로봇 손의 미끄럼 막아주는 인공피부 개발-손바닥 피하지방층 모사한 인공피부 개발, 로봇 손 부착시 조작성능 향상

로봇 손의 미끄럼 막아주는 인공피부 개발-손바닥 피하지방층 모사한 인공피부 개발, 로봇 손 부착시 조작성능 향상

 

등록일 2020.06.01.

 

로봇 손의 미끄럼 막아주는 인공피부 개발
손바닥 피하지방층 모사한 인공피부 개발, 로봇 손 부착시 조작성능 향상
스마트폰, 드라이버, 문고리 등 다양한 도구를 잡을 수 있는 로봇 손 나올까

□ 로봇 손을 위한 인공피부가 개발됐다. 의수나 산업용 집게, 산업용 로봇손 등에 부착하는 것만으로 물체 조작 능력이나 작업능력을 향상시킬 유용한 말단 인터페이스가 될 수 있을지 기대된다.

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 한국과학기술원(KAIST) 박형순 교수, 김택수 교수 연구팀이 사람 손바닥 피부의 기계적 특성을 모사, 로봇 손의 조작성능을 높여줄 인공피부를 개발했다고 밝혔다.

□ 기존 기능성 인공피부가 주로 미관상 기능이나 감각기능 재현에 초점을 두었던데 반해,
○ 이번에 개발된 인공피부는 구조 그 자체로 조작기능 향상에 기여하기에 복잡한 제어알고리즘이나 추가적인 동작 없이 간단히 부착하는 것만으로 조작성능 향상을 도울 수 있다.

□ 연구팀은 손바닥 피부를 물리적 장벽이자 다양한 감각을 수용하는 기관으로만 보지 않고, 임의의 모양의 물체에 밀착되도록 변형되면서 물체를 안정적으로 고정한다는 점에서 손의 조작기능에 영향을 미치는 중요한 변수로 주목했다.
□ 이에 손바닥 피부를 겉 피부층, 피하지방층, 근육층으로 구조화하여 각 특성을 분석, 피하 지방층의 비대칭적인 물리적 특성이 기능적 장점을 만들어 내는 핵심요소임을 알아냈다.
○ 부드러운 지방조직과 질긴 섬유질 조직이 복합되어 누름에 유연하면서도 비틀림이나 당김에 의한 변형에 대해서는 강인하게 버틸 수 있다는 것이다.

□ 이를 토대로 손바닥처럼 말랑한 다공성 라텍스 및 실리콘을 이용해 손바닥 피부와 동일한 비선형적·비대칭적 물리적 특성을 지니는 3중층 인공피부를 제작했다.
○ 기공들이 누름에 대해서는 쉽게 압축되어 물체의 형상에 맞게 쉽게 변형되도록 하는 한편,
○ 기공 사이사이 질긴 라텍스 격벽이 비틀림이나 당김에 강하게 저항함으로써 대상 물체를 견고하게 잡을 수 있도록 한 것이다.

□ 실제 이렇게 만들어진 3중층 인공피부를 부착한 로봇 손은 기존 실리콘 소재의 단일층 인공피부를 부착한 로봇 손 대비 물체를 고정할 수 있는 작업 안정성과 물체를 움직일 수 있는 조작성이 30% 향상된 것으로 나타났다.

□ 연구팀은 향후 나사처럼 작은 물체나 계란처럼 쉽게 깨질 수 있는 매끄러운 물체 등 조작대상의 크기나 단단함, 표면특성을 고려하여 인공피부의 질감, 두께, 형상을 조절하는 등 용도에 맞는 최적의 피부구조를 설계하는 방안에 대한 연구를 지속할 계획이다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오닉암메카트로 닉스융합연구사업 및 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구는 신소재 분야 국제학술지‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 (Advanced Functional Materials)’속표지 논문으로 5월 8일 선공개 되었다.

