인간의 손을 모방하는 로봇 손가락 메커니즘 분석_기초편

로봇 이야기를 전하는 롭스토리 입니다.

 

이번 주제는

 

"로봇 손가락 메커니즘 분석"_ 기초편

 

입니다.

 

 

 

 

공학 엔지니어와 과학자는 사람 혹은 동물의 움직임을 똑같이 구현하기 위해 계속 노력해 오고 있습니다.

그리고, 요새 세계적로 매우 핫한 주제가 바로 "인간의 손" 모방입니다.

 

사람의 손이라는 것이 얼마나 신기한지 생각해보신 적이 있나요?

 

우리의 팔은 원하는 방향으로 자유자재로 움직이면서, 원하는 물체, 바늘같이 얇은 물체부터 커피잔, 연필, 휴지, 종이와 박스, 플라스틱, 미끈미끈한 재질까지 잡아올릴 수도 있고, 그 촉감을 실시간으로 받아들이기도 합니다.

이게 얼마나 대단한 일이냐면, 미끈미끈한 물체를 잡을 때는 우리는 의식적이든 무의식적이든 손가락 끝에 힘을 더 주는 동시에, 피부는 적당한 탄성과 마찰을 가지고 있고, 또 동시에 손가락의 각 관절에서 힘이 작용하여 물체를 잡을 수가 있는 것처럼 물체의 상태에 따라 우리는 자유자재로 힘을 변화시키고 피부에서 일어나는 변화 또한 매우 복잡한 메커니즘을 갖고 있다는 것입니다.

 

이 복잡한 손의 움직임을 로봇에도 적용시키고자 정말 많은 연구가 이루어지고 있습니다.

로봇이 인간의 손과 유사한 작업을 할 수 있다면, 정말로 인간을 대체하여 로봇이 어렵고 귀찮은 일들을 도맡아서 할 수 있게 될 것이라는 기대감 때문이죠.

 

그래서 로봇 손을 만들어내기 위해서 어떤 기술들이 필요할 것인지 스터디를 해보려 합니다.

아주 긴 시간이 걸릴 것이고, 언젠가 직접 만들어서 움직이는 영상까지도 보여줄 날이 오기를 기대하며...

 

기초부터 시작합니다.

 

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인간 손의 복잡성

인간의 손이 얼마나 복잡한지는 생각할수록 놀라울 뿐입니다.

27개의 뼈, 30개 이상의 근육, 수많은 관절과 인대로 구성된 손은 다양한 물체를 잡을 수도 있고, 매우 정교하게 움직이기도 합니다. 적당히 유연하면서 손끝에서 일어나는 감각을 실시간으로 뇌에 전달하는 기능까지, 그리고 손끝에는 어느새 적당한 힘까지 가할 수 있어서 들 수 있는 무게도 꽤나 높은 편입니다.

 

 

각 손가락은 독집적으로 움직이기도 하지만, 손 전체적으로 보면 수많은 구성 요소들이 협력을 하고 있습니다.

이렇게 복잡한 움직임은 미세한 근육의 조절, 신경계의 정밀한 명령에 의해 이루어 지는데, 

기계를 통해 이러한 손의 움직임을 재현하기 위해서는.. 아직까지는 한숨만 나오네요;

 

기술 발전의 흐름

과거에 개발하던 로봇 손 기술에서는, 주로 강력한 힘과 단순한 움직임에 초점이 맞추어져 있습니다.

하지만  현재의 기술은 더욱 미세하면서 복잡한 움직임을 재현하는 것에 그 목표가 있습니다.

특히 의수를 연구하는 곳에서는 알고리즘과 정밀 센서 기술을 통해 인간의 손과 유사한 감각과 움직임을 구현하려는 시도가 이루어지고 있습니다.

 

아래 그림은 1990년대부터 개발되온 로봇 손의 형태, 개발 동향을 보여주는 것입니다.

