소프트 로봇 공학이 경직된 로봇 팔에 새로운 가능성을 열어줄 수 있을까?

인류가 육체노동을 기계로 대체하려는 욕망은 새로운 것이 아니며, 때때로 획기적인 발전이 그 꿈에 다시금 불을 지피곤 합니다. 올해 테슬라와 샤오미 같은 기업들이 출시한 휴머노이드 로봇은 로봇 산업에 다시금 주목을 받고 있습니다.

하지만 냉혹한 현실은 변함없습니다. 기계가 인간을 완전히 대체하기 위해서는 광범위한 인간-기계 협업이 이루어져야 합니다. 오늘날 로봇 공학계는 획기적인 제품이나 혁신적인 기술이 부족한, 여전히 정체된 단계에 머물러 있습니다.

가장 오랜 역사를 자랑하며 가장 널리 활용되는 기술 중 하나인 로봇 팔을 예로 들어보겠습니다. 전통적인 산업용 로봇 팔이든 최신 협업형 로봇 팔이든, 핵심 목표는 제조 과정에서 속도와 정밀도를 극대화하는 것입니다. 하지만 인간과의 긴밀한 물리적 상호작용이 요구되는 응용 분야가 늘어남에 따라 안전성에 대한 요구도 증가하고 있습니다.

산업 부문이 포화 상태에 이르면서 로봇 팔 시장은 새로운 성장 기회를 필요로 합니다.

유연하고 안전할 뿐만 아니라 상호 작용 제어까지 지원하는 로봇 팔을 상상해 보세요. 이러한 디자인은 기존 산업 분야의 한계를 뛰어넘어 서비스 산업을 비롯한 다양한 분야에 새로운 가능성을 열어줍니다.

이러한 수요를 충족하기 위해 유연하고 탄력적인 구조와 지능형 제어 기능을 갖춘 차세대 로봇 팔이 등장했습니다. 이러한 시스템은 굽힘 관절, 신축 관절, 강성과 유연성을 결합한 하이브리드 디자인 등 다양한 형태로 제공됩니다. 이러한 새로운 형태는 재료 과학, 구조 및 구동 분야의 혁신적인 기술을 기반으로 구축되었습니다.

이러한 변화의 배경에는 딥테크와 로봇공학에 대한 오랜 믿음이 자리 잡고 있습니다. 이제 관심은 로봇 시스템의 핵심을 근본적으로 재편할 수 있는 비전 있는 팀과 독창적인 기술로 옮겨가고 있습니다.

기존 로봇 팔과는 달리, 이 새로운 연성 로봇 팔은 코끼리 코를 닮아 유연하고 유기적이며 민첩합니다. 이러한 생체 모방적 접근 방식은 경직된 모터 구동식 관절에서 크게 벗어난 것입니다.

핵심 혁신은 시스템의 기본 설계에 있습니다. 모터와 기어 감속기로 구동되는 딱딱한 기계식 관절 대신, 새로운 로봇 팔은 부드러운 소재로 만들어진 유연한 "근육" 관절들을 배열하여 사용합니다. 이 관절들은 슬림드라이브(SlimDrive) 시스템으로 알려진 유체 기반 액추에이터에 의해 구동되며, 뛰어난 유연성과 적응성을 제공합니다.

이러한 연성 액추에이터는 미세유체 기술에서 파생되었으며 정밀한 공기압 제어를 통해 움직임을 구동합니다. 각 유연 관절은 일반적으로 3~6개의 연성 액추에이터로 구성되어 있으며, 이는 재료 비용을 최소화하면서 3차원 운동에 최적화된 구조입니다.

로봇 팔 내부에는 가압된 공기가 서로 연결된 튜브를 통해 부드러운 액추에이터로 흘러 들어가 팽창 또는 수축을 통해 움직임을 제어합니다. 각 액추에이터의 공기압을 조절함으로써 로봇 팔은 정밀하고 부드러운 방향 전환을 구현할 수 있습니다.

이 설계는 인간과 기계의 상호작용, 협소한 공간, 장애물이 많은 환경 등 복잡한 환경에서도 안전한 작동을 가능하게 합니다. 특히 깨지기 쉽거나 민감한 물체를 다루는 등 섬세한 조작이 필요한 작업에 매우 유용합니다.

