▲ 한국기계연구원이 개발한 첨단 로봇의족

한국기계연구원(원장 박상진)은 15일 로봇의족과 의수, 의복형 웨어러블 로봇, 인간형 핸드 및 만능 그리퍼, 자율 주행 무인 트랙터 등 최신 연구 성과와 함께 차세대 로봇기술 개발을 위한 혁신로봇센터 설립을 발표했다.

기계연은 로봇 기술 연구개발에 있어 장애인을 위한 로봇기술, 감염병 대응을 위한 로봇기술, 고령자나 고강도 노동자를 위한 로봇기술 등 사회적 가치를 실현할 수 있는 기술에 역점을 두고 있다.

2017년 발목형 스마트 로봇 의족 개발에 처음으로 성공한 후, 이를 발전시켜 2021년에는 무릎 상단이 절단된 장애인을 위한 무릎형 로봇 의족 프로토 타입을 개발하는데 성공했다. 이뿐만 아니라 사용자의 의도를 인식해 움직이는 로봇의수, 경사로와 계단까지 자유롭게 오를 수 있는 로봇 휠체어 개발에 이르기까지 사회적 약자를 위한 기술 개발로 사회적 가치를 실현하기 위한 노력에 매진하고 있다.

무릎형 로봇의족은 발목형 로봇의족 기술을 바탕으로 단순히 체중을 버티는 것이 아니라 다양한 보행환경을 인식하여 상황에 최적화된 움직임과 힘을 능동적으로 구현해준다. 이를 통해 보다 자연스러운 보행이 가능하고 다른 관절에의 과부하를 줄일 수 있다. 연구진은 보훈처 산하 중앙보훈병원, 충남대병원과 협력하여 무릎형 스마트 로봇의족의 실사용 환경 개선 테스트를 진행하고 있다.

특히 이번 무릎형 의족은 지난 2017년 발목형 로봇의족 개발 성공 이후 국민적 관심 속에 쏟아진 후속 연구개발 요청을 반영한, 국민이 원하는 연구개발이라는 점에서 더욱 의미를 갖는다. 연구진은 2020년 보훈처와 협력하여 국가유공자를 대상으로 6대의 발목형 스마트 로봇의족을 공급한 바 있으며, 올해 안에 10대를 추가 공급할 예정이다. 또한 개발 중인 무릎형 로봇의족도 국가를 위해 희생하신 국가유공자께 먼저 공급할 계획이다.

또한, 국내 최초의 로봇 의수 개발도 추진한다. 사람 손과 유사한 로봇의수 시작품 개발도 마쳤다. 로봇의수는 국내에서 개발한 의수 중 가장 가벼우면서 물체의 형상에 맞추어 손가락의 형태가 변화하는 장점을 가진다. 또한 근육에서 발생하는 전기신호를 분석하여 절단환자가 원하는 손동작으로 로봇의수를 제어할 수 있는 특징이 있다. 연구팀은 경북대 의대와 임상시험 협력을 통해 손목 기능을 추가 개발하고, 2025년까지 상용화할 예정이다.

이와 함께 비대면 검체 채취 로봇 기술의 상용화를 위한 후속 연구개발에도 착수했다. 지난해 코로나19 바이러스 확산 속에 의료진의 감염 위험을 크게 줄일 수 있는 기술로 크게 주목받은 검체 채취 로봇 기술은 현재 국내 기업에 기술이전됐다. 연구진은 국내 기업과 함께 전자동 검체 채취 및 진단이 가능한 시스템으로 발전시킬 예정이다.

연구진은 인공지능 기술을 접목하여 검체 채취를 자동화함으로써 의료진의 로봇 조작 편의성을 증대시키기고, 또한 면봉 삽입될 때의 저항감을 조작자가 직접 느낄 수 있도록 해서 검체 채취의 안전성을 개선하는 후속 연구에 착수 했다.

뿐만 아니라 고령화 시대에 증가하고 있는 노약자 및 고강도 노동자를 위한 웨어러블 로봇 ‘근육 옷감’도 개발했다. 실처럼 가는 형상기억합금을 옷감처럼 직조해 만든 신개념 웨어러블 로봇 기술로 노인, 장애인과 같은 신체약자뿐만 아니라 택배 노동자나 돌봄 노동자와 같은 고강도 신체 노동자들을 위해 스파이더맨의 슈트처럼 착용하면 힘을 낼 수 있는 근력 보조 기술이다.

