서울대 조규진 교수, 종이접기 응용한 가제트 로봇 팔 개발

▲드론을 바라보고 있는 서울대학교 연구진 (좌측부터 송정률 디자이너, 이대영 박사후연구원, 김석준 연구원, 조규진 기계항공공학부 교수)

종이접기 원리를 응용해 쉽게 접었다 펼칠 수 있는 로봇 팔(가제트 로봇팔) 기술이 개발됐다.

서울대 기계항공공학부 조규진 교수 연구팀이 종이접기 기술을 활용한 드론 로봇 팔로 ‘사이언스 로보틱스’ 최신판 표지를 장식한다고 14일 밝혔다.

조규진 교수 연구팀(공동1저자: 김석준 연구원∙이대영 박사후 과정, 공동저자: 정광필 서울과학기술대학교 기계∙자동차공학과 교수, 교신저자: 조규진 교수)은 이 로봇 팔에 락커(locker)를 이용한 ‘가변 강성 매커니즘(Variable Stiffness Mechanism)’을 접목하고 하나의 구동와이어로 모양을 변형할 수 있도록 하여 종이접기 구조의 실제 활용 가능성을 한 단계 끌어올렸다.

▲ 조규진 교수 연구팀의 가제트 로봇팔 연구가 사이언스 로보틱스 표지에 실렸다

딱지처럼 가볍고 얇게 접히면서도, 자동우산처럼 펼쳐지고 금방 단단해진다. 그간 종이접기 로봇이 구조적인 한계로 인해 무게를 감당하기 어려웠던 약점을, 극복할 수 있는 기술이다.

가변 강성 매커니즘은 서로 수직한 ‘접는 선’은 서로의 움직임을 제약할 수 있다는 종이접기 원리에서 착안한 것이다. 이를 활용하면 30g이 되지 않는 육면체 구조(40X40X100mm)가 최대 12kg의 압축력을 버틸 수 있다. 반면, 와이어를 잡아당기면 쉽게 락커가 해제돼 육면체 구조를 접을 수 있다.

공개된 동영상을 보면 드론은 접혀 있던 로봇 팔을 아래로 쭉 펼쳐 좁은 계곡에 떨어진 물체를 집고, 나뭇가지 사이에 낀 물체를 빼낸다. 로봇을 쓰지 않을 때는 작게 접어 이동하게 편하게 하고, 필요할 때 펼치면 힘을 발휘한다. 공간과 무게라는 로봇의 두 가지 제약을 획기적으로 극복한 것. 특히 공간과 무게의 제약이 가장 극심한 드론에 로봇 팔을 달아 시각적인 효과를 극대화했다. 이 성과는 드론만이 아닌 다른 로봇에도 적용 가능하며, 극지, 사막, 바닷 속이나 우주 같은 험한 상황에서도 활용할 수 있을 것으로 보인다.

▲종이접기 로봇 팔을 펼쳐 드론이 접근 하기 힘든 틈 사이의 물체를 집는 모습

조규진 교수는 “소프트 로봇은 유연한 움직임에 비해 큰 힘을 지탱하지 못하는 한계가 있어왔다. 이 로봇 팔에는 소프트 로봇과 하드 로봇의 중간인 가변강성이라는 기술을 활용해, 평소에는 유연하게 접혔다가 필요하면 단단해지도록 했다. 소재도 부드러운 패브릭과 특수처리된 단단한 PET 필름의 복합재로 만들었다”고 소개했다.

연구팀이 설명하는 로봇 팔의 원리

로봇 팔 내부에 설계된 와이어 경로 덕분에 쉽게 로봇팔을 접었다 펼칠수 있다. 하나의 와이어로 순차적으로 락킹매커니즘을 해제하고 그후에 팔을 접을수 있도록 설계했다. 와이어를 당기게 되면 락킹매커니즘을 해제하는 힘과 팔을 접는 힘이 동시에 발생한다. 하지만 락커가 설치되어있는 동안에는 팔을 접는 힘은 락커에 의해 상쇄되어 사라지고 락킹 매커니즘만이 해제된다.

그 후 팔이 접힐 수 있게 된다. 이러한 와이어 기반 구동은 확장이 쉬운 장점이 있다. 한 개의 모듈에도 적용이 가능하고, 이를 길게 이어 영상과 같이 일곱개 모듈을 연결한 팔도 와이어 하나로 구동이 가능하다. 와이어를 풀게 되면 로봇 팔 내부에 설치된 고무밴드로 인해 모듈이 펴지고, 자석에 의해 락커가 설치되게 된다. 일반적으로 종이접기를 하려면 두 손을 이용하여 접어서 만들어야 하는 것을 생각해 보면, 와이어 하나의 구동으로 변형이 되고, 강성까지 변하는 것의 장점을 알 수 있을 것이다.