주요내용 설명

<작성자 : 한국과학기술원 박형순 교수>

키워드
인공피부(artificial skin), biomimetic(생체모사), grasping(잡기), robotic hand(로봇 손), soft material(연성물질)
논문명
Human-Palm-Inspired Artificial Skin Material Enhances Operational Functionality of Hand Manipulation
저널명
Advanced Functional Materials, First published: 08 May 2020
DOI
https://doi.org/10.1002/adfm.202002360
저 자
허시환 박사과정(공동 제1저자/KAIST), 김철규 박사(공동 제1저자/KAIST), 김택수 교수(교신저자/KAIST), 박형순 교수(교신저자/KAIST)

1. 연구의 필요성
○ 손바닥 피부는 손이 외부자극을 수용할 수 있는 감각기능을 수행하거나 물체를 안정적으로 고정, 조작할 수 있는 작업기능을 원활히 수행하는데 중요한 역할을 한다. 하지만 기존 로봇 손의 피부는 주로 미용상의 기능을 수행하는 데 초점을 두고 있어 작업능력에는 기여하지 못하였다.
○ 최근 피부구조가 손의 작업기능에 미칠 수 있는 영향에 대해 관심이 늘면서 실제 사람 손 피부처럼 촉감이나 온도 등을 감각을 측정할 수 있는 다양한 센서를 포함한 기능성 피부들이 개발되고 있다.
○ 하지만 대부분 피부 감각기능 구현에 초점이 맞춰져 있어 사람 피부 구조의 물리적 특성 자체가 작업 기능에 기여하는 점은 고려되지 않고 있다.
○ 이에 본 연구는 피부의 감각기능뿐만 아니라 사람 손바닥 피부의 물리적 특성을 구현함으로써 피부구조 그 자체로 기존 로봇 손의 작업 기능성을 향상시킬 수 있는 기술을 개발하였다.

2. 연구내용
○ 사람의 손바닥 피부구조를 모사해 만든 인공 피부구조를 이용하여 로봇 손의 작업 기능성을 높이는 방법에 관해 연구하였다. 우선, 사람의 손바닥 피부구조를 겉 피부층, 피하지방층, 근육층으로 구조화하여 각 특성을 살펴보고 물리적 특성을 재현하기 위한 핵심 특성을 파악하였다.
○ 이 과정에서 부드러운 지방 조직과 질긴 섬유질 조직이 복합되어 있어 누름에는 부드럽고 비틀림이나 당김에는 질긴 피하 지방층의 비대칭적인 물리적 특성이 손 피부의 기능적 장점을 만들어 내는 핵심요소임을 확인하였다.
○ 이를 인공재료로 재현하기 위하여 인체와 유사한 특성을 가지는 다공성 라텍스 및 실리콘 재료를 사용하였고, 이를 통해 사람 손바닥 피부와 동일한 물리적 특성을 가지는 인체모사 인공피부를 개발하였다.
○ 다공성 라텍스 구조는 누름 시에는 내부의 많은 기공이 압축되면서 손쉽게 압축되고 비틀림이나 당김에 대해서는 기공 사이사이 질긴 라텍스 구조로 인해 저항함으로써 피하지방층과 같은 비대칭적 물성을 가진다.
○ 개발된 인공피부는 누름 방향의 변형은 부드럽게 허용하면서 비틀림이나 당김 등에는 강인하게 저항, 로봇 손에 잡힌 물체를 부드러운 침대와 같이 잡아주어 물체 조작시 안정성 및 조작성을 높일 수 있었다.
○ 개발된 인공피부 구조를 적용한 로봇 손은 기존 피부 대비 로봇 손의 작업 안정성1 및 조작성2을 30% 가량 증가시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다.
1안정성 : 로봇 손이 물체를 고정할 수 있는 능력을 나타내는 척도. 안정성이 높을수록 더 큰 외부 힘을 버틸 수 있다.
2조작성 : 로봇 손이 물체를 움직일 수 있는 능력을 나타내는 척도. 조작성이 높을수록 더 효과적으로 물체를 움직일 수 있다.
○ 이러한 결과를 바탕으로 로봇 손이 기존에는 불가능했던 물체 조작을 수행할 수 있도록 만들 수 있었다.

