nature. Robots inspired by trap-jaw ants These three-legged, T-shaped origami robots are called Tribots. They can be assembled in only a few minutes by folding a stack of thin, multi-material sheets, making them suitable for mass production. Completely autonomous and untethered, Tribots are equipped with infrared and proximity sensors for detection and communication purposes. They could accommodate even more sensors depending on the application. "Their movements are modeled on those of Odontomachus ants. These insects normally crawl, but to escape a predator, they snap their powerful jaws together to jump from leaf to leaf," says Zhenishbek Zhakypov, the first author. The Tribots replicate this catapult mechanism through an elegant origami design that combines multiple shape-memory alloy actuators. As a result, a single robot can produce five distinct locomotion gaits: vertical jumping, horizontal jumping, somersaulting to clear obstacles, walking on textured terrain and crawling on flat surfaces—just like these creatively resilient ants. https://techxplore.com/news/2019-07-robot-ants.html

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‘사이언스 데일리’ 등 매체에 따르면 스위스 EPFL(로잔연방공대) ‘제미 백(Jamie Paik)’ 교수 연구실은 강한 아래턱을 갖고 있는 개미의 종(trapjaw ants)에서 아이디어를 얻어, 무게 100g의 3족 보행 로봇인 ‘트라이봇(Tribot)’을 개발했다. EPFL은 이번 연구 성과를 과학전문저널인 ‘네이처’에 발표했다.

트라이봇은 소형 리튬 폴리머 배터리를 채택, 외부로부터 동력을 제공받지 않는다. 동작 자체는 형상기억합금(SMA)의 원리에서 나온다. 형상기억합금은 특정 온도에서 형태가 변형되지만 온도가 변하면 원래 형태로 복원된다.

트라이로봇은 SMA스프링 액추에이터, 플렉시블 힌지(hinge), 배터리, 고무 패드 등으로 구성되어 있으며 평면이 인쇄기로회판을 오리가미처럼 접어 3차원 구조물을 만든다. 내부에 히터를 내장해 SMA 액추에이터가 온도에 반응하도록 설계했다. 평탄한 지형에서 수직 점프, 수평 점프, 보행,공중제비, 주행 등 5가지 동작을 수행할 수 있다.

트라이봇의 구조

트라이봇은 각각의 개체들이 모여 집단적으로 활동할 수 있다는 특징을 갖고 있다. 군집 로봇처럼 운용하면서 일종의 집단 지성을 통해 공통의 전략을 세우고 특정 작업을 함께 수행할수 있다. 이 로봇은 적외선 센서, 근접 센서 등을 갖추고 있으며 로봇의 용도에 따라 센서를 추가할수 있다. 이들 센서를 활용해 커뮤니케이션 또는 특정 물체의 발견 등 공동 작업을 수행할수 있는 것. 장애물을 발견하고 협동하는 방식으로 장애물을 뛰어넘을 수 있다. 멀티-이동(multi-locomotive) 능력과 멀티 에이전트 커뮤니케이션 능력 덕분에 GPS장치나 시각적인 피드백없이 특정 목표물을 발견하는 게 가능하다.

이 로봇은 오리가미 구조를 하고 있기 때문에 여러 개체의 로봇을 금방 조립할 수 있다는 특징도 갖고 있다. 짧은 시간에 대량 생산이 가능한 셈이다. 연구팀은 트라이봇 기술을 응용하면 앞으로 대형 재난 현장에서 인명 구조, 재난 현장 모니터링 등 작업이 가능한 군집 로봇을 개발해 활용할 수 있을 것으로 보고 있다.

장길수  ksjang@irobotnews.com 로봇신문사

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