제어 수준에서 알고리즘은 여전히 ​​기존 로봇 팔과 유사하게 로봇 팔 끝의 움직임을 추적하고 각 관절의 역운동학을 계산합니다. 그러나 자유도의 증가와 재료의 비선형성으로 인해 동작 계획이 복잡해지므로 최적의 제어를 달성하기 위해서는 새로운 접근 방식이 필요합니다.

소프트 로봇 공학에서 가장 큰 과제는 시스템 아키텍처 전체를 재고하는 데 있습니다. 재료부터 동작 제어에 이르기까지 모든 것이 근본적으로 다르기 때문에, 그대로 복제할 수 있는 기성 오픈 소스 솔루션은 없습니다.

하지만 바로 그 점이 이러한 시스템들에게 뚜렷한 장점을 부여하는 요소이기도 합니다.

전례 없는 유연성:

소프트 암은 기존의 강성 암처럼 6자유도를 구현할 수 있습니다. 하지만 액추에이터 중복을 통해 내부 자유도가 추가되어 좁은 공간에서 복잡한 기동을 수행하고, 장애물을 더욱 효과적으로 회피하며, 공간 요구 사항을 줄일 수 있습니다.

인간-기계 상호작용의 안전성 향상:

기존의 협동 로봇 팔은 안전을 확보하기 위해 센서와 비전 시스템에 의존합니다. 하지만 이러한 시스템에 문제가 발생할 경우, 로봇 팔의 고유한 강성과 관성으로 인해 여전히 사고가 발생할 수 있습니다. 이와 대조적으로, 소프트 로봇 팔은 무게가 가볍고 유연성이 뛰어나며, 충격을 흡수하는 압축성 유체로 구동되어 본질적으로 더 안전합니다.

가볍지만 높은 하중 지지력:

무게는 이동형 로봇 및 서비스 로봇에서 흔히 제약 요소가 됩니다. 소프트 암은 이러한 제약을 극복하여 최대 3:1의 하중 대 무게 비율을 제공합니다. 예를 들어, 3kg의 소프트 암은 액추에이터의 높은 탄성과 무거운 모터 대신 압축 공기를 사용하기 때문에 10kg 이상의 하중을 처리할 수 있습니다.

더 나은 비용 대비 성능:

구조가 단순하기 때문에 소프트 암은 기존 로봇 팔에서 가장 비싼 부품들, 예를 들어 모터, 기어박스, 컨트롤러 등을 상당 부분 제거할 수 있습니다. 이러한 부품들은 많은 로봇 시스템 전체 비용의 70% 이상을 차지합니다. 결과적으로 소프트 암은 더욱 효율적이고 확장 가능한 공급망을 갖춘 고성능 솔루션을 제공합니다.

소프트 로봇 팔의 유망한 활용 분야 중 하나는 드론과의 통합입니다. 기존 로봇 팔은 무게와 강성 때문에 무인 항공기에 장착하기 어렵습니다. 하지만 소프트 로봇 팔은 공간 및 유연성에 대한 엄격한 요구 사항을 충족하도록 설계할 수 있어 공중 조작, 원격 픽업, 물체 배송 및 검사 등을 가능하게 합니다.

검사 작업에서 이러한 로봇 팔은 문이 끼이는 것을 방지하고, 좁은 장비 공간을 이동하며, 안전한 접촉 작업을 수행하는 데 도움을 줍니다. 무인 항공기(UAV) 외에도, 로봇 팔은 AGV/AMR과 같은 지상 이동 로봇에도 통합되어 새로운 유형의 복합 지능 시스템을 위한 길을 열어줄 것입니다.

서비스 부문에서 미래는 더욱 밝습니다. 저렴한 비용, 경량 설계, 안전한 인체 상호작용, 빠른 배치 등의 장점을 갖춘 소프트 로봇 팔은 기존 로봇 팔을 대체하는 것이 아니라 보완하는 역할을 할 것입니다. 기존의 경질 로봇 팔은 중장비 산업 분야에서 여전히 지배적인 위치를 차지하겠지만, 소프트 로봇 팔은 간병, 물류, 교육, 가정 서비스와 같은 신흥 분야에서 새로운 블루오션을 열어갈 잠재력을 지니고 있습니다.