연구진은 국내·외 방직기업, 헬스케어 기업과 함께 기술이전 협의를 진행하고 있으며, 근육옷감의 성능을 고도화하는 한편 대중에게 저렴하게 보급될 수 있는 근력보조 웨어러블 로봇, 재활기기, 헬스케어기기 제품을 개발하기 위한 후속 연구를 준비하고 있다.

아울러 비대면, 언택트 문화의 확산에 따라 사람 사이의 접촉 없이도 다양한 서비스를 제공할 수 있는 로봇 기술을 실현하기 위한 연구개발도 추진한다.

기계연의 만능 그리퍼와 인간형 로봇핸드 기술은 비대면 사회의 맞춤 서비스를 제공할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 만능 그리퍼는 커피잔부터 생닭에 이르기까지 다양한 형상과 크기의 물체를 대상에 구애받지 않고 다룰 수 있다. 인간형 로봇핸드는 분무기로 물 뿌리기, 가위질, 피아노 연주 등 역시 기존의 로봇 손으로는 어려움이 있었던 정교함과 힘을 동시에 갖춘 기술로 꼽힌다.

만능 그리퍼는 어떤 물체를 파지하더라도 해당 물체의 형태와 완벽히 일치하도록 변형되고, 파지 후에는 다시 단단하게 강성이 변화되어, 마치 새로운 물체를 잡을 때 마다 그 물체의 파지를 위해서 특수 제작된 그리퍼처럼 동작한다. 이를 통해 생활 속의 어떤 물체라도 파지할 수 있을 뿐만 아니라 파지작업에서 로봇과 비전시스템의 역할이 크지 않으므로 제어 안정성과 작업 구현의 편의성에서 큰 장점을 지닌다. 이 기술을 적용하면 작업마다 다른 로봇을 사용하지 않고 한 대의 로봇으로 다양한 작업(삼계탕 만들기, 칵테일 만들기, 포도 집기 등)을 구현할 수 있어, 비대면 서비스를 위한 로봇 핵심기술이 확보되었다는데 큰 의미가 있다.

연구진은 좀 더 작은 크기로 이러한 만능 그리퍼를 구현할 수 있고, 온도가 높거나 극단적으로 울퉁불퉁한 형상에 대해서도 강한 파지력을 유지하면서 작업할 수 있도록 후속연구를 진행하고 있다. 또한 실용성을 더욱 강화하여 공정의 특성상 불특정형상의 제품들을 핸들링 해야 하는 제조기업과 함께 기술이전 협의를 진행하고 있다.

다양한 형상의 물체를 파지하는 기능과 더불어, 일상 생활 도구를 다룰 수 있는 기능은 비대면 서비스를 구현하는데 있어 매우 중요한 요소이다. 이를 위하여 15개의 모터를 손바닥 내에 내장하고 이들의 동력을 병렬 링크 구조를 통해 손가락으로 전달할 수 있는 관절 구조를 개발하여 계란을 잡거나 가위질을 하는 등 일상생활의 다양한 물체와 도구를 조작할 수 있는 로봇 핸드를 개발하였다. 특히 작은 크기, 정교함, 강한 파지력을 동시에 구현하면서도 모듈화가 달성되어 어떠한 로봇 팔에도 결합이 가능하여 비대면 서비스 구현을 위한 로봇 기술에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

연구진은 관절 구조와 구동부의 기구 구조 최적화를 통해 마찰력을 최소화하고 구동 효율을 향상시키기 위한 후속연구를 진행 중이다. 이를 통해 손가락 끝단의 힘 출력을 34N까지 확보할 수 있도록 성능을 향상시켰으며, 기존 제어부의 크기를 극단적으로 축소하여 소형화와 모듈화의 장점을 극대화 하였다. 개발된 손가락 관절 메커니즘을 산업용 그리퍼 개발에 적용하기 위하여 국내 로봇기업과 함께 기술이전 협의도 진행하고 있다.

비대면 서비스를 필요로 하는 많은 사업장에서는 모바일 로봇이 수행해야 할 작업의 종류가 매우 다양하여 이에 대응할 수 있는 많은 종류의 모바일 로봇이 필요하다. 기계연은 이러한 다양한 모바일 로봇의 수요에 대응하여 이동 모듈, 센서 및 제어 모듈, 작업 모듈 등을 원하는 용도에 따라 레고 블럭처럼 자유롭게 쌓아서 사용자가 원하는 기능의 모바일 로봇을 구성할 수 있는 모듈형 모바일 로봇 기술도 개발했다.