3. 연구성과/기대효과
○ 기존에 사용되는 다양한 로봇 손 및 로봇 매니퓰레이터(manipulator)의 피부 구조를 대체하여 로봇 시스템의 작업성능을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
○ 개발된 피부구조는 작업 기능에 기여하는 기능적 측면과 아울러 촉감이나 물리적 특성 또한 사람과 유사하여 의수에 적용되었을 때 물체 뿐만 아닌 사람 간의 상호작용 또한 크게 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

그림 설명

(그림1) 인체모사 3중층 인공피부를 부착한 로봇 손의 동작 모습(관련 영상 별도 첨부)
개발한 인체모사 피부는 그림과 같이 로봇 손에 부착되었다. 물체 잡기 동작을 수행할 수 있는 기존 로봇 손은 엄지손가락을 쓰지 않고는 휴대폰을 잡을 수 없었다.
하지만 오른쪽 그림과 같이, 개발한 다공성 실리콘 소재의 3중층 인공피부 구조를 부착함으로써 피부구조가 휴대폰이 밀리지 않도록 고정해 주어 손바닥과 네 손가락만을 이용해서 휴대폰을 잡을 수 있었다.
제공 : 한국과학기술원 박형순 교수

 

(그림 2) 로봇 손의 기능성 평가 결과
로봇 손이 휴대폰을 잡은 상태에서 어느 정도의 외부 떨림, 힘에 대해서까지 휴대폰을 떨어트리지 않고 버틸 수 있는 지를 측정하는 방식으로, 로봇 손의잡기(grasping) 기능성을 평가하였다.
왼쪽 그림과 같이 휴대폰을 피부가 부착된 로봇 손을 이용하여 잡은 후, 휴대폰에 비틀림 힘을 가해 최대로 버틸 수 있는 힘을 측정하는 방식으로 진행되었다.
그 결과 연구팀이 개발한 3중층 인공피부 구조를 부착한 로봇 손은 기존 피부 구조 보다 47% 가량 큰 힘까지 안정적으로 휴대폰을 잡을 수 있었다.
제공 : 한국과학기술원 박형순 교수

(그림 3) 사람 피부 구조를 모사한 인체모사 3중층 인공피부 구조
인체모사 3중층 인공피부는 사람의 손바닥 피부 3중층을 모사하여 제작되었다. 왼쪽 위 그림과 같이 사람 손바닥 피부는 겉 피부층, 피하지방층, 근육층의 3층으로 이루어져 있는데 이 구조를 모사하여 아래 그림과 같은 인체모사 3중층 인공피부 구조가 제작되었다.
특히 피하지방층의 경우 물컹한 지방질 조직과 질긴섬유질 조직이 복합되어 비대칭적 물성을 가지는데, 이를 질긴 고무 격벽을 가지면서도 내부의 수많은 기공으로 인해 말랑말랑한 다공성 라텍스 구조(오른쪽 상단 그림)를 이용하여 재현하였다.
결과적으로 제작한 인체모사 3중층 인공피부 구조는 물체의 형상에 대해 피부구조가 밀착되게 변형되면서도 물체가 흔들리는 것은 질긴 격벽 구조가 견고하게 잡아주면서 안정성과 조작성을 모두 향상시킬 수 있다.
제공 : 한국과학기술원 박형순 교수

(그림 4) Advanced Functional Materials 속표지(2020.6.18. Issue 25 예정) 사진
제공 : 한국과학기술원 박형순 교수

(그림 5) 연구진 사진
왼쪽부터 김택수 교수(교신저자/KAIST), 김철규 박사(공동 제1저자/KAIST), 허시환 박사과정(공동 제1저자/KAIST), 박형순 교수(교신저자/KAIST)
제공 : 한국과학기술원 박형순 교수

연구 이야기

<작성자 : 한국과학기술원 박형순 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

바이오닉암메카트로닉스융합연구사업에 참여하며 사람 피부와 똑같은 피부를 만들어보자는 동기에서 시작되었다. 초기에는 피부의 촉감이나 움직임에 따른 외형변화 등을 모사하는 것에 초점을 맞추었다. 하지만 의수 개발 연구가 진행되면서 기존의 피부구조들이 외형을 모사하는 측면에서는 매우 우수하지만 정작 사람 피부처럼 물체를 잘 잡아주는 등의 기능은 없어 미용적 측면 외에는 의수의 기능에 기여할 수 없다는 한계가 있음을 인지하게 되었다. 이에 사람 피부처럼 의수의 피부구조도 물체를 안정적으로 잡아줄 수 있는 등 의수의 기능성에 기여해야 한다는 새로운 목표를 가지고 연구를 진행하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

