▲ 위성 조립 지상 검증 플랫폼과 조립 과정

우주 공간에서 물체를 조립하는 것은 우주 작업의 매우 중요한 부분을 차지한다. 복잡한 물체 조립 과정에서 로봇 매니퓰레이터는 물체와 빈번하게, 그리고 직접적으로 상호작용 해야 한다. 기존의 매니퓰레이터는 다양한 조립 작업에 적응하는 데 한계가 있고 진동에 취약해 조립 실패로 이어진다.

중국 베이징이공대학(Beijing Institute of Technology) 연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 인간 팔의 가변적인 댐핑 특성(variable damping characteristics)을 기반으로 인간과 유사한 가변 제어 방법(variable admittance control method)을 제안했다. 이 방법은 효과적으로 로봇을 활용한 우주 조립의 안전성, 견고성 및 적응성을 높일 수 있다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 전문 학술지인 ‘사이보그 및 바이오닉 시스템(Cyborg and Bionic Systems)’에 연구 결과를 발표했다.

로봇은 인간 우주 비행사와 비교해 혹독한 우주 환경에서 적응력이 높아 우주 공간에서 유지보수에 점점 더 많이 활용되고 있다. 이러한 추세는 우주정거장에서 인간의 건강 위험을 완화하고, 우주에서 우주선을 수리하는 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있다.

우주 공간내 로봇 조립 기술은 최근 몇 년 동안 중요한 진전을 이루고 있다. 특히 컴플라이언스 제어는 로봇이 복잡한 조립 작업을 수행할 수 있도록 하는 중요한 방법으로 부상했다. 하지만 요구되는 수준의 정밀도와 적응력을 달성하는 것은 어려운 과제다.

이러한 과제에 대응해 연구팀은 댐핑 제어, 강성 제어, 힘/위치 하이브리드 제어, 퍼지 적응 제어 알고리즘 등 다양한 컴플라이언스 제어 방법을 제안했다. 이런 알고리즘들은, 특히 알려지지 않은 환경에서 조립 작업을 수행할 때 로봇의 적응성과 효율성을 향상시키는 것을 목표로 한다.

조립 작업은 매니퓰레이터와 조립되는 물체 사이의 접촉을 수반하는 경우가 많다. 과도한 접촉력이 물체에 손상을 주는 것을 방지하기 위해서는 에너지를 분산시키고 진동을 억제하기 위한 댐핑이 필요하다. 큰 댐핑의 물체는 외부 힘을 받으면 에너지를 더욱 빠르게 소비한다. 인간 팔의 근골격계는 댐핑을 유연하게 조정하여 다양한 작업을 안전하고 안정적으로 수행할 수 있도록 한다.

▲ 인간 팔의 힘과 속도를 측정하기 위한 장비의 세팅. 접촉점의 형성과 댐핑 특성 실험의 획득 과정

▲ 인간 팔의 조립 모델

연구팀은 접촉력, 속도 등 매개 변수를 수집하기 위해 인간의 팔 동작 캡처를 위한 동적 데이터 획득 플랫폼을 구축했다. 이 시스템의 주요 구성요소는 모션 캡처 서브시스템과 접촉력 측정 서브시스템을 포함하고 있다. ATI 오메가160 6D 힘 센서는 사람의 손과 조립 부품 사이의 접촉력 데이터를 수집하는 데 사용되며, 인간 팔의 속도 데이터는 스테레오랩스(Stereolabs) ZED 미니 모션 캡처 시스템을 통해 획득된다.

샤오 황(Xiao Huang) 베이징이공대 연구원은 "인간 팔의 동작 특성에 대한 보다 더 정확한 이해를 얻기 위해 우리는 획득한 데이터를 측정하고 분석할 수 있는 고성능 장비를 사용했다"고 말했다.

연구팀은 이번 실험에서 지상 실험 플랫폼을 통해 우주 위성 조립 시뮬레이션 검증 과정을 진행했다. 연구팀의 로봇 플랫폼은 X, Y, Z 방향에서 로봇 팔 끝단의 힘과 토크를 측정할 수 있다.

연구팀은 로봇 위성 조립 실험을 통해 사람 모양의 가변 파라미터 제어 장치의 유효성을 검증하는 데 성공했다. 인간과 유사한 제어 전략은 우주 조립과 유지 임무를 수행하는 로봇의 적응력, 정확성, 그리고 제어 가능성을 향상시킬 수 있다. 하지만, ”로봇이 실제 인간과 비슷한 유연한 조립 임무를 완수할 수 있도록 하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하며, 혹독한 우주 환경을 견딜 수 있는 내구성 있고 신뢰할 수 있는 로봇 또한 필요하다”고 연구팀은 강조했다.

즈훙 지앙(Zhihong Jiang) 베이징이공대 교수는 "휴머노이드 제어 전략의 발전은 우주 탐험과 개발의 미래에 중요한 의미를 갖고 있으며, 임무 효율성, 안전성, 그리고 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다“고 지적했다.