이송, 감시, 조작 등 다양한 목적에 최적화된 모바일 로봇이 구성 가능하므로 다양한 업종의 중소 제조업 현장에서 효과적으로 활용될 수 있다. 연구진은 실제로 반도체나 자동차 생산라인의 자동화 공정에 이 기술을 일부 적용 하였으며, 최근에는 무인 카페에서 비대면으로 음식을 배달하거나 방역 작업을 수행 할 수 있는 서빙 로봇에 적용하고 있다.

실내용 모바일 로봇 기술뿐 만 아니라, 농업 인구의 감소와 고령화, 생산성 저하 문제를 해결하기 위해 농업용 자율주행 트랙터 기술도 개발되었다. 트랙터의 특성을 반영한 경로 추정 알고리즘 개발을 통해 노면 상태 예측이 힘든 토양에서 직진 주행 평균 오차를 10cm 이내로 달성하였다. 특히 GPS와 비전 센서 만으로 기존 센서와 유사한 성능을 얻을 수 있는 센서 융합 정밀 위치 추정 알고리즘을 개발하여 자율주행 트랙터 구현에 필수적인 관성항법 솔루션을 기존에 비해 약 1/5 가격에 달성할 수 있게 되었다는 것이 큰 성과이다.

연구진은 다양한 농작업 환경 하에서 자율주행 트랙터의 성능을 테스트할 수 있는 VR기반 무인작업기계 가상시험 및 관제기술을 개발하여 한국 CDE 학회에서 주최하는 2021년 디지털트랜스포메이션 경진대회에서 과학기술정보통신부 장관상(대상)을 수상한바 있다. 기술을 이전받은 LS엠트론은 향후 자율주행 중대형 트랙터 개발 및 스마트팜 서비스화 기술 개발 등에 이를 활용할 계획이다.

기계연은 이 같이 확보된 단위 원천 기술의 유기적 융합을 통해 미래 로봇 사회에 반드시 필요한 국가적 차원의 원천기술 확보를 위한 연구 플랫폼 마련과 함께 실용화 기반 확대에도 박차를 가하고 있다.

이를 위해 기계연은 지난 4월 혁신로봇센터(센터장 박찬훈)를 설치했다. 혁신로봇센터는 로봇부품부터 협동로봇, 로봇지능, 물류로봇, 장애인용 로봇, 의료로봇, 필드로봇까지 다양한 분야를 아우르는 수준 높은 연구진과 연구 성과를 하나의 싱크탱크에 담아 개발된 기술들이 유기적으로 융합될 수 있는 기반을 마련했다.

이를 통해 사회적 약자를 위한 로봇 기술을 비롯하여 비대면 사회와 고령화 사회를 위한 로봇기술, 리쇼어링을 위한 로봇기술 등 국가적 차원에서 필요한 미래 로봇 원천기술 확보를 위하여 연구개발 역량을 결집하고 체계적인 기술 개발 전략과 기술 로드맵을 수립하는 역할을 하게 된다.

박찬훈 혁신로봇센터장은 “사람과 로봇이 공존하는 미래를 현실로 만들기 위해 연구개발 기획 단계부터 개별 요소 기술을 유기적으로 융합하고 성과를 만들어 갈 수 있는 체계를 만들 것”이라며 “연구 협력의 폭을 넓히고 실용화 기반을 다지며 미래 로봇 사회 구현에 앞장 설 것”이라고 말했다.

이와 함께 로봇 기술 실용화 기반을 확대하기 위해 국내외 다양한 연구기관과 연구협력을 추진하고, 연구소기업을 설립하는 등 기술이전 활성화를 위해 팔을 걷었다. 연구소기업 ‘휴고다이나믹스’는 발목형 로봇의족 상용화를 추진하고 있으며, 비대면 검체 채취 로봇 기술은 국내 기업 ‘바이오트코리아’가 이전 받아 기술사업화에 나섰다. 웨어러블 옷감 근육과 인간형 로봇 핸드도 국내 다수 기업과 공동 연구 및 기술 이전 논의를 진행하고 있다.

기계연 박상진 원장은 “기계연의 로봇기술 개발 방향은 사람과 로봇이 공존하는 미래를 위한 따뜻한 로봇 기술 개발이라는데 큰 차별성이 있다”며 “이러한 연구 방향성을 더욱 강화하여 출연연구기관으로서 사회적 가치 실현과 노령화, 비대면과 같은 미래사회에 필요한 로봇 기술 개발에 앞장설 것”이라고 말했다.