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중국 시안쟈오통대학, 메뚜기 관절 모방한 외골격 기술 개발'IEEE 억세스'에 연구 논문 발표
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승인 2021.02.08  16:25:19
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▲ 시안쟈오통대 연구진이 개발한 외골격 로봇 기술(사진=시안쟈오통대학)

중국 시안쟈오통대학(西安交通大学) 연구진이 메뚜기의 관절을 모방한 외골격 로봇 기술을 개발했다고 ‘사이언스 타임즈’ 등 매체들이 보도했다.

시안쟈오통대학 연구진은 메뚜기, 게, 거미, 개미, 새우 등 절지동물의 관절이 갖고 있는 안정성과 견고함에 주목하고 이를 모방한 외골격 로봇 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 전문 저널인 ‘IEEE 억세스’ 최신호에 발표됐다.

무척추동물인 절지동물은 몸의 주요 부분이 관절 구조로 구분되어 있다. 연구팀에 따르면 바이오닉 동작을 실현할 수 있는 일반적인 방법은 베어링 내부에 'n-바(n-bar) 연결 구조'를 갖는 것이다. 하지만 이에 기반한 관절은 매우 복잡하다“고 지적했다.

▲ 고정축 방식(a), n-바 연결 방식(b), 소프트 재질(c) 등 관절의 구현 방식

이에 따라 연구팀은 메뚜기의 관절을 분석해 외골격 로봇의 관절을 설계했다고 밝혔다. 메뚜기의 다리 관절은 한쌍의 ‘형태가 변하는 표면(conjugate surface)’과 ‘유연한 연결 몸체(flexible connection body)’로 구성되어 있다.

▲ 메뚜기의 다리 관절은 한쌍의 ‘형태가 변하는 표면(conjugate surface)’과 ‘유연한 연결 몸체(flexible connection body)’로 구성되어 있다.

연구팀은 매뚜기 다리를 모방해 외골격을 설계했는데, 비교 해부학적 논문에 따르면 랍스터나 크랩 등이 그들의 다리를 움직이는 방법과 유사성을 갖고 있는 것으로 밝혀졌다. 대부분 절지동물 하부 그룹간에 광범위한 유성성이 존재한다는 설명이다.

▲ 메뚜기 관절을 모방한 외골격 기술

연구팀은 외골격의 관절을 설계하면서 최적화 알고리즘을 적용했다. 프로토타입을 제작해 일련의 운동학적인 특성을 테스트했다. 연구팀은 절지동물을 모방한 관절 디자인의 두 부분에 ‘형태가 변하는 표면(conjugate surface)’과 ‘유연한 연결 몸체(flexible connection body)’ 기술을 적용했다.

현재 외골격 로봇 기술은 고정축을 중심으로 회전하는 힌지(hinge) 기술에 기반하고 있는데 구조가 간단하고 효과가 높지만 움직임이 제한되어 있다. 사람처럼 완벽한 동작을 수행할 수 없다. 단일축 기반의 회전 모델은 인간의 팔다리와 외골격간의 불일치를 초래한다.

연구팀은 이같은 한계를 극복하기 위해 n-바 연결 방식과 고정 축 힌지 방식 등 옵션을 활용해 인간의 동작에 가깝게 기능을 구현했으나 관절의 과도한 사용시 이완되고 불안정함을 보인 것으로 나타나다. 특히 n-바 연결 방식이 부상이나 사지마비로 고통을 겪는 재활환자들에게 부적합하다고 봤다.

연구팀은 이번에 개발한 외골격 로봇 기술이 보다 다양한 분야에 적용 가능하고, 사용자의 힘과 안정성을 제고할 수 있을 것이라고 지적했다.

장길수  ksjang@irobotnews.com
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