 

<Robot Hand- History, 1900~2009>, A Century of Robotic Hands, Annu Rev. Control Robot. 2019. 2:1-32

 

<Robot Hand- History, 2010-2018>, A Century of Robotic Hands, Annu Rev. Control Robot. 2019. 2:1-32

 

 

로봇 손을 구현하기 위한 다양한 시도들

서울대학교의 한 연구실에서는, 인간의 손 근 골격과 피부 변형을 모사하여 사람의 손과 유사하게 생겼으면서 가벼운 바이오닉 손 메커니즘을 개발한 적이 있습니다.

 

또 다른 연구에서는 부족 구동 기반 메커니즘(시스템의 자유도보다 적은 수의 구동기를 이용하여 제어하는 방식)을 통해 여러 관절을 하나의 구동기로 구동하는 등, 효율적인 메커니즘의 의수를 개발하기도 했습니다.

참고자료
1) For the development of biomimetic bionic hand mechanisms
2) For underactuated robotic hand mechanisms

 

 

하지만 뭐니뭐니해도 요새 가장 이슈가 되고 있는 것은 테슬라의 Optimus 이지 않을까 합니다.

 

 

테슬라에서 직접 개발한 액츄에이터로 구동되는 로봇 손. 그리고 그 손가락 끝에는 촉각 센서가 달려 있으며, 여기에 학습 기반의 센싱을 통해 로봇이 스스로 촉각을 느낄 수 있도록 하여 계란을 깨지 않고 잡을 수 있는 영상을 보여주었습니다.

 

로봇의 감각 기능, 복잡한 동작의 정밀 제어는 로봇 손을 만들어내는 많은 기업에서 공통적으로 가지고 있는 도전과제입니다.

감각 기능을 넣기 위해서 AI 기술이 필요하고, 얼마나 미세하고 정확하게 구동시킬 수 있는지에 대한 하드웨어와 제어기술. 그리고 이 모든 것을 얼만큼 낮은 단가로 생산할 수 있느냐가 결국 이 시장에서 가장 큰 키워드가 될 것인데,  여기에 가장 가깝게 다가간 기업이 테슬라와 Figure AI로 보입니다.  물론 중국도 빠른 속도로 따라가고 있기에.. 절대로 무시할 수 없겠죠..

 

 

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로봇 손의 개발은 단순히 기능적인 발전 뿐 아니라, 인간의 삶에 생각보다 큰 영향을 미치고 있습니다.

테슬라가 개발하고 있는 로봇은 생산 공장에서 사람을 대체하기 위해 만들어 지고 있지만, 세계적으로 많은 기업들이 휴머노이드 형태의 로봇 개발에 성공한다면..결국 로봇들은 공장 밖에서도 많은 역할을 할 것입니다.

 

 

길거리에서 휴머노이드 로봇이 돌아다니는 모습. 상상이 되시나요?

로봇이 택배를 들고 돌아다니면서 건물앞에 박스를 놓고, 걸어가는 모습.

로봇이 음식을 배달해주는 모습.

집에서는 로봇이 정원도 가꾸고, 청소도 하고, 특히 청소를 할 때는 지금의 로봇 청소기처럼 장애물을 피해다니면서 할 수 있는 영역만 청소하는 것이 아니라  떨어져있는 물건을 제자리에 놓고 먼지도 털면서 청소를 할 수도 있을 것이구요, 상상만 해보더라도 로봇이 할 수 있는 일이 무궁무진합니다.

 

의료 분야로 시선을 돌려보면, 손 기능을 잃은 사람들의 재활 치료에도 사용될 수 있고, 의수로도 사용될 수 있을 것입니다. 

 

기술 발전에 따른 기존의 일자리가 어떻게 변화될지, 기술적인 윤리는 어떻게 적용시켜야 할지에 대한 사회적인 문제들도 해결해야할 것들이 앞으로 많기도 하지만,  저는 개인적으로 세계적으로 이렇게 이슈가 될 정도로 로봇 개발에 열을 올리고 있는데 한국은 지금 어떤 상황인가에 대한 궁금증이 듭니다.

우리는 과연 그 트렌드를 따라가고 있는것인가.. 

 

조금이라도 더 많은 사람들이 로봇 기술에 관심을 가져주면 좋겠습니다.

 

오늘은 여기까지! 

 

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