우선 사람 피부의 물성을 모사하는 것에서 출발하였다. 특히 말랑말랑한 손바닥 피부의 물성을 재현하는 것이 주요 쟁점이었는데, 이를 실리콘 재료로 재현하는 것이 첫 번째 목표였다. 실리콘으로 피부를 제작하는 과정에서 다공성 실리콘 구조를 제작하는 방법을 발견하게 되었는데, 이 다공성 실리콘 구조의 물성이 손바닥 피부의 물성과 매우 유사한 것을 발견해 추후 다공성 라텍스(Latex) 구조를 활용한 3중층 피부 제작으로 이어지게 되었다. 이후 제작한 피부의 기능성을 정량적으로 평가하기 위한 실험 설계/수행 및 유한요소법 모의실험을 통한 피부구조의 특성 파악 과정을 통해 개선해 나가 지금의 기능성을 가지는 인체모사 3중층 피부구조를 개발하게 되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

기존에 물체와 접촉하는 피부구조의 특성을 조절하여 로봇 손의 작업 기능에 기여하고자 했던 연구들이 극히 일부만 수행되었기 때문에, 제작한 피부구조의 가능성을 평가하고 검증하기 위한 공인된 평가방법이 없었다. 때문에 다른 연구자들도 인용할 수 있도록 표준화할 수 있는 실험 평가방법을 새로이 수립해야 했다. 이를 위해 기존의 전통적인 로봇-물체 조작 이론에 바탕을 두면서, 실제 상황과 동떨어지지도 않은 형태의 실험과 평가지표를 설계하였다. 이후 이를 기반으로 정량적 실험 및 시뮬레이션을 수행함으로써 기존 로봇 이론에 기반하여 제작한 피부 구조가 물체 조작에 이점을 보일 수 있다는 것을 보였다. 최종적으로는 실제 로봇 손에 피부 구조를 적용하고 그 효과를 보임으로써 실적용 사례를 통해 피부구조의 우수성을 입증하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 성과는 기존에 개발되던 인공피부들이 미관상의 기능, 혹은 감각기능 등에 초점을 맞춘 것과 달리 로봇 손의 작업 기능에 기여할 수 있는 새로운 형태의 기능성 피부이다. 특히 인공 피부의 기능성이 별도의 제어 알고리즘이나 로봇 손 동작이 동반될 필요 없이 피부 구조의 물리적 특성 그 자체로 발휘된다. 결과적으로 기존에 사용되는 로봇 손, 로봇 집게(gripper), 로봇 매니퓰레이터(manipulator)등 물체를 잡고 조작하는 모든 로봇에 간단히 피부를 부착하기만 하면 전체 시스템의 작업 성능을 향상시켜 줄 수 있어 적용이 간단하고 매우 쉬우면서도 명백한 효과를 기대할 수 있다.

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

해당 성과는 로봇 손에 적용되는 피부구조를 목표로 개발되었지만, 결과물은 로봇 손 뿐만 아니라 로봇 집게, 로봇 매니퓰레이터 등 산업 현장에서 물체를 잡고 조작하는 모든 로봇 시스템에도 곧바로 적용되어 해당 로봇의 기능성을 높여줄 수 있다. 특히 나사 등 작은 물체를 집거나 계란 등 부드러우면서도 놓치기 쉬운 물체를 잡는 로봇 등에 적용되었을 때 높은 효과를 보여줄 수 있을 것으로 기대된다. 실용화하여 기존 로봇에 적용할 경우, 적용하고자 하는 로봇이 잡는 물체의 단단함이나 크기 등에 따라 기존 의수용 피부구조에서 단단함 정도 등을 조절하는 과정을 통해 해당 용도에 맞는 최적의 피부구조 형태로 수정 제작하는 과정이 필요하다.

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

로봇 손을 활용해 다양한 물체를 잡거나 젓가락질 등 어려운 사람의 손동작을 수행하는 것은 많은 연구자가 목표로 하는 도전적 주제이다. 또한, 현재 산업현장에서도 로봇 손을 활용하여 다양한 물체를 잡고 조립하는 등 로봇 손에 대한 수요가 증가하고 있다. 본 연구는 이러한 수요에 대해 별도의 복잡한 시스템 추가 없이 단순히 사용하고 있는 로봇 손에 개발한 피부를 부착하는 것을 통해 물체 조작 능력을 크게 키워줄 수 있는 장점이 있다. 추후 동일한 피부구조체에 다양한 촉각센서를 추가하고 사람의 신경계와 연결함으로써 사람과 같이 능수능란하게 작업할 수 있는 로봇 조작기술로 발전시키